在“全球变化及应对”重点专项的支持下,“全球变化驱动下陆表自然和人文要素相互作用及区域表现”项目团队提出了温周期和光周期协同调控春季物候新理论。

全球变化下了解树木物候在时空尺度对气候变暖的响应及其背后驱动机制对科学评估全球森林生态系统生产力、固碳潜力及森林可持续发展至关重要。全球变暖下高海拔地区升温速率高于低海拔地区。然而,由于缺乏基于广阔空间尺度上长期物候观测数据的研究,树木春季物候对不同海拔升温的响应至今尚不清楚。

气候变暖对北半球高纬度生态春季碳汇作用在减弱

植被物候是反映植被动态的重要指标,在植被活动和生态系统功能方面起着重要的作用。植被春季物候对气候变化响应敏感,其变化对陆地生态系统碳循环和地表能量平衡具有重要的影响。明确植被春季物候对气候变化的响应对评估气候变化对陆地生态系统影响及预测未来生态系统动态具有重要的意义。

植物物候是气候变化的敏感性指标,其变化对陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的决定性影响,同时植物物候变化影响动植物关系,植被分布等,进而对生态系统结构和功能产生重要的影响。春季升温和光周期被普遍认为是物候变化的最主要决定因素,但光周期与温度如何调控植被物候一直存在较大争议,主要原因是缺乏大数据统计分析和实验验证分析。北京师范大学水科学研究院付永硕教授团队结合大尺度数据分析和野外控制实验,首次证明了成年树木中普遍存在光周期对植物春季物候调控作用,但在幼年树木中的光周期响应存在差异,进而提出了温周期与光周期协调控制春季物候期的理论框架:光周期通过调整物候积温需求和冷激需求的非线性关系,进而调整春季物候发生时间,以达到最长生长季与避免冷伤害平衡的最优生长史策略(图1)。这一研究表明,植物物候响应气候变化的温度敏感性受光周期调控,未来气候变暖条件下的温带森林物候变化将取决于春季升温与冬季升温的相对速率以及光周期三者共同作用。未来春季物候提前量将低于预期,进而对地陆地生态系统碳循环和水循环过程,以及生态系统服务价值功能产生重要的影响。

中国科学院华南植物园森林生态与模拟研究组研究员黄建国等指导学生通过分析温带5个优势树种的652000条春季物候数据,创新性地发现春季物候对海拔梯度的响应呈非线性趋势。在高海拔地区,由于1951-1980年春季积温的降低,展叶的时间每十年延后2.7±0.6天。与此同时,低海拔地区展叶时间提前。展叶物候在高低海拔的差异导致1951-1980年物候对海拔的敏感性急剧上升(0.36±0.07天每百米每十年)。1980年之后,由于低海拔地区冬季积温降低,高海拔地区冬季积温上升,春季积温效率提高导致展叶物候提前,物候对海拔的敏感性降低(0.32±0.07天每百米每十年)。该结果说明由于不同海拔的温度变化差异较大,以及物种对这些变化响应的差异,不同海拔梯度的物候越来越趋于一致。该研究阐释了树木物候在海拔梯度上的差异以及内在机理,为精确预测树木物候对全球变暖的响应提供了依据。

美高梅官方网站 ,西北半球高纬度陆地生态系统是一个巨大的碳汇,在全球碳循环中扮演着十分重要的角色。此前有学者指出,气候变暖导致的植被春季物候期提前是北半球高纬度地区碳汇功能的重要机制。这一观点得到了学界的普遍认可和广泛应用。日前,中科院青藏高原地球科学卓越创新中心朴世龙及其合作团队利用北半球高纬度地区大气CO2浓度观测数据、遥感数据、陆地生态系统和海洋碳循环模型,并结合大气传输模型,系统分析了过去30多年来北半球高纬度地区生态系统春季碳汇对温度响应的动态变化及其机制。相关成果发布于《自然•气候变化》。

全球气候变暖背景下,白天与夜间气温呈现不对称增温。已有研究发现北半球植被春季物候对白天最高气温
响应更加明显,而在青藏高原已有研究发现,与白天最高气温相比,夜间最低气温
对植被春季物候影响更大。中国温带草原区是世界上第三大草原植被分布区,与青藏高原地区相比,该地区更加温暖、干旱。目前有关中国温带草原区生态系统植被对白天、夜间增温的响应机制仍不明确。此外,不同类型温带草原植被物候对气候变化响应的差异仍有待于进一步揭示。

该研究解决了光周期与温度如何调控植被物候这一存在几十年的争议问题,将推动植物物候领域和全球变化生态系领域的研究,相关成果发表在《Global
Change
Biology》杂志上。美高梅官方网站 1美高梅官方网站 2

东北地理所在植被物候对气候变化的响应研究中取得进展。相关成果已于近期发表在国际期刊Global Change
Biology
上。该研究得到中科院百人计划项目、国家自然科学基金面上项目、国际合作项目,以及中科院国际合作重点项目等的资助。

科研人员的研究表明,上世纪80年代初至90年代中期气候变暖显著促进生态系统春季碳汇。。但值得注意的是,本世纪初这一现象却显著减弱,这主要是因为植被生产力对温度变化的敏感程度下降,而非生态系统异养呼吸、海洋或大气环流等其他因素变化导致。进一步研究表明,非生长季气候变暖是植被生产力对温度变化敏感性下降的主要原因,朴世龙团队早期研究发现植物休眠期温度上升导致春季物候对温度的敏感性下降。

基于此,中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态系统管理学科组通过构建长时间序列植被物候数据,结合历史气温和降水数据,分析了1982-2015年我国温带草原生态系统植被春季物候对气温和降水的响应。研究发现,温带草原植被生长季开始期在1982-2015年显著提前,提前幅度约为1.84天/10年。春季物候主要受春季降水、冬季和春季气温影响,但不同类型植被对气温和降水响应存在差异。该研究首次发现SOS在冬季主要受Tmax影响,而在春季主要受Tmin影响。春季物候对气候变化敏感性方面,冬季Tmax和春季Tmin每升高1℃,SOS将分别提前0.42和1.43天;春季降水每增高10mm约提前SOS
1.7天,SOS对降水敏感性随着降水量增多而明显减弱,但在春季降水量大于70mm地区,SOS对降水敏感性相对较弱。该研究首次揭示出冬季和春季白天和夜间气温对中国温带草原植被春季物候存在不对称影响,并指出未来生态系统植被物候预测模型还应考虑不同季节Tmax和Tmin的影响。该研究对明确陆地生态系统对区域气候变化的响应,以及预测未来气候变化具有重要的意义。

图1, (a)
光周期与温周期协调控制植物春季物候理论框架。GDD代表物候积温需求,Chilling代表冷激需求;
(b) 未来气候变化条件下植物物候波动概念图。

东北地理所在植被物候对气候变化的响应研究中取得进展。文章链接

该研究对预测未来气候变化背景下高寒生态系统碳汇功能的变化提供了重要理论基础。

东北地理所在植被物候对气候变化的响应研究中取得进展。该研究工作由东北地理所、东北林业大学、美国密尔斯学院、东北师范大学共同完成。东北地理所助理研究员神祥金为第一作者,研究员吕宪国为通讯作者,研究成果发表于农林气象期刊Agricultural
and Forest Meteorology

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该研究得到了国家自然科学基金
、国家重点研发计划子课题(2017YFC0212303)、东北地理所优秀青年人才基金(Y7H7041001)
的共同资助。

1951-2013年间高海拔(800-1000米)和低海拔所研究树种春季展叶的趋势图

论文信息:Xiangjin Shen, Binhui Liu, Mark Henderson, Lei Wang, Zhengfang
Wu, Haitao Wu, Ming Jiang, Xianguo Lu. 2018. Asymmetric effects of
daytime and nighttime warming on spring phenology in the temperate
grasslands of China. Agricultural and Forest Meteorology
, 259, 240–249.

论文链接

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中国温带草原植被春季物候对气温和降水响应图

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温带草原春季物候对降水敏感性沿长时期春季平均降水量空间梯度变化图

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