1.植物物候

植被物候是不同植被現象年復一年重現的時(shí)序節點(diǎn)(如發(fā)芽、展葉、開(kāi)花、結果、衰老、休眠)，是植被長(cháng)期適應環(huán)境季節性變化的結果。其不僅是氣候變化的重要感應器，在調控生態(tài)系統結構和功能變化中還扮演著(zhù)重要的角色。植被物候反映了生態(tài)系統內物種的生存策略，其變化可能會(huì )加劇物種間的競爭關(guān)系，導致一些物種的入侵或退出，進(jìn)而改變生態(tài)系統的結構。另一方面，植被物候還直接調控著(zhù)碳循環(huán)，水的蒸發(fā)散，氮、磷等養分的礦化和吸收等諸多生態(tài)系統過(guò)程。因此，研究物候規律的特征及其對氣候變化的響應對于變化研究和生態(tài)系統服務(wù)等具有理論和現實(shí)意義。植被物候與環(huán)境因子，尤其是與氣象因子的關(guān)系極為緊密。氣候變化顯著(zhù)改變了陸地生態(tài)系統的物候。目前，圍繞物候變化與陸地生態(tài)系統生產(chǎn)力已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，在傳統的人工物候觀(guān)測的基礎上，不僅自動(dòng)拍照技術(shù)得到了推廣應用，通量觀(guān)測和遙感技術(shù)也在物候研究中受到了廣泛關(guān)注，觀(guān)測尺度從葉片擴展到區域甚至。但基于不同觀(guān)測技術(shù)獲取的物候指標的內涵及其空間代表范圍存在一定差異，并且同種技術(shù)中物候指標的提取方法也不盡相同。因此，不同區域和植被類(lèi)型之間的研究結果尚存在較大差異，影響了對物候變化和生態(tài)系統生產(chǎn)力關(guān)系的客觀(guān)認識與評價(jià)。

根據上述分析，有必要對植被物候觀(guān)測技術(shù)與物候指標提取方法的研究進(jìn)展進(jìn)行系統梳理與總結?；谖墨I調研，本文介紹了目前物候觀(guān)測主要采用的技術(shù)和物候指標的提取方法，在此基礎上，基于觀(guān)測數據對比分析了不同方法的差異，為系統和全面認識植被物候的獲取提供借鑒和參考。

2. 植被物候觀(guān)測研究的技術(shù)與途徑

植被物候及其變化受到了長(cháng)期的關(guān)注，并且在氣候變化背景下，物候觀(guān)測和研究的方法也日益發(fā)展和豐富。人類(lèi)在較早時(shí)期便開(kāi)始了對物候的觀(guān)測，積累了許多植物物種長(cháng)達幾個(gè)世紀的觀(guān)測數據。如9世紀日本京都地區就開(kāi)始了櫻花開(kāi)花日期的記錄。隨著(zhù)研究目的和對象尺度的不同以及研究技術(shù)的發(fā)展，在原有的人工觀(guān)測的基礎上，物候研究逐漸發(fā)展出了多種觀(guān)測研究方法，包括近地遙感和衛星遙感的光譜特征、渦度相關(guān)通量的生態(tài)系統生產(chǎn)力以及模型估算等。

2.1 直接觀(guān)測

2.1.1 人工記錄

人工記錄通過(guò)記錄特定植物或種群生長(cháng)與發(fā)育過(guò)程(發(fā)芽，展葉，葉片枯黃等)的出現日期進(jìn)行物候的觀(guān)測研究，是較為傳統的方式。人工記錄主要是采用一定的規范與標準，記載群落內關(guān)鍵或優(yōu)勢植物種群的展葉、開(kāi)花和凋落等物候信息。同時(shí)，人工記錄也包括各類(lèi)書(shū)籍和資料中關(guān)于物候方面的記載。為研究氣候變化背景下植物和群落的長(cháng)期物候變化，以及重構過(guò)去氣候等研究提供了重要的直接數據。目前，以人工記錄方式為主要觀(guān)測技術(shù)，國內外已形成了多個(gè)區域性的物候監測網(wǎng)絡(luò )，如歐洲物候觀(guān)測網(wǎng)、美國國家物候網(wǎng)、法國物候網(wǎng)、加拿大物候網(wǎng), 以及中國物候觀(guān)測網(wǎng)等。

人工記錄是為直觀(guān)、準確的物候獲取方法。由于其可以得到植物發(fā)育過(guò)程中的各個(gè)物候，使得植物不同生長(cháng)發(fā)育階段的研究得以實(shí)現。但需要指出的是，一方面人工記錄只能實(shí)現對群落內有限植物種的物候觀(guān)測，同時(shí)，多區域的連續觀(guān)測需要較多的人力投入；另一方面，不同觀(guān)測人員的判斷標準可能存在一定差別，特別是對于群落的人工記錄更為明顯，在準確反映整體群落或生態(tài)系統尺度的物候變化方面存在較大的不確定性。

2.1.2 相機拍攝

利用高分辨率數字相機可以實(shí)現對植物生長(cháng)狀況的連續觀(guān)測。通過(guò)對單株植物的高頻自動(dòng)拍照和人工目測圖像解譯，提取和確定植物生長(cháng)發(fā)育階段等方面的信息，以獲取植物的物候變化。

相對于人工記錄方式，相機在安裝和調試完成后，可自動(dòng)運行，減少了人工成本以及人工觀(guān)測帶來(lái)的環(huán)境的破壞干擾。更為重要的是其可進(jìn)行高頻、連續的取樣，避免了關(guān)鍵物候時(shí)期的遺漏。

與人工記錄方式相似，該方法也往往用于群落內有限物種的動(dòng)態(tài)監測，對于物種豐富的群落而言，監測對象的增加需要較大的設備成本和人工投入。此外，對單個(gè)植株的自動(dòng)拍照技術(shù)只能提取物種水平的物候信息，無(wú)法反映群落和生態(tài)系統尺度的物候變化。

2.2 間接提取

相對物候直接觀(guān)測的對象為葉片、單株植物或種群，植被物候的間接獲取則強調對生態(tài)系統植被冠層生長(cháng)過(guò)程的整體觀(guān)測。同時(shí)，相較于小范圍和非連續的物候直接觀(guān)測，間接提取途徑往往基于連續觀(guān)測數據獲取長(cháng)時(shí)間和大尺度的植被物候信息。

2.2.1 溫度觀(guān)測資料

溫度作為熱量的指標，在植被物候研究，特別是農作物生長(cháng)發(fā)育中的應用非常普遍。長(cháng)期以來(lái)，根據不同植物在不同季節的熱量需求，發(fā)展出了界限溫度、積溫等不同的溫度指標以反映植被的物候變化。例如，很多研究將0 ℃或5 ℃作為植被生長(cháng)季節的開(kāi)始。也有研究表明，只有達到一定的積溫后植被才開(kāi)始進(jìn)入生長(cháng)季。需要指出的是，利用溫度指標指示物候發(fā)生的前提是假設其僅受到溫度的影響，但實(shí)際上植被物候往往受到多個(gè)要素的共同調控，如水熱條件以及與輻射的協(xié)同作用。與此同時(shí)，不同類(lèi)型植被的生理生態(tài)過(guò)程對熱量的要求也存在差異。因此，單一的溫度指標往往不足以準確指示植被的物候變化。

2.2.2 地面通量觀(guān)測數據

作為直接測定植被冠層與大氣之間CO2交換的方法，基于渦度相關(guān)技術(shù)的生態(tài)系統CO2通量觀(guān)測不僅為生態(tài)系統生產(chǎn)力的評估提供了直接測定數據，并且由于生態(tài)系統碳通量的季節變化與植被的生長(cháng)發(fā)育過(guò)程存在密切關(guān)系，從而為利用該數據提取生長(cháng)季的開(kāi)始與結束等物候指標提供了可能。一方面，由通量觀(guān)測的總生態(tài)系統生產(chǎn)力可以獲取植被生長(cháng)季開(kāi)始、生長(cháng)季結束和生長(cháng)季長(cháng)度等物候指標。由于GEP表征了植被的光合能力，因此基于GEP獲取的物候可稱(chēng)為“光合物候”。另一方面，由通量觀(guān)測的凈生態(tài)系統生產(chǎn)力可以獲取凈生態(tài)系統碳吸收期開(kāi)始、碳吸收期結束和碳吸收期長(cháng)度等物候指標。由于NEP表征了生態(tài)系統碳收支情況，因此基于NEP獲取的物候可稱(chēng)為“碳吸收物候”。

由此可見(jiàn)，基于地面通量觀(guān)測數據可以將植被物候變化與生態(tài)系統生產(chǎn)力的形成過(guò)程直接聯(lián)系起來(lái)，從而在生態(tài)系統與變化研究中受到了越來(lái)越多的關(guān)注，特別是隨著(zhù)通量觀(guān)測站點(diǎn)的日益增多，為在更大尺度上直接表征物候變化與生態(tài)系統生產(chǎn)力關(guān)系提供了可能。但需要指出的是，一方面，通量數據只能獲取植被生長(cháng)季節(或碳吸收期)的開(kāi)始、結束和持續時(shí)間等指標，而不是傳統的展葉、開(kāi)花和結實(shí)等物候指標。另一方面，用于物候提取的閾值或導數方法更適用于GEP和NEP呈現單峰型季節變化的生態(tài)系統，如溫帶地區，但難以適用于GEP和NEP呈現多峰或無(wú)明顯季節變化的生態(tài)系統，如干旱地區和熱帶地區。此外，通量數據的質(zhì)量也會(huì )對物候指標提取的精度產(chǎn)生重要影響。

2.2.3 近地面遙感資料

通過(guò)在植被上方對冠層的自動(dòng)高頻拍照取樣，并利用圖像中紅、綠、藍波段的光譜信息得到可表征植被冠層動(dòng)態(tài)的綠度指數(Greenness Index, GI)和色相(Hue)等參數, 實(shí)現對植被物候變化的連續監測。該方法與遙感技術(shù)有所類(lèi)似，均是通過(guò)提取冠層光譜信息表征植被的動(dòng)態(tài)變化。

然而近地面拍照技術(shù)的不足也十分明顯，主要來(lái)自2個(gè)方面。一方面，由于綠度指數來(lái)源于圖像光譜，因此其對天氣情況的敏感性較強，不同天氣下入射太陽(yáng)輻射的差異對圖像產(chǎn)生較大影響。另一方面，儀器的安裝角度決定了觀(guān)測的視角，視角的不同會(huì )對終的提取結果產(chǎn)生影響，特別是在不同站點(diǎn)，拍攝儀器的安裝應采用統一的標準以避免產(chǎn)生采樣誤差。

2.2.4 衛星遙感影像

遙感影像中包含了地物的反射率信息，可以反映地物的不同變化，包括冰雪融化、植被蓋度、植被冠層的生長(cháng)等物理和生理生態(tài)的季節變化過(guò)程。遙感數據種類(lèi)繁多，可用于檢測植被動(dòng)態(tài)的遙感產(chǎn)品主要有NOAA-AVHRR, SPOT-VGT和MODIS等低空間分辨率數據，以及HJ-CCD，北京一號，MSS，TM，ETM+和ASTER等國內外高空間分辨率的數據。

通過(guò)與植被特性相關(guān)的光合輻射波段和近紅外波段的反射率，可以從遙感數據中得到歸一化差值植被指數和增強植被指數，并通過(guò)反演得到葉面積指數等表征植被生長(cháng)和物候變化的重要參數。與此同時(shí)，衛星遙感可以實(shí)現尺度的不間斷監測，并可以獲取氣象站點(diǎn)和通量站點(diǎn)區域的物候變化信息， 以實(shí)現區域尺度上植被物候變化的動(dòng)態(tài)監測，成為大尺度物候變化研究中常用的方法。

由于衛星遙感圖像形成于外層空間，因此包含了云層、氣溶膠等干擾。盡管采用了MVC(Maximum Value Composite)、濾波去噪等一系列方法進(jìn)行質(zhì)量控制, 但在物候提取中產(chǎn)生的影響依然存在。另外, 對于常綠生態(tài)系統, 由于反映冠層季節變化的植被指數的季節變化較小, 使得在這類(lèi)生態(tài)系統獲取的物候信息往往存在較大不確性。

物候作為一個(gè)綜合指標，反映了氣候變化對植物生長(cháng)、群落結構和生態(tài)系統過(guò)程的影響。然而物候觀(guān)測技術(shù)與研究方法的多樣化、增加了植被物候與生態(tài)系統各過(guò)程之間關(guān)系的不確定性。

不同物候觀(guān)測方法各有優(yōu)勢。人工地面觀(guān)測擁有較長(cháng)時(shí)段的植株水平的物候直接記錄數據，而近地拍照和通量觀(guān)測關(guān)注生態(tài)系統與景觀(guān)尺度，衛星遙感技術(shù)則可以達到更大的區域和尺度，同時(shí)這3種方式均可以實(shí)現連續的自動(dòng)觀(guān)測。模型模擬雖然可以實(shí)現多時(shí)空尺度的模擬，但其適用性與準確性需要其他數據進(jìn)行有效驗證。將不同觀(guān)測技術(shù)獲取的物候信息相互融合，有助于物候研究不僅在空間尺度上延展，同時(shí)在時(shí)間跨度上延伸。

基于渦度相關(guān)和遙感技術(shù)的物候提取技術(shù)在寒帶及溫帶生態(tài)系統中的應用較為廣泛，而在其他地區生態(tài)系統中還有待進(jìn)一步的驗證及應用。另外，如何依據植被類(lèi)型選取合適的提取方法也值得進(jìn)一步研究。由于對于物候與植物內在生理條件和外在環(huán)境因子間的聯(lián)系還缺乏深入的理解，通過(guò)物候模型獲取物候指標的準確性還有待提高，尤其是在受到更為復雜因子作用的秋季物候的提取方面。

由于多源數據代表了不同的生理生態(tài)過(guò)程，同時(shí)不同的物候提取方法采用不同的判定標準，這些技術(shù)手段和方法反映了植被物候的不同側面及屬性，有利于更加全面地認識植被物候及其變化。另一方面, 不同研究方法在提取的物候指標間有所差異，并增加了植被物候研究中的不確定性。因此，合理評估多源數據和多種方法間植被物候的差異，并建立可相互比較與轉換的處理方法體系，對于改進(jìn)和完善植被物候觀(guān)測具有重要的意義。 

北京博普特代理的法國Airphen多光譜成像系統廣泛用于植物物候研究，結合了高分辨相機以及近地遙感研究方法，必將在物候研究中發(fā)揮更大的作用。