物侯學

物候學是研究自然界的植物（包括農作物）、動物和環境條件（氣候、水文、土壤條件）的周期變化之間相互關係的科學。它的目的是認識自然季節現象變化的規律，以服務於農業生產和科學研究。

基本介紹

• 中文名：物候學
• 外文名：phenology
• 目的：認識自然季節現象變化的規律
• 作用：服務於農業生產和科學研究
• 研究對象：各種植物、候鳥、昆蟲等
• 相關學科：氣候學、地理學、生物學、生態學

研究意義

作為中國一門傳統學科，物候學一直關注自然界，特別是生物界季節性變化的現象和規律。在全球變化日益受到重視的今天，物候學則更加注重氣候變化對這些季節性現象和規律影響的研究，煥發出新的活力，發揮了重要作用。科學網（web of science）的文獻檢索結果表明， 有8 000 余篇科學研究文獻以“物候學”為關鍵字，其中5 000 余篇出版於最近10 年。

自然物候記錄是全球環境變化的最直接和最有效證據，可以用來分析環境要素的變化機理， 是對儀器記錄的重要補充；現代物候規律與歷史物候記錄相結合可用於深入分析長時間尺度的氣候變化和生物對環境要素變化的回響；物候變化直接影響生物生產，對生態系統生產力和碳循環研究具有關鍵性作用。此外，物候學在農業生產、人類健康、園藝與旅遊景觀設計等傳統套用領域仍存在較大的發展空間。研究物候學也有助於氣候學、地理學、生物學、生態學及相關資源和環境科學的交叉和融合，從而推動多學科綜合研究的深入開展。但是，與國外物候學受重視程度和迅猛發展相比，近年來我國的物候學研究遇到空前挑戰，需要開展的基礎性工作還有很多。

研究對象

物候學的研究對象包括各種植物的發芽、展葉、開花、葉變色、落葉等；候鳥、昆蟲及其它動物的遷移、始鳴、終鳴、始見、絕見等；也包括一些周期性發生的自然現象，如初雪、終雪、初霜、終霜、融冰及河湖的封凍、融化、流凌等。物候現象不僅反映自然季節的變化，而且能表現出生態系統對全球環境變化的回響和適應，因而也被視為是“大自然的語言”和全球變化的“診斷指紋”（Fingerprints）。

研究進展

1、物候學在全球變化研究中發揮了巨大作用

作為一種綜合性回響指標，植物物候能敏感地指示氣候變化，在全球變化中也受到很大重視。《物候學：一門綜合的環境科學》中指出，“物候學是研究受環境要素影響、特別是受氣溫等氣象和氣候條件變化影響的動植物的周期性變化等生物學現象的學科”， 是一門綜合反映環境變化的科學。近年來，物候學重新受到學術界重視的一個重要原因是因為物候變化是全球氣候變化的一項獨立證據。

大量的觀測事實與分析表明，最近幾十年以來，中高緯度地區春季物候大多都出現了不同程度的提前，它們很好地指示出了全球增暖的趨勢及其區域差異。研究表明，近30 年來的氣候變暖對植物物候、植物沿緯向和垂直方向的分布變化以及植物之間相互作用過程等都有明顯影響，這種影響體現了自然生態系統對氣候變化的回響和適應方式。植物物候變化與近期的氣候變暖密切相關，在全球變化、特別是氣候變化研究和未來氣候預測領域，自然物候記錄分析將發揮越來越大的作用，動植物物候是全球變化的“診斷指紋”。在IPCC 第4次評估報告第二工作組報告（IPCC AR4）的“自然和管理系統所觀察到的變化和回響評估”部分，作者們全面引用了歐盟科學技術合作計畫（COST725）物候項目研究結論。他們基於542 個植物物種和19 個動物物種總計125 000 個觀測序列，採用薈萃分析方法研究了1971—2000 年氣候變化導致的物候期變化。結果表明，78%樣本的展葉、開花和果實成熟有顯著提前趨勢，但秋季葉變色和落葉有推後趨勢。物候對前月溫度變化具有敏感回響，增溫1℃將導致春、夏季物候期大約提前2.5 天。北美也有類似工作受到重視。這清楚地說明了全球變暖對植物物候和陸地生態系統的影響。物候學是全球變化研究的重要線索。

也是由於全球變化研究的推動，物候學在理論和套用上具有新的發展趨勢。首先，機理研究受到特別重視。以往的物候學理論認為，生物物候、特別是植物物候變化主要是受氣溫影響，但是最近該觀點受到巨大挑戰。

2、物候學是全球生態學和陸地生態系統碳循環研究的新線索

理論上說， 全球變化引起生態因子變化，特別引起主導氣候要素的變化，結果影響到陸地生態系統的結構和功能。在該過程中，生態因子變化往往首先改變植被系統植物物候期的出現時間和物候期長度，進而影響到生態系統的物質循環和能量流動。因此，物候與生態系統碳循環之間的關係是最近幾年生態學和全球變化生物學的關注焦點。物候學理論和研究成果在生態系統結構和功能分析、陸地生態系統碳循環變化研究上均得到很深入的套用，物候學已經融入全球變化的各個研究領域。

過去20 年來， 北半球陸地生態系統碳平衡對春、秋季升溫比較敏感。各地春季物候普遍提前和秋季物候推後使植物生長季得以延長，但是秋季升溫對呼吸作用的促進更大，因此秋季增溫後，植被系統排放更多碳。這是尋找陸地生態系統“損失碳匯”（missing carbon sink）的重要線索。受物候變化的複雜性影響，陸地系統碳平衡在區域和全球尺度均具有不確定性。大氣碳平衡的季節變化是指示不同地區碳源、碳匯交替的時間標誌。北半球中緯度地區碳源的不穩定性就是由於生態系統植物物候期的起始時間和長短變化所引起的。春季物候對陸地生態系統年際碳循環過程具有特別重要的影響， 但傳統物候指標不足以指示這種變化，於是物候研究中引入大量對地觀測等地理信息技術的手段和方法。物候學在陸地碳循環和全球生態學研究中正在發揮越來越大的作用。

3、自動監測技術的引入使物候觀測數據的獲取方式更加靈活多樣

近年來，新技術為傳統物候觀測帶來活力，出現了採用自動拍照和數據網路傳輸的新觀測技術。運用數碼重複拍攝手段觀測物候，既節約了人力資源，又便於對物候現象採用統一的觀測標準和數據管理模式進行處理。此外，一些自動物候觀測網路也在迅速出現，如日本著名的“物候眼網路”就是物候自動觀測、數據網路傳遞的一個案例。將物候觀測究與有關自動氣象記錄儀的觀測數據結合起來進行研究，也將補充傳統物候學研究中氣象台站數據精度低、距離遠等問題，將更精準地把握氣候變化對生物物候影響的各個方面。就觀測手段而言，近年的物候觀測中，人們往往將地理信息科學對地遙感觀測的新成果與地面觀測結合起來開展工作。遙感數據是對地面觀測的有益補充，二者結合使用可以實現地理事物的空間尺度轉化。

4、傳統物候觀測繼續受到重視，但研究對象更精緻、細微，逐漸向微觀方向發展

我們注意到，世界各地傳統的物候觀測網都在持續有效地工作， 並逐步發展壯大。在延續過去觀測數據的基礎上，最新觀測要素更為精細。比如，草本物候研究受到重視。由於草本植物對環境因素的回響比木本植物要敏感得多，因此物候觀測已經出現重視草本觀測的趨勢。

物候學的套用領域在不斷拓寬，並越來越貼近人類生活，現代物候學研究已經在旅遊地理、人類健康與環境要素關係分析等方面得到了很好套用。

研究方法

1、傳統物候觀測法

傳統物流觀測法是以野外觀測為基礎的目視觀察法。利用物候指標對地形地貌複雜的地區進行全方位的監測，為編制精細化的農業氣候區劃，科學地發展生態農業提供了科學依據，以充分發揮當地的生態優勢達到增產增收之目的。

2、遙感監測物候技術

近20年， 遙感技術和電子計算機技術的發展為物候監測、研究提供了新機遇。藉助遙感影像可以克服傳統定點物候觀測代表區域有限的缺點, 進行地區、國家、大洲, 甚至全球領域的物候監測 。任何目標物都具有發射、反射和吸收電磁波的性質，這是遙感的信息源。目標物與電磁波的相互作用，構成了目標物的電磁波特性，是遙感探測的依據。不同地物反射波譜不同，因此不同地物在遙感影像上形成不同紋理、形狀，從而可以通過遙感判釋、解譯圖像來識別不同地物。

3、植物遙感監測技術

通過定量手段分析植物物候對人類行為的回響，有助於進一步揭示綜合因素影響下地表植物物候的變化回響機理，從而科學地指導農業生產或其他人類活動。

面臨的挑戰

當前，與地理學其他研究方向相比，我國的物候學研究顯然沒有得到應有重視，與國外物候學的迅猛發展形成鮮明對照。我國當前的物候研究在研究重點轉移、套用領域和服務對象、觀測手段和研究方法等方面都與國際相關研究具有較大差距。

1、未能及時跟上國際物候學研究重點轉變的步伐

目前我國物候學的多數研究還在原有領域內開展工作。國際物候學研究在內容、工作重點等方面已經全方位轉向全球變化領域， 不斷為全球變化研究提供基礎材料和理論依據。在全球變化的物候指示、生長季變化研究、陸地生態系統碳源、匯動態分析、生態系統對全球變化回響研究等方面都開展了卓有成效的工作，但是國內工作與傳統物候學研究相比改觀不大，這種局面需要儘快扭轉。

2、套用領域和服務對象拓寬不夠

近年來國際物候學研究的套用領域和服務對象有較大拓寬，但是國內物候研究的跟進不夠。物候學除了服務於農業生產，在作物選種、農時預報、病蟲害防治或用於綜合農業區劃以外， 現代物候學與人類健康、景觀變化與旅遊、高光譜遙感植物分類等領域都有較為成熟的套用。相形之下，國內物候學研究在這些領域還鮮有工作。

3、國內物候觀測手段還有一定局限性

中國物候觀測網建立於1963 年，到20世紀90 年代初，因經費緊缺，系統的物候觀測陸續停止，1996 年則全面停止觀測。數據中斷直接導致物候研究基本停滯。而且數據序列不完整性將長期影響今後的研究工作。雖然自2002 年起，筆者自籌經費使“中國科學院物候觀測網”部分站點恢復工作，直接帶動了近年國內物候研究。但因經費限制，目前全國僅恢復了21 個觀測站點， 覆蓋範圍和資料數量都不及20 世紀60—90 年代的觀測網路，限制了我國物候學向更高水平的發展。在中國植被區劃圖上，有的植被區域甚至沒有一個觀測站點，無疑給以後的科研工作帶來消極影響。

4、研究方法與國外物候研究也有較大差距

與國外物候研究相比，國內的工作仍是零星和有限的，深度和廣度都不夠。由於很長一段時間缺少重大研究項目的支持，目前大多數物候研究成果多停留在單站點（如北京、民勤等）或局部區域（如華北平原）的植物春季物候變化分析上，只有極少數的工作涉及全國或較大區域，國家尺度上植物物候的薈萃分析基本沒有。這種局面如果繼續下去，我國的物候研究將再次陷入低谷，與國際物候研究前緣的差距將越來越大。

綜上所述，目前我國的物候觀測和研究工作不僅落後於西方國家，而且落後於我國的歷史水平。據記載，即使在20 世紀30 年代抗戰的艱難時期，我國仍有數十個站點在堅持物候觀測。

但是目前觀測站點稀少，科研工作嚴重滯後。當前中國的物候學研究還面臨許多困難，研究人員任重道遠。首先，應力爭得到國家和有關部門對物候學的重視，在中國物候觀測網路、人才培養等方面注意加強物候學研究的能力建設。其次，拓寬物候觀測數據的渠道，借鑑國外物候研究的先進經驗，最大程度地利用便捷的通訊技術來收集廣大志願者的觀測結果。將民間物候愛好者、中小學生和大學生志願者的業餘物候觀測結果，通過網際網路等工具收集、整理後加以利用。中國物候研究還應該繼續總結以往的歷史資料中的物候信息，特別是挖掘中國歷史文獻資料中的大量物候學數據，在物候學這門傳統學科中發揮中國悠久歷史文化遺產的作用。