原標(biāo)題：北半球的秋葉為什么落得晚了？

由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭，協(xié)同國(guó)內(nèi)外多個(gè)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(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，在北半球高緯度區(qū)域，減弱的風(fēng)速會(huì)降低植被冠層的蒸發(fā)，緩解干旱效應(yīng)，進(jìn)而推遲了植被落葉的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。今天，本報(bào)特約研究團(tuán)隊(duì)成員吳朝陽(yáng)研究員和讀者聊聊他們的新發(fā)現(xiàn)。

漢武帝劉徹在《秋風(fēng)辭》中寫道：“秋風(fēng)起兮白云飛，草木黃落兮雁南歸?！睊侀_悲秋的情懷不提，我們知道古人早已將風(fēng)與植被物候(草木黃落)、動(dòng)物物候(雁南歸)聯(lián)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(fù)出現(xiàn)的周期性現(xiàn)象所發(fā)生的時(shí)間(如植物的發(fā)芽、開花、結(jié)實(shí)，候鳥的遷徙，某些動(dòng)物的冬眠等)，對(duì)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(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，秋季到來(lái)的標(biāo)志主要表現(xiàn)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(xiàn)出什么趨勢(shì)？秋季物候期的變化主要受哪些因素影響？風(fēng)速的變化又在其中起了什么樣的作用？中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所吳朝陽(yáng)、葛全勝研究員聯(lián)合美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)王健博士等國(guó)際學(xué)者就以上問(wèn)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(guān)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(rèn)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(shí)再美好不過(guò)了。然而這個(gè)好時(shí)節(jié)不僅短暫，來(lái)的時(shí)間也是越來(lái)越晚。中國(guó)天氣網(wǎng)曾在2020年報(bào)道，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(jù)氣象大數(shù)據(jù)顯示，1981年至今，北京的秋天來(lái)得越來(lái)越晚了。上世紀(jì)八九十年代，北京的平均入秋時(shí)間還在9月上旬，進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，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(gè)北方的秋季都越來(lái)越短，多個(gè)城市的秋季都患上了“上班拖延癥”，例如蘭州從20世紀(jì)80年代的8月8日推遲到近年來(lái)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(lái)相似，植被的秋季到來(lái)也在推遲。秋季植被葉片的衰老和脫落是植被對(duì)于秋季到來(lái)這一氣候變化敏感的指示器，反映了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。植物體內(nèi)的細(xì)胞、器官或整個(gè)植株生理功能衰退，趨向于自然死亡的過(guò)程，我們稱之為衰老。衰老是受植物遺傳控制的、主動(dòng)和有序的發(fā)育過(guò)程，例如秋季落葉喬木的葉片呈現(xiàn)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(xì)胞組織或器官與植物體分離的過(guò)程，也是一種生物學(xué)現(xiàn)象，例如北方城市的行道樹會(huì)在秋季來(lái)臨時(shí)紛紛落葉，是植物對(duì)外界環(huán)境的一種適應(yīng)?？茖W(xué)家們利用衛(wèi)星觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)，北半球中高緯度的植被秋季物候期整體呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)。

2、白天或夜晚增溫的影響截然相反

植被發(fā)生衰老的條件是錯(cuò)綜復(fù)雜的，主要包括：光、溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)和植物激素等。光可以降低蛋白質(zhì)、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(huì)干擾鈣的運(yùn)轉(zhuǎn)，或是影響蛋白質(zhì)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(qū)干旱會(huì)加強(qiáng)蛋白質(zhì)降解，提高呼吸速率，破壞葉綠體片層結(jié)構(gòu)，從而促使葉片衰老。除此之外，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏也會(huì)促進(jìn)葉片的衰老。

在以往的研究中，學(xué)者們更加關(guān)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(qū)動(dòng)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(guān)于秋季物候期變化機(jī)制的研究略顯缺乏。全球氣溫升高是老生常談的問(wèn)題了，不可否認(rèn)，溫度的升高是影響植被物候的一個(gè)最重要的因素，但也有學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)于秋季物候期變化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于春季物候。

對(duì)于全球氣溫升高，學(xué)者們主要以全天的平均氣溫去評(píng)估溫度變化對(duì)植被物候期的影響，從而忽視了白天和夜晚溫度變化帶來(lái)的影響可能具有的差異性。我們研究團(tuán)隊(duì)從這個(gè)切入口出發(fā)，結(jié)合不同時(shí)間和空間尺度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析探討了北半球植被秋季物候期對(duì)白天增溫和夜晚增溫的響應(yīng)關(guān)系。

有趣的是，不同尺度的數(shù)據(jù)都得到一樣的結(jié)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(huì)使得植被秋季物候期提前。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，白天增溫和夜晚增溫引起的干旱效應(yīng)存在截然相反的特點(diǎn)。如同常識(shí)中一樣，白天溫度升高會(huì)增加干旱程度，而同時(shí)夜晚增溫則會(huì)緩解干旱的程度。這樣一個(gè)對(duì)干旱的相反機(jī)制為解釋對(duì)秋季物候期的相反影響提供了機(jī)理支撐。

這項(xiàng)研究的另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，現(xiàn)有的植被秋季物候模型高估了這個(gè)世紀(jì)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(qū)域。這樣的高估進(jìn)一步影響到科學(xué)家對(duì)未來(lái)氣候變化的判斷。例如，假如實(shí)際的植被秋季物候期比之前預(yù)測(cè)的要提前半個(gè)月，那么這意味著植被會(huì)提前半個(gè)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(shí)，增多的二氧化碳會(huì)進(jìn)一步增加溫室效應(yīng)，使得溫度進(jìn)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(duì)分析植被秋季物候期對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。

3、風(fēng)速減弱推遲了植被秋季物候期

前面已經(jīng)提到影響植被的衰老因素有很多，包括光、溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)和植物激素，但這里為什么又說(shuō)風(fēng)速改變了植被秋季的落葉期呢？

我們知道，水分的蒸發(fā)速度主要受到三個(gè)因素的影響：溫度越高，蒸發(fā)越快；表面積越大，蒸發(fā)越快；液體表面上方的空氣流動(dòng)速度越快，蒸發(fā)越快。那么在全球氣溫升高的大背景下，可以合理推測(cè)出風(fēng)速的變化會(huì)通過(guò)蒸發(fā)影響到植被的水分。

我們進(jìn)行的這項(xiàng)研究通過(guò)多尺度數(shù)據(jù)(地面觀測(cè)、通量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星產(chǎn)品等)得知，北半球的整個(gè)高緯度區(qū)域在過(guò)去近三十年中，風(fēng)速在逐漸減弱。減弱的風(fēng)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(lái)降低風(fēng)速。伴隨著風(fēng)速的減弱，植被冠層的蒸發(fā)效應(yīng)也會(huì)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(qū)的干旱狀況。

研究結(jié)合站點(diǎn)觀測(cè)、人工觀測(cè)和衛(wèi)星觀測(cè)，都證明了風(fēng)速減弱會(huì)推遲植被秋季物候期。研究進(jìn)一步結(jié)合土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和植被含水量數(shù)據(jù)，證明了風(fēng)速是通過(guò)調(diào)節(jié)土壤和植被的蒸散發(fā)，進(jìn)而改變了植被生長(zhǎng)的干旱條件。干旱帶來(lái)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(huì)使植被的蛋白質(zhì)降解作用隨之減弱，同時(shí)植物的呼吸作用也會(huì)降低，自然葉片的衰老也會(huì)延緩。另一方面，在干旱狀況下，樹木的落葉情況也更加嚴(yán)重，這是為了減少水分的蒸騰和損失，不然樹木將會(huì)逐漸枯萎走向死亡。所以，葉片脫落是植物為了應(yīng)對(duì)干旱的重要保護(hù)反應(yīng)。當(dāng)干旱緩解之后，也就緩解了植被葉片的脫落。

4、新發(fā)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)期生態(tài)保護(hù)意義重大

我們這項(xiàng)研究在發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對(duì)植被秋季物候期的重要影響后，進(jìn)一步對(duì)比了風(fēng)速、溫度、降雨和輻射這幾個(gè)常見的氣候因素在解釋物候變化上的貢獻(xiàn)。

研究證明，風(fēng)速對(duì)植被秋季物候期帶來(lái)的影響可以媲美大家熟知的溫度要素，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降雨和輻射帶來(lái)的影響。這就進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)過(guò)程的影響是復(fù)雜的，需要充分考慮不同的氣候和環(huán)境因素來(lái)增強(qiáng)對(duì)植被物候驅(qū)動(dòng)因子的認(rèn)知。

針對(duì)逐漸減弱的風(fēng)速，進(jìn)一步深入探究植被秋季落葉期變化對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)及適應(yīng)機(jī)理以及改進(jìn)現(xiàn)有的植被秋季落葉期預(yù)測(cè)模型，對(duì)長(zhǎng)期生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及應(yīng)對(duì)全球變化適應(yīng)策略具有重大的意義。

我們的研究融合風(fēng)速因子進(jìn)一步改進(jìn)了當(dāng)下主流的植被秋季物候模型，提高了模型的預(yù)測(cè)精度。模型預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，未來(lái)植被秋季物候期會(huì)比之前預(yù)測(cè)的要提前12天左右。（吳朝陽(yáng)）

標(biāo)簽： 北半球 秋葉 為什么 落得