利用标本数据开展开花物候对气候变化的响应研究

Numerous studies have reported shifting flowering phenology with rising temperatures, but a lot of key questions still remain to be explored. Using the new emerging method which has been used in Europe and North America-herbarium specimens, we will study the effect of climate change on flowering phenology for Chinese angiosperms. Nine mountains in the Eastern China along the latitude are selected, and three main questions will be investigated based on the photos extracted from China National Specimen Information Infrastructure and the specimens in the main herbaria in China: (1) all species' 'phenological responsiveness' (day °C-1), and the latitudinal pattern of 'phenological responsiveness'; (2) Does the 'phenological responsiveness' have phylogenetic signal, i.e., does closely related species tend to have similar 'phenological responsiveness'? If yes, do phylogenetic signal has a latitudinal pattern? (3) Do plant functional groups exhibit distinct patterns of phenological responsiveness? This project is the first to study the phylogenetic conservatism of flowering phenology for subtropical and tropical plants, and to study the latitudinal pattern of phylogenetic conservatism. To our knowledge, this study is also the first to assess large-scale patterns of phenological responsiveness with broad species representation. The results will help us understand the interactions between vegetation dynamics and climate, and will be an important step towards understanding current and future impacts of climate change on species performance and biodiversity.

尽管已有大量证据表明随着气温升高开花物候发生变化，但是，仍有很多关键科学问题有待解决。本项目基于近年来在欧美国家刚刚发展起来的新方法-利用植物标本信息，研究中国被子植物的开花物候对气候变化的响应。基于国家标本资源平台的标本照片和标本馆的标本，选择采集自中国东部沿纬度梯度的9座山峰的标本，主要研究3个科学问题：（1）开花物候对气候变化的响应速率（天/℃）及其沿纬度梯度格局；（2）“响应速率”是否有谱系信号，即亲缘关系近的物种的响应速率是否相近，以及谱系信号是否有纬度梯度格局？（3）不同功能群的响应速率是否有差异？本项目首次研究亚热带和热带植物的开花物候的响应速率的谱系保守性以及谱系信号沿纬度梯度的格局，也是第一次在如此大的尺度上开展大量物种的开花物候对气候变化的响应趋势。研究结论将有助于我们了解植被动态与气候之间的相互作用，是理解目前和未来气候变化如何改变物种适合度和生物多样性的关键。

植物物候是影响物种功能性状的重要生物多样性变量之一，是决定物种分布的重要因子。春季物候是反映近期气候变化对生态系统影响的最敏感指标之一。了解物候的种内变化对气候变化的响应，以及物候的大尺度格局，有助于对物候的准确预测以及评估气候变化对生物的潜在影响。本研究主要涉及以下内容：(1) 使用1901-2017年的标本数据，研究东亚地区多年生草本植物绶草（Spiranthes sinensis)盛花期的纬向格局变化。(2)研究绶草的不同种群沿气候梯度分布的盛花期物候对气候变暖的响应变化。(3)评价了平均花期、结果期和果实发育时间的大尺度地理变化趋势，分析了这些物候变量与7个潜在气候变量的关系。(4)基于南岭地区1911-2015年105种植物标本和照片的植物开花物候数据，探讨亚热带地区气候驱动的物候变化。(5)利用37种亚热带木本植物进行气候箱的控制试验，研究了光周期和低温及其相互作用对春季植物发芽、展叶的影响。结果表明:(1)干旱地区开花物候随纬度变化不显著；然而，全球变暖显著增加了湿润地区不同纬度开花物候的时间差异—年平均气温每升高1°C，在1°纬度上的开花物候时间差异增加2.47天。(2)绶草的花期对气温的响应显著，种内温度敏感性变化范围为−5.16至4.16天/°C；温度敏感性与区域年降水量和干旱指数显著相关。(3)高纬度和高纬度显著缩短了繁殖季节长度，开花时间晚，结果时间早；木本植物开花明显早，并且在繁殖物候方面表现出更陡峭的地理趋势；草本植物和木本植物在开花的气候驱动因子上有很大的差异。(4)大多数植物开花时间较早;春季开花时间对秋季和早春升温的响应提前——秋季温度的影响几乎是早春温度的两倍。(5)中低温和强低温处理均可促进出芽和展叶，较长光周期仅可提高少数物种的出芽和展叶比率，说明低温对大多数植物出芽和展叶的调节作用更大。研究结果为大空间尺度上物候敏感性的种内变化提供了经验证据，并强调了土壤水分有效性可能在全球变暖过程中起着关键作用，对未来气候变化情景下亚热带植物种群的保护和管理具有重要意义。