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气候变化对植物物候的影响


□ 侯美亭

侯美亭

  “人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开”,一千多年前唐代诗人白居易对于山野间迟到的春天的惊喜跃然纸上。可足白居易若来到现在,就会惊讶地发现:房前屋后的桃树已提前开花了。

  20世纪以来的全球变暖已经成为公认的事实,政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出:1906—2005年的100年间,全球平均温度大约升高了0.74℃。由于植物的生长发育与环境温度之间存在紧密的联系,气候变暖已经对植物物候产生了显著的影响,并根据区域和物种的不同存在一定的差异。

  植物物候,就是指植物生命过程中某些特定事件(如发芽、开花、成熟、落叶等)的发生或持续时间。物候期是植物生长发育不同阶段的重要指示因子。例如,开花期通常代表了植物由营养生长向生殖生长的转变。植物的物候期是其在自然选择过程中与环境相互适应的结果。由于环境具有季节性特征,因此植物的生长发育也具有相应的季节性。在许多地区,一年中适合植物生长的时间是有限的,因此,及时展叶、开花等物候活动对于维持植物种群的生存和繁衍具有尤为重要的意义。

  当环境发生改变时,植物就会调整自身的生长、生理等特征,以确保适应新环境。所以,在不同环境条件下,同一物种的物候期也会出现差别。例如,平原和山区的桃树开花时间往往不同。在同一个植物群落中,不同物种之间也存在物候差异,这是维持物种共存的重要机制,可以减少它们对授粉者和其他资源的种间竞争。

  植物物候数据一般可通过地面观测和卫星遥感两种方式获取。在全球范围内,欧洲、北美洲和远东地区的地面物候观测工作做得最好,持续性和数据质量较佳。其中,我国对物候事件和农事活动的记录最早可追溯到5000年前;日本京都对樱花花期的记录也有1300多年;而欧洲的物候观测站点分布最为密集。根据地面观测的结果,在20世纪的后40年间,植物物候的变化非常明显:欧洲植物的展叶时间大约提前了6天,北美洲植物的开花时间提前了4~6天,北半球植物开始生长的时间平均提前了4~5天。

  近年来,卫星遥感技术在植物物候研究中得到广泛应用。综合遥感数据及其分析结果后,研究人员发现,20世纪的后20年里,植物的生长开始期显著提前:欧亚大陆平均提前了6~7天,北美洲平均提前了约8天,全球平均提前了约6天。

  与地面观测相比,卫星遥感技术出现得较晚,因而遥感数据的时间序列长度较短。同时,受分辨率的限制,遥感影像还无法识别物种尺度的物候事件,如某一物种的开花、结果等。但是在空间覆盖能力上,遥感技术具有明显优势,可在宏观时空上对地表进行连续和重复的观测,这是其他手段无法比拟的。大气干扰(如霾或云等)、生物群系尺度韵地面物候观测(可用来验证卫星物候数据)的缺乏是限制卫星物候发展和应用的两个主要障碍。此外,通过不同方法获取的物候信息之间的关联性目前还不能很好地体现。据欧洲的相关研究,宏观的地面观测和遥感信息都反映了植物展叶期的提前,然而在一些特定区域,这两种方法得到的展叶时间却出现了明显差异。这可能是因为遥感影像的分辨率较低,所得信息包含了多个物种,而不同物种的物候变化又存在差异。如何寻找从物种水平到生态系统水平的尺度推演方法,使不同尺度的结果相互融合、印证,目前这还是研究人员面临的一个挑战。不过,随着遥感技术的发展,在物候和生态系统对气候变化的时空响应这一研究领域,卫星观测必将扮演越来越重要的角色。

  气候变化不仅包括气温升高,而且包括大气中二氧化碳浓度的增加和全球降水格局的变化等方面。虽然许多研究已经发现气温或土壤温度的升高是植物物候改变(特别是生长开始期提前)的重要原因,但并不是所有植物都能对气候变暖做出积极响应。例如,在热带地区,降水量对植物物候的影响可能远远大于温度的影响。而对于具有长生活史、位于演替后期的植物来说,其生长发育更多地受到光周期的影响。

  为了了解不同冈素对植物物候的影响,研究人员多采用人为控制试验,即人为调节影响植物生长发育的温度、降水和光照等主要因素的水平,来研究植物物候对不同因素的敏感性。人为变暖试验发现:植物的生长期和开花期对温度上升极为敏感。不过,试验也发现,不同物种对变暖的反应存在很大差异。早春开花的植物对气温上升的响应最为敏感,也最容易受到变暖的影响:而生理活动在生长季后期更为活跃的物种对气温升高并不敏感,甚至出现了负响应(即物候事件延迟),特别是当温度超过其生理容忍阈值时,这种情况更容易发生。

  水对植物生长的重要意义不言而喻,但是日前的降水控制试验表明:一些物种的物候对降水变化并未出现特别的响应。同全球气温的变化格局相比,降水变化具有更显著的局地性特征,这也使物候对降水的响应更为复杂。

  大气二氧化碳浓度的变化是引起气温和降水变化的重要因素,也可能对物候产生直接影响。研究发现,二氧化碳浓度增加时,野生物种的物候响应不一致,有的提前或延迟,有的没有明显变化:农作物对此响应显著,这或许与农作物的生长不受养分、水以及光照等因素的限制有关。

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摘自:大自然 2013年第01期  
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