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城市化对植被生长季节的影响研究：基于934个北半球城市的LCZs分类和线性混合效应模型分析表明，高强度城市结构（建筑高度和密度）显著延长了植被生长季节，平均延长13.07天，其中建筑高度的影响（+38.47天）比密度（+15.00天）更显著。研究揭示了温带和冷气候区与热带地区存在差异的物候响应机制，为城市生态规划提供了量化依据。
马海宇|李学超|尹佩毅|袁波|耿梦清|刘世娆|于国强|胡腾云|黄建西|李宝国
中国农业大学土地科学与技术学院，北京10084
摘要
鉴于全球快速的城市化和气候变化，了解城市形态对城市植被物候的影响具有重要意义。然而，以往的研究很少关注城市结构所创造的独特局部气候如何影响城市植被的物候。在这里，我们利用高分辨率的局部气候区（LCZs）数据和VNP22Q2物候产品，研究了北半球934个城市中的这些效应。通过采用线性混合效应模型（LMM）并实施严格的50%纯度像素过滤策略来确保结果的严谨性，我们的研究发现表明，以建筑表面比例和高度为特征的城市形态通过提前生长季节的开始时间和延迟生长季节的结束时间来延长生长季节的长度（LOS）。尽管植被物候的大规模变化主要由背景气候解释，但城市形态的影响仍然显著。平均而言，所有研究城市的城市区域的生长季节长度比周围自然环境长13.07天。此外，基于LMM的量化结果显示，城市结构的高度对植被物候的影响大于建筑密度：较高类型的建筑使生长季节延长38.47天，而较密集类型的建筑仅延长15.00天。这些发现表明，城市化显著延长了城市植被的物候季节。强调城市形态对植被物候的影响，突显了其在应对紧迫的气候挑战和实现城市可持续性方面的关键作用。本研究为城市规划和政策提供了重要见解，以促进快速发展中的城市的生态平衡。
引言
监测城市植被物候对于促进可持续的城市生态系统至关重要。植被物候是指植物的季节性生长模式（Richardson等人，2018年），是生态健康和气候变化的重要指标（Gong等人，2024年；K?rner和Basler，2010年；Mi等人，2019年；Robertson等人，2024年）。温度显著影响植被物候，全球变暖导致生长季节的开始时间提前（SOS）（Fu和He，2024年；Menzel等人，2006年）和生长季节的结束时间推迟（EOS）（Liu等人，2016年）。由于人类活动和普遍存在的城市热岛（UHI）效应，城市成为了天然的热实验室（Oke，1982年）。城市地区的地表升温速度远快于农村地区（Liu等人，2022年），地表温度受到三维（3D）城市冠层结构的密切调节。据估计，到2050年，全球68%的人口将居住在城市地区（联合国，2022年），同时全球温室气体排放量也在增加（Gurney等人，2022年）。在全球变暖的背景下（Abbass等人，2022年；Weber，2016年），了解城市植被物候对于应对城市中复杂的人与环境动态至关重要，因为它直接影响城市环境质量（Beninde等人，2015年）、生态平衡（Caparros-Santiago等人，2021年）以及居民的福祉（Salmond等人，2016年）。
城市地区的独特形态和物理特性影响城市环境，进而影响阳光、温度和空气质量等因素（Zhou等人，2022年），这些因素又反过来影响植被物候。与周围的农村地区相比，城市地区的植被物候存在显著差异（Chen等人，2023年；Ruan等人，2019年；Yang等人，2023年）。最近的研究从简单的“城乡”二分类转向采用“城乡梯度”（URGs）分区或量化不透水面百分比来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，对数百个城市的综合评估揭示了城市化和时间空间上的独特城乡物候变化，表明城市化显著影响了植被生长周期的长期和内外变化（Ahmed等人，2023年；Ji等人，2023年；Jia等人，2025年）。尽管URGs方法对于城市研究来说直接且有效，但它往往无法捕捉到实际城市形态的复杂性（Li等人，2023年；Zhao等人，2022年）。因此，研究城市形态对物候的影响对于全面理解植被对周围城市环境的响应至关重要。
与URGs方法不同，LCZs分类方法根据统一的土地覆盖、表面结构、建筑材料和人类活动区分了不同城市景观的热响应特性（Stewart和Oke，2012年）。它提供了一种更细致的方法来评估不同城市形态如何影响户外舒适度（Alexander和Mills，2014年）、UHI效应（Leconte等人，2015年）以及城市规划指南（Yang等人，2019年）。现有研究还利用这一框架来研究建筑高度和高密度城市形态如何调节行人水平的绿化和卫星衍生的植被指数（Hua等人，2022年）。使用具有不同城市形态的LCZs在局部尺度上进行的植被物候研究证实了这种分类的优势（Li等人，2023年；Xiong等人，2024年；Zhao等人，2022年）。例如，在珠江三角洲地区的研究表明，以密集高层建筑为主的地区的地表物候在SOS和EOS方面表现出显著的时空变化，与以开放式、中层和低层建筑为主的地区相比（Xie等人，2024年）。尽管有这些发现，最近对城市空间形态的研究主要集中在它们对热环境的影响机制上（Tang等人，2016年），而在更广泛的尺度上，3D城市结构与生物物候信号之间的复杂相互作用尚未得到充分探索。
总体而言，目前仍缺乏关于城市形态与大规模植被物候之间关系的全面和比较分析。虽然卫星遥感数据为物候研究提供了有力的支持，并已通过实地观察验证了其准确性和可靠性（Gong等人，2024年；Piao等人，2019年），但目前的应用范围仍然有限。最近，一些研究利用卫星观测来探索不同纬度和气候下的城乡植被物候差异（Chen等人，2023年；Yang等人，2023年）。然而，这些研究主要集中在城市植被物候的空间分布和时间动态上，而不是与这些变化相关的具体结构因素。关键的知识空白在于缺乏在北半球范围内系统地分离垂直（建筑高度）与水平（建筑密度）形态属性与植被物候之间关联的证据（Kabano等人，2021年）。大多数现有的基于LCZ的物候研究仅限于有限的地理尺度，或者侧重于分类比较，而不是量化高度和密度的相对重要性。
在这里，我们提出了三个关键问题：（1）城市形态的结构如何影响植物季节周期的时间？（2）建筑高度和密度的变化以何种方式影响这些物候模式？（3）城市结构对植物物候的影响是否在全球不同城市化水平和气候区有所不同？为了解决这些问题，我们选择了北半球的934个城市进行分析。与以往的局部评估不同，本研究利用全球LCZs框架和线性混合效应模型（LMM）严格控制气候背景，从而能够稳健地量化三维城市结构如何塑造不同生物群落中的城市生态系统。我们利用全球LCZs地图来表征不同的城市形态（例如，高度和密度），并在此基础上研究了不同气候区下的卫星观测植被物候。
研究区域
研究区域
我们选择了北半球面积超过100平方公里的城市作为研究区域（图1），这些城市由2018年的全球城市边界（GUB）数据确定（Li等人，2020年）。这些城市主要分布在30°N至60°N之间（约占76%），具有多样的气候条件（例如，温度和湿度）。在这里，超过60%的选定城市包含10种以上的不同LCZ类型（图1b），从而能够全面分析不同城市形态如何影响植被
建成区与自然类型的物候差异
在北半球79.3%的主要城市中，建成区的植被物候通常比周围自然类型的植被物候持续时间更长（图3）。这种延长主要是由于EOS的延迟，建成区的EOS平均比自然类型晚11.76 ± 21.83天，而SOS仅提前-1.10 ± 15.15天（表S5）。值得注意的是，中高纬度和低纬度地区的城市植被物候存在显著差异（图3）影响城市植被物候的因素
城市形态与植被物候之间的相互作用揭示了有趣的动态。平均而言，建成区的生长季节长度比自然景观长13.07天，这与北半球多项研究的发现一致（Ruan等人，2019年）。然而，城乡之间的生长季节长度差异在不同气候区域并不均匀。在热带地区，我们的研究发现自然区域的生长季节长度比城市区域长4.04天。这种空间异质性表明结论
总之，城市植被物候与背景气候和城市形态密切相关。我们的初步研究表明，北半球的建成区通常比自然景观具有更长的生长季节长度，主要是由于EOS的延迟。相反，在热带地区，建成区的生长季节长度略短于自然栖息地。此外，在同一LCZ内，温带和寒冷地区的生长季节长度比热带地区更长
CRediT作者贡献声明
马海宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。李学超：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。尹佩毅：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、正式分析、概念化。袁波：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42101418 & 42371413）、国家自然科学基金/RGC联合研究计划（42361164614和N_HKU722/23）、国家自然科学基金优秀青年科学家基金（海外）、中国大学科学基金以及中国农业大学2115人才发展计划的支持。
