蒙古高原春季物候对白天和夜间温度的非对称响应及相关反馈

《Agricultural and Forest Meteorology》：Asymmetric response of spring phenology to daytime and nighttime temperature and associated feedbacks on the Mongolian Plateau

　　

春季物候是植被生产力的关键调控因子，然而，对于蒙古高原，春季物候对昼夜温度变化的非对称响应及相关反馈机制仍知之甚少。本研究调查了生长季开始时间（start of season, SOS）与昼夜温度变化之间的耦合关系。研究人员在2010年左右检测到春季物候的一个明显转折点，此后SOS表现出延迟趋势。季前白天温度比夜间温度上升更快，并在更早、更长的时期内影响SOS。尽管在研究区超过50%的区域，白天和夜间温度均与SOS呈正相关，但夜间温度的影响更强且更稳定，而白天温度的影响对气象条件更敏感。研究人员进一步确定了一条物候-气候反馈路径：由SOS诱导的植被变绿改变了地表能量和水文条件。SOS后增强的变绿降低了反照率，同时增加了发射率、蒸散发和土壤湿度，导致非对称反馈，即冷却白天温度并增暖夜间温度。这些发现表明，春季物候通过非对称热强迫和地表介导的反馈与昼夜温度变化相互作用。这些发现为物候介导的气候反馈提供了新见解，并提高了对干旱和半干旱地区生态系统对持续非对称变暖响应的理解。

**论文解读：蒙古高原春季物候对昼夜温度的非对称响应与反馈机制**

**1. 研究背景、问题与意义**

在全球气候变暖（Intergovernmental Panel On Climate Change (IPCC), 2023）及极端天气事件频发的背景下，陆地生态系统的稳定性与功能面临日益增大的压力。植被作为生态系统碳-水交换的核心媒介，其生长动态的变化是生态系统对气候变率响应的关键指标。植被物候记录了季节性生长过程的时间节点，为评估陆地生态系统与气候变化之间的反馈提供了重要基础。春季物候定义了植被生长的起始，直接影响区域初级生产力和碳固存。温度已被确定为控制春季物候的主要因素，尤其是在温带和高纬度地区。然而，变暖的物候效应在白天和夜间条件下存在差异，干旱和半干旱地区的响应模式更为复杂，因为水分可用性和辐射会进一步调节温度效应。此外，植被物候不仅响应气候变率，还通过生物物理和生态反馈影响气候系统，例如通过改变地表反照率和蒸散发来调节区域能量和水分平衡。然而，目前关于春季物候-气候反馈的研究多集中在直接影响上，而春季物候如何反馈到白天和夜间温度的具体路径尚不清晰，特别是在蒙古高原这一生态敏感区域，昼夜温度变化的非对称作用及其反馈机制仍存在空白。因此，本研究旨在量化蒙古高原春季物候对白天和夜间温度的非对称响应，并评估相关的生物物理反馈路径，以加深对干旱和半干旱高原地区植被-气候耦合的理解，为气候变化风险评估和生态系统管理提供科学依据。该论文发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员使用了1982–2022年共41年的AVHRR GIMMS-3G+归一化差异植被指数数据集（NDVI，空间分辨率0.0833°，时间分辨率15天）提取春季物候参数（生长季开始时间SOS）。温度、降水、太阳辐射等气象数据来自ERA5-Land再分析资料（空间分辨率0.1°，小时尺度）。地表反照率（BSA）、宽波段发射率（BBE）、蒸散发（ET）和叶面积指数（LAI）来自GLASS v5.0产品。主要方法包括：（1）结合HANTS滤波、双逻辑模型和Savitzky–Golay滤波三种方法提取SOS，并利用Pettitt检验检测SOS突变点；（2）通过像元尺度滑动相关确定白天和夜间温度对SOS的季前影响窗口（preseason window）；（3）采用偏相关分析和岭回归（ridge regression）消除白天与夜间温度共线性，量化SOS对昼夜温度的敏感性和解释力；（4）利用内部随机化气候驱动线性耦合模型评估植被变绿（LAI）对昼夜温度的敏感性，并通过相关分析揭示SOS后地表特征变化（BSA、BBE、ET、SM）对昼夜温度的反馈路径。

**3. 研究结果**

**3.1 春季物候与季前昼夜温度的变化模式**
通过Mann–Kendall趋势检验和Sen’s斜率估算，1982–2022年间蒙古高原约50.38%的区域SOS呈提前趋势，但2010年以后整体转向延迟。Pettitt检验识别出2010年为区域突变点。SOS时空同步性（standard deviation, SD）从西向东减弱，干旱区同步性高于湿润区。季前窗口分析表明：白天温度驱动的季前平均长度为75.74天，夜间温度为57.42天，白天温度对SOS的影响起始更早且持续更长。1982–2022年间，季前白天升温速率超过夜间，显著升温区域分别占52.58%和52.86%。

**3.2 春季物候对昼夜温度的响应**
偏相关分析显示，控制其他环境变量后，研究区约79.83%的区域SOS与夜间温度呈正相关（显著占60.08%），而白天温度正负相关比例接近。岭回归进一步证实：夜间温度与SOS在86.34%的区域呈正相关，平均每升高1°C延迟SOS 2.30天；白天温度与SOS正相关区域占61.3%，但敏感性仅-0.04天/°C（即白天升温使SOS略微提前）。解释力分析表明，夜间温度对SOS变异的解释范围更广（20%–70%区间），优于白天温度（主要集中在10%–30%区间）。

**3.3 SOS前后地表特征的变化**
SOS发生后，白天和夜间温度的升温速率均降低，白天降温幅度（0.09°C d?1）大于夜间（0.06°C d?1）。降水速率在SOS后增加0.016 mm d?1。地表反照率（BSA）下降速率在SOS后减弱（平均降低0.04×10?2 d?1），宽波段发射率（BBE）和土壤湿度（SM）由下降转为上升趋势，蒸散发（ET）增长速率从0.187增至0.458。空间上，超过90%的区域SOS后白天和夜间增温趋势减弱，白天降温更显著。BSA下降速率在94.47%的区域减慢；BBE在91.71%的区域由降转升；ET在96.59%的区域增长加速；SM变化较弱且空间异质。

**3.4 春季物候对昼夜温度的反馈**
SOS后，植被变绿（LAI增加>0.06/十年的区域从26.53%增至69.52%）对昼夜温度的影响变化显著。白天和夜间温度对LAI的敏感性在SOS后均下降（白天平均从0.19降至0.04°C/0.1 LAI，夜间从0.17降至0.05°C/0.1 LAI）。LAI对白天温度的解释力（R2）从27.73%降至17.69%，对夜间温度的解释力从较高水平降至40.02%的像素R2<0.20。相关性分析表明：SOS后BSA下降与白天降温相关；BBE上升与白天降温、夜间增温相关；ET和SM增加与白天降温、夜间增温相关。总体而言，春季物候通过SOS加速植被变绿，进而通过BSA、BBE、ET和SM等地表生物物理变量间接调节昼夜温度，形成非对称反馈：白天冷却、夜间增温。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，蒙古高原SOS在2010年后的延迟可能与昼夜温度的非对称变化、水分胁迫加剧（降水减少、干旱频发）以及人类活动（围栏外土壤养分下降、干旱耐受物种替代）等多重因素有关。昼夜温度对SOS的非对称响应可归因于白天温度通过促进光合作用提前SOS，而夜间增温可能加速呼吸作用，增加碳消耗，降低植物活力，导致SOS延迟。此外，水分可用性作为调节约束加强了这种非对称性。在反馈机制方面，SOS后植被变绿通过改变地表能量收支（BSA降低、BBE升高）和水文过程（ET和SM增加）产生昼夜非对称效应：白天冷却（ET和BSA主导）和夜间增温（BBE和SM主导）。这反映了干旱半干旱区能量-水分控制的相对主导性转变。不确定性主要来自空间和时间插值方法以及统计分析的因果推断局限性。研究结论部分翻译如下：

**结论**
本研究考察了蒙古高原春季植被物候对白天和夜间温度的非对称响应及相关反馈机制。主要发现如下：（1）1982–2022年间SOS总体呈延迟趋势，约在2010年由提前转为延迟。约50.38%的区域SOS提前，而显著延迟主要发生在南部典型草原和东南部林地。SOS同步性从西向东降低，在湿润区最低。（2）白天和夜间温度强迫的季前窗口主要集中于30–80天。白天变暖普遍超过夜间，且更早、更强地影响SOS，尤其在半干旱典型草原。（3）尽管白天和夜间温度与SOS在研究区>50%的区域呈正相关，但其空间效应明显非对称。夜间温度与SOS的正相关关系相对稳定，而白天温度效应更易受其他气象因子调节。夜间温度对SOS的解释力在更广空间范围上更强，且干旱区差异明显。（4）提出的“SOS–LAI–地表生物物理因子–昼夜温度”反馈框架表明，SOS加速了植被变绿，而LAI对白天和夜间温度的敏感性在SOS后下降。这表明物候对昼夜温度的反馈并非直接通过植被变绿单独作用，而是由BSA、BBE、ET和SM介导。具体而言，SOS后BSA降低，同时BBE、ET和SM升高，产生了对昼夜温度潜在的非对称反馈，即白天降温、夜间增温。

这些发现表明，干旱和半干旱地区的春季物候对昼夜温度变化呈非对称响应，并通过地表辐射和水分相关过程反馈至昼夜温度。这些结果支持了增温不一定提前干旱区生态系统SOS的观点。通过量化春季物候与昼夜温度之间的双向响应-反馈过程，本研究为评估干旱区生态系统脆弱性提供了基础，并强调了将昼夜温度非对称性和物候反馈纳入气候变化影响评估和生态管理的必要性。