賴小紅,李名揚(yáng),劉 聰,鐘雨航,林 立,王海洋,*

1 西南大學(xué)園藝園林學(xué)院,重慶 400715 2 重慶市花卉工程技術(shù)研究中心,重慶 400715 3 南方山地園藝學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715

植物物候是氣候和環(huán)境變化的重要指示器[1-2]。城市熱島效應(yīng)通過溫度變化直接影響植物物候,是城市植物物候變化最主要的影響因子,城市內(nèi)熱島強(qiáng)度的時(shí)空差異導(dǎo)致物候空間格局的分異[1],目前已有相關(guān)研究利用長期地表植被物候觀測(cè)資料以及時(shí)間序列遙感影像定量分析不同城市化強(qiáng)度下植物物候的差異[2- 5],發(fā)現(xiàn)物候隨著距離中心城區(qū)的距離變化而變化,距離城市中心越近、熱島強(qiáng)度越大,物候變化越明顯[6-8],熱島増溫使植物春季物候提前,秋冬季物候推遲,生長季延長[3,8-9],是城鄉(xiāng)物候差異的直接誘因[1,8]。

然而,現(xiàn)有研究大多把城市作為整體進(jìn)行城鄉(xiāng)物候差異對(duì)比,熱島效應(yīng)雖與城市化程度密切相關(guān)[2],但通過距離中心城區(qū)的遠(yuǎn)近劃分熱島強(qiáng)度的方法忽略了城市內(nèi)部異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及地形變化對(duì)物候的影響,相對(duì)而言,城市內(nèi)部精細(xì)尺度下物候?qū)Σ煌瑹釐u増溫強(qiáng)度的響應(yīng)研究較為匱乏。同時(shí),不同功能型植物應(yīng)對(duì)熱島效應(yīng)所采取的生態(tài)策略反映到物候變化上也會(huì)有所不同,但現(xiàn)有研究大多忽略了植物功能性狀差異在城市物候研究中所起的作用,故而可能會(huì)掩蓋植物物候響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制[10]。此外,從地域上看,中國目前各物候觀測(cè)站點(diǎn)主要位于中東部平原地區(qū)[11],包括重慶在內(nèi)的西南山區(qū)物候研究較為缺乏,而前人研究已經(jīng)證實(shí),物候會(huì)隨海拔高度而變化,城市熱島對(duì)植物物候的影響可能被高程的額外影響增強(qiáng)[12- 14]。因此山區(qū)對(duì)于研究物候特征的廣泛變化更具價(jià)值。

重慶是典型的山地城市,其主城區(qū)被山脈河流分割而形成多中心、組團(tuán)式分布格局,且地形復(fù)雜,自然通風(fēng)條件差,故而熱島現(xiàn)象明顯。

基于此,本文通過分析重慶主城區(qū)內(nèi)部不同熱島強(qiáng)度下不同功能型植物物候的空間變化,探討物候?qū)ι降爻鞘袃?nèi)部熱島效應(yīng)的響應(yīng)特征,試圖闡明不同功能型植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制,從而預(yù)測(cè)山地城市植物物候?qū)ξ磥沓鞘袛U(kuò)張帶來的城市小氣候變化以及全球氣候變化的響應(yīng)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以重慶主城區(qū)外環(huán)高速公路及沿線城鎮(zhèn)、居住組團(tuán)為界,確定研究區(qū)范圍(圖1),選擇重慶主城8區(qū)內(nèi)31個(gè)典型城市綠地中80種常見城市木本植物進(jìn)行研究,其中常綠植物36種,落葉植物44種；灌木33種,喬木47種；本土植物39種,引種植物41種,其中本土植物與引種植物的劃分依據(jù)《重慶市維管植物檢索表》確定(表1)。

表1 植物基本信息表

圖1 樣地分布示意圖Fig.1 Distribution of sample plots

1.2 熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分

選用2016年7月10日的Landsat 8第10波段作為單波段熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度[15],影像軌道號(hào)為p128,行號(hào)為r39,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。應(yīng)用遙感軟件EVNI對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理后,結(jié)合衛(wèi)星影像和研究區(qū)氣象數(shù)據(jù),利用覃志豪單窗算法[16]進(jìn)行地表溫度反演。同時(shí),于2016年7月10日采用Kestrel 4000手持式風(fēng)速儀對(duì)31個(gè)研究樣地實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行同步觀測(cè),每個(gè)研究樣地內(nèi)根據(jù)用地類型不同選擇3—5個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量后取平均值代表樣地平均溫度。然后運(yùn)用軟件SPSS對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)的氣溫與反演的地表溫度進(jìn)行回歸分析,獲得研究區(qū)氣溫分布圖,以研究區(qū)內(nèi)的平均氣溫值作為對(duì)照溫度計(jì)算熱島強(qiáng)度,即相對(duì)熱島強(qiáng)度(RHII,relative heat island intensity),本研究中的熱島強(qiáng)度在未特別說明時(shí)均指RHII。在ArcGIS10.2中對(duì)研究樣地與熱島強(qiáng)度分布圖進(jìn)行疊加分析,提取出各樣地?zé)釐u強(qiáng)度值,采用均值標(biāo)準(zhǔn)差等級(jí)劃分法[17- 18],劃分熱島強(qiáng)度等級(jí)。

傳統(tǒng)的絕對(duì)熱島強(qiáng)度通過城市的年平均氣溫與郊區(qū)年平均氣溫差值計(jì)算獲得[19],本研究利用相對(duì)熱島強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分,目的在于消減城市化對(duì)城市參照背景的影響[20- 21]。此外,地面熱力空間分布特征主要決定于城市下墊面性質(zhì)和城市格局變化,氣候、季節(jié)的變化只會(huì)對(duì)熱島強(qiáng)度造成影響,而不會(huì)改變熱島強(qiáng)度的空間分布特征[22- 24],因此,本研究利用特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)遙感地圖反演所得到的氣溫分布圖,雖不能全面反映熱島效應(yīng)的季節(jié)變化或年際變化,但用于熱島強(qiáng)度等級(jí)的空間劃分是可行的。

1.3 物候觀測(cè)方法

于2016年1月—2017年1月,每隔半個(gè)月進(jìn)行一次物候觀測(cè)(春季每周進(jìn)行一次)。觀測(cè)時(shí),同種植物在每個(gè)樣地內(nèi)選定3—5株樹齡3年以上的成年植株進(jìn)行定點(diǎn)定株觀察,其他植物作為記錄參考,按年月日記錄各物候出現(xiàn)的時(shí)間。觀察的物候期包括與城市植物觀賞價(jià)值相關(guān)的展葉期、花期和落葉期,展葉期為觀測(cè)植株上葉片開始展開的日期,全株約有5%的葉片開始展開時(shí)進(jìn)行記錄。開花期分為初花期和終花期,初花期指觀測(cè)植株上約5%的花開放的日期,終花期指觀測(cè)植株上約95%花已開放且75%花開始落瓣的日期。落葉期指觀測(cè)植株葉片開始正常脫落的日期,全株約有5%的葉片脫落時(shí)進(jìn)行記錄。灌木與小喬木直接肉眼觀測(cè),而對(duì)于高大喬木則借助雙筒望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。

分析時(shí)將具體的物候日期轉(zhuǎn)換成儒略日(Julian day),即距當(dāng)年1月1日的實(shí)際天數(shù),應(yīng)用單因素方差分析(ANOVA)比較不同功能型植物葉性狀特征差異以及不同生活型植物在不同熱島強(qiáng)度下的差異。數(shù)據(jù)分析在SPSS 22.0軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 重慶主城區(qū)熱島強(qiáng)度分布特征

對(duì)遙感反演地表溫度與實(shí)測(cè)氣溫進(jìn)行回歸分析,建立氣溫與地表溫度的回歸方程(y=13.2067+0.6576x,P<0.001,r2=0.70),獲得研究區(qū)氣溫分布圖,利用研究區(qū)內(nèi)平均氣溫值作為對(duì)照溫度來計(jì)算熱島強(qiáng)度,如圖2所示,重慶主城區(qū)熱島分布特征與前人研究結(jié)果基本一致[25- 26],低溫區(qū)域位于縉云山、歌樂山、南山所在的帶狀山脈以及長江、嘉陵江水域沿線,形成城市涼島區(qū)；熱島過渡區(qū)主要包括城市內(nèi)部公園綠地、綠化較好的居住區(qū)綠地等；熱島區(qū)相對(duì)分散,主要分布在城市人口與建構(gòu)筑物密集的商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、火車站、道路、廣場等高溫區(qū)域。

在GIS中對(duì)研究樣地?zé)釐u強(qiáng)度值進(jìn)行提取,然后采用均值標(biāo)準(zhǔn)差等級(jí)劃分法[17- 18],將研究樣地?zé)釐u強(qiáng)度劃分為涼島區(qū)(RHII<0℃)、熱島過渡區(qū)(0℃2℃)三大等級(jí),結(jié)果如表2所示。

圖2 重慶主城區(qū)熱島強(qiáng)度空間分布圖Fig.2 Distribution chart of the UHI intensity of Chongqing

熱島強(qiáng)度劃分UHI intensity division研究樣地Sample sites涼島區(qū)(RHII<0℃)縉云山植物園、南山植物園、歌樂山公園、園博園熱島過渡區(qū)(02℃)春暉路、渝州路、長江一路、星光大道、新南路、諾丁陽光小區(qū)、小龍坎街道、三峽廣場

2.2 不同熱島強(qiáng)度下植物物候空間格局

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,從涼島區(qū)到熱島區(qū)植物平均展葉期分別為78.7 d,73.6 d、70.6 d；涼島區(qū)到熱島區(qū)植物平均初花期分別為113.9 d,109.9 d,93.1 d；平均終花期分別為143.3 d,138.4 d,131.7 d；平均落葉期分別為339.4 d,347.9 d,358.3 d(圖3)。通過單因素方差分析可知,不同熱島強(qiáng)度等級(jí)下植物展葉期、初花期、終花期、落葉期均存在顯著差異(P<0.001),以涼島區(qū)為對(duì)照,熱島過渡區(qū)與熱島區(qū)植物展葉期較涼島區(qū)分別提前了5.1 d和8.1 d,初花期分別提前了4.0 d和20.8 d,終花期分別提前了4.8 d和11.6 d,而落葉期分別推遲了8.5 d和18.9 d,且熱島強(qiáng)度等級(jí)越大,提前或推遲于涼島區(qū)的天數(shù)越多。

圖3 不同熱島強(qiáng)度等級(jí)下植物各物候差異比較 Fig 3 Differences in phenology under different UHI intensity levels

2.3 不同功能型植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)

2.3.1不同生長型植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)

灌木與喬木的展葉期在熱島過渡區(qū)較涼島區(qū)分別提前了5.3 d和4.7 d,熱島區(qū)分別提前了9.2 d和7.0 d；初花期在熱島過渡區(qū)分別提前了10.5 d和1.1 d,熱島區(qū)分別提前了23.9 d和20.7 d；終花期在熱島過渡區(qū)分別提前了11.6 d和2.3 d,熱島區(qū)分別提前了14.2 d和12.1 d；而落葉期在熱島過渡區(qū)分別推遲了10.2 d和8.1 d,熱島區(qū)分別推遲了20.2 d和20.3 d(圖4)。

可見灌木與喬木的展葉期、初花期、終花期均隨熱島強(qiáng)度等級(jí)的增強(qiáng)而提前(P<0.05),落葉期均隨熱島強(qiáng)度等級(jí)的增強(qiáng)而推遲(P<0.05),且熱島強(qiáng)度等級(jí)越大,物候變化幅度越大。相同熱島強(qiáng)度等級(jí)下,灌木展葉期與落葉期變化幅度均顯著大于喬木變化幅度(P<0.05),初花期與終花期雖差異不顯著(P>0.05),但也呈現(xiàn)出灌木變化幅度大于喬木的趨勢(shì)。

圖4 喬木與灌木物候?qū)Σ煌瑹釐u強(qiáng)度的響應(yīng)差異Fig.4 Differences in phenology between trees and shrubs under different UHI intensity level

2.3.2不同葉生活型植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)

常綠與落葉植物的展葉期在熱島過渡區(qū)較涼島區(qū)分別提前了6.3 d和5.0 d,熱島區(qū)分別提前了9.2 d和8.1 d；初花期在熱島過渡區(qū)分別提前了8.1 d和3.0 d,熱島區(qū)分別提前了21.3 d和22.3 d；終花期在熱島過渡區(qū)分別提前了11.3 d和1.7 d,熱島區(qū)分別提前了15.1 d和10.4 d；落葉期不存在常綠與落葉的比較(圖5)。

單就落葉植物而言,植物展葉物候在熱島區(qū)與熱島過渡區(qū)分別提前了5.0 d和8.1 d,而落葉期分別推遲了8.5 d和18.9 d(圖5),進(jìn)而導(dǎo)致葉生長季分別延長了13.5 d和27.0 d(P<0.001),并且落葉期推遲天數(shù)大于展葉期提前天數(shù),對(duì)生長季延長的貢獻(xiàn)更大。

可見常綠與落葉植物春季物候均隨熱島増溫而提前(P<0.05),且熱島強(qiáng)度等級(jí)越大,物候變化幅度越大。相同熱島強(qiáng)度等級(jí)下,常綠植物物候變化幅度大于落葉植物,且終花期兩者變化幅度差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖5 常綠植物與落葉植物物候?qū)Σ煌瑹釐u強(qiáng)度的響應(yīng)差異Fig.5 Differences in phenology between evergreen and deciduous under different UHI intensity level

2.3.3不同區(qū)系成分植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)

本土植物與引種植物的展葉期在熱島過渡區(qū)較涼島區(qū)分別提前了5.3 d和5.5 d,熱島區(qū)分別提前了5.9 d和10.9 d；本土植物初花期在熱島過渡區(qū)推遲了0.7 d而引種植物提前了10.6 d,在熱島區(qū)兩者分別提前了18.0 d和25.0 d；本土植物終花期在熱島過渡區(qū)推遲了1.0 d而引種植物提前了12 d,熱島區(qū)兩者分別提前了3.5 d和21.2 d；落葉期在熱島過渡區(qū)分別推遲了5.7 d和11.5 d,熱島區(qū)分別推遲了18.9 d和20.5 d(圖6)。

可見本土植物與引種植物展葉期均隨熱島増溫而提前(P<0.05),落葉期均隨熱島増溫而推遲(P<0.05),本土植物初花期與終花期隨熱島増溫先略微延后然后再提前,而引種植物則隨之明顯提前。從變化幅度上看,熱島強(qiáng)度等級(jí)越大,各物候期物候變化幅度越大,相同熱島強(qiáng)度等級(jí)下,引種植物物候變化幅度大于本土植物,且展葉期、終花期兩者變化幅度差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖6 本土植物與引種植物物候?qū)Σ煌瑹釐u強(qiáng)度的響應(yīng)差異Fig.6 Differences in phenology between exotic and native species under different UHI intensity level

3 討論

3.1 植物物候?qū)Τ鞘袩釐u效應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制

目前,有關(guān)城市內(nèi)部不同熱島強(qiáng)度下植物物候變化趨勢(shì)的研究報(bào)道不多[8- 9],更沒有人研究過山地城市不同生活型植物物候?qū)釐u増溫響應(yīng)的差異。本研究發(fā)現(xiàn),山地城市內(nèi)部熱島増溫使植物春季物候提前,秋季物候推遲,植物生長季延長,與物候在城鄉(xiāng)梯度上的變化趨勢(shì)一致[1,6- 8,27- 28]?？梢姛釐u效應(yīng)帶來的溫度變化依然是影響城市內(nèi)部精細(xì)尺度下物候變化的主要驅(qū)動(dòng)因子[8- 9,29],溫度通過影響酶的活性影響植物生長過程及植物物候,溫度升高促進(jìn)植物酶的活性,從而加快植物發(fā)育進(jìn)程[30- 31]。

已有研究表明,熱島増溫導(dǎo)致的植物葉生長季延長主要依賴于春季物候的提前[4,32- 33],本研究卻發(fā)現(xiàn)落葉物候比展葉物候敏感,秋季落葉期推遲天數(shù)對(duì)生長季延長的貢獻(xiàn)大于春季展葉期提前天數(shù),與已有研究相悖,可能原因有三點(diǎn)：一是高程對(duì)植物物候的影響[6,13- 14]。山地城市熱島強(qiáng)度等級(jí)不僅體現(xiàn)在溫度的差異上,同時(shí)也體現(xiàn)了海拔高度的差異,故高程對(duì)物候的影響也會(huì)疊加到熱島效應(yīng)之上,但高程對(duì)物候變化的貢獻(xiàn)有多大？還需進(jìn)一步研究；二是熱島效應(yīng)的季節(jié)變化。重慶主城區(qū)熱島效應(yīng)在秋冬季節(jié)最強(qiáng)[25- 26],故秋冬季節(jié)不同熱島強(qiáng)度等級(jí)的溫差大于春季溫差,因而落葉期物候變化幅度隨溫差的增大而增大,同時(shí),冬季熱島區(qū)増溫偏高可能不利于打破芽的休眠而使春季物候推遲,涼島區(qū)較冷的冬溫則有利于打破休眠,促進(jìn)春季物候的發(fā)生[34],從而部分抵消春季物候隨熱島増溫的提前效應(yīng)；此外,本課題組還發(fā)現(xiàn),城市植物在人工修剪狀態(tài)下的春季物候較自然狀態(tài)下推遲[35],而隨著城市熱島強(qiáng)度等級(jí)的增加,植物人工修剪痕逐漸加重,故春季物候隨熱島増溫的提前幅度會(huì)因修剪程度的增加而部分抵消,使春季物候提前效應(yīng)減弱。

由于城市熱島效應(yīng)受城市化程度及人類活動(dòng)的影響,若未來熱島效應(yīng)繼續(xù)增強(qiáng),其對(duì)植物物候的影響幅度可能會(huì)持續(xù)增大,但是否存在増溫閾值,還需要進(jìn)一步研究[8- 9]。

3.2 不同功能型植物物候變化差異的原因分析

植物功能型反映植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)策略[36],因此,不同功能型植物對(duì)熱島效應(yīng)的響應(yīng)特征也應(yīng)存在差異[5,37]。目前已開展有草本植物與木本植物物候?qū)Νh(huán)境變化的響應(yīng)研究,結(jié)果表明,一年生、草本植物比多年生木本植物對(duì)増溫的響應(yīng)更加敏感[8,32],但不同功能型木本植物對(duì)熱島效應(yīng)的響應(yīng)如何卻鮮有研究,Jeong等對(duì)南韓4種植物物候研究發(fā)現(xiàn),兩種灌木對(duì)城市熱島増溫的響應(yīng)較兩種喬木更加敏感,本研究結(jié)果也顯示灌木各物候期隨熱島強(qiáng)度的增加變化幅度大于喬木,即灌木對(duì)熱島増溫的敏感度高于喬木[38]。其原因可能在于,用以島強(qiáng)度等級(jí)劃分的氣溫的測(cè)定高度為1.5 m,而用以物候觀測(cè)對(duì)象的喬木高度大都在3 m以上,灌木高度多集中在0.6—2 m,故灌木層尤其是低矮灌木的物候受地面溫度影響顯著。城市內(nèi)復(fù)雜的下墊面性質(zhì)使地面溫度的日變差顯著大于氣溫的日變差[39],因而不同熱島強(qiáng)度等級(jí)下,灌木層溫差實(shí)際大于喬木層溫差,故灌木層物候變化幅度更大。結(jié)合前人研究可推測(cè),對(duì)熱島效應(yīng)的效應(yīng)敏感程度由大到小為草本>灌木>喬木,因此植物距離地面的高度可能是造成不同生長型植物物候?qū)釐u響應(yīng)差異的主要原因。

不同葉生活型植物物候?qū)釐u的響應(yīng)也存在差異,常綠植物與落葉植物相比,常綠植物對(duì)熱島増溫更加敏感,可見不同葉生活型植物對(duì)熱島増溫的適應(yīng)策略不同。引種植物與本土植物相比,引種植物物候?qū)釐u増溫的響應(yīng)更加敏感,可能是由于引種植物在異地栽培過程中,對(duì)環(huán)境變化有更強(qiáng)的可塑性,而本土植物在長期進(jìn)化過程中,各性狀對(duì)生長地環(huán)境均具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力,因此,本土植物物候?qū)釐u效應(yīng)的長期緩慢變化具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

城市熱島是伴隨城市化過程產(chǎn)生的局地小氣候的改變。重慶作為典型的山地城市,因地形復(fù)雜、區(qū)域封閉而表現(xiàn)出明顯的熱島效應(yīng),隨著城市內(nèi)部熱島強(qiáng)度的增加,植物春季物候明顯提前而秋季物候顯著推遲,植物生長季延長。不同功能型植物物候進(jìn)行比較得出：灌木物候較之喬木對(duì)熱島増溫更加敏感,可能是由植物距離地面的高度差異導(dǎo)致的増溫差異造成的；常綠植物較之落葉植物對(duì)熱島増溫更加敏感,體現(xiàn)出不同葉生活型植物的不同適應(yīng)策略；引種植物較之本土植物對(duì)熱島増溫更加敏感,歸因于本土植物對(duì)原生環(huán)境的長期適應(yīng)性以及引種植物對(duì)異地栽培的高度可塑性。

本研究揭示了植物物候?qū)ι降爻鞘袃?nèi)部熱島效應(yīng)的響應(yīng)特征以及不同功能型植物物候?qū)釐u效應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制,在一定程度上填補(bǔ)了我國西南山區(qū)物候研究的空缺,為預(yù)測(cè)山地城市植物物候?qū)ξ磥沓鞘行夂蜃兓酥寥驓夂蜃兣厔?shì)的響應(yīng)提供了早期預(yù)警。但熱島效應(yīng)不僅僅體現(xiàn)在溫度的差異,還包括濕度、下墊面性質(zhì)、城市地表徑流等的變化,物候的影響因素也不僅限于溫度,降雨、濕度、輻射等也會(huì)對(duì)其造成一定影響。未來物候變化是否會(huì)隨熱島強(qiáng)度等級(jí)的增加持續(xù)變化,是否存在變化閾值？除溫度以外的其他城市小氣候的變化對(duì)植物物候的影響如何？各氣候因子的綜合作用對(duì)植物物候的影響又如何？值得未來進(jìn)一步探討。

致謝：感謝西南大學(xué)園藝園林學(xué)院碩士生歐陽麗娜、金光娟、趙心怡、郝桂芝、劉磊在野外物候觀測(cè)及氣溫測(cè)量中提供的幫助。