氣候變化對大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶木本植物物候期的影響

王彥平，金 磊，高 健，王志春

（1內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古海拉爾021008；2內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；3內(nèi)蒙古赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

植物物候變化不僅能夠反映植物的生長發(fā)育狀況，還能直接影響植物的產(chǎn)量形成過程和產(chǎn)量高低[1-4]，植物物候變化及其影響機(jī)制研究對于應(yīng)對氣候變化和指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。在當(dāng)前全球氣候變化背景下，植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)及其模擬已成為國際上研究的熱點(diǎn)[5-6]。

在過去氣候變化的幾十年，國內(nèi)外已經(jīng)有大量關(guān)于植物物候變化的研究報(bào)道，春季物候提前作為顯著的物候變化之一已經(jīng)在歐洲、北美、亞洲得到了廣泛驗(yàn)證[7]。在國外，Parmesan等[8]對文獻(xiàn)中報(bào)道677個(gè)物種進(jìn)行了定量評估，結(jié)果表明62%的物種都表現(xiàn)出春季物候提前的趨勢。Menzel等[9]分析了歐洲21個(gè)國家（1971—2000年）542種植物物候觀測網(wǎng)的數(shù)據(jù)集，結(jié)果表明：78%的植物展葉、開花、果實(shí)物候均有提前趨勢（30%顯著）；歐洲春季和夏季物候每十年提前2.5天。相比之下，中國的春季物候似乎比歐洲和北美提前的幅度更大。通過分析61個(gè)站點(diǎn)觀測物種組合物候記錄結(jié)果表明：1982—2011年間，中國春季展葉期每十年提前5.5天[7]。春季物候期提前是植物對氣候變化響應(yīng)的一個(gè)重要體現(xiàn)。李瑞英[10]研究了魯西南木本植物生長季及物候期持續(xù)日數(shù)對氣候變暖的響應(yīng)，表明中國魯西南地區(qū)隨著氣候變暖，木本植物春季物候期間隔縮短，秋季物候期間隔延長，全生長季延長，且全生長季變化趨勢比各物候持續(xù)期變化趨勢明顯。張福春[11]早在1995年就分析了候變化對中國木本植物物候的可能影響，提出影響木本植物物候的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?，如果年平均溫度上?℃，各種木本植物物候期，春季一般提前3～4天，而秋季一般推遲3～4天，綠葉期延長6～8天。李瑞英[12]的另一研究也表明，氣溫是影響菏澤地區(qū)草本植物春季物候期的重要因素，萌芽期和開花期的早晚與其前1～2個(gè)月氣溫的負(fù)相關(guān)程度較高，黃枯期與氣溫也存在正相關(guān)關(guān)系。李寧等[13]研究表明在未來氣候情景下，海南島橡膠樹春季物候期出現(xiàn)日序提前。在氣候變化敏感區(qū)，植物物候期的變化更為明顯。例如，甘肅黃土高原冬小麥、梨樹、蘋果樹春季物候期普遍提前[14]，春小麥、胡麻出苗期的變化幅度更大，最早和最晚出現(xiàn)日期分別相差36天和30天[15]。楊麗萍等[16]分析了內(nèi)蒙古陰山北麓草本植物物候期變化，發(fā)現(xiàn)旱柳、榆樹和小葉楊的花芽開放期和落葉末期均表現(xiàn)為提前趨勢，且落葉末期提前幅度較大，平均每10年分別提前2.9、3.6、4.6天。生長季縮短，平均生長季長度為182天。

植物物候期的變化在氣候變化的不同階段出現(xiàn)推遲的現(xiàn)象。范廣州[17]研究了20世紀(jì)60年代—80年代期間物候期的變化特征，得出全國各地區(qū)木本植物春季物候期和秋季物候期大體上都是推遲的，1976—1988年與1963—1975年相比，絕大多數(shù)植物物候期都明顯推遲，部分植物物候期推遲了10天以上。高祺對石家莊地區(qū)物候期的研究也得出，春季物候異常偏晚年主要分布在20世紀(jì)90年代之前，異常偏早年主要分布在90年代之后，物候異常偏早年通常是氣候異常偏暖年,物候異常偏晚年不一定是氣候異常偏冷年[18]。高亞敏等[19]的研究結(jié)果顯示，在氣候變化背景下內(nèi)蒙古科爾沁草原冰草返青期每年推遲0.67天，生長季每年縮短0.53天。

在氣候持續(xù)變化的背景下，植物物候的響應(yīng)研究仍然存在一些不足之處。首先，與全球大量春季物候研究報(bào)道相比，當(dāng)前只有較少的研究記錄了觀測站點(diǎn)秋季物候事件（如葉變色、落葉等物候期）[20]，且變化趨勢不盡相同。例如，Menzel分析歐洲物候觀測網(wǎng)的物候數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與春季物候明顯提前相比，秋季葉變色期的變化趨勢相當(dāng)模糊（48%提前，52%推遲）。其次，地面站點(diǎn)觀測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，全球物候觀測網(wǎng)觀測站點(diǎn)大都集中在城市公園內(nèi)，觀測物種大多都是經(jīng)過引種馴化或移植，可能其自身還沒有度過對新環(huán)境的適應(yīng)期，導(dǎo)致收集到的物候數(shù)據(jù)并不能反映真實(shí)自然狀況下植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)規(guī)律，已有研究表明城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)物候存在著顯著的差異[21]。再次，觀測地區(qū)季節(jié)變化邊界并不清晰增加了物候觀測的難度[22]。

內(nèi)蒙古大興安嶺是呼倫貝爾高原與松嫩平原的天然分界線，大興安嶺西麓是呼倫貝爾高原，又稱巴爾虎草原，海拔高度約550～650 m，是中國北方重要的生態(tài)屏障，屬于溫涼半干旱草原氣候區(qū)，氣溫較低，降水較少，風(fēng)大，是典型的的生態(tài)脆弱帶和氣候變化敏感區(qū)，季節(jié)變化明顯[23]，這一區(qū)域物候的變化是內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)氣候變化的前哨。但是這一區(qū)域植物物候期對氣候變化響應(yīng)的研究和報(bào)道尚屬空白，多數(shù)報(bào)道集中于氣候條件對草原區(qū)天然牧草生長和產(chǎn)量的影響研究。本研究選取榆樹、小葉楊和紫丁香3種具有代表性的灌木植物為研究對象，利用近26年物候數(shù)據(jù)及氣象資料，分析林牧交錯(cuò)帶的代表性木本植物物候期的變化趨勢及對氣候變化的響應(yīng)，為科學(xué)預(yù)測物候期及指導(dǎo)林草交錯(cuò)帶固沙防風(fēng)等生態(tài)恢復(fù)工程提供科學(xué)氣象參考依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部、大興安嶺西側(cè)，屬于蒙古高原的東北端，處于大興安嶺山地向呼倫貝爾平原的過渡地段，屬高原型地貌區(qū)，南部有紅花爾基樟子松林、北部為廣闊的典型草原，地理坐標(biāo)為：118°48'02"—121°09'25"E，47°32'50"—49°17′37″N，高程為800～1000 m。該地屬中溫帶大陸性草原氣候，北部偏東地區(qū)屬中溫帶季風(fēng)性森林草原氣候。內(nèi)蒙古鄂溫克牧業(yè)氣象試驗(yàn)站物候觀測區(qū)位于巴彥托海鎮(zhèn)北側(cè)，距離牧草觀測站10 km左右，屬于典型林牧交錯(cuò)帶。試驗(yàn)站從1984年開始進(jìn)行物候期觀測，積累了近30年的木本植物連續(xù)觀測資料。

1.2 資料來源

氣象資料來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克旗氣象局，物候期資料為大興安嶺西麓鄂溫克牧業(yè)氣象試驗(yàn)站（屬于國家二級試驗(yàn)站、一級觀測站，119°25′17"E，49°00′08"N）的1994—2019年氣溫和降水量地面氣象觀測資料及同期發(fā)育正常的榆樹(Ulmus pumila L.)、小葉楊(Populus simoniiCarr.)和紫丁香(Syringa oblate.)3種木本植物連續(xù)物候觀測數(shù)據(jù)，選取的主要物候指標(biāo)為花芽開放期和落葉末期，生長季長度即指從花芽開放期到落葉末期的總天數(shù)。

1.3 研究方法

采用線性傾向估計(jì)方法分析1994—2019年氣候變化特征；采用日序表示法將物候期出現(xiàn)日期換算成對應(yīng)的日序；氣象數(shù)據(jù)參考楊麗萍等[24]對陰山北麓木本植物物候期的研究方法，結(jié)合研究區(qū)域植物生長季節(jié)特征，對整個(gè)生長季氣候特征選取選取4—11月的平均氣溫和降水量資料，取算術(shù)平均值；對春季物候期（花芽開放期）的研究選取3—4月、4—5月、3、4、5月各階段的平均氣溫和降水量資料，取算術(shù)平均值；對秋季物候期（落葉末期）的研究選取4—10、7—8、9—10月、9、10月各階段的平均氣溫和降水量資料，取算術(shù)平均值；由于大興安嶺西麓地區(qū)日照充足，因此本研究日照不作為研究對象；利用SPSS軟件，采取線性傾向估計(jì)、Pearson相關(guān)系數(shù)[25]、散點(diǎn)圖等方法進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 鄂溫克牧業(yè)氣象試驗(yàn)站觀測區(qū)域（左圖為物候觀測區(qū)示意圖，右圖為小葉楊物候觀測區(qū)實(shí)景圖）

2 結(jié)果與分析

2.1 近26年大興安嶺西麓植物生長季（4—11月）氣候變化特征分析

2.1.1 近26年植物生長季平均氣溫變化趨勢 由圖2可見，近26年大興安嶺西麓植物生長季（4—11月）平均氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢，傾向率為0.3℃/10 a，達(dá)到0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；且在2001、2007、2018年突破10℃，出現(xiàn)3個(gè)峰值。植物生長季氣候變暖成為大興安嶺西麓地區(qū)氣候變化的一個(gè)突出特征。

圖2 1994—2019年大興安嶺西麓植物生長季（4—11月）平均氣溫變化特征

2.1.2 近26年植物生長季降水量變化趨勢 由圖3可見，近26年大興安嶺西麓植物生長季（4—11月）降水量呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，傾向率為0.9 mm/10 a；降水量在2013年之前呈現(xiàn)下降趨勢，2013年降水量劇增導(dǎo)致降水趨勢呈現(xiàn)微弱上升。降水量在大興安嶺西麓地區(qū)氣候變化中的貢獻(xiàn)不明顯。

圖3 1994—2019年大興安嶺西麓植物生長季（4—11月）降水量變化特征

2.2 3種木本植物物候期特征分析

2.2.1 近26年3種木本植物平均物候期特征分析1994—2019年，大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶榆樹、小葉楊和紫丁香3種木本植物的平均花芽開放期集中在4月中旬末—5月初，3種植物平均花芽開放期分別為4月29日、5月1日和5月5日；落葉末期集中在10月上旬，3種植物平均落葉末期分別為10月1日、10月9日和10月12日；3種植生長期平均長度為164、161、160天；3種木本植物平均生長期長度差別不明顯，春季花芽開放期較早的，秋季落葉期也較早（表1）。

表1 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶木本植物物候期統(tǒng)計(jì)

2.2.2 3種木本植物物候期年際變化趨勢 1994—2019年間大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶榆樹、小葉楊和紫丁香花芽開放期日序均呈減小趨勢（圖4a），平均每10年分別減小1.9、0.7、4.5天；而榆樹、小葉楊和紫丁香落葉末期日序均呈現(xiàn)顯著增大的趨勢（圖4b），平均每10年分別增加9.6、7.5、8.5天。說明氣候變暖背景下，3種木本植物花芽開放期提前，其中紫丁香提前天數(shù)最多；落葉末期推遲，且推遲天數(shù)較花芽開放期提前天數(shù)更大，說明氣候變化對木本植物落葉末期影響更明顯。由此可見，這與全球多數(shù)地區(qū)春季物候期顯著提前、秋季物候期不明顯推遲的研究結(jié)論有所不同，其原因可能與不同區(qū)域的小氣候或植物來源的地理變異有關(guān)。3種木本植物中紫丁香花芽開放期日序減小幅度明顯小于其他2個(gè)樹種，這與樹種本身物候期的早晚有關(guān)，研究已表明，物候期越早的植物表現(xiàn)出的物候提前的趨勢更明顯[26]，這3種木本植物花芽開放期順序?yàn)橛軜?、小葉楊、紫丁香，因此物候提前趨勢呈現(xiàn)相反的規(guī)律；而落葉末期日序增大幅度在物種間的差異較小，這與氣候變化在不同區(qū)域?qū)χ参锊煌锖蚱谟绊懗潭扔嘘P(guān)，在大興安嶺西麓農(nóng)牧交錯(cuò)帶，秋季氣候變化的影響在不同木本植物落葉末期差異較小。

圖4 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶本植物花芽開放期(a)和落葉末期(b)年際變化

2.2.3 3種木本植物生長季天數(shù)變化特征 1994—2015年間大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶榆樹、小葉楊和紫丁香生長季長度均表現(xiàn)為增加趨勢(P＜0.01)（圖5），氣候傾向率分別為11.6、8.3、11.1天/10 a。表明氣候變暖背景下，大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶3種木本植物生長天數(shù)都明顯延長，其原因?yàn)榛ㄑ块_放期提前，落葉末期推后。

圖5 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶木本植物生長季天數(shù)年際變化

2.3 木本植物物候期與氣象條件的相關(guān)分析

2.3.1 花芽開放期與氣象要素的關(guān)系 1994—2015年大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶3種木本植物花芽開放期與4—5月和4月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，而3種植物的花芽開放期與降水量沒有明顯相關(guān)關(guān)系（表2）。說明氣溫對該地區(qū)木本植物花芽開放期的影響較為顯著，氣溫是制約大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶木本植物花芽開放期的關(guān)鍵氣象因子。

表2 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶木本植物花芽開放期與氣象要素的相關(guān)分析

2.3.2 落葉末期與氣象要素的關(guān)系 1994—2019年大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶3種木本植物落葉末期與4—10月的平均氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與降水量相關(guān)關(guān)系不明顯（表3），表明該地區(qū)木本植物落葉期受降水量影響較小。

表3 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶木本植物落葉末期與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

2.3.3 生長季期長度與氣象要素的關(guān)系 1994—2019年大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶3種木本植物生長季長度與4—10月的平均氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平，與9—10月的平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)；與降水量相關(guān)關(guān)系不明顯（表4），表明該地區(qū)木本植物生長季長度主要整個(gè)生長期氣溫的影響，且落葉前期的氣溫影響更為顯著，受降水量影響較小。

表4 1994—2019年大興安嶺林牧交錯(cuò)帶木本植物生長季長度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

2.4 3種木本植物物候期對溫度變化的響應(yīng)模式

通過以上相關(guān)分析，大興安嶺西麓木本植物花芽開發(fā)期與4月份的平均氣溫相關(guān)顯著(P＜0.05)，落葉末期與4—10月的平均氣溫相關(guān)顯著(P＜0.01)，生長季長度氣溫的正相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著。因此在研究3種木本植物物候期對氣候變化的響應(yīng)模式方面，重點(diǎn)研究花芽開放期和落葉末期對溫度的響應(yīng)。

2.4.1 花芽開放期對溫度的響應(yīng)模式 由于每個(gè)物候期的開始日期與其前2—3個(gè)月的氣溫間有顯著的相關(guān)性[27]，本文研究的3種木本植物1994—2019年的花芽開放的平均日期為5月4日，分別計(jì)算了3月、4月、3—4月平均氣溫與物候期的相關(guān)系數(shù)，得出4月平均氣溫與物候期的相關(guān)系數(shù)最大。因此，選取4月平均氣溫為自變量建立植物花芽開放期對溫度的響應(yīng)模式。分別選取3種木本植物花芽開放期最早的2014年（榆樹）、2019年（小葉楊）和2008年（紫丁香）為典型年，設(shè)自變量x為典型年4月平均氣溫減常年4月平均氣溫的平均值，因變量y代表植物花芽開放始期差異天數(shù)（本研究為典型年花芽開放期減去常年花芽開放期的平均值），對植物花芽開放期與4月平均氣溫之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立花芽開放期差異(y)與4月平均氣溫差異(x)的擬合方程，如圖6，3種植物花芽開放期對4月平均氣溫變化呈現(xiàn)出明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，且擬合方程的相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。

圖6 大興安嶺西麓木本植物花芽開放期差異與4月份平均氣溫差異的關(guān)系

2.4.2 落葉末期對溫度的響應(yīng)模式 與花芽開放期對溫度響應(yīng)模式研究方法同理，由于4—10月平均氣溫與物候期的相關(guān)系數(shù)最大，因此，選取4—10月的平均氣溫為自變量建立植物落葉末期對溫度的響應(yīng)模式。分別選取3種木本植物落葉末期期最晚的2012年（榆樹）、2010年（小葉楊）和2008年（紫丁香）為典型年，設(shè)自變量x為典型年4—10月平均氣溫減常年4—10月平均氣溫的平均值，因變量y代表植物落葉末期差異天數(shù)（本研究為典型年落葉末期減去常年落葉末期的平均值），對植物落葉末期與4—10月平均氣溫之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立落葉末期差異(y)與4月平均氣溫差異(x)的擬合方程，如圖7，3種植物落葉末期對4月平均氣溫變化呈現(xiàn)出明顯正相關(guān)關(guān)系，且擬合方程的相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平，落葉末期對溫度的響應(yīng)更為明顯。

圖7 大興安嶺西麓木本植物落葉末期差異與4—10月份平均氣溫差異的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）1994—2019年間大興安嶺西麓植物生長季氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢，降水量變化不明顯；榆樹、小葉楊和紫丁香3種木本植物花芽開放期日序均呈減小趨勢，平均每10年分別減小1.9、0.7、4.5天，落葉末期日序均呈現(xiàn)顯著增大的趨勢，平均每10年分別增加9.6、7.5、8.5天，生長季長度均表現(xiàn)為增加趨勢，平均每10年增加11.6、8.3、11.1天。說明氣候變暖背景下，3種木本植物花芽開放期提前，落葉末期推遲，生長季長度增加；且推遲天數(shù)較花芽開放期提前天數(shù)更大，說明氣候變化對木本植物落葉末期影響更明顯，落葉末期對生長季長度增加的貢獻(xiàn)更大。

（2）大興安嶺西麓林牧交錯(cuò)帶木本植物物候期的變化主要是受氣溫的影響，與降水量關(guān)系不大。榆樹、小葉楊和紫丁香3種木本植物花芽開放期與4—5月和4月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是早春4月的氣溫對花芽開放期提前影響較大；落葉末期與4—10月的平均氣溫呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與降水量相關(guān)關(guān)系不明顯；3種木本植物生長季長度與4—10月平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平，與9—10月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與降水量關(guān)系不明顯。

（3）3種木本植物春季花芽開放期的提前對溫度上升的響應(yīng)是顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，落葉末期推后對溫度上升的響應(yīng)顯著正正相關(guān)關(guān)系，擬合方程的相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。

3.2 討論

（1）氣候變化對植物物候期的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，不同研究區(qū)域植物往往表現(xiàn)出不同的響應(yīng)機(jī)制。本研究中的3種木本植物的落葉末期與氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，落葉末期的推遲對生長季的延長作用更明顯，其原因可能有兩個(gè)方面，一是可能與不同的區(qū)域的小氣候或植物來源的地理變異有關(guān)，二是通過分析發(fā)現(xiàn)本文研究的區(qū)域氣候變暖的主要貢獻(xiàn)大小為冬季、秋季、春季和夏季，秋季氣溫的升高使得落葉末期推遲天數(shù)更長。

（2）氣候變化呈現(xiàn)暖干化發(fā)展使植物生長已經(jīng)適應(yīng)常年干旱的氣象條件，降水量的變化對植物物候期影響逐漸減弱。

（3）林草交錯(cuò)帶灌木物候期對氣候變化的響應(yīng)為線性關(guān)系，與黃珍珠等的研究結(jié)果呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系表現(xiàn)不一致，可能是區(qū)域氣候變化特點(diǎn)或植物物候特點(diǎn)存在差異所導(dǎo)致的，且不同物種物候變化趨勢的差異還與植物授粉類型、生活型、系統(tǒng)進(jìn)化及木材類型等有關(guān)。因此，有關(guān)植物物候期對氣候變化的響應(yīng)機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題，有待于進(jìn)一步研究和探討。