基于控制试验的冰雪区植被物候遥感探测方法研究

Vegetation phenology is one of the vegetation traits that are most responsive to climate. In response to the accelerated warming that has occurred since the early 1980s, pronounced phenological shifts were revealed in the temperate vegetation of China by satellite images. However, remote sensing derivations of vegetation phenology suffer from the snow effects on greenness vegetation indices used for determination of timing of seasonal transitions and from the lacks of spatially compatible ground based validations. On the other hand, although previous studies have provided insights to the spatio-temporal patterns in phenology and phenological changes, there is still little knowledge about the mechanisms underlying the phenological responses to climatic changes. This project addresses the above issues by (1) designing snow-insensitive vegetation indices for remote sensing of phenology and noise-insensitive algorithms for fitting vegetation index time series and detecting phenology, based on control experiment-simulation of land surface seasonal transitions and pixel-scale ground phenological observations; and (2) specifying environmental determinates of phenology and responsive sensitivity and mechanisms of phenological changes.

植被物候是对气候变化最敏感的自然属性之一。遥感资料表明，从20世纪80年代开始，我国温带和寒温带地区的温度快速上升已经引起了植被物候显著的变化。但是目前的物候遥感提取算法严重受春秋降雪和融雪影响，并且缺少同尺度的地面观测数据的验证；另一方面，目前物候遥感研究重在植被物候及其变化的时空格局，在物候对气候变化响应机制的研究较为缺乏。本项目以中国东北有季节性冰雪覆盖的落叶林为研究对象，以控制实验测量融雪、降雪、返青和枯黄等地表季节性变化的光谱，开展像元尺度的实地光谱和物候观测，针对植被物候遥感探测的需要，设计抗冰雪干扰的植被指数，开发稳健的时间序列拟合和物候期提取算法；以此为基础，结合气象观测资料，定量分析不同环境因子对植被物候的影响，量化植被物候对主导环境因子响应的敏感性，并探讨其成因。

物候指受环境影响而出现的以年为周期的自然现象，是全球变化的积分仪，记录和积累了环境变化的全部信息，是全球变化最敏感的指示器。同时，物候变化对生态系统结构和功能会产生深刻的影响。因此，国内外专家利用遥感技术，控制实验和地面观测等各种方法开展研究。其中遥感技术是探测大尺度植被物候变化的最有效的方式。但是已有遥感物候探测方法受冰雪等不利观测条件影响，导致提取的物候期存在较大的不确定性和误差，从而影响对生态系统对气候变化响应的正确评估。另一方面，由于尺度效应和定义的差别，遥感提取的物候期和传统地面观测物候期存在显著的不同，如何将两者有机结合，是物候学和植被遥感领域的当务之急之一。此外，从变化生态学的角度看，目前学界对物候对气候变化的响应有了一定的研究成果，但是对响应机制，尤其是敏感性和空间异质性方面认识严重不足。基于上述考虑，本项目提出了将地面春季展叶物候观测和卫星遥感技术的融合算法；校正了积雪对植被指数影响从而降低了遥感植被返青期估算的不确定性；并且以青藏高原和北半球为例，系统分析了近30年植被返青期对气候变化的响应，并初步探讨了响应机制；比较了基于绿度植被指数的植被结构物候和基于冠层总光合作用的植被功能物候并探讨了两者差异的原因；此外以内蒙古自治区为例探讨了近30年植被返青期提前对沙尘暴的抑制作用。概言之，项目执行和资助期间，在大尺度植被物候变化探测方法，物候对气候变化的响应，以及物候变化的环境效应等方向开展了系统的研究，在PNAS，Global Change Biology, Agricultural and Forest Meteorology, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing等期刊上发表论文11篇（项目负责人为第一作者的7篇，通讯作者的1篇，不重复计算），其中第一资助的第一或通讯作者论文3篇。