2009-2018年神农架17种优势植物物候观测数据集

马博宇，赵常明，葛结林，徐文婷，熊高明，申国珍，谢宗强＊

1.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093

2.中国科学院大学，北京 100049

引 言

植物物候观测具有悠久的历史。我国的物候观测历史可追溯到周初，即公元前11世纪，在气象观测仪器发明之前，劳动人民因农业需要，便通过观察树木抽芽发叶、开花结果来判断寒来暑往，随后陆续留下记录[1]。国际上，早在9世纪日本京都地区就开始了樱花开花日期的记录[2]，16世纪开始出现大量的关于温带和北方树种的较为完整的物候观测记录，并从19世纪开始增加了许多热带树种的观测[3-4]。

近几十年来，植物物候对气候变化的响应研究越来越受到重视。大量研究表明，植物物候期的变化能敏感地指示气候波动。葛全胜等人基于地面监测和遥感观测的研究显示，近几十年来，持续的增温使得全球不同区域植被的春季物候明显提前，而秋季物候发生推迟[5-6]；Cleland等人研究发现，在气候变暖背景下，大多数植物展叶期和开花期提前，且越早开花的植物春季物候期对温度升高的响应越强烈[7]；然而，Menzel和Jeong等人的研究结果则显示，植物秋季物候期如叶黄期对气候变化的响应无明显的一致性趋势[8-9]。通过这种植物对自然环境变化的适应，可以明确植物生长的季节性节律，了解全球气候变化下生态系统的动态情况。为了深入研究物候学以及全球气候变化，长期的物候观测数据是十分必要的。

植被物候观测手段主要包括传统的人工观测和卫星遥感影像分析两种。人工观测是植被物候研究领域长期采用的方法，采用一定的规范与标准，记录群落内关键或优势种在种群或个体水平上的年内和年际生长节律变化[10]，能够最为直观、准确的得到植物生长发育过程中各个阶段的物候信息[11-12]。然而，人工观测的结果容易受观测者主观因素影响，且人工观测所能实现的地理区域和植物数量有限，在较大尺度和长期监测植物物候变化方面存在困难和不确定性[13]。

随着光学传感器及遥感技术的发展，物候研究逐渐发展出了包括近地遥感和卫星遥感的光谱特征等多种观测方法[14-15]。近地面遥感资料和卫星遥感影像为区域到全球尺度上的植被物候研究提供了可靠的数据来源，同时可以为生态站点人工物候观测数据提供重要的补充[16]，兼具连续观测、覆盖面广的优点。然而受空间分辨率的限制，遥感观测难以识别不同植被群落和物种间的物候差异，且无法实现对物候期的精细观测（如展叶期、开花期）[17]，分析结果的不确定性比较大，因此多用于观测较大尺度范围内（百米至千米）的植被物候状况[18-19]。为了准确把握神农架站站区在区域尺度上的物候情况，选择人工物候观测方法。

神农架地区位于湖北省西部，是我国中亚热带与北亚热带过渡地带，也是我国中部山地与东部丘陵山地的过渡地带，该区地处秦巴山地常绿落叶阔叶天然林生态区，以北亚热带常绿落叶阔叶混交林为主，代表了秦巴山地地带性森林生态系统类型。中国科学院神农架生物多样性定位研究站暨湖北神农架国家野外科学观测研究站（以下简称神农架站）所在地海拔1290 m，年平均气温10.6℃，年降水量1306-1722 mm。神农架站综合观测场海拔1650 m，植被类型为常绿落叶阔叶混交林，植物群落高达25 m，群落结构由乔木层、灌木层、草本层以及层间植物组成，群落盖度约90%。乔木层主要由米心水青冈（Fagus engleriana）、多脉青冈（Cyclobalanopsis multinervis）、曼青冈（Cyclobalanopsis oxyodon）、短柄枹栎（Quercus serratavar.brevipetiolata）、粉白杜鹃（Rhododendron hypoglaucum）、四照花（Cornus kousasubsp.chinensis）、槭树（Acerssp.）等组成，高度4-25 m，盖度约90%；灌木层主要由箭竹（Fargesia spathacea）、箬竹（Indocalamus tessellatus）、乔木幼树等组成，高度1-4 m，盖度约60%；草本层主要由莎草科、禾本科、以及蕨类等植物组成，高度0.5 m左右，盖度约15%；层间植物包括五风藤（Holboellia angustifolia）、猕猴桃（Actinidiassp.）、菝葜（Smilaxssp.）、铁线莲（Clematisssp.）等藤本植物，高度从林下的0.5 m到林冠的20 m不等。该森林生态系统为成熟林，正处于顶极演替阶段。

本文介绍了神农架站综合观测场2009-2018年的植物人工物候观测数据集，选择常绿落叶阔叶混交林乔木层、灌木层和草本层的17种优势植物进行物候观测，能够较好地反映区域尺度下的植物物候与环境之间的关系，旨在为我国典型生态站区域植被生长状况提供参考和数据支持，可用于以站点为基础的物候变化分析和气候变化研究。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

本文数据来自于神农架站综合观测场植物物候观测点2009-2018年的物候观测。木本植物方面，自2009年起，对神农架常绿落叶阔叶混交林的建群种米心水青冈、多脉青冈、短柄枹栎，以及群落优势种粉白杜鹃、四照花、短柱柃、猫儿刺以及卷毛梾木进行物候观测。2010年起增加两个灌木植物物候观测对象，分别为灌木层分布面积较广的主要植物箭竹，以及地带性植物宜昌荚蒾。草本植物方面，选择具有地域代表性的地带性植物黄水枝、七叶鬼灯檠、卵叶报春自2009年开始进行物候观测，2010年起根据草本分布状况增加普通鹿蹄草、三枝九叶草、茜草、蕺菜4个观测对象。所选择的植物物候观测点位于自然保护区的中心地带，人类活动很少，影响程度较轻，较好地保持了自然状态。

1.2 数据获取方法

人工物候观测方法参考《中国物候观测方法》以及《陆地生态系统生物观测规范》[10-11]。选择地势平坦、开阔，有连续气象、水文、生物和土壤要素观测的样地，在观测期内，选取森林群落内的10个乔、灌木优势种和7个草本优势种每天观测。植物物候现象通常出现在高温之后，所以除早上出现的物候现象外，观测时间下午1-2时居多。木本植物采用单株观测法，每个种确定3-5株为观测对象进行观测，并做好标记；草本植物采用种群观测法，确定3-5个定点样方进行观测。对于若干株同种植物，将所有的观测植株作为总体进行物候观测，超过半数植株达到某个物候期，则是到了某个物候期。

1.3 数据处理方法

本数据集的原始数据为神农架生物多样性定位研究站10种木本和7种草本优势种2009-2018年的人工物候观测数据，即各物候现象出现日期。采用序日（Day of the Year，DOY）换算方法，将逐年物候现象出现日期转换成距当年 1月 1日的实际天数，得到各物种物候期的时间序列。应用Sigmaplot 12.5软件，将木本植物与草本植物各物候现象的时间序列分别绘制成点线图，表明各物候期的逐年变化趋势，如图1和图2所示。

图1 草本植物物候期时间序列

2 数据样本描述

本数据集包含2009-2018年17个物种的人工物候观测记录。木本子集由10个森林群落中优势乔、灌木物种组成，共有数据记录97条，主要记录了芽开放期、展叶期、开花始期、开花盛期、果实或种子成熟期、叶秋季变色期和落叶期等物候信息；草本子集由7个优势草本物种组成，共有数据记录66条，主要记录了萌动期（返青期）、开花期、果实或种子成熟期、种子散布期和黄枯期等物候信息。两个数据子集的数据表结构见表1和表2。

数据表中生态站代码SNF的含义：前2个字母S、N分别是生态站名字前两个字的拼音首字母Shennong的大写，第3个字母F表示生态站类型为森林。样地代码SNFZQ01A00_02的含义：SNF为生态站代码，ZQ01表示样地类型为站区调查点序号01，A00表示在该观测场进行生物观测（若该观测场进行生物、土壤和水分观测则为ABC），尾部数字02表示该样地为破坏性采样地（01表示永久样地）。

图2 木本植物物候期时间序列

表1 木本植物物候观测数据集

数据项 数据类型 实例生态站代码 字符 SNF年 日期 2009样地代码 字符 SNFZQ01A00_02样地名称 字符 神农架站站区植物物候观测点样地类别 字符 站区调查点植物种名 字符 米心水青冈拉丁名 字符 Fagus engleriana Seem.芽开放期（年/月/日） 日期 2009/04/06叶芽开放期序日 数字 95展叶期（年/月/日） 日期 2009/04/25展叶期序日 数字 114开花始期（年/月/日） 日期 2009/04/15开花始期序日 数字 104开花盛期（年/月/日） 日期 2009/05/04开花盛期序日 数字 123果实或种子成熟期（年/月/日） 日期 2009/09/10果实或种子成熟期序日 数字 252叶秋季变色期（年/月/日） 日期 2009/09/10叶秋季变色期序日 数字 252落叶期（年/月/日） 日期 2009/10/02落叶期序日 数字 274备注 字符

表2 草本植物物候观测数据集

数据项 数据类型 实例开花期（年/月/日） 日期 2009/05/04开花期序日 数字 123果实或种子成熟期（年/月/日） 日期 2009/06/01果实或种子成熟期序日 数字 151种子散布期（年/月/日） 日期 2009/06/01种子散布期序日 数字 151黄枯期（年/月/日） 日期 2009/09/02黄枯期序日 数字 244备注

3 数据质量控制和评估

为了提高人工物候观测数据集的精度和质量，本数据集采取以下4个方面的数据质量控制措施：

（1）参考《中国物候观测方法》[20]以及《陆地生态系统生物观测规范》[10]，选择具有区域代表性的观测样地，制定明确的人工物候观测技术方法。结合神农架站综合观测场的环境状况以及常绿落叶阔叶混交林的植物种类，观测对象涵盖乔木、灌木、草本三类，均为综合观测场内具有代表性的优势物种。

（2）查阅书籍结合实地考察，明确综合观测场内的植物种类和观测对象的识别特征，系统总结植物各个物候期的特征和判断方法，同时尽量做到相同人员长期连续观测，以减少主观因素带来的误差，保证物候数据的准确性和可靠性。

（3）对记录的物候期数据进行多级审核，对物候数据中物种中文名、拉丁名等重要数据项进行规范和复查，避免错误。同时对比逐年数据，检查疑似异常值，核对原始记录数据进行修正。其中，多脉青冈、粉白杜鹃、猫儿刺、短柱柃等常绿树种，没有明显或整齐的秋季变色期和落叶期，一般在春季换叶；箭竹为林下优势常绿灌木，没有明显的秋季变色期和落叶期，一般50-60年甚至上百年才开一次花，因此开花、结实的物候很难观测到；卵叶报春、普通鹿蹄草、三叶九枝草、茜草为多年生草本，冬季有常绿叶片，因此没有明确的黄枯期。特殊情况（如小年未见结实等）已在备注中标明。

（4）人工物候观测数据除了记录物候现象出现日期外，采用序日换算方法，将木本和草本优势种各物候期时间序列绘制成点线图，便于后续分析和使用，如图1和图2所示，物候期的逐年变化趋势较为清晰明了，且与前人研究结果相比一致，数据集成果具有可信度。

4 数据使用方法和建议

本数据集收录了神农架站综合观测场优势植物物种的人工观测数据，可为以区域尺度或物种水平为单位的物候研究提供可靠的数据基础。另外，可以结合温度、降水等环境观测数据，分析植物对环境变化的响应及其反馈机制，为气候变化、碳循环等方面的研究提供数据支持。本数据集对比了逐年物候期变化并绘制成点线图，可以结合环境、气候变化分析物候变化趋势的驱动因素，也可以通过物候变化来反映区域环境变化。