中国亚热带和热带地区植物展叶和开花期的过程模拟与预测

Using leafing and flowering data of 3-5 tree species at more than 40 stations from 1981 to 2015 in China’s subtropics and tropics, and corresponding daily air temperature, photosynthetically active radiation, sunshine duration, rainfall and relative humidity data, we will fit several process-based spring phenology models (including existing and newly developed models). Then, we will select optimum models for each species-specific phenophase at each station to (1) assess whether leafing and flowering dates in subtropics and tropics are influenced by lack of chilling?; (2) examine whether the coupling effect of multiple meteorological factors（light, temperature and water availability）on leafing and flowering dates is better than the sole effect of temperature?; (3) identify whether the effect of meteorological and phenological rhythmicity coherence on leafing and flowering dates is better than the effect of preseason accumulative meteorological conditions?. Further, we will employ the optimum models at each station to reconstruct spatiotemporal patterns of leafing and flowering dates during 1961 to 2015. In addition, we will also apply the above optimum process-based phenology models to fit leafing and flowering dates of 20-30 tree species at the Xishuangbanna Tropical Botanical Garden for verifying the general applicability of optimum models.

利用我国亚热带和热带地区40多个站点1981-2015年3-5种树木的展叶日期和开花日期数据，及相应的逐日气温、光合有效辐射，日照时数，降雨量，相对湿度等气象数据，拟合多种春季物候过程模型（包括现有的和新开发的模型），并选择对应于每个站点、每种树木和每个物候期的最优模型，以评估亚热带和热带展叶日期和开花日期是否受到冷激不足的影响？；检验多种气象因子（光照、温度、水分）对展叶日期和开花日期的耦合影响是否优于温度的单独影响？；鉴别气象与物候节律相干性对展叶日期和开花日期的影响是否优于前期气象条件的累积影响？进而，利用单站最优模型重建1961-2015年展叶日期和开花日期的时空格局。此外，我们还将应用上述最优物候过程模型模拟西双版纳热带植物园20-30种树木的展叶日期和开花日期，以验证最优模型的普适性。

亚热带和热带植被的物候变化在调节全球碳循环和生物多样性保护方面起着重要的作用。本项目在广泛收集中国气象局农业气象监测网和中国生态系统研究网络的植物物候数据、群落凋落物数据和叶面积指数数据的基础上，主要开展了植物个体和群落物候与气象因子关系的统计分析和过程模拟研究，已取得的重要结果如下：1）在中国亚热带和热带地区，楝树的春季物候受到冬季和春季气温的共同影响，冬季气温的升高导致春季物候推迟（正影响），而春季气温的升高导致春季物候提前（负影响）。在所有站点上的芽始开放期、展叶始期和开花始期均受到春季气温的负影响，而仅分别在78%、54%、51%的站点上的芽始开放期、展叶始期和开花始期受到冬季气温的正影响，并且受到冬季气温正影响的站点数在较冷地区和较早的物候期大于在较暖地区和较晚的物候期。此外，春季物候对冬季和春季气温的正、负响应均在较暖的站点比在较冷的站点更加敏感。进一步的分析表明，冬季正影响阶段的平均气温越低，春季负影响阶段芽始开放期、展叶始期和开花始期发生所需的有效积温越少。这意味着春季负影响阶段的有效积温需求取决于冬季正影响阶段的温度状态。2）中国亚热带和热带6个常绿森林样地上实测叶面积指数（LAI）与GEOV3 PROBA-V 300m遥感LAI产品的拟合精度最佳，二者振幅和相位也较为一致；与GEOV2 PROBA-V 1km LAI产品的拟合精度次之；与MODIS 500m LAI产品的拟合精度最差。这3种遥感LAI 产品的误差估计都远小于实际的观测偏差，说明LAI产品中的不确定性被大大地低估。总体而言，卫星反演算法和空间分辨率在准确估算中国南方茂密林冠叶面积指数方面发挥着重要的作用。3）在1981-2014年期间，南美热带湿润森林生态区的平均生长季开始日期（SOS）以提前为主，结束日期（EOS）提前和推迟参半。对森林和稀树草原而言，前期降水量对SOS的影响比前期平均温度更为显著；而前期降水量和前期平均温度对EOS的影响同等重要。本研究验证了利用长时间序列LAI数据进行热带湿润森林生态区植被物候分析的可靠性。