甘肃河东地区植被物候及其对气候变化的响应

探究中纬度地区的植被物候及其对气候变化的响应,对理解生态系统对气候变化的响应以及预测区域生态系统的碳循环至关重要。本文基于2000—2018年MODIS EVI数据,利用非对称高斯函数(A-G)与动态阈值法提取森林与草地物候参数,结合气象数据探究河东地区植被物候与气候变化的响应关系。结果表明：森林与草地物候参数存在显著差异,两者生长季始期(start of growing season, SOS)的趋势均提前,生长季末期(end of growing season, EOS)的趋势分别提前和推迟,其中整体SOS呈提前趋势的面积占比61%,EOS呈推迟趋势的面积占比41%,生长季长度(length of growing season, LOS)呈延长趋势的面积占比53%;随着海拔和纬度的上升,植被SOS、EOS和LOS分别呈推迟、提前和缩短的趋势发展,但这种趋势正在减弱;季前气候对SOS和EOS存在不同程度、方向的影响,秋冬季高温推迟SOS,春季高温则提前SOS,春夏季降水增加提前EOS,秋季高温推迟EOS,且对于河东地区而言,最低气温影响更为显著;森林与草地之间对于气候变化的响应程度存...     

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。     

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.     

郑州植物物候对气候变化的响应

利用统计和突变分析方法,对郑州气候（1956～2003年）和4种乔木物候（1986～2003年）的趋势变化特征进行了分析,并探讨了植物物候期与平均温度、日照的相关性以及对温度变化的响应趋势。分析发现：（1）郑州近50a来在冬、春季升温现象明显;日照在夏季下降最为显著,冬季其次,但在2～4月份历年呈弱上升趋势。（2）物候期变化趋势表现在展叶、开花、果熟期（除楝树外）呈提前趋势,落叶期略有推迟,绿叶期延长,特别是在20世纪90年代中后期,春季物候期（除垂柳外）提前10d左右。（3）平均温度是影响物候期最为显著的气候因子,温度每升高1℃,春季物候平均提前6d左右,绿叶期延长9．5～18．6d;物候期突变一般发生在温度突变之后。以上分析说明植物物候对气候变化响应比较敏感,通过分析和掌握气候和物候变化规律,了解其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一些理论依据。     

东北地区植被物候对气候变化的响应

使用1982—2003年GIMMS-NDVI数据和气候数据,借助GIS空间分析和统计分析方法,分析了东北地区不同植被物候期与气候变化的关系。结果表明:22年东北地区年均温度以升高趋势为主,年降水量以减少趋势为主;针叶林、针阔叶混交林、阔叶林、草甸和沼泽植被生长季开始日期提前受春季温度升高影响显著(P<0.05)。春季降水对植被生长季开始日期变化影响较小,仅对针叶林生长季开始日期的推迟有显著的影响(P<0.05)。植被生长季结束日期受温度变化影响较小,仅草原植被生长季结束日期提前受秋季温度降低影响显著(P<0.05)。降水对东北地区植被生长季结束日期的变化影响高于温度。随着秋季降水量的减少,针阔叶混交林、草原和农田植被生长季结束日提前(P<0.05)。草丛生长季结束日期提前受夏季降水减少的影响显著(P<0.05);农田生长季结束日期提前亦受夏季和9月降水量减少的显著影响(P<0.05)。阔叶林和沼泽植被生长季延长受春季温度升高影响显著(P<0.05);灌丛植被生长季缩短受春季降水量减少影响显著(P<0.05);草丛和农田植被生长季延长受夏季降水量增加影响显著(P<0.05)。     

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。     

中国温带旱柳物候期对气候变化的时空响应

为了揭示中国温带植物物候随时间变化和植物物候对气候变化响应的空间格局及其生态机制,利用52个站点1986—2005年的旱柳展叶始期、开花始期、果实成熟期、叶变色始期和落叶末期的物候数据,分析其时间序列的线性趋势,并通过建立基于最佳期间日均温的物候时间模型,确定物候发生日期对气温年际变化的响应。在研究的时段内,区域平均旱柳展叶始期、开花始期和果实成熟期的发生日期分别以-4.2 d/10 a、-3.8 d/10 a和-3.3 d/10 a的平均速率显著提前,而区域平均旱柳叶变色始期和落叶末期的发生日期则分别呈不显著推迟和以2.4 d/10 a的平均速率显著推迟的趋势。单站展叶始期、开花始期和果实成熟期发生日期的线性趋势以提前为主,显著提前的站点分别占40%、41%和29%;叶变色始期发生日期呈显著提前和显著推迟趋势的站点数相当,分别占17%和19%;落叶末期发生日期的线性趋势以推迟为主,显著推迟的站点占23%。各站展叶始期、开花始期和果实成熟期发生日期的线性趋势空间序列与相应的最佳期间日均温的线性趋势空间序列之间呈显著负相关,表明一个站点前期气温升高的速率越快,该站这些物候期发生日期提前的速率就越快。在物候期对气温年际变化的响应方面,区域平均春季最佳期间日均温每升高1℃,展叶始期、开花始期和果实成熟期的发生日期分别提前3.08 d、2.83 d和3.54 d;区域平均秋季最佳期间日均温每升高1℃,叶变色始期和落叶末期的发生日期分别推迟1.69 d和2.28 d。单站展叶始期和落叶末期发生日期对气温年际变化的响应表现出在温暖地区的站点比在寒冷地区的站点更为敏感的特点。总体上看,基于日均温的物候时间模型对春、夏季物候期的模拟精度明显高于对秋季物候期的模拟精度。建立了基于最佳期间日均温和日累积降水量的改进秋季物候模型,该模型使旱柳叶变色始期和落叶末期的模拟精度显著提高。由此可见,旱柳叶变色始期和落叶末期的发生日期受到前期气温和降水量的综合影响。     

河北省土壤表面冻融物候特征及其对气候变化的响应

基于1981—2006年河北省土壤表面冻融物候观测资料和气象资料,研究了河北省土壤表面冻融物候的空间和时间变化特征及对气候变化的响应。结果表明:河北省地表始冻期、解冻期和封冻期随纬度、高度不同存在很大差别,东南平原地区地表始冻期偏晚,解冻期偏早,封冻期较短,而北部、西北部地区地表始冻期偏早,解冻期偏晚,封冻期较长;相比物候期多年均值,20世纪90年代初之前,河北省地表始冻期以提前年份为主,解冻期以推迟年份为主,封冻期以延长年份为主;20世纪90年代后期之后河北省绝大部分地区地表解冻期显著提前,始冻期推迟,封冻期缩短;地势较低地区的地表冻融物候与气温显著相关,河北省秋季气温上升1℃,地表始冻期推迟3.8d,2—3月气温上升1℃,地表解冻期提前5.3d,响应幅度大于始冻期对秋季气温的响应幅度;10月—翌年3月气温上升1℃,河北省地表封冻期缩短12.6d。     

黄河流域2001-2020年植被物候及其对气候变化的响应

植被周期性的物候更替被公认为是全球气候变化的综合指示器,深入研究区域植被物候的变化趋势和时空特征,可以提高对该区生态系统稳定性及动态变化程度的认识。基于2001-2020年16天、250m分辨率的中分辨率成像光谱仪归一化植被指数（MODIS NDVI）数据,利用Savitzky-Golay滤波法（S-G）和相对阈值法提取黄河流域植被物候参数,结合谷歌地球引擎（GEE）平台提供的欧洲中期天气预报中心第五代陆地再分析数据集（ERA5-LAND）小时气候再分析数据集和气候危害组红外降水站数据（CHIRPS）日降水数据集数据,运用趋势分析和偏相关分析等方法,探究全球气候变化下黄河流域不同植被分区物候参数空间分布特征、变化趋势,及其对气候因子的响应。结果表明：（1）2001-2020年黄河流域气候整体呈暖湿化的发展趋势,年均温上升幅度为0.15℃/10a（P>0.05）,年降水增加幅度为24mm/10a（P<0.05）。（2）黄河流域暖温带落叶阔叶林区域的生长季始期和中期最早,温带南部典型草原亚地带和温带南部荒漠草原亚地带最晚,温带灌木、禾草半荒漠亚地带的生长季结束期最晚,青藏高原高寒植被区域的生长季长度最短。（3）全流域内生长季始期和中期分别有69.3%和66.4%的面积呈提前趋势（P<0.05）,生长季末期50.9%的面积结束期呈推迟趋势（P<0.05）,66.1%的面积整个生长季长度呈延长趋势（P<0.05）。（4）不同植被地带气候对物候参数影响存在差异,温度因子对带北部典型草原亚地带、高寒草原地带和高寒草甸地带的物候参数影响较大,降水和太阳辐射因子对温带南部典型草原亚地带、温带灌木、禾草半荒漠地带、温带南部荒漠草原亚地带和中亚热带常绿阔叶林地带的物候参数影响较大。     

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。     

Changes in autumn senescence in northern hemisphere deciduous trees: a meta-analysis of autumn phenology studies

Background and Aims Many individual studies have shown that the timing of leaf senescence in boreal and temperate deciduous forests in the northern hemisphere is influenced by rising temperatures, but there is limited consensus on the magnitude, direction and spatial extent of this relationship.Methods A meta-analysis was conducted of published studies from the peer-reviewed literature that reported autumn senescence dates for deciduous trees in the northern hemisphere, encompassing 64 publications with observations ranging from 1931 to 2010.Key Results Among the meteorological measurements examined, October temperatures were the strongest predictors of date of senescence, followed by cooling degree-days, latitude, photoperiod and, lastly, total monthly precipitation, although the strength of the relationships differed between high- and low-latitude sites. Autumn leaf senescence has been significantly more delayed at low (25° to 49°N) than high (50° to 70°N) latitudes across the northern hemisphere, with senescence across high-latitude sites more sensitive to the effects of photoperiod and low-latitude sites more sensitive to the effects of temperature. Delays in leaf senescence over time were stronger in North America compared with Europe and Asia.Conclusions The results indicate that leaf senescence has been delayed over time and in response to temperature, although low-latitude sites show significantly stronger delays in senescence over time than high-latitude sites. While temperature alone may be a reasonable predictor of the date of leaf senescence when examining a broad suite of sites, it is important to consider that temperature-induced changes in senescence at high-latitude sites are likely to be constrained by the influence of photoperiod. Ecosystem-level differences in the mechanisms that control the timing of leaf senescence may affect both plant community interactions and ecosystem carbon storage as global temperatures increase over the next century.     

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.     

中国温带草地物候对气候变化的响应及其对总初级生产力的贡献

气候变暖引起的植物物候变化影响了陆地生态系统功能和碳循环。目前研究着重关注温带和热带森林物候变化趋势、驱动因素,关于干旱半干旱地区草地物候变化及其对生态系统总初级生产力（gross primary productivity, GPP）影响仍知之甚少。因此,开展草地植物物候与生产力之间的关系研究对预测草地生态系统响应未来气候变化和区域碳循环至关重要。基于1982-2015年气象资料和GIMMS NDVI3g数据,分析了中国温带草原植被返青期（start of the growing season, SGS）和枯黄期（end of the growing season, EGS）变化及其对气候的响应,并借助一阶差分法量化物候对GPP动态变化的贡献。结果表明：（1）季前1-2个月的夜间温度增温会显著提前SGS, 而当月至季前2个月的白天温度对SGS有着微弱的促进作用;季前3个月的累积降水对SGS提前作用最为强烈,累积太阳辐射在各个时期对SGS影响相对较弱。（2）不同季前时间尺度昼夜温度对草地EGS均表现出相反的作用,短期累积降水对EGS起到显著延迟的区域范围最大,太阳辐射随着季前时间的增加对草地枯黄期的延迟作用逐渐转变为提前作用。（3）EGS对草地GPP年际变化趋势的相对贡献率强于返青期。研究结果有助于深化陆地生态系统与气候变化、碳循环之间相互作用的认识,为草地适应未来气候变化和生态建设提供科学依据。     

Daylength helps temperate deciduous trees to leaf‐out at the optimal time

Global warming has led to substantially earlier spring leaf‐out in temperate‐zone deciduous trees. The interactive effects of temperature and daylength underlying this warming response remain unclear. However, they need to be accurately represented by earth system models to improve projections of the carbon and energy balances of temperate forests and the associated feedbacks to the Earth's climate system. We studied the control of leaf‐out by daylength and temperature using data from six tree species across 2,377 European phenological network ( www.pep725.eu ), each with at least 30 years of observations. We found that, in addition to and independent of the known effect of chilling, daylength correlates negatively with the heat requirement for leaf‐out in all studied species. In warm springs when leaf‐out is early, days are short and the heat requirement is higher than in an average spring, which mitigates the warming‐induced advancement of leaf‐out and protects the tree against precocious leaf‐out and the associated risks of late frosts. In contrast, longer‐than‐average daylength (in cold springs when leaf‐out is late) reduces the heat requirement for leaf‐out, ensuring that trees do not leaf‐out too late and miss out on large amounts of solar energy. These results provide the first large‐scale empirical evidence of a widespread daylength effect on the temperature sensitivity of leaf‐out phenology in temperate deciduous trees.     

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。     

Delayed autumn phenology in the Northern Hemisphere is related to change in both climate and spring phenology

The timing of the end of the vegetation growing season (EOS) plays a key role in terrestrial ecosystem carbon and nutrient cycles. Autumn phenology is, however, still poorly understood, and previous studies generally focused on few species or were very limited in scale. In this study, we applied four methods to extract EOS dates from NDVI records between 1982 and 2011 for the Northern Hemisphere, and determined the temporal correlations between EOS and environmental factors (i.e., temperature, precipitation and insolation), as well as the correlation between spring and autumn phenology, using partial correlation analyses. Overall, we observed a trend toward later EOS in ~70% of the pixels in Northern Hemisphere, with a mean rate of 0.18 ± 0.38 days yr^?1. Warming preseason temperature was positively associated with the rate of EOS in most of our study area, except for arid/semi‐arid regions, where the precipitation sum played a dominant positive role. Interestingly, increased preseason insolation sum might also lead to a later date of EOS. In addition to the climatic effects on EOS, we found an influence of spring vegetation green‐up dates on EOS, albeit biome dependent. Our study, therefore, suggests that both environmental factors and spring phenology should be included in the modeling of EOS to improve the predictions of autumn phenology as well as our understanding of the global carbon and nutrient balances.     

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。