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。     

近40年沈阳城市森林春季物候与全球气候变暖的关系

1960-2005年期间,沈阳气候受全球气候变暖的影响,年平均气温总体呈上升趋势,气温升幅为0.96℃,但以1982年为界,1960-1982年为偏冷阶段,气温降幅最大值为1.95 ℃:1983-2005年为偏暖阶段,气温升幅最大值为1.60 ℃.一年四季气温处于上升阶段,以冬、春季气温升幅最大,分别为2.3 ℃和1.35℃.城市森林主要树种的春季物候期,在气候偏冷阶段,春季物候期出现较晚,而在偏暖阶段,春季物候期提前发生.同时,物候春季开始日期与结束日期有密切的同步相关性,并与物候季节节奏的长短呈负相关.树木萌动期早晚与冬季和早春气温高低呈显著的负相关,冬春季气温越高,芽萌动越提前.展叶早晚主要受展叶前的春季气温高低的影响,与冬季气温相关性不显著.始花前2-8旬,特别是2-14旬气温对始花期影响最显著.寒冷指数(CI)与树木芽萌动期、展叶始期呈显著正相关,而与开花始期相关性不显著.预测了CO2倍增和气温升高条件下,沈阳城市森林主要树种的萌动期、展叶始期和开花始期分别提前40.41、43.08和24.13 d.     

近40年沈阳城市森林春季物候与全球气候变暖的关系术

1960-2005年期间,沈阳气候受全球气候变暖的影响,年平均气温总体呈上升趋势,气温升幅为0．96℃,但以1982年为界,1960-1982年为偏冷阶段,气温降幅最大值为1．95℃;1983-2005年为偏暖阶段,气温升幅最大值为1．60℃。一年四季气温处于上升阶段,以冬、春季气温升幅最大,分别为2．3℃和1．35℃。城市森林主要树种的春季物候期,在气候偏冷阶段,春季物候期出现较晚,而在偏暖阶段,春季物候期提前发生。同时,物候春季开始日期与结束日期有密切的同步相关性,并与物候季节节奏的长短呈负相关。树木萌动期早晚与冬季和早春气温高低呈显著的负相关,冬春季气温越高,芽萌动越提前。展叶早晚主要受展叶前的春季气温高低的影响,与冬季气温相关性不显著。始花前2—8旬,特别是2—4旬气温对始花期影响最显著。寒冷指数（CI）与树木芽萌动期、展叶始期呈显著正相关,而与开花始期相关性不显著。预测了CO2倍增和气温升高条件下,沈阳城市森林主要树种的萌动期、展叶始期和开花始期分别提前40．41、43．08和24．13d。     

气候变化背景下1964-2015年秦岭植物物候变化

以1964-2015年物候观测数据为基础,选取17种含乔木、灌木及藤本树种为研究对象,分析探讨了气候变化背景下秦岭地区植物物候变化规律及其差异性。结果表明:(1)52年来,秦岭地区物候始期普遍呈提前趋势,提前速率1.2d/10a,物候末期普遍呈推迟趋势,推迟速率3.5d/10a,物候生长期普遍延长;(2)秦岭地区物候突变发生于20世纪80年代,始期于1985年,末期于1984年。突变后,物候特征发生了显著变化,始期的提前速率较突变前显著加快,末期由突变前的提前趋势转变为极显著的推迟趋势,且变化速率和显著性均高于始期;始期与末期变化均表现出"趋同效应";物候年代际变化趋势显示,始期自2001-2005年起提前速率减缓,植物对气候变化的响应表现出适应性及滞后性。(3)秦岭物候变化存在树种差异,3大类树种始期的提前速率呈藤本、乔木、灌木依次增大,而末期的推迟速率则呈藤本、灌木、乔木依次减小。(4)秦岭物候变化存在南北差异,北坡始期的提前速率均高于南坡,而南坡末期的推迟速率均高于北坡。     

植物功能性状对全球气候变化的指示作用研究进展

以大气CO2浓度升高、大气温度升高、干旱胁迫加剧及紫外辐射增强为特征的全球变化对陆地生态系统产生巨大影响,植物作为陆地生态系统的重要组成部分,其功能性状对全球变化的指示作用为探寻全球变化规律、减缓气候变化提供了科学依据。该文主要综述了植物生理功能性状改变(形态变化、气孔调节、光合结构及光合途径改变和植物光合、呼吸速率及水分生理变化等)和物候功能性状改变对全球变化的指示作用,以及植物群落物种丰富度或数量增加等群落特征变化对全球气候变暖的指示作用。最后指出,完善植物功能性状指标和建立从植物个体、群落到生态系统功能的网络指示系统是今后植物功能性状指示研究的发展方向。     

植物物候对气候变化的响应

植物物候的变化可以直观地反映某些气候变化,尤其是气候变暖.植物生长节律的变化引起植物与环境关系的改变.生态系统的物质循环（如水和碳的循环）等过程将随物候而改变.不同种类植物物候对气候变化的响应的差异,会使植物间和动植物间的竞争与依赖关系也发生深刻的变化.目前欧洲、美洲、亚洲等许多地区均有关于春季植物物候提前,秋季物候推迟,使植物的生长季延长,从而提示气候变暖的趋势.植物物候的模拟模型构成生态系统生产力模型的重要部分.     

郑州主要植物春季物候变化及其对气温变化的响应

根据1983—2004年期间郑州市的物候和气温资料,分析了郑州市4种木本植物和2种草本植物的春季物候变化趋势及其对气温变化的响应。结果表明,自1983年以来,郑州春季主要植物物候呈偏早趋势,其物候变化具有同步性和顺序性的基本特征。郑州主要植物始花期与早春（3—4月）平均气温的相关性达到极显著,而毛白杨和垂柳2种植物始花期与冬季平均气温的关系也达到极显著; 代表性植物的始花期随3—4月平均气温的升高而提前,气温每升高1 ℃,刺槐、垂柳、蒲公英和车前始花期分别提前4.17、3.69、8.16和13.0 d。此外,始花前4旬是始花期对气温变化反应最敏感的时间段。     

植物物候对城市热岛响应的研究进展

城市热岛引起的局地小气候改变对生态系统格局、过程及功能的影响加剧。植物物候是检测这种影响的敏感且易观测的生物指示器,其对城市热岛的响应研究成为城市生态学及全球变化科学关注的热点。本文系统综述近年来相关研究成果,指出物候地面观测、模型模拟及遥感监测是获取城市植物物候的主要途径,联合公众并充分结合照片、多分辨率影像等可丰富物候资料获取;由于城市热岛的影响,城市春季物候早于周围乡村地区,但对于驱动机制仍没有定论;随着城市增温,城市春季物候提前,秋季物候延后,但如何定量区分致使城市增温的热岛效应与气候增暖的影响成为难点;同时,植物功能型、外来种等生物因素及地理区位因素对植物物候响应产生影响。为此,提出未来应抽丝剥茧去除干扰因素,加强植物物候响应机理的研究。     

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。     

用于全球变化研究的中国植物功能型划分

 植物功能型(Plant functional types, PFTs)作为沟通植物的结构和功能与生态系统属性的桥梁,随着全球变化与植被的关系研究的深入而受到广泛重视。植物功能型的划分依赖于研究的背景、尺度和要解决的问题。为了区域尺度全球变化研究的需要,该文提出了一个基于植物关键特征的植物功能型划分方法。该方法首先选择了6项植物特征,包括3项冠层特征：木本-草本、常绿-落叶和针叶-阔叶,以及3项生理特征：光合途径(C3 / C4)、植物的水分需求和热量需求,作为划分植物功能型的关键特征;然后,先根据植物冠层特征划分得到5个基本类型,再根据水分和热量条件进行详细划分,得到29种备选类型;需要时,再根据研究目的从这29种备选类型中选择所需类型。根据这个方法,在充分考虑了我国季风气候条件下特有的水热配置和高海拔环境对植物的形态和功能特征影响的基础上,从备选类型中选择了一套适合中国气候和植被特征的植物功能型体系。这套体系包括18类植物功能型,其中含7类‘树’功能型、6类‘灌木’功能型和5类‘草’功能型,另根据需要设置2类‘裸地’功能型。并且根据植物的生理生态特征和中国植被的地理分布确定了用于限制植物功能型分布的气候因子,这些气候因子包括绝对最低温度、最暖月平均温度、有效积温、年最热月平均温和最冷月平均温之差、湿润指数、年均降水量。应用表明,这套植物功能型可用于模拟我国植被在当前气候条件下的分布。该研究为发展适于我国的植被模型和区域气候模型、评估全球变化对我国植被的影响及植被变化对气候的反馈作用提供依据与参数。     

Forecasting phenology under global warming

As a consequence of warming temperatures around the world, spring and autumn phenologies have been shifting, with corresponding changes in the length of the growing season. Our understanding of the spatial and interspecific variation of these changes, however, is limited. Not all species are responding similarly, and there is significant spatial variation in responses even within species. This spatial and interspecific variation complicates efforts to predict phenological responses to ongoing climate change, but must be incorporated in order to build reliable forecasts. Here, we use a long-term dataset (1953–2005) of plant phenological events in spring (flowering and leaf out) and autumn (leaf colouring and leaf fall) throughout Japan and South Korea to build forecasts that account for these sources of variability. Specifically, we used hierarchical models to incorporate the spatial variability in phenological responses to temperature to then forecast species'' overall and site-specific responses to global warming. We found that for most species, spring phenology is advancing and autumn phenology is getting later, with the timing of events changing more quickly in autumn compared with the spring. Temporal trends and phenological responses to temperature in East Asia contrasted with results from comparable studies in Europe, where spring events are changing more rapidly than are autumn events. Our results emphasize the need to study multiple species at many sites to understand and forecast regional changes in phenology.     

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。     

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。     

Plant phenology and global climate change: Current progresses and challenges

Plant phenology, the annually recurring sequence of plant developmental stages, is important for plant functioning and ecosystem services and their biophysical and biogeochemical feedbacks to the climate system. Plant phenology depends on temperature, and the current rapid climate change has revived interest in understanding and modeling the responses of plant phenology to the warming trend and the consequences thereof for ecosystems. Here, we review recent progresses in plant phenology and its interactions with climate change. Focusing on the start (leaf unfolding) and end (leaf coloring) of plant growing seasons, we show that the recent rapid expansion in ground‐ and remote sensing‐ based phenology data acquisition has been highly beneficial and has supported major advances in plant phenology research. Studies using multiple data sources and methods generally agree on the trends of advanced leaf unfolding and delayed leaf coloring due to climate change, yet these trends appear to have decelerated or even reversed in recent years. Our understanding of the mechanisms underlying the plant phenology responses to climate warming is still limited. The interactions between multiple drivers complicate the modeling and prediction of plant phenology changes. Furthermore, changes in plant phenology have important implications for ecosystem carbon cycles and ecosystem feedbacks to climate, yet the quantification of such impacts remains challenging. We suggest that future studies should primarily focus on using new observation tools to improve the understanding of tropical plant phenology, on improving process‐based phenology modeling, and on the scaling of phenology from species to landscape‐level.     

Warming, plant phenology and the spatial dimension of trophic mismatch for large herbivores

Temporal advancement of resource availability by warming in seasonal environments can reduce reproductive success of vertebrates if their own reproductive phenology does not also advance with warming. Indirect evidence from large-scale analyses suggests, however, that migratory vertebrates might compensate for this by tracking phenological variation across landscapes. Results from our two-year warming experiment combined with seven years of observations of plant phenology and offspring production by caribou (Rangifer tarandus) in Greenland, however, contradict evidence from large-scale analyses. At spatial scales relevant to the foraging horizon of individual herbivores, spatial variability in plant phenology was reduced--not increased--by both experimental and observed warming. Concurrently, offspring production by female caribou declined with reductions in spatial variability in plant phenology. By highlighting the spatial dimension of trophic mismatch, these results reveal heretofore unexpected adverse consequences of climatic warming for herbivore population ecology.     

Current issues in tropical phenology: a synthesis

We retrace the development of tropical phenology research, compare temperate phenology study to that in the tropics and highlight the advances currently being made in this flourishing discipline. The synthesis draws attention to how fundamentally different tropical phenology data can be to temperate data. Tropical plants lack a phase of winter dormancy and may grow and reproduce continually. Seasonal patterns in environmental parameters, such as rainfall, irradiance or temperature, do not necessarily coincide temporally, as they do in temperate climes. We review recent research on the drivers of phenophase cycles in individual trees, species and communities and highlight how significant innovations in biometric tools and approaches are being driven by the need to deal with circular data, the complexity of defining tropical seasons and the myriad growth and reproductive strategies used by tropical plants. We discuss how important the use of leaf phenology (or remotely‐sensed proxies of leaf phenophases) has become in tracking biome responses to climate change at the continental level and how important the phenophase of forests can be in determining local weather conditions. We also highlight how powerful analyses of plant responses are hampered at many tropical sites by a lack of contextual data on local environmental conditions. We conclude by arguing that there is a clear global benefit in increasing long term tropical phenology data collection and improving empirical collection of local climate measures, contemporary to the phenology data. Directing more resources to research in this sector will be widely beneficial.     

气候变化对内蒙古鄂温克旗典型草原植物物候的影响

植物物候作为气候变化敏感的指示指标,已成为全球气候变化研究的焦点。利用内蒙古典型草原区鄂温克牧业气象试验站1959—2017年的气候资料和1983—2017年的植物物候观测资料,采用趋势倾向率和逐步回归等方法,分析了鄂温克旗气候变化特征,代表性牧草大针茅和羊草返青期、开花期、黄枯期及生长季的变化趋势,并通过偏相关分析探讨了气温、降水和日照时数与牧草生育期的关系,建立了主要牧草物候期的气候模型。结果表明:(1)鄂温克旗近60年平均气温呈极显著波动增加趋势,年降水量和年日照时数的变化很小;(2)30多年来,鄂温克旗大针茅和羊草返青期总体呈推迟趋势,倾向率分别为2.2 d/10a和1.4 d/10a;开花期的变化趋势不明显;黄枯期分别以2.8 d/10a和1.5 d/10a的趋势提前;生长季长度呈明显缩短趋势;(3)3月和4月气温是影响研究区牧草返青最主要的气候因子,气温升高返青期提前;前2个月降水量对大针茅开花期的影响较大;气温升高使得黄枯期提前,而降水量增加则使得黄枯期推迟。     

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。