王 靜， 常 青,*， 柳冬良

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 觀賞園藝與園林系, 北京 100193； 2. 北京市氣象局, 北京 100089)

早春草本植物開(kāi)花物候期對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)
——以北京市為例

王 靜1， 常 青1,*， 柳冬良2

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 觀賞園藝與園林系, 北京 100193； 2. 北京市氣象局, 北京 100089)

植物物候?qū)Τ鞘谢捻憫?yīng)是全球變化與城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容。2012 年3 月到6 月，結(jié)合氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)北京市西北向城市化梯度上7種早春草本植物開(kāi)花物候期進(jìn)行觀測(cè)與研究，發(fā)現(xiàn)溫度因子和早春草本植物開(kāi)花物候期均隨城市化梯度發(fā)生變化，即越靠近城市中心區(qū)，溫度和積溫累計(jì)值越高；早春草本植物開(kāi)花物候期出現(xiàn)時(shí)間越早，平均提前2—4 d；但開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間與開(kāi)花速率并不隨城市化梯度發(fā)生明顯變化。此外，研究發(fā)現(xiàn)北京市7 種早春草本植物開(kāi)花期對(duì)5℃積溫變化響應(yīng)最為敏感；開(kāi)花期提前時(shí)間梯度變化顯著性與生活型密切關(guān)聯(lián)，多年生草本植物對(duì)城市化梯度變化的響應(yīng)比一年生或一二年生草本植物明顯。未來(lái)城市植物物候期研究中，應(yīng)更關(guān)注城市化進(jìn)程中土地利用/覆被變化與熱島效應(yīng)對(duì)城市氣候及植物生理生態(tài)特征的累積影響特征，以期進(jìn)一步揭示植物物候期對(duì)城市化及氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。

城市化梯度; 早春草本植物; 開(kāi)花物候期; 響應(yīng); 熱島效應(yīng)

城市化[1]和全球氣候變化[2- 3]是20 世紀(jì)以來(lái)人類(lèi)發(fā)展的兩大特征。以熱島效應(yīng)為主要特征的城市氣候變化對(duì)全球環(huán)境演變、生物群落以及人類(lèi)健康具有重要影響[3- 5]。生物物候變化作為指示氣候等環(huán)境變化的綜合指標(biāo), 不但能直觀指示長(zhǎng)期氣溫及自然季節(jié)變化, 而且能表現(xiàn)動(dòng)植物對(duì)自然環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)特征[1, 3, 6- 7]。在這種背景下, 植物物候?qū)θ蜃兣俺鞘谢捻憫?yīng)成為全球變化研究關(guān)注的熱點(diǎn)[3- 4, 7- 8]與城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外早期對(duì)植物物候變化的研究，主要集中于長(zhǎng)期區(qū)域氣候變化與植物物候變化的響應(yīng)方面。自1960 年，全球早春生物物候出現(xiàn)和春季開(kāi)始時(shí)間均隨全球變暖逐漸提前[3]。Badeck等指出，春季平均氣溫升高可加速植物生長(zhǎng)發(fā)育，歸一化植被指數(shù)顯示春季植物返青期隨全球變暖趨勢(shì)提前[9]。Menzel研究發(fā)現(xiàn)，1950 年以來(lái)，歐美地區(qū)植物開(kāi)花和展葉日期每十年提前1.2—3.8 d[10]。國(guó)內(nèi)方面，1983—2002 年，內(nèi)蒙古草原地區(qū)羊草物候期隨年均溫升高顯著提前[11]。近30 年來(lái)北京頤和園地區(qū)春季、夏季開(kāi)始日期提前，冬季開(kāi)始日期推后都與前一階段氣溫變化有關(guān)[12]。白潔等發(fā)現(xiàn)，自1978 年，貴陽(yáng)市木本植物春季物候期均呈提前趨勢(shì)，而秋季物候期呈推遲趨勢(shì)；春季物候期與當(dāng)月和上月均溫相關(guān)關(guān)系最顯著；其中，2 月均溫，2、3 月日照時(shí)數(shù)是影響春季物候期的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。1980—2004 年，河西走廊東部多數(shù)木本植物春季物候期提前、秋季物候期推遲，而一年生草本植物春、夏季物候期均提前、秋季物候期推后不顯著；一年生草本植物春季物候期提前檢驗(yàn)信度高于木本植物，秋季物候期推遲檢驗(yàn)信度低于木本植物，揭示了木本植物和一年生草本植物物候期對(duì)氣候變化的敏感性與差異性[13]。

近年，隨著城市化進(jìn)程加快，國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物物候?qū)Τ鞘谢憫?yīng)的研究日益增加。黃銀曉等對(duì)比北京市1982—1985 年間9 種喬木、灌木物候期發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)季節(jié)城市化程度高的工業(yè)區(qū)月均溫比游覽區(qū)高0.5—4 ℃，生長(zhǎng)期比游覽區(qū)提前10—15 d開(kāi)始，晚15—17 d結(jié)束[14]。1900—1999 年AVHRR影像數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)東部闊葉林植物在市區(qū)植被生長(zhǎng)周期比郊區(qū)長(zhǎng)約7.6 d[15]。2001 年中分辨率遙感影像MODIS數(shù)據(jù)顯示北美中高緯度地區(qū)城市內(nèi)植被返青期比郊區(qū)提前4—9 d，休眠期推遲2—16 d[16]；在華盛頓—費(fèi)城—紐約一帶城鄉(xiāng)梯度上，市區(qū)植物返青期比郊區(qū)提前7 d，休眠期推遲8 d[17]。Ziska等2003 年分析美國(guó)馬里蘭州城鄉(xiāng)梯度上豚草生長(zhǎng)期差異發(fā)現(xiàn)，同一時(shí)間內(nèi)從農(nóng)村到市中心，溫度和二氧化碳濃度都呈遞增趨勢(shì)，相應(yīng)的豚草生長(zhǎng)、開(kāi)花和衰亡期提前、地上生物量和花粉量增加，而且越接近市中心開(kāi)花時(shí)間提前越早[18]。陳朱2010 年通過(guò)對(duì)上海市5 種喬木物候期觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，城區(qū)內(nèi)喬木物候期比郊區(qū)最多提前35 d；城市景觀格局特征對(duì)城區(qū)植物物候期具重要影響[19]。

綜上，目前有關(guān)植物物候?qū)夂蜃兓c城市化響應(yīng)的研究，方法常通過(guò)遙感信息模型進(jìn)行綜合表征或采用喬木物候期觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于草本植物物候期變化響應(yīng)研究較少；內(nèi)容集中在物候期變化時(shí)間的時(shí)空異質(zhì)性，偶見(jiàn)關(guān)注植物種類(lèi)對(duì)氣候變化及城市化響應(yīng)差異的研究，但有研究表明一年生草本植物春季物候期提前檢驗(yàn)信度高于木本植物[13]。鑒于此，本文選擇早春草本植物為研究對(duì)象，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)，研究其春季開(kāi)花物候在北京城市化梯度上的變化特征，分析不同種類(lèi)早春草本植物開(kāi)花物候期對(duì)城市化進(jìn)程響應(yīng)的差別性，進(jìn)而探討早春草本植物對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)豐富城市化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究、揭示城市化及氣候變化對(duì)局地物候的影響研究具有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原與太行山、燕山山脈交匯處，華北平原西北邊緣區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯39°28′ 至41°05′，東經(jīng)115°25′ 至117°30′。屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥風(fēng)沙盛行，夏季炎熱多雨，秋季晴朗涼爽，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫12.8 ℃，多年平均降水量528 mm。

北京作為中國(guó)的首都，是一個(gè)綜合性特大城市。改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)和人口高速增長(zhǎng)時(shí)期，1978—2011 年GDP 從108. 8 億元增加到16251.9 億元，人口從871. 5 萬(wàn)增加到2018.6 萬(wàn)[20]。同時(shí)，北京出現(xiàn)了以大規(guī)模土地利用/覆蓋變化為主要特征的城市化進(jìn)程[21]，這不僅使城市建成區(qū)面積從346 km2(1981 年)增加到1231.3 km2(2011 年)[20]，而且影響城市氣候。1975—1997 年，北京城鎮(zhèn)用地重心呈現(xiàn)向西北方向擴(kuò)展的趨勢(shì)[21]；同期城市熱島也由中心區(qū)不斷向外圍擴(kuò)張，西北向上的海淀地區(qū)熱島強(qiáng)度增加近0.6 ℃[22]。北京城市化進(jìn)程及其對(duì)城市氣候的影響，在空間上具有明顯梯度變化特征[22- 23]。

2 研究方法

2.1 樣地的選擇與設(shè)置

城市用地類(lèi)型、空間布局[19,24]與植被覆蓋度等用地特征[25- 26]對(duì)地表溫度具顯著影響，從而影響植物物候。為減少這些因素引起局地地表溫度驟變，本研究選擇面積較大、植被覆蓋度較高的城市綠地作為早春草本植物物候期觀測(cè)對(duì)象。根據(jù)北京城市化及熱島效應(yīng)發(fā)展特征[21- 22]，沿西北條帶從中心區(qū)到五環(huán)外選擇7 個(gè)綠地作為典型樣地采樣區(qū)(表1)。然后，采用固定樣地和隨機(jī)樣地結(jié)合方式按照以下兩個(gè)原則：(1)外圍50 m×50 m范圍內(nèi)硬質(zhì)鋪裝和植物覆蓋面積相當(dāng)，在水面較大的綠地，樣地選擇距離水面50 m以上；(2)具類(lèi)似的群落結(jié)構(gòu)、光照、土壤水分、土壤質(zhì)地等環(huán)境條件和相當(dāng)?shù)娜斯す芾泶胧?，盡量排除其他環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。共選取樣地37 個(gè)。在每塊樣地上，根據(jù)其大小，設(shè)置3—10 個(gè)樣方(1 m×1 m)，共176 個(gè)，進(jìn)行早春草本植物種類(lèi)調(diào)查及物候期觀測(cè)。

表1 樣地及其主要特征

2.2 代表性早春草本植物篩選

2012 年3 月，對(duì)選取的37 個(gè)樣地內(nèi)176 個(gè)樣方進(jìn)行早春草本植物種類(lèi)調(diào)查。對(duì)每個(gè)樣方，估計(jì)早春草本植物總蓋度、測(cè)量群落最大高度，記錄每個(gè)物種種名并估計(jì)其株數(shù)、出現(xiàn)頻度和蓋度。

通過(guò)公式1[27]計(jì)算每種早春草本植物的重要值，按表2 劃分其重要性級(jí)別，并據(jù)此篩選代表性早春草本植物，進(jìn)行后期物候期觀測(cè)。

(1)

式中，Vi為i早春草本植物的重要值，n為調(diào)查樣地內(nèi)早春草本植物種類(lèi)總數(shù)，Si、Fi、Ci分別為i早春草本植物在調(diào)查樣地內(nèi)的株數(shù)、出現(xiàn)頻度和蓋度。

表2 早春草本植物重要性分級(jí)

2.3 物候期觀測(cè)及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法

城市化引發(fā)的熱島效應(yīng)不僅使局地地表溫度升高，而且影響程度因季節(jié)而異，其中，夏秋兩季最強(qiáng)，冬季最弱，春季較為平穩(wěn)[28]。鑒于此，本研究選擇在2012 年3—6 月間，采用隔天觀察法對(duì)選定樣地內(nèi)的早春草本植物的開(kāi)花物候期進(jìn)行調(diào)查，用蓋度估測(cè)法劃分開(kāi)花物候期并按Julian日換算法記錄[29]。在觀測(cè)過(guò)程中，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)及時(shí)審查和校正。若某樣方與同一樣地內(nèi)其他樣方記錄的數(shù)據(jù)相差過(guò)大，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，采用臨近樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為表征春季早春草本植物開(kāi)花物候期的變化特征，本研究以五環(huán)外兩個(gè)綠地中植物平均開(kāi)花期為對(duì)照值，按公式2—4 計(jì)算各綠地內(nèi)早春草本植物開(kāi)花物候期的變化時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和開(kāi)花速率。

(2)

Fi=fei-fsi

(3)

式中,Fi是綠地i內(nèi)早春草本植物開(kāi)花物候期持續(xù)時(shí)間，fei是綠地i內(nèi)早春草本植物開(kāi)花末期出現(xiàn)時(shí)間，fsi是開(kāi)花始期出現(xiàn)時(shí)間。

(4)

式中，Vi為綠地i內(nèi)早春草本植物的開(kāi)花速率，pmi為早春草本植物開(kāi)花盛期開(kāi)花數(shù)量百分比，fmi是綠地i內(nèi)早春草本植物開(kāi)花盛期出現(xiàn)時(shí)間，fsi同上。

2.4 溫度數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

采用2012 年2—5 月北京市西北向上10 個(gè)氣象站日均溫?cái)?shù)據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)植物各開(kāi)花物候期對(duì)應(yīng)時(shí)期的活動(dòng)積溫(0、5、10度)與前1 個(gè)月、2 個(gè)月的平均溫度。然后基于Surfer軟件平臺(tái)計(jì)算獲取7 個(gè)典型綠地對(duì)應(yīng)的活動(dòng)積溫與月均溫?cái)?shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 早春草本植物種類(lèi)調(diào)查與篩選

在選取的7 個(gè)綠地中，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，草本植物的種類(lèi)涉及37 科、96 屬、116 種，主要分布在菊科、唇形科等。根據(jù)重要值，選取7 種早春草本植物作為代表性種類(lèi)(表3)。其中，紫花地丁(Violaphillipina)、附地菜(Trigonotispeduncularis)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、斑種草(Bothriospermumchinense)、抱莖苦荬菜(Lxerissonchifolia)、薺菜(Capsellabursa-pastoris)6 種植物的重要值>0.01，二月蘭(諸葛菜Orychophragmusviolaceus)重要值雖居中，但在樣地中出現(xiàn)頻度較高。此結(jié)果與趙娟娟等[30]、孟雪松等[27]對(duì)北京市區(qū)草本植物種類(lèi)調(diào)查研究結(jié)果一致。

3.2 早春草本植物開(kāi)花物候期出現(xiàn)時(shí)間變化特征

與對(duì)照值相比，五環(huán)內(nèi)各綠地早春草本植物開(kāi)花物候期均出現(xiàn)提前于五環(huán)外的趨勢(shì)(表4)。為揭示早春草本植物開(kāi)花物候期在城市化梯度上的變化特征，本文以7 種早春草本植物開(kāi)花物候期的平均提前時(shí)間為縱坐標(biāo)、以7 個(gè)綠地的空間位置為橫坐標(biāo)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析。

表3 北京市7種代表性早春草本植物的主要特征

表4 調(diào)查綠地內(nèi)7種早春草本植物的平均開(kāi)花物候期

圖1顯示，北京市中心區(qū)到五環(huán)外，早春草本植物開(kāi)花物候期提前時(shí)間與城市化梯度具明顯線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.7。其中，開(kāi)花末期隨城市化梯度變化趨勢(shì)最為明顯(斜率=-1.07)，隨后是開(kāi)花始期(斜率=-0.76)、開(kāi)花盛期(斜率=-0.69)，五環(huán)內(nèi)比五環(huán)外分別平均提前4 d以上、4 d左右和3 d左右?？梢?jiàn)，受城市化及其內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)影響，城市中心區(qū)早春草本植物開(kāi)花物候期出現(xiàn)時(shí)間明顯比外圍郊區(qū)提前；而且，越靠近中心區(qū)，開(kāi)花物候期出現(xiàn)時(shí)間越早，呈顯著梯度變化特征。

圖1 早春草本植物開(kāi)花期平均提前時(shí)間在城市化梯度上的變化趨勢(shì)Fig.1 The change of average advanced time of the flowering phonological in the urbanization gradientBH為北海公園；JS為景山公園；TRT為陶然亭公園；RDH為人定湖公園； PKU北京大學(xué)校園綠地；SC為樹(shù)村郊野公園；SD為上地公園

3.3 早春草本植物開(kāi)花物候期持續(xù)時(shí)間和開(kāi)花速率變化特征

經(jīng)計(jì)算，各綠地中7 種早春草本植物開(kāi)花物候期持續(xù)時(shí)間和開(kāi)花速率平均值如圖2 所示。在7 個(gè)綠地中，早春草本植物開(kāi)花物候期平均持續(xù)時(shí)間在28—31 d范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，平均值為29.1 d(圖2)。其中，五環(huán)外綠地中早春草本植物開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，北海公園和三、四環(huán)附近綠地中早春草本植物開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間較短；各綠地內(nèi)早春草本植物平均開(kāi)花速率在0.04—0.06 之間，平均值為0.05?？梢?jiàn)，早春草本植物開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短和平均開(kāi)花速率在城市化梯度上沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)。

圖2 早春草本植物開(kāi)花物候期平均持續(xù)時(shí)間和平均開(kāi)花速率在城市化梯度上的變化趨勢(shì)Fig.2 The change of the average duration of flowering and the average flowering rate in the urbanization gradient

以上分析表明，北京市早春草本植物開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間和開(kāi)發(fā)速率隨城市化梯度變化的趨勢(shì)并不顯著。那么，不同種類(lèi)早春草本植物開(kāi)花物候期變化時(shí)間的響應(yīng)是否異同呢？

3.4 不同早春草本植物開(kāi)花物候期對(duì)城市化梯度的響應(yīng)差異

本文分別以每種植物在城市化梯度上開(kāi)花物候期平均提前時(shí)間為縱坐標(biāo)，以7 個(gè)綠地空間位置為橫坐標(biāo)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，并將二者的線(xiàn)性回歸相關(guān)系數(shù)(R2)從大到小排序。圖3 顯示，從北京市中心區(qū)到五環(huán)外城市化梯度上，紫花地丁、蒲公英、抱莖苦荬菜3種植物開(kāi)花物候期平均提前時(shí)間隨城市化梯度變化的趨勢(shì)明顯，線(xiàn)性回歸斜率均在-1.5 以下，R2均大于0.65，抱莖苦荬菜開(kāi)花期平均提前最多，五環(huán)內(nèi)比五環(huán)外提前5—10 d左右；斜率為-2.18；其次為紫花地丁和蒲公英，平均提前時(shí)間分別為7 d和5 d左右，其中蒲公英開(kāi)花期平均提前時(shí)間隨城市化梯度變化的線(xiàn)性趨勢(shì)最明顯，R2為0.96。與前三者相比，斑種草開(kāi)花期平均提前時(shí)間隨城市化梯度變化的趨勢(shì)明顯減弱，平均提前2 d左右，R2僅為0.45，斜率為-0.76。而其他3種植物(二月蘭、薺菜、附地菜)的開(kāi)花期提前時(shí)間并不隨城市化梯度顯著變化，R2均小于0.1；其中，二月蘭和薺菜最不明顯，斜率僅為0.01 和0.06，R2小于0.01，開(kāi)花期平均提前時(shí)間在城市梯度上基本保持上下波動(dòng)。

為進(jìn)一步分析這一響應(yīng)機(jī)制，本文對(duì)7 種早春草本植物開(kāi)花物候期與城市化梯度的變化斜率進(jìn)行聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)7 種早春草本植物基本按生活型劃分為兩類(lèi)(圖4)。3種多年生草本植物(紫花地丁、蒲公英和抱莖苦荬菜)為一類(lèi)，它們的開(kāi)花物候期變化從五環(huán)外到中心區(qū)逐漸提前趨勢(shì)最顯著。其他四種草本植物分為一類(lèi)，開(kāi)花物候期變化不具明顯的梯度變化特征，其中，二月蘭與薺菜為十字花科一二年生植物，斑種草和附地菜屬紫草科，斑種草屬一二年生植物，附地菜屬一年生植物。說(shuō)明城市化對(duì)于早春草本植物物候期的影響因植物生活型而異。可能由于多年生草本植物在冬季多以地下莖或根進(jìn)入休眠狀態(tài)，容易受到城市熱島效應(yīng)的累積影響，越靠近熱島中心區(qū)，其物候期出現(xiàn)越早；而其他草本植物往往在1—2a內(nèi)發(fā)芽、開(kāi)花、結(jié)果、然后死亡，其生長(zhǎng)發(fā)育受限于前一年局地溫度的變化，因此隨城市化梯度上熱島影響不顯著。這一研究結(jié)果與Ziska等[18]、白潔等[8]的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步證明植物物候期變化主要受到周?chē)h(huán)境積溫變化影響[7]。

4 城市化進(jìn)程中早春草本植物開(kāi)花物候期與溫度的關(guān)系

4.1 與積溫關(guān)系的討論

北京市春季植物物候出現(xiàn)時(shí)間受春季溫度變化的影響，且與生長(zhǎng)季節(jié)積溫相關(guān)[31]。為進(jìn)一步揭示積溫對(duì)早春草本植物開(kāi)花物候期的影響機(jī)制，本文在7 個(gè)典型綠地中隨機(jī)抽取3 個(gè)綠地(北海公園、陶然亭公園、北京大學(xué)校園綠地)，利用SPSS軟件分析

圖3 不同早春草本植物開(kāi)花物候期平均提前時(shí)間在城市化梯度上的變化趨勢(shì)Fig.3 The change of average advanced time of the flowering phonological of difference early spring herb in the urbanization gradient

圖4 早春草本植物開(kāi)花物候期變化響應(yīng)特征的聚類(lèi)分析Fig.4 Cluster analysis of the change of flowering phonological of early spring herb

表5 3 塊綠地中不同植物與積溫的相關(guān)關(guān)系

4.2 與城市化梯度上溫度因子關(guān)系的討論

為進(jìn)一步了解城市化梯度上早春草本植物開(kāi)花物候期與溫度因子的關(guān)系，本研究選取影響早春草本植物開(kāi)花物候期最顯著的5℃積溫與各開(kāi)花物候期前1 個(gè)月、2 個(gè)月平均溫度，利用SPSS軟件分析它們?cè)诔鞘谢荻壬系淖兓厔?shì)和與開(kāi)花物候期提前時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。分析顯示(表6)5℃積溫與各開(kāi)花物候期前1 個(gè)月、2 個(gè)月平均溫度在城市化梯度上均呈現(xiàn)從中心區(qū)到五環(huán)外依次降低的趨勢(shì)，與城市化梯度的相關(guān)系數(shù)都在0.60 以上，而與各開(kāi)花物候期提前時(shí)間的相關(guān)系數(shù)都在0.85 以上，其中開(kāi)花始期提前時(shí)間與5℃積溫的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.859，并且通過(guò)P<0.001 的顯著性檢驗(yàn)；各開(kāi)花物候期提前時(shí)間與各時(shí)期前2月均溫的關(guān)系更為顯著，相關(guān)系數(shù)都在0.90 以上并且都通過(guò)P<0.01 的顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明北京早春草本植物開(kāi)花物候期與溫度因子隨城市化梯度變化特征明顯，并且顯著相關(guān)：越靠近市中心，溫度與積溫累計(jì)值越高，開(kāi)花物候期出現(xiàn)時(shí)間越早。

5 結(jié)論與討論

本文圍繞城市化進(jìn)程中早春草本植物開(kāi)花物候期的變化響應(yīng)展開(kāi)研究。通過(guò)對(duì)北京市西北向城市化梯度上早春草本植物春季開(kāi)花期的調(diào)查以及相關(guān)溫度數(shù)據(jù)的分析研究表明：

(1)2012 年4—6 月，北京市五環(huán)外到中心區(qū)城市化梯度上，早春草本植物各開(kāi)花物候期提前時(shí)間與對(duì)應(yīng)時(shí)期溫度因子變化均呈梯度變化特征，并顯著相關(guān)：即越靠近中心區(qū)，溫度越高，開(kāi)花物候期出現(xiàn)越早，其中開(kāi)花末期最為明顯。說(shuō)明城市化進(jìn)程不僅影響木本植物物候期[15]，而且對(duì)于草本植物物候期也有重要影響。土地利用/覆被在梯度上不僅直接影響城市熱島效應(yīng)從中心區(qū)到外圍郊區(qū)的空間變化，而且間接改變?cè)绱翰荼局参镩_(kāi)花物候期。因此，未來(lái)研究有必要從城市熱島中心空間分布特征分析入手，進(jìn)一步揭示土地利用/覆被及熱島效應(yīng)發(fā)展對(duì)早春草本植物物候期的影響機(jī)制。

表6 城市化梯上溫度因子變化特征與同開(kāi)花物候期提前時(shí)間的相關(guān)關(guān)系

Table 6 The relationship between temperature factor and average advanced time of the flowering phonological in the urbanization gradient

溫度因子Temperaturefactor開(kāi)花物候期Floweringphenophase斜率Slope梯度相關(guān)系數(shù)R2物候期相關(guān)系數(shù)P前1月平均溫度始期Fs-0.110.730.887**Meantemperatureoveronemonth盛期Ff-0.110.780.893**末期Fe-0.150.830.870*前2月平均溫度始期Fs-0.150.710.909**Meantemperatureovertwomonth末期Ff-0.130.760.905**盛期Fe-0.130.810.903**5℃積溫始期Fs-5.200.610.859**,*Accumulatedtemperatureof5degrees盛期Ff-6.410.680.911**末期Fe-9.590.750.859*

*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001

(2)早春草本植物開(kāi)花物候期提前時(shí)間梯度變化的顯著性與生活型密切關(guān)聯(lián)，多年生草本植物對(duì)城市化梯度的響應(yīng)比一年生或一二年生草本植物明顯，而且對(duì)周?chē)h(huán)境內(nèi)積溫變化的響應(yīng)顯著[7]，與5℃積溫相關(guān)性最強(qiáng)。因此未來(lái)城市植物物候期研究中，應(yīng)更關(guān)注城市熱島效應(yīng)對(duì)城市氣候的累積影響規(guī)律等。

(3)北京市7 種早春草本植物開(kāi)花期持續(xù)時(shí)間與開(kāi)花速率并不隨城市化梯度發(fā)生明顯變化，但在三環(huán)、四環(huán)附近開(kāi)花期平均持續(xù)時(shí)間明顯比其他區(qū)域短促，開(kāi)花速率加快。這可能與近年來(lái)此區(qū)域內(nèi)高密度的城市建設(shè)形成新城市熱島中心有關(guān)。未來(lái)研究將進(jìn)一步結(jié)合城市土地利用格局、城市熱島分布以及植物生理生態(tài)特征，探討早春草本植物物候期變化的影響機(jī)制，拓展和豐富城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。

致謝：感謝邱瑤、諸子翔、謝翠、姚慧燕、張菁、張永杰等同學(xué)參加調(diào)研。

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The flowering phenophase response of early spring herb to the urbanization process in Beijing

WANG Jing1, CHANG Qing1,*, LIU Dongliang2

1DepartmentofOrnamentalHorticultureandLandscapeArchitecture,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2BeijingMeteorologicalBureau,Beijing100089,China

The response of vegetation phenology to urbanization and climate changes is one hotpot in the field of urban ecological effect research. Climate changes is expected to alter seasonal biological phenomena such as vegetation growth and animal migration, so vegetation phenology is regarded as a useful indicator to track climate changes. Recent years, many related studies have focused on the long-term response of arbor phenology to regional climate changes. Our research focused on the impact of urban climate change on early spring herbs flowering phenophase with spatial variation. Based on the observation of the flowering times of 7 kinds of early spring herbs from May to June in 2012 along the northwest urbanization gradient in Beijing, this paper analyzed the flowering phenophase change characteristics and mechanism of early spring herbs in the urbanization gradient. The results showed that early spring herbs flowering times were affected by the urbanization process, like woody plants. The average flowering time of the herbs within the 5th Ring Road was 2.3 to 3.6 days earlier than common cases out of them. But the flowering duration and rate of 7 kinds of early spring herbs did not distinctly change with the urbanization gradient, with the exception of the longer flowering duration and faster flowering rate of the herbs between 3th and 4th Ring Road, which might be explained by the new center of the urban heat island caused by the high speed of city construction in this area. The advanced time of the flowering phenophase time changed with the urbanization gradient, that is, the closer to the city center, the earlier of flowering time. Especially the flowering end time was much clearer than the flowering starting and flourishing time. Moreover, the advanced time of the flowering phenophase time of the early spring herbs had a close relationship with life forms of the herbs, which means, perennial herbs were more sensitive to the urbanization gradient than the annual herbs regarding flowering phenophase. It was induced that spring herb flowering phenology has remarkable response to the accumulated impact of urbanization process and the resulting urban heat island. Based on the temperature data from Automatic Weather Stations along the northwest gradient in Beijing, the correlation between the average advanced flowering time and the mean temperature (MT) and accumulated temperature (AT) was examined. It was found that both the Pearson coefficient of MT and AT were no less than 0.85, but the coefficient of AT is larger than that of MT, and the Pearson coefficient of the correlation between AT of 5℃ and the advanced flowering time was the highest and the value of Two-tailed test was the lowest. It was tested that where was closer to the city center, both MT and AT became higher that lead to the flowering time occurred earlier, however, more dominantly affected by AT, especially AT of 5℃. The results contribute to the conclusion that urban heat island during the urbanization process has distinct cumulative effects on the phenophase of herbs. It is suggested that future studies should give more emphasis on the cumulative effects of urban heat island on urban climate change and vegetation phenology.

urbanization gradient; early spring herb; flowering phenophase; response; urban heat island

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41001112); 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生URP項(xiàng)目

2013- 02- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 17

10.5846/stxb201302200283

*通訊作者Corresponding author.E-mail: changqing@cau.edu.cn

王靜， 常青， 柳冬良.早春草本植物開(kāi)花物候期對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)——以北京市為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(22):6701- 6710.

Wang J, Chang Q, Liu D L.The flowering phenophase response of early spring herb to the urbanization process in Beijing.Acta Ecologica Sinica,2014,34(22):6701- 6710.