兰州大学科研团队最新成果 量化全球植物春季物候与霜害风险之间的权衡关系

冬去春来，万象更新。伴随着气温的回升，植物逐渐进入其生命周期循环中最重要的阶段——春季返青。然而，大多数人并不了解，在这片片新绿之中，却隐藏着一个古老而精致的生存法则，植物如何权衡“返青”与“抵御霜冻”之间的关系？

一项最新的研究，在全球尺度上量化了植物在“返青”与“抵御霜冻”之间的权衡关系。该研究发现，全球植物在春季物候期普遍具有较强的低温耐受能力，足以应对同时期的环境最低温，因此遭受致命霜冻的风险较低。进一步基于过程的物候模型预测显示，尽管未来气候变暖将导致春季物候持续提前，但植物仍倾向于在维持这一权衡机制的前提下启动春季物候，以实现自身生存与繁衍利益的最大化。这一发现表明，植物在决定返青时间的过程中，生物因素同样发挥着至关重要的作用。该项研究于2026年4月16日以“Quantifying the trade-off between spring phenology and lethal frost risk: a meta-analysis”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。

图1. 高寒草甸植物遭受的霜冻事件

对于一个植物个体而言，尽早返青通常对其有利。返青越早，意味着生长季更长、同类竞争更少，从而能够获取更多可利用资源，这有助于增强其自身生存与后代繁衍的优势。然而，更早的返青也意味着植物需要承担更高的霜冻风险（图1）。已有研究显示，一次严重的极端低温事件，就足以毁灭那些低温抵御能力弱的个体。而在植物漫长的演化历史中，这类足以导致种群灭绝的极端低温事件已上演了数百万次。因此，植物春季物候的发生时间，必须在尽可能早地进入生长季与尽可能避免致命霜冻风险之间进行权衡。而量化这一权衡，不仅有助于揭示植物春季物候发生时间的演化逻辑，更能为理解全球气候变暖背景下植物生存策略的适应性调整提供理论依据。

该研究团队基于安全裕度（safety margin，Lenz et al., 2013）的概念，来实现这一权衡的量化。安全裕度被定义为在植物春季物候期间，环境最低温与植物所能耐受的极限最低温（即抗冻性）之间的差值（图2a）。在这一概念框架下，安全裕度越高，就表示植物遭受致命霜冻的风险越低；反之，则风险越高。研究团队系统整合了全球126个研究站点（图3a）中193种植物（图3b）的春季抗冻性数据（图3c），并通过提取春季物候发生时的日最低温，计算植物遭受致命霜冻风险的安全裕度（safety margin）（图3d）。研究结果显示，植物在春季物候期保持较高的抗冻性，能够抵御低至-12.42°C ± 5.19°C的低温，使得植物在春季物候期遭遇致命霜冻的风险概率较低，安全裕度高达17.14°C ± 5.58°C。进一步利用收敛交叉映射算法，研究团队发现春季抗冻性与安全裕度之间存在显著的相互因果关系，表明植物主要通过调节自身抗冻性来控制致命霜冻风险，而不仅仅依赖于调整春季物候的发生时间（图3e）。

图2. 植物春季返青时间的权衡框架及全球气候变暖对其的重塑。a，安全裕度概念框架，b，未来气候变暖背景下的霜冻风险情景分析。在低风险情景下，物候提前幅度小于气候变暖速率，物候事件将发生于相对更温暖的条件下，安全裕度增加，霜冻风险降低；在高风险情景下，物候提前幅度超过气候变暖速率，物候事件遭遇致命霜冻的概率上升，安全裕度下降；在稳定风险情景下，物候提前幅度与气候变暖速率相当，安全裕度维持不变，霜冻风险保持稳定

图3. 全球植物返青期抗冻性与安全裕度。a研究区地理分布，b所研究物种间的系统发育关系，c春季物候抗冻性，d安全裕度频率分布，e基于收敛交叉映射算法的因果分析（若变量间相关系数随着序列长度的增加而逐渐趋于收敛，则表示变量之间存在该方向因果关系）

未来气候变暖预计将导致植物春季物候持续提前，进而重塑遭受致命霜冻的安全裕度（图2b）。从演化视角看，如果春季物候的发生时间是植物在数亿年演化过程中反复验证并优化选择的结果，那么维持稳定的安全裕度应当成为植物关键物候期演化的最优策略。一旦过度偏离这一适应性权衡，植物的个体生存和后代繁衍将受到负面影响，从而增加其被自然选择淘汰的风险。因此，研究团队利用8种基于过程的物候模型，预测了未来三种共享社会经济路径情景（SSPs）下植物的春季物候（图4a）及其安全裕度。预测结果表明，在轻度（SSP1-2.6）至中等（SSP2-4.5）排放路径下，安全裕度未发生显著变化，表明植物仍维持这一适应性权衡。而在极端路径（SSP5-8.5）下，安全裕度则上升了约1.7°C（图4b）。研究推测，这可能是植物为应对极端变暖情境下因冷驯化不足而导致的抗冻性下降所做出的适应性响应，但该推测仍有待未来研究进一步验证。

图4. 未来（2020-2099）气候变暖情景下春季物候（a）和安全裕度（b）预测

该研究证明，在植物春季物候发生时间的权衡过程中，生物因素（如抗冻性）及其在漫长演化历史中形成的适应性权衡，能够有效调控春季物候的发生时间。这一发现挑战了传统上仅强调单一环境因素的决定论框架，表明未来的物候研究应同时兼顾生物因素与环境因素。该研究为新一代物候模型的构建与验证提供了新的理论视角。

兰州大学草地农业科技学院博士后烟郑杰为第一作者，贺金生为该论文的通讯作者，兰州大学汪浩、井新，华东师范大学刘慧颖，中国科学院沈阳应用生态研究所闫涛，中国科学院青藏高原研究所汪涛为共同作者。本研究工作受到国家自然科学基金（32130065）与国家重点研发计划（2022YFF0801902）的联合资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70187-8

编辑：王文乐

责编：彭倩