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          北半球的秋葉為什么落得晚了?

          核心提示: 由中國科學院地理科學與資源研究所牽頭,協同國內外多個高校和單位共同開展的植被物候變化研究日前取得了重要進展。研究發現,在北半球高緯度區域,減弱的風速會降低植被冠層的蒸發,緩解干旱效應,進而推遲了植被落葉的時間節點。今天,本報特約研究團隊成員吳朝陽研究員和讀者聊聊他們的新發現。

          星島環球網消息:由中國科學院地理科學與資源研究所牽頭,協同國內外多個高校和單位共同開展的植被物候變化研究日前取得了重要進展。研究發現,在北半球高緯度區域,減弱的風速會降低植被冠層的蒸發,緩解干旱效應,進而推遲了植被落葉的時間節點。今天,本報特約研究團隊成員吳朝陽研究員和讀者聊聊他們的新發現。

          漢武帝劉徹在《秋風辭》中寫道:“秋風起兮白云飛,草木黃落兮雁南歸。”拋開悲秋的情懷不提,我們知道古人早已將風與植被物候(草木黃落)、動物物候(雁南歸)聯系在了一起。

          所謂物候,是指自然界中不同生物以年為周期重復出現的周期性現象所發生的時間(如植物的發芽、開花、結實,候鳥的遷徙,某些動物的冬眠等),對物候的研究可以讓我們更加清楚地了解到氣候變化給生態系統帶來的影響。對于植物來說,秋季到來的標志主要表現為樹葉變色和掉落,即秋季物候期。

          那么,近些年秋季物候期呈現出什么趨勢?秋季物候期的變化主要受哪些因素影響?風速的變化又在其中起了什么樣的作用?中國科學院地理科學與資源研究所吳朝陽、葛全勝研究員聯合美國俄亥俄州立大學王健博士等國際學者就以上問題開展了積極的探索性研究,開拓了氣候變化與植被物候關系的新視角。

          1 植被秋季物候期患上“拖延癥”

          很多居住在北京的朋友都認為,秋季是一年四季中最令人陶醉的。一入秋,身邊充滿了各種鮮艷的色彩,一邊觀看五彩斑斕的秋葉,一邊享用汁水豐沛的果實再美好不過了。然而這個好時節不僅短暫,來的時間也是越來越晚。中國天氣網曾在2020年報道,通過監測顯示北京于9月15日正式入秋,比常年平均的9月9日偏晚6天。

          根據氣象大數據顯示,1981年至今,北京的秋天來得越來越晚了。上世紀八九十年代,北京的平均入秋時間還在9月上旬,進入本世紀以來,北京入秋的平均日期就推遲到了9月中旬,最晚的甚至拖延到9月下旬。除了北京,整個北方的秋季都越來越短,多個城市的秋季都患上了“上班拖延癥”,例如蘭州從20世紀80年代的8月8日推遲到近年來的8月17日,呼和浩特也是從8月1日逐漸拖延到8月11日。

          與我們所感受到的秋季遲來相似,植被的秋季到來也在推遲。秋季植被葉片的衰老和脫落是植被對于秋季到來這一氣候變化敏感的指示器,反映了生態系統對氣候變化的響應。植物體內的細胞、器官或整個植株生理功能衰退,趨向于自然死亡的過程,我們稱之為衰老。衰老是受植物遺傳控制的、主動和有序的發育過程,例如秋季落葉喬木的葉片呈現出由黃到紅的斑斕色彩,然后落葉飄零。植被葉片脫落是指植物細胞組織或器官與植物體分離的過程,也是一種生物學現象,例如北方城市的行道樹會在秋季來臨時紛紛落葉,是植物對外界環境的一種適應??茖W家們利用衛星觀測也發現,北半球中高緯度的植被秋季物候期整體呈現推遲趨勢。

          2 白天或夜晚增溫的影響截然相反

          植被發生衰老的條件是錯綜復雜的,主要包括:光、溫度、水分、營養和植物激素等。光可以降低蛋白質、葉綠素和RNA的降解,從而緩解葉片衰老;低溫或者高溫可能會干擾鈣的運轉,或是影響蛋白質降解和葉綠體功能,從而加速葉片的衰老;在水分較少的地區干旱會加強蛋白質降解,提高呼吸速率,破壞葉綠體片層結構,從而促使葉片衰老。除此之外,營養物質的缺乏也會促進葉片的衰老。

          在以往的研究中,學者們更加關注植被春季物候,溫度、降雨、輻射等氣象因子都是影響植被春季物候的主要驅動要素,可以有效解釋植被春季物候(比如植被展葉期)的變化。相比于植被春季物候,關于秋季物候期變化機制的研究略顯缺乏。全球氣溫升高是老生常談的問題了,不可否認,溫度的升高是影響植被物候的一個最重要的因素,但也有學者通過研究發現溫度對于秋季物候期變化的貢獻遠小于春季物候。

          對于全球氣溫升高,學者們主要以全天的平均氣溫去評估溫度變化對植被物候期的影響,從而忽視了白天和夜晚溫度變化帶來的影響可能具有的差異性。我們研究團隊從這個切入口出發,結合不同時間和空間尺度的觀測數據,分析探討了北半球植被秋季物候期對白天增溫和夜晚增溫的響應關系。

          有趣的是,不同尺度的數據都得到一樣的結論:若白天最高氣溫增加使得植被秋季物候期推遲的話,夜晚最低氣溫的增加則會使得植被秋季物候期提前。研究進一步發現,白天增溫和夜晚增溫引起的干旱效應存在截然相反的特點。如同常識中一樣,白天溫度升高會增加干旱程度,而同時夜晚增溫則會緩解干旱的程度。這樣一個對干旱的相反機制為解釋對秋季物候期的相反影響提供了機理支撐。

          這項研究的另一個重要發現是,現有的植被秋季物候模型高估了這個世紀末20年(2080-2100年)北半球的植被秋季物候期,尤其是在北方干旱區域。這樣的高估進一步影響到科學家對未來氣候變化的判斷。例如,假如實際的植被秋季物候期比之前預測的要提前半個月,那么這意味著植被會提前半個月停止光合作用,使得大氣中的二氧化碳濃度增高。與此同時,增多的二氧化碳會進一步增加溫室效應,使得溫度進一步升高。因而在全球變暖的背景下,充分考慮白天溫度和夜晚溫度變化的差異性,對分析植被秋季物候期對氣候變化的響應具有重要意義。

          3 風速減弱推遲了植被秋季物候期

          前面已經提到影響植被的衰老因素有很多,包括光、溫度、水分、營養和植物激素,但這里為什么又說風速改變了植被秋季的落葉期呢?

          我們知道,水分的蒸發速度主要受到三個因素的影響:溫度越高,蒸發越快;表面積越大,蒸發越快;液體表面上方的空氣流動速度越快,蒸發越快。那么在全球氣溫升高的大背景下,可以合理推測出風速的變化會通過蒸發影響到植被的水分。

          我們進行的這項研究通過多尺度數據(地面觀測、通量數據、衛星產品等)得知,北半球的整個高緯度區域在過去近三十年中,風速在逐漸減弱。減弱的風速一定程度上是由于植被覆蓋的提高,增多的植物可以起到緩沖作用來降低風速。伴隨著風速的減弱,植被冠層的蒸發效應也會降低,更多的水分被保留在了植被和土壤中,從而緩解了北方大部分地區的干旱狀況。

          研究結合站點觀測、人工觀測和衛星觀測,都證明了風速減弱會推遲植被秋季物候期。研究進一步結合土壤水分數據和植被含水量數據,證明了風速是通過調節土壤和植被的蒸散發,進而改變了植被生長的干旱條件。干旱帶來的一系列促使葉片衰老和脫落的作用降低了,一方面,緩解干旱會使植被的蛋白質降解作用隨之減弱,同時植物的呼吸作用也會降低,自然葉片的衰老也會延緩。另一方面,在干旱狀況下,樹木的落葉情況也更加嚴重,這是為了減少水分的蒸騰和損失,不然樹木將會逐漸枯萎走向死亡。所以,葉片脫落是植物為了應對干旱的重要保護反應。當干旱緩解之后,也就緩解了植被葉片的脫落。

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          本圖為示意圖。數據為1981-2020年北京入秋時間,統計站點為南郊觀象臺。 中國天氣網制圖

          4 新發現對長期生態保護意義重大

          我們這項研究在發現風速對植被秋季物候期的重要影響后,進一步對比了風速、溫度、降雨和輻射這幾個常見的氣候因素在解釋物候變化上的貢獻。

          研究證明,風速對植被秋季物候期帶來的影響可以媲美大家熟知的溫度要素,并且遠遠高于降雨和輻射帶來的影響。這就進一步強調了氣候變化對植被生長過程的影響是復雜的,需要充分考慮不同的氣候和環境因素來增強對植被物候驅動因子的認知。

          針對逐漸減弱的風速,進一步深入探究植被秋季落葉期變化對風速的響應及適應機理以及改進現有的植被秋季落葉期預測模型,對長期生態環境保護以及應對全球變化適應策略具有重大的意義。

          我們的研究融合風速因子進一步改進了當下主流的植被秋季物候模型,提高了模型的預測精度。模型預測發現,未來植被秋季物候期會比之前預測的要提前12天左右。

          來源:北京日報

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