Spatio-temporal variability of vegetation phenology and its drivers at global scale

Abstract

La fenologia estudia el moment d'esdeveniments periòdics del cicle de vida a plantes i animals, així com els canvis estacionals climàtics que afecten aquests esdeveniments. En les darreres dècades, l'escalfament global ha provocat canvis en les fenofases i ha allargat la temporada de creixement fotosintètic. Aquests canvis a la fenologia tenen un impacte en el cicle de l'aigua i del carboni; l'absorció de carboni dels ecosistemes terrestres ha augmentat, eliminant part del carboni atmosfèric. No obstant, les respostes futures de la fenologia de la vegetació a l'escalfament són incertes, cosa que planteja qüestions sobre la capacitat de la vegetació per compensar les emissions de carboni atmosfèric. L'objectiu principal va ser caracteritzar la variabilitat espacial i temporal de la fenologia i vincular aquesta variabilitat als factors climàtics en un context d'escalfament global. La tesi se centra en l'augment de les temperatures i els factors climàtics que afecten la fenologia. Els dos primers capítols tracten l'estimació de la fenologia. Al Capítol 1, proposem un nou mètode per estimar la fenologia en plataformes basades en el núvol que es pot aplicar a sèries temporals sense processament previ. Al Capítol 2, presentem mapes a 10 metres de resolució i a escala continental, emfatitzant la importància de la resolució espacial. Els capítols 3 a 5 cobreixen l'impacte de tres factors climàtics, temperatura, llum i disponibilitat d'aigua. Al Capítol 3, els resultats suggereixen que els sòls congelats restringeixen l'activitat de la vegetació, que reprèn la fotosíntesi poc temps després del desglaç del terra. El Capítol 4 assenyala les limitacions climàtiques a la fenologia, en particular la limitació de la radiació a les regions temperades i fredes de l'hemisferi nord. Aquests resultats suggereixen que l'inici de la temporada de creixement encara pot avançar, encara que a un ritme més lent, mentre que la radiació frena la fotosíntesi a la tardor, evitant que el final de temporada s'endarrereixi més amb l'escalfament global en el futur. El Capítol 5 estudia l'ocurrència d'onades de calor i sequeres, que fa avançar el final de la temporada de creixement. En aquest capítol, mostrem evidència del despreniment prematur de fulles utilitzant dades satel·litàries de resolució de 10 metres, i vinculem aquest fenomen amb altes temperatures i aridesa. Aquests resultats revelen que el despreniment primerenc de fulles és més recurrent i generalitzat del que es pensava anteriorment. El darrer capítol és un compendi de tècniques i coneixements adquirits en capítols anteriors. Modelem la fenologia estimada amb la tècnica descrita al Capítol 1 i usant un model basat en els factors climàtics estudiats als Capítols 3-5. Analitzem les limitacions climàtiques a la fenologia a escala global utilitzant una nova tècnica que explica la relació entre la fluorescència induïda pel sol i els factors climàtics en un model d'aprenentatge automàtic. Els resultats de la tesi demostren diferents restriccions espacials de temperatura, llum i disponibilitat d'aigua al principi i al final de la temporada de creixement, cosa que suggereix que la fenologia de la vegetació respondrà de manera diferent a l'escalfament climàtic futur segons la ubicació i el tipus de vegetació. En algunes regions, és possible que l'augment de les temperatures no es tradueixi en una prolongació de la temporada de creixement degut a les limitacions de radiació i aigua.

La fenología estudia el momento de eventos periódicos del ciclo de vida en plantas y animales, así como los cambios estacionales climáticos que afectan estos eventos. En las últimas décadas, la el calentamiento global ha provocado cambios en las fenofases y ha alargado la temporada de crecimiento fotosintético. Estos cambios en la fenología tienen un impacto en el ciclo del agua y del carbono; la absorción de carbono de los ecosistemas terrestres ha aumentado, eliminando parte del carbono atmosférico. Sin embargo, las respuestas futuras de la fenología de la vegetación al calentamiento son inciertas, lo que plantea cuestiones sobre la capacidad de la vegetación para compensar las emisiones de carbono atmosférico. El objetivo principal fue caracterizar la variabilidad espacial y temporal de la fenología y vincular esta variabilidad a los factores climáticos en un contexto de calentamiento global. La tesis se centra en el aumento de las temperaturas y los factores climáticos que afectan la fenología. Los dos primeros capítulos tratan sobre la estimación de la fenología. En el Capítulo 1, proponemos un nuevo método para estimar la fenología en plataformas basadas en la nube que se puede aplicar a series temporales sin procesamiento previo. En el Capítulo 2, presentamos mapas a 10 metros de resolución y a escala continental, enfatizando la importancia de la resolución espacial. Los capítulos 3 a 5 cubren el impacto de tres factores climáticos, temperatura, luz y disponibilidad de agua. En el Capítulo 3, los resultados sugieren que los suelos congelados restringen la actividad de la vegetación, que reanuda la fotosíntesis poco tiempo después del deshielo del suelo. El Capítulo 4 señala las limitaciones climáticas en la fenología, en particular la limitación de la radiación en las regiones templadas y frías del hemisferio norte. Estos hallazgos sugieren que el inicio de la temporada de crecimiento aún puede avanzar, aunque a un ritmo más lento, mientras que la radiación frena la fotosíntesis en otoño, evitando que el final de temporada se retrase más con el calentamiento global en el futuro. El Capítulo 5 estudia la ocurrencia de olas de calor y sequías, que adelanta el final de la temporada de crecimiento. En este capítulo, mostramos evidencia del desprendimiento temprano de hojas utilizando datos satelitales de resolución de 10 metros, y vinculamos este fenómeno con altas temperaturas y aridez. Estos hallazgos revelan que el desprendimiento temprano de hojas es más recurrente y generalizado de lo que se pensaba anteriormente. El último capítulo es un compendio de técnicas y conocimientos adquiridos en capítulos anteriores. Modelamos la fenología estimada con la técnica descrita en el Capítulo 1 y usando un modelo basado en los factores climáticos estudiados en los Capítulos 3-5. Analizamos las limitaciones climáticas en la fenología a escala global utilizando una técnica novedosa que explica la relación entre la fluorescencia inducida por el sol y los factores climáticos en un modelo de aprendizaje automático. Los hallazgos de la tesis demuestran diferentes restricciones espaciales de temperatura, luz y disponibilidad de agua al principio y al final de la temporada de crecimiento, lo que sugiere que la fenología de la vegetación responderá de manera diferente al calentamiento climático futuro según la ubicación y el tipo de vegetación. En algunas regiones, es posible que el aumento de las temperaturas no se traduzca en una prolongación de la temporada de crecimiento debido a las limitaciones de radiación y agua.

Phenology is the study of the timing of periodic life-cycle events in plants and animals, as well as how seasonal changes in climatic factors affect these events. In recent decades, temperature has increased, leading to changes in the timing of leaf phenophases and the lengthening of the photosynthetically growing season. These changes in vegetation phenology have an impact on the water and carbon cycle; the lengthening of the growing season has increased the carbon uptake of terrestrial ecosystems offsetting part of the atmospheric carbon from human emissions. However, future responses of vegetation phenology to warming are uncertain, raising concerns about the ability of vegetation to offset atmospheric carbon emissions. The main objective of the thesis was to characterize the spatial and temporal variability of land surface phenology and link this variability to climate drivers in a context of global warming. The research focused on understanding how rising temperatures might change the climate factors affecting vegetation phenology. The first two chapters deal with the methodology for estimating land surface phenology. In Chapter 1, we propose a new method for estimating land surface phenology in cloud-based platforms that can be applied to raw time series without the need for time series preprocessing. In Chapter 2, we present 10-meter resolution maps for the continental scale, emphasizing the importance of spatial resolution. Chapters 3 to 5 cover the impact of three climate factors, temperature, light, and water availability, on the vegetation phenology. In Chapter 3, results suggest that frozen soils constraint vegetation activity, and vegetation resume photosynthesis closely after soil thawing. Chapter 4 points at the climate constraints on carbon uptake phenology, particularly the limitation of radiation in temperate and cold regions in the Northern Hemisphere. These findings suggest that the start of the growing season may still advance, although at a slower pace, while radiation restrains photosynthesis in autumn, preventing the further delay of the end of season with future warming. Chapter 5 studies another factor, the occurrence of heatwaves and droughts, that advances the end of the growing season. In this chapter, we show evidence of early leaf shedding using 10-meter resolution satellite data, and link this phenomenon to high temperature and aridity conditions. These findings reveal that early leaf shedding is more recurrent and widespread than previously reported. The last chapter, Chapter 6, is a compendium of techniques and knowledge gained in previous chapters. We model the land surface phenology estimated with the technique describe in Chapter 1 and using a model based on the climate factors studied in Chapters 3-5. We analyze the climate constraints on vegetation phenology at the global scale using a novel technique that explains the relationship between sun-induced fluorescence and climate factors in a machine learning model. The findings of the thesis demonstrate different spatial constraints of temperature, light, and water availability at the beginning and end of the growing season, suggesting that vegetation phenology will respond differently to future climatic warming depending on the location and type of vegetation. In some regions, rising temperatures may not translate into a lengthening of the growing season because of radiation and water constraints.