青藏高原草地春季物候对温度的敏感性在降低

春季物候是表征植被动态对气候变化响应的重要指标。然而，作为全球气候变化最敏感的地区之一，青藏高原春季物候对气候变化的响应机制尚不明确。本研究利用卫星太阳诱导叶绿素荧光（Solar-induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）数据，探究了青藏高原草地2001-2020年春季物候，即生长季开始日期（start of growing season, SOS），及其温度敏感性的时空变化特征。研究发现，青藏高原草地温度敏感性以每年0.14 day/℃的速率在显著降低。降水和气温对温度敏感性的空间分布影响较大，降水每减少1 mm，气温每增温1 ℃，温度敏感性分别减少0.02和0.54 day/℃。本研究在一定程度上提高了我们对高原草地春季物候对气候变暖响应的认识，有助于更好地理解全球变暖下草地春季物候变化对气候变化响应和反馈的潜在机制。

01 研究背景

在全球气候变暖背景下，气候变化对春季物候产生了显著影响。然而，目前我们对全球变暖如何调节青藏高原草地春季物候与温度之间关系的认识仍然有限。基于此，本研究利用日光诱导叶绿素荧光（SIF）和气象再分析数据（ERA5-Land），估算了青藏高原草地SOS及其对温度的响应变化指标（即温度敏感性，St），分析气候因子对温度敏感性的调制影响，旨在阐明青藏高原春季物候对全球气候变暖的响应机理。

02 研究方法与数据

青藏高原草地春季物候提取

本研究使用阈值法、双逻辑函数法来提取青藏高原春季物候，以两种方法提取的平均值作为最终的春季物候值来探究其温度敏感性的时空变化特征。

阈值法主要是利用生长季观测阈值来划定生长季物候时间节点，从而确定物候期，数学形式为：

式中，CSIF_ts为平滑后的时间序列（ts）的CSIF值；CSIF_max和CSIF_min分别为当前年CSIF时间序列中的最大值和最小值。SOS则被定义为当CSIF_ratio值超过0.2时所对应的日期的第一天。

逻辑函数法主要是基于植被生长季曲线遵循标准的逻辑函数的思想而实现对物候期提取。因此，植被生长季的遥感观测（本研究中为CSIF）的时间序列可以用一条标准的双逻辑函数拟合，其数学形式如下：

式中，f（ts）为年月日（表示为DOY）的时间序列（ts）拟合后的CSIF值，CSIF_w为冬季背景CSIF值，αS和αA分别为春季变绿平台和秋季衰落平台的振幅。δS和δA分别为对应生长季春季和生长季秋季）拐点曲率参数，S和A分别为变绿和变黄的拐点DOY中点。此外，利用最小二乘法对式（2）中参数（αS，αA，δS，δA，S，A）与实际观测值进行拟合。最后，利用一阶导数、二阶导数和三阶导数的最小值和最大值来估计SOS，即:

温度敏感性的计算

温度敏感性（St）是评估物候对气候变暖响应的有效方法。我们利用春季物候提前的天数与季前温度的线性回归的斜率作为春季物候温度敏感性。

03 研究结果

1. 青藏高原草地春季物候东部提前，西部延后

2001-2020年青藏高原草地多年平均SOS表现出明显的空间分布格局（图 1（a）），且青藏高原东部和西部的SOS呈现出相反的年际变化趋势（图 1（b））。整体来看，青藏高原草地生态系统的SOS平均每10年提前0.29天。

2. 青藏高原草地温度敏感性的空间分布

青藏高原草地温度敏感性的空间分布如图 2所示。平均温度敏感性约为0.66 day/℃，即季前温度每增加1 ℃，SOS平均提前0.66天。

结合季前气候因子（即季前温度、降水和辐射），我们进一步研究了温度敏感性的区域分布。我们观察到，在由温度和降水组成的气候空间中，温度敏感性存在明显的分布差异（图 3（a））。季前降水与温度呈高度正相关（R² = 0.81），而与季前温度呈负相关（R² = 0.78）。此外，在辐射和降水中也观察到类似的关系（图 3（b）），但在温度和辐射中则未发现（图 3（c））。总体而言，温度和降水对温度敏感性空间分布的影响大于辐射，降水减少1 mm和升温1℃分别导致温度敏感性减少0.02和0.54 day/℃。

3. 青藏高原草地温度敏感性在降低

研究结果发现，2001-2010年的温度敏感性的平均值远远高于2011-2020年的（+ 1.38 day/℃ vs + 0.16 day/℃）（图 4（a）、（b）、（c））。2001年到2020年的5年滑动窗趋势分析显示，温度敏感性的平均降低速率为0.14 day/℃/year（p = 0.1）（图 5）。以上结果表明，近20年来青藏高原草地春季物候温度敏感性在降低。

4. 温度敏感性时序降低的归因

基于5年滑动窗方法，我们进一步探讨季前气候因子对温度敏感性降低的贡献。结果表明，青藏高原草地温度敏感性受季前温度、辐射和降水限制的区域占比分别为37.9%、34.4%和27.7%（图 6（d））。

04 结论

本文基于日光诱导叶绿素荧光和气象再分析数据，探究了青藏高原草地春季物候与其温度敏感性对气候因子的时空变化特征。研究结果表明，2001-2020年青藏高原草地SOS变化趋势具有明显的空间格局：提前趋势（58.1%）和延后趋势（41.9%）分别分布在青藏高原东部和西部。在此期间，温度敏感性以每年0.14 day/℃的速度显著降低。从空间上看，青藏高原东部表现为正温度敏感性（即温度升高，SOS提前），西部表现为负温度敏感性（即温度升高，SOS延后）。降水和气温对温度敏感性的空间分布影响较大，降水每减少1 mm，气温升高1℃，温度敏感性分别减少0.02和0.54 day/℃。从时间上看，季前气候因子协同控制温度敏感性的降低。我们的发现对理解青藏高原春季物候对气候变化的响应具有重要意义，并进一步证实了在春季物候研究模式中考虑季前气候因子的重要性。