馬博宇，趙常明，葛結(jié)林，徐文婷，熊高明，申國(guó)珍，謝宗強(qiáng)＊

1.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

植物物候觀測(cè)具有悠久的歷史。我國(guó)的物候觀測(cè)歷史可追溯到周初，即公元前11世紀(jì)，在氣象觀測(cè)儀器發(fā)明之前，勞動(dòng)人民因農(nóng)業(yè)需要，便通過(guò)觀察樹(shù)木抽芽發(fā)葉、開(kāi)花結(jié)果來(lái)判斷寒來(lái)暑往，隨后陸續(xù)留下記錄[1]。國(guó)際上，早在9世紀(jì)日本京都地區(qū)就開(kāi)始了櫻花開(kāi)花日期的記錄[2]，16世紀(jì)開(kāi)始出現(xiàn)大量的關(guān)于溫帶和北方樹(shù)種的較為完整的物候觀測(cè)記錄，并從19世紀(jì)開(kāi)始增加了許多熱帶樹(shù)種的觀測(cè)[3-4]。

近幾十年來(lái)，植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究越來(lái)越受到重視。大量研究表明，植物物候期的變化能敏感地指示氣候波動(dòng)。葛全勝等人基于地面監(jiān)測(cè)和遙感觀測(cè)的研究顯示，近幾十年來(lái)，持續(xù)的增溫使得全球不同區(qū)域植被的春季物候明顯提前，而秋季物候發(fā)生推遲[5-6]；Cleland等人研究發(fā)現(xiàn)，在氣候變暖背景下，大多數(shù)植物展葉期和開(kāi)花期提前，且越早開(kāi)花的植物春季物候期對(duì)溫度升高的響應(yīng)越強(qiáng)烈[7]；然而，Menzel和Jeong等人的研究結(jié)果則顯示，植物秋季物候期如葉黃期對(duì)氣候變化的響應(yīng)無(wú)明顯的一致性趨勢(shì)[8-9]。通過(guò)這種植物對(duì)自然環(huán)境變化的適應(yīng)，可以明確植物生長(zhǎng)的季節(jié)性節(jié)律，了解全球氣候變化下生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)情況。為了深入研究物候?qū)W以及全球氣候變化，長(zhǎng)期的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)是十分必要的。

植被物候觀測(cè)手段主要包括傳統(tǒng)的人工觀測(cè)和衛(wèi)星遙感影像分析兩種。人工觀測(cè)是植被物候研究領(lǐng)域長(zhǎng)期采用的方法，采用一定的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，記錄群落內(nèi)關(guān)鍵或優(yōu)勢(shì)種在種群或個(gè)體水平上的年內(nèi)和年際生長(zhǎng)節(jié)律變化[10]，能夠最為直觀、準(zhǔn)確的得到植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中各個(gè)階段的物候信息[11-12]。然而，人工觀測(cè)的結(jié)果容易受觀測(cè)者主觀因素影響，且人工觀測(cè)所能實(shí)現(xiàn)的地理區(qū)域和植物數(shù)量有限，在較大尺度和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)植物物候變化方面存在困難和不確定性[13]。

隨著光學(xué)傳感器及遙感技術(shù)的發(fā)展，物候研究逐漸發(fā)展出了包括近地遙感和衛(wèi)星遙感的光譜特征等多種觀測(cè)方法[14-15]。近地面遙感資料和衛(wèi)星遙感影像為區(qū)域到全球尺度上的植被物候研究提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)可以為生態(tài)站點(diǎn)人工物候觀測(cè)數(shù)據(jù)提供重要的補(bǔ)充[16]，兼具連續(xù)觀測(cè)、覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)。然而受空間分辨率的限制，遙感觀測(cè)難以識(shí)別不同植被群落和物種間的物候差異，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)物候期的精細(xì)觀測(cè)（如展葉期、開(kāi)花期）[17]，分析結(jié)果的不確定性比較大，因此多用于觀測(cè)較大尺度范圍內(nèi)（百米至千米）的植被物候狀況[18-19]。為了準(zhǔn)確把握神農(nóng)架站站區(qū)在區(qū)域尺度上的物候情況，選擇人工物候觀測(cè)方法。

神農(nóng)架地區(qū)位于湖北省西部，是我國(guó)中亞熱帶與北亞熱帶過(guò)渡地帶，也是我國(guó)中部山地與東部丘陵山地的過(guò)渡地帶，該區(qū)地處秦巴山地常綠落葉闊葉天然林生態(tài)區(qū)，以北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林為主，代表了秦巴山地地帶性森林生態(tài)系統(tǒng)類型。中國(guó)科學(xué)院神農(nóng)架生物多樣性定位研究站暨湖北神農(nóng)架國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（以下簡(jiǎn)稱神農(nóng)架站）所在地海拔1290 m，年平均氣溫10.6℃，年降水量1306-1722 mm。神農(nóng)架站綜合觀測(cè)場(chǎng)海拔1650 m，植被類型為常綠落葉闊葉混交林，植物群落高達(dá)25 m，群落結(jié)構(gòu)由喬木層、灌木層、草本層以及層間植物組成，群落蓋度約90%。喬木層主要由米心水青岡（Fagus engleriana）、多脈青岡（Cyclobalanopsis multinervis）、曼青岡（Cyclobalanopsis oxyodon）、短柄枹櫟（Quercus serratavar.brevipetiolata）、粉白杜鵑（Rhododendron hypoglaucum）、四照花（Cornus kousasubsp.chinensis）、槭樹(shù)（Acerssp.）等組成，高度4-25 m，蓋度約90%；灌木層主要由箭竹（Fargesia spathacea）、箬竹（Indocalamus tessellatus）、喬木幼樹(shù)等組成，高度1-4 m，蓋度約60%；草本層主要由莎草科、禾本科、以及蕨類等植物組成，高度0.5 m左右，蓋度約15%；層間植物包括五風(fēng)藤（Holboellia angustifolia）、獼猴桃（Actinidiassp.）、菝葜（Smilaxssp.）、鐵線蓮（Clematisssp.）等藤本植物，高度從林下的0.5 m到林冠的20 m不等。該森林生態(tài)系統(tǒng)為成熟林，正處于頂極演替階段。

本文介紹了神農(nóng)架站綜合觀測(cè)場(chǎng)2009-2018年的植物人工物候觀測(cè)數(shù)據(jù)集，選擇常綠落葉闊葉混交林喬木層、灌木層和草本層的17種優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行物候觀測(cè)，能夠較好地反映區(qū)域尺度下的植物物候與環(huán)境之間的關(guān)系，旨在為我國(guó)典型生態(tài)站區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況提供參考和數(shù)據(jù)支持，可用于以站點(diǎn)為基礎(chǔ)的物候變化分析和氣候變化研究。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)自于神農(nóng)架站綜合觀測(cè)場(chǎng)植物物候觀測(cè)點(diǎn)2009-2018年的物候觀測(cè)。木本植物方面，自2009年起，對(duì)神農(nóng)架常綠落葉闊葉混交林的建群種米心水青岡、多脈青岡、短柄枹櫟，以及群落優(yōu)勢(shì)種粉白杜鵑、四照花、短柱柃、貓兒刺以及卷毛梾木進(jìn)行物候觀測(cè)。2010年起增加兩個(gè)灌木植物物候觀測(cè)對(duì)象，分別為灌木層分布面積較廣的主要植物箭竹，以及地帶性植物宜昌莢蒾。草本植物方面，選擇具有地域代表性的地帶性植物黃水枝、七葉鬼燈檠、卵葉報(bào)春自2009年開(kāi)始進(jìn)行物候觀測(cè)，2010年起根據(jù)草本分布狀況增加普通鹿蹄草、三枝九葉草、茜草、蕺菜4個(gè)觀測(cè)對(duì)象。所選擇的植物物候觀測(cè)點(diǎn)位于自然保護(hù)區(qū)的中心地帶，人類活動(dòng)很少，影響程度較輕，較好地保持了自然狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取方法

人工物候觀測(cè)方法參考《中國(guó)物候觀測(cè)方法》以及《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測(cè)規(guī)范》[10-11]。選擇地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，有連續(xù)氣象、水文、生物和土壤要素觀測(cè)的樣地，在觀測(cè)期內(nèi)，選取森林群落內(nèi)的10個(gè)喬、灌木優(yōu)勢(shì)種和7個(gè)草本優(yōu)勢(shì)種每天觀測(cè)。植物物候現(xiàn)象通常出現(xiàn)在高溫之后，所以除早上出現(xiàn)的物候現(xiàn)象外，觀測(cè)時(shí)間下午1-2時(shí)居多。木本植物采用單株觀測(cè)法，每個(gè)種確定3-5株為觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行觀測(cè)，并做好標(biāo)記；草本植物采用種群觀測(cè)法，確定3-5個(gè)定點(diǎn)樣方進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于若干株同種植物，將所有的觀測(cè)植株作為總體進(jìn)行物候觀測(cè)，超過(guò)半數(shù)植株達(dá)到某個(gè)物候期，則是到了某個(gè)物候期。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本數(shù)據(jù)集的原始數(shù)據(jù)為神農(nóng)架生物多樣性定位研究站10種木本和7種草本優(yōu)勢(shì)種2009-2018年的人工物候觀測(cè)數(shù)據(jù)，即各物候現(xiàn)象出現(xiàn)日期。采用序日（Day of the Year，DOY）換算方法，將逐年物候現(xiàn)象出現(xiàn)日期轉(zhuǎn)換成距當(dāng)年 1月 1日的實(shí)際天數(shù)，得到各物種物候期的時(shí)間序列。應(yīng)用Sigmaplot 12.5軟件，將木本植物與草本植物各物候現(xiàn)象的時(shí)間序列分別繪制成點(diǎn)線圖，表明各物候期的逐年變化趨勢(shì)，如圖1和圖2所示。

圖1 草本植物物候期時(shí)間序列

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包含2009-2018年17個(gè)物種的人工物候觀測(cè)記錄。木本子集由10個(gè)森林群落中優(yōu)勢(shì)喬、灌木物種組成，共有數(shù)據(jù)記錄97條，主要記錄了芽開(kāi)放期、展葉期、開(kāi)花始期、開(kāi)花盛期、果實(shí)或種子成熟期、葉秋季變色期和落葉期等物候信息；草本子集由7個(gè)優(yōu)勢(shì)草本物種組成，共有數(shù)據(jù)記錄66條，主要記錄了萌動(dòng)期（返青期）、開(kāi)花期、果實(shí)或種子成熟期、種子散布期和黃枯期等物候信息。兩個(gè)數(shù)據(jù)子集的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1和表2。

數(shù)據(jù)表中生態(tài)站代碼SNF的含義：前2個(gè)字母S、N分別是生態(tài)站名字前兩個(gè)字的拼音首字母Shennong的大寫(xiě)，第3個(gè)字母F表示生態(tài)站類型為森林。樣地代碼SNFZQ01A00_02的含義：SNF為生態(tài)站代碼，ZQ01表示樣地類型為站區(qū)調(diào)查點(diǎn)序號(hào)01，A00表示在該觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行生物觀測(cè)（若該觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行生物、土壤和水分觀測(cè)則為ABC），尾部數(shù)字02表示該樣地為破壞性采樣地（01表示永久樣地）。

圖2 木本植物物候期時(shí)間序列

表1 木本植物物候觀測(cè)數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù)類型 實(shí)例生態(tài)站代碼 字符 SNF年 日期 2009樣地代碼 字符 SNFZQ01A00_02樣地名稱 字符 神農(nóng)架站站區(qū)植物物候觀測(cè)點(diǎn)樣地類別 字符 站區(qū)調(diào)查點(diǎn)植物種名 字符 米心水青岡拉丁名 字符 Fagus engleriana Seem.芽開(kāi)放期（年/月/日） 日期 2009/04/06葉芽開(kāi)放期序日 數(shù)字 95展葉期（年/月/日） 日期 2009/04/25展葉期序日 數(shù)字 114開(kāi)花始期（年/月/日） 日期 2009/04/15開(kāi)花始期序日 數(shù)字 104開(kāi)花盛期（年/月/日） 日期 2009/05/04開(kāi)花盛期序日 數(shù)字 123果實(shí)或種子成熟期（年/月/日） 日期 2009/09/10果實(shí)或種子成熟期序日 數(shù)字 252葉秋季變色期（年/月/日） 日期 2009/09/10葉秋季變色期序日 數(shù)字 252落葉期（年/月/日） 日期 2009/10/02落葉期序日 數(shù)字 274備注 字符

表2 草本植物物候觀測(cè)數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù)類型 實(shí)例開(kāi)花期（年/月/日） 日期 2009/05/04開(kāi)花期序日 數(shù)字 123果實(shí)或種子成熟期（年/月/日） 日期 2009/06/01果實(shí)或種子成熟期序日 數(shù)字 151種子散布期（年/月/日） 日期 2009/06/01種子散布期序日 數(shù)字 151黃枯期（年/月/日） 日期 2009/09/02黃枯期序日 數(shù)字 244備注

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

為了提高人工物候觀測(cè)數(shù)據(jù)集的精度和質(zhì)量，本數(shù)據(jù)集采取以下4個(gè)方面的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制措施：

（1）參考《中國(guó)物候觀測(cè)方法》[20]以及《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測(cè)規(guī)范》[10]，選擇具有區(qū)域代表性的觀測(cè)樣地，制定明確的人工物候觀測(cè)技術(shù)方法。結(jié)合神農(nóng)架站綜合觀測(cè)場(chǎng)的環(huán)境狀況以及常綠落葉闊葉混交林的植物種類，觀測(cè)對(duì)象涵蓋喬木、灌木、草本三類，均為綜合觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)具有代表性的優(yōu)勢(shì)物種。

（2）查閱書(shū)籍結(jié)合實(shí)地考察，明確綜合觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的植物種類和觀測(cè)對(duì)象的識(shí)別特征，系統(tǒng)總結(jié)植物各個(gè)物候期的特征和判斷方法，同時(shí)盡量做到相同人員長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，以減少主觀因素帶來(lái)的誤差，保證物候數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）對(duì)記錄的物候期數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)審核，對(duì)物候數(shù)據(jù)中物種中文名、拉丁名等重要數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行規(guī)范和復(fù)查，避免錯(cuò)誤。同時(shí)對(duì)比逐年數(shù)據(jù)，檢查疑似異常值，核對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。其中，多脈青岡、粉白杜鵑、貓兒刺、短柱柃等常綠樹(shù)種，沒(méi)有明顯或整齊的秋季變色期和落葉期，一般在春季換葉；箭竹為林下優(yōu)勢(shì)常綠灌木，沒(méi)有明顯的秋季變色期和落葉期，一般50-60年甚至上百年才開(kāi)一次花，因此開(kāi)花、結(jié)實(shí)的物候很難觀測(cè)到；卵葉報(bào)春、普通鹿蹄草、三葉九枝草、茜草為多年生草本，冬季有常綠葉片，因此沒(méi)有明確的黃枯期。特殊情況（如小年未見(jiàn)結(jié)實(shí)等）已在備注中標(biāo)明。

（4）人工物候觀測(cè)數(shù)據(jù)除了記錄物候現(xiàn)象出現(xiàn)日期外，采用序日換算方法，將木本和草本優(yōu)勢(shì)種各物候期時(shí)間序列繪制成點(diǎn)線圖，便于后續(xù)分析和使用，如圖1和圖2所示，物候期的逐年變化趨勢(shì)較為清晰明了，且與前人研究結(jié)果相比一致，數(shù)據(jù)集成果具有可信度。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集收錄了神農(nóng)架站綜合觀測(cè)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物物種的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，可為以區(qū)域尺度或物種水平為單位的物候研究提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外，可以結(jié)合溫度、降水等環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)及其反饋機(jī)制，為氣候變化、碳循環(huán)等方面的研究提供數(shù)據(jù)支持。本數(shù)據(jù)集對(duì)比了逐年物候期變化并繪制成點(diǎn)線圖，可以結(jié)合環(huán)境、氣候變化分析物候變化趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)因素，也可以通過(guò)物候變化來(lái)反映區(qū)域環(huán)境變化。