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。     

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。     

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.     

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。     

2000-2017年秦岭山地植被物候变化特征及其南北差异

气候变化背景下开展山地过渡带植被物候变化规律及区域差异研究对于揭示过渡带对气候变化的响应方式具有重要意义。基于2000-2017年MODIS EVI₂数据,反演了秦岭山地植被物候参数并建立了遥感物候数据集,分析了近18年来秦岭山地植被物候变化的时空特征及其南北差异。结果表明：①秦岭山地植被物候变化表现出明显的地形和气候地域分异规律,尤以高海拔区的变化最为显著,全区GSS （物候始期）主要发生于70-130DOY （Day of Year）,83.29%的区域呈提前趋势,提前主要集中在0-5d/10a （44.46%）与5-10d/10a （28.60%）;GSE （物候末期）主要发生于270-310DOY,50.17%的区域呈推迟趋势,变化趋势不明显;GSL （生长期）集中在150-210d,65.34%的区域呈延长趋势,延长在0-5d/10a （19.28%）、5-10d/10a （20.71%）及10-15d/10a （14.12%）均有分布。②秦岭山地GSS对气候变化的响应程度显著大于GSE,南北坡植被物候变化不仅存在区域差异且存在季节差异,GSS北坡较南坡平均约早6.2d且南坡提前趋势较北坡显著,GSE南坡较北坡平均约晚5.8d且北坡推迟趋势较南坡显著,GSL北坡较南坡约长18.7-23.2d。③GSS、GSS及GSS变化表现出显著的海拔敏感性,随着海拔上升,GSS逐渐推迟,GSE逐渐提前,GSL逐渐缩短,三者在海拔≤600m及≥2700m地区随海拔变化的波动幅度较大,南北坡三者随海拔的变化亦存在明显的差异,海拔每上升100m,北坡GSS推迟1.76d,GSE提前0.25d,GSL缩短2.01d;南坡GSS推迟1.50d,GSE提前0.44d,GSL缩短1.94d。④不同植被垂直带上GSS、GSE及GSL的变化存在明显差异,尤以≤600m植被带上及高山灌丛草甸带上的差异最为明显,且三者在高山灌丛草甸带的发生时间及时长北坡与南坡发生转换,表现为GSS、GSE、GSL北坡较南坡分别平均早3.5d、晚2.9d、长6.4d。     

气候变化背景下秦岭地区陆地生态系统水分利用率变化趋势

为探究未来气候变化背景下秦岭地区陆地生态系统水分利用率(WUE)的变化规律及其对气候变化的响应,结合IPCC第五次报告资料中心的CCSM4、GISS-E-R、GISS-E-H、IPSL-CM5R-LR-CM、Nor ESM1-1-ME等5个模型相关模拟结果,预测和分析秦岭地区2006—2100年在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5 4种未来典型气候变化情景下其水分利用率的变化趋势及其与降雨、气温、CO_2浓度等关键气候变化因子之间的关系。研究结果表明:4种未来情景下预测的秦岭地区生态系统WUE几乎全为正距平,各情景下WUE倾向率为0.0136—0.13 g C kg-1H_2O 10a-1,均达到极显著水平,且随辐射强迫增加,WUE距平值与倾向率也相应增加。各情景下GPP的增长趋势强于ET,使得两者的比值(即WUE)呈现增长趋势,并随辐射强迫的增加,两者的差异愈发显著,即WUE增长随辐射强迫的增强而更显著。同时,各模型预测的年均气温倾向率为0.21—0.498℃/10a,降雨量倾向率为7.78—17.66 mm/10a。由于气温、降雨量、CO2等关键气候变化因子调控GPP正增长速率大于ET,以及生态系统LAI值和自身的植被演替过程直接影响生态系统WUE,最终使得生态系统WUE呈正增长趋势。其中GPP的显著增加是未来秦岭地区生态系统WUE增长的直接因素,而气温的显著增加与大气CO_2浓度的升高则是WUE变化的主要环境因素,降雨量的影响相对较弱。     

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。     

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。     

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。     

北京植物物候的季节动态特征——以北京植物园为例

季节性是北京植物景观的典型特征, 而个体物候是植物景观季节动态的基础。该研究基于北京植物园内120种落叶树种的周年物候数据, 对北京植物景观的物候季节动态进行分析。物候观测以中国物候观测法为标准, 采用a、b、c三级物候代码进行物候记录; 数据分析以二十四节气中的候(5日)为基本时间变量, 基于频率分布型法探究北京物候季节划分及其物候构成动态, 基于SPSS 20.0频数分布统计等探究各类物候现象发生期及持续期的时间分布特征等。物候季节划分及物候构成特征结果为: 6-19候为春, 物候期发生频数占全年总量的54.03%, 以发芽、展叶、开花为主要物候特征, 后期有少数树种结果; 20-45候为夏, 物候量占全年的12.95%, 此期全部观测树种完成展叶, 春花树种进入结果期, 并有较少夏花开放及秋色叶出现; 46-59候为秋, 物候量占全年的27.19%, 以秋色叶及落叶物候为主并伴有较少结果和开花物候发生; 60候至次年春季起始前为冬, 其中60-72候物候量仅占全年的0.6%, 全为落叶物候。各类物候期的时间分布特征如下: 展叶物候期分布于3-23候, 华北珍珠梅(Sorbaria kirilowii)、旱柳(Salix matsudana)等展叶最早, 展叶期平均持续3.27候。秋色物候期分布于40-63候, 49-56候为最佳观赏期, 蒙椴(Tilia mongolica)、山杏(Armeniaca sibirica)等最早显秋色; 秋色期平均持续8.2候, 卫矛(Euonymus alatus)、接骨木(Sambucus williamsii)等秋色期较长。叶幕期平均持续44.2候, 糯米条(Abelia chinensis)、旱柳、棣棠(Kerria japonica)等叶幕期最长。花物候期分布于1-53候, 始花期为1-41候, 盛花期平均发生于始花后1.81候, 8-23候为集中观赏期, 蜡梅(Chimonanthus praecox)、迎春(Jasminum nudiflorum)、榆(Ulmus pumila)、毛白杨(Populus tomentosa)等开花最早, 木香薷(Elsholtzia stauntoni)开花最晚; 花期平均持续 6.7候, 华北珍珠梅、木槿(Hibiscus syriacus)、紫薇(Lagerstroemia indica)等夏秋开花树种花期最长。果物候期分布于8-59候, 榆、郁香忍冬(Lonicera fragrantissima)等果实成熟最早; 持果期平均持续29.0候, 果实宿存树种及黑果荚蒾(Viburnum melanocarpum)、‘金叶’风箱果(Physocarpus opulifolius ‘Luteus’)等具有较长的果实观赏期。与20世纪80年代同类研究结果对比分析, 北京2017年的物候季节与30年前相比, 入春提早1候, 夏季延长4候, 入秋延后3候, 秋季缩短2候, 且不同季节持续期长短的差距加大。     

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。     

秦岭山地针叶树种树木生长对气候变化的响应

秦岭作为我国重要的地理分界线,其亚高山针叶林生态系统在区域乃至更大尺度范围的水源涵养、生物多样性维护、气候调节等方面具有重要价值。近几十年,秦岭地区大幅升温且存在空间异质性。研究秦岭针叶林带树木生长对气候变化的响应规律对于气候变化下山地森林保护与管理具有重要价值。本文综述了秦岭西部、中部和东部不同海拔针叶树种树木生长与气候的响应关系,从树木径向生长、NDVI、物候和物种分布范围等方面探讨了气候变化对针叶树种的影响,并对树木生长响应气候变化研究中可能存在的问题和研究前景进行了展望。     

迁地保育植物花期物候对迁入地气候变化的响应

以中国科学院武汉植物园内栽培的长果秤锤树(Sinojackia dolichocarpa C. J. Qi)、山白树(Sinowilsonia henryi Hemsl.)、夏腊梅(Sinocalycanthus chinensis Cheng et S. Y. Chang)、紫茎(Stewartia sinensis Rehd. et Wils.)和绒毛皂荚(Gleditsia vestita Chun et How ex B. G. Li) 5种迁地保育植物为对象,通过2008-2016年观察记录的初花期物候及整个花期长度的数据,研究花期的年际变化规律及其与迁入地武汉气候因子的相关性。结果显示:(1)从初花期来看,长果秤锤树的初花期每年提前1.25 d,紫茎的初花期每年推迟1.35 d,绒毛皂荚的初花期每年推迟1.22 d。(2)从花期长度来看,山白树的花期每年增加1.72 d,夏蜡梅的花期每年减少1.62 d,紫茎的花期每年增加0.32 d。(3)从花期与气候因子的相关性来看,年降水量、年平均相对湿度、 10℃有效积温、花前 10℃的有效积温是影响这5种植物初花期、花期长度的主要气候因子;不同物种间影响花期的主要气候因子有所差异。     

不同来源地同种植物种群间物候期比较研究

通过比较西双版纳植物园内雨树和甜菜豆不同大洲来源种群间的物候期,本研究探讨了两种植物种群间的物候分化现象及其与气候因子的关系。结果发现:(1)两种植物不同来源地种群间物候期相似,但是同步性不高,呈现明显的分化现象,且不同种群间萌叶起始期先后顺序差异显著;(2)不同种群间物候期同步系数与气候因子相关,尤其干季气候因子。因此可以认为:不同的生境气候因子是导致两种植物不同种群间出现物候变异的重要因子,并且这种关系可能会影响不同种群对气候变化的响应。     

Bayesian analysis of climate change impacts in phenology

The identification of changes in observational data relating to the climate change hypothesis remains a topic of paramount importance. In particular, scientifically sound and rigorous methods for detecting changes are urgently needed. In this paper, we develop a Bayesian approach to nonparametric function estimation. The method is applied to blossom time series of Prunus avium L., Galanthus nivalis L. and Tilia platyphyllos SCOP. The functional behavior of these series is represented by three different models: the constant model, the linear model and the one change point model. The one change point model turns out to be the preferred one in all three data sets with considerable discrimination of the other alternatives. In addition to the functional behavior, rates of change in terms of days per year were also calculated. We obtain also uncertainty margins for both function estimates and rates of change. Our results provide a quantitative representation of what was previously inferred from the same data by less involved methods.     

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。