南京5種木本植物早春花期物候對城市熱島效應的響應研究

摘要：【目的】植物物候作為城市生態(tài)系統(tǒng)的指示器，能夠直觀反映城市化進程下生態(tài)系統(tǒng)的變化。本研究結合地表溫度數(shù)據(jù)，探究南京市5種常見觀花木本植物的花期物候對熱島效應的響應規(guī)律，為明晰我國華東地區(qū)植被物候對熱島效應的響應機制提供依據(jù)?！痉椒ā炕贚andsat 8遙感數(shù)據(jù)反演南京市地表溫度，采用熱島比例指數(shù)（URI）表征熱島強度，結合花期物候觀測數(shù)據(jù)，定量研究城市熱島效應對植物花期物候的影響?！窘Y果】南京市城市熱島效應明顯，熱島強度從大到小排序為：中心城區(qū)gt; 近郊區(qū)gt; 遠郊區(qū)。5種植物對熱島效應的敏感度存在明顯差異，白玉蘭 （Yulania denudata）對城市熱島效應的響應最敏感，花期可提前4～11 d，花期持續(xù)時間最多縮短50%；巨紫荊 （Cercis gigantea）、垂絲海棠 （Malus halliana）、東京櫻花 （Prunus yedoensis）受影響程度相近；紅花檵木 （Loropetalum chinense var. rubrum）受影響程度最小，花期提前2～4 d，花期持續(xù)時間縮短約19%。【結論】熱島效應對植物花期的起止時間和持續(xù)時間皆存在顯著影響，隨著熱島效應的增強，植物始花期、盛花期和末花期均出現(xiàn)提前和縮短趨勢，在未來的研究中，可探討其他植被類型對城市熱島的響應，以進一步揭示植物物候對城市氣候變化的響應規(guī)律。

關鍵詞：熱島效應；花期物候；熱島比例指數(shù)；Landsat8；地表溫度;南京市

中圖分類號：S718；S688""""" 文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1000-2006（2024）05-0228-07

The flowering phenology response of five early spring woody plants to the urban heat island effect in Nanjing

SHI Lisha， WEN Shusheng*， HUANG Xiaowan， HAN Qian， SHI Zhengyang

（College of Landscape Architecture， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037，China）

Abstract： 【Objective】As an indicator of urban ecosystems， plant phenology can visually reflect the changes of ecosystem under the process of urbanization. In this study， we investigated the response pattern of flowering phenology of five common flowering woody species to the" heat island effect in Nanjing， and provided data supplement for the response mechanism of vegetation phenology to the" heat island effect in East China. 【Method】Based on Landsat 8 remote sensing data to invert the surface temperature of Nanjing， the" urban heat island radio" index （URI） was used to characterize the heat island intensity， and the" combined with the flowering phenology observation data to quantitatively study the effect of urban heat island effect on the flowering phenology of plants.【Result】Nanjing" showed a"" significant urban heat island effect. Heat island intensity ranking： central city gt; suburban area gt; remote suburban area. The sensitivity of the same plant to the heat island effect differed at different points. Among the five plants， Yulania denudata was the most affected by the heat island effect， with the flowering period advanced by four to 11 days and the flowering period duration shortened by up to 50%; Cercis gigantea， Malus halliana and Prunus yedoensis were affected to a similar extent and were at a medium level; Loropetalum chinense var. rubrum was the least affected， with the flowering period advanced by about two to four days and the flowering period duration shortened by about 19%. 【Conclusion】The heat island effect has a significant effect on the onset and duration of flowering periods of plants， and as the heat island effect increases， the onset， bloom and last flowering periods of plants tend to be earlier and shorter.

Keywords：urban heat island effect; flowering phenology; urban heat island radio （URI） index; Landsat8; surface temperature; Nanjing City

城市熱島效應是城市地表及大氣溫度高于周邊非城市環(huán)境的一種現(xiàn)象[1]。隨著城市化的推進，城市熱島效應在全球范圍內不斷擴大，其在影響區(qū)域氣候、大氣環(huán)境和居民健康的同時，也對植物物候產生了重要影響[2-5]。作為城市生態(tài)變化的指示器，植物物候可以反映生態(tài)系統(tǒng)對城市氣候的響應，是城市氣候相關研究中的重要參量[6]。此外，春季還是園林植物的主要觀賞季節(jié)，約60%的園林樹木于早春開花[7]，各大公園也于春季進入賞花盛期。因此，研究早春植物花期物候對熱島效應的響應規(guī)律，對于春季植物景觀營造具有重要參考價值。

隨著我國城市化進程不斷推進，城市熱島效應亦不斷增強。1961—2004年，長江流域春、夏、秋、冬和年平均氣溫約每10 a上升0.192、0.218、0.234、0.250、0.239 ℃[8-10]。劉宇翔等[11]基于我國347個城市的地表溫度數(shù)據(jù)，從全國、氣候帶、城市3個尺度對我國熱島強度進行分析，發(fā)現(xiàn)我國年均地表熱島強度白天為（1.25±0.81） ℃，夜晚為（0.79±0.43） ℃。隨著城市熱島效應的加劇，其引起的高溫是城市植被物候變化最主要的原因，而溫度又是影響植物花期物候的關鍵因子[12]。吳瑞芬等[13]、王琳等[14]發(fā)現(xiàn)，春季溫度升高會導致花期提前，春季溫度每上升1 ℃，花期提前3.1～5.0 d；而冬季溫度的升高不利于植物休眠，進而會導致花期推遲。也有研究發(fā)現(xiàn)，冬季溫度每升高1℃，廣玉蘭、白玉蘭、二喬玉蘭、含笑和香樟的始花期分別推遲1.8、5.5、1.4、2.3和2.8 d[15-16]。綜上可見，冬、春季溫度變化顯著影響植物的花期物候，且春季升溫是導致植物提早開花的主要影響因子[13，17-18]。

目前，有關城市熱島效應對植物花期物候的影響，國內僅有少數(shù)城市對于植物花期開展了相關研究，但針對花期持續(xù)時間的研究仍較少，且大多采用傳統(tǒng)的氣象站法和定點觀測法[18]，然而氣象站數(shù)量少，分布不均勻，觀測密度低，因此以氣象站的溫度數(shù)據(jù)表征觀測點的實際氣溫存在一定的偏差，可能影響最終結果的準確性?；谛l(wèi)星數(shù)據(jù)的遙感反演法可以彌補上述不足，它可以在大尺度空間提供地表熱狀態(tài)的連續(xù)數(shù)據(jù)，能更精準地反映城市熱環(huán)境的變化情況，較氣象站法具有更高的時空分異性，目前已被廣泛應用于城市熱島效應及植物物候變化響應的研究[19-22]。

已有研究表明，早春開花的物種受氣候變暖的影響最為顯著[23]，而南京作為中國東部地區(qū)重要的中心城市和綜合交通樞紐，表現(xiàn)出顯著的城市熱島效應，但其熱島效應對植物花期物候的影響鮮見報道。鑒于此，本研究以南京市為研究區(qū)，選用2019年春季的Landsat8遙感數(shù)據(jù)反演南京市地表溫度，將地表溫度劃分為6級，以“熱島比例指數(shù)（URI）”表征南京市熱島效應，對南京市熱島強度進行定性和定量研究，以期為南京早春觀花植物景觀的營造提供重要參考，還可為城市未來氣候變化提供早期預警。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南京位于長江中下游（118°22″～119°14″E，31°14″～32°37″N），氣候類型為亞熱帶季風氣候，春秋短、冬夏長，四季分明。為監(jiān)測南京市的城市熱島效應，本研究將南京市11個市轄區(qū)劃分為中心城區(qū)、近郊區(qū)和遠郊區(qū)，地表溫度劃分為6個等級。南京市中心城區(qū)及經濟發(fā)展迅速的長江兩側的區(qū)域熱島現(xiàn)象十分突出，地表溫度大多在27.76～29.42 ℃（占比24.62%），當日地表溫度最高達49.02 ℃，次高溫及以上（≥27.76 ℃）區(qū)域多集中分布于中心城區(qū)及城市建設區(qū)；次低溫度區(qū)和中溫區(qū)（24.42～27.76 ℃）多分布于近郊區(qū)和遠郊區(qū)；低溫區(qū)（≤24.42 ℃）主要分布于長江和大型湖泊等水體周圍（圖1）。

各區(qū)分別選擇1個公園或綠地作為觀測樣點，觀測樣點要求包含指定觀測植物，具備交通便利、地形平坦開闊、土壤環(huán)境良好的特點，最終在各市轄區(qū)選擇了環(huán)境特征相似的11個樣地作為觀測點（圖1），其中石頭城公園（鼓樓區(qū)）、月牙湖公園（秦淮區(qū)）、玄武湖公園（玄武區(qū)）、濱江公園（建鄴區(qū)）屬于中心城區(qū)；雨花臺風景區(qū)（雨花臺區(qū)）、浦口公園（浦口區(qū)）、仙林湖公園（棲霞區(qū)）、祿口街道附屬綠地（江寧區(qū)）屬于近郊區(qū)；無想山公園（溧水區(qū)）、椏溪鎮(zhèn)生態(tài)路6號（高淳區(qū)）、金牛湖公園（六合區(qū)）屬于遠郊區(qū)。

1.2 南京市熱島效應評價

南京市氣象站分布較為稀疏，且氣象站與本研究觀測樣點間的距離不等，因此以氣象站溫度代表觀測點的實際氣溫容易導致較大誤差。鑒于此，本研究獲取Landsat8衛(wèi)星影像，通過ENVI反演城市地表溫度，并采用熱島比例指數(shù)（URI）表征熱島強度，以實現(xiàn)對南京市熱島效應的精準監(jiān)測。其中，URI指數(shù)作為城市熱島評價的唯一指標被廣泛使用，URI指數(shù)值越接近1即熱島效應越強[24-25]。本研究以各觀測樣點為圓心，以1 km為半徑作圓，提取該區(qū)域的URI指數(shù)，以此表征各樣點的熱島強度。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)選用2019年4月6日的Landsat8熱紅外影像（https：//earthexplorer.usgs.gov），選擇標識號為LC81200382019096LGN00，云量為6.53，條帶號120，行編號為38。通過ENVI的拓展工具（Landsat8地表溫度反演）反演城市地表溫度，采用雙通道非線性劈窗算法計算地表溫度：TS=b0+b1+b21-εε+b3Δεε2Ti+Tj2b4+b51-εε+b6Δεε2Ti-Tj2+b7（Ti-Tj）2。式中：TS為地表溫度；ε和Δε分別為兩個通道的發(fā)射率的平均數(shù)值與差值，它們取決于地表分類與覆蓋度；Ti和Tj表示兩個通道的觀測亮溫，bi（i= 0、1、2、3、4、5、6、7）表示各項系數(shù)[26]。本研究采用標準差法[27]將南京市地表溫度劃分為6個等級（表1）。其中，D表示不同溫度等級的溫度閾值，TS（mean）表示地表溫度平均值，Ds表示標準差。此外，根據(jù)熱島比例指數(shù)（URI，式中記為IUR）計算南京市熱島強度：IUR=1100 m∑ni=1wipi。式中：m為溫度等級總數(shù)，在此取值6；n為熱島區(qū)的溫度等級數(shù)，取值3；i為熱島等級序號，wi為第i級熱島面積權重值，在此取值5、6；pi為第i級熱島面積百分比。

1.3 樣點選擇及花期物候觀測

在研究初期，對各行政區(qū)的園林綠地進行初步調研，對各樣點中包含的植物種類進行統(tǒng)計，確定了南京市較為常見的5種春季觀花木本：白玉蘭 （Yulania denudata）、紅花檵木 （Loropetalum chinense）、垂絲海棠 （Malus halliana）、東京櫻花 （Prunus yedoensis）、巨紫荊 （Cercis gigantea）作為本次觀測的物種。每種植物選擇15株發(fā)育正常、開花3年以上的露地栽培樹木作為固定觀測樣本，對其進行掛牌編號。于2019年3—5月，由3位固定研究人員，每隔2 d分別對各樣地進行1次實地花期物候觀測，如遇特殊天氣，如連續(xù)降雨或溫度驟升，則每天觀測1次。

本研究將花期轉化為日序數(shù)（Julian day，將實際觀測日期轉換為距當年1月1日的實際天數(shù)，1月1日記為1，1月2日記為2，…，以此類推）[28]，以便進行花期計算和分析。花期觀測標準為：在選定觀測的同種植株上，有一半數(shù)量植株的花序開放數(shù)達到5％，即為植物進入始花期；在植物進入始花期后，全樹花序開放數(shù)達到75％時，即為進入盛花期；全樹花序殘留約5%時，即為進入末花期?；ㄆ诔掷m(xù)時間的計算標準為：始花期持續(xù)時間，指植物從進入始花期開始，直至盛花期開始前的天數(shù)；盛花期持續(xù)時間為植物從盛花期開始直至末花期前的天數(shù)；末花期持續(xù)時間為植物進入末花期直至花序全部脫落的天數(shù)[7]。

2 結果與分析

2.1 城市熱島效應對5種植物花期起止時間的影響

本研究發(fā)現(xiàn)熱島效應對5種植物花期物候存在顯著影響，花期起止時間與URI指數(shù)呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。城市熱島效應導致5種植物的始花期、盛花期、末花期均提前，不同植物對熱島效應的響應強度存在差異（圖2）。

其中，白玉蘭的花期提前幅度最大，中心城區(qū)比近郊區(qū)和遠郊區(qū)提前了4～11 d；巨紫荊的花期變化幅度次之，其花期物候起止時間提前2～7 d；東京櫻花和垂絲海棠提前幅度較弱，為3～6 d。此外，紅花檵木的花期提前幅度最小，其花期最多僅提前2～4 d（圖2）。

2.2 城市熱島效應對5種植物花期持續(xù)時間的影響

城市熱島效應對5種植物的花期持續(xù)時間皆存在顯著影響，花期持續(xù)時間與URI指數(shù)呈顯著負相關關系（Plt;0.05）（圖3）。

各樹種對熱島效應的響應程度存在較大差異（圖3），其中白玉蘭的花期持續(xù)時間最短（7～13 d），但其花期持續(xù)時間受熱島效應影響最大，石頭城公園的花期持續(xù)時間比祿口街道附屬綠地縮短了6 d，約占其總觀賞期的50%；紅花檵木的花期持續(xù)時間最長（33～40 d），其對熱島效應的響應程度僅次于白玉蘭，石頭城公園的花期持續(xù)時間比椏溪鎮(zhèn)生態(tài)路縮短了7 d，約占其總觀賞期19%；東京櫻花（花期持續(xù)時間13～17 d）、垂絲海棠（花期持續(xù)時間13～16 d）和巨紫荊（花期持續(xù)時間16～21 d）的花期持續(xù)時間的受熱島效應影響程度相當。3種植物的花期持續(xù)時間最多縮短3～4 d，約占總觀賞期的26%。

3 討 論

本研究通過反演南京市地表溫度，分析了植物花期和地表溫度間的關系，結果顯示2019年春季南京市表現(xiàn)出明顯的熱島效應，熱島主要分布于中心城區(qū)和長江沿岸，且中心城區(qū)內玄武區(qū)的URI指數(shù)遠低于周邊市轄區(qū)，形成一塊大面積的“城市冷島”，該現(xiàn)象是由玄武區(qū)內的中山陵和玄武湖存在大面積綠地和水體造成。已有研究表明，城市內的木本植物可通過樹木冠層降低太陽輻射遏制地表溫度的上升，對局地微氣候起到調節(jié)作用，且該作用在高城市化水平區(qū)域更為顯著[29]。本研究中玄武區(qū)位于南京市中心城區(qū)，城市化水平較高，因此該區(qū)域綠地對地表溫度的影響能力也更強。此外，水體的蒸發(fā)過程對降低地表溫度也有著有積極的影響，玄武區(qū)內的玄武湖也有效緩解了城市熱島效應[30]。水域和綠地景觀均在城市園林景觀中具有極高觀賞價值，因此，南京市在后續(xù)規(guī)劃中可參考“六楔入城通風走廊”[31]，整合城市河流、山體、湖泊和城市綠地，建立城市生態(tài)通風長廊，在美化環(huán)境的同時為城市降溫。

已有大量研究表明，熱島效應會使得絕大多數(shù)植物的始花期提前，但針對花期持續(xù)時間的研究仍較少，本研究分析南京市熱島強度與物候觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，南京市熱島效應越強，始花期出現(xiàn)時間越早，花期持續(xù)時間越短（Plt;0.05），該結論與國內外許多學者的研究結果一致[14，32]。這是由于酶在植物生長發(fā)育過程中起著至關重要的作用，而溫度的升高會提高酶的活性，加快植物發(fā)育進程，進而導致植物物候期的提前和加速[22]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)溫度的升高會使得植物花期延長[33]，與本研究結論相反?；ㄆ诔掷m(xù)時間的不同響應表明，植物對氣候可能存在不同的響應機制。較始花期而言，花期持續(xù)時間的驅動因素更為復雜[32，34]。本研究推測產生該差異的原因是，在溫度升高的情況下，花的發(fā)育速度會更快，花芽成熟所需的時間更短，花期持續(xù)時間會相應變短，以降低開花的維護成本[35]；另外，在適宜的生長環(huán)境下，植物會通過延長花期來增加繁殖的機會[36]，以上兩種機制之間的權衡可能是導致植物花期持續(xù)時間不同響應規(guī)律的原因[34]。此外，人為修剪也會影響花期物候，植物修枝剪葉后傾向于進行營養(yǎng)生長而非生殖生長，中心城區(qū)的熱島強度更強，植物的修剪養(yǎng)護也較郊區(qū)更頻繁，一定程度上縮短了熱島區(qū)的花期持續(xù)時間[37]。

植物物候變化是通過減少對傳粉媒介和其他資源的競爭來維持不同植物群落物種共存的重要機制，不同的溫度敏感性將改變植物花期重疊模式以及群落的組成和結構[23]。已有研究表明，開花較早的物種比開花較晚的物種對物候的響應更敏感[23，38-39]。本研究結果顯示5種植物中白玉蘭的始花期最早，其花期物候對城市熱島效應也最敏感，其中心城區(qū)的花期較遠郊區(qū)最多可提前11 d，持續(xù)時間最多約縮短50%，與前人研究結果相一致。這是由于全球氣溫變暖伴隨著冬季氣溫的上升，植物在冬季受到的冷激程度相應減輕，對于春季開花植物，早花植物開花所需的積溫低于晚花植物，因此，早花植物對于溫度的升高往往表現(xiàn)出更高的敏感度，其花期的提前程度也大于晚花植物[40]。此外，張德順等[41]觀測上海早春花期物候發(fā)現(xiàn)白玉蘭花期受熱島效應影響最小，東京櫻花受影響最大，與研究結果不一致。這可能是由于花期物候是一種多變量性狀，存在多種計算方式（例如始花期、花期持續(xù)時間、末花期），另外，城市與城市之間熱島強度和熱島的分布特征也不同，植物在不同熱島模式的花期物候存在差異響應[42-43]。因此，在探討植物物候對城市熱島效應的響應規(guī)律時，應注意以城市為單位開展研究，使研究結論更有針對性。

本研究初步揭示了木本植物花期物候對南京市熱島效應的響應，然而，不同植被類型對熱島效應可能存在響應差異，熱島效應還受到地形、風向、城市立地條件等因素的影響。在今后的研究中，應更精細地劃分植被類型，更深入探索城市熱島效應的特征分區(qū)，以進一步揭示植物物候對城市氣候變化的響應規(guī)律。

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（責任編輯 孟苗婧 鄭琰燚）

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（PAPD）。

第一作者：史俐莎（sls@njfu.edu.cn）。

*通信作者：文書生（shusheng0507@126.com），教授。

引文格式：史俐莎，文書生，黃小婉，等.南京5種木本植物早春花期物候對城市熱島效應的響應研究[J]. 南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2024，48（5）：228-234.

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