文摘

为了理解过去的植物物候对气候变化的反应在中国(1963 - 2009),我们进行了趋势分析基于观测数据的春季物候期33地点从中国物候观测网络(CPON)。物候数据首先叶日期(盛名)和第一次开花日期(FFD)从1963年到2009年五阔叶木本植物进行了分析。因为大多数物候时间序列不连续,因为观测干扰在一定时期内,我们第一次插值物候时间序列之间的优化模型通过使用春天变暖(SW)模型和UniChill模型形成连续的时间序列。随后,通过回归分析,我们发现中国的木本植物春季物候期先进以平均0.18天/年的速度在过去的50年。春季物候期的变化表现出强烈的区域差异。春季物候期的线性趋势是−0.18−0.28−0.21−0.04−0.14天/年中国东北平原、华北平原、长江空平原,云贵高原,分别和华南。空间物候变化趋势的差异可以归因于在中国区域气候变化模式。

1。介绍

植物物候学,是研究季节性植物发展事件及其与环境因素的关系1),吸引了太多的关注在气候变化的背景下2,3]。植物物候期可以直接受到气候因素的年际变化的影响,如温度、光和水分4]。物候学也可以反过来影响气候5,6]。例如,一个不再存在的绿色覆盖大面积应该改变反照率等物理过程,潜在和显热,和动荡5]。此外,较长的生长季节可以影响生态系统生产力和vegetation-atmosphere有限公司₂交换(7,8]。因此,研究过去的物候变化有利于评估气候变化的影响(9]。

近年来,明显的物候变化已发现的所有大洲世界基于卫星反射数据(10- - - - - -12)或地面观测数据(13- - - - - -17]。例如,使用先进的高分辨率辐射计(AVHRR)归一化植被指数(NDVI)的数据集,Stockli和Vidale10)发现了一个延长生长季节在欧洲在过去的二十年里。类似的结果也发现在北美和中国基于相同的卫星数据集(11,12]。关于地面物候变化,门泽尔et al。14)做了一个系统的评估欧洲物候对气候变化的反应,发现春季和夏季开花物候期如叶展开的时机和先进了平均2.5天/十年的趋势从1971年到2000年。这样的春季物候期早些时候在近几十年来也发现在北美(18]。在东亚,几项研究表明清楚物候对气候变化的响应基于地面观测[在日本和韩国13,19,20.]。在中国,虽然做了一些工作来评估物候变化在几个地方16,21- - - - - -24),系统的物候变化的研究在全国范围内很长一段时间仍然缺乏。

在中国,物候观测已由中国物候观测网络(CPON)在1963年。从那时起,典型的植物物种的物候期CPON网络的每个站点被有关当地组织监控,如植物园、气象站、研究机构、大学和中学。没有观察,然而,在特定的时期。鉴于不连续物候期的时间序列影响物候趋势的评估,我们首先插入缺失的物候五广泛使用的木本植物物候模型的数据。随后,我们系统地研究了春季物候学时空变化的特点,评估气候变化对生物系统的具体影响。

2。材料和方法

2.1。物候和气象数据

本研究物候数据用于来自CPON。五个落叶木本植物春季物候期,包括Fraxinus对,臭椿altissima,印楝树,泡桐tomentosa,榆属pumila被调查。我们只使用时间序列有超过11年的数据从1963年到2009年。因此,共有33个网站包括(图1;表1)。我们把第一开花日期(FFD)和叶日期(盛名)作为春季物候期的代表。根据统一的观测CPON的标准和指导方针25)、FFD和盛名被定义为日期固定的个人形成首次完全花和叶,分别。总体上,共有118个物候时间序列在某些网站(一个特定物种的一个阶段被认为是一个时间序列)进行了分析(表1)。如图2有很多缺失的数据,每年对所有物候期。特别是1969 - 1972年期间没有观测数据是由于社会动荡的文化大革命。与数据收集类似的问题也存在于1997 - 2002年期间由于资金短缺。可用的数据(共有2316个观测)只占41.8%的完整数据集(118时间序列×47年),所以这些缺失的数据将会显著影响趋势估计的结果。因此,我们利用物候模型插值丢失的数据。虽然这些插值物候数据可能导致结果相当大的偏差,这些不确定性可能量化的分析(见部分2。2)。

气象数据来自中国气象局(http://cdc.cma.gov.cn/),包括来自33个气象站的逐日温度(图1)。大多数这些气象站相对接近相应的物候网站(通常少于5公里),尽管网站8对应的物候网站约30公里。

2.2。利用物候模型插值不连续系列的

春季物候期的树木已成功建模使用累积迫使单元,通常计算累积度天超过一个阈值温度,无论额外的冷却需求约束的存在(26]。以来气候对研究区不同类型从站点到站点,最适用的模型是一定会在不同的地方是不同的。因此,我们开发了两种类型的模型为每个物候时间序列,然后选择最准确的插入时间序列。第一个模型是春天变暖(SW)模型,它是一个模型的约束的要求(27]。关于模型的约束的要求,我们选择了UniChill Chuine[开发的模型28]。

2.2.1。SW模型

在SW模型中,植物发展发生在响应聚合热钱,或加热程度天(HDD),测量的总和(每日平均温度基本温度以上),从一天的开始(1)。硬盘驱动器实现临界迫使温度()时间,它代表了FFD或发生的盛名。SW模型的方程

2.2.2。UniChill模型

UniChill模型萌芽发展的过程分为两个阶段:休眠和静止。休眠是指生理状态中发展和细胞生长受到内部因素的预防尽管有利外部条件(29日]。植物进入静止期(在此期间发展和细胞生长是由温暖温度)当休眠打破。方程如下: 与定在9月1日和7种特异的参数(,,,,,,)安装物候观测。参数,,定义对温度响应函数,模型也称为“令人心寒的单位”“冷”的气温打破休眠的影响(4)。累计金额的单位称为冷却的状态()。参数是阈值在芽休眠坏了(2)。参数和定义对温度响应函数(”,也叫做“迫使单位条件的影响“温暖”的温度在静止(5)。迫使单位尽快积累起来的达到在。该模型预测,物候期()发生在强迫的状态()达到某一临界值(3)。

上述两个模型都是适合各自的物种在每个站点上使用每日平均温度和盛名或FFD时间序列通过最小二乘法。这个函数在参数空间最小化,在那里剩余: 与和被模拟的日期和观察到的日期,分别。我们只使用了多年的每个时间序列以适应参数。每个系列的内部效度是衡量比例方差的解释模型()和均方根误差(RMSE)观察到的日期和模拟之间的日期。

外部效度也来衡量和RMSE剩余观察日期之间甚至几年和相应的模拟日期。外部有效性措施模拟多年的美好不习惯适应参数,模型的不确定性可能由外部效度的RMSE表示。我们选择两个模型之间的最优(不确定性)最少一个插入缺失的数据。此外,为了减少错误,只有时间序列相关不确定性不足七天(RMSE外部效度< 7)保留了进一步分析。

2.3。评估和比较的物候的趋势

的时间趋势时间序列可以计算斜率系数的一个线性回归模型与物候期作为因变量,年独立变量。随后,我们计算平均每个站点的所有物候时间序列的趋势和研究在中国物候变化的空间差异。最后,基于均值为所有5种物候系列在33个网站,我们应用Mann-Kendall趋势检验方法检测单调趋势物候时间序列(30.]。此外,我们使用moving-trend分析方法研究物候的时间演化趋势(31日),计算每个阶段的回归斜率31年期间通过移动中心年的步长一年。强调春季物候期的年代际变化,异常(相对于平均在1963 - 1990年期间)的每个十年春季物候期(1960年代,1970年代,1980年代,1990年代和2000年代)计算。

3所示。结果

3.1。模型的有效性

SW模型表现得更好(外部有效性的RMSE少)比67年UniChill模型时间序列,而UniChill模型显示更好的模拟其他51个时间序列。对于每个春季物候期的时间序列,我们使用最优模型插入缺失的数据。为了尽量减少插值的不确定性,我们只保留了时间序列模型的不确定性少于7天。因此,挑选了92 118年的时间序列进行进一步分析。这些系列的模型有效性的结果如表所示2。平均每个物候期的内部效度范围从0.41到0.85的总体意思是0.67,而总体的均值外部效度为0.62 (0.31 - -0.77)。因此,总体的RMSE内部效度和外部效度为3.7天,4.2天,分别。物候期的变化(标准差)往往超过3倍RMSE(表2);因此,模型所引入的误差是可以接受的。

3.2。春季物候期变化的空间格局

物候的频率分布趋势总结在图3。88年早些时候92年春季物候系列的显示趋势(62系列达到0.05显著性水准)。因此,春季物候期的早期趋势从1963年到2009年在中国引人注目。春季物候期的时间趋势范围从0.35−−0.03天/年(图在不同的网站1)。春季物候期的趋势在中国的主要方面如下:(1)春季物候期的中国东北平原,由网站1 - 6和8日早些时候表现出强烈的趋势0.18天/年;(2)春季物候期华北平原,由网站9和11 - 13,表现出非常明显的趋势−0.28天/年,在中国这是最强的改变;(3)春季物候期的空长江平原,由网站17日- 19日研讨会,和代谢途径先进平均0.21天/年的趋势。然而,在这一地区的南部,春季物候期的趋势是相对较弱的(例如,趋势在网站26日和27日只是−0.07−0.14天/年,职责。);(4)意味着春季物候期的趋势在云贵高原的面积(由网站28)和四川盆地(由网站20和24)只有−0.04天/年,这是在中国最弱的变化;(5)在华南地区春季物候期(由网站29-32)先进的0.14天/年。

此外,春季物候期在其他网站也显示一致的变化(图1)。例如,春季物候期现场7(呼和浩特),位于温带草原地区唯一网站,显示−0.22天/年的趋势,而春季物候期现场10(民勤),位于温带沙漠地区,显示0.18天/年的发展趋势。这一趋势在网站14(洛阳),位于Yi-Luo流域,展示了一个非常弱的趋势(−0.07天/年)。−0.28天/年的平均趋势网站15(西安),位于渭河平原,相当与华北平原地区的趋势。网站33(勐腊县),唯一一个位于热带季风森林面积,显示了一个明显的趋势对春天早些时候−0.23天/年。总的来说,大多数地区的春季物候期对中国有先进的非常明显,但进步变化的强度在不同的地区。

3.3。春季物候期的时间演进

的年度变化意味着春季物候期如图4(一)。我们发现,春季物候期有很大的年际变化有18天的振幅。在过去47年的背景下,1980年是最新的春季物候期和2002年是最早的春季物候期。1980年春季物候期是5.0天晚于1963 - 1990年的平均水平,而2002年春季物候期提前13.2天1963 - 1990年的平均水平。整个段1963 - 2009年春季物候期的线性趋势是−0.18天/年(8.3天),这表明一个重要的进步。Mann-Kendall趋势测试也表明显著趋势意味着春季物候期时间序列(早些时候;)。

31年移动春季物候系列的线性分析表明,时间会影响物候趋势的估计(图4 (b))。春季物候期显示明显的发展趋势的0.30天/年的1979 - 2009。中心的31年时期从1989年到1993年还显示在0.23天/年的重要发展趋势,尽管他们还不到1979 - 2009年期间的趋势(图4 (b))。31期与中心前一年1989年,春季物候期的趋势是无关紧要的。总的来说,这一趋势在最近31年显示一个不寻常的发展趋势超过所有先前观察到的趋势在1979年之前在过去31年时期。

此外,春季物候期的时间演化,发现一个很明显的年代际变化(图5)。春季物候期在2000年代和1990年代发生的2.53和6.93天前,分别比1963年至1990年的平均水平。然而,在第一个三十年(1960年代- 1980年代)春季物候期接近1963 - 1990年的平均水平。因此,春季物候学的进步可以说已经成为明显的1980年代后,然后加强在2000年代。

4所示。讨论

FFD显著进步和盛名的五个树种在这项研究中观察到春季物候期的变化是一致的在世界的其他地方(表3)。在欧洲,一个巨大的系统性的物候网络数据集的超过100 000观察系列的542株表明提前0.25天/年的春夏阶段的时期(1971 - 200014]。在这项研究中,当限制时间1971 - 2000年春季物候期的趋势(−0.11天/ 10)所示是弱于观察欧洲(表3)。然而,相比之下,美国东北部,淡紫色的花时间观察趋势从1965年到2001年接近我们的估计(32]。这些证据表明,整个北半球春天的开始在过去的几十年里早已经出现。澳大利亚在南半球,也经历了近几十年来气候变暖,导致酿酒葡萄成熟度日期早些时候的趋势−0.8天/年(1985 - 2009)(33),大约两倍强势推进表示中国春季物候期(−0.43天/年)。

此外,来自中国的另一项研究表明,平均每年春天早些时候开始0.41天(从1982年到2006年34]。结果比我们估计(−0.33天/年,表3)在同一时期。可能的原因是,植物物种的数量和物候观测网站不同于依赖于参与这项研究。在[34),作者讨论了13个植物物种的盛名在20观测站点,而我们的研究包括盛名和定期监测5植物33处。因此,物种和阶段选择的差异,以及物候观测站点分布,可能影响结果的趋势估计。

春季物候期的发展在中国具有明显的区域差异。一般来说,中国北方的趋势比那些在中国南方(图1)。先前的研究显示,每年的气温上升的趋势(1961 - 2000)是关于0.2 - -0.3°C /十年在中国北方和小于0.1°C /十年在中国南方[35]。因此,在中国,物候对气候变化的反应与观察到的变暖匹配模式。然而,参与本研究物候观测站点的分布是不均匀的,所以这些网站空间代表性有限。在未来,它将需要扩大CPON和招募志愿者帮助获得更多的物候数据,这可能减少站点分布估计物候变化的影响。

除了温度在春天和冬天寒冷的温度、光周期和蒸发需求中也发挥着重要的作用在调节植物的生长和发育在温带地区36,37]。减少一天的长度是可靠的线索即将结束的生长季节和冬季发病对于许多温带生物群落,同时增加一天的长度表示春天的到来37]。因为光合作用和生长可能会大大限制如果蒸汽压赤字(VPD)是在一个较高的值(38),植被的分布与不同物候模式在VPD季节性变化很敏感。在这些影响因素中,西南模型用于这个研究只考虑春季温度的影响,但UniChill模型还考虑冷却需求。因此,其他潜在的影响因素对模型的预测需要进一步研究。

5。结论

从CPON基于观测数据,本研究调查了FFD变化和五种木本植物(包括盛名Fraxinus对,臭椿altissima,印楝树,泡桐tomentosa,榆属pumila在中国)。结果表明,春季物候期早些时候在中国成为显著的以平均0.18天/年的速度在此期间从1963年到2009年。春季物候期稳定从1960年代到1980年代,但在1990年代提出的2.5天、6.9天在2000年代(1963 - 1990的意思)相比。此外,春季物候期的变化表现出明显的区域差异。推进在华北平原的震级,空长江平原,和东北平原是最强的,而进步的大小在云贵高原,四川盆地和南海弱。在中国一般来说,春季物候期的变化与气候变暖模式观察过去50年。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持在科学和技术战略领袖项目,中国科学院(XDA05090301),中国国家自然科学基金(41030101和41030101),和中国国家基础研究计划(2012 cb955304)。