《Sustainable Cities and Society》：Tall and dense urban forms extend growing seasons in Northern cities
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城市化對(duì)植被生長季節(jié)的影響研究：基于934個(gè)北半球城市的LCZs分類和線性混合效應(yīng)模型分析表明，高強(qiáng)度城市結(jié)構(gòu)（建筑高度和密度）顯著延長了植被生長季節(jié)，平均延長13.07天，其中建筑高度的影響（+38.47天）比密度（+15.00天）更顯著。研究揭示了溫帶和冷氣候區(qū)與熱帶地區(qū)存在差異的物候響應(yīng)機(jī)制，為城市生態(tài)規(guī)劃提供了量化依據(jù)。
馬海宇|李學(xué)超|尹佩毅|袁波|耿夢清|劉世嬈|于國強(qiáng)|胡騰云|黃建西|李寶國
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京10084
摘要
鑒于全球快速的城市化和氣候變化，了解城市形態(tài)對(duì)城市植被物候的影響具有重要意義。然而，以往的研究很少關(guān)注城市結(jié)構(gòu)所創(chuàng)造的獨(dú)特局部氣候如何影響城市植被的物候。在這里，我們利用高分辨率的局部氣候區(qū)（LCZs）數(shù)據(jù)和VNP22Q2物候產(chǎn)品，研究了北半球934個(gè)城市中的這些效應(yīng)。通過采用線性混合效應(yīng)模型（LMM）并實(shí)施嚴(yán)格的50%純度像素過濾策略來確保結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，我們的研究發(fā)現(xiàn)表明，以建筑表面比例和高度為特征的城市形態(tài)通過提前生長季節(jié)的開始時(shí)間和延遲生長季節(jié)的結(jié)束時(shí)間來延長生長季節(jié)的長度（LOS）。盡管植被物候的大規(guī)模變化主要由背景氣候解釋，但城市形態(tài)的影響仍然顯著。平均而言，所有研究城市的城市區(qū)域的生長季節(jié)長度比周圍自然環(huán)境長13.07天。此外，基于LMM的量化結(jié)果顯示，城市結(jié)構(gòu)的高度對(duì)植被物候的影響大于建筑密度：較高類型的建筑使生長季節(jié)延長38.47天，而較密集類型的建筑僅延長15.00天。這些發(fā)現(xiàn)表明，城市化顯著延長了城市植被的物候季節(jié)。強(qiáng)調(diào)城市形態(tài)對(duì)植被物候的影響，突顯了其在應(yīng)對(duì)緊迫的氣候挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)性方面的關(guān)鍵作用。本研究為城市規(guī)劃和政策提供了重要見解，以促進(jìn)快速發(fā)展中的城市的生態(tài)平衡。
引言
監(jiān)測城市植被物候?qū)τ诖龠M(jìn)可持續(xù)的城市生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。植被物候是指植物的季節(jié)性生長模式（Richardson等人，2018年），是生態(tài)健康和氣候變化的重要指標(biāo)（Gong等人，2024年；K?rner和Basler，2010年；Mi等人，2019年；Robertson等人，2024年）。溫度顯著影響植被物候，全球變暖導(dǎo)致生長季節(jié)的開始時(shí)間提前（SOS）（Fu和He，2024年；Menzel等人，2006年）和生長季節(jié)的結(jié)束時(shí)間推遲（EOS）（Liu等人，2016年）。由于人類活動(dòng)和普遍存在的城市熱島（UHI）效應(yīng)，城市成為了天然的熱實(shí)驗(yàn)室（Oke，1982年）。城市地區(qū)的地表升溫速度遠(yuǎn)快于農(nóng)村地區(qū)（Liu等人，2022年），地表溫度受到三維（3D）城市冠層結(jié)構(gòu)的密切調(diào)節(jié)。據(jù)估計(jì)，到2050年，全球68%的人口將居住在城市地區(qū)（聯(lián)合國，2022年），同時(shí)全球溫室氣體排放量也在增加（Gurney等人，2022年）。在全球變暖的背景下（Abbass等人，2022年；Weber，2016年），了解城市植被物候?qū)τ趹?yīng)對(duì)城市中復(fù)雜的人與環(huán)境動(dòng)態(tài)至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懗鞘协h(huán)境質(zhì)量（Beninde等人，2015年）、生態(tài)平衡（Caparros-Santiago等人，2021年）以及居民的福祉（Salmond等人，2016年）。
城市地區(qū)的獨(dú)特形態(tài)和物理特性影響城市環(huán)境，進(jìn)而影響陽光、溫度和空氣質(zhì)量等因素（Zhou等人，2022年），這些因素又反過來影響植被物候。與周圍的農(nóng)村地區(qū)相比，城市地區(qū)的植被物候存在顯著差異（Chen等人，2023年；Ruan等人，2019年；Yang等人，2023年）。最近的研究從簡單的“城鄉(xiāng)”二分類轉(zhuǎn)向采用“城鄉(xiāng)梯度”（URGs）分區(qū)或量化不透水面百分比來分析城市植被物候的局部模式（Li等人，2023年；Xiong等人，2024年；Yin等人，2024年）。例如，對(duì)數(shù)百個(gè)城市的綜合評(píng)估揭示了城市化和時(shí)間空間上的獨(dú)特城鄉(xiāng)物候變化，表明城市化顯著影響了植被生長周期的長期和內(nèi)外變化（Ahmed等人，2023年；Ji等人，2023年；Jia等人，2025年）。盡管URGs方法對(duì)于城市研究來說直接且有效，但它往往無法捕捉到實(shí)際城市形態(tài)的復(fù)雜性（Li等人，2023年；Zhao等人，2022年）。因此，研究城市形態(tài)對(duì)物候的影響對(duì)于全面理解植被對(duì)周圍城市環(huán)境的響應(yīng)至關(guān)重要。
與URGs方法不同，LCZs分類方法根據(jù)統(tǒng)一的土地覆蓋、表面結(jié)構(gòu)、建筑材料和人類活動(dòng)區(qū)分了不同城市景觀的熱響應(yīng)特性（Stewart和Oke，2012年）。它提供了一種更細(xì)致的方法來評(píng)估不同城市形態(tài)如何影響戶外舒適度（Alexander和Mills，2014年）、UHI效應(yīng)（Leconte等人，2015年）以及城市規(guī)劃指南（Yang等人，2019年）。現(xiàn)有研究還利用這一框架來研究建筑高度和高密度城市形態(tài)如何調(diào)節(jié)行人水平的綠化和衛(wèi)星衍生的植被指數(shù)（Hua等人，2022年）。使用具有不同城市形態(tài)的LCZs在局部尺度上進(jìn)行的植被物候研究證實(shí)了這種分類的優(yōu)勢（Li等人，2023年；Xiong等人，2024年；Zhao等人，2022年）。例如，在珠江三角洲地區(qū)的研究表明，以密集高層建筑為主的地區(qū)的地表物候在SOS和EOS方面表現(xiàn)出顯著的時(shí)空變化，與以開放式、中層和低層建筑為主的地區(qū)相比（Xie等人，2024年）。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，最近對(duì)城市空間形態(tài)的研究主要集中在它們對(duì)熱環(huán)境的影響機(jī)制上（Tang等人，2016年），而在更廣泛的尺度上，3D城市結(jié)構(gòu)與生物物候信號(hào)之間的復(fù)雜相互作用尚未得到充分探索。
總體而言，目前仍缺乏關(guān)于城市形態(tài)與大規(guī)模植被物候之間關(guān)系的全面和比較分析。雖然衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為物候研究提供了有力的支持，并已通過實(shí)地觀察驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性和可靠性（Gong等人，2024年；Piao等人，2019年），但目前的應(yīng)用范圍仍然有限。最近，一些研究利用衛(wèi)星觀測來探索不同緯度和氣候下的城鄉(xiāng)植被物候差異（Chen等人，2023年；Yang等人，2023年）。然而，這些研究主要集中在城市植被物候的空間分布和時(shí)間動(dòng)態(tài)上，而不是與這些變化相關(guān)的具體結(jié)構(gòu)因素。關(guān)鍵的知識(shí)空白在于缺乏在北半球范圍內(nèi)系統(tǒng)地分離垂直（建筑高度）與水平（建筑密度）形態(tài)屬性與植被物候之間關(guān)聯(lián)的證據(jù)（Kabano等人，2021年）。大多數(shù)現(xiàn)有的基于LCZ的物候研究僅限于有限的地理尺度，或者側(cè)重于分類比較，而不是量化高度和密度的相對(duì)重要性。
在這里，我們提出了三個(gè)關(guān)鍵問題：（1）城市形態(tài)的結(jié)構(gòu)如何影響植物季節(jié)周期的時(shí)間？（2）建筑高度和密度的變化以何種方式影響這些物候模式？（3）城市結(jié)構(gòu)對(duì)植物物候的影響是否在全球不同城市化水平和氣候區(qū)有所不同？為了解決這些問題，我們選擇了北半球的934個(gè)城市進(jìn)行分析。與以往的局部評(píng)估不同，本研究利用全球LCZs框架和線性混合效應(yīng)模型（LMM）嚴(yán)格控制氣候背景，從而能夠穩(wěn)健地量化三維城市結(jié)構(gòu)如何塑造不同生物群落中的城市生態(tài)系統(tǒng)。我們利用全球LCZs地圖來表征不同的城市形態(tài)（例如，高度和密度），并在此基礎(chǔ)上研究了不同氣候區(qū)下的衛(wèi)星觀測植被物候。
研究區(qū)域
研究區(qū)域
我們選擇了北半球面積超過100平方公里的城市作為研究區(qū)域（圖1），這些城市由2018年的全球城市邊界（GUB）數(shù)據(jù)確定（Li等人，2020年）。這些城市主要分布在30°N至60°N之間（約占76%），具有多樣的氣候條件（例如，溫度和濕度）。在這里，超過60%的選定城市包含10種以上的不同LCZ類型（圖1b），從而能夠全面分析不同城市形態(tài)如何影響植被
建成區(qū)與自然類型的物候差異
在北半球79.3%的主要城市中，建成區(qū)的植被物候通常比周圍自然類型的植被物候持續(xù)時(shí)間更長（圖3）。這種延長主要是由于EOS的延遲，建成區(qū)的EOS平均比自然類型晚11.76 ± 21.83天，而SOS僅提前-1.10 ± 15.15天（表S5）。值得注意的是，中高緯度和低緯度地區(qū)的城市植被物候存在顯著差異（圖3）影響城市植被物候的因素
城市形態(tài)與植被物候之間的相互作用揭示了有趣的動(dòng)態(tài)。平均而言，建成區(qū)的生長季節(jié)長度比自然景觀長13.07天，這與北半球多項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)一致（Ruan等人，2019年）。然而，城鄉(xiāng)之間的生長季節(jié)長度差異在不同氣候區(qū)域并不均勻。在熱帶地區(qū)，我們的研究發(fā)現(xiàn)自然區(qū)域的生長季節(jié)長度比城市區(qū)域長4.04天。這種空間異質(zhì)性表明結(jié)論
總之，城市植被物候與背景氣候和城市形態(tài)密切相關(guān)。我們的初步研究表明，北半球的建成區(qū)通常比自然景觀具有更長的生長季節(jié)長度，主要是由于EOS的延遲。相反，在熱帶地區(qū)，建成區(qū)的生長季節(jié)長度略短于自然棲息地。此外，在同一LCZ內(nèi)，溫帶和寒冷地區(qū)的生長季節(jié)長度比熱帶地區(qū)更長
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
馬海宇：撰寫——原始草稿、可視化、驗(yàn)證、軟件、項(xiàng)目管理、方法論、調(diào)查、正式分析、數(shù)據(jù)管理、概念化。李學(xué)超：撰寫——審閱與編輯、驗(yàn)證、監(jiān)督、資源管理、項(xiàng)目管理、方法論、調(diào)查、資金獲取、正式分析、數(shù)據(jù)管理、概念化。尹佩毅：撰寫——審閱與編輯、監(jiān)督、方法論、調(diào)查、正式分析、概念化。袁波：
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。致謝
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（42101418 & 42371413）、國家自然科學(xué)基金/RGC聯(lián)合研究計(jì)劃（42361164614和N_HKU722/23）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)家基金（海外）、中國大學(xué)科學(xué)基金以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才發(fā)展計(jì)劃的支持。
