暖干气候下热带干旱林树木叶片和繁殖物候数量和时间的变化

IF 5.3 1区环境科学与生态学 Q1 ECOLOGY

Journal of Ecology Pub Date : 2025-04-09 DOI:10.1111/1365-2745.70044

Hao Ran Lai, Timothy Hill, Silvio Stivanello, Hazel M. Chapman

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摘要

热带森林物候描述了初级生产力和繁殖的时间模式（Sakai, 2001），这对生态系统过程有直接影响，如养分循环、多营养相互作用和物种共存(Cleland &amp；Wolkovich, 2024;Tang等人，2016)。然而，这些生态系统过程的稳定性受到气候变化的影响，因为植物通过改变繁殖和生物量周转的数量和时间来作出反应(Cleland等，2007；Iler et al., 2021)。例如，亚马逊森林在更温暖和更干燥的条件下，更普遍的叶子脱落降低了树木在生物生物量中固碳的能力（Janssen等人，2021）。气候引起的热带森林开花和结果强度的变化也影响了树木的补充和消费人口(Bush et al., 2020；Butt et al., 2015；Numata et al., 2022)。由于日益严重的干旱和干旱削弱了热带森林作为碳汇的作用（Corlett, 2016），我们必须研究物候变化，作为物种和群落对气候变化的人口响应的指标(Hacket-Pain et al., 2024；Iler et al., 2021)。在热带森林中，越来越多的证据表明温度和降雨是树木物候的关键决定因素(Sakai &amp；Kitajima, 2019;Van Schaik et al., 1993)。降雨减少和气温上升导致的水分胁迫与大量的叶片脱落（Janssen等人，2021年）以及叶片冲洗（Nomura等人，2003年）和开花(Butt等人，2015年；Lasky et al., 2016；Numata et al., 2022)和结果(Bush et al., 2020；Chapman et al., 2018)；尽管也发现了相反或较弱的关系(Babweteera等人，2018；Chapman等人，2018；Pau et al., 2013；赖特,卡尔德隆,2006)。除了数量变化外，气候还可以改变物候的时间(Chang-Yang et al., 2024；Chen et al., 2018；Richardson et al., 2023)。近几十年来不断变化的降雨和温度模式推迟了开花时间（Borchert, 1983），提前了落叶时间(Reich &amp；Borchert, 1984)和缩短叶片冲洗间隔（Ho et al., 2024）。然而，气候对热带森林物候时间影响的证据仍然很少，因为大多数研究，包括全球物候学最大的开放数据倡议（hacke - pain et al., 2022），将物候分析为隐含时间的总量（例如，凋落物的重量或花中个体的丰度在一段时间内（通常是一年）的总和或平均值），忽略了物候在年周期内的时间变化。在Newstrom等人（1994）、Sakai等人（2001）和Mendoza等人（2018）的基础上，我们认为研究物候的数量和时间是很重要的，因为它们为气候变化对生态系统的影响提供了不同的见解。例如，用时间来补充每年落叶的数量，不仅可以告诉我们是否有更多的养分被循环到土壤中，还可以告诉我们凋落物是否与其他过程（如分解或种子发芽）暂时脱钩。在这里，我们专注于一种回归方法，该方法结合了傅里叶分析（Bush et al., 2017）和循环统计（Davis et al., 2022）的进展，将物候的周期性时间序列分解为三个组成部分：平均强度、幅度和相位(即峰值时间；Fidino,Magle, 2017;Nelson et al., 1979；图1).回归允许将每个周期成分分层建模为气候的函数，以揭示对生态系统的不同影响。此外，我们强调了物候数量分解为平均强度和振幅的信息价值；后者可以解释为在较短的持续时间内更集中的物候（这也意味着振幅包括数量和时间，如时间跨度）。例如，振幅的增加导致叶片脱落的脉冲更加突然，而不改变其平均强度；因此，在较短的时间窗口内落叶总量相同（例如Ho et al., 2024），可能导致更多的瞬态生态系统功能（Sayer et al., 2024）。在图形查看器中打开powerpoint（顶部面板）一个示例余弦图，显示了与公式1对应的基本组件。在本研究中，红色的参数是可以被气候因子调节的成分。（底部面板）说明每个余弦分量如何被气候因素改变的例子。此外，同时检查物候数量和时间，气候变化对植物物候影响的泛热带综合，也需要跨器官的更完整的数据。虽然热带生殖物候学（如hacke - pain等）已经取得了巨大进展。， 2022)，叶片物候学可以从热带地区更长期的物种特异性数据中受益（Abernethy et al., 2018）。这阻碍了将物候变化整合到完整的生命周期评估中，而这对于预测气候变化下的种群动态至关重要（Iler等，2021）。这种知识差距对于季节性干燥热带森林（SDTFs）来说尤其成问题，在那里，叶片更替受到强降雨和温度季节性的严格调节(Murphy &amp；卢戈,1986;Van Schaik et al., 1993)。SDTFs约占世界热带森林的40% (Siyum, 2020)，由于其对水资源的依赖，可能更容易受到气候变化的影响（aguirre - gutisamurez等人，2020）。尽管如此，sdtf物种之间存在相当大的物候多样性(Lasky et al., 2016；梅尔,彭宁顿,2011;辛格,Kushwaha, 2016)，为学习广泛的植物生活史策略来应对过去和未来的干旱提供了一个有希望的前提。通过对尼日利亚SDTF 47年气候数据的试点分析，我们发现最低气温上升了0.8°C，而降雨变得更加不稳定，雨季月降雨量减少了约10%；这些变化与整个热带非洲的更广泛趋势一致（Bennett et al., 2021）。为了评估气候变化是否改变了物候的强度、幅度和时间，我们模拟了17年来94个分类群中617棵树的月度叶和生殖物候——落叶、冲叶、开花和结果——作为降雨和温度的函数。此外，为了评估SDTF物种是否如先前所示具有高物候多样性和广泛的干旱适应能力（Allen et al., 2017），我们在分层回归中将对气候的物候响应作为物种特有的斜率。我们表明，每个周期组分的不同响应提供了气候如何影响物候的多方面解释，并且当物候同步性从物种特异性时间的明显特殊变化中计算时，在群落水平上仍可能出现更一致的模式。

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Changes in quantity and timing of foliar and reproductive phenology of tropical dry-forest trees under a warming and drying climate

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Journal of Ecology 环境科学-生态学

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期刊介绍： Journal of Ecology publishes original research papers on all aspects of the ecology of plants (including algae), in both aquatic and terrestrial ecosystems. We do not publish papers concerned solely with cultivated plants and agricultural ecosystems. Studies of plant communities, populations or individual species are accepted, as well as studies of the interactions between plants and animals, fungi or bacteria, providing they focus on the ecology of the plants. We aim to bring important work using any ecological approach (including molecular techniques) to a wide international audience and therefore only publish papers with strong and ecological messages that advance our understanding of ecological principles.