中國動植物自然物候長序列數(shù)據(jù)集研制

羅嵐心 陳東輝 任芝花

國家氣象信息中心,北京 100081

1 引言

動植物的物候現(xiàn)象是指動植物在自然環(huán)境中隨著季節(jié)變化的生長響應(yīng)，對于草本植物與木本植物，主要觀測記錄其芽、葉、花、果的狀態(tài)變化；對于候鳥、昆蟲及兩棲動物，主要觀測記錄其行蹤與鳴叫的始終日期。動植物的物候現(xiàn)象能反應(yīng)環(huán)境的變化程度，是研究和適應(yīng)氣候變化最有利的證據(jù)和重要參考資料，被稱為全球氣候變化的指紋（van Vliet et al.,2003;張鳳華等,2011;Hur et al.,2014;劉亞辰等, 2014; Fang et al., 2015; 徐韻佳等, 2015; Casey and Daehler,2018）。

從18世紀(jì)初西方國家陸續(xù)開始現(xiàn)代自然物候?qū)W的研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園藝等領(lǐng)域 （Lieth, 1975）。瑞典植物學(xué)家 Carolus Linnaeus（1707～1778年）因系統(tǒng)地記錄了瑞典18個地區(qū)開花的氣候條件，被稱為現(xiàn)代氣候?qū)W之父。紫丁香觀測網(wǎng)（The Lilac Network）、美國國家物候觀測網(wǎng)（Rosemartin et al.,2018）、加拿大PlantWatch社群、法國TEMPO項(xiàng)目、瑞典物候觀測網(wǎng)、荷蘭物候觀測項(xiàng)目de natuurkalender、印度物候網(wǎng)SeasonWatch以及歐洲物候觀測網(wǎng)（van Vliet et al.,2003）為世界物候研究提供海量觀測資料，觀測點(diǎn)分布密集且最早觀測記錄在1936年。全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)為中國地區(qū)的物候研究提供大量數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，如中國物候觀測網(wǎng)北京站典型植物物候觀測數(shù)據(jù)（http://www.geodoi.ac.cn/WebCn/doi.aspx?Id=123[2021-10-20]）；中國白蠟樹春季物候期網(wǎng)格數(shù)據(jù)（http://www.geodoi.ac.cn/WebCn/doi.aspx?Id=130[2020-10-20]）；中國2000～2010年東北森林遙感監(jiān)測物候期分布數(shù)據(jù)（http://www.geodoi.ac.cn/WebCn/doi.aspx?Id=136[2020-10-20]）；其 他的植被生長指數(shù)數(shù)據(jù)如江西、長江中游、湖北、湖南等地的植被生長季時長數(shù)據(jù)集，由南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院貢獻(xiàn)。此外，中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò) （CERN)也開展了一系列觀測與科研活動，發(fā)布CERN22個生態(tài)站1988～2018年觀測的植物物種名錄數(shù)據(jù)集（張琳等,2020）。2009～2018年神農(nóng)架17種優(yōu)勢植物物候觀測數(shù)據(jù)集（馬博宇等,2020）、2003～2015年CERN植物物候觀測數(shù)據(jù)集（宋創(chuàng)業(yè)等,2017），是國內(nèi)多種草本、木本植物物候期綜合整編的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。

中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測站自20世紀(jì)80年代起就開始大規(guī)模的自然物候?qū)I(yè)觀測，相同站點(diǎn)的觀測植株相對固定，觀測持續(xù)時間長，是國內(nèi)難得的空間覆蓋率大、持續(xù)時間長、質(zhì)量穩(wěn)定的自然物候歷史觀測資料。早期的數(shù)據(jù)服務(wù)以抄錄為主，因格式復(fù)雜、物種名不規(guī)范等問題，該資料沒有得到有效的利用，資料價值體現(xiàn)不明顯，隨著國中國氣象局歷史檔案保護(hù)行動開展（張強(qiáng)等,2016;高靜等, 2018），歷史農(nóng)業(yè)氣象觀測檔案通過光學(xué)自動文字識別技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)分類技術(shù)完成數(shù)字化，再經(jīng)正確性檢查、資料完整性檢查、人工數(shù)據(jù)質(zhì)檢、格式整編和質(zhì)量控制等過程，形成中國動植物自然物候長序列數(shù)據(jù)集（1981～2018年）。該數(shù)據(jù)集分草本、木本與候鳥昆蟲3個子集，具備完整的站點(diǎn)元數(shù)據(jù)說明，并標(biāo)注了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制碼，可作為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)矯正的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也可為全球氣候變化研究、動植物生態(tài)學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)集簡介

2.1 資料來源

數(shù)據(jù)來源于中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象站業(yè)務(wù)觀測記錄，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定。站點(diǎn)緯度跨越18°50′N～51°44′N，經(jīng)度跨越75°59′E～134°17′E。其中1981～2012年數(shù)據(jù)是中國農(nóng)業(yè)氣象紙質(zhì)年報表的數(shù)字化成果，2013～2018年數(shù)據(jù)來自于各省農(nóng)業(yè)氣象站的農(nóng)業(yè)氣象觀測電子年報表。數(shù)據(jù)集包含草本、木本、動物3類物候期子集，木本植物物候期18項(xiàng) （表1），草本植物物候期12項(xiàng)（表2），候鳥、昆蟲與兩棲動物物候期兩項(xiàng)，即初鳴（初見）、終鳴（終見）日期。各物候期的相關(guān)概念界定可參考 《中國物候觀測方法》（宛敏謂和劉秀珍,1979）與《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》（中國氣象局,1993）。數(shù)據(jù)為日期格式，精確到天。

表1 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集中木本植物物候期名Table 1 Phenology of woody plants in the Phenophase Dataset of plants and animals in China

表2 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集中草本植物物候期名Table 2 Phenology of herbaceous plants in the phenophase dataset of plants and animals in China

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理過程包含格式標(biāo)準(zhǔn)化、物種名標(biāo)準(zhǔn)化、臺站元數(shù)據(jù)處理處理。

2.2.1 格式與物種名標(biāo)準(zhǔn)化

由于1993年農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范修訂，木本植物的物候期被細(xì)化（如：花芽與葉芽的“芽開放期”分為兩項(xiàng)，新增“果實(shí)脫落期”等項(xiàng)目），物候觀測項(xiàng)目從12項(xiàng)增至18項(xiàng)。為統(tǒng)一數(shù)據(jù)集格式，均采用特征值-999表示該時間段內(nèi)無觀測記錄，但在計算數(shù)據(jù)集實(shí)有率時，刨除無觀測任務(wù)的數(shù)據(jù)缺失值影響。

因早期觀測對象名不規(guī)范、手寫體識別偏差等原因，同一物種在不同地區(qū)的記錄中存在多種別稱 （如車前、車前子、車前草），需要統(tǒng)一。通過非恒定Jaccard相似度評價系數(shù)（Niwattanakul et al.,2013）作為聚類算法的簇距，將物種名集合聚類分組。以分組清單作為物種名匹配的參考指標(biāo)，對照觀測規(guī)范、農(nóng)氣觀測數(shù)據(jù)編碼表和植物百科全書，生成物種名對照替換列表。對照替換列表在經(jīng)過農(nóng)氣專家逐一審核修訂后，再用于物種名標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時保留各站物種名標(biāo)準(zhǔn)化前的物種信息作為補(bǔ)充說明文檔。相似度評價系數(shù)計算公式為

其中，物種名A、B分別作為一個單詞，采用二元變量類型，將每個中文字符作為二元變量w的一個屬性，計算A、B相似度評價系數(shù)D。標(biāo)準(zhǔn)化成效可見表3。相似度評價系數(shù)D非物種名標(biāo)準(zhǔn)化的唯一指標(biāo)，如“玉蘭”與“黃玉蘭”雖相似度很高，但前者多指落葉喬木，后者是常綠喬木，物候期有所不同，故標(biāo)準(zhǔn)化過程不會將二者合并到同一物種，“大葉榆”與“大葉楊”也不會被處理為一個物種。

表3 物種名標(biāo)準(zhǔn)化成效Table 3 Standardization of species name

2.2.2 臺站元數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)一臺站位置信息表示形式，將經(jīng)緯度單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為兩位小數(shù)的“度”，海拔高度轉(zhuǎn)化為一位小數(shù)的“米”，統(tǒng)一修正經(jīng)緯度倒置錯誤；以站號為索引，利用前后資料的站點(diǎn)元數(shù)據(jù)補(bǔ)充缺失的位置信息；對照臺站沿革數(shù)據(jù)，分析同一站點(diǎn)是否有遷移史或單純的位置飄移，再次修訂，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 臺站元數(shù)據(jù)處理成效Table 4 Standardization of stations information

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程包括要素提取、正確性檢查、完整性檢查、格式檢查、人工核對、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整編。其中數(shù)據(jù)清洗對象有非觀測規(guī)范指定的物種記錄、非自然物候觀測任務(wù)站點(diǎn)的零碎記錄、被錯誤分類的資料和其他錯誤記錄。一個樣本指一個物種一年完整的物候觀測記錄。完成清洗的各物種樣本量隨時間的變化情況如圖1所示，完成清洗的觀測站點(diǎn)數(shù)時間序列如圖2。1981～1993年農(nóng)業(yè)氣象觀測對象未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，隨著農(nóng)氣站點(diǎn)數(shù)的增加，觀測樣本量也上升。1994年觀測業(yè)務(wù)規(guī)范出臺，部分物種停止繼續(xù)觀測，導(dǎo)致樣本量下降，以木本植物樣本量下降最為明顯。隨后觀測樣本量趨于穩(wěn)定。2012年農(nóng)業(yè)氣象觀測業(yè)務(wù)變更，試運(yùn)行第一年，部分站點(diǎn)未上報草本植物與蟲鳥動物的觀測資料，部分木本植物觀測資料上報不全，導(dǎo)致樣本量驟減，之后數(shù)據(jù)再次回歸平穩(wěn)。

圖1 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集樣本量時序Fig.1 Annual records of the Phenological Observation Dataset

圖2 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集站點(diǎn)數(shù)時序Fig.2 Records per station of the Phenological Observation Dataset

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評估

2.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制分為兩級。初級質(zhì)控基于數(shù)據(jù)完整性、氣候界限值進(jìn)行檢驗(yàn)，先標(biāo)記缺測數(shù)據(jù)，再根據(jù)質(zhì)控結(jié)果標(biāo)記疑誤數(shù)據(jù)。由于生物多樣性，各物種的物候期不盡相同，故基于3-σ標(biāo)準(zhǔn)原則，判斷物候期所在的氣候?qū)W界限。以42種草本植物物12種候期為例，i表示物種編碼，j表示物候期編碼，計算各物種各物候期的多年儒略日平均值M矩陣為

第i個物種第j個物候期的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況Datei,j如下：

其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

二級質(zhì)控基于積溫理論，結(jié)合逐日氣溫資料，利用SW春暖物候模型對草本、木本植物的展葉期進(jìn)行檢驗(yàn)，將不符合模型的物候期標(biāo)記為可疑（Parmesan and Yohe,2003;Rosenzweig and Tubiello,2007;Wang et al.,2015a）。積溫S與生長強(qiáng)迫函數(shù)Rf的關(guān)系如下：

其中，t1表示物候期開始日溫度，tb表示物候期出現(xiàn)當(dāng)日溫度，生長強(qiáng)迫Rf函數(shù)基于Sigmoid函數(shù) （S型生長曲線）擬合：

其中α與β為擬合參數(shù)，隨物種改變，因篇幅所限這里省略各物種擬合參數(shù)表。

2.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

統(tǒng)計每個物候期的完整率和可用率，并分析其時空變化情況：

其中，PI為數(shù)據(jù)集實(shí)有率，Pr為可用率，PE為錯誤率，PS為可疑率，PL為缺測率。實(shí)際評估工作中，n代表觀測對象（物種）數(shù)量，木本植物111個，草本植物42個，蟲鳥動物18個。Yi為應(yīng)有數(shù)據(jù)量，是第i個物種的樣本總數(shù)：以蟲鳥動物子集為例，假設(shè)i=10表示“大雁”，有樣本306條，則Y10=306×2（物候期項(xiàng)數(shù)）。其中，1993年前木本植物有6項(xiàng)物候無觀測任務(wù)，不計入應(yīng)有數(shù)據(jù)量。Si為實(shí)有數(shù)據(jù)量，是第i個物種非缺測的數(shù)據(jù)總量；Ri為正確數(shù)據(jù)量，是第i個物種通過質(zhì)量控制，質(zhì)控碼標(biāo)記正確的數(shù)據(jù)總量。Ei為錯誤數(shù)據(jù)量，是第i個物種通過質(zhì)量控制，質(zhì)控碼標(biāo)記為錯誤的數(shù)據(jù)總量。Di為可疑數(shù)據(jù)量，是第i個物種通過質(zhì)量控制，質(zhì)控碼標(biāo)記為可疑的數(shù)據(jù)總量。

經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)集共有木本植物樣本36495條，草本植物樣本13936條，蟲鳥兩棲動物樣本15513條，數(shù)據(jù)錯誤率均小于1/10000，其余評估指標(biāo)結(jié)果如表5：草本植物、蟲鳥動物子集的可用率都超過90%，木本植物因自身生物特性，部分物候期無法觀測，又不屬于無觀測任務(wù)條件，故可用率相對較低。其中“花芽膨大期”“花芽開放期”“果實(shí)脫落期”的可用率都在60%左右，但是展葉、開花相關(guān)的物候期，可用率均高于90%；草本植物數(shù)據(jù)可疑率小于1/1000，近似為0，以“果實(shí)脫落期”的質(zhì)量最次，可用率78.2%，可疑率12.8%；蟲鳥兩棲動物子集中“始鳴期（始見期）”的數(shù)據(jù)完整性和可用率都略高于“終鳴期（絕見期）”，整體數(shù)據(jù)可用率95.9%，質(zhì)量較好。

表5 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集質(zhì)量評估結(jié)果Table 5 Assessment of the Phenophase Dataset of plants and animals in China

表6為處理后樣本實(shí)有率。因木本植物自身的生長特點(diǎn)導(dǎo)致部分物候期天然缺失，如刺槐等裸芽植物，無芽膨大期觀測記錄，故實(shí)有率平均值偏低。數(shù)據(jù)集中，可用率超過95%的物種12個，介于80%～95%的物種50個，占物種總量的44.6%。處理后的草本植物樣本實(shí)有率見表7，蟲鳥兩期動物樣本實(shí)有率見表8。

表6 木本植物樣本實(shí)有率Table 6 Integrity of each woody species

表7 草本植物樣本實(shí)有率Table 7 Integrity of each herbaceous species

表8 蟲鳥兩棲動物樣本實(shí)有率Table 8 Integrity of insects,birds,and amphibious animals

如圖3為中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集各子集的樣本量空間分布，數(shù)據(jù)集觀測站點(diǎn)分布覆蓋我國華中、華南、華東、華北、西南與西北部分地區(qū)。不同物種的每年觀測記錄記為一次觀測樣本，同站的木本植物觀測樣本量略多余其他兩個子集。因?yàn)閿?shù)據(jù)預(yù)處理過程中剔除數(shù)據(jù)不規(guī)范的觀測樣本，而蟲鳥兩棲動物和部分草本植物此類問題嚴(yán)重，導(dǎo)致草本植物和蟲鳥兩棲動物的觀測站點(diǎn)數(shù)低于木本植物的觀測站點(diǎn)數(shù)。從空間分布來看，三類物種的觀測樣本量以黃河流域?yàn)榉逯迪蚰媳眱蓚?cè)遞減，東部地區(qū)觀測樣本量更多。

圖3 中國動植物自然物候觀測數(shù)據(jù)集站點(diǎn)及樣本量空間分布：（a）木本植物觀測；（b）草本植物觀測；（c）蟲鳥兩棲動物Fig.3 Special distribution of agrometeorological observation stations:(a)Woody plants;(b)herbaceous plants;(c) birds,insects,and amphibious animals

3 北京地區(qū)木本植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

氣溫是影響我國木本植物物候的主要?dú)庀笠蜃?（張福春,1995）。20世紀(jì)80年代以后，華北地區(qū)春季物候期提前（鄭景云等,2003），北京地區(qū)秋季物候有推遲趨勢（徐雨晴等,2005;仲舒穎等,2008）。本節(jié)以北京地區(qū)兩個站點(diǎn)（40.38°N, 116.83°E）和（39.93°N,116.63°E）的木本植物的觀測資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計當(dāng)?shù)啬颈局参镂锖蚱谧兓厔荩倮萌掌骄鶜鉁財?shù)據(jù)統(tǒng)計當(dāng)?shù)啬攴e溫變化趨勢，分析植物對氣候變化的響應(yīng)程度。按觀測物種的開花和展葉先后順序，分為先開花組：玉蘭、旱柳、楊樹和先展葉組：榆樹、棗樹、槐樹分開討論近30年來北京地區(qū)木本植物的物候變化趨勢。以1月1日為起點(diǎn)計算各物候期的儒略日距平序列，其中展葉始期、盛期表示展葉期，開花始期、盛期、末期代表開花期，葉變色始期、全變期表示葉變色期，落葉始期、末期代表落葉期。最后利用線性方程擬合物候期距平序列的平均值，得到北京地區(qū)木本植物4個主要物候期的變化趨勢。利用同站的日平均氣溫數(shù)據(jù)，計算日均氣溫穩(wěn)定≥5℃的年積溫與積溫始日、終日序列（如圖4）。從20世紀(jì)80年代中期為界，北京地區(qū)年積溫先有降低趨勢，后持續(xù)呈現(xiàn)波動增高趨勢。積溫始日從上世紀(jì)80年代中期起表現(xiàn)出提前趨勢。

圖4 北京積溫（a）始日序列和（b）終日序列及（c）1981～2018年北京地區(qū)年積溫序列Fig.4(a)First day and(b)last day of the effective accumulated temperature in Beijing;(c)effective accumulated temperature in Beijing from 1981 to 2018

先開花組的物候期距平變化如圖5，資料時間為1981～2018年。展葉期、秋葉變色和落葉期都有延后趨勢，延遲率分別為2.9 d/10a，5.1 d/10a和4.5 d/10a。而開花期表現(xiàn)出微弱提前趨勢，約10年提前1.9 d，與趨勢變化與積溫始日相同。

圖5 1981～2018年北京地區(qū)玉蘭、楊樹、旱柳（a）展葉期、（b）開花期、（c）變色期、（d）落葉期距平與變化趨勢Fig.5 Phenological phase anomalies and variation trends of Magnolia denudate,Salix matsudana,and Populus davidiana in(a)leaf expansion,(b)flowering,(c) leaf coloring,and (d)leaf fall in Beijing during 1981-2018

先展葉組如圖6，資料時間為1981～2002年，展葉期、開花期都表現(xiàn)顯著的提前趨勢，提前率分別為19 d/10a和26 d/10a，秋葉變色和落葉期有輕微延后趨勢，延后率分別為5.1 d/10a和4.5 d/10a，與積溫終日波動延遲趨勢相當(dāng)。

圖6 1981～2002年北京地區(qū)棗樹、槐樹和榆樹（a）展葉期、（b）開花期、（c）變色期、（d）落葉期距平與變化趨勢Fig.6 Phenological phase anomalies and variation trends of Ziziphus jujuba,Sophora japonica,and Ulmus pumila in(a)leaf expansion,(b)flowering,(c) leaf coloring,and (d)leaf fall in Beijing during 1981-2002

對比兩組木本植物物候期可以得知，北京地區(qū)木本植在過去30余年的生長期都延長，對應(yīng)當(dāng)?shù)啬攴e溫的增加趨勢，是木本植物對環(huán)境平均溫度升高的響應(yīng)表現(xiàn)。

4 小結(jié)與應(yīng)用研究展望

以農(nóng)業(yè)氣象紙質(zhì)年報表數(shù)字化成果（1981～2012年）與電子農(nóng)業(yè)氣象年報表（2013～2018年）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、規(guī)范整編、質(zhì)量控制、質(zhì)量評估等過程，建立高質(zhì)量的動植物自然物候歷史長序列觀測數(shù)據(jù)集。

（1）數(shù)據(jù)集分為3個子集，含有42種草本植物，111種木本物種和18個蟲鳥兩棲動物的自然物候期觀測資料，平均實(shí)有率分別是94.8%、78.3%、95.9%。其中，木本植物因物種自生的生物特性，沒有觀測內(nèi)容導(dǎo)致整體樣本實(shí)有率較低，如無花果沒有開花期觀測。

（2）中國動植物自然物候長序列數(shù)據(jù)集有木本植物觀測站401個，分布中國大陸31個?。ㄊ?、自治區(qū)），草本植物觀測站231個，蟲鳥兩棲動物觀測站229個，觀測樣本量以黃河流域?yàn)榉逯迪蚰媳眱蓚?cè)遞減。

（3）草本植物、木本植物、蟲鳥兩棲動物非缺測數(shù)據(jù)的可用率中位數(shù)分別為96.0%、87.5%和83.0%，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

（4）基于本產(chǎn)品北京地區(qū)的木本植物物候數(shù)據(jù)與同站的氣溫數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為近38年北京地區(qū)的年積溫增長趨勢明顯，同時木本植物的生長期延長：春季物候提前，秋季物候延后。該結(jié)論與現(xiàn)有相關(guān)研究結(jié)論一致。

本數(shù)據(jù)集是中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測站的業(yè)務(wù)觀測產(chǎn)物，近40年間雖經(jīng)歷過兩次業(yè)務(wù)調(diào)整，數(shù)據(jù)本身仍具有一定的代表性，站點(diǎn)資料能反映站點(diǎn)所屬區(qū)域的動植物物候情況。該數(shù)據(jù)集站點(diǎn)分布密集，每個站點(diǎn)觀測的物種連續(xù)，適用于局地農(nóng)氣指導(dǎo)研究。數(shù)據(jù)集所含物種相對豐富，同物種在多個站點(diǎn)均有觀測記錄，適用于針對物種的地理分布研究或大范圍的生物生長研究。未來將升級優(yōu)化該數(shù)據(jù)集內(nèi)容，補(bǔ)充牧草類草本植物的物候資料。