《Journal of Environmental Management》：Cumulative and lagged effects of climate factors on vegetation end of the growing season in the Yangtze River Basin
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本研究分析长江流域植被结束生长期（EOS）对气候因子时间效应的响应，发现温度、太阳辐射和降水存在累积和滞后效应，且不同植被类型响应差异显著。整合时间效应后，气候模型预测精度提升14.3%，减少误差2.26天。
王杰|尤江功|易明轩|霍伟奇|张东明|沈永林|隋凯琳
中国地质调查局廊坊综合自然资源调查中心，廊坊，065000，中国
摘要
中国长江流域内的植被生长是一个重要的生态屏障。尽管已有大量研究探讨了气候对植被物候的即时影响，但气候对生长季节结束（EOS）的时间效应（包括累积效应和滞后效应）仍不够明确。有必要进一步研究以阐明关键气候因素——特别是温度（TEM）、太阳辐射（SR）和降水量（PRE）——对EOS的时间效应。因此，本研究利用了MCD12Q2产品中的植被物候数据以及TerraClimate数据集（2001-2023年）中的月度气候变量（TEM、SR和PRE）。通过趋势分析评估了长江流域内EOS和季节内气候因素的动态特征。利用偏相关分析量化了时间效应，并通过岭回归评估了它们的相对贡献。主要发现如下：首先，流域平均EOS趋势每年滞后0.18天；同时，生长季节的趋势分别为TEM每年0.03°C、SR每年?1.98 W/m2和PRE每年0.17毫米。其次，滞后效应主要影响EOS对SR的响应，而累积效应则对TEM和PRE更为显著。与TEM和PRE相比，SR在更长的累积时间尺度（6.23 ± 3.75个月）和滞后时间尺度（8.21 ± 3.32个月）上具有更大的影响。在四种主要植被类型（草地、农田、森林和稀树草原）中，由于植被结构的原因，草地对PRE的响应最快。第三，结合这些时间效应后，三个气候因素可以解释EOS变异性的64.50%（RMSE = 4.91天），比忽略时间效应的模型提高了14.30%，并使预测误差减少了2.26天。这些发现强调了时间效应在物候建模和气候-植被相互作用评估中的重要性。
引言
植被物候指的是植物年度生长周期中的形态和生理事件序列。它对陆地生态系统中的碳预算以及水文和能量循环有着重要影响（Pe?uelas和Filella，2009；Piao等人，2019）。植被物候，以生长季节开始（SOS）和生长季节结束（EOS）为例，被认为是气候变化的敏感指标（Tang等人，2016）。EOS定义为标志着植被衰老（或落叶）完成或植被进入休眠期的日期（Che等人，2014），这在生态上与光合作用活动的停止和向休眠状态的转变相关。它是影响生态系统季节性碳平衡的关键时期。与SOS相比，EOS受到的关注较少，部分原因是其背后的调控过程较为复杂（Estiarte和Pe?uelas，2015；Liu等人，2016a）。然而，最近的研究越来越多地表明，EOS可能在调节生长季节长度和陆地碳平衡中起着更重要的作用（Garonna等人，2014；Piao等人，2008）。因此，全面了解EOS对气候变化的响应对于提高物候模型的预测能力以及深入理解物候-碳循环相互作用和生态系统响应机制至关重要。
研究气候变化对植被物候影响的主要焦点是同时期气候因素如何调节物候事件的时间（Liu等人，2021；Tadesse等人，2025）。温度（TEM）、太阳辐射（SR）和降水量（PRE）是影响植被生长的基本气候驱动因素（Dang等人，2022；Ding等人，2020）。这些因素代表了热条件、辐射强迫和水供应的主要维度，是植物发育的基本决定因素。具体来说，TEM通常被认为是控制植物发育的主要因素，影响酶催化的生化反应等过程（Ren等人，2022）。SR作为光合作用的能量来源，是初级生产力的重要决定因素（Durand等人，2021）。PRE影响植物的水分可用性并促进养分运输（Fischer等人，2019；Li等人，2021）。这些变量共同构成了描述气候对植被物候限制的基本框架。重要的是，这些气候因素并非孤立作用，而是相互作用来调节植被物候。例如，温度积累对物候的影响往往受到水分可用性和光周期的调节。更广泛地说，气候变化还影响人类系统，包括经济活动（Dimitriadis等人，2024，2025b）和建筑环境（Naghipour，2025；Naghipour和Naghipour，2025a）。
植被生长不仅受同时期气候的影响，还受先前气候条件的影响。这种对气候变异的异步响应被称为时间效应（Anderegg等人，2015），是气候-植被相互作用中的一个关键现象，包括累积效应和滞后效应。累积效应反映了植被整合足够资源（如TEM、SR和PRE）以达到启动关键生命周期阶段（如种子萌发、开花）所需的时间（Busetto等人，2010；Cleland等人，2007）。相反，滞后效应涉及过去条件对当前植被状态的生理记忆或延续影响，通常通过资源储存或应力恢复动态介导（Zhao等人，2020）。最初的研究主要集中在滞后效应上。例如，Braswell等人（1997）探讨了植被生长对TEM的年际滞后响应，阐明了不同生态系统之间的差异。Wu等人（2015）利用线性回归量化了TEM、SR和PRE对全球植被动态的滞后效应。他们的发现表明，结合这些滞后效应可以解释64%的全球植被变化，比忽略这种时间依赖性的模型解释能力提高了11%。最近的研究越来越多地同时研究累积效应和滞后效应。例如，Ding等人（2020）利用线性回归量化了这些因素对全球生长季节及其子阶段（生长、衰老）的双重影响。同样，Shi等人（2021）使用偏相关分析研究了这些气候驱动因素对西伯利亚植被生长的累积和滞后效应，发现SR的响应最快，其次是TEM和PRE。越来越多的证据表明，考虑时间效应对于解释气候因素与物候之间的非线性关系至关重要（Yuan等人，2024）。此外，在东亚季风地区的研究表明，忽略这些效应可能会导致低估气候变化对植被生长的贡献。这些发现已在中国的西南部（Wang等人，2022a）、北部（Ma等人，2023）和黄土高原（Liu等人，2023a）得到报告。因此，研究时间效应对于增强对植被响应的机制理解以及改善未来气候变异性下植被动态的预测至关重要。
作为亚洲最长的河流系统，长江流域是一个对气候变化具有高度敏感性和脆弱性的关键生态屏障（Zhang等人，2014）。其独特的地理位置加上显著的海陆温差，形成了多样化的气候区和植被类型。这种内在的复杂性使得长江流域成为解码全球气候变化对陆地植被生态系统带来的广泛而多方面挑战的代表性微宇宙。最近的一项方法学研究强调了考虑响应分布异质性的重要性（Ul-Durar等人，2025）。然而，大多数现有研究仅考察了植被对同时期或单一尺度气候驱动因素的响应（Cui等人，2018；Wang等人，2022b），对物候响应的多时间动态了解不足。虽然一些研究探讨了气候在物种和群落层面的时间效应（Wei等人，2022；Zhao等人，2020），但这一复杂流域内不同植被类型之间的气候敏感性差异尚未得到充分关注。因此，本研究的中心问题是：累积和滞后气候效应如何驱动长江流域内EOS的时空变化？
为了解决这个问题，本研究重点关注长江流域内EOS对气候变化的响应。旨在通过多尺度分析揭示TEM、SR和PRE对EOS的累积和滞后效应。具体目标是：（1）量化TEM、SR和PRE对长江流域内EOS的累积和滞后效应；（2）在多个空间尺度（包括像素、子流域和植被类型）上比较这些时间效应，以探索时间效应的异质性；（3）将时间效应纳入气候-物候模型，并评估其对模型解释能力的贡献。本研究为EOS对气候因素的响应机制提供了新的见解。
研究区域
长江流域（北纬24°30′-35°45′，东经90°33′-122°25′）横跨6300公里，覆盖180万平方公里，包括19个省（直辖市和自治区）和9个子流域（图1）。该流域从青藏高原东部延伸至东海，拥有众多支流和湖泊。流域的海拔范围从-70米到6444米，形成了明显的阶梯状地形。由于其独特的地理位置，
生长季节内EOS和气候因素的时空模式
如图3e所示，长江流域的平均EOS发生在生长日（DOY）318。太湖、嘉陵江、长江干流、洞庭湖和吴江流域的EOS普遍滞后，区域平均时间在DOY 316到332之间。相反，雅砻江流域、岷江流域西北部和汉江流域东部的EOS较早，区域平均值在DOY 308到311之间。
EOS分析
气候因素对EOS的累积和滞后效应取决于植被类型
由于内在的生理和结构差异，植被对气候因素表现出类型特异性的物候响应（Deng等人，2025；Gao等人，2023）。对于草地，累积和滞后气候效应已经得到充分证实（Huang等人，2024；Jin等人，2023；Wei等人，2022）。我们的结果显示，在超过一半的草地面积中，植被对气候因素（TEM、SR和PRE）的响应主要发生在前五个月内（图9a），这与
结论
本研究利用全面的评估框架，调查了2001-2023年间长江流域内气候因素（TEM、SR和PRE）对EOS的累积和滞后效应。主要结论如下：（1）EOS变化的速度表现出明显的空间异质性，中部较低，向东和西部逐渐增加；（2）气候趋势显示出明显的空间模式：SR呈现“东低西高”的梯度；TEM显示出普遍的变暖趋势
CRediT作者贡献声明
王杰：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论。尤江功：可视化，项目管理，资金获取。易明轩：调查，正式分析，数据管理。霍伟奇：调查，正式分析。张东明：资源，调查，正式分析。沈永林：写作——审稿与编辑，概念化。隋凯琳：写作——审稿与编辑，验证，监督，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了自然资源监测（廊坊中心） [DD20243170]的支持。
