Predicting phenology shifts of herbaceous plants on the Qinghai-Xizang Plateau under climate warming with the space-for-time method

气候变暖背景下的植物物候变化广受关注, 然而常用的植物物候变化预测模型未充分考虑植物对环境的适应性, 给预测结果带来了较大的不确定性。该文基于2002-2011年青藏高原10个站点的地面物候观测资料以及年平均气温数据, 对空间换时间模型预测车前(Plantago asiatica)和蒲公英(Taraxacum mongolicum)各主要物候事件(展叶始期、开花始期和黄枯普遍期)变化的可行性及其在升温背景下的变化规律进行了分析。首先利用不同海拔高度的气温和物候事件分别与地理因子(经度、纬度和海拔)建立多元线性回归模型, 然后在此基础上剔除经度和纬度的影响, 单独考察海拔变化所引起的气温与植物物候变化, 最后以海拔高度作为桥梁来考察物候变化与温度变化的关系。结果表明, 采用各站点对应的海拔高度来模拟年平均气温空间差异的R²均大于0.89, 表明海拔梯度可以用来反映时间尺度下的年际温度变化; 车前和蒲公英各物候事件发生日期拟合值均与海拔高度变化关系显著, R²均大于0.70, 表明海拔变化是影响它们各物候事件变化的主要地理因子; 在物候事件发生日期拟合值和年平均气温拟合值的回归方程中, R²均大于0.93, 说明基于不同海拔高度模拟得到的年平均气温变化可以对时间尺度上车前和蒲公英的物候事件变化进行预测。空间换时间预测表明, 温度每升高1 ℃, 车前展叶始期和开花始期分别提前5.1和5.4 d, 而黄枯普遍期推迟4.8 d; 蒲公英展叶始期和开花始期分别提前6.5和7.8 d, 而黄枯普遍期推迟6.7 d。     

内蒙古典型草本植物春季物候变化及其对气候变暖的响应

为了解气候和物候变化规律,指导农业生产和环境监测,用线性倾向估计法分析了1982—2006年内蒙古地区草本植物春季物候及其前期温度的变化趋势,并分区域分析了植物春季物候与温度的关系,通过逐步回归分别建立了中西部和东部地区植物始花期的温度回归模型,通过模型对未来气候变化情景下内蒙古地区草本植物始花期变化进行了预估。结果表明：20世纪80年代以来植物始花期变化为提前趋势,温度变化为增温趋势,春季变暖比冬季明显;温度和始花期的变化趋势均有明显的地域特征,中西部地区增温趋势和植物始花期提前剪势均大于东部地区,春季温度和植物始花期在两区域平均变化趋势均显著,冬季温度在中西部地区变化显著,而在东部地区变化不显著;植物始花期与其前期温度呈明显的负相关,春季温度是影响开花的主要因子,未来如温度上升1 ℃,始花期提早3.1～5.0 d。     

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.     

气候变暖背景下春兰和蕙兰的适生区分布预测

为了阐明气候变暖背景下春兰(Cymbidium goeringii)和蕙兰(C. faberi)在我国的适生区分布变化情况,根据157条分布记录和19个生物气候变量,应用最大熵物种分布模型,对2070年4种温室气体排放情景下春兰和蕙兰在我国的适生区分布进行预测,并筛选影响其地理分布的主要气候因子。结果表明:(1)2070年春兰和蕙兰分布点的年均温(bio1)、最冷月最低温度(bio6)和最冷季平均温度(bio11)等均升高,气候有变暖趋势;(2)受试者工作特征曲线下面积(AUC)值在0.9—1.0之间,模型预测结果可信度较高;(3)影响春兰、蕙兰当前和2070年地理分布的限制性气候因子主要有最冷月最低温度(bio6)、最冷季平均温度(bio11)、年均降水量(bio12)和最干月份降水量(bio14);(4)气候变暖将会对春兰和蕙兰的适宜生境范围和面积产生影响。预测2070年春兰的适宜生境面积将会有所减小,而蕙兰的适宜生境面积将会增加,且整体有向北迁移的趋势。研究结果为野生春兰和蕙兰的生态风险评价和引种提供了重要依据。     

气候变化背景下青藏高原东部猪毛蒿物候的变化规律和影响因素

近几十年来青藏高原正经历着广泛而深远的气候变化,这种变化对当地物种的物候及分布格局产生了显著影响。猪毛蒿作为干旱半干旱地区的优势物种和影响群落稳定性的关键物种,青藏高原东缘是其重要的分布区域之一,然而其物候将如何应对气候变化目前我们尚不清楚。为此,基于青海省东部连续20年的气象数据和原位物候观测实验,探讨猪毛蒿物候的变化规律及量化不同气候因子的相对贡献率。结果表明：1)过去20年间年均温和年均每日日照时长分别呈现出显著的上升和下降趋势,而年降水和年均每日最大风速没有显著的变化;2)20年间猪毛蒿返青-开花的时间间隔和开花-结果的时间间隔并未表现出显著的变化趋势,结果-枯黄的时间间隔显著缩短;3)所有气候因子均对猪毛蒿不同物候的时间间隔有显著影响,其中最大风速是影响猪毛蒿物候时间间隔最重要的气候因子。这一研究发现可以为气候变化情景下青藏高原高寒植物的保护和利用提供理论依据。     

气候变暖背景下新疆和中哈边境亚洲飞蝗适生区预测及变化

亚洲飞蝗Locusta migratoria migratoria是中国新疆与哈萨克斯坦边境区域重要害虫之一,具迁飞性且繁殖能力强,对农牧业经济造成巨大伤害。本文以亚洲飞蝗为研究对象,根据其发生区和相关生物学特性,利用CLIMEX 4.0.2和ArcGIS 10.2相结合,预测其在新疆和中哈边境区域亚洲飞蝗的潜在地理分布。亚洲飞蝗的适生区在新疆境内集中分布在北疆(42.69～48.29°N),包括伊犁、博尔塔拉中部、塔城西北部及南部、阿勒泰西部、昌吉和乌鲁木齐南部地区;哈萨克斯坦境内主要分布在北纬47.03～51.65°N区域,包括东哈萨克斯坦州北部、阿拉木图州东南部境内的湖泊及河流沿岸地区,这与亚洲飞蝗的现有分布点和历史发生记录吻合。未来气候变暖情景下,亚洲飞蝗在中哈边境新疆境内的适生区逐渐扩大,其中在阿勒泰、伊犁、昌吉及乌鲁木齐的高度适生区面积增加,哈密开始出现高度适生区;在哈萨克斯坦边境区域的适生区略有增加,其中东哈萨克斯坦州地区高度适生区面积减少明显。研究结果对区域内亚洲飞蝗的预测预报和综合防控具有重要意义。     

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。     

气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

京津冀地区植被物候时空变化及其对城市化的响应

温度在调节植被物候的变化中起着重要作用,气候变暖和城市化均会对温度产生影响进而影响植被物候。基于京津冀地区2001—2020年的归一化植被指数(NDVI)时间序列影像,参照物候观测站点监测数据,采用动态阈值法提取出研究区关键物候参数,即生长季始期(SOG)、生长季结束期(EOG)和生长季的长度(LOG),分析近20年京津冀地区耕地、林地、草地不同植被的物候时空变化特征及其城乡差异,从而探讨植被物候对城市化的响应。结果表明：(1)耕地SOG分布呈现双波峰现象,林地和草地的SOG相对集中,3种植被的EOG的分布均较为集中;2001—2020年京津冀大部分地区的SOG提前,EOG推迟,LOG呈现延长的态势。(2)从城乡梯度物候差异的空间分布特征来看,整体而言耕地、林地、草地3种植被类型的城区物候与农村相比都存在SOG提前,EOG推迟的情况,并且城区与农村的物候差异幅度要明显大于城乡过渡带与农村的物候差异。(3)从城乡梯度物候差异的时间分布特征来看,2001—2020年间,研究区中新老城区、城乡过渡带和农村的SOG提前,EOG推迟,LOG延长,但耕地、林地、草地3种植被物候参数的城乡差异在逐年...     

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。     

Urban environments provide new perspectives for forecasting vegetation phenology responses under climate warming

Given that already-observed temperature increase within cities far exceeds the projected global temperature rise by the end of the century, urban environments often offer a unique opportunity for studying ecosystem response to future warming. However, the validity of thermal gradients in space serving as a substitute for those in time is rarely tested. Here, we investigated vegetation phenology dynamics in China's 343 cities and empirically test whether phenological responses to spatial temperature rise in urban settings can substitute for those to temporal temperature rise in their natural counterparts based on satellite-derived vegetation phenology and land surface temperature from 2003 to 2018. We found prevalent advancing spring phenology with “high confidence” and delaying autumn phenology with “medium confidence” under the context of widespread urban warming. Furthermore, we showed that space cannot substitute for time in predicting phenological shifts under climate warming at the national scale and for most cities. The thresholds of ~11°C mean annual temperature and ~600 mm annual precipitation differentiated the magnitude of phenological sensitivity to temperature across space and through time. Below those thresholds, there existed stronger advanced spring phenology and delayed autumn phenology across the spatial urbanization gradients than through time, and vice versa. Despite the complex and diverse relationships between phenological sensitivities across space and through time, we found that the directions of the temperature changes across spatial gradients were converged (i.e., mostly increased), but divergent through temporal gradients (i.e., increased or decreased without a predominant direction). Similarly, vegetation phenology changes more uniformly over space than through time. These results suggested that the urban environments provide a real-world condition to understand vegetation phenology response under future warming.     

Strong evidence for changing fish reproductive phenology under climate warming on the Tibetan Plateau

Phenological responses to climate change have been widely observed and have profound and lasting effects on ecosystems and biodiversity. However, compared to terrestrial ecosystems, the long‐term effects of climate change on species’ phenology are poorly understood in aquatic ecosystems. Understanding the long‐term changes in fish reproductive phenology is essential for predicting population dynamics and for informing management strategies, but is currently hampered by the requirement for intensive field observations and larval identification. In this study, a very low‐frequency sampling of juveniles and adults combined with otolith measurements (long axis length of the first annulus; LAFA) of an endemic Tibetan Plateau fish (Gymnocypris selincuoensis) was used to examine changes in reproductive phenology associated with climate changes from the 1970s to 2000s. Assigning individual fish to their appropriate calendar year class was assisted by dendrochronological methods (crossdating). The results demonstrated that LAFA was significantly and positively associated with temperature and growing season length. To separate the effects of temperature and the growing season length on LAFA growth, measurements of larval otoliths from different sites were conducted and revealed that daily increment additions were the main contributor (46.3%), while temperature contributed less (12.0%). Using constructed water‐air temperature relationships and historical air temperature records, we found that the reproductive phenology of G. selincuoensis was strongly advanced in the spring during the 1970s and 1990s, while the increased growing season length in the 2000s was mainly due to a delayed onset of winter. The reproductive phenology of G. selincuoensis advanced 2.9 days per decade on average from the 1970s to 2000s, and may have effects on recruitment success and population dynamics of this species and other biota in the ecosystem via the food web. The methods used in this study are applicable for studying reproductive phenological changes across a wide range of species and ecosystems.     

Effects of experimental warming on plant reproductive phenology in Xizang alpine meadow

Aims Climate warming strongly influences reproductive phenology of plants in alpine and arctic ecosystems. Here we focus on phenological shifts caused by warming in a typical alpine meadow on the Qinghai-Xizang Plateau. Our objective was to explore phenological responses of alpine plant species to experimental warming. Methods Passive warming was achieved using open-top chambers (OTCs). The treatments included control (C), and four levels of warming (T1, T2, T3, T4). We selected Kobresia pygmaea, Potentilla saundersiana, Potentilla cuneata, Stipa purpurea, Festuca coelestis and Youngia simulatrix as the focal species. Plant phenology was scored every 3-5 days in the growing season. The reproductive phenology phases of each species were estimated through fitting the phenological scores to the Richards function. Important findings Under soil water stress caused by warming, most plants in the alpine meadow advanced or delayed their reproductive events. As a result, warming significantly delayed phenological development of K. pygmaea. Warming significantly advanced reproductive phenology of P. saundersiana, S. purpurea and F. coelestis, but not of P. cuneata and Y. simulatrix. In addition, warming significantly shortened the average flowering duration of alpine plant species. The potentially warmer and drier growing seasons under climate change may shift the reproductive phenology of the alpine systems in similar pattern.     

模拟增温改变青藏高原植物繁殖物候及植株高度

气候变化显著影响了高寒植物物候期及生长模式, 从而改变了高寒生态系统功能。而高寒植物物候期和生长状况对气候变化的响应程度, 与其自身资源分配策略有关。为了更好地探究气候变化下高寒植物繁殖物候及生长的规律, 该研究以青藏高原高寒草甸为研究对象, 按生物量从高到低选取15种常见植物, 其生物量之和占样地总生物量80%以上, 采用红外辐射器模拟增温的方法, 利用同质园实验, 观测无种间竞争条件下, 增温2年间植物返青、现蕾、开花以及结实物候, 并监测了植株高度。研究结果表明: (1)在功能群水平上, 增温使豆科类植物的返青、现蕾和开花时间分别显著提前了(8.21 ± 1.81)、(9.14 ± 2.41)和(10.14 ± 2.05) d, 使其开花持续时间显著延长了(6.14 ± 1.52) d, 而增温对其他功能群物候事件无显著影响。增温对高寒植物物候的影响存在种间及年际间差异, 但总体上增温使大多数高寒植物繁殖物候提前并且开花持续时间延长, 将更多的资源更多地分配到繁殖生长上。(2)增温显著降低了杂类草植物的植株高度(平均降低(3.58 ± 0.96) cm), 但对豆科类、禾草类及莎草类功能群植株高度没有显著影响。 增温对高寒植物植株高度的影响存在显著的种间差异以及年际差异。综上所述, 未来气候变暖背景下, 青藏高原高寒植物群落可能更早进入繁殖阶段, 从而降低在营养生长上的资源分配。另外, 由于各物种繁殖能力和营养生长对温度变化响应的差异, 气候变暖将导致高寒植物群落中各物种盖度的变化, 进而改变群落物种组成, 从而影响高寒生态系统的功能。     

实验增温对藏北高寒草甸植物繁殖物候的影响

全球气候变暖对高寒和极地地区的植物物候产生强烈的影响。该研究主要关注增温条件下藏北高寒草甸不同功能型植物繁殖时间(生殖物候)的改变。实验采用开顶箱式增温方法, 对3个主要功能群浅根-早花、浅根-中花和深根-晚花植物的现蕾、开花、结实时间进行观测。研究结果表明: (1)增温导致了土壤水分胁迫, 显著推迟了浅根-早花植物高山嵩草(Kobresia pygmaea)的繁殖时间; (2)增温显著提前了浅根-中花植物钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)和深根晚花植物紫花针茅(Stipa purpurea)和矮羊茅(Festuca coelestis)的繁殖时间; (3)增温没有显著影响浅根-中花植物楔叶委陵菜(Potentilla cuneata)和深根-晚花植物无茎黄鹌菜(Youngia simulatrix)的繁殖时间; (4)增温缩短了3种类型植物的开花持续时间。这些结果显示增温改变了藏北高寒草甸群落中多数物种的繁殖时间, 这预示着在未来更热更干的生长季, 青藏高原高寒草甸系统的植物物候格局可能会被重塑。     

黄土高原植被物候变化及其对季节性气候变化的响应

受气候变化影响,全球范围内植被物候发生了显著变化,而目前针对不同植被分区类型下（荒漠草原区、典型草原区、森林草原区、落叶栎林区、落叶栎林亚区）植被物候变化及其对季节性气候变化响应的研究尚少。因此基于MODIS遥感归一化差值植被指数（MODIS NDVI：MOD13Q1）数据、中国植被区划数据及135个气象站点插值数据,利用Sen''s斜率估计、Hurst指数和高阶偏相关分析等方法,研究黄土高原2001-2018年植被物侯变化及其对季节性气候变化的响应。结果表明：（1）黄土高原植被生长季始期（SOS,Start of Growing Season）主要集中在第96-144天,子植被分区由西北向东南方向,逐渐呈现提前趋势,71.0%的像元植被SOS整体提前0-2 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间66%的像元植被SOS继续呈现提前趋势;植被生长季末期（EOS,End of Growing Season）主要集中在第288-304天,各子植被分区植被EOS变化基本保持一致,87.6％的像元植被EOS整体延迟0-3 d/10a （α=0.05）,且在未来一段时间有80%的像元植被EOS继续呈现推迟趋势。（2）黄土高原植被SOS主要受各季节温度的影响;当年春季降水导致植被SOS提前,主要分布在黄土高原中部;上年夏季和上年秋季降水增加会导致植被SOS推迟;当年春季、上年秋季和年初冬季的温度升高均会导致植被SOS提前;各子植被分区植被SOS对不同季节降水的响应存在差异,而对不同季节温度的响应具有一致性。（3）黄土高原植被EOS主要受各季节降水和秋季温度的影响;不同季节降水增加均会导致大部分植被EOS推迟;当年秋季温度导致整体区域植被EOS推迟,且各子植被区植被EOS对当年秋季温度响应具有一致性。该研究可为大尺度植被物候影响因素提供新的认识,也为植被适应未来气候变化提供借鉴。