新疆農(nóng)八師墾區(qū)木本植物物候期對氣候變暖的響應(yīng)

李紅英，王嘯天，鄭曉倩，許浩翊，向 導(dǎo)，朱江麗

（1中國氣象局烏蘭烏蘇生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆石河子832000；2烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆石河子832000；3新疆石河子炮臺氣象站，新疆石河子832000；4塔城地區(qū)沙灣縣氣象局氣象臺，新疆塔城834700；5新疆石河子莫索灣氣象站，新疆石河子832000；6新疆石河子工程技術(shù)學(xué)校，新疆石河子832000）

0 引言

植物物候現(xiàn)象變化是對過去氣候變化的反應(yīng)[1]，可以在生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化、季節(jié)變化上具有指示作用[2]，可以在引種、植樹造林、環(huán)境監(jiān)測等方面起到指標(biāo)作用，可以在醫(yī)療防疫、園藝栽培、旅游開發(fā)等方面有參考作用[3]。因此，植物物候期的變化是對氣候變化最直接的檢驗(yàn)，也使人們對氣候變化最直接的詮釋。秦大河等[4]在第五次IPCC評估報告中闡述，近百年來全球地表溫度平均升高0.85℃，1980—2018年升溫速率提高近2倍。氣候變暖已經(jīng)成為事實(shí)，氣候變化對自然和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、對大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、對植物生長已經(jīng)產(chǎn)生明顯的影響[5-7]。研究表明，河北省草本植物展葉始期提前、枯黃始期推后，春季氣溫升高1℃草本植物展葉始期提前4.1天[8]；天水地區(qū)蘋果葉芽開放期提前約14天，秋季葉變色期后推約3天左右[9]；黃土高原蘋果樹、梨樹春季物候期普遍提前[10]；研究認(rèn)為從1980年以來中國華北、東北木本植物物候期變化與氣溫關(guān)系密切[11-13]。在氣候變暖的情景下，各地因氣候區(qū)域分布不同物候變化有其局地性[14-18]。北疆地區(qū)幅員遼闊，南北氣候差異很大，農(nóng)八師墾區(qū)地方性氣候特點(diǎn)更加明顯。筆者利用莫索灣、炮臺、石河子氣象站及烏蘭烏蘇國家一級農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站典型木本植物物候期資料，分析春季物候變化特征，揭示其對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律和相關(guān)性，旨在為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及旅游產(chǎn)業(yè)開發(fā)等提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

新疆農(nóng)八師墾區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，光熱資源豐富，降水稀少。該地位于新疆天山北麓中段，屬于古爾班通古特大沙漠南緣，地域面積7529 km2，平均 海 拔 300～500 m。 旱 柳 (Salix matsudana)、榆 樹(Ulmus pumila)、箭桿楊(Populus nigra cv.Afghanica)為當(dāng)?shù)刂笜?biāo)性木本植物，選取3年生以上具有代表性、連續(xù)性好的旱柳、榆樹、箭桿楊為監(jiān)測對象。物候期和氣象資料均來源于烏蘭烏蘇國家一級農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站及周邊莫索灣、炮臺、石河子氣象站。監(jiān)測資料序列為1980—2018年，共計39年。資料包括木本植物春季展葉始期和盛花期，以及對春季物候期具有影響的相應(yīng)時段氣溫資料，選取的時段分別是1、2、3、4月平均值氣溫，1—2、1—3、1—4、2—3、2—4、3—4月以及年平均氣溫。

1.2 研究方法

為便于計算分析，將物候日期轉(zhuǎn)換成日序（單位：天），以4月1日=1；4月2日=2；……，以此類推。采用一次線性方程y=at+b定量描述變量變化趨勢，并以10年體現(xiàn)變化率。方程中的系數(shù)采用最小二乘法確定，運(yùn)用F檢驗(yàn)變量顯著性趨勢性。運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)分析各溫度變量與物候期變量的相關(guān)性，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用線性回歸法建立物候期變量與溫度變量的響應(yīng)模式[19]。運(yùn)用Mann-Kendall方法進(jìn)行變量突變檢驗(yàn)[19]。借助Excel軟件進(jìn)行運(yùn)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 木本植物春季物候期及變化特征

由表1可以看出，農(nóng)八師墾區(qū)3種木本植物春季第一個物候期以榆樹開花盛期萌動最早，其次是旱柳展葉始期，箭桿楊展葉始期則最晚，依次相差3～4天。旱柳的展葉始期2013年最早出現(xiàn)在4月1日，1984年最晚出現(xiàn)在4月30日，早與晚相差29天；開花盛期2009年最早出現(xiàn)在4月11日，1996年最晚出現(xiàn)在5月4日，早與晚相差23天。榆樹的展葉始期2007年最早出現(xiàn)在4月14日，2000年最晚出現(xiàn)在5月28日，早與晚相差14天；開花盛期2001年最早出現(xiàn)在3月28日，2010年最晚出現(xiàn)在4月25日，早與晚相差28天。箭桿楊的展葉始期2013年最早出現(xiàn)在4月1日，1996年最晚出現(xiàn)在5月1日，早與晚相差30天。

對研究區(qū)3種木本植物春季物候的線性變化分析可知（表1、圖1），在1980—2018年序列變化中，圖1(a)顯示，農(nóng)八師墾區(qū)旱柳展葉始期變化趨勢明顯提前(P＜0.01)，線性傾向率為-2.29 d/10 a，39年里線性提前約9天；旱柳開花盛期同樣變化趨勢明顯提前(P＜0.01)，線性傾向率在-2.70 d/10 a以上，39年里開花盛期線性提前約11天以上。圖1(b)顯示，榆樹開盛期存在提前趨勢(P＞0.05)不顯著，線性傾向率在-1.32 d/10 a以上，39年里線性提前約5天左右；榆樹的展葉始期呈顯著提前趨勢(P＜0.01)，線性傾向率約為-5.59 d/10 a，在39年里線性提前22天以上。圖1(c)顯示，箭桿楊的展葉始期呈顯著提前趨勢(P＜0.01)，線性傾向率約-2.69 d/10 a，在39年里線性提前在10天以上。3種木本植物物候期通過Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，春季第一個物候期，旱柳展葉始期、榆樹開花盛期和箭桿楊展葉始期，在2004年發(fā)生顯著突變，突變之后日期提前4天；第二物候期旱柳開花盛期和榆樹展葉始期也在2004年發(fā)生突變，突變之后日期分別提前5天和9天。

表1 農(nóng)八師墾區(qū)3種木本植物物候期及其傾向率

圖1 旱柳(a)榆樹(b)箭桿楊(c)展葉始期、開花盛期年際變化趨勢

2.2 木本植物春季物候期對氣溫變化的響應(yīng)

2.2.1 氣溫變化 由圖2(a)所示，1980—2018年農(nóng)八師墾區(qū)逐年平均氣溫呈上升趨勢，與全球氣候變暖有著一致性，年平均氣溫每10年氣候變化率為0.382℃，達(dá)到P＜0.01極顯著水平，在39年里平均氣溫線性上升了約1.5℃。由圖2(b)所示，木本植物前期1—4月平均氣溫上升趨勢并不明顯(P＞0.05)，每10年氣候變化率為0.296℃，在39年里年平均氣溫線性上升了約1.2℃。從各個月份分析來看，1月份平均氣溫呈下降趨勢，并不顯著(P＞0.05)，每10年氣候變化率為-0.42℃，在39年里年平均氣溫線性降低了1.6℃以上；2月份變化趨勢較為平穩(wěn)，每10年氣候變化率為0.031℃，在39年里年平均氣溫線性上升了約0.1℃左右；3月份平均氣溫上升趨勢達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，每10年氣候變化率為0.737℃，在39年里年平均氣溫線性上升了約2.9℃；4月份平均氣溫上升趨勢達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，每10年氣候變化率為0.813℃，在39年里年平均氣溫線性上升了約3.2℃。新疆農(nóng)八師墾區(qū)在冬季1—2月的氣溫變化平穩(wěn)甚至下降，而春季3—4月變暖較為突出。通過Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，年平均氣溫以及3—4月平均氣溫均在2000年出現(xiàn)氣候突變，突變之后氣溫平均升高1.5℃和1.0℃。氣溫突變時間較春季物候期突變時間提前4年出現(xiàn)。

圖2 農(nóng)八師墾區(qū)年(a)及1—4月(b)平均氣溫變化趨勢

2.2.2 木本植物春季物候期與冬春季氣溫相關(guān)關(guān)系 農(nóng)八師墾區(qū)木本植物展葉始期、開花盛期主要分布在4月份，因此，分析了春季物候期之前不同時間段的氣溫與木本植物春季物候期的相關(guān)性。由表2所示，農(nóng)八師墾區(qū)木本植物物候期與1—2月氣溫相關(guān)不顯著，而與3—4月氣溫相關(guān)性最好，均通過P＜0.01的顯著水平檢驗(yàn)。在1—4月滑動時間段中，凡是包含3、4月氣溫的時間段與物候期均呈負(fù)相關(guān)顯著。相關(guān)性說明旱柳、榆樹、箭桿楊春季物候期對之前2個月內(nèi)的氣溫變化響應(yīng)最為敏感。

表2 物候期與不同時間段氣溫的相關(guān)系數(shù)

續(xù)表2

2.3 木本植物春季物候期與氣溫響應(yīng)模式

將春季展葉始期、開花盛期作為因變量，將3—4月平均氣溫作為自變量，建立一元線性回歸模式，定量分析物候期對氣溫變化的響應(yīng)程度。由表3分析結(jié)果可見，3—4月平均氣溫對物候期的影響達(dá)到極顯著水平，當(dāng)3—4月平均氣溫每升高1℃時，旱柳、箭桿楊展葉始期及旱柳、榆樹開花盛期提前約2天，榆樹展葉始期提前約3天。

表3 木本植物物候期與3—4月氣溫回歸分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

（1）受年際氣溫波動的影響，在1980—2018年里新疆農(nóng)八師墾區(qū)木本植物旱柳、榆樹、箭桿楊展葉始期出現(xiàn)的早、晚相差14～30天，旱柳、榆樹開花盛期早、晚相差23～28天，植物不同對氣候變暖的響應(yīng)程度也不同。

（2）木本植物春季物候期提前趨勢較為明顯，與東北[1-2]、華北[5,7-8]、西北[9-10]變化趨勢基本一致，但春季物候期提前的量值有較大的差異，農(nóng)八師墾區(qū)木本植物旱柳展葉始期、開花盛期及箭桿楊展葉始期每10年提前約3天，榆樹開花盛期提前約6天。物候期在2004年發(fā)生顯著突變，突變之后旱柳展葉始期、開花盛期，榆樹開花盛期，箭桿楊展葉始期提前4～5天；榆樹展葉始期提前9天之多。

（3）研究區(qū)1980—2018年3—4月氣溫升高趨勢明顯，但低于年平均氣溫，變化趨勢與氣候變暖有著一致性。春季物候期與3—4月氣溫關(guān)系密切，相關(guān)檢驗(yàn)達(dá)到P＜0.01水平。當(dāng)3—4月平均氣溫每上升1℃，旱柳展葉始期、開花盛期、箭桿楊展葉始期及榆樹開花盛期提前約2天；榆樹展葉始期可提前約3天?？梢?，物候期之前1～2個月的氣溫對其影響程度。研究區(qū)氣候條件不同于黃土高原[20]、華中[7-8]、粵東[21]地區(qū)，木本植物春季物候期對氣溫變化敏感性程度相對較低，地域上的差異也較為明顯。

（4）自然物候的變化是氣象、水文、土壤等綜合影響的結(jié)果。而植物物候期對氣候變化的響應(yīng)敏感性，在氣候資料短缺的地區(qū)，作為評估區(qū)域氣候變化的指標(biāo)則最為貼近。植物物候期因其對氣候響應(yīng)的不同，須對各種植物特性深入了解。本文只分析了旱柳、榆樹、箭桿楊春季物候期對氣溫變化的響應(yīng)程度，其他植物物候?qū)Νh(huán)境氣象的響應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。