1952~2007 年中国白蜡树春季物候时空变化分析

来源:中国科学: 地球科学 2012年 第42卷 第5期:701~710 2015-03-23 12:01:21

         为研究植物物候期的地理分布及其形成原因, 揭示中国物候变化的时空格局, 选取中国境内分布较为广泛、 观测比较充分的白蜡树(Fraxinus chinensis Roxb.)为研究对象, 以“中国物候观网”12 个站点的白蜡树展叶始期资料和对应气象资料为数据源, 建立并检验了模拟白蜡树展叶始期的春季物候过程模型。利用该模型,重建了1952~2007 年间研究区白蜡树完整的展叶始期序列,分析了白蜡展叶始期的时空变化规律。

      选种依据:本研究所选的代表性树种为白蜡树(Fraxinus chinensis Roxb.).  白蜡树为落叶乔木,主要经济用途为放养白蜡虫生产白蜡,尤以西南各省栽培最盛,耐瘠薄干旱, 在轻度盐碱地也能生长。植株萌发力强,材理通直,生长迅速,柔软坚韧,供编制各种用具,并有较高药用价值。本文选此种的依据为: 1)白蜡树的生态幅宽,分布范围极广其分布区北至东北中部,南至广东和广西,东南可至福建西至甘肃, 因而能够在大范围内反映物候的变化。 2)白蜡树在我国栽培历史悠久,是我国重要的乡土树种是暖温带落叶阔叶林中的典型树种之一,对研究区的物候变化有较好的代表作用. 3)中国物候观测网对于白蜡树的观测站点较多,资料比较完备。  

     数据来源:本文的物候数据来自于中国科学院地理科学与资源研究所组织的“中国物候观测网”。 该观测网严格按照统一观测规范积累了中国范围内从1963年至今多个站点的物候数据。这套数据集具有可靠性高、观测时间长和观测较系统等特点,已经在近年的物候学和气候变化研究中发挥了重要作用。本文共选择了分布于中国东部23°~45°N12个站点的白蜡树展叶始期数据来建模。由于被观测树木遇到霜冻和虫害等因素死亡,以及观测人员偶尔的漏测,每个站点观测起止年和样本数(总观测年数)不同。气象数据均来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)。单站点气象数据包括表112个站点1952~2010年日平均气温数据。 

    研究方法:本文选取的模型是 Chuine开发的 UniChill 模型,  它是由Unified模型简化而来,  属过程模型。该模型考虑了植物芽发育过程的两个阶段,即休眠期和静止期。本文借鉴欧美将单站点的物候模型扩展到区域以重建或预测物候序列的成功经验,利用中国多个站点展叶始期的时空混合样本拟合建立统一的物候模型。利用确定了参数的物候模型模拟出各样本对应站点对应年份的展叶始期。用来拟合模型参数值的奇数年观测值与预测值做回归分析,计算方差解释量(R2)和显著度。同时计算均方根误差(RMSE), 作为内部检验结果。而与模型建立无关的偶数年的观测值与对应年的预测值相比较,同样计算R2RMSE,作为交叉检验结果。最后进行物候变化趋势分析。

     模型建立与检验:通过模拟退火算法拟合,得到模拟白蜡树展叶始期的最优模型参数。将该参数与相应气温数据输入 UniChill 模型模拟各样本对应站点和年份的展叶始期。检验结果充分证明,该过程模型对白蜡树展叶始期的预测具有非常高的准确性和可靠性。

     过去50年白蜡树展叶始期变化格局:模拟结果表明,  在中国东部的大部分地区,白蜡树的展叶始期随纬度增加而推迟。受地形的影响以及数据空间分辨率限制,物候期的东西差异并不明显。等候线的间隔在纬度方向并非线性均匀的变化。1952~2007 年的55年间, 白蜡展叶始期在我国绝大部分地区提前,其提前程度呈现“北高南低”的格局。按照地理位置分区讨论白蜡树的平均展叶始期变化的区域差异。结果表明,在所有地区白蜡树的展叶始期年际变化都较大,但在全国范围有平均-0.11 d/a 的整体提前趋势。
         结论:以日平均气温为输入参数的物候过程模型能够准确地模拟宏观区域长时间尺度白蜡树的展叶始期。这是因为本文所采用的物候过程模型具有可靠的生理生态学理论基础气温通过控制植物芽在休眠期和静止期的发育速度从而影响植物的展叶始期。气温是驱动白蜡树展叶的主要气象因子。在温带和亚热带地区日平均气温的空间格局决定了植物春季物候期的地理分布。物候模型研究结果表明, 过去60 年间在中国绝大部分地区的白蜡树展叶始期提前其提前程度整体上“北高南低”,区域差异明显。华北地区具有2.0 d/10 a 的显著提前趋势(p<0.01);其次分别为东北、西北、华东和华中,   4 个地区的负线性趋势均通过了p<0.05 的显著性检验;西南和华南地区的提前趋势最小且不显著。与全球其他地区对比来看我国的春季物候变化与北半球大部分地区的提前趋势基本一致。