物候学——当理论与实践相遇

文图/维琦

发现自然笔记这个网站其实带着些偶然。

当时我正在网上到处搜寻一种植物的果实图片,但在常用的植物志网上查无结果,不经意间进入到自然笔记这个网站,发现在这里我想要的图片都有热心的网友上传,并且网站还细心地划分了地域及年月时间,就像是一本带着图片的物候历,自然笔记的成员还会不时上传关于植物、动物物候现象观测的笔记及许多科普小知识。网友们对物候学的热情让以此为研究生专业方向的我感到汗颜,同时,我也对大家所拥有的广博知识感到惊叹:因为有些文章中出现的植物种类甚至连我自己也不甚了解。

于是,看到网站上栏“成为会员”这一选项后,我毫不犹豫的点击进去报了名,没过几天,空错便给我发邮件,想让我和大家聊聊如何用更科学的方法让物候学记录产生更多价值。

物候学是研究自然界的植物(包括农作物)、动物和环境条件(气候、水文、土壤条件)周期变化间相互关系的科学。具体来说,我们平时所看到的草木荣枯、鸟类迁徙、昆虫活动、冰雪消融等都属于物候现象,这些现象不仅能反映自然季节的变化,而且能表现出生态系统对全球环境变化的响应和适应,因而也被视为是“大自然的语言”和全球变化的“诊断指纹”(fingerprints)。

目前常用的物候观测方法有3种,即人工观测法、照相法和遥感。大家在平时生活里看到植物开花,发芽后将日期记录下来,随后传到网站上的方法实际上就属于人工观测法。那么,怎样的观测方法才会使你的记录更准确,具有科学价值,甚至可以用来做科学研究呢?在这里,我来给大家做一个简单的介绍。

首先,是关于物候观测地点的选定。我们在选择观测地点时要遵循2项原则:一是选定的地点不会轻易移动;二是所选的观测点具有一定代表性,并且尽可能的平坦开阔。在观测点选定后,我们需将地点周边环境(如在建筑物哪一边,距离建筑物多远,地形状况如何)做一个大致记录,以便将来查考之用。

在观测地点选定后,我们就要选择我们的“目标”了,虽说家种的盆栽植物观察起来最是方便,但我们进行物候观测时所选物种最好是露地栽培或野生植物,并且要选择发育正常且开花结实达到3年以上的中龄树。大家如果将观测地点选在当地公园,那么同种树会有许多株,我们尽量每种选择5株以上作为观测目标,并在观测记录上记下具体日期。在观测时间上,由于一天之内,下午1~2时左右气温最高,而植物的物候现象常在高温之后出现,因此我们最好在下午进行观测。当然,如果你选择了一种有“个性”的植物,开花等物候现象常发生在早晨,那我们就可以将观测时间改为上午。

物候观测是一个长年累月的工作,数据记录的宝贵之处在于观测者的坚持。我现在研究所用的数据——1979~2013年北京植物园的物候观测记录全都来源于我的导师陈效逑老师,以及陈老师的老师杨国栋先生多年来每周定期对植物园的物候观测记录。不管严寒酷暑,下雨刮风,这些记录从未中断过,两代人像是接力一样将这观测足足坚持了35年,而现在,陈老师每周会带领我们研究组的全体同学一起前往植物园观测,在植物园里师生一起查看植物的物候期,途中陈老师或是询问我们在学术方面的最新进展,或是与我们分享生活中的点滴感悟,这是学业生活上的传道,也更是一种精神上的传承。陈老师经常和我们说做学术不仅要钻进去,还要走出来,只置身于理论中是“书呆子”科研工作者,做研究最重要的是要把理论和实践相结合,对于物候学更是如此。虽然现在常用的遥感物候观测覆盖范围广、空间连续、时间序列长,但是一些物候期,比如植物芽膨大、开放、展叶始是很难用遥感测定其精准日期的,这些数据的获得,还需要人工观测来实现。那么,我们如何判定植物具体处在哪一个物候期,各个物候期又都具有什么特征呢?这里用几张图片给大家做一个简单的说明:

1.芽膨大始期

具有鳞片的芽,当鳞片开始分离,侧面显露浅色的线形或角形,或者对于果树来说,我们能从鳞片之间的空隙看出芽的浅色部分时,我们就将这种状态记为芽开放,但对于枫杨等裸芽树种来说,是不记芽膨大期的。

文冠果芽膨大
图1  3月24日,文冠果芽膨大
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图2 3月24日,刺槐芽膨大

当春季刺槐旧痕上有突起,出现人字形裂口(冬季也可能有裂缝,但不是人字形)时,就是刺槐芽的膨大期了。

 

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图3 3月24日,美国梧桐芽膨大

美国梧桐具叶柄下芽,冬天时美桐的芽包被于叶柄内,叶柄脱落后,方显出芽。此时图中梧桐芽已现绿,脱掉美桐的“小帽子”绿芽就虎头虎脑的显现了出来,煞是可爱!

2.芽开放期

树木有鳞片的芽,当芽的鳞片裂开,芽的上部出现新鲜颜色的尖端,或形成新的苞片而伸长时,树木就迎来了另一个发育期——芽开放期。一些隐蔽芽,比如槐树,在明显看见长出绿色叶芽时,就记为芽开放期,还有像枫杨一样的裸芽,在带有锈毛的冬芽出现黄棕色裂缝时,就是芽开放期。

 

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图4 3月24日,白花山碧桃叶芽开放
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图5 3月24日,鼠李芽开放
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图6 3月24日,卫矛芽始开放
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图7 3月24日,猬实芽开放

3.展叶始期

当观测的植株出现第一、二片平展叶时,植株就又进入了另一个物候期——展叶始期。对于针叶树种来说,当幼针叶从叶鞘中开始出现时,我们就认为针叶树种迎来了展叶始期。

 

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图8 3月24日,贴梗海棠展叶始

4.展叶盛期

当观测的植株上有半数以上的枝条小叶完全平展,我们就说,植物达到展叶盛期。对于针叶树,当新针叶长出的长度达到老针叶长度一半的时候,就达到了针叶树种的展叶盛期。

5.现蕾(序)期

对于桃、李、玉兰等植物来说,花芽在前一年形成,当第二年春季到来后,花芽开放露出花蕾或花序,此时叫做植物的现蕾(序)期。对于其他多数植物,花芽在当年形成,出现花蕾或花序蕾雏形时,就是花蕾或花序出现期。

 

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图9 3月24日,龙爪柳现花序

6.花始期

如果我们同一种植物观测了许多株,50%以上的植株有一朵或同时有几朵花的花瓣完全开放,此时可记为开花始期,如果只观测了一株,那么在这一株植株上有一朵或同时有几朵花的花瓣完全开放即为开花始期。

对于针叶树,当树木开始散粉时即为针叶树的开花始期,对于葇荑花序的树种,当柱头变为黄绿色时即为花始期。

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图10 3月24日,毛白杨将始花
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图11 3月24日,圆柏始散粉

用手一轻轻弹,阳光下可以看到圆柏花粉扑簌簌的散在空中,当然,有花粉过敏症的朋友此时就要赶紧躲开啦!

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图12 3月24日,矮紫杉散粉盛期

7.花盛期

在观测的树木上有一半以上的花蕾都展开花瓣,或一半以上的葇荑花序散出花粉,又或一半以上的葇荑花序松散下垂(例如加杨),为花盛期,针叶树不记开花盛期。

8.花末期

当被观测树木上只剩下极少数的花时,树木进入花末期,针叶类树木终止散粉时为花末期。然而有一些树种的花比较顽强,不甘心化作“春泥”,比如榆叶梅,那当大部分花带锈色时,就记为花末期。

在花末期过后,大多数植物开始进入秋季物候期,那么秋季来临时我们需要观测些什么呢?树木又会经历哪些物候期,每个物候期的定义是什么?这些我将在下一篇文章里为大家一一介绍。现在,大家已经大致了解了春季物候期的观测方法,但仍需将理论与实践结合。拥有多年观测数据可以编制适用于当地的物候历,利用物候历可以预测农时,防治农林害虫,划分季节,搭配当地景观等等。在环境变化剧烈的今天,物候学的研究显得尤为重要。目前,国外已建立了多个强大的物候资料共享网络,其中影响较大的有十余个,例如英国物候观测网有200多个站点,100余个物种,每年存档数据10万余条,最早记录至1753年;美国物候观测网有7500余个站点,371种植物,76种动物,每年存档数据18万条,已积累资料近100万余条,最早记录至1936年。但是,正如中科院地理所戴君虎老师所说,“中国在气候变化的影响研究上还缺少发声”。在应用和认识上,我们与国外基本一致,但国内的工作仍是零星和有限的,深度和广度都不够。我国现在物候观测数据渠道急需得到拓宽,加拿大早在2000年就实行了植物钟计划,全民参与观测,我们也可以借鉴国外物候研究的先进经验,最大程度地利用便捷的通讯技术来收集广大志愿者的观测结果,将民间物候爱好者的业余物候观测结果,通过互联网等工具收集、整理后加以利用。现在我们已经有了自己的物候观测网站——中国物候观测网,大家可以将自己的观测记录随时随地上传,成为我国物候观测志愿者中的一员。

实际上,物候观测的过程也可以非常切合的诠释自然笔记网友们的目初衷,那就是:发现,探索,记录和传播自然之美。

(以上关于各个物候期的定义均参考自《中国物候观测方法》宛敏渭、刘秀珍著)

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