论文推荐 || 南京林业大学文书生副教授团队开展南京5种木本植物早春花期物候对城市热岛效应的响应研究

南京位于长江中下游(118°22″~119°14″E，31°14″~32°37″N)，气候类型为亚热带季风气候，春秋短、冬夏长，四季分明。为监测南京市的城市热岛效应，本研究将南京市11个市辖区划分为中心城区、近郊区和远郊区，地表温度划分为6个等级。南京市中心城区及经济发展迅速的长江两侧的区域热岛现象十分突出，地表温度大多在27.76~29.42 ℃(占比24.62%)，当日地表温度最高达49.02 ℃，次高温及以上(≥27.76 ℃)区域多集中分布于中心城区及城市建设区；次低温度区和中温区(24.42~27.76 ℃)多分布于近郊区和远郊区；低温区(≤24.42 ℃)主要分布于长江和大型湖泊等水体周围(图1)。

各区分别选择1个公园或绿地作为观测样点，观测样点要求包含指定观测植物，具备交通便利、地形平坦开阔、土壤环境良好的特点，最终在各市辖区选择了环境特征相似的11个样地作为观测点(图1)，其中石头城公园(鼓楼区)、月牙湖公园(秦淮区)、玄武湖公园(玄武区)、滨江公园(建邺区)属于中心城区；雨花台风景区(雨花台区)、浦口公园(浦口区)、仙林湖公园(栖霞区)、禄口街道附属绿地(江宁区)属于近郊区；无想山公园(溧水区)、桠溪镇生态路6号(高淳区)、金牛湖公园(六合区)属于远郊区。

南京市气象站分布较为稀疏，且气象站与本研究观测样点间的距离不等，因此以气象站温度代表观测点的实际气温容易导致较大误差。鉴于此，本研究获取Landsat8卫星影像，通过ENVI反演城市地表温度，并采用热岛比例指数(URI)表征热岛强度，以实现对南京市热岛效应的精准监测。其中，URI指数作为城市热岛评价的唯一指标被广泛使用，URI指数值越接近1即热岛效应越强。本研究以各观测样点为圆心，以1 km为半径作圆，提取该区域的URI指数，以此表征各样点的热岛强度。

 卫星数据选用2019年4月6日的Landsat8热红外影像(https：//earthexplorer.usgs.gov)，选择标识号为LC81200382019096LGN00，云量为6.53，条带号120，行编号为38。通过ENVI的拓展工具(Landsat8地表温度反演)反演城市地表温度，采用双通道非线性劈窗算法计算地表温度：。式中：T_S为地表温度；ε和Δε分别为两个通道的发射率的平均数值与差值，它们取决于地表分类与覆盖度；T_i和T_j表示两个通道的观测亮温，b_i(i= 0、1、2、3、4、5、6、7)表示各项系数。本研究采用标准差法将南京市地表温度划分为6个等级(表1)。其中，D表示不同温度等级的温度阈值，T_S(mean)表示地表温度平均值，D_s表示标准差。此外，根据热岛比例指数(URI，式中记为I_UR)计算南京市热岛强度：

式中：m为温度等级总数，在此取值6；n为热岛区的温度等级数，取值3；i为热岛等级序号，w_i为第i级热岛面积权重值，在此取值5、6；p_i为第i级热岛面积百分比。

在研究初期，对各行政区的园林绿地进行初步调研，对各样点中包含的植物种类进行统计，确定了南京市较为常见的5种春季观花木本：白玉兰 (Yulania denudata)、红花檵木 (Loropetalum chinense)、垂丝海棠 (Malus halliana)、东京樱花 (Prunus yedoensis)、巨紫荆 (Cercis gigantea)作为本次观测的物种。每种植物选择15株发育正常、开花3年以上的露地栽培树木作为固定观测样本，对其进行挂牌编号。于2019年3—5月，由3位固定研究人员，每隔2 d分别对各样地进行1次实地花期物候观测，如遇特殊天气，如连续降雨或温度骤升，则每天观测1次。

 本研究将花期转化为日序数(Julian day，将实际观测日期转换为距当年1月1日的实际天数，1月1日记为1，1月2日记为2，…，以此类推)，以便进行花期计算和分析。花期观测标准为：在选定观测的同种植株上，有一半数量植株的花序开放数达到5%，即为植物进入始花期；在植物进入始花期后，全树花序开放数达到75%时，即为进入盛花期；全树花序残留约5%时，即为进入末花期。花期持续时间的计算标准为：始花期持续时间，指植物从进入始花期开始，直至盛花期开始前的天数；盛花期持续时间为植物从盛花期开始直至末花期前的天数；末花期持续时间为植物进入末花期直至花序全部脱落的天数。

本研究发现热岛效应对5种植物花期物候存在显著影响，花期起止时间与URI指数呈显著负相关关系(P<0.05)。城市热岛效应导致5种植物的始花期、盛花期、末花期均提前，不同植物对热岛效应的响应强度存在差异(图2)。

 其中，白玉兰的花期提前幅度最大，中心城区比近郊区和远郊区提前了4~11 d；巨紫荆的花期变化幅度次之，其花期物候起止时间提前2~7 d；东京樱花和垂丝海棠提前幅度较弱，为3~6 d。此外，红花檵木的花期提前幅度最小，其花期最多仅提前2~4 d(图2)。

城市热岛效应对5种植物的花期持续时间皆存在显著影响，花期持续时间与URI指数呈显著负相关关系(P<0.05)(图3)。

各树种对热岛效应的响应程度存在较大差异(图3)，其中白玉兰的花期持续时间最短(7~13 d)，但其花期持续时间受热岛效应影响最大，石头城公园的花期持续时间比禄口街道附属绿地缩短了6 d，约占其总观赏期的50%；红花檵木的花期持续时间最长(33~40 d)，其对热岛效应的响应程度仅次于白玉兰，石头城公园的花期持续时间比桠溪镇生态路缩短了7 d，约占其总观赏期19%；东京樱花(花期持续时间13~17 d)、垂丝海棠(花期持续时间13~16 d)和巨紫荆(花期持续时间16~21 d)的花期持续时间的受热岛效应影响程度相当。3种植物的花期持续时间最多缩短3~4 d，约占总观赏期的26%。

本研究通过反演南京市地表温度，分析了植物花期和地表温度间的关系，结果显示2019年春季南京市表现出明显的热岛效应，热岛主要分布于中心城区和长江沿岸，且中心城区内玄武区的URI指数远低于周边市辖区，形成一块大面积的“城市冷岛”，该现象是由玄武区内的中山陵和玄武湖存在大面积绿地和水体造成。已有研究表明，城市内的木本植物可通过树木冠层降低太阳辐射遏制地表温度的上升，对局地微气候起到调节作用，且该作用在高城市化水平区域更为显著。本研究中玄武区位于南京市中心城区，城市化水平较高，因此该区域绿地对地表温度的影响能力也更强。此外，水体的蒸发过程对降低地表温度也有着有积极的影响，玄武区内的玄武湖也有效缓解了城市热岛效应。水域和绿地景观均在城市园林景观中具有极高观赏价值，因此，南京市在后续规划中可参考“六楔入城通风走廊”，整合城市河流、山体、湖泊和城市绿地，建立城市生态通风长廊，在美化环境的同时为城市降温。

 已有大量研究表明，热岛效应会使得绝大多数植物的始花期提前，但针对花期持续时间的研究仍较少，本研究分析南京市热岛强度与物候观测数据发现，南京市热岛效应越强，始花期出现时间越早，花期持续时间越短(P<0.05)，该结论与国内外许多学者的研究结果一致。这是由于酶在植物生长发育过程中起着至关重要的作用，而温度的升高会提高酶的活性，加快植物发育进程，进而导致植物物候期的提前和加速。此外，有研究发现温度的升高会使得植物花期延长，与本研究结论相反。花期持续时间的不同响应表明，植物对气候可能存在不同的响应机制。较始花期而言，花期持续时间的驱动因素更为复杂。本研究推测产生该差异的原因是，在温度升高的情况下，花的发育速度会更快，花芽成熟所需的时间更短，花期持续时间会相应变短，以降低开花的维护成本；另外，在适宜的生长环境下，植物会通过延长花期来增加繁殖的机会，以上两种机制之间的权衡可能是导致植物花期持续时间不同响应规律的原因。此外，人为修剪也会影响花期物候，植物修枝剪叶后倾向于进行营养生长而非生殖生长，中心城区的热岛强度更强，植物的修剪养护也较郊区更频繁，一定程度上缩短了热岛区的花期持续时间。

 植物物候变化是通过减少对传粉媒介和其他资源的竞争来维持不同植物群落物种共存的重要机制，不同的温度敏感性将改变植物花期重叠模式以及群落的组成和结构。已有研究表明，开花较早的物种比开花较晚的物种对物候的响应更敏感。本研究结果显示5种植物中白玉兰的始花期最早，其花期物候对城市热岛效应也最敏感，其中心城区的花期较远郊区最多可提前11 d，持续时间最多约缩短50%，与前人研究结果相一致。这是由于全球气温变暖伴随着冬季气温的上升，植物在冬季受到的冷激程度相应减轻，对于春季开花植物，早花植物开花所需的积温低于晚花植物，因此，早花植物对于温度的升高往往表现出更高的敏感度，其花期的提前程度也大于晚花植物。此外，张德顺等观测上海早春花期物候发现白玉兰花期受热岛效应影响最小，东京樱花受影响最大，与研究结果不一致。这可能是由于花期物候是一种多变量性状，存在多种计算方式(例如始花期、花期持续时间、末花期)，另外，城市与城市之间热岛强度和热岛的分布特征也不同，植物在不同热岛模式的花期物候存在差异响应。因此，在探讨植物物候对城市热岛效应的响应规律时，应注意以城市为单位开展研究，使研究结论更有针对性。

 本研究初步揭示了木本植物花期物候对南京市热岛效应的响应，然而，不同植被类型对热岛效应可能存在响应差异，热岛效应还受到地形、风向、城市立地条件等因素的影响。在今后的研究中，应更精细地划分植被类型，更深入探索城市热岛效应的特征分区，以进一步揭示植物物候对城市气候变化的响应规律。