林业科学  2011, Vol. 47 Issue (10): 91-97   PDF    
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常兆丰, 韩福贵, 仲生年
Chang Zhaofeng, Han Fugui, Zhong Shengnian
甘肃民勤荒漠区植物物候相的持续特征和组合特征
Sustained Characteristics and Combination Characteristics on Phenophase of Plants in Minqin Desert Region
林业科学, 2011, 47(10): 91-97.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(10): 91-97.

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收稿日期:2010-06-03
修回日期:2010-11-23

作者相关文章

常兆丰
韩福贵
仲生年

甘肃民勤荒漠区植物物候相的持续特征和组合特征
常兆丰1,2,3, 韩福贵1,2,3, 仲生年1,2,3    
1. 甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外观测研究站 民勤 733300;
2. 甘肃省荒漠化防治重点实验室 兰州 730070;
3. 甘肃省治沙研究所 兰州 730070
摘要: 以民勤荒漠区1974年以来的36种植物的物候观测资料,运用物候频数的统计方法,划分5个物候相,分析物候相的持续特征和组合特征。结果表明:植物的活动期物候相持续日数平均为212天,绿色期物候相持续日数较长,花色期物候相持续日数最短;花色期、挂果期和绿色期3个物候相不同植物之间相互重叠;旱柳的活动期物候相最长,火炬树和芦苇的活动期物候相最短,胡杨和火炬树的绿色期物候相最短,芦苇的秋色期物候相最短;荒漠区不同植物的花色期以及挂果期差异很大。在花色期物候相中,开花始期较早的植物开花末期也相对较早。
关键词:植物物候    物候相    持续特征    组合特征    民勤荒漠区    
Sustained Characteristics and Combination Characteristics on Phenophase of Plants in Minqin Desert Region
Chang Zhaofeng1,2,3, Han Fugui1,2,3, Zhong Shengnian1,2,3    
1. Minqin National Station for Desert Steppe Ecosystem Studies Minqin 733000;
2. Gansu Key Laboratory of Desertification Combating Lanzhou 730070;
3. Gansu Desert Control Research Institute Lanzhou 730070
Abstract: Phenophase of plants is crucial to forecast a variety of seasonal weather events (such as dust storms, strong winds), and determine seasonal grazing and the building of sand-fixing vegetation in the desert region. Five Phenophases were divided based on observed phenology data of 36 plant species since 1974 in Minqin desert region with frequency statistical method of phenology. Sustained characteristics and combination characteristics of the phenophases were analyzed. The results showed that: Phenophase of plant active period was 212 days. The continuous green period was even longer, and the continuous flower color period was shortest. Flower color period, fruit bearing period and green period overlapped between the different plants. Salix matsudana had the longest active period, while Rhus typhina and Phragmites communis had the shortest active period. Populus euphratica and Rhus typhina had the shortest green period, and Phragmites communis had the shortest autumn color period. The plants in the desert exhibited huge differences in glorescence and fruit period. The plants started flowering early, and also stopped flowering early in terms of the phenophase on flower color period.
Key words: plant phenology    phenophase    sustained characteristics    combination characteristics    Minqin desert region    

植物物候对气候变暖的响应是近些年来物候学研究的一个热点。国外的研究成果主要集中在物候对气候变暖的响应方面,即春季物候期提前,秋季物候期推迟。在地中海地区的生态系统中,现在大多数落叶植物叶子的生长比50年前平均提早16天,而落叶时间推迟13天(Menzel et al., 1999)。从北欧斯堪的纳维亚到欧洲东南部的马其顿地区,展叶期比30年前提前6天,而秋季叶变色期推迟5天(Menzel et al., 1999)。欧洲地区生物春季物候在1969—1998年间提早8天(Chmielewski et al., 2001),北美在1959—1993年间提早6天(Schwartz et al., 2000)。欧洲地区早春气温每升高1 ℃,植物生长季约提早7天,年均温升高1 ℃,生长季延长5天(White et al., 1999)。Menzel(2000)对欧洲国际物候园收集的1959—1996年间的资料分析表明:春季物候期提前6.3天,秋季物候期推迟4.5天。一些植物种呈现出春季物候期平均每10年提前2.1天和秋季物候期每10年平均推迟1.6天、而整个生长季平均10年延长3.6天的线性趋势(Menzel, 2000)。关于气候与生长季变化之间关系的研究以欧洲居多,且所得结论基本一致。有人研究阿曼北部的河砾石荒漠中降水对高位芽、地上芽和地下芽植物物候的影响(Shahina et al., 1997),除此而外,很少见到国外有关荒漠区植物物候相研究的报道。

国内对于植物物候的研究也主要集中在物候与气候变暖的关系方面(郑景云等, 2002张学霞等, 2005Piao et al., 2006胡健波等, 2006),也有关于植物物候用于四季划分(汤懋苍等, 2003陈效逑等, 1999)、植物物候与温度、水分、光照等因子的关系(李荣平等, 2006宋富强等, 2007韩小梅等, 2008)以及荒漠区植物物候对气候变化响应等研究(常兆丰等, 2009a2009b2009c2008)。杨国栋等(2000)以北京市植物园的木本植物为对象进行物候相组成研究,将北京地区的落叶乔木划分为萌动期、绿色期、花期、果期、秋色期、叶幕期和休眠期7个物候相。陈效逑等(2008)研究我国东部温带植物群落的季相及其时空变化特征。李登建等(2009)对福州南江滨公园的53种植物进行了物候相分类的研究。迄今为止,国内虽然有关于荒漠区植物物候的研究报道,但尚无有关荒漠区植物物候相的研究。

民勤荒漠区1985—2004年的物候观测资料研究表明:从中生植物到旱生植物再到沙地上生长的旱生或中生植物,同一物候期的多年变幅增大;不同植物的物候期差异主要表现为从花蕾花序期开始到果实脱落末期的各个物候期(常兆丰等,2008)。当地属于典型荒漠气候,1974年以来气温抬升幅度大于其他文献的研究报道,尤其在2,3月气温抬升最为明显,春季物候期提前幅度明显大于其他国家文献报道(常兆丰等, 2009a2009c),这就是当地春季物候期提前幅度相对较大的原因所在,也是近几十年来中国西北地区沙尘暴天气增多和沙尘暴发生日期提前的原因(常兆丰等,2009c)。

植物的物候相,即1年当中植物从萌动、展叶、现蕾、开花、结实到叶黄、落叶、休眠等物候现象所表现出的阶段性外貌特征。物候相研究对于一个地区气候特征和植物造景、园林景观设计等方面有重要意义。研究荒漠区植物的物候相,在应对各种季节性气候事件(如大风、沙尘暴)、季节性放牧、防风固沙和荒漠边缘植被建设等方面都有重要意义。民勤荒漠区,4月前后是第1个风季,大风和沙尘暴频繁;6—9月为雨季,利于植物生长;11月为第2个风季(常兆丰等, 2006)。本文以民勤荒漠区为研究区,一方面揭示荒漠区植物物候相特征,补充荒漠植物物候相研究的空白,另一方面为荒漠区生态环境保护和植被利用提供依据。

1 研究区概况

民勤荒漠区位于我国甘肃河西走廊东北部石羊河下游,腾格里沙漠西部边缘,西北面为巴丹吉林沙漠,西南及南面为祁连山,地理位置在101°59′—104°12′ E,38°08′—39°26′ N。境内沙漠、戈壁、盐碱滩地和低山残丘占土地面积的94.2%,绿洲占5.8%。年平均日照时数2 731.5 h,平均气温7.8 ℃,降水量116.4 mm,蒸发量2 383.7 mm,干燥度5.85,平均风速2.4 m·s-1,年平均风速≥17 m·s-1的大风日数27.4天,属于典型的干旱荒漠气候,生态环境正在迅速退化(常兆丰等, 2006)。

物候观测在民勤沙生植物园(102°59′ E,38°34′ N)进行,位于民勤西沙窝,平均海拔1 378 m。当地在汉代以前曾有广阔的水域,汉代以来出现沙漠化,生态环境逐渐退化,现为连绵起伏的沙丘,地下水位深22~23 m,天然分布的植物以沙旱生的灌木、小灌木和草本植物为主,一般盖度在15%以下,乔木均为人工种植(常兆丰等, 2006)。

2 材料与方法 2.1 研究材料

民勤沙生植物园从1974年被中国科学院列为全国物候观测网点之一,本文运用1974—2009年观测的较有代表性的36种植物的物候观测资料(表 1)进行分析。物候观测采用《中国物候观测方法》(宛敏渭等, 1979),气象资料运用距物候观测区约1 km的民勤治沙综合试验站的气象观测场的观测资料。

表 1 民勤沙生植物园物候观测主要植物 Tab.1 Selected plant species for phenology observation in Minqin Botanical Garden
2.2 物候相划分

植被的外貌特征主要是由叶、花、果体现的。参照杨国栋等(2000)陈效逑等(2008)的研究成果,将民勤荒漠区植物的物候划分为以下5个物候相,即:1)活动期:从芽初膨大到落叶末期;2)绿色期:从展叶始期到叶黄始期;3)花色期:从开花始期到开花末期;4)挂果期:从开花末期到落果末期;5)秋色期:从叶初变色到落叶末期。

2.3 数据分析方法

分别统计每种植物各物候的平均发生日期,然后依据上述定义的各物候相的开始物候和结束物候,计算各物候相的平均持续日数;再按该物候开始候至结束候的顺序统计这些平均日期的出现频率,以累积频率≤25%,25%~75%和≥ 75%将各物候相再划分为早、中、晚3种情形(杨国栋等, 2000)。

物候频数的计算公式如下:

式中:fi为第i候序的物候频数,pj为第j植物在i候序出现的计数(出现计1,不出现计0),i为候序,i=13, 14, …, 68,j为植物序号,j=1, 2, …, 36;cfn为从第13候到第n候的累计物候频数,n为候序,n=13, 14, …, 68。

3 结果与分析 3.1 物候相的持续期特征

各物候相的开始日期、结束日期和持续日数见表 2。由表 2可见,全部观测植物平均活动期从3月末开始到10月底结束,持续7个月。在整个活动期中,绿色期最长,挂果期次长,花期最短,秋色期次短。

表 2 物候相平均持续日数 Tab.2 Average days of phenophase sustained

除杨柳科的新疆杨、二白杨、胡杨、旱柳、西沙柳,蔷薇科的杏和榆科的白榆是芽开放后先进入花色期外,多数植物则是芽开放后先进入绿色期。由于气温的原因,全部植物的芽膨大期和秋色期相对集中,而荒漠区不同植物的花色期和挂果期以及绿色期较为分散,因而这3个物候相不同植物之间相互重叠。秋色期除个别植物枝头上还残留有果实外,其他植物叶子变黄(图 1)。持续特征表现为:

图 1 民勤沙生植物园物候相谱系 Figure 1 Phenophase spectrum of plants in Minqin Botanical Garden

1) 从3月中、下旬芽膨大(最早3月11日),3月中旬到4月上旬芽开放(最早3月17日,平均4月10日),万木复苏,象征着春天的到来;

2) 从4月中、下旬开始展叶(最早4月6日),进入绿色期;5月中旬(新疆杨最早,3月23日)百花齐放,在绿色的背景上各色花盛开;

3) 7月中旬果实成熟(最早5月10日,平均7月26日),在绿色的背景上花、果、叶各色相嵌衬映;

4) 到了9月中下旬,各种植物渐渐进入叶变色期(最早9月10日),象征着一年一枯荣的秋天的到来。

3.2 物候相的组合特征 3.2.1 活动期物候相

按前述的数据处理方法划分各物候相为早、中、晚3种情形。植物活动期物候相特征如表 3,由表 3可以看出:

表 3 植物活动期物候相组合 Tab.3 Combination of phenophase on active period

1) 4号旱柳的芽膨大期早,而落叶末期晚,活动期最长;24号火炬树和36号芦苇的芽膨大期晚,但落叶末期早,因而活动期物候相最短。

2) 1号新疆杨、2号二白杨、8号白榆、16号紫花苜蓿和31号沙蒿的芽膨大期虽然也早,但它们的落叶末期都居中;12号荒漠锦鸡儿、13号柠条锦鸡儿、14号中间锦鸡儿、19号沙枣、21号连翘、33号梭梭的芽膨大期中,但落叶末期晚,因而活动期物候相较长。

3) 20号小叶白蜡和25号文冠果的芽膨大期居中,但落叶末期早;11号紫穗槐、18号枣、27号长穗柽柳、28号短穗柽柳和35号芍药的芽膨大期晚,但落叶末期中,因而这几种植物的活动期物候相较短。

3.2.2 绿色期物候相

植物的绿色期物候相特征如表 4,由表 4可以看出:

表 4 绿色期物候相组合 Tab.4 Combination of phenophase on green period

1) 3号胡杨和24号火炬树的展叶始期晚而叶变色期来得早,因而这2种植物的绿色期物候相最短。

2) 17号桑树、27号长穗柽柳和33号梭梭的展叶始期晚而叶变色期中;28号短穗柽柳的展叶始期中而叶始变色期早,因而这几种植物的绿色期物候相较短。

3) 12号荒漠锦鸡儿、19号沙枣、34号牡丹、36号芦苇的展叶始期中但叶始变色期晚,31号沙蒿的展叶始期早而叶始变色期中,因而这几种植物的绿色期物候相均较长。

3.2.3 花色期物候相

植物花色期物候相特征如表 5,由表 5可以看出:

表 5 花色期物候相组合 Tab.5 Combination of phenophase on flower color period

1) 只有3号胡杨的开花始期中而开花末期早,因而花色期物候相较短。

2) 其他植物为开花始期早的植物开花末期也早,开花始期晚的开花末期也晚。

3.2.4 挂果期物候相

植物挂果期物候相特征如表 6,由表 6可以看出:

表 6 挂果期物候相组合 Tab.6 Combination of phenophase on fruit bearing period

1) 5号旱柳和28号短穗柽柳的开花末期中,但落果末期早,因而挂果期物候相较短。9号国槐、24号火炬树和32号油蒿的开花末期晚,但落果末期居中(落果末期的观测资料不全),因而其挂果期物候相亦属较短。

2) 3号胡杨、7号杏和11号紫穗槐、19号沙枣、33号梭梭的开花末期早,但落果末期中,因而挂果期物候相较长。

3.2.5 秋色期物候相

植物挂果期物候相特征如表 7,由表 7可以看出:

表 7 秋色期物候相组合 Tab.7 Combination of phenophase on autumn color period

1) 36号芦苇的叶变色始期晚,落叶末期早,因而秋色期最短。

2) 11号紫穗槐、18号枣、19号沙枣、34号牡丹和20号小叶白蜡、25号文冠果的秋色期较短。

3) 3号胡杨、28号短穗柽柳和4号旱柳、13号柠条锦鸡儿、14号中间锦鸡儿、21号连翘、33号梭梭的秋色期较长。

4 结论

活动期、绿色期、花色期、挂果期和秋色期5个物候相持续日数长短不一,植物的活动期物候相持续日数平均为212天,绿色期物候相持续日数较长(159天),花期物候相持续日数最短(22天)。

活动期、绿色期、花色期、挂果期和秋色期5个物候相相互重叠,除少数植物是芽开放后先进入花色期外,多数植物则是芽开放后先进入绿色期,花色期、挂果期和绿色期3个物候相不同植物之间相互重叠。秋色期除个别植物枝头上还残留有果实外,其他植物叶子变黄。

旱柳于3月中旬萌动,落叶末期一直延迟到11月上旬,因而活动期物候相最长;而火炬树和芦苇直到4月中旬才萌动,因而活动期物候相最短;胡杨和火炬树于9月上、中旬就开始落叶,因而绿色期物候相最短;芦苇的绿色期一直延续到10月中下旬,因而秋色期物候相最短。

与他人有关中生植物物候相的研究报道相比,荒漠区不同植物的花色期以及挂果期差异很大,即有的植物3月下旬进入花色期,有的植物直到7月中、下旬进入花色期,有的植物4月中、上旬花色期结束,有的植物花色期可延续到9月中旬;挂果期也一样,一方面是挂果期的开始日期差异大,另一方面是挂果期的持续日期差异大。

在花色期物候相中,开花始期较早的植物,其开花末期也相对较早,挂果期物候相亦存在类似情况,表明植物的花色期和挂果期是相对恒定的,这也是其他文献没有报道过的。

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