基本信息

标题

Functional group and aridity regulate impacts of climate change on plant phenology: a meta-analysis
功能群和干旱度调节气候变化对植物物候学影响的荟萃分析

发表时间

2025-12-17

作者

Jianping Sun, Wangwang Lv, Shiping Wang*, Amy M. Iler, Fandong Meng, Bowen Li, Yang Zhou, Jingya Lv, Fang Yuan, Caiyun Luo, Josep Peñuelas, Tandong Yao, Shilong Piao

作者机构

1 中国科学院青藏高原研究所，青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室，北京，中国
2 美国伊利诺伊州西北大学植物生物学与保护系
3 美国伊利诺伊州芝加哥植物园内加尼植物保护科学与行动研究所
4 中国科学院大学，北京，中国
5 中国科学院西北高原生物研究所，西宁 810008，中国
6 西班牙加泰罗尼亚巴塞罗那CREAF研究中心
7 西班牙加泰罗尼亚巴塞罗那CSIC全球生态单元CREAF-CEAB-CSIC-UAB
8 北京大学城市与环境学院，中法地球系统科学研究所，碳中和研究院，北京，中国
……

期刊

Nature Communications

DOI

10.1038/s41467-025-68242-x

摘要

温度与降水之间的相互作用极大地影响植物物候。然而，这些效应可能在叠加、拮抗和协同之间变化，目前尚不清楚是什么决定了这些不同的结果。一个假设是植物物候的影响因干旱度和植物功能群而异。在此，我们通过关于叶展（来自55个实验站点的2,178个值）和开花（来自117个实验站点的4,027个值）时间的全球荟萃分析支持了这一假设。我们发现，在全球范围内，叶展的开始更多地受水分可利用性而非温度的影响，而首次开花则更多地受温度而非降水的影响。单独的升温使所有功能群（半湿润地区除外）的叶展提前，而升温结合降水减少会延迟半干旱地区的叶展。升温还使所有功能群的开花提前，无论降水和干旱度如何变化。我们在半干旱地区的草本植物叶展上观察到升温与降水的协同效应，而在禾本科和莎草科植物上则出现拮抗效应（干旱地区除外）。我们的研究结果表明，考虑不同环境气候下植物的耐旱性或抗旱性对于改进我们对植物物候如何响应气候变化的理解和预测至关重要。

导读

该研究通过全球元分析揭示，植物物候受功能群与干旱程度共同调控：叶绿期主要受水分影响，而开花期则更依赖温度。在半干旱区，增温与降水减少协同延迟叶绿，但增温始终促进开花。不同功能群对气候响应存在显著差异。

引言

研究背景

植物物候的变化对生物体适应性、生态系统功能及生态服务的提供具有重要影响。自20世纪80年代初以来，全球气候变化显著改变了自然陆地生态系统中植物的物候（如展叶和开花）。研究表明，气候变暖通常会提前植物的物候，但变暖也可能引发土壤干旱，从而延迟物候。此外，降水增加与变暖结合往往会进一步提前物候，尤其是在干旱和半干旱地区。

科学问题与动机

尽管变暖普遍被认为会提前植物物候，但其效果可能因环境湿度条件和植物功能群的不同而有所差异。例如，在湿润区域和非湿润区域，多年生草本植物Spiranthes sinensis的开花物候对变暖的响应截然相反。因此，研究假设认为，植物物候对变暖的响应可能受到环境湿度和植物功能群的调节。

现有研究不足

目前大多数实验仅在单一地点进行，尚不清楚变暖及其与降水变化的交互作用对植物物候的影响是否依赖于环境湿度。此外，现有研究多集中于半干旱地区，缺乏对干旱地区的系统性研究，限制了对全球范围内植物物候响应机制的理解。

研究目标与创新

本文通过全球范围内的整合分析，探讨温度与降水交互作用如何通过环境湿度和植物功能群调节植物物候的变化。研究发现，水分可利用性是展叶的关键决定因素，而温度则更显著地影响开花时间。此外，不同功能群植物对变暖和降水变化的响应存在显著差异，强调了干旱耐受性和植物功能群在全球气候变化背景下对植物物候预测的重要性。

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结果

降水主导叶展期而温度主导初花期

全球尺度上，叶展期启动主要受水分可利用性调控，降水减少显著延迟叶展（Hedges' g = 0.63, 95% CI: 0.46–0.81），而增温单独作用仅轻微提前叶展（Hedges' g = −0.12, 95% CI: −0.15 to −0.10）；相反，初花期主要受温度驱动，增温显著提前初花（Hedges' g = −0.59, 95% CI: −0.61 to −0.57），且该效应不受降水变化影响；降水减少对初花无整体显著影响，但增温与降水减少联合作用反而提前初花。

增温对叶展的影响依赖于干旱度与功能群

增温显著提前所有功能群的初花，且该效应在各干旱区均一致；但对叶展的影响则高度依赖干旱度和功能群：增温仅在干旱区提前禾草叶展，在半干旱区提前杂类草、莎草和豆科植物叶展，在湿润区提前杂类草和禾草叶展，而在半湿润区对所有功能群叶展均无显著影响；降水减少延迟多数功能群叶展，但对半干旱区豆科植物无影响，甚至在湿润区提前禾草叶展。

增温与降水变化存在功能群特异的协同或拮抗效应

在半干旱区，增温与降水减少对杂类草叶展呈显著协同效应，而对莎草和豆科植物呈拮抗效应；增温与降水增加对杂类草、禾草和莎草叶展均呈协同效应；对初花而言，增温与降水增加在半干旱、半湿润及湿润区对禾草呈拮抗效应，但在同区域对杂类草、莎草和豆科植物多呈协同效应；这些交互效应使联合处理效应较单因子效应之和变化幅度达−444%至125%，平均改变达274%（叶展）和80%（初花）。

结论

水分主导植物展叶时间变化

研究表明，水分可利用性是决定植物展叶时间的主要因素，尤其在干旱和半干旱地区。全球数据分析显示，降水减少显著延迟了平均展叶时间，而增温对展叶的影响则因功能群和气候区域而异。例如，在半干旱地区，增温与降水减少的结合会延迟多种植物的展叶时间，而在湿润地区则呈现相反趋势。这表明土壤水分状况在调节植物春季物候响应气候变化中起关键作用。

温度主导植物开花时间变化

研究发现温度是决定植物首次开花时间的主要驱动因素。在全球范围内，增温一致地提前了各种功能群植物的首次开花时间，而不受降水变化的影响。这种现象可能与植物开花基因的表达机制有关，温暖条件促进生长积温的累积，从而提前开花时间。然而，在湿润地区，增温与降水增加的结合反而会延迟首次开花，显示出复杂的交互效应。

功能群与干旱度调节物候响应

植物功能群和干旱度共同决定了植物物候对气候变化的响应模式。不同功能群植物对增温和降水变化的反应存在显著差异，且这种差异随干旱程度而变化。例如，增温对禾草类植物展叶的促进作用仅出现在干旱地区，而对豆科植物的影响则主要体现在半干旱地区。这些发现强调了在预测未来气候变化对植物物候影响时，考虑植物功能特性和环境背景的重要性。

局限性与展望

本研究主要基于现有文献数据，其中大部分实验站点位于半干旱地区，其他气候区的数据相对有限。未来需要在干旱地区开展更多研究，特别是在增温和降水减少的复合条件下对植物物候的影响。此外，长期观测数据的缺乏限制了我们对物候变化趋势的理解，建议建立更系统的长期监测网络。

主要图表

图 1. 气候变暖与降水变化对植物物候交互作用的概念图（DOY，一年中的天数）如何依赖于环境气候。正值和负值分别表示物候延迟和提前。柱状图表示延迟或提前的幅度。灰色、橙色和红色分别代表植物物候对降水减少（DP）、降水增加（IP）和变暖（W）的响应。交互作用有时发生，并且根据干旱程度从加性效应（如在半干旱和半湿润地区）到协同效应（如在干旱地区）和拮抗效应（如在湿润地区）不等。每个干旱水平下，不同气候区测量展叶始期和首次开花的操控实验数量如图所示。全球尺度上进行变暖和降水变化操控实验的站点位置（基础地图使用Python 3.9中的Matplotlib Basemap工具包创建）。W：变暖；DP：降水减少；IP：降水增加。

图 2. （a）展叶始期（OLO）和（b）首次开花日期（FF）对变暖结合降水操控的响应（W：变暖；DP：降水减少；IP：降水增加）。效应量的负值表示物候提前，正值表示物候延迟。采用双尾检验监测处理效应是否显著。星号表示显著的处理效应（p < 0.05）。箱线图还显示第25和第75百分位数（箱体边缘）、最小值和最大值（须线）。星号表示处理效应显著。图中n表示样本量。源数据作为源数据文件提供。

图 3. 在变暖和降水变化处理下，展叶始期（OLO）（a-e）和首次开花（FF）（f-j）对干旱指数增加的响应。虚线表示干旱指数与物候响应之间无显著关系（p > 0.1）。阴影区域表示95%置信区间。W：变暖；DP：降水减少；IP：降水增加；L：左段回归结果；R：右段回归结果。回归方程见表S2。源数据作为源数据文件提供。

图 4. 变暖和降水处理对不同植物功能群在不同干旱条件下的展叶始期（OLO）（a）和首次开花（FF）（b）的影响。负的Hedges’g表示OLO和FF提前，正的Hedges’g表示OLO和FF延迟。OLO：展叶始期；FF：首次开花；PFGs：植物功能群。DP：降水减少；IP：降水增加；W：变暖。星号表示处理效应显著（95%CI不与零线重叠）。图中n表示样本量。源数据作为源数据文件提供。

图 5. 在不同植物功能群中，展叶始期（OLO）（a-i）和首次开花（FF）（j-r）对干旱指数增加的响应，在变暖和耦合变暖-降水变化条件下。虚线表示干旱指数与物候响应之间无显著关系（p > 0.1）。阴影区域表示95%置信区间。W：变暖；DP：降水减少；IP：降水增加；L：左段回归结果；R：右段回归结果。回归方程见表S4。源数据作为源数据文件提供。

图 6. 全球尺度上，变暖与降水变化在不同干旱和功能群之间对展叶始期（OLO）（a）和首次开花（FF）（b）的交互类型。星号表示处理效应显著（95%CI不与零线重叠）。图中n表示样本量。DP：降水减少；IP：降水增加；W：变暖。源数据作为源数据文件提供。

图 7. 全球尺度上，变暖与降水变化相互作用对展叶始期（OLO）（a）和首次开花（FF）（b）的重要性。重要性计算为（联合效应 - 总和效应）×100%/总和效应。源数据作为源数据文件提供。