大興安嶺東麓旱柳和家燕物候期對氣候變暖的響應(yīng)

王彥平，有 思，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)蒙古赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

物候?qū)W(Phenology)是研究自然界的植物（包括農(nóng)作物）、動(dòng)物和環(huán)境條件（氣候、水文和土壤條件）周期變化及其相互關(guān)系的科學(xué)［1-2］。物候?qū)W的研究目標(biāo)是通過對物候與相應(yīng)氣候資料的相關(guān)分析，了解氣候變化對動(dòng)植物的影響以及自然環(huán)境季節(jié)的變化規(guī)律，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究服務(wù)［3］。

在當(dāng)前全球氣候變化背景下，作物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)及其模擬已成為國際和國內(nèi)研究的熱點(diǎn)［4-5］。有學(xué)者利用長時(shí)間序列的物候觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)升溫對物候變化具有顯著影響，作物各物候期的發(fā)生日期與其前期氣溫變化顯著相關(guān)［6-8］，如生長季前期氣溫的升高使作物播期提前和生育期縮短［9］。隨著氣候變暖，植物的物候期發(fā)生了明顯變化，持續(xù)升溫使中國大部分地區(qū)木本植物的春季物候期提前，秋季物候期推遲，生長季呈延長趨勢［10?19］；國際物候園觀測資料表明，北美、歐洲、地中海等地的木本植物物候期也出現(xiàn)了類似的自然現(xiàn)象［20?23］。全球乃至中國的木本植物物候表現(xiàn)出協(xié)同變化的特征，同時(shí)也存在區(qū)域差異。在春季物候期普遍提前的情況下，中國西南地區(qū)東部、長江中下游地區(qū)［24］及科爾沁沙地［25］也存在春季物候期推遲的現(xiàn)象。特別是在氣候變化敏感區(qū)，動(dòng)植物物候的適應(yīng)能力表現(xiàn)更為脆弱。例如，甘肅黃土高原的冬小麥、梨樹、蘋果樹春季物候期普遍提前［26］，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和30 d［27］；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［28］。

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國北方典型的氣候變化敏感區(qū)，近30 a來，氣溫上升速率為0.52 ℃/10 a［29-30］。有關(guān)該區(qū)域物候期與氣候變化的關(guān)系，也有相關(guān)報(bào)道。高亞敏等［31］研究顯示，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了0.67 d，生長季每年縮短了0.53 d；楊麗萍等［32］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)出提前的趨勢，且落葉末期的提前幅度較大，分別平均提前了2.9、3.6和4.6 d/10 a，同時(shí)生長季逐漸縮短，平均生長季為182 d。內(nèi)蒙古大興安嶺東麓是大興安嶺與松遼平原的過渡地帶，面積約400萬hm2，海拔為100~300 m，屬于溫暖半濕潤氣候區(qū)，氣溫較高，降水較多，光照充足，雨熱同季，為林業(yè)—牧業(yè)—農(nóng)業(yè)交錯(cuò)帶，動(dòng)植物資源豐富，也是對氣候變化反應(yīng)較敏感的典型區(qū)域［33-34］。內(nèi)蒙古呼倫貝爾市扎蘭屯農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測站位于大興安嶺東麓林農(nóng)交錯(cuò)帶，是國家二級農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測站，自1985 年開始進(jìn)行物候期觀測，1995年后逐步趨于完善，至今已積累了近30 a的連續(xù)物候觀測資料，但是這一區(qū)域動(dòng)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玉米、大豆等農(nóng)作物生長和產(chǎn)量的影響研究。本研究選取了該區(qū)域典型植物旱柳和典型動(dòng)物家燕1995—2020 年間完整的物候觀測資料作為研究材料，分析了大興安嶺東麓氣候變化特征、物候變化特征以及物候時(shí)氣候變化的響應(yīng)，揭示了全球氣候變暖背景下，區(qū)域氣候變化對大興安嶺東麓典型動(dòng)植物物候的影響，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物種植、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了理論依據(jù)，對豐富農(nóng)業(yè)物候的研究具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究資料

由于旱柳(Salix matsudana Koidz)展葉始期與當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物玉米、大豆適宜播種期接近，具有一定的借鑒作用［35］，因此，本文選用的春季物候期是植物旱柳的展葉始期，動(dòng)物觀測資料選擇連續(xù)性較好的動(dòng)物家燕(Hirundo rustica)為分析對象，并對其始見期進(jìn)行分析。上文所選的物候期資料均采用呼倫貝爾市扎蘭屯農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測站的觀測資料，研究區(qū)的旱柳和家燕分布范圍較廣、物候現(xiàn)象較為明顯、易于觀測，能夠反映大興安嶺東麓春季的自然物候。由于扎蘭屯農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測站屬于扎蘭屯市氣象局，兩地相距17 km，氣候條件差異性較小，因此本研究氣象資料選擇使用扎蘭屯氣象局常規(guī)氣象觀測資料。

1.2 研究方法

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；計(jì)算每個(gè)物候序列物候期提前最早的典型年份某段時(shí)間平均氣溫相對于26 a（1995—2020年）某段時(shí)間平均氣溫的距平值；采用多元回歸方法建立物候期差異天數(shù)與平均氣溫差異的回歸模型；為了分析積溫對家燕始見期的影響，統(tǒng)計(jì)了每年1 月1 日至家燕平均始見期≥5 ℃和≥10 ℃的有效積溫［31］；氣候特征和物候期特征采用氣候傾向率方法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 1995—2020年大興安嶺東麓氣溫變化特征分析

由圖1可知，1995—2020 年間大興安嶺東麓年平均氣溫呈現(xiàn)微弱上升趨勢，傾向率為0.01 ℃/10 a；最高值出現(xiàn)在2007年（5.3 ℃），最低值出現(xiàn)在2010年（2.8 ℃）；2015—2020年間年平均氣溫波動(dòng)性明顯。

圖1 1995—2020 年大興安嶺東麓年平均氣溫變化趨勢

2.2 1995—2020年旱柳和家燕物候期變化特征分析

由表1可知，1995—2020年間大興安嶺東麓旱柳展葉始期最早出現(xiàn)在4月25日（2014年），最晚出現(xiàn)在5月12日（2012年），相差17 d，平均出現(xiàn)日期為5月6日；家燕始見期最早出現(xiàn)在4月18日（2016年），最晚出現(xiàn)在6月13日（2010年），相差56 d，平均出現(xiàn)日期為5月14日。通過對旱柳展葉始期和家燕始見期變化特征進(jìn)行分析，旱柳展葉始期日序(圖2a)和家燕始見期日序(圖2b)均呈減小趨勢，分別平均減小1.1和6.9 d/10 a，且家燕始見期日序呈減小趨勢。

表1 1995—2020年大興安嶺東麓動(dòng)植物物候期統(tǒng)計(jì)

圖2 1995—2020年大興安嶺東麓旱柳和家燕物候期變化趨勢

2.3 氣溫變化對旱柳和家燕物候期的影響

由表2可知，1995—2020年間旱柳展葉始期、家燕始見期與該時(shí)段平均氣溫均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著春季氣溫的升高，有效積溫的增加，動(dòng)植物物候期均提前；其中旱柳展葉始期與4月份平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，家燕始見期與1月1日至平均始見期≥5 ℃、≥10 ℃有效積溫呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與≥10 ℃有效積溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系更明顯。

表2 1995—2020年旱柳展葉始期、家燕始見期與溫度之間的相關(guān)系數(shù)

2.4 旱柳和家燕物候期對溫度變化的響應(yīng)模式

2.4.1 旱柳物候期對溫度變化的響應(yīng)模式 以1995—2020年間4月份平均氣溫為自變量建立旱柳物候期對溫度的響應(yīng)模式。選取旱柳展葉始期最早的2014 年為典型年，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代表旱柳展葉始期差異天數(shù)（本研究為典型年展葉始期減去常年展葉始期的平均值），對旱柳展葉始期與4月平均氣溫之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立物候期差異(y)與4 月平均氣溫差異(x)的擬合方程，如圖3所示，物候期對4月平均氣溫變化呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 2014年大興安嶺東麓旱柳展葉始期差異與4月份平均氣溫差異的關(guān)系

2.4.2 家燕物候期對溫度變化的響應(yīng)模式 以1995—2020年間≥10 ℃的有效積溫為自變量建立家燕物候期對溫度的響應(yīng)模式。選取家燕始見期最早的2016年為典型年，設(shè)自變量x為典型年1月1日至家燕始見期≥10 ℃有效積溫減1月1 日至家燕始見期平均日期≥10 ℃有效積溫的平均值，因變量y代表家燕始見期差異天數(shù)（即典型年始見期減去常年始見期的平均值），對家燕始見期與≥10 ℃有效積溫之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立物候期差異(y)與≥10 ℃有效積溫差異(x)的擬合方程，如圖4所示，物候期對≥10 ℃有效積溫的變化呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平。

圖4 2016年大興安嶺東麓家燕始見期差異與＞10 ℃有效積溫差異的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）1995—2020 年間大興安嶺東麓年平均氣溫微弱上升，氣候呈現(xiàn)變暖趨勢，2015—2020年間年平均氣溫波動(dòng)明顯。

（2）1995—2020 年間旱柳展葉始期和家燕始見期均呈提前趨勢，且在氣候變暖背景下，家燕物候期對氣候變暖的響應(yīng)更為明顯。

（3）木本植物旱柳春季展葉始期的年際波動(dòng)與4月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，家燕始見期與1月1日至平均始見期期間≥5 ℃和≥10 ℃有效積溫呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且與≥10 ℃有效積溫負(fù)相關(guān)關(guān)系更大。

3.2 討論

（1）1995—2013年間，旱柳展葉始期和家燕始見期基本呈協(xié)同變化的特征，但在2014和2016年，兩者出現(xiàn)了很大差異，其原因主要是由于木本植物展葉期除受溫度影響之外，還受前期降水的影響，2016年旱柳展葉前期降水量較2014年同期多20.8 mm，降水增多常伴隨著氣溫的下降及日照時(shí)數(shù)的減少，因而造成旱柳物候期推遲，且這種影響是不規(guī)律的，但降水對家燕物候期的影響表現(xiàn)不明顯。由此可見，氣候條件對動(dòng)植物物候期的影響是多方面且復(fù)雜的。

（2）上述研究表明，大興安嶺東麓典型動(dòng)植物物候期已經(jīng)對過去近30 a的氣候變暖發(fā)生了顯著的響應(yīng)，旱柳和家燕物候期提前，且家燕物候期變化對氣候變暖的響應(yīng)更為明顯。旱柳和家燕物候期的提前對溫度上升的響應(yīng)均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與黃珍珠等［3］的研究結(jié)論不一致，可能是由于區(qū)域氣候變化特點(diǎn)或動(dòng)植物物候特點(diǎn)存在差異所導(dǎo)致的。

（3）按照高濤等［36］對氣候變化情景的預(yù)估結(jié)果可知，大興安嶺東麓作物生長季增溫幅度最大，4種模擬結(jié)果預(yù)計(jì)未來3個(gè)10 a的平均增溫幅度分別為1.0、1.2 和2.1 ℃，因此，該地區(qū)氣候持續(xù)變暖所導(dǎo)致的物候變化及由此產(chǎn)生的生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)等一系列問題值得進(jìn)一步探討。

（4）由于欠缺研究區(qū)域氣候情景數(shù)據(jù)對影響動(dòng)植物物候期的主要因素的預(yù)估，因此本研究只分析了過去30 a來自然物候?qū)夂蜃兣捻憫?yīng)，關(guān)于對未來氣候變化的響應(yīng)以及溫度、降水和日照等綜合因素的影響模式還有待進(jìn)一步研究。