植物物候研究进展

植物物候直接反映了气候变化的影响,是植被动态模拟的关键.在遥感和模型技术的推动下,植物物候与全球变化关系的研究日益受到人们的关注.文中从植物物候与环境因子的相互关系、植物物候对全球变化的响应以及植物物候的遥感监测方面,综合论述了植物物候的研究进展,找出植被物候研究的不足,进而提出未来植被物候的研究方向.     

中国东北天然次生林主要树种的物候研究

本文以中国东北天然次生林的主要乔木树种：红松、落叶松、樟子松、青杨、山杨、白桦、柞树、水曲柳、黄菠萝、胡桃楸、紫椴、五角槭和春榆为材料,研究了树种物候的主要特征。编制了树种的物候谱,考察了树种的物候期与光照和温度等环境因子的关系,并通过多元统计的主成分分析方法,揭示出与树木萌动期、生长期和开花期等主要物候期关系最为密切的气象因子是总累积日照数和各期的平均温度,阐明温度、光照及其综合作用是物候现象的重要外在条件。用系统聚类的方法对13个树种分别依萌动期、生长期、开花期的环境因子和物候日期进行了分类,确定了萌动类型五个,生长的物候类型四个,开花的物候类型四个,物候日期的物候类型四个。并把树木的物候类型与树木的生态对策作了对应分析,提出了树木生态物候对策的概念。     

A new method of sample selections for optimizing phenology model based remote sensing data

 植被物候模型是生态系统模型的重要组成部分, 其精度对准确地模拟陆面和大气之间的能量和物质交换具有重要意义。利用遥感获取空间物候信息并与气候数据进行耦合分析是在中亚干旱区等地面物候观测数据缺乏的地区构建物候模型的重要方法。为减小混合植被像元和气候数据资料的内在误差及二者在空间尺度的不匹配对物候模型构建产生的影响, 该研究提出一种在气象站点周围选取满足规定规则集的“代表植被类型像元”作为样本点的选择方法, 以代表植被类型像元的遥感物候数据和气象站点数据为基础, 结合经典物候模型和改进物候模型, 在粒子群优化算法支持下, 分别以独立的拟合与评价样本数据, 完成了荒漠草原植被与落叶阔叶林的模型拟合与评价。研究发现中亚干旱区荒漠草原植被的最优模型为温度-降水修正模型, 落叶阔叶林的最优模型为替代模型。通过此方法模型总体精度在8–10 d左右。结果表明此方法在气候数据和植物物候空间匹配方面有改进, 有助于提高物候模型精度。     

利用遥感数据优化物候模型时样本选择的新方法

植被物候模型是生态系统模型的重要组成部分, 其精度对准确地模拟陆面和大气之间的能量和物质交换具有重要意义。利用遥感获取空间物候信息并与气候数据进行耦合分析是在中亚干旱区等地面物候观测数据缺乏的地区构建物候模型的重要方法。为减小混合植被像元和气候数据资料的内在误差及二者在空间尺度的不匹配对物候模型构建产生的影响, 该研究提出一种在气象站点周围选取满足规定规则集的“代表植被类型像元”作为样本点的选择方法, 以代表植被类型像元的遥感物候数据和气象站点数据为基础, 结合经典物候模型和改进物候模型, 在粒子群优化算法支持下, 分别以独立的拟合与评价样本数据, 完成了荒漠草原植被与落叶阔叶林的模型拟合与评价。研究发现中亚干旱区荒漠草原植被的最优模型为温度-降水修正模型, 落叶阔叶林的最优模型为替代模型。通过此方法模型总体精度在8-10 d左右。结果表明此方法在气候数据和植物物候空间匹配方面有改进, 有助于提高物候模型精度。     

哀牢山中山湿性常绿阔叶林主要树种的物候研究

以哀牢山中山湿性常绿阔叶林的１４个主要树种为材料,研究了树种物候的主要特征,编制了物候谱,考察了树种物候期与温度、光照等环境因子的关系。采用主要万分分析方法,揭示了各物候期平均温度和≥５℃积温地 物候表现最为密切。对于树木开花期的诱导,光和温度具有同等重要的作用;但在萌动－展叶期中,降雨量和光照则起主导作用。     

东北地区植被物候时序变化

植被与气候的关系非常密切,植被物候可作为气候变化的指示器。东北地区位于我国最北部,是气候变化的敏感区域,研究该区植被物候对气候变化的响应对阐明陆地生态体统碳循环具有重要意义。利用GIMMS AVHRR遥感数据集得到了东北地区阔叶林、针叶林、草原和草甸4种植被25a(1982—2006年)的物候时序变化,得出4种植被春季物候都表现出先提前后推迟的现象,秋季物候的变化则比较复杂,阔叶林和针叶林整体上呈现出秋季物候推迟的趋势,草原和草甸则表现为提前-推迟-提前的趋势。应用偏最小二乘(Partial Least Squares)回归分析了该区域植被物候与气候因子之间的关系,结果表明:春季温度与阔叶林、针叶林和草甸春季物候负相关,前一年冬季温度与草原春季物候正相关,降水与植被春季物候的关系有点复杂;4种植被秋季物候与夏季温度均呈正相关,除草原外,其余3种植被秋季物候均与夏季降水负相关。植被春季物候可能主要受温度影响,而秋季物候很可能主要受降水控制。     

基于MODIS和ENVISAT数据的湖北省四湖地区土地覆盖分类

依据ENVISAT ASAR数据中后向散射系数的差异对湖北四湖地区的城镇、水域、植被覆盖区进行划分;根据区域种植制度及物候特点,以4月下旬至5月上旬MODIS-NDVI值区别植被覆盖区中的作物植被与非作物植被;并采用基于高分辨率ETM数据的土地分类结果对基于上述规则分类的结果进行验证.结果表明：借助DEM高程数据,可将研究区非作物植被划分为林地与滩地;利用月份NDVI平均值的差异,可将作物划分为中稻、棉花和晚稻,并获得水田和旱地的区分;采用低空间分辨率的MODIS数据获得的土地覆盖分类结果,与采用高分辨率ETM数据分类的结果具有一定程度的相似性,以ETM数据分类结果为标准的总误差率为13.15%;利用上述判别流程进行大尺度土地覆盖分类与制图可以实现对区域土地覆盖变化的快速跟踪.     

植物物候与气候研究进展

植物物候及其变化是多个环境因子综合影响的结果,其中气候是最重要、最活跃的环境因子。主要从气候环境角度分析了植物物候与气候以及气候变化间的相互关系,概述了国内外有关植物物候及物候模拟等方面的研究进展。表明,温度是影响物候变化最重要的因子;同时,水分成为胁迫因子时对物候的影响也十分重要。近50a左右,世界范围内的植物物候呈现出了春季物候提前,秋季物候推迟或略有推迟的特征,从而导致了多数植物生长季节的延长,并成为全球物候变化的趋势。全球气候变暖改变了植物开始和结束生长的日期,其中冬季、春季气温的升高使植物的春季物候提前是植物生长季延长的主要原因。目前对物候学的研究方向主要集中在探讨物候与气候变化之间的关系,而模型模拟是定量研究气候变化与植物物候之间关系的重要方式,国内外已经开发出多种物候模型来分析气候驱动与物候响应之间的因果关系。另外遥感资料的应用也为物候模型研究提供了新的方向。物候机理研究、物候与气候关系以及物候模型研究将是研究的重点。     

基于生态地理分区的大兴安岭植被物候时空变化

植被与气候的关系十分密切,植被物候可作为全球气候变化的指示器.大兴安岭位于我国最北部,对气候变化较为敏感,研究该区植被物候的时空变化对评估全球变化对陆地生态系统的影响具有重要意义.依据中国生态地理区划图,将大兴安岭划分为4个生态研究区域,本文利用GIMMS NDVI 3g遥感数据集分析1982—2012年大兴安岭整体及各生态地理分区植被物候变化.结果表明: 研究期间,所有分区植被生长季开始日期均表现为提前趋势,生长季结束日期均表现为推迟趋势.植被物候对气候因子变化敏感,尤其是对气温的敏感程度高于降水,其中,北段山地落叶针叶林区植被生长季开始日期与春季温度呈显著负相关;除南段草原区外,其他3个分区植被生长季结束日期均与秋季降水呈显著负相关.从整体来看,植被物候随海拔、纬度的变化趋势明显.     

高寒草甸植物群落生长发育特征与气候因子的关系

为合理利用高寒草甸资源，探讨近年来气候变化对高寒草甸的影响，以青海省甘德县高寒草甸为例，基于牧业气象站1976-2006年的气象资料和1994-2006年的牧草观测资料，分析了草地植被地上生物量、高度、盖度和物候期等群落特征以及当地气温、降雨等气象因素的年际变化趋势，采用典型相关分析法和逐步回归分析法对草地植物群落特征变化与气象因子的关系进行了研究，综合分析了影响植被生长状况的关键因子，结果表明：（1）青藏高原高寒草甸总体呈年均气温和平均地温上升、年降水量下降的"暖干化"趋势，牧草盖度高度增大，产量减少，整体观测水平下的牧草物候期推迟。（2）牧草的高度、盖度及产量对不同气候因子的响应程度不同。牧草高度与盖度对温度因子的变化更敏感，牧草产量对水分因子的变化更敏感。平均地温和相对湿度越高，牧草高度越高，产量越多。（3）不同牧草的物候期受不同气象因子的影响，变化趋势也不相同。从整体水平上看，牧草物候期对温度因子更敏感，温度越高，物候期越提前。     

气候变化背景下橡胶树物候研究进展

橡胶树(Heveabrasiliensis)是广布于热带地区的经济林木，是战略物资天然橡胶的主要来源，其物候学的研究对胶园生产管理和评估热带地区植被对全球气候变化的响应方面具有重要意义。早期的物候研究主要服务于苗木繁育、割胶规划和抗逆栽培等生产应用；利用遥感监测植被物候日趋成熟，已广泛应用于橡胶树并成为主流的物候监测方法；橡胶树物候具有明显的时空异质性，对气候变化的响应较为复杂，其中温度和降水是关键影响因子，同时内因(品系、基因和树龄等)和外因(种植密度、地理位置和农业措施等)也共同影响了其物候。为更好服务天然橡胶产业的可持续发展和热区气候变化科学研究，未来的橡胶树物候研究应重点关注多源遥感数据的协同重建、物候指标提取算法的普适化和遥感预测模型的精准化。该文系统梳理了橡胶树物候的监测方法、服务价值、时空格局，提出了存在问题及未来研究方向。     

Responses of leaf unfolding and flowering to climate change in 12 tropical evergreen broadleaf tree species in Jianfengling,Hainan Island

为了探讨我国热带地区植物物候与气候变化的关系, 利用海南岛尖峰岭热带树木园12种热带常绿阔叶乔木植物2003-2011年物候观测资料结合同期月平均气温和降水数据, 运用积分回归分析方法, 筛选出影响海南岛12种乔木(8种本地种、4种引入种)展叶始期与开花始期的气象因素以及不同气象因素月值变化(月平均气温和月降水量)综合作用对这些树种物候期的动态影响, 最终建立积分回归-物候预测模型, 对气候变化背景下我国热带地区植物物候变化趋势进行了预测。结果表明: 海南岛12种热带常绿阔叶乔木展叶始期与开花始期均对气候变化做出较明显的响应, 几乎所有的树种展叶始期与开花始期的发生都受到气温和降水的共同影响。多数树种展叶始期受展叶前冬季及春季气温影响显著, 且在临近展叶始期的月份, 气温的影响更显著。上一年秋季月降水量对各树种开花始期的影响比其他时段显著, 这验证了降水的滞后性假说。本地种展叶始期对气候变化的响应比其开花始期对气候变化的响应更敏感, 引入种则相反。各树种展叶和开花在受气温和降水综合影响最明显的月份(假设其余11个月份月平均气温和月降水量不变), 月平均气温升高0.1 ℃、月降水量增加10 mm可使展叶始期和开花始期提前或推迟1-3天。积分回归分析方法为解释海南岛热带常绿阔叶乔木物候与气温和降水的动态关系提供了有效的途径, 基于气温和降水与物候资料建立的积分回归-物候预测模型具有对气温和降水变化影响下物候响应的解释率和预测精度高(R²≥ 0.943)的优点, 对于预测气候变化影响下的植物物候变化趋势有一定的适用性。     

海南岛尖峰岭12种热带常绿阔叶乔木展叶期与开花期对气候变化的响应

为了探讨我国热带地区植物物候与气候变化的关系, 利用海南岛尖峰岭热带树木园12种热带常绿阔叶乔木植物2003-2011年物候观测资料结合同期月平均气温和降水数据, 运用积分回归分析方法, 筛选出影响海南岛12种乔木(8种本地种、4种引入种)展叶始期与开花始期的气象因素以及不同气象因素月值变化(月平均气温和月降水量)综合作用对这些树种物候期的动态影响, 最终建立积分回归-物候预测模型, 对气候变化背景下我国热带地区植物物候变化趋势进行了预测。结果表明: 海南岛12种热带常绿阔叶乔木展叶始期与开花始期均对气候变化做出较明显的响应, 几乎所有的树种展叶始期与开花始期的发生都受到气温和降水的共同影响。多数树种展叶始期受展叶前冬季及春季气温影响显著, 且在临近展叶始期的月份, 气温的影响更显著。上一年秋季月降水量对各树种开花始期的影响比其他时段显著, 这验证了降水的滞后性假说。本地种展叶始期对气候变化的响应比其开花始期对气候变化的响应更敏感, 引入种则相反。各树种展叶和开花在受气温和降水综合影响最明显的月份(假设其余11个月份月平均气温和月降水量不变), 月平均气温升高0.1 ℃、月降水量增加10 mm可使展叶始期和开花始期提前或推迟1-3天。积分回归分析方法为解释海南岛热带常绿阔叶乔木物候与气温和降水的动态关系提供了有效的途径, 基于气温和降水与物候资料建立的积分回归-物候预测模型具有对气温和降水变化影响下物候响应的解释率和预测精度高(R²≥ 0.943)的优点, 对于预测气候变化影响下的植物物候变化趋势有一定的适用性。     

内蒙古克氏针茅草原植物物候及其与气候因子关系

 植物物候作为气候变化敏感的生物圈指示计, 已经成为全球变化研究的热点。利用1985~2002年地面物候观测数据, 构建了内蒙古克氏针茅(Stipa krylovii)草原植物物候的时间序列谱, 并分析了植物物候的时间变异与气候因子之间的相关关系。结果表明: 1) 从1985~2002年内蒙古克氏针茅草原的气候朝着暖干趋势发展, 主要表现在春、夏气温的显著性增加与秋季(9月)降水的显著性减少; 2) 主要植物物候的变化整体呈返青期推后其它物候期提前趋势; 3) 植物生长盛期(7、8月)对气候变化最敏感; 4) 光照和温度是影响内蒙古克氏针茅草原植物物候格局的主要因素, 年内最寒冷的1月月均温和2、3月的光照对春季返青期具有负效应, 而其它物候期与7、8月的光照则呈显著的负相关关系, 6、7月的降水对发育盛期的花序形成、抽穗与开花具有显著的负效应, 8、9月的降水量能显著推后枯黄期的结束, 从而有利于生长季的延长。     

利用控制实验研究植物物候对气候变化的响应综述

物候是植物在长期适应环境过程中形成的生长发育节点。长时间地面物候观测数据表明,近50年全球乔木、灌木、草本植物的春季物候期受温度升高、降水与辐射变化等影响,以每10年2 d到10 d的速率提前。但因植物物候响应气候因子的机制仍不清楚,导致对未来气候变化情景下的植物物候变化预测存在较大的不确定性。在此背景下,控制实验成为探究气候因子对植物物候影响机制的重要手段。综述了物候控制实验中不同气候因子（温度、水分、光照等）的控制方法。总结了目前为止控制实验在植物物候对气候因子响应方面得到的重要结论,发现植物春季物候期（展叶、开花等）主要受冷激、驱动温度与光周期的影响,秋季物候期（叶变色和落叶）主要受低温、短日照与水分胁迫的影响。提出未来物候控制实验应重点解决木本植物在秋季进入休眠的时间点确定、低温和短日照对木本植物秋季物候的交互作用量化、草本植物春秋季物候的影响因子识别等科学问题。     

北京地区木本春季物候特征与生物学特性的关系

植物物候是植物生活史中的重要性状,也是指示气候与自然环境变化的重要指标,现已成为全球变化领域的研究热点之一。传统物候研究多假设物候由气候因素决定,如气温、降水、光照等,并主要从植物物候的年际变化角度探讨了气候因素对物候特征的影响。然而,不同物种的物候存在较大差异表明植物物候还与自身生物学特性（如系统发育和功能性状）有关,但植物生物学特性如何影响植物物候仍缺乏深入研究。基于北京地区44种木本植物1965-2018年的展叶始期和开花始期观测资料,以展叶始期和开花始期的3类物候特征（平均物候期、物候对温度的响应敏感度和物候期的积温需求）为例,探究植物物候特征与系统发育和功能性状的关系。首先,利用系统发育信号Blomberg’s K和进化模型检验植物物候特征是否具有系统发育保守性,并通过系统发育信号表征曲线直观表达植物物候特征的进化模式;之后,利用广义估计方程分析植物生活型、传粉型与物候特征的关系,以揭示不同植物的资源利用方式及生存策略的差异。研究发现：（1）除展叶始期的温度敏感度外,其余物候特征的进化均受随机遗传漂变和自然选择力的共同作用,可推断物候特征具有系统发育保守性,即亲缘关系越近的物种物候特征越相似。（2）开花始期的系统发育信号强度比展叶始期更大,表明繁殖物候的系统发育可能比生长物候更保守。（3）植物展叶始期及其积温需求与生活型密切相关。灌木比乔木的展叶时间早、积温需求少。植物开花始期与传粉型相关,风媒植物开花显著早于虫媒植物。研究成果有助于深入理解物候变化的生物学机制,对于丰富物候学的理论研究有重要意义,同时对植物保护也具有重要的指导价值。     

Phenological responses of plants to climate change in an urban environment

Global climate change is likely to alter the phenological patterns of plants due to the controlling effects of climate on plant ontogeny, especially in an urbanized environment. We studied relationships between various phenophases (i.e., seasonal biological events) and interannual variations of air temperature in three woody plant species (Prunus davidiana, Hibiscus syriacus, and Cercis chinensis) in the Beijing Metropolis, China, based on phenological data for the period 1962–2004 and meteorological data for the period 1951–2004. Analysis of phenology and climate data indicated significant changes in spring and autumn phenophases and temperatures. Changes in phenophases were observed for all the three species, consistent with patterns of rising air temperatures in the Beijing Metropolis. The changing phenology in the three plant species was reflected mainly as advances of the spring phenophases and delays in the autumn phenophases, but with strong variations among species and phenophases in response to different temperature indices. Most phenophases (both spring and autumn phenophases) had significant relationships with temperatures of the preceding months. There existed large inter- and intra-specific variations, however, in the responses of phenology to climate change. It is clear that the urban heat island effect from 1978 onwards is a dominant cause of the observed phenological changes. Differences in phenological responses to climate change may cause uncertain ecological consequences, with implications for ecosystem stability and function in urban environments.     

动态物候模型发展及其在全球变化研究中的应用

物候模型可以通过环境因子预测植物物候期,是植物物候学一个重要内容。其中,试图反映生物过程的动态物候模型往往预测比较准确,因此这类物候模型有助于探讨植物在全球变化中的响应。本文把动态物候模型分为3大类,温度物候模型、冷激物候模型和其它物候模型,阐述了每个模型的基本原理和假设,重点论述了常见的温度物候模型.提出物候模型的真实性和广泛性还需要进一步提高,并介绍了温度物候模型在全球变化中运用的几个代表案例,指出目前的物候模型研究刚刚起步,还有许多方面需要进一步深入和开拓。     

Phenophases alter the soil respiration–temperature relationship in an oak-dominated forest

Soil respiration (SR) represents a major component of forest ecosystem respiration and is influenced seasonally by environmental factors such as temperature, soil moisture, root respiration, and litter fall. Changes in these environmental factors correspond with shifts in plant phenology. In this study, we examined the relationship between canopy phenophases (pre-growth, growth, pre-dormancy, and dormancy) and SR sensitivity to changes in soil temperature (T_S). SR was measured 53 times over 550 days within an oak forest in northwest Ohio, USA. Annual estimates of SR were calculated with a Q₁₀ model based on T_S on a phenological (PT), or annual timescale (AT), or T_S and soil volumetric water content (VWC) on a phenological (PTM) or annual (ATM) timescale. We found significant (p<0.01) difference in apparent Q₁₀ from year 2004 (1.23) and year 2005 (2.76) during the growth phenophase. Accounting for moisture-sensitivity increased model performance compared to temperature-only models: the error was −17% for the ATM model and −6% for the PTM model. The annual models consistently underestimated SR in summer and overestimated it in winter. These biases were reduced by delineating SR by tree phenophases and accounting for variation in soil moisture. Even though the bias of annual models in winter SR was small in absolute scale, the relative error was about 91%, and may thus have significant implications for regional and continental C balance estimates.     

A systematic review of vegetation phenology in Africa

The study of vegetation phenology is important because it is a sensitive indicator of climate changes and it regulates carbon, energy and water fluxes between the land and atmosphere. Africa, which has 17% of the global forest cover, contributes significantly to the global carbon budget and has been identified as potentially highly vulnerable to climate change impacts. In spite of this, very little is known about vegetation phenology across Africa and the factors regulating vegetation growth and dynamics. Hence, this review aimed to provide a synthesis of studies of related Africa's vegetation phenology and classify them based on the methods and techniques used in order to identify major research gaps. Significant increases in the number of phenological studies in the last decade were observed, with over 70% of studies adopting a satellite-based remote sensing approach to monitor vegetation phenology. Whereas ground based studies that provide detailed characterisation of vegetation phenological development, occurred rarely in the continent. Similarly, less than 14% of satellite-based remote sensing studies evaluated vegetation phenology at the continental scale using coarse spatial resolution datasets. Even more evident was the lack of research focusing on the impacts of climate change on vegetation phenology. Consequently, given the importance and the uniqueness of both methods of phenological assessment, there is need for more ground-based studies to enable greater understanding of phenology at the species level. Likewise, finer spatial resolution satellite sensor data for regional phenological assessment is required, with a greater focus on the relationship between climate change and vegetation phenological changes. This would contribute greatly to debates over climate change impacts and, most importantly, climate change mitigation strategies.