極端天氣對晉北地區(qū)園林植物物候的影響

馬 群

山西省大同市園林綠化中心，山西大同 037004

物候?qū)W主要是研究自然界的植物（包括農(nóng)作物）、動(dòng)物和環(huán)境條件（氣候、水文、土壤條件）的周期變化之間相互關(guān)系的科學(xué)，也稱為生物物候?qū)W。其目的是了解自然季節(jié)現(xiàn)象變化的規(guī)律，以服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。通過記錄一年中植物的生長枯榮，動(dòng)物的生長發(fā)育及活動(dòng)規(guī)律，從而了解氣候變化對動(dòng)植物的影響。物候記錄如楊柳綠、桃花開、燕始來等，不僅反映當(dāng)時(shí)的天氣，還反映了過去一個(gè)時(shí)期內(nèi)天氣的積累。植物方面物候是指植物在一年的生長中，隨著氣候的季節(jié)性變化而發(fā)生萌芽、抽枝、展葉、開花、結(jié)果、落葉、休眠等規(guī)律性變化的現(xiàn)象，稱為物候或物候現(xiàn)象，與其相適應(yīng)的樹木器官的動(dòng)態(tài)時(shí)期稱為生物氣候?qū)W時(shí)期，簡稱為物候期。傳統(tǒng)植被物候?qū)W的研究主要關(guān)注植物生長季長度、植物發(fā)芽、成熟和衰老等生物學(xué)特征的日期變化。物候的數(shù)據(jù)是從活的生物身上得來的，用來指導(dǎo)農(nóng)事活動(dòng)比較直接，而且方法簡單，容易接受，物候?qū)r(nóng)業(yè)的重要性就在于此。植物物候作為評估植物生長發(fā)育狀態(tài)的重要指標(biāo)，對科學(xué)地應(yīng)對全球氣候變化具有重要的理論和實(shí)際意義[1-2]。

1 晉北地區(qū)的自然概況

晉北地區(qū)位于黃土高原東北邊緣，京包鐵路、北同蒲鐵路、大秦鐵路的交匯點(diǎn)。北鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)，東鄰河北省張家口市，西南與山西省朔州市相接，南靠山西省忻州市。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長且寒冷干燥，夏季短暫且溫?zé)岫嘤?，春秋涼爽，溫差較大，干旱指數(shù)4，年均氣溫5.5℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-29.1℃，年平均降水量400 mm，無霜期100～156 d[3]。

2 資料與方法

2.1 資料

物候觀測資料來自山西省大同市園林綠化中心城墻帶狀公園。以2017—2021年物候觀測為依據(jù)，包括喬木、灌木、草本及地被植物的平均芽膨大始期、展葉始期、花蕾或花序出現(xiàn)、開花始期、開花末期、秋葉開始變色、落葉始期等。均選取鄉(xiāng)土植物作為觀察對象。物候觀測地點(diǎn)為城墻帶狀公園、距此公園四周100 m的主干道魏都大道、御河西路、平城街和北都街。

2.2 方法

每年從驚蟄開始在午后觀測，直至當(dāng)年立冬結(jié)束觀測。

3 結(jié)果與分析

3.1 2017—2021年高溫對晉北地區(qū)園林植物物候的影響

2017年是全球百年一遇的高溫，美國大氣管理局（NOAA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2017年可能是歷史上最溫暖的年份。隨著全球變暖趨勢加劇，熱浪累計(jì)頻次的變化趨勢在山西以增多為主[4]。2017年夏季晉北地區(qū)高溫天持續(xù)久，比正常年份平均氣溫升高了3℃，7月出現(xiàn)了37℃的極端高溫，同時(shí)降水量增大，在高溫、高濕環(huán)境下，園林植物在物候上表現(xiàn)出了不同特征（表1）。

從表1可以看出，所觀察的15種植物的物候期都明顯發(fā)生了縮短的現(xiàn)象。其縮短的幅度為33.3%～57.1%。從物候期縮短的具體天數(shù)而言，在2～6 d之間。觀察種中受高溫影響最大的植物是：水臘、衛(wèi)矛、白蠟、桑、五角楓、山荊子和鳶尾等7種，受高溫影響他們的物候期都在原有基礎(chǔ)上縮短了一半。也說明這幾種植物和其他種類相比，對高溫氣候影響的敏感度更高。物候期通常會受植物生長發(fā)育的有效發(fā)育積溫和發(fā)育起點(diǎn)影響，發(fā)育起點(diǎn)低，有效發(fā)育積溫總值小，受溫度變化影響較大；反之，發(fā)育起點(diǎn)高、有效積溫總值也高的植物所受的影響則較小。這一規(guī)律在本輪觀測中也得到了充分的證明。例如，桑從萌動(dòng)初期到始花期需有效積溫約365℃·d（本輪高溫使其幼果出現(xiàn)期縮短了50%），山荊子等其他薔薇科植物開始現(xiàn)蕊的有效積溫約422.5℃·d（本輪高溫使其幼果出現(xiàn)期縮短了57.1%）。

溫度還會相應(yīng)地影響植物的生理生化反應(yīng)。高溫會促進(jìn)植物提早進(jìn)入開花末期階段，提早結(jié)果，草本植物受影響比木本植物大。四季玫瑰莖枝密生剛毛與倒刺，小葉質(zhì)厚、多皺、抗寒，但不耐高溫。山荊子幼枝細(xì)弱，葉片嫩時(shí)稍有短柔毛或完全無毛，傘形花序，抗陰濕，但不抗旱、不耐高溫。四季玫瑰和山荊子等薔薇科植物高溫下植株葉片的超氧化物歧化酶（SOD）活性下降、過氧化物酶（POD）活性較低、游離脯氨酸含量較低、相對電導(dǎo)率較大[5]。玉簪屬植物喜陰濕，忌高溫日光暴曬，生長適宜溫度為15℃～25℃，高溫下玉簪屬植物的電導(dǎo)率上升、自由水與束縛水的比值升高，脯氨酸含量減少、抗氧化酶活性下降、可溶性蛋白含量減少[6]。

3.2 2017—2021年干旱對晉北地區(qū)園林植物物候的影響

受華北地區(qū)干旱因子影響，2017年冬季是晉北地區(qū)近50年1遇的大旱。降水量減少了20 mm左右，連續(xù)無雨天數(shù)比常年平均數(shù)增加了35 d[7-8]。給城市園林植物造成了不同程度的影響（表2）。

從表2可以看出，冬季干旱引起了所有觀察物種第2年相關(guān)物候期的延長，延長幅度達(dá)到60%以上的有草坪草芽開放期和展葉始期；絢麗海棠芽開放期；垂柳、山杏、杜梨的花蕾期；山桃、榆葉梅的花始期，其中尤以杜梨的花蕾期以及榆葉梅的開花始期最為顯著，延長的幅度高達(dá)66.7%。同時(shí)冬旱也明顯引起物候期的推遲。觀察的9種植物物候期推遲的幅度為3～8 d，其中推遲天數(shù)最多的是山桃和垂柳花蕾出現(xiàn)期，均為8 d；其次是丁香和垂柳展葉始期，均為7 d；而物候期推遲得最少的是杜梨花蕾出現(xiàn)期和榆葉梅開花始期，均為3 d。其余各種植物則介于這兩類植物之間。推遲4 d的有絢麗海棠展葉始期、八棱海棠展葉始期、杜梨開花始期 和榆葉梅花蕾出現(xiàn)；推遲5 d的有絢麗海棠芽開放期、八棱海棠芽開放期、山桃開花始期、山杏花蕾出現(xiàn)；推遲6 d的有草坪草芽開放期、草坪草展葉始期、丁香芽開放期等。

表2 大同市2017年冬季干旱對2018年園林植物物候的影響情況

晉北地區(qū)冷季型草以早熟禾、黑麥草、高羊茅為主。早熟禾葉舌膜質(zhì)，喜濕，干旱時(shí)間長易萎蔫或休眠。黑麥草具細(xì)弱根狀莖，稈質(zhì)軟，喜涼爽濕潤，不耐旱，干旱時(shí)間長易停止分蘗。高羊茅葉片具泡狀細(xì)胞、厚壁組織，喜寒冷潮濕，不耐旱。隨著干旱程度加劇，冷季型草坪草葉綠素含量先增加后減少，可溶性蛋白含量呈下降趨勢，可溶性糖、游離脯氨酸呈上升趨勢[9]。丁香小枝疏生皮孔，葉片革質(zhì)或厚紙質(zhì)，較耐旱。隨著干旱時(shí)間延長和程度加深，丁香的相對電導(dǎo)率（REC）、MDA含量呈上升趨勢，相對含水量（RWC）呈下降趨勢，可溶性糖（SS）和可溶性蛋白（SP）呈上升趨勢，酶保護(hù)系統(tǒng)超氧化物歧化酶（SOD）活性下降、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）總體表現(xiàn)為干旱脅迫前14 d呈上升趨勢，之后則呈下降趨勢，光合氣體交換參數(shù)凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）呈下降趨勢，胞間CO2濃度（Ci）呈下降趨勢，葉綠素（Chl）含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、Y（Ⅱ）、qP、ETR呈下降趨勢，qN呈上升趨勢[10]。垂柳芽線形，花序先葉開放，或與葉同時(shí)開放。干旱脅迫下多數(shù)柳樹雌株比雄株具有較強(qiáng)適應(yīng)性，生長速率和光合作用下降幅度較小、細(xì)胞損傷較輕、抗氧化酶活性和防御能力較強(qiáng)[11]。山桃、山杏在干旱脅迫下相對增長量有明顯抑制作用，相對生物量減少，蒸騰速率、凈光合速率顯著下降、胞間CO2濃度顯著上升。

3.3 2017—2021年低溫對晉北地區(qū)園林植物物候的影響

2020年冬季晉北地區(qū)出現(xiàn)極寒天氣。2020年12月平均溫度比正常年份平均氣溫低了3.2℃，2021年1月平均溫度比正常年份平均氣溫低了2.6℃，2020年12月28日起最低氣溫連續(xù)4 d出現(xiàn)-20℃以下的天氣，2021年1月出現(xiàn)最低氣溫-30℃的極寒天氣，對園林植物存在不同程度的影響（表3）。

表3 大同市2020年冬季低溫對2021年園林植物物候的影響情況

從表3可以看出，冬季低溫引起了所有觀察物種第2年相關(guān)物候期的延長，延長幅度達(dá)到50%以上的有草坪草展葉始期和展葉盛期、山桃花蕾期、紫葉李花蕾期和四季玫瑰展葉始期，其中尤以草坪草展葉始期和四季玫瑰展葉始期最為顯著，延長的幅度達(dá)60%以上。同時(shí)冬季低溫也明顯普遍引起物候期的推遲。觀察的12種植物物候期推遲的幅度為5～10 d，其中，推遲天數(shù)最多的是草坪草展葉盛期，為10 d；其次是山桃花蕾出現(xiàn)和暴馬丁香芽開放期，均為9 d；而物候期推遲得最少的是西府海棠展葉始期和盛期、四季玫瑰展葉始期和盛期、榆葉梅花蕾出現(xiàn)和開花始期，均為5 d。其余各種植物則介于這兩類植物之間。推遲6 d的有山杏花蕾出現(xiàn)和開花始期、水蠟展葉盛期和紫葉李花蕾出現(xiàn)；推遲7 d的有山桃開花始期、丁香芽膨大始期、連翹花蕾出現(xiàn)和開花始期、暴馬丁香芽膨大始期、金葉榆展葉始期、水蠟展葉始期和紫葉李開花始期。推遲8 d的有草坪草展葉始期、丁香芽開放期和金葉榆展葉盛期。

低溫脅迫下草坪草葉片中可溶性糖含量和硝酸還原酶（NR）活性降低，根系中蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性減弱。低溫脅迫下隨發(fā)育進(jìn)程推移，山桃過冷卻點(diǎn)呈現(xiàn)明顯上升趨勢，過冷卻點(diǎn)越低，抗寒性越強(qiáng)，花瓣可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量基本呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。紫葉李喜陽光、溫暖濕潤氣候，花多單生。可溶性糖、可溶性蛋白含量在低溫脅迫前期增加，達(dá)到一定低溫呈下降趨勢。光飽和最大凈光合速率、CO2飽和最大凈光合速率、最大光化學(xué)效率、有效光化學(xué)效率、潛在活性等指標(biāo)隨脅迫溫度的降低呈下降趨勢，CO2飽和最大凈光合速率下降幅度較大，表觀量子效率低，說明在寒冷環(huán)境中紫葉李利用弱光進(jìn)行光合作用的能力較弱。早熟禾與≥5℃有效積溫相關(guān)最好，黑麥草、高羊茅與≥8℃有效積溫相關(guān)最好。山杏始花期有效積溫約為71.7℃·d，開始現(xiàn)蕊約為78.5℃·d，紫葉李始花期有效積溫約為144.7℃·d。