植物物候對重慶主城區熱島效應的響應

賴小紅,李名揚,劉 聰,鐘雨航,林 立,王海洋,*

1 西南大學園藝園林學院,重慶 400715 2 重慶市花卉工程技術研究中心,重慶 400715 3 南方山地園藝學教育部重點實驗室,重慶 400715

植物物候是氣候和環境變化的重要指示器[1-2]。城市熱島效應通過溫度變化直接影響植物物候,是城市植物物候變化最主要的影響因子,城市內熱島強度的時空差異導致物候空間格局的分異[1],目前已有相關研究利用長期地表植被物候觀測資料以及時間序列遙感影像定量分析不同城市化強度下植物物候的差異[2- 5],發現物候隨著距離中心城區的距離變化而變化,距離城市中心越近、熱島強度越大,物候變化越明顯[6-8],熱島増溫使植物春季物候提前,秋冬季物候推遲,生長季延長[3,8-9],是城鄉物候差異的直接誘因[1,8]。

然而,現有研究大多把城市作為整體進行城鄉物候差異對比,熱島效應雖與城市化程度密切相關[2],但通過距離中心城區的遠近劃分熱島強度的方法忽略了城市內部異質結構的復雜性以及地形變化對物候的影響,相對而言,城市內部精細尺度下物候對不同熱島増溫強度的響應研究較為匱乏。同時,不同功能型植物應對熱島效應所采取的生態策略反映到物候變化上也會有所不同,但現有研究大多忽略了植物功能性狀差異在城市物候研究中所起的作用,故而可能會掩蓋植物物候響應的內在機制[10]。此外,從地域上看,中國目前各物候觀測站點主要位于中東部平原地區[11],包括重慶在內的西南山區物候研究較為缺乏,而前人研究已經證實,物候會隨海拔高度而變化,城市熱島對植物物候的影響可能被高程的額外影響增強[12- 14]。因此山區對于研究物候特征的廣泛變化更具價值。

重慶是典型的山地城市,其主城區被山脈河流分割而形成多中心、組團式分布格局,且地形復雜,自然通風條件差,故而熱島現象明顯。

基于此,本文通過分析重慶主城區內部不同熱島強度下不同功能型植物物候的空間變化,探討物候對山地城市內部熱島效應的響應特征,試圖闡明不同功能型植物物候對熱島效應的響應機制,從而預測山地城市植物物候對未來城市擴張帶來的城市小氣候變化以及全球氣候變化的響應。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以重慶主城區外環高速公路及沿線城鎮、居住組團為界,確定研究區范圍(圖1),選擇重慶主城8區內31個典型城市綠地中80種常見城市木本植物進行研究,其中常綠植物36種,落葉植物44種；灌木33種,喬木47種；本土植物39種,引種植物41種,其中本土植物與引種植物的劃分依據《重慶市維管植物檢索表》確定(表1)。

表1 植物基本信息表

圖1 樣地分布示意圖Fig.1 Distribution of sample plots

1.2 熱島強度等級劃分

選用2016年7月10日的Landsat 8第10波段作為單波段熱紅外數據反演地表溫度[15],影像軌道號為p128,行號為r39,數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。應用遙感軟件EVNI對影像進行預處理后,結合衛星影像和研究區氣象數據,利用覃志豪單窗算法[16]進行地表溫度反演。同時,于2016年7月10日采用Kestrel 4000手持式風速儀對31個研究樣地實時溫度進行同步觀測,每個研究樣地內根據用地類型不同選擇3—5個樣點進行測量后取平均值代表樣地平均溫度。然后運用軟件SPSS對實測點的氣溫與反演的地表溫度進行回歸分析,獲得研究區氣溫分布圖,以研究區內的平均氣溫值作為對照溫度計算熱島強度,即相對熱島強度(RHII,relative heat island intensity),本研究中的熱島強度在未特別說明時均指RHII。在ArcGIS10.2中對研究樣地與熱島強度分布圖進行疊加分析,提取出各樣地熱島強度值,采用均值標準差等級劃分法[17- 18],劃分熱島強度等級。

傳統的絕對熱島強度通過城市的年平均氣溫與郊區年平均氣溫差值計算獲得[19],本研究利用相對熱島強度進行等級劃分,目的在于消減城市化對城市參照背景的影響[20- 21]。此外,地面熱力空間分布特征主要決定于城市下墊面性質和城市格局變化,氣候、季節的變化只會對熱島強度造成影響,而不會改變熱島強度的空間分布特征[22- 24],因此,本研究利用特定時間節點遙感地圖反演所得到的氣溫分布圖,雖不能全面反映熱島效應的季節變化或年際變化,但用于熱島強度等級的空間劃分是可行的。

1.3 物候觀測方法

于2016年1月—2017年1月,每隔半個月進行一次物候觀測(春季每周進行一次)。觀測時,同種植物在每個樣地內選定3—5株樹齡3年以上的成年植株進行定點定株觀察,其他植物作為記錄參考,按年月日記錄各物候出現的時間。觀察的物候期包括與城市植物觀賞價值相關的展葉期、花期和落葉期,展葉期為觀測植株上葉片開始展開的日期,全株約有5%的葉片開始展開時進行記錄。開花期分為初花期和終花期,初花期指觀測植株上約5%的花開放的日期,終花期指觀測植株上約95%花已開放且75%花開始落瓣的日期。落葉期指觀測植株葉片開始正常脫落的日期,全株約有5%的葉片脫落時進行記錄。灌木與小喬木直接肉眼觀測,而對于高大喬木則借助雙筒望遠鏡進行觀測。

分析時將具體的物候日期轉換成儒略日(Julian day),即距當年1月1日的實際天數,應用單因素方差分析(ANOVA)比較不同功能型植物葉性狀特征差異以及不同生活型植物在不同熱島強度下的差異。數據分析在SPSS 22.0軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 重慶主城區熱島強度分布特征

對遙感反演地表溫度與實測氣溫進行回歸分析,建立氣溫與地表溫度的回歸方程(y=13.2067+0.6576x,P<0.001,r2=0.70),獲得研究區氣溫分布圖,利用研究區內平均氣溫值作為對照溫度來計算熱島強度,如圖2所示,重慶主城區熱島分布特征與前人研究結果基本一致[25- 26],低溫區域位于縉云山、歌樂山、南山所在的帶狀山脈以及長江、嘉陵江水域沿線,形成城市涼島區；熱島過渡區主要包括城市內部公園綠地、綠化較好的居住區綠地等；熱島區相對分散,主要分布在城市人口與建構筑物密集的商業區、居住區、火車站、道路、廣場等高溫區域。

在GIS中對研究樣地熱島強度值進行提取,然后采用均值標準差等級劃分法[17- 18],將研究樣地熱島強度劃分為涼島區(RHII<0℃)、熱島過渡區(0℃2℃)三大等級,結果如表2所示。

圖2 重慶主城區熱島強度空間分布圖Fig.2 Distribution chart of the UHI intensity of Chongqing

熱島強度劃分UHI intensity division研究樣地Sample sites涼島區(RHII<0℃)縉云山植物園、南山植物園、歌樂山公園、園博園熱島過渡區(02℃)春暉路、渝州路、長江一路、星光大道、新南路、諾丁陽光小區、小龍坎街道、三峽廣場

2.2 不同熱島強度下植物物候空間格局

根據調查統計數據可知,從涼島區到熱島區植物平均展葉期分別為78.7 d,73.6 d、70.6 d；涼島區到熱島區植物平均初花期分別為113.9 d,109.9 d,93.1 d；平均終花期分別為143.3 d,138.4 d,131.7 d；平均落葉期分別為339.4 d,347.9 d,358.3 d(圖3)。通過單因素方差分析可知,不同熱島強度等級下植物展葉期、初花期、終花期、落葉期均存在顯著差異(P<0.001),以涼島區為對照,熱島過渡區與熱島區植物展葉期較涼島區分別提前了5.1 d和8.1 d,初花期分別提前了4.0 d和20.8 d,終花期分別提前了4.8 d和11.6 d,而落葉期分別推遲了8.5 d和18.9 d,且熱島強度等級越大,提前或推遲于涼島區的天數越多。

圖3 不同熱島強度等級下植物各物候差異比較 Fig 3 Differences in phenology under different UHI intensity levels

2.3 不同功能型植物物候對熱島效應的響應

2.3.1不同生長型植物物候對熱島效應的響應

灌木與喬木的展葉期在熱島過渡區較涼島區分別提前了5.3 d和4.7 d,熱島區分別提前了9.2 d和7.0 d；初花期在熱島過渡區分別提前了10.5 d和1.1 d,熱島區分別提前了23.9 d和20.7 d；終花期在熱島過渡區分別提前了11.6 d和2.3 d,熱島區分別提前了14.2 d和12.1 d；而落葉期在熱島過渡區分別推遲了10.2 d和8.1 d,熱島區分別推遲了20.2 d和20.3 d(圖4)。

可見灌木與喬木的展葉期、初花期、終花期均隨熱島強度等級的增強而提前(P<0.05),落葉期均隨熱島強度等級的增強而推遲(P<0.05),且熱島強度等級越大,物候變化幅度越大。相同熱島強度等級下,灌木展葉期與落葉期變化幅度均顯著大于喬木變化幅度(P<0.05),初花期與終花期雖差異不顯著(P>0.05),但也呈現出灌木變化幅度大于喬木的趨勢。

圖4 喬木與灌木物候對不同熱島強度的響應差異Fig.4 Differences in phenology between trees and shrubs under different UHI intensity level

2.3.2不同葉生活型植物物候對熱島效應的響應

常綠與落葉植物的展葉期在熱島過渡區較涼島區分別提前了6.3 d和5.0 d,熱島區分別提前了9.2 d和8.1 d；初花期在熱島過渡區分別提前了8.1 d和3.0 d,熱島區分別提前了21.3 d和22.3 d；終花期在熱島過渡區分別提前了11.3 d和1.7 d,熱島區分別提前了15.1 d和10.4 d；落葉期不存在常綠與落葉的比較(圖5)。

單就落葉植物而言,植物展葉物候在熱島區與熱島過渡區分別提前了5.0 d和8.1 d,而落葉期分別推遲了8.5 d和18.9 d(圖5),進而導致葉生長季分別延長了13.5 d和27.0 d(P<0.001),并且落葉期推遲天數大于展葉期提前天數,對生長季延長的貢獻更大。

可見常綠與落葉植物春季物候均隨熱島増溫而提前(P<0.05),且熱島強度等級越大,物候變化幅度越大。相同熱島強度等級下,常綠植物物候變化幅度大于落葉植物,且終花期兩者變化幅度差異達到顯著水平(P<0.05)。

圖5 常綠植物與落葉植物物候對不同熱島強度的響應差異Fig.5 Differences in phenology between evergreen and deciduous under different UHI intensity level

2.3.3不同區系成分植物物候對熱島效應的響應

本土植物與引種植物的展葉期在熱島過渡區較涼島區分別提前了5.3 d和5.5 d,熱島區分別提前了5.9 d和10.9 d；本土植物初花期在熱島過渡區推遲了0.7 d而引種植物提前了10.6 d,在熱島區兩者分別提前了18.0 d和25.0 d；本土植物終花期在熱島過渡區推遲了1.0 d而引種植物提前了12 d,熱島區兩者分別提前了3.5 d和21.2 d；落葉期在熱島過渡區分別推遲了5.7 d和11.5 d,熱島區分別推遲了18.9 d和20.5 d(圖6)。

可見本土植物與引種植物展葉期均隨熱島増溫而提前(P<0.05),落葉期均隨熱島増溫而推遲(P<0.05),本土植物初花期與終花期隨熱島増溫先略微延后然后再提前,而引種植物則隨之明顯提前。從變化幅度上看,熱島強度等級越大,各物候期物候變化幅度越大,相同熱島強度等級下,引種植物物候變化幅度大于本土植物,且展葉期、終花期兩者變化幅度差異達到顯著水平(P<0.05)。

圖6 本土植物與引種植物物候對不同熱島強度的響應差異Fig.6 Differences in phenology between exotic and native species under different UHI intensity level

3 討論

3.1 植物物候對城市熱島效應的響應機制

目前,有關城市內部不同熱島強度下植物物候變化趨勢的研究報道不多[8- 9],更沒有人研究過山地城市不同生活型植物物候對熱島増溫響應的差異。本研究發現,山地城市內部熱島増溫使植物春季物候提前,秋季物候推遲,植物生長季延長,與物候在城鄉梯度上的變化趨勢一致[1,6- 8,27- 28]。可見熱島效應帶來的溫度變化依然是影響城市內部精細尺度下物候變化的主要驅動因子[8- 9,29],溫度通過影響酶的活性影響植物生長過程及植物物候,溫度升高促進植物酶的活性,從而加快植物發育進程[30- 31]。

已有研究表明,熱島増溫導致的植物葉生長季延長主要依賴于春季物候的提前[4,32- 33],本研究卻發現落葉物候比展葉物候敏感,秋季落葉期推遲天數對生長季延長的貢獻大于春季展葉期提前天數,與已有研究相悖,可能原因有三點：一是高程對植物物候的影響[6,13- 14]。山地城市熱島強度等級不僅體現在溫度的差異上,同時也體現了海拔高度的差異,故高程對物候的影響也會疊加到熱島效應之上,但高程對物候變化的貢獻有多大？還需進一步研究；二是熱島效應的季節變化。重慶主城區熱島效應在秋冬季節最強[25- 26],故秋冬季節不同熱島強度等級的溫差大于春季溫差,因而落葉期物候變化幅度隨溫差的增大而增大,同時,冬季熱島區増溫偏高可能不利于打破芽的休眠而使春季物候推遲,涼島區較冷的冬溫則有利于打破休眠,促進春季物候的發生[34],從而部分抵消春季物候隨熱島増溫的提前效應；此外,本課題組還發現,城市植物在人工修剪狀態下的春季物候較自然狀態下推遲[35],而隨著城市熱島強度等級的增加,植物人工修剪痕逐漸加重,故春季物候隨熱島増溫的提前幅度會因修剪程度的增加而部分抵消,使春季物候提前效應減弱。

由于城市熱島效應受城市化程度及人類活動的影響,若未來熱島效應繼續增強,其對植物物候的影響幅度可能會持續增大,但是否存在増溫閾值,還需要進一步研究[8- 9]。

3.2 不同功能型植物物候變化差異的原因分析

植物功能型反映植物對環境變化的適應策略[36],因此,不同功能型植物對熱島效應的響應特征也應存在差異[5,37]。目前已開展有草本植物與木本植物物候對環境變化的響應研究,結果表明,一年生、草本植物比多年生木本植物對増溫的響應更加敏感[8,32],但不同功能型木本植物對熱島效應的響應如何卻鮮有研究,Jeong等對南韓4種植物物候研究發現,兩種灌木對城市熱島増溫的響應較兩種喬木更加敏感,本研究結果也顯示灌木各物候期隨熱島強度的增加變化幅度大于喬木,即灌木對熱島増溫的敏感度高于喬木[38]。其原因可能在于,用以島強度等級劃分的氣溫的測定高度為1.5 m,而用以物候觀測對象的喬木高度大都在3 m以上,灌木高度多集中在0.6—2 m,故灌木層尤其是低矮灌木的物候受地面溫度影響顯著。城市內復雜的下墊面性質使地面溫度的日變差顯著大于氣溫的日變差[39],因而不同熱島強度等級下,灌木層溫差實際大于喬木層溫差,故灌木層物候變化幅度更大。結合前人研究可推測,對熱島效應的效應敏感程度由大到小為草本>灌木>喬木,因此植物距離地面的高度可能是造成不同生長型植物物候對熱島響應差異的主要原因。

不同葉生活型植物物候對熱島的響應也存在差異,常綠植物與落葉植物相比,常綠植物對熱島増溫更加敏感,可見不同葉生活型植物對熱島増溫的適應策略不同。引種植物與本土植物相比,引種植物物候對熱島増溫的響應更加敏感,可能是由于引種植物在異地栽培過程中,對環境變化有更強的可塑性,而本土植物在長期進化過程中,各性狀對生長地環境均具有極強的適應能力,因此,本土植物物候對熱島效應的長期緩慢變化具有更強的穩定性。

4 結論

城市熱島是伴隨城市化過程產生的局地小氣候的改變。重慶作為典型的山地城市,因地形復雜、區域封閉而表現出明顯的熱島效應,隨著城市內部熱島強度的增加,植物春季物候明顯提前而秋季物候顯著推遲,植物生長季延長。不同功能型植物物候進行比較得出：灌木物候較之喬木對熱島増溫更加敏感,可能是由植物距離地面的高度差異導致的増溫差異造成的；常綠植物較之落葉植物對熱島増溫更加敏感,體現出不同葉生活型植物的不同適應策略；引種植物較之本土植物對熱島増溫更加敏感,歸因于本土植物對原生環境的長期適應性以及引種植物對異地栽培的高度可塑性。

本研究揭示了植物物候對山地城市內部熱島效應的響應特征以及不同功能型植物物候對熱島效應的響應機制,在一定程度上填補了我國西南山區物候研究的空缺,為預測山地城市植物物候對未來城市小氣候變化乃至全球氣候變暖趨勢的響應提供了早期預警。但熱島效應不僅僅體現在溫度的差異,還包括濕度、下墊面性質、城市地表徑流等的變化,物候的影響因素也不僅限于溫度,降雨、濕度、輻射等也會對其造成一定影響。未來物候變化是否會隨熱島強度等級的增加持續變化,是否存在變化閾值？除溫度以外的其他城市小氣候的變化對植物物候的影響如何？各氣候因子的綜合作用對植物物候的影響又如何？值得未來進一步探討。

致謝：感謝西南大學園藝園林學院碩士生歐陽麗娜、金光娟、趙心怡、郝桂芝、劉磊在野外物候觀測及氣溫測量中提供的幫助。