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。     

西安木本植物物候与气候要素的关系

根据1963–2007年中国物候观测网西安观测站的物候和气温、降水资料,分析了西安站34种木本植物春季展叶始期、展叶盛期、始花期和盛花期等4个关键物候期的变化趋势、对气候变化的阶段响应特点及其与气温、降水变化的关系。结果表明,1963年以来,西安地区气温呈显著上升趋势,特别是1994年前后,气温发生明显突变,上升趋势更加明显;西安春季物候变化主要呈现提前趋势。在45年中,观测到的34种植物的展叶始期平均提前1天,展叶盛期平均提前1.4天,始花期平均提前9天,盛花期平均提前12天;以突变点为界,34个物种1995–2007年的4种物候期比1963–1994年平均提前了4.34±0.77天;春季物候期的早晚主要受春季气温的影响,特别是春季物候期发生当月和上一月的平均气温对物候期的影响最为显著。叶物候和物候发生期前一月的降水量有较为明显的相关关系,花物候期和降水的关系不明显。     

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。     

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。     

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。     

河北省草本植物物候特征及其对气候变暖的响应

以1981—2006年河北省8个国家农业气象观测站的草本植物物候观测资料和47个气象站的地面观测资料为基础,运用EOF和REOF等统计学方法,研究了河北省草本植物物候期的变化特征及其对气候变暖的响应。结果表明:河北省草本植物展叶始期总体呈提前趋势,其中东部沿海平原提前趋势最大,中南部平原次之,西北部山区最小;黄枯始期主要表现出推迟趋势,生长季长度以延长趋势为主;春季气温对展叶始期的影响显著,河北省春季气温上升1℃,草本植物展叶始期提前4.1d;各站点生长季倾向率与年均温倾向率呈正相关,即年均温升幅大的站点,生长季延长的幅度也较大;草本植物物候变化特征及其对气候变暖的响应与木本植物基本一致,研究结果对丰富河北省物候与气候变化关系研究具有一定意义。     

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。     

西安4种落叶乔木物候期对气候变化的响应

以西安1979—2018年的气候资料和植物物候观测资料为基础,采用分段回归和趋势倾向率等方法,分析了毛白杨(Populus tomentosa)、杜梨(Pyrus betulifolia)、七叶树(Aesculus chinensis)和灯台树(Bothrocaryum controversum)4种落叶乔木展叶盛期和叶全变色期的生长趋势,使用偏相关分析探讨了气温、降水和日照时数与物候期的关系并通过偏最小二乘回归(Partial Least Squares, PLS)判断气候变量对物候期的综合影响。结果表明：(1)1979—2018年,4种乔木的生长季长度延长,整体表现为春季物候期提前,秋季物候期推迟;(2)展叶盛期物候指标与叶全变色期物候指标,转折均发生在1982年;转折后,物候特征变化显著,春季物候的提前速率和秋季物候的推迟速率加快,展叶盛期平均提前3.8d/10a,叶全变色期平均推迟4.7d/10a;(3)展叶盛期与春季气温表现为极显著负相关,叶变色期与秋季气温表现为显著正相关;降水对植物物候的影响不显著;春季物候与日照时数呈现极显著负相关关系,秋季物候期与日照时数呈不显著正相关...     

秦岭太白红杉林遥感物候提取及对气候变化的响应

高山林线树种对气候变化响应敏感,是研究气候变化和物候变化的理想树种。本文基于双Logistic曲线拟合法重建了2000—2015年MODIS EVI2时间序列影像并提取太白红杉林关键物候参数,结合太白山地区气象站的气候资料,研究太白红杉林遥感物候及其对气候因子的响应。结果表明:2000—2015年太白红杉林生长期开始时间在第120天左右,生长期结束时间在第288天左右,平均生长期长度为168 d; 16 a来太白红杉林生长期始期整体呈提前趋势,变化率为-0.65 d·10 a~(-1);生长期末期整体呈推迟趋势,变化率为0.35 d·10 a~(-1);整个生长期呈延长趋势,平均延长幅度为0.99 d·10 a~(-1);太白红杉林物候始期与同期气温、降水呈负相关的区域分别占研究区的73.11%和61.25%,而与潜在蒸散呈正相关的区域占65.17%;物候末期与同期气温、降水、潜在蒸散、日照和风速均呈正相关,面积比分别为74.91%、72.87%、78.14%、68.60%和64.74%,其中气温是太白红杉林物候始期提前的主要影响因素,气温、降水、潜在蒸散是物候末期推迟的主要影响因素。     

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.     

The effects of climate change on the phenology of selected Estonian plant, bird and fish populations

This paper summarises the trends of 943 phenological time-series of plants, fishes and birds gathered from 1948 to 1999 in Estonia. More than 80% of the studied phenological phases have advanced during springtime, whereas changes are smaller during summer and autumn. Significant values of plant and bird phases have advanced 5–20 days, and fish phases have advanced 10–30 days in the spring period. Estonia’s average air temperature has become significantly warmer in spring, while at the same time a slight decrease in air temperature has been detected in autumn. The growing season has become significantly longer in the maritime climate area of Western Estonia. The investigated phenological and climate trends are related primarily to changes in the North Atlantic Oscillation Index (NAOI) during the winter months. Although the impact of the winter NAOI on the phases decreases towards summer, the trends of the investigated phases remain high. The trends of phenophases at the end of spring and the beginning of summer may be caused by the temperature inertia of the changing winter, changes in the radiation balance or the direct consequences of human impacts such as land use, heat islands or air pollution.     

暖温带乔木和灌木物候变化及对气候变化的响应

根据2003-2014年气象数据和暖温带3种乔木(辽东栎、五角枫和核桃楸)和3种灌木(土庄绣线菊、毛叶丁香和六道木)的物候观测数据资料, 采用气候倾向率和回归分析等方法, 观察乔木和灌木物候变化特征的差异, 分析温度、降水以及乔木、灌木的物候变化趋势, 同时对气象因子与乔木和灌木物候期的相关关系进行研究。结果表明: ①研究期间, 北京东灵山平均气温呈不显著的上升趋势, 气候倾向率为0.200℃·10a–1, 春季(3–5月)和夏季(6-8月)温度显著上升; 降水量呈下降趋势, 平均减少71.630 mm·10a–1, 总体呈暖、干的趋势。②3种乔木的生长季长度都缩短, 辽东栎、五角枫和核桃楸平均生长季长度分别缩短50.70 d·10 a–1、29.83 d·10a–1和22.36 d·10a–1。3种灌木的生长季长度也都缩短, 土庄绣线菊、毛叶丁香和六道木的平均生长季长度分别缩短42.55 d·10a–1、42.76 d·10a–1和38.15 d·10a–1。乔木和灌木的物候变化趋势相同, 整体表现为春季物候推迟, 秋季物候提前, 生长季长度都缩短且生长季长度相差不大。乔木和灌木都表现出芽期推迟最明显, 每10年推迟达19天以上。③乔木和灌木各物候期与气温总体表现为负相关, 即气温升高, 物候期提前, 其相关性显示出夏季(6-8月)温度对植被物候期影响较大, 夏季温度与各物候期表现为正相关, 即夏季温度升高, 物候期推迟。同时乔木和灌木与总体降水没有明显的相关关系, 但秋季物候与不同时段降水表现不同的相关性, 由此可知夏季温度变化对木本植物春季物候(出芽期、展叶期和首花期)的影响更大, 而秋季物候(叶变色期和落叶期)受温度和降水共同影响。     

The phenological calendar of Estonia and its correlation with mean air temperature

A phenological calendar with 24 phenological phases was compiled for three meteorological stations in Estonia for the period 1948–1996. We analysed the length of the vegetation period, the order of the phenological phases, and the variability and possible changes for two incremental climate change scenarios (±2°C), and compared the results with examples of extreme years. The statistically significant linear trends show that the spring and summer-time phenological phases occurred earlier and the autumn phases moved later during the study period. The study of extreme (minimum and maximum) years shows that 70% of the earliest dates of the 24 phases studied have occurred during the last 15 years with an absolute maximum in 1990 with 8 extreme phases. The phenological spring has shortened (slope –0.23), the summer period has lengthened (slope 0.04), and the autumn has lengthened too. The length of the growing season, determined by the vegetation of rye, has shortened (slope –0.09), which could be the result of changing agricultural technology. The correlation between the starting dates of the phenological phases with the air temperature of the previous 2–3 months is relatively high (0.6–0.8). Studying the +2°C and –2°C scenarios and values for the extreme years shows that, in the case of short variations of air temperature, the phenological development remains within the limits of natural variation. Received: 29 November 1999 / Revised: 15 May 2000 / Accepted: 16 May 2000     

Possible impacts of climate change on natural vegetation in Saxony (Germany)

Recent climate changes have had distinct impacts on plant development in many parts of the world. Higher air temperatures, mainly since the end of the 1980s, have led to advanced timing of phenological phases and consequently to an extension of the general growing season. For this reason it is interesting to know how plants will respond to future climate change. In this study simple phenological models have been developed to estimate the impact of climate change on the natural vegetation in Saxony. The estimations are based on a regional climate scenario for the state of Saxony. The results indicate that changes in the timing of phenophases could continue in the future. Due to distinct temperature changes in winter and in summer, mainly the spring and summer phases will be advanced. Spring phenophases, such as leafing or flowering, show the strongest trends. Depending on the species, the average timing of these phenophases could be advanced by 3–27 days by 2050. Phenophases in autumn show relatively small changes. Thus, the annual growth period of individual trees will be further extended, mainly because of the shift of spring phases. Frequent droughts in summer and in autumn can compensate for the earlier leafing of trees, because in this case leaf colouring and leaf fall would start some weeks earlier. In such cases, the growing period would not be really extended, but shifted to the beginning of the year.     

气候变化对内蒙古草原典型植物物候的影响

自然物候期是气候变化最直观的植物信号记录,自然物候变化是气候与自然环境变化的综合指标。基于1983—2009年内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原区典型植物马兰草、霸王、贝加尔针茅和羊草生长期物候观测资料和同时段的气象观测资料,利用数理统计等方法,分析了不同草原区典型植物物候期与气候要素间的相互关系,结果表明:(1)1983—2009年内蒙古草原区植物物候期总体呈提前趋势,但地域差异明显,典型草原区植物萌芽返青、开花及黄枯期等物候提早趋势最为明显,说明不同草原区植物物候对气候变暖的区域响应不同。(2)内蒙古草原区植物物候期与气候变化密切相关。春季3—5月累积气温与植物萌芽返青期和开花期呈显著负相关,与日照时数为正相关,降水量对其影响不同草原区差异较大。荒漠草原和典型草原区植物黄枯期早晚与黄枯前1—2个月平均气温呈显著负相关,草甸草原区植物黄枯期与前1—2个月的降水量和日照时数有关,与气温关系不显著。(3)随着气候变暖,马兰草生长期缩短,霸王、贝加尔针茅和羊草生长期延长,其中典型草原区主要植物针茅生长季延长趋势最为明显,荒漠草原次之,草甸草原延长最少。     

民勤荒漠区典型草本植物马蔺的物候特征及其对气候变化的响应

植物物候反映了过去一段时间气候条件的累积对植物生长和发育的综合影响.通过收集1974-2007年民勤荒漠区典型草本植物马蔺的物候观测数据以及民勤治沙综合试验站同步观测的气象资料,分析了马蔺的物候特征及其对不同时间尺度气候变化的响应过程,结果表明:(1)马蔺的平均生长季长度约为201.7 d,并呈现出逐年增加的趋势,大致表现为每10a延长0.8d,但随着年份的变化并不显著(P＞0.1).(2)除开花期的开始时间出现明显的延后外(P＜0.1),马蔺其它物候期的开始和结束时间均表现为轻微的延后趋势,且随着年份的变化不显著(P＞0.1).马蔺各个物候期的持续时间不同年份差异较大,其中萌动期、开花期和果熟期的持续时间随着年份出现减少的趋势,而展叶期和黄枯期的持续时间随着年份则出现增加的趋势,但其变化均不显著(P＞0.1).(3)马蔺整个生长季的延长可能受气温和降水的综合作用,其物候期的开始时间对物候期开始之前3周到3个月之间的积温有着显著的响应(P＜0.01),而对于长时间尺度的积温则响应不显著(P＞0.1);其部分物候期的开始时间对于中短时间尺度的累积降雨有着较显著的响应(P＜0.1),但是对于长时间尺度的累积降雨则所有物候期都响应较弱(P＞0.1).(4)马蔺的物候期特征除了受区域气候变化影响之外,可能还与其自身的水分利用机制有关,未来的气候变化可能会进一步影响到该地区典型荒漠草本植物的物候特征.