2002—2021年西藏中西部車前物候?qū)庀髼l件驅(qū)動的響應(yīng)

次旺，杜軍，晉美朗杰，王挺，扎西旺拉

（1西藏自治區(qū)氣候中心，拉薩 850001；2西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所/西藏高原大氣環(huán)境研究開放實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850001；3中國氣象局墨脫大氣水分循環(huán)綜合觀測野外科學(xué)試驗(yàn)基地，西藏墨脫 860700；4拉薩市氣象局，拉薩 850001）

0 引言

植物物候被視為全球氣候變化的“診斷指紋”[1]，是目前生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在全球氣候變化背景下，植物物候產(chǎn)生了明顯的變化。關(guān)于氣候變化對草地生態(tài)系統(tǒng)尤其是草本植物物候和生長發(fā)育的影響，國內(nèi)學(xué)者已做了大量的研究。郭文慧等[2]分析認(rèn)為，2000—2015年山東省蒲公英和車前草春季萌動與展葉總體表現(xiàn)為推遲的趨勢，且半島沿海站點(diǎn)表現(xiàn)更明顯。王貝貝等[3]研究指出，山西呂梁地區(qū)大部分植被生長季開始日期提前，植被生長季結(jié)束日期推遲。王冬妮等[4]認(rèn)為1980—2005年吉林省西部地區(qū)展葉期推遲，黃枯期提前，生長季縮短；中部地區(qū)基本無變化；東部地區(qū)展葉期提前，黃枯期推遲，生長季延長。Chen等[5]分析發(fā)現(xiàn)，1981—2011年青藏高原16個(gè)物種中有3 個(gè)物種返青期呈顯著提前趨勢，13 個(gè)物種返青期呈顯著推遲趨勢。郭連云等[6]分析表明，三江源高寒草地西北針茅返青期、抽穗期、成熟期和黃枯期均呈提前趨勢，牧草開花期呈延遲趨勢，生長期呈顯著縮短趨勢。韓炳宏等[7]研究表明，青藏高原的物候初始期變化總體表現(xiàn)為返青期和初花期提前、枯黃期推遲的趨勢，果實(shí)期則保持相對穩(wěn)定。劉鑫等[8]探討了高寒地區(qū)不同年際間草地植被物候期生長指標(biāo)的變化特征及其與氣象因子的關(guān)系?？锥萚9]利用最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量、太陽輻射等數(shù)據(jù)，運(yùn)用偏最小二乘法回歸研究了青藏高原物候變化的氣候成因，溫度對物候的影響占主導(dǎo)地位。Yao 等[10]研究指出，西風(fēng)與印度季風(fēng)2 個(gè)環(huán)流是控制青藏高原氣候與環(huán)境變化的決定性因素。西風(fēng)模態(tài)的植被返青期提前，印度季風(fēng)模態(tài)的植被返青期推后。

青藏高原植被物候地面觀測始于1980年初期，西藏物候地面觀測則更晚些，2001年才開始。目前針對西藏作物[11-14]、蘋果[15]物候變化已有研究，而西藏車前物候方面的研究鮮見報(bào)道。本研究選取西藏中西部的日喀則農(nóng)業(yè)氣象觀測站車前物候觀測數(shù)據(jù)和同期氣溫、降水、日照等氣象資料，分析2002—2021年車前物候期及生長季長度的變化特征，探討物候變化與氣象條件的關(guān)系，以期為氣候變化背景下青藏高原植被物候變化的機(jī)理研究提供支撐。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

西藏日喀則農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站位于日喀則市桑珠孜區(qū)，地處西藏中西部、雅魯藏布江與年楚河匯流處的沖積平原。該區(qū)屬高原溫帶季風(fēng)半干旱氣候，日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)烈。夏季雨水集中，冬季降雪稀少、晴天多。年日照時(shí)數(shù)3176.3 h，年太陽總輻射6836.6 MJ/m2；年平均氣溫6.8℃，氣溫年較差17.7℃；年極端最高氣溫29.0℃，年極端最低氣溫-25.1℃；≥0℃積溫2698.4℃·d；年降水量429.9 mm，日最大降水量53.5 mm，年蒸發(fā)量2102.1 mm，年平均相對濕度44%[16]。車前觀測地段在日喀則氣象觀測站大院（29°09′00″N，88°31′48″E，海拔3836.2 m），土壤為砂壤土。

1.2 數(shù)據(jù)來源

物候資料、氣象要素?cái)?shù)據(jù)來源于西藏自治區(qū)氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心。選取西藏日喀則農(nóng)業(yè)氣象觀測站2002—2021年車前的萌動期(germination date，GD)、展葉始期(first leaf expansion date，F(xiàn)LD)、開花盛期(common flowering date，CFD)、種子全熟期(seed full maturity date，SMD) 和黃枯普期(common leaf withering date，CWD)資料進(jìn)行分析。

氣象要素選取2002—2021 年日喀則逐月平均氣溫(Tm)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、相對濕度(RH)、降水量(Pr)和日照時(shí)數(shù)(S)等。

1.3 研究方法

1.3.1 物候觀測車前物候的觀測標(biāo)準(zhǔn)和方法均參照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[17]。

1.3.2 物候資料處理把展葉始期和黃枯普期分別作為車前生長季開始與結(jié)束的標(biāo)志，展葉始期到黃枯普期的持續(xù)天數(shù)作為生長季長度(length of growth season，LOS)。

1.3.3 傾向率及顯著性檢驗(yàn)車前物候期和氣象要素的傾向率采用線性回歸方程分析[18]，如式(1)。

式中，Y為物候期和氣象要素，t為時(shí)間（本研究為2002—2021 年），a0為常數(shù)項(xiàng)，a1為線性趨勢項(xiàng)，a1、a1×10 分別表示物候期和氣象要素每年和每10 年的變化趨勢。采用F檢驗(yàn)法對擬合的線性變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.10、P＜0.05、P＜0.01、P＜0.001)。

1.3.4 Pearson相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析各氣象要素與物候期及生長期長度的相關(guān)性，采用t 檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.5 偏最小二乘法(PLS)回歸PLS 方法兼具主成分分析和多元回歸分析的優(yōu)點(diǎn)，克服了眾多自變量間多元共線性問題，近年來在植被變化歸因中多有應(yīng)用[19]。本研究基于相關(guān)性分析結(jié)果，以車前的萌動期、展葉始期、開花盛期、種子全熟期和黃枯普期為因變量，構(gòu)建基于多個(gè)氣象要素的PLS模型。

此外，文中數(shù)據(jù)處理、分析和制圖均采用Excel 2007 軟件完成，并利用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[20]提供的PLS 方法進(jìn)行計(jì)算，分析影響日喀則車前物候期變化的主導(dǎo)氣象因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 車前物候期、生長期長度平均態(tài)特征

如表1 所示，2002—2021 年日喀則車前一般在2月上旬—3 月下旬開始萌動，平均萌動期(GD)為3 月10日，最早與最晚相差54 d；最早展葉始期(FLD)出現(xiàn)在2月下旬，最晚推遲到4月初，平均日期為3月17日；開花盛期(CFD)最早出現(xiàn)在5月初，最晚延遲至6月中旬，平均日期為5 月24 日，最早與最晚相差42 d；種子全熟期(SMD)年際間波動大，出現(xiàn)在9 月上旬—11 月上旬，最早、最晚時(shí)間相差65 d，平均日期為10 月13日；平均黃枯普期(CWD)為11 月15 日，最早和最遲相差37 d。車前平均生長季長度(LOS)為243 d，最長可達(dá)254 d，最短也有228 d，兩者相差26 d。

2.2 車前物候期和生長季長度的變化趨勢

從2002—2021 年日喀則車前各物候期和生長季長度的變化趨勢（表1）來看，車前各物候期均表現(xiàn)為顯著的推遲趨勢，平均每10 年推遲8.96～38.63 d(P＜0.05)，以SMD 推遲的最為明顯（圖1a，P＜0.001），其次是GD，為12.48 d/10 a(P＜0.001)，CFD推遲幅度最小。

圖1 2002—2021年日喀則車前種子全熟期和生長季長度的變化

從車前LOS變化趨勢來看（圖1b），年際間變化較大，2002—2021 年日喀則車前LOS線性趨勢傾向于延長，平均每10年延長1.03 d(P＞0.10)。其中，2002—2010年LOS呈顯著延長趨勢，為2.38 d/a(P＜0.05)；2011—2021年LOS趨于縮短，平均每年縮短1.33 d(P＜0.05)。

2.3 物候期與氣象因子的關(guān)系

首先采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析前期逐月氣象因子與日喀則車前各物候期的相關(guān)性，從通過顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)的氣象因子中，利用PLS 回歸方法得到標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)，選取其絕對值最大者作為影響物候期的主導(dǎo)氣象因子（表2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）日喀則車前GD不僅與當(dāng)年1月Tm和Tmin存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，還與上年10 月和當(dāng)年2月的RH呈顯著負(fù)相關(guān)。經(jīng)PLS 計(jì)算，確定當(dāng)年1 月Tmin是影響日喀則車前GD 變化的主導(dǎo)因子。如圖2a所示，如果1月Tmin每升高（降低）1℃，車前GD將提前（推遲）4.79 d。（2）上年10月Tmax和RH、11 月Tmax與車前FLD 存在顯著的正相關(guān)，當(dāng)年1 月Tm和Tmin也與FLD有著顯著的負(fù)相關(guān)；而影響FLD變化的主導(dǎo)因子同樣是當(dāng)年1月Tmin，若1月Tmin每升高（降低）1℃，車前FLD將提前（推遲）3.41 d（圖2b）。（3）日喀則車前CFD只與當(dāng)年3月S存在顯著負(fù)相關(guān)（圖2c），如果3月S每增加（減少）10 h，CFD將提早（推遲）4.44 d。（4）影響車前SMD、CWD變化的氣象因子相同，不僅與當(dāng)年8月RH呈顯著的負(fù)相關(guān)，還與當(dāng)年11月Tmax、Pr、RH和S存在顯著的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，影響車前SMD、CWD的主導(dǎo)因子分別是當(dāng)年11月RH和Tmax，其中前者為負(fù)效應(yīng)，若當(dāng)年11 月RH每增加1%，車前SMD 將提早（推遲）2.58 d（圖2d）；若11 月Tmax每升高（降低）1℃，車前CWD將推遲（提早）4.37 d（圖2e）。

圖2 2002—2021年日喀則車前物候期與主導(dǎo)氣象因子的點(diǎn)聚圖

表2 影響日喀則車前物候期的主要?dú)庀笠蜃?/p>

2.4 主導(dǎo)氣象因子的變化趨勢

從2002—2021 年影響日喀則車前物候主導(dǎo)氣象因子的變化趨勢來看，1 月Tmin呈降低趨勢（圖3a），降幅為0.48℃/10 a(P＞0.10)。3 月S和11 月RH均表現(xiàn)為減少趨勢，減幅分別為2.76 h/10 a（圖3b，P＞0.10）和8.44%/10 a（圖3c，P＜0.001）。而11 月Tmax趨于顯著升高趨勢（圖3d），平均每10 年升高1.08℃(P＜0.05)。綜上所述，2002—2021年西藏中西部1月Tmin降低、3月S和11月RH減少，以及11月Tmax顯著升高，是車前各物候推遲的主要原因。

圖3 2002—2021年影響日喀則車前物候期主導(dǎo)氣象因子的變化

3 結(jié)論與討論

（1）2002—2021 年西藏中西部車前物候期年際間波動大，最早與最晚相差37～65 d，以種子全熟期(SMD)最為明顯。平均萌動期(GD)、展葉始期(FLD)和黃枯普期(CWD)分別為3月10日、3月17日和11月15日，平均生長季長度(LOS)為243 d。與青海地區(qū)數(shù)據(jù)[21]比較，西藏中西部車前GD 偏早15～31 d，CWD 偏晚16～51 d，LOS偏長28～93 d。

（2）2002—2021 年西藏中西部車前春季和秋季物候期均表現(xiàn)為顯著的推遲趨勢，平均每10 年推遲8.96～38.63 d，以SMD 推遲的最為明顯。LOS呈弱的延長趨勢，平均每10 年延長1.03 d。而青海車前春季物候期提早、秋季物候期推遲[21]。車前草GD、FLD 在山東大部分站點(diǎn)表現(xiàn)為推遲[2]，這與本研究結(jié)論一致。

（3）2002—2021年西藏中西部1月Tmin降低、3月S和11月RH減少，以及11月Tmax顯著升高，是車前各物候推遲的主要原因。若1 月Tmin降低1℃，車前GD 和FLD將分別推遲4.79 d和3.41 d；3月S減少10 h，CFD將推遲4.44 d；11 月RH減少1%，SMD 將推遲2.58 d；同樣，若11月Tmax升高1℃，車前CWD將推遲4.37 d。