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北半球的秋叶为什么落得晚了?

2021年10月27日 10:25 来源:北京日报参与互动参与互动
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  吴朝阳

  由中国科学院地理科学与资源研究所牵头,协同国内外多个高校和单位共同开展的植被物候变化研究日前取得了重要进展。研究发现,在北半球高纬度区域,减弱的风速会降低植被冠层的蒸发,缓解干旱效应,进而推迟了植被落叶的时间节点。今天,本报特约研究团队成员吴朝阳研究员和读者聊聊他们的新发现。

  汉武帝刘彻在《秋风辞》中写道:“秋风起兮白云飞,草木黄落兮雁南归。”抛开悲秋的情怀不提,我们知道古人早已将风与植被物候(草木黄落)、动物物候(雁南归)联系在了一起。

  所谓物候,是指自然界中不同生物以年为周期重复出现的周期性现象所发生的时间(如植物的发芽、开花、结实,候鸟的迁徙,某些动物的冬眠等),对物候的研究可以让我们更加清楚地了解到气候变化给生态系统带来的影响。对于植物来说,秋季到来的标志主要表现为树叶变色和掉落,即秋季物候期。

  那么,近些年秋季物候期呈现出什么趋势?秋季物候期的变化主要受哪些因素影响?风速的变化又在其中起了什么样的作用?中国科学院地理科学与资源研究所吴朝阳、葛全胜研究员联合美国俄亥俄州立大学王健博士等国际学者就以上问题开展了积极的探索性研究,开拓了气候变化与植被物候关系的新视角。

  1 植被秋季物候期患上“拖延症”

  很多居住在北京的朋友都认为,秋季是一年四季中最令人陶醉的。一入秋,身边充满了各种鲜艳的色彩,一边观看五彩斑斓的秋叶,一边享用汁水丰沛的果实再美好不过了。然而这个好时节不仅短暂,来的时间也是越来越晚。中国天气网曾在2020年报道,通过监测显示北京于9月15日正式入秋,比常年平均的9月9日偏晚6天。

  根据气象大数据显示,1981年至今,北京的秋天来得越来越晚了。上世纪八九十年代,北京的平均入秋时间还在9月上旬,进入本世纪以来,北京入秋的平均日期就推迟到了9月中旬,最晚的甚至拖延到9月下旬。除了北京,整个北方的秋季都越来越短,多个城市的秋季都患上了“上班拖延症”,例如兰州从20世纪80年代的8月8日推迟到近年来的8月17日,呼和浩特也是从8月1日逐渐拖延到8月11日。

  与我们所感受到的秋季迟来相似,植被的秋季到来也在推迟。秋季植被叶片的衰老和脱落是植被对于秋季到来这一气候变化敏感的指示器,反映了生态系统对气候变化的响应。植物体内的细胞、器官或整个植株生理功能衰退,趋向于自然死亡的过程,我们称之为衰老。衰老是受植物遗传控制的、主动和有序的发育过程,例如秋季落叶乔木的叶片呈现出由黄到红的斑斓色彩,然后落叶飘零。植被叶片脱落是指植物细胞组织或器官与植物体分离的过程,也是一种生物学现象,例如北方城市的行道树会在秋季来临时纷纷落叶,是植物对外界环境的一种适应。科学家们利用卫星观测也发现,北半球中高纬度的植被秋季物候期整体呈现推迟趋势。

  2 白天或夜晚增温的影响截然相反

  植被发生衰老的条件是错综复杂的,主要包括:光、温度、水分、营养和植物激素等。光可以降低蛋白质、叶绿素和RNA的降解,从而缓解叶片衰老;低温或者高温可能会干扰钙的运转,或是影响蛋白质降解和叶绿体功能,从而加速叶片的衰老;在水分较少的地区干旱会加强蛋白质降解,提高呼吸速率,破坏叶绿体片层结构,从而促使叶片衰老。除此之外,营养物质的缺乏也会促进叶片的衰老。

  在以往的研究中,学者们更加关注植被春季物候,温度、降雨、辐射等气象因子都是影响植被春季物候的主要驱动要素,可以有效解释植被春季物候(比如植被展叶期)的变化。相比于植被春季物候,关于秋季物候期变化机制的研究略显缺乏。全球气温升高是老生常谈的问题了,不可否认,温度的升高是影响植被物候的一个最重要的因素,但也有学者通过研究发现温度对于秋季物候期变化的贡献远小于春季物候。

  对于全球气温升高,学者们主要以全天的平均气温去评估温度变化对植被物候期的影响,从而忽视了白天和夜晚温度变化带来的影响可能具有的差异性。我们研究团队从这个切入口出发,结合不同时间和空间尺度的观测数据,分析探讨了北半球植被秋季物候期对白天增温和夜晚增温的响应关系。

  有趣的是,不同尺度的数据都得到一样的结论:若白天最高气温增加使得植被秋季物候期推迟的话,夜晚最低气温的增加则会使得植被秋季物候期提前。研究进一步发现,白天增温和夜晚增温引起的干旱效应存在截然相反的特点。如同常识中一样,白天温度升高会增加干旱程度,而同时夜晚增温则会缓解干旱的程度。这样一个对干旱的相反机制为解释对秋季物候期的相反影响提供了机理支撑。

  这项研究的另一个重要发现是,现有的植被秋季物候模型高估了这个世纪末20年(2080-2100年)北半球的植被秋季物候期,尤其是在北方干旱区域。这样的高估进一步影响到科学家对未来气候变化的判断。例如,假如实际的植被秋季物候期比之前预测的要提前半个月,那么这意味着植被会提前半个月停止光合作用,使得大气中的二氧化碳浓度增高。与此同时,增多的二氧化碳会进一步增加温室效应,使得温度进一步升高。因而在全球变暖的背景下,充分考虑白天温度和夜晚温度变化的差异性,对分析植被秋季物候期对气候变化的响应具有重要意义。

  3 风速减弱推迟了植被秋季物候期

  前面已经提到影响植被的衰老因素有很多,包括光、温度、水分、营养和植物激素,但这里为什么又说风速改变了植被秋季的落叶期呢?

  我们知道,水分的蒸发速度主要受到三个因素的影响:温度越高,蒸发越快;表面积越大,蒸发越快;液体表面上方的空气流动速度越快,蒸发越快。那么在全球气温升高的大背景下,可以合理推测出风速的变化会通过蒸发影响到植被的水分。

  我们进行的这项研究通过多尺度数据(地面观测、通量数据、卫星产品等)得知,北半球的整个高纬度区域在过去近三十年中,风速在逐渐减弱。减弱的风速一定程度上是由于植被覆盖的提高,增多的植物可以起到缓冲作用来降低风速。伴随着风速的减弱,植被冠层的蒸发效应也会降低,更多的水分被保留在了植被和土壤中,从而缓解了北方大部分地区的干旱状况。

  研究结合站点观测、人工观测和卫星观测,都证明了风速减弱会推迟植被秋季物候期。研究进一步结合土壤水分数据和植被含水量数据,证明了风速是通过调节土壤和植被的蒸散发,进而改变了植被生长的干旱条件。干旱带来的一系列促使叶片衰老和脱落的作用降低了,一方面,缓解干旱会使植被的蛋白质降解作用随之减弱,同时植物的呼吸作用也会降低,自然叶片的衰老也会延缓。另一方面,在干旱状况下,树木的落叶情况也更加严重,这是为了减少水分的蒸腾和损失,不然树木将会逐渐枯萎走向死亡。所以,叶片脱落是植物为了应对干旱的重要保护反应。当干旱缓解之后,也就缓解了植被叶片的脱落。

  本图为示意图。数据为1981-2020年北京入秋时间,统计站点为南郊观象台。 中国天气网制图

  4 新发现对长期生态保护意义重大

  我们这项研究在发现风速对植被秋季物候期的重要影响后,进一步对比了风速、温度、降雨和辐射这几个常见的气候因素在解释物候变化上的贡献。

  研究证明,风速对植被秋季物候期带来的影响可以媲美大家熟知的温度要素,并且远远高于降雨和辐射带来的影响。这就进一步强调了气候变化对植被生长过程的影响是复杂的,需要充分考虑不同的气候和环境因素来增强对植被物候驱动因子的认知。

  针对逐渐减弱的风速,进一步深入探究植被秋季落叶期变化对风速的响应及适应机理以及改进现有的植被秋季落叶期预测模型,对长期生态环境保护以及应对全球变化适应策略具有重大的意义。

  我们的研究融合风速因子进一步改进了当下主流的植被秋季物候模型,提高了模型的预测精度。模型预测发现,未来植被秋季物候期会比之前预测的要提前12天左右。

【编辑:田博群】
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