賴虹燕, 陳幫乾, 云挺, 尹雄, 陳岳, 吳志祥, 寇衛(wèi)利*
(1. 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院,昆明 650224;2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所, 海南省熱帶作物栽培生理學(xué)重點實驗室,海口 571101;3. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,南京 210037)
植被物候是反映氣候變化的綜合環(huán)境指標(biāo)[1]。研究植被物候的變化規(guī)律及其對氣象因子的響應(yīng)程度,有助于更好地理解植被和氣候因素之間的相互影響作用[2–3]。氣候變化對非熱帶地區(qū)的植被物候影響顯著,包括廣泛報道的春季提前和秋季延遲[4–7]。然而,由于熱帶地區(qū)季節(jié)變化不明顯,植被物候變化關(guān)注較少,關(guān)于全球氣候變化對熱帶地區(qū)植被物候影響的認(rèn)識還非常有限[8–9]。但是,隨著遙感等多源監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展,在全球氣候變化大背景下探討熱帶植被物候變化規(guī)律,分析氣候因子與其耦合關(guān)系,已成為物候?qū)W研究的新興熱點。
橡膠樹(Heveabrasiliensis)廣泛種植于10o S~24o N 地區(qū),屬于典型的熱帶落葉喬木,是國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略物資天然橡膠的主要來源[10–12]。橡膠樹/林具有明顯的物候特征,物候研究備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[13–15]。傳統(tǒng)地面物候觀測研究如葉蓬物候變化是苗木繁育、抗逆栽培和割膠規(guī)劃等生產(chǎn)管理重要參考依據(jù)[3,16–22]。隨著遙感觀測技術(shù)迅猛發(fā)展,以覆蓋范圍廣、時間序列長和受干擾較小等優(yōu)勢,已成為橡膠樹物候監(jiān)測的主要手段(圖1)。目前,橡膠樹物候指標(biāo)遙感提取、空間特征分布及其動態(tài)分析方面已取得一定研究進(jìn)展[11,23–27],但研究集中分布在中國的西雙版納[28–32]和海南島[10,33–37],時間尺度多在15 a 左右[23]。橡膠林物候空間異質(zhì)性與緯度[16,38]、海拔[39]、樹齡[40–41]等因子有關(guān),且不同驅(qū)動因子對物候影響差異較大。然而,由于現(xiàn)有橡膠林物候指標(biāo)來自不同的數(shù)據(jù)源或物候算法[42–43],大尺度物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)模式可能與區(qū)域尺度上的模式不同[44]。不同尺度差異條件下,很難表達(dá)區(qū)域空間和大尺度物候年際變化的細(xì)節(jié),橡膠林空間異質(zhì)性和區(qū)域特異性研究尚顯不足[14,30]。
圖1 橡膠物候研究文章數(shù)量年度分布Fig. 1 Annual distribution of number of articles on Hevea brasiliensis phenology
橡膠樹橫跨熱帶地區(qū),探索橡膠林物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)有利于揭示全球氣候變化對熱帶植被物候的響應(yīng)規(guī)律,也可以加強(qiáng)橡膠林物候動態(tài)預(yù)測,對橡膠生產(chǎn)和管理有重要意義[9,45]。比如,展葉期延遲對后期復(fù)育、疾病防御和乳膠產(chǎn)量等有顯著影響[30,46]?,F(xiàn)有橡膠樹物候監(jiān)測因研究區(qū)、數(shù)據(jù)源和動態(tài)閾值不同[42,47],造成監(jiān)測結(jié)果存在較大差異,包括生長季始期、生長季末期和生長季長度存在提前、延遲、沒有明顯變化和在波動中提前4 種觀點[24,48–49]。此外,熱帶地區(qū)環(huán)境氣候復(fù)雜嚴(yán)重影響遙感物候監(jiān)測[29,47,50],橡膠樹物候的時滯效應(yīng)和尺度效應(yīng)未深入探索,增加監(jiān)測結(jié)果的不確定性[30,51]。鑒于此,本文對當(dāng)前橡膠樹物候研究進(jìn)行梳理和展望,以期增強(qiáng)生產(chǎn)工作的預(yù)見性和應(yīng)對全球氣候變化提供新見解。
橡膠樹物候是葉片隨著環(huán)境、季節(jié)而變化的生長節(jié)律,主要包括萌芽、展葉(銅棕色)、開花、變色(淺綠色)、結(jié)果、黃葉、落葉和休眠等現(xiàn)象[52]。不同物候期,橡膠樹的生理結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征有較大差異[3]。生長季始期(又稱展葉期, start of growing season, SOS)表示橡膠樹頂芽由銅棕色變?yōu)闇\綠色的時間;生長季末期(又稱落葉期, end of growing season, EOS)表示冠層上部葉片由淺黃色變?yōu)閹缀跬耆S色的時間;生長季長度(length of growing season, LOS)表示SOS 與EOS 之間的持續(xù)時間(圖2)。落葉前葉片由深綠色變?yōu)闇\黃色約需2~4 周[42,53],落葉到展葉約需6~8 周[30]。北半球橡膠樹一般在2 月中旬左右集中快速落葉, 除落葉期或受自然災(zāi)害影響外,全年林冠較茂盛[54]。
圖2 橡膠樹的典型物候特征。A: 冠層水平;B: 葉片水平。Fig. 2 General phenological characteristics of Hevea brasiliensis. A: Canopy level; B: Leaf level.
人工物候觀測常在固定樣地展開(表1),觀測員按照“定時、定點、定株”的原則和統(tǒng)一觀測標(biāo)準(zhǔn)記錄橡膠樹的落葉和展葉日期[3,55],最早可追溯到1960 年[21]。國內(nèi)報道的物候觀測站點主要位于海南省儋州市南豐鎮(zhèn)的那王村、儋州兩院試驗農(nóng)場、瓊中陽江農(nóng)場和保亭熱作所[14,36]。由于缺乏長期穩(wěn)定的經(jīng)費支持,觀測員專業(yè)培訓(xùn)度較低,導(dǎo)致觀測標(biāo)準(zhǔn)受主觀經(jīng)驗影響較大,高質(zhì)量、長時間跨度的橡膠樹物候觀測數(shù)據(jù)一直匱乏。人工觀測積累數(shù)據(jù)是物候監(jiān)測結(jié)果驗證必不可少的數(shù)據(jù)資源,后續(xù)可按照“定點、定人、常年性、標(biāo)準(zhǔn)化”的原則,增強(qiáng)橡膠樹物候長期數(shù)據(jù)的收集和同步,并提高人工觀測的精度[37]。
表 1 橡膠樹物候研究方法的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of rubber tree phenology research methods
衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可獲取性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、時間序列長,可快速重復(fù)監(jiān)測且受人為干擾較小,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)植被物候觀測的局限,實現(xiàn)了物候監(jiān)測由“點”向“面”的轉(zhuǎn)換,使大尺度研究橡膠樹物候時空特征及其氣候響應(yīng)成為可能[56]。同時,多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同監(jiān)測,可以最大限度地發(fā)揮各自優(yōu)勢,獲得更高精度和更多數(shù)據(jù)信息,從而有效提高橡膠樹物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)模式的可靠性[42]。
1.3.1 遙感數(shù)據(jù)源
光學(xué)衛(wèi)星是植被物候監(jiān)測的主流數(shù)據(jù)源,常用數(shù)據(jù)源包括中分辨率成像光譜儀(MODIS)[10]、Landsat[23,57]和Sentinel-2[42]。250 m 的MODIS 具時間分辨率高,能夠緩解熱區(qū)多云雨天氣對監(jiān)測的影響,但斑塊破碎化會有較明顯的混合像元現(xiàn)象,監(jiān)測結(jié)果偏差較大;中分辨率的Landsat 和Sentinel-2雖能較好地解決混合像元問題,但多云雨天氣和長重訪周期使得觀測結(jié)果不連續(xù)[58]。因此,導(dǎo)致遙感監(jiān)測和地面觀測的橡膠樹物候結(jié)果容易出現(xiàn)不一致的情況[4]。雖然可通過多源數(shù)據(jù)融合和時空插值的方式來解決觀測不連續(xù)問題,獲得更精細(xì)的橡膠樹物候特征信息[42],但尺度效應(yīng)仍是難題,需根據(jù)研究目的在影像時間和空間分辨率之間進(jìn)行取舍[59]。
1.3.2 遙感時序數(shù)據(jù)預(yù)處理方法
除了數(shù)據(jù)源優(yōu)選之外,由于遙感數(shù)據(jù)存在噪聲(如云、氣溶膠等),季節(jié)生長曲線常常存在異常值和缺失值等問題,時序重構(gòu)質(zhì)量對確準(zhǔn)提取物候指標(biāo)有著決定性的影響。學(xué)者們致力于豐富遙感時序重構(gòu)和空值插補(bǔ)方法[56]?!皶r序重構(gòu)”是利用多種統(tǒng)計和數(shù)值分析方法,模擬季節(jié)變化規(guī)律,從而插補(bǔ)缺失值,增加數(shù)據(jù)連續(xù)性,突顯季節(jié)變化趨勢, 提高時序數(shù)據(jù)重構(gòu)質(zhì)量, 如使用Savitzky-Golay 濾波法[60]、非對稱高斯濾波法[61]和雙Logistic 函數(shù)法[62]來擬合植被指數(shù)曲線,過度擬合和欠擬合都會影響物候提取的準(zhǔn)確度。選擇時序重構(gòu)方法時,需考慮植被生長的特點和數(shù)據(jù)源質(zhì)量選擇最合適的擬合方法。
1.3.3 物候指標(biāo)提取方法
基于植被指數(shù)時序數(shù)據(jù)的季節(jié)生長曲線形態(tài)特征,通過設(shè)定閾值或者尋找曲率變化速率的極值點來確定關(guān)鍵物候指標(biāo)[56]。物候指標(biāo)提取主要有閾值法或拐點[42]、求導(dǎo)數(shù)[63]、移動平均法[64]等方法。為了提高工作的效率,J?nsson 等[61]開發(fā)了遙感影像時間序列濾波處理TIMESAT 軟件包來提取物候指標(biāo),在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。目前,對于SOS 和EOS 的動態(tài)閾值、平滑窗口大小、迭代次數(shù)、適應(yīng)強(qiáng)度等設(shè)定存在較大差異。胡盈盈等[36]將SOS 和EOS 的動態(tài)閾值分別設(shè)定為 30%和60%,但Azizan等[42]分別設(shè)定為20%和20%。不同遙感數(shù)據(jù)源重構(gòu)時序曲線與主觀提取物候指標(biāo)會導(dǎo)致監(jiān)測精度降低。因此,遙感提取物候指標(biāo)是否準(zhǔn)確仍具有較大的不確定性。
通過物候模型可以預(yù)測未來氣候變化的響應(yīng), 同時有利于探索區(qū)域到全球尺度的碳、水循環(huán)和能量通量[65]。目前大多數(shù)橡膠樹物候模型都是基于遙感植被指數(shù),如歸一化植被指數(shù)、地表水分指數(shù)和歸一化燃燒指數(shù)[25,32,42]。許多學(xué)者利用時序數(shù)據(jù)來模擬橡膠樹生長,研究橡膠樹物候指標(biāo)的時空動態(tài)規(guī)律。Zhai等[30]建立了橡膠樹白粉病預(yù)測模型, 表明通過日最高溫度、日最低溫度和日溫差能夠調(diào)控白粉病的發(fā)生率。李寧等[37]結(jié)合作物生長模型,建立了海南島橡膠樹春季物候期預(yù)測模型,春季物候期的年際變化呈現(xiàn)提前趨勢,產(chǎn)膠量會進(jìn)一步提高。Azizan 等[42]使用混合線性模型,隨溫度升高導(dǎo)致SOS 和EOS 進(jìn)一步提前。目前,橡膠樹物候預(yù)測模型總體表現(xiàn)欠佳,模型通?;谔囟囟? 對于光照、降水、光周期或低溫持續(xù)天數(shù)等氣候因子鮮有考慮,各氣候因子協(xié)同效應(yīng)對物候也有重要影響[66]。物候模型適用于某一時期的溫度總和而忽略溫度的時間變化,因此,難以預(yù)測極端氣候條件下的橡膠物候的響應(yīng)規(guī)律[15]。基于此,未來模型發(fā)展可向長勢監(jiān)測模型、產(chǎn)量預(yù)測模型、物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)模型等方向發(fā)展。
傳統(tǒng)的物候研究主要是為橡膠樹的苗木繁育(嫁接)、抗逆栽培和割膠規(guī)劃等生產(chǎn)提供決策參考[67]。栽培苗木通過無性繁殖(嫁接)來實現(xiàn)擴(kuò)繁, 而不同葉蓬物候與芽接成活率、根接成活率有關(guān), 萌發(fā)前的側(cè)芽、古銅期和展葉期的砧木適宜芽接, 頂蓬葉片穩(wěn)定期根接成活率高[68–70],而不同物候期砧木的抗逆性(抗旱、抗寒、抗病害等)存在顯著的差異[48,50]。長期干旱明顯抑制生長,葉片深綠期抗旱優(yōu)于淺綠期[71–72]。穩(wěn)定期抗寒能力最強(qiáng),冬季萌發(fā)期受寒害尤為嚴(yán)重[73]。古銅期和淺綠期易發(fā)生白粉病和炭疽病[50,74–77]。落葉期到抽芽期主張“停割管養(yǎng)”,調(diào)節(jié)割膠深度、轉(zhuǎn)換割線和高割膠來解決產(chǎn)膠與生長之間的矛盾[78–80]。因此,精細(xì)化的物候信息有助于提高生產(chǎn)工作的預(yù)見性,從而確保橡膠樹長期穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)[22,30,66]。
橡膠樹物候年際變化特征受生長環(huán)境影響差異顯著[26,42]。以中國第二大植膠區(qū)海南島為例,SOS年際變化總體上呈波動提前趨勢,LOS 呈普遍延長趨勢,EOS 延遲成為橡膠林較顯著的物候年際變化特征[36]。蘇門答臘島和西雙版納橡膠樹SOS 和EOS在特定年份存在大幅波動,LOS 無顯著變化[30,42]。此外,樹齡或無性系繁殖后代因環(huán)境的不同,從而影響物候年際變化的重復(fù)性及穩(wěn)定性[81]。橡膠樹年際變化存在波動現(xiàn)象,一方面與極端天氣和環(huán)境氣候異常等因素有關(guān)[42],另一方面橡膠樹物候年際變化還與施肥有關(guān),施肥量越大,當(dāng)年氣候?qū)ξ锖蚱诘挠绊懺叫52]。但截至目前,大尺度、長時序量化橡膠樹物候時空異質(zhì)的研究仍然很少,以及預(yù)測橡膠樹物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)模式尚不明確。
橡膠樹物候與樹齡[13]、海拔[39]、品系[83]和種植密度[41]等有關(guān)。斯里蘭卡境內(nèi)PB86 幼樹的SOS 和EOS 均早于成齡大樹,低海拔地區(qū)的SOS 和EOS均顯著早于高海拔地區(qū)[84],但西雙版納較高海拔的SOS 和EOS 顯著提前[39]。馬來西亞RRIM 600、印度尼西亞GT1 比云研277-5、云研34-4 和印度尼西亞PR107 的SOS 和EOS 提前1~2 周,且越冬期更短[83]。橡膠樹每行種植間隔2 m,混合間距為4~12 m,種植密度加劇對土壤水分、養(yǎng)分和光照的競爭,種植密度增加顯著抑制物候[41]??偟膩砜? 小尺度范圍內(nèi)樹齡、海拔、品系和種植密度對橡膠樹物候空間特征均有明顯規(guī)律,但研究尺度較小,連續(xù)性不足,有必要進(jìn)一步探討大尺度下橡膠樹物候空間特征。
植被物候是反映氣候變化響應(yīng)的高度敏感指標(biāo)[85]。整理文獻(xiàn)闡明橡膠樹物候?qū)囟取⒔邓?、冷脅迫、水分脅迫和日照時數(shù)的響應(yīng)機(jī)制(表2)[30,86],有助于提高對橡膠樹如何應(yīng)對未來氣候變化的認(rèn)識,預(yù)測不同氣候條件下的產(chǎn)膠量和病蟲害的嚴(yán)重程度,可為制定橡膠樹物候適應(yīng)氣候變化的管理策略提供科學(xué)依據(jù)。
表2 影響橡膠樹物候指標(biāo)的氣候因素Table 2 Climatic factors affecting rubber tree phenological indicators
溫度是影響橡膠樹物候期的關(guān)鍵因子之一[30,42,90–92]。橡膠樹作為典型的熱帶作物,在適應(yīng)閾值內(nèi),平均溫度升高,促使橡膠樹SOS 提前[52]。同樣,冬季日溫差對SOS 有顯著的推進(jìn)作用[30]。橡膠樹物候與溫度呈顯著負(fù)相關(guān),其中溫度每增加1 ℃,SOS 提前約25 d、EOS 提前約14 d[42]。然而,西雙版納的SOS 和EOS 與溫度呈顯著的正相關(guān), 在其他氣候變量不變的情況下,溫度對橡膠樹物候的影響具有顯著的滯后效應(yīng),每年12 月相對較低溫度是次年SOS 提前的關(guān)鍵因子,2 月的較高溫度延遲EOS[30,49]。冬季變暖趨勢下,可能會導(dǎo)致SOS 提前和EOS 延遲[31,74,92]。橡膠樹物候?qū)囟茸兓憩F(xiàn)出復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制,全面的實驗量化分析橡膠樹物候與溫度之間的關(guān)系,充分考慮滯后效應(yīng),明晰區(qū)域空間上物候?qū)囟茸兓憫?yīng)機(jī)制的理解。
降水對橡膠樹物候期具有重要的調(diào)節(jié)作用[12,83,93–94]。2 月降水量增加,導(dǎo)致溫度急劇下降,間接延遲SOS 和EOS[30]。1 月和3 月降水量增加,土壤濕度大,不利于橡膠樹萌芽,5 月降水增加促進(jìn)第二蓬葉淡綠盛期提前[52]。此外,蘇門答臘島季前90 d 降水量減少導(dǎo)致SOS 延遲[42],西雙版納高降水量延遲EOS[30]。在全球氣候變暖的背景下,極端干旱愈發(fā)頻繁,非常有必要研究降水與橡膠樹物候之間的關(guān)系,系統(tǒng)分析降水對橡膠樹物候變化的潛在影響[87]。
西雙版納橡膠樹嚴(yán)重落葉主要歸因于冷脅迫的影響,嚴(yán)重落葉導(dǎo)致光合速率顯著降低,進(jìn)而限制碳水化合物儲備的產(chǎn)生和積累,導(dǎo)致較短的時間內(nèi)落葉[88]。在東南亞旱季明顯的地區(qū)受水分脅迫的影響,EOS 較短,相反,如果旱季不明顯,EOS 延長,新葉生長緩慢[89]。雨季日照時數(shù)和旱季日照時數(shù)是橡膠樹物候變化的重要決定因素[83],雨量累積較多,導(dǎo)致天氣潮濕,日照時數(shù)的較少延遲EOS[42]。目前,已有研究多集中于物候與溫度、降水的關(guān)系,影響物候期的關(guān)鍵氣候變量,對氣候因子的協(xié)同效應(yīng)和大尺度氣候變化對橡膠樹物候響應(yīng)機(jī)制研究較少[2,41,95]。因此系統(tǒng)分析物候時空異質(zhì)性的主要原因和年際變化潛在因素,有利于加強(qiáng)未來橡膠林物候動態(tài)預(yù)測,為揭示熱帶地區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)提供新見解。
橡膠樹物候?qū)ο鹉z園生產(chǎn)管理和評估熱帶地區(qū)植被對全球氣候變化的響應(yīng)均有重要的科學(xué)意義。長遠(yuǎn)來看,隨著全球氣候的變化橡膠樹物候可能會呈現(xiàn)提前或延遲的趨勢,因此,一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)需在未來的研究中解決。
1) 多源遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同重建。熱區(qū)多云雨天氣嚴(yán)重影響光學(xué)遙感影像獲取,影像質(zhì)量是監(jiān)測物候指標(biāo)的關(guān)鍵。多源數(shù)據(jù)源融合算法是產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科學(xué)研究的迫切需要,提高不同數(shù)據(jù)源監(jiān)測結(jié)果的可比性,滿足橡膠樹物候?qū)嶋H應(yīng)用中對高時空一致性和長時間序列的迫切需求。Landsat 和Sentinel-2 影像以30 m 的空間分辨率代替?zhèn)鹘y(tǒng)250 m 單一的MODIS和葉綠素?zé)晒庥跋駭?shù)據(jù),以提高插值和時間平滑過程的數(shù)據(jù)可用性,盡管Sentinel-2 自2015 年以來才開始使用,可有效避免單一融合算法構(gòu)建的時間序列數(shù)據(jù)不連續(xù)問題。遙感數(shù)據(jù)選擇需要權(quán)衡時間和空間分辨率,以便更好地描述橡膠樹物候特征。未來研究需要更加關(guān)注多源遙感數(shù)據(jù)融合和人工智能算法相結(jié)合提高橡膠樹物候監(jiān)測精度。
2) 提取算法普適化。橡膠樹物候指標(biāo)提取算法普適性較低,利用地面觀測數(shù)據(jù)來驗證遙感提取物候的方法已被廣泛采用,但橡膠樹物候監(jiān)測動態(tài)閾值設(shè)置存在較大差異。未來有必要明確SOS 與EOS的動態(tài)閾值、平滑窗口大小、迭代次數(shù)、適應(yīng)強(qiáng)度等的設(shè)定,提高物候遙感監(jiān)測準(zhǔn)確性。人工觀測方法按“定點、定人、定責(zé)、定標(biāo)準(zhǔn)、常年性”的原則,詳細(xì)描述橡膠樹不同物候期的形態(tài)特征,增加熱帶橡膠樹物候數(shù)據(jù)長期收集和同步。減少動態(tài)閾值設(shè)置的經(jīng)驗性和主觀性;此外,拓展物候相機(jī)、通量測量和無人機(jī)等新型觀測手段,從不同角度對遙感物候監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗證,進(jìn)一步提高橡膠樹物候遙感提取的精確性。
3) 物候預(yù)測模型精準(zhǔn)化。氣候因子對區(qū)域尺度的物候響應(yīng)可能不一樣,多種驅(qū)動因素之間的相互作用使橡膠樹物候建模和預(yù)測復(fù)雜化,改進(jìn)橡膠樹物候模型仍然具有挑戰(zhàn)性。未來研究應(yīng)考慮橡膠樹物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)機(jī)制的尺度效應(yīng)、時滯效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng),結(jié)合物候生理指標(biāo)綜合性探討橡膠樹物候變化的潛在機(jī)制,從單因素分析過渡到大尺度、多因素融合分析,建立多源立體橡膠樹物候預(yù)測體系,以提高遙感預(yù)測模型在不同尺度和復(fù)雜氣候條件下的適用性與有效性。