气候变化对草地植物物候影响的研究进展

植物物候与植物的适应进化、物种间相互关系、生态系统的结构和功能密切相关,且对气候变化特别敏感,所以一直是进化生物学、植物生态学和气候变化生态学的研究热点和前沿科学问题。本综述基于草地植物物候研究的3个层次(个体-种群-群落)和7个物候序列(返青、现蕾、初花、初果、果后营养、初黄和枯黄期),阐述了不同层次物候序列及其相应持续期对气候变化响应过程的研究进展以及目前研究主要存在的问题,并在此基础上提出未来研究亟需关注的科学问题及展望,以期推动我国植物物候生态学研究发展。     

中国草地和欧洲木本植物返青期对气温和降水变化的响应:基于生存分析的研究

长期以来,气候与植物物候关系的研究大多基于线性模型,但植被物候对气候变化的响应可能是非线性的。该文利用非线性模型——生存分析模型来分析时间序列中过去事件(气候因子)对目的变量(物候)的作用:用生存分析模型分析了春季气温和降水量对内蒙古草地、青藏高原草甸和欧洲地区木本植物返青期的影响。其中,内蒙古与青藏高原的物候信息来自遥感数据,欧洲地区物候信息为实测数据。蒙特卡洛方法用于拟合模型参数。结果表明:生存分析模型适合对上述不同研究对象的物候影响因素进行分析,并能模拟非线性效应;在内蒙古草地,春季气温和降水对春季返青有很大的影响,而青藏高原草甸和欧洲地区木本植物返青期对春季降水响应较小,对春季气温变化的响应随Holdridge干燥度指数上升而下降;在预测返青期时发现:春季平均气温提高1℃会导致上述地区返青期提前1–6天;而春季气温与降水的增加会导致返青期发生明显的非线性变化,这种非线性效应无法基于线性模型模拟出来。结果说明生存分析模型既能用于分析不同尺度下植物物候与气候的关系,也能用于模型预测,尤其适合探讨大幅度气候变化对物候的非线性影响。     

Responses of green-up dates of grasslands in China and woody plants in Europe to air temperature and precipitation: Empirical evidences based on survival analysis

长期以来, 气候与植物物候关系的研究大多基于线性模型, 但植被物候对气候变化的响应可能是非线性的。该文利用非线性模型——生存分析模型来分析时间序列中过去事件(气候因子)对目的变量(物候)的作用: 用生存分析模型分析了春季气温和降水量对内蒙古草地、青藏高原草甸和欧洲地区木本植物返青期的影响。其中, 内蒙古与青藏高原的物候信息来自遥感数据, 欧洲地区物候信息为实测数据。蒙特卡洛方法用于拟合模型参数。结果表明: 生存分析模型适合对上述不同研究对象的物候影响因素进行分析, 并能模拟非线性效应; 在内蒙古草地, 春季气温和降水对春季返青有很大的影响, 而青藏高原草甸和欧洲地区木本植物返青期对春季降水响应较小, 对春季气温变化的响应随Holdridge干燥度指数上升而下降; 在预测返青期时发现: 春季平均气温提高1 ℃会导致上述地区返青期提前1-6天; 而春季气温与降水的增加会导致返青期发生明显的非线性变化, 这种非线性效应无法基于线性模型模拟出来。结果说明生存分析模型既能用于分析不同尺度下植物物候与气候的关系, 也能用于模型预测, 尤其适合探讨大幅度气候变化对物候的非线性影响。     

植物物候学研究进展

植物物候变化在研究陆地生态系统对气候变化的响应时被誉为"矿井中的金丝雀",全球气候变化愈演愈烈,重新引起了人们对植物物候研究的广泛关注。随着观测技术的发展,在各种空间和生态尺度上收集到的物候观测数据迅速累积,尽管已经在多个尺度上（物种、群落和景观尺度）观察到物候变化,但物候变化的机理仍然没有得到很好的理解。回顾了国内外植物物候研究的发展历程;总结了物候数据收集技术进展和全球物候变化的主要趋势;归纳了植物物候变化的机理与驱动因素;探讨了物候模型研究及物候对气候变化响应研究的主要方向。随着物候观测技术在不同尺度上应用的增加,物候研究进入了一个新的阶段。未来物候研究需要制定跨区域标准化观测指南,融合所有相关学科,改进物候模型,拓展研究区域;同时融合有效的历史物候资料,采用新技术和长期收集的物候数据为大数据时代植物物候学研究提供基础。     

气候变化对桂林植物物候的影响

利用线性倾向估计、Mann-Kendall突变检测等方法,对桂林气候(1951～2009年)和3种植物物候(1983～2009年)的趋势变化特征进行了分析,并探讨了物候期与气温、日照、降水等气象因子的相关性及其对主要气候影响因子的响应情况。结果表明:在当地气候变化背景下,桂林市植物物候期发生了不同程度的变化,春季物候期提前,秋季物候期推迟,绿叶期延长;平均气温是影响植物物候期最为显著的气象因子,气温每增高1℃,春季物候平均提前5d左右,秋季物候平均推迟8d左右,绿叶期延长约27d;春季物候和绿叶期的突变一般发生在气温突变之后,但秋季物候期突变与其影响月份气温的突变并无关系。以上分析说明植物物候对气候变化响应比较敏感,通过分析气候和植物物候变化的规律,掌握气候对当地植物物候的可能影响,可为农业生产、生态环境监测和评估等提供理论依据。     

早春草本植物开花物候期对城市化进程的响应——以北京市为例

植物物候对城市化的响应是全球变化与城市生态环境效应研究的重要内容。2012年3月到6月,结合气象观测数据,对北京市西北向城市化梯度上7种早春草本植物开花物候期进行观测与研究,发现温度因子和早春草本植物开花物候期均随城市化梯度发生变化,即越靠近城市中心区,温度和积温累计值越高;早春草本植物开花物候期出现时间越早,平均提前2—4 d;但开花期持续时间与开花速率并不随城市化梯度发生明显变化。此外,研究发现北京市7种早春草本植物开花期对5℃积温变化响应最为敏感;开花期提前时间梯度变化显著性与生活型密切关联,多年生草本植物对城市化梯度变化的响应比一年生或一二年生草本植物明显。未来城市植物物候期研究中,应更关注城市化进程中土地利用/覆被变化与热岛效应对城市气候及植物生理生态特征的累积影响特征,以期进一步揭示植物物候期对城市化及气候变化的响应规律。     

民勤荒漠区植物物候对气候变暖的响应

近几十年来,全球气候普遍变暖.那么,荒漠地区的气候是不是响应了全球气候的这种变化?在全球气候变化过程中,荒漠区植物物候又是如何响应这种气候变化的呢?显然,研究荒漠地区植物物候对气候变化的响应对于深入研究荒漠植物物候与气候因子的关系以及荒漠地区的植物保护都具有重要意义.运用位于中国西北典型荒漠地区的民勤沙生植物园1974～2007年42种中生、旱生植物的物候观测资料进行分析.结果表明:研究区1974年以来气温抬升幅度大于其他文献的研究报道,春季物候期提前幅度明显大于其他国家文献报道;在气温变暖的过程中,不同月份的气温变化与年平均气温的变化趋势并不完全对应,物候期发生当月的平均气温对该物候期的影响＞物候期发生上月平均气温＞年平均气温;研究区位于中国典型荒漠化地区,属于干旱荒漠气候,春季气温升高较其他地区更加明显,这就是当地春季物候期提前幅度相对较大的原因所在,也是当地以及中国西北沙区近几十年来沙尘暴天气增多和沙尘暴发生日期提前的原因.植物物候变化既是植物对气候变化的综合反应过程,又是植物适应气候变化的过程,尤其是荒漠植物.因此,物候研究将会成为今后气候学和植物生态学研究的一个重要内容.     

全球变化下植物物候研究的关键问题

总结了全球变化下植物物候研究的主要进展,针对该领域国内外的几个热点问题进行了讨论。植物物候研究的重心从以前的野外观测和初步统计分析逐步过渡到以揭示物候周期的调控机制和环境效应为主,研究手段从植物物候对环境变化做出反应的表象描述转移到多尺度、多要素耦合关系的综合分析。随着学科交叉研究的不断深入,植物物候研究从植物个体及居群适应性研究转向植物物候变化对生态系统、气候演变、农业生产乃至人类健康等方面影响的系统评估。并且在该转变过程中出现了几个关键性问题,如不同温度带大气温度与光周期对植物物候期贡献力问题、植物物候变化对气候变暖的非线性响应特征、群落水平上植物物候研究的复杂性、以及农业生态系统中作物物候研究的重要性等。对我国植物物候研究现状和管理体系中亟待解决的问题提出了建议。     

克氏针茅物候对气候变暖和水分变化的响应及其光合生理生态机制

物候对气候变化具有重要指示作用,然而现有研究主要关注植物物候变化与环境因子的关系,对于物候变化的生理生态机制研究较为缺乏。基于内蒙古自治区克氏针茅草原红外线辐射增温与控水相结合的原位模拟试验资料,探究了克氏针茅物候变化的光合生理生态机制及其对水热环境因子的响应。研究结果表明：(1)增温使克氏针茅返青期和抽穗期提前2.8 d和7.8 d、枯黄期推迟6.8 d;水热协同作用主要影响抽穗期,增温增水(气候暖湿化)较增温减水(气候暖干化)提前7.4 d。(2)增温增水使得克氏针茅返青期和抽穗期的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著高于增温减水,而对水分利用效率的影响则相反(P<0.05),增温增水与增温减水对克氏针茅枯黄期的光合生理生态特征影响无显著差异。(3)净光合速率是影响克氏针茅物候变化的决策因子,温度是影响克氏针茅植物返青期和枯黄期的限制因子,水分则是影响克氏针茅植物抽穗期的限制因子。研究发现克氏针茅物候与其光合生理生态特征和环境因子密切相关,研究结果可为植物物候模型发展和物候机理研究提供理论支撑。     

浙江古田山亚热带常绿阔叶林开花和结实物候的种间种内差异

植物物候学主要研究植物的生活史事件发生时间和环境因子之间的关系.物候作为植物重要的功能性状,却未见有在群落水平上将植物物候变异和群落结构特征(多度)联系起来探究植物物候变异规律的报道.为了探索物候性状的种间种内变异规律,2012年4月~2015年8月在中国东部地区浙江省古田山国家级自然保护区亚热带常绿阔叶林24hm~2大样地(GTS;29°10′19.4″~29°17′41.4″N,118°03′49.7″~118°11′12.2″E)内,对106种植物的物候进行连续观测,用标准差定性分析物候的种间和种内差异.结果表明,影响开花物候的气候因子为降水,群落开花高峰集中在5月,结实成熟高峰集中在10月.群落结实物候种间差异小于开花物候,其中结实物候种间差异为41天,开花物候种间差异为52天;群落水平植物开花和结实物候的种内变异小于种间;大部分物种开花物候的种内变异小于结实物候.本研究首次探讨了物候期种内变异系数和物种多度的关系,也是首次研究物候种内变异系数与物候期早晚的关系,发现群落物候种内变异与物种的多度不相关,群落开花物候种内变异与物候期的关系不显著,群落结实物候的种内变异和物候期具有显著负相关关系,即物候期早的结实物候种内变异大,物候期晚的结实物候种内变异小.将植物物候变异和群落结构特征(多度)联系起来探究植物物候变异规律,有利于理解物候的改变是怎样影响物种的相互作用和适合度,这对于在气候变化大背景下理解植物性状变异及物种分化和群落动态变化具有重要意义.     

基于OTCs模拟增温方式探讨气候变暖对青藏高原草地生态系统的影响

开顶式生长室(OTCs)增温实验是研究全球气候变化与陆地生态系统关系的主要方法之一,已广泛应用于青藏高原地区。该文通过对近些年国内外研究文献的回顾,分别从植物物候、群落结构、生物量和土壤方面综合分析青藏高原草地生态系统对OTCs模拟增温实验的响应。研究发现:增温使群落返青期提前、枯黄期延迟,生长季延长;有利于禾本科植物的生长;高寒草甸地下生物量分配格局向深层转移;高寒草地生态系统对模拟增温的响应存在不确定性,受到地域、群落类型和实验时间的影响;在增温条件下,降雨和冻土融化引起的土壤水分变化通过调控生态系统的物候、生产力、土壤等途径控制着生态系统对气候变暖的响应。并在此基础上,提出了将来应着重研究的几个方面。     

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。     

甘肃民勤荒漠区18种乔木物候与气温变化的关系

在全球气候变暖的大背景下, 荒漠地区的植物物候是怎样响应气候变暖的?为了弄清这个问题, 对甘肃民勤荒漠区沙生植物园内18种乔木34 a的物候观测资料进行了分析。分析结果表明: 自1974年以来, 甘肃民勤荒漠区气温抬升幅度高于全国和全球水平, 尤其在2、3月气温抬升最为明显, 春季物候期提前幅度明显大于国内外其它文献报道; 物候期发生当月的平均气温对该物候期的影响>物候期发生上月平均气温的影响>年平均气温的影响; 研究区春季气温升高较其它地区更为明显, 这就是当地春季物候期提前幅度相对较大的原因。荒漠植物物候变化既是植物对气候变化的综合反应过程, 又是植物适应气候变化的过程。     

青藏高原草地生态系统对气候变化的响应

青藏高原高寒草地生态系统对气候变化高度敏感,其如何响应和反馈气候变化一直以来受到极大关注.本文系统综述了近5年来有关青藏高原草地生态系统在物候、生产力、碳循环等方面对气候变化的响应过程以及应对气候变化的适应性管理的最新研究成果,发现气候变化对高寒草地生态系统的诸多影响还存在很大的不确定性.多数研究结果表明,增温使高寒草甸的植被物候提前和初级生产力水平提高,而高寒草原有相反的影响趋势,说明不同地域、不同群落类型对不同季节温度变化的响应模式不同.而气候变化对物种多样性和碳循环有关过程的影响结果尚没有一致的结论,时空尺度和方法上的差异可能是导致不同结果的主要原因.因此,建议在增强时空异质性的响应与反馈研究的同时,更需要加强生态过程和机理的研究.     

西安和宝鸡木本植物花期物候变化及温度敏感度对比

植物物候是指示生态系统对气候变化响应的重要证据。已有研究多基于代表性站点的物候观测数据研究物候特征及其对气候变化的响应规律。同一气候区内,不同站点的物候变化及对温度变化响应的敏感度是否一致仍需深入探讨。本文选择同属于暖温带湿润区汾渭平原气候区的西安和宝鸡为研究区,利用"中国物候观测网"在两个站点21个共有物种的开花始期和开花末期数据,比较了1987—2016年两站点各植物花期物候变化特征及其对温度变化响应的敏感度差异。结果表明,西安和宝鸡各物种的开花始期和开花末期均以提前趋势为主。大部分物种开花始期在西安的提前趋势(平均趋势-0.57 d/a)明显强于在宝鸡的提前趋势(平均趋势-0.29 d/a),但开花末期趋势差异不显著。除紫薇和迎春的敏感度差异较大外,其他物种开花始期和开花末期的温度敏感度在两站点间非常接近,无显著差异。由此可见,在同一气候区的不同站点,因增温幅度不同,植物的始花期变化存在较大差异,不能用单站点的物候变化反映整个气候区的物候变化。但同一植物在单站点的温度敏感度可以较好的反映同一气候区其他站点的植物物候-气候关系。本文研究结果可为利用有限站点的物候观测数据分析区域物候变化及对气候变化的响应提供科学依据。     

Experimental warming changed plants’ phenological sequences of two dominant species in an alpine meadow,western of Sichuan

以西南横断山区高山草甸优势植物种珠芽拳参(Polygonum viviparum)和银叶委陵菜(Potentilla leuconota)为研究对象, 将其物候分为花芽期、开花期、凋谢期和种子成熟期4个阶段, 每个阶段又分为开始、峰值和结束3个状态。采用开顶式增温箱进行模拟增温, 连续增温4年后, 于增温第5年的2016年生长季跟踪调查了模拟增温对珠芽拳参和银叶委陵菜的繁殖物候序列的影响, 以探讨高山植物群落对气候变化的响应过程。结果显示, 模拟增温后: 1)珠芽拳参各物候阶段的持续时间缩短; 除凋谢阶段起始、结束期延迟外, 其他状态均有不同程度的提前; 各阶段的过渡期有不同程度的缩短, 繁殖周期缩短; 2)银叶委陵菜各物候阶段的持续时间延长; 凋谢期结束前各状态(除开花峰值外)表现为不同程度的提前; 各阶段过渡期对增温的响应不一致, 繁殖周期延长。结果表明: 完整的繁殖物候序列能更准确地反映植物物候对气候变暖的响应; 植物对环境变化的响应和应对策略存在种间差异, 这种差异可能会进一步改变植物群落组成和结构。     

模拟增温改变川西高山草甸优势植物繁殖物候序列特征

以西南横断山区高山草甸优势植物种珠芽拳参(Polygonum viviparum)和银叶委陵菜(Potentilla leuconota)为研究对象, 将其物候分为花芽期、开花期、凋谢期和种子成熟期4个阶段, 每个阶段又分为开始、峰值和结束3个状态。采用开顶式增温箱进行模拟增温, 连续增温4年后, 于增温第5年的2016年生长季跟踪调查了模拟增温对珠芽拳参和银叶委陵菜的繁殖物候序列的影响, 以探讨高山植物群落对气候变化的响应过程。结果显示, 模拟增温后: 1)珠芽拳参各物候阶段的持续时间缩短; 除凋谢阶段起始、结束期延迟外, 其他状态均有不同程度的提前; 各阶段的过渡期有不同程度的缩短, 繁殖周期缩短; 2)银叶委陵菜各物候阶段的持续时间延长; 凋谢期结束前各状态(除开花峰值外)表现为不同程度的提前; 各阶段过渡期对增温的响应不一致, 繁殖周期延长。结果表明: 完整的繁殖物候序列能更准确地反映植物物候对气候变暖的响应; 植物对环境变化的响应和应对策略存在种间差异, 这种差异可能会进一步改变植物群落组成和结构。     

亚热带植物春季和秋季物候格局及其对气候变化的响应

全球变暖导致的物候变化已经对生物多样性和生态系统产生了重要影响,与温带和寒带相比,亚热带物候学的研究相对较少,秋季物候的研究也十分缺乏,不同功能群植物的物候对气候变化的响应是否存在差别,都有待进一步研究。为了研究亚热带植物春季和秋季物候对气候变化的响应以及不同功能群间的差异性,该研究利用湖南省长沙植物园25种木本植物20 a的物候观测数据,根据AIC信息标准,先筛选各物种最佳温度和降水模型,并利用Wilcoxon秩和检验分析不同功能群的物种对温度的响应是否一致。结果表明:(1)大多数物种的春季物候和秋季物候都对温度变化响应显著,展叶与开花的提前速率分别是3.76 d·℃^-1和6.53 d·℃^-1,叶变色与落叶的推迟速率分别是16.66 d·℃^-1和3.50 d·℃^-1。(2)部分物种的春季(展叶物候:60%,开花物候:35%)和秋季(叶变色物候:25%,落叶物候:13%)对降水显著响应。(3)除不同落叶性物种(常绿和落叶之间)的展叶物候表现出对气候的响应有显著差异外,其他不同功能群的物种对气候的响应均无显著差异。该研究认为,亚热带地区植物春季物候显著提前,秋季物候显著推迟,且亚热带地区不同功能群的物种对温度的响应大部分无显著差异,表明气候变化对亚热带地区不同功能群的影响程度大部分趋同。     

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.     

植物物候变化的全气候生产要素影响机制与模型研究

物候是气候变化的重要指示指标,不仅是植被动态模型的重要参数,也是陆地碳循环模型和大气环流模式的重要参数.本文从物候变化机制和物候模拟模型两方面综述了植物物候研究最新进展,剖析了物候研究趋势,指出当前物候研究大都仅考虑单一气候因子或少数几个气候因子的影响,涉及多气候因子相互作用影响的研究仍很少,还没有开展植物全气候生产要素相互作用影响物候的研究;受物候变化机制认识与研究物种的限制,现有物候模型仍不能反映植被生长的真实性,也不能有效模拟物候变化.本文指出,全面认识物候变化的机制迫切需要考虑影响植物物候的全气候生产要素及其相互作用,为物候模型发展提供依据.本文基于植物光合作用是最主要的物候影响因子的研究结论,提出采用气候生产潜力作为植物物候变化驱动因子,不仅体现气候环境因子对植物生产的综合作用及其在植物生长全过程中的一致性,还体现了生物因子、环境因子及其相互作用以及极端天气气候事件的影响,从而实现物候的准确模拟.本文提出的未来物候研究方向,有助于丰富物候认知、提升陆地碳循环和大气环流模式模拟的准确性.