工业革命以来, 全球发生了以气候变暖为主要特征的变化。2019年全球平均温度较工业化前升高了约1.1℃, 同时2015—2019年是有完整气象观测记录以来最暖的五个年份[1]。受气候变暖影响, 过去几十年来北半球不同类群(木本植物、草本植物、昆虫、鸟类、两栖动物等)的春季物候期显著提前、秋季物候期推迟[2-5]。植物物候变化影响了陆地生态系统碳吸收[6]与水循环[7]等过程, 同时不同营养级间物候变化的差异还改变了生态系统种间关系[8]。因此, 植物物候期不仅是气候变化的敏感指示器, 还是影响生态系统结构与功能的关键参数。

传统的植物物候学研究主要依赖于地面观测、近地面物候相机监测和遥感监测这三种数据源。地面物候观测主要通过对小范围内的植物进行多年连续的目视观测, 记录植物生长发育事件发生的时间。利用长时间地面观测资料可研究物候期的年际变化与气候因子的关系[9-12]。由于地面物候数据需消耗较多的人力, 近地面传感器开始应用于物候观测[13-14]。近地面传感器主要是利用相机对某一固定区域进行连续拍照, 获取不同波段(主要以红、绿、蓝及近红外为主)的长期监测数据。利用遥感数据研究物候具有全空间覆盖的特点, 目前常用的遥感数据源包括Landsat/TM、Terra/MODIS、NOAA/AVHRR等[15-16]。无论哪种观测手段, 所获取的植物物候期都受多种气候因子综合作用的影响。例如, 某一年的展叶始期受到季前气温、光照、降水等环境因子的综合影响。基于这三种数据源的物候变化归因只能依靠统计方法区分各因子的作用, 但各气候因子对物候的交互作用机制仍难以厘清。

为研究物候期发生的生理生态机制, 控制实验开始在物候学研究中广泛应用。控制实验的优点在于能够精准的控制各环境因子, 既有助于排除其他因子的影响, 识别单因子对物候期的作用, 又能识别多因子的交互作用。物候控制实验的研究对象主要以木本植物(幼苗、枝条和成年个体)和草本植物的发芽、展叶、开花与叶变色等物候期为主。以木本植物枝条与幼苗为对象的实验主要在室内进行(置于温室或生长箱内), 观测不同气候因子对物候的影响。而针对木本植物成年个体与草本植物的物候控制实验主要在野外进行。目前控制实验研究中所涉及的气候因子主要包括温度、光照、湿度等。

近年来, 利用控制实验研究植物物候对气候变化的响应的文献逐渐增多, 极大丰富了对气候因子调控植物物候的认识。但尚未有研究对物候控制实验的方法与进展进行系统总结与梳理。物候控制实验已经获得的基本认识以及未来的研究方向仍不明确。因此, 本文综述了已有物候控制实验研究中对不同气候因子(光照、温度和水分)的控制方法, 以及在植物物候对气候因子的响应方面获得的重要结论, 最后提出了未来物候控制实验研究的主要发展方向。

因温度升高是全球变化的最显著特征, 大部分控制实验研究了驱动温度变化对植物物候的影响。为与植物休眠期经历的低温相区别, 以往文献将休眠解除后, 有利于植物生长发育的适宜温度称之为驱动温度[17-18]。在室内, 最常用的驱动温度控制方法是利用生长箱或温室中的控温设备(空调等)来调节温度, 观测植物物候对温度变化的响应。生长箱指用于培养植物等的箱体装置, 采用微电脑控制器, 精确控制箱体内的温度。由于生长箱体积较小(1000 L左右), 在应用于物候控制实验时只适用于草本植物或木本植物的枝条和幼苗。例如, 有研究通过生长箱实验对比了在早春采集的木本植物枝条在不同驱动温度(5、10、15、20、25、30℃)下开花物候的差异[19]。除设定恒定的温度外, 也有研究通过设定不同的昼夜温度, 探究白天与夜晚增温的有效性是否存在差异[20]。具备类似温度控制功能的还包括具有防寒、透光等功能的温室。如Partanen等[21]在温室中通过设置10℃恒温及昼夜波动(15/5、20/10℃)两种温度模式, 探讨了植物物候期对昼夜温差的响应。

除室内控温实验外, 在野外通常采用增温装置进行温度控制, 如开顶箱(主动式、被动式)、土壤加热电缆、红外线辐射器等[22]。被动式开顶箱主要通过外部框架和透明挡板形成圆台或六棱台的半封闭空间来提高箱体内部温度(增温幅度通过箱体高度来控制), 而主动式开顶箱是通过半封闭的框架空间和电加热的共同作用来提高箱体内部温度。相较于主动式开顶箱, 被动式开顶箱更为经济、简单易行, 因此在体型普遍较小的草本植物上应用最广泛。例如, 有研究在西藏中部的高山草甸地区利用被动式开顶箱对优势物种实施增温处理[23], 观测金露梅(Potentilla fruticosa)和钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)开花物候对增温的响应。但是, 被动式开顶箱在增加温度的同时, 可能对风速、降雨量等产生干扰。其它增温方式主要是主动式增温, 即利用红外线的电磁辐射热传递效应实现增温。例如, 珊丹[24]在内蒙古荒漠草原悬挂红外辐射器来加热, 观测样地内六种主要植物的开花物候及生长季长度对增温的响应。主动式增温也适用于木本植物的冠层或根系。例如, 在日本的温带森林中选取了三棵18—20 m的蒙古栎(Quercus crispula), 在其顶端枝条上加绑增温5℃的加热电缆, 探究枝条增温对叶片衰落期的影响[25]。在加拿大魁北克省, 通过在深约20 cm的土壤中埋设加热电缆给黑云杉(Picea mariana)加热, 观察土壤增温对黑云杉的木质部物候进程的影响[26]。虽然主动式增温的红外辐射器能够更为真实地模拟全球气候变化情况, 但与被动式增温相比它对电力需求大且加热面积有限。

温带地区的多年生木本或草本植物在秋冬季会进入自然休眠期, 经历冬季一定时长的低温之后才能解除自然休眠[27]。低温诱导休眠解除的过程在文献中称为冷激[28-30], 通常以植物在休眠期经历的低温累积时间(小时或天数)来定量描述。室内控制实验中对冷激的处理主要是在生长箱设定不同冷激温度, 并对采集的枝条样本处理不同的时间。例如, 通过生长箱设定冷激温度为1.5℃与4℃, 处理30 d后, 再置于合适温度条件下, 可对比枝条接受到的冷激量对后续展叶与开花时间的影响[31]。

在室外, 通常采用自然冷激处理, 即通过控制采样时间来获得不同冷激处理的样本。例如Laube等[32]在2011年12月14日到2012年3月14日的时段内, 每隔约6周从德国同一森林站点采集一次植物枝条, 根据其暴露在自然冷激条件下的时间差异划分3种冷激程度。在中国亚热带地区也进行过类似实验[33]。

光照对植物物候的影响非常复杂, 光的三个特性均会影响物候期, 包括光周期、光照强度和光谱。光周期是指昼夜周期中昼长和夜长的季节性变化。光照强度是指单位面积所接受的可见光通量。光谱则是指光源不同波长的光所占的比例。

光周期的控制中应用最为广泛的是生长箱。在生长箱中, 通常有金属卤化物灯、白炽灯等维持光照, 通过人工或微电脑控制不同时长的光照循环来实现光周期变化。例如Zohner等[34]通过生长箱设定8 h和16 h两种不同的昼长来观测欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)、欧洲七叶树(Aesculus hippocastanum)和挪威云杉(Picea abies)的物候。也有研究通过在培养箱中逐渐增加昼长的方式, 模拟自然条件下昼长逐渐延长的条件[35]。在野外环境下, 一般采用遮光方法控制光周期。例如, 在每天特定的时间段, 给室外成年植株的枝条上套上黑色不透光袋子, 直接控制枝条接受光照的时间, 并用相同的透明袋子作为对照, 探究昼长缩短对物候的影响[34]。Fu等[36]也采用类似套袋方法研究了光周期对植物展叶期的影响。

光照强度的控制既可通过不同瓦数的光源实现, 也可利用白色棉布罩减弱光强。例如, Caffarra等[37]利用生长箱, 对比了不同光强下欧洲山毛榉萌芽期的变化。有实验在温室中使用遮阳布研究了降低光照强度对挪威云杉春季物候期的影响[38]。

光谱的控制通常通过改变光源来释放不同谱段的光。例如, Brelsford等[39]利用生长箱中LED灯的布置, 设定有蓝光和无蓝光照射两种光照条件, 观测植物物候对蓝光的响应。也有实验使用滤光片改变红光与近红外波段的比例(R: FR), 研究R: FR值的减小对欧洲白桦(Betula pendula)春季萌芽的影响[40]。

在研究水分条件对物候影响时, 主要控制两个变量, 即空气湿度和土壤湿度。在室内实验中, 一般将吸水的棉芯放入生长箱, 通过棉芯的数量来控制水分蒸发量, 以此来实现空气湿度的控制[41]。另外在培养箱中定期喷水与不喷水处理, 也能实现空气湿度的控制。土壤湿度通常通过不同的浇水量和浇水频率来控制[42]。Khan等[43]在研究土壤湿度对花旗松(Pseudotsuga menziesii)幼苗物候影响时, 通过设定不同的土壤湿度阈值, 等到土壤湿度低于设定值时再浇水, 实现土壤湿度的控制。

在野外, 物候控制实验主要改变土壤湿度。例如, 利用遮雨棚排除自然降雨干扰, 依靠洒水器对喷水量进行控制, 从而实现土壤湿度的梯度处理[44]。另一种方式是利用传感器控制雨水遮蔽系统, 使春夏季雨水流入量减少[45]。在高寒地区, 如西藏中部的高山草甸, 可在植物返青前采用人工补雪的方式增加土壤湿度[23]。

综上, 物候控制实验的基本方法可总结为图 1。由于不同方法的经济可行性、操作难易程度、耗时、经济成本等不同, 本研究梳理了不同控制方法的优缺点(表 1)。在对所有气候因子的控制实验中, 生长箱操作方便, 应用最为广泛, 但受到自身体积的限制多适用于木本植物枝条或幼苗。如果在野外环境下对成年木本植物开展物候控制实验, 需要采用加热电缆、红外辐射器、遮雨棚等成本较高的方案。

春季物候期主要指多年生植物在春季的芽开放期及之后的开花期与展叶期。多年生植物在经历夏季的快速生长后, 随着秋季温度的降低和昼长的缩短, 顶端分生组织停止生长, 木本植物长出冬芽、草本植物枯黄, 进入休眠期。通过冬季的低温刺激(又叫冷激), 休眠期解除。休眠期解除后, 植物在逐渐回暖的春季开始萌芽、展叶或开花。对于春季物候期的控制实验, 主要针对休眠期的解除阶段与休眠解除后的发育阶段。

实验结果表明, 冬季冷激量的增加会加快后续芽开放的速度或降低芽开放的热量需求。例如, Flynn等[31]在哈佛森林和魁北克于2015年1月采集了28种木本植物的枝条放入生长箱培养, 给予部分枝条1.5℃或4℃下30 d的额外冷激处理, 发现额外的冬季冷激使木本植物展叶始期提前了15.8 d。在爱尔兰, 四种木本植物的枝条在3℃下处理不同时长(0—105 d)后, 发现冷激时长的增加促进了萌芽期的提前, 且提高了萌芽率[37]。也有实验利用暴露于自然条件下的冬季低温控制冷激量。例如, 在美国乔治亚州, 每周采集一次桃树(Prunus persica)的枝条至合适条件下培养, 发现后几周采集的枝条由于接受的冷激时间更长, 它们的花芽萌发所需要的热量需求下降, 萌芽速率更快、萌芽比例更高[46]。Pletsers等[47]将柔毛桦(Betula pubescens)和欧洲山杨(Populus tremula)幼苗前后两次(2009年11月25日和2010年1月18日)移入生长箱培养, 发现冷激时间长(第二次采样)使两个物种的萌芽时间均提前。在加拿大安大略省, 随着冷激累积时长的增加, 7个物种萌芽所需的热量也逐渐减少[48]。欧洲山毛榉萌芽的热量需求与冷激时长也呈负相关的线性关系[17]。总之, 所有控制实验均发现冬季冷激量的增加会使春季物候期提前。

驱动温度指休眠解除后, 使植物快速生长发育的较温暖的温度。已有研究表明, 驱动温度的升高会促进植物春季物候期的发生。室内控制实验中, 利用多个生长箱之间的温度差异, 发现温度增加的条件下, 木本植物的萌芽期、展叶期等出现显著提前[49-50]。室外开顶箱实验也表明增温使高山草甸地区优势物种的开花期显著提前[23]。增温使北美草原上春季开花的草本植物花期及果期提前, 而在夏季之后开花的物种物候期推迟[51], 表明不同季节开花的草本植物对温度具有不同的响应机制。

虽然增温会使植物春季物候期提前, 但是温度对物候期的影响是非线性的, 即春季物候的温度敏感度随温度的升高表现出降低的趋势。例如, Wang等[19]通过对北京5种落叶阔叶木本植物的枝条, 在6个温度梯度下进行培养(5—30℃), 发现随温度升高, 1℃增温导致的花期提前量下降。类似结论也出现在Fu等[50]的生长箱增温实验中。

以往研究主要针对平均气温, 但近年来控制实验关注到增温的具体时段, 即白天增温还是夜晚增温对春季物候期的影响是否存在差异。在同样日均温条件下, 昼夜温差对于植物发芽有促进作用, 例如, 挪威云杉枝条在昼/夜温度为15℃/5℃的温室中培养比在10℃的恒温温室中萌芽更早[21]。白天增温与夜晚增温相比, 对物候期的影响更大。例如, 不同种源地的黑云杉(Picea mariana)在生长箱中分别进行白天增温和夜间增温的处理, 发现萌芽期对夜间增温的响应程度小于白天增温[20]。在温室条件下观察欧洲白桦、英国栎(Quercus robur)和欧洲山毛榉3个树种对白天和夜间增温的响应差异, 结果表明白天和夜间温度的升高都使展叶期显著提前, 但白天增温对展叶期的影响大约是夜间温度的3倍[52]。类似的结果也出现在Zhang等[53]的研究中。

已有证据显示, 较长的光周期能使植物的展叶始期提前, 但这种效应仅限于部分植物。从2个北美森林中28种木本植物的研究结果来看, 在群落水平上, 长光周期(12 h)相较于短光周期(8 h)可使枝条的萌芽期提前5 d[31]。Basler等[35]发现不同物种的枝条对光周期的响应不同, 对于演替后期物种来说光周期是重要的环境信号, 而光周期对演替前期物种只发挥微弱的作用。室外实验能够直接在植株上验证光周期的效应。例如, Zohner等[34]选取种植于慕尼黑植物园的欧洲七叶树、欧洲山毛榉和挪威云杉3个物种, 将自然条件下的光周期延长与固定8 h不变的光周期相比, 发现8 h的短日照使欧洲山毛榉的萌芽期推迟41 d, 欧洲七叶树的萌芽期推迟4 d, 而对挪威云杉无影响。最新的研究发现, 在冷激程度低的情况下, 北半球173个物种中只有35%萌芽期会受到春季光周期的调节作用, 且这些植物主要起源于冬季相对较短的低纬度地区[54]。

光照强度的增加会促进植物的萌芽。在温室中使用遮阳布与正常条件相比, 光照强度的增加促进了挪威云杉的萌芽, 可能是由于晴天吸收辐射能量引起植物表面温度升高的结果[38]。同样利用遮光罩降低光照强度的实验中, 随着光照强度的降低, 欧洲山毛榉萌芽期显著推迟[37]。

光谱成分(例如R: FR比、蓝光与紫外线的比例)等对物候也具有显著的影响。在生长箱中通过白炽灯和荧光灯形成红光: 远红外(R: FR)为0.58的光照, 与自然光进行对比, 结果表明低比例的R: FR使桦木萌芽期提前了4 d[40]。将包含和排除蓝光的光照条件进行对比, 发现蓝光促进了落叶阔叶树种的萌芽[39]。此外, 在野外实验中增加30%的紫外线也促进了欧洲山杨雄株萌芽期的显著提前[55]。

空气湿度对植物春季物候的影响存在一定的争议。有实验发现, 空气湿度的增加会促进植物春季物候期的发生。例如, Laube等[42]选取了9种北半球的木本植物, 将它们的枝条放入生长箱进行培养, 设置40%、90%两种空气湿度, 同时保持温度、光周期等其他因子保持一致, 发现空气湿度的降低会推迟展叶期。但是, 之后的研究发现, 在美国马萨诸塞州, 包括5种入侵灌木、6种本地灌木、3个本地树种、1种非本地的观赏种在内的15种树并没有表现出展叶期随空气湿度增加而提前的趋势[41]。后一研究与Laube等[42]的差异可能是由于Laube等实验中的温度存在昼夜变化, 导致空气湿度随之出现短暂的变化。Zohner等[56]同样利用控制实验研究了空气湿度对10种木本植物展叶期的影响, 发现空气湿度不是温带木本植物春季展叶的触发条件。植物物候期对空气湿度的响应还需要通过更多物种及实验验证。

土壤湿度是影响植物春季物候期的潜在因子, 特别对处于干旱半干旱地区的草原。Zhou等[44]在沿降水梯度分布的荒漠草原、典型草原和草甸草原上利用洒水器设置湿度梯度, 每5 d观测一次非禾本科萌芽及开花、禾本科抽穗或雄蕊显露情况, 结果表明, 土壤湿度的降低会推迟开花期, 而增加降水会使开花期提前。在木本植物方面, 实验发现土壤湿度对英国栎、柔毛栎和冬青栎(Quercus ilex)幼苗的展叶始期没有显著影响[45]。

除单因子的影响外, 实验结果还发现不同气候因子对春季物候期的影响存在交互效应。一个明显的结论是, 冷激不足的时候, 光周期的效应更明显。Partanen等[21]发现当冷激时长不足时, 光周期的延长会降低挪威云杉的积温需求; 但在经过较长的冷激时段后(105 d), 光周期对萌芽期的影响变得不明显。Laube等[32]也发现只有冷激不足时, 所有物种的萌芽期才对光周期的增加有显著响应, 且随着冷激程度的增加, 对光周期响应的物种数急剧减少。

冷激不足的时候, 增温对春季物候期提前的效应更明显。当冬季冷激程度低时, 植物春季物候的积温需求随之增加, 更高的积温需求会使同等增温时物候期的变化变大。Wang等[57]以连翘(Forsythia suspense)为例, 发现由于冬季冷激量的不足使开花的积温需求增加, 使同样3℃增温引起的开花始期提前量更大。

在北半球温带地区, 秋季昼长逐渐缩短和温度逐步降低, 植物的生长中止直至进入休眠期。秋季物候的控制实验主要针对木本植物的冬芽形成、草本与木本植物叶变色、落叶等相对容易观测的物候期。

实验表明, 低温会促进植物进入休眠期。Heide等[58]通过控制实验发现苹果(Malus pumila)和梨(Pyrus communis)幼苗在低温(