王冬妮 唐曉玲 廉毅 崔佳龍 杜春英 紀(jì)仰慧

(吉林省氣象科學(xué)研究所，長(zhǎng)春，130062) (黑龍江省氣象科學(xué)研究所)

植被與氣候的關(guān)系非常密切，植被物候可作為氣候變化的指示器，為氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響提供最有效和最直接的證據(jù)。氣候變暖通過(guò)引起植物物候生長(zhǎng)季節(jié)的變化，從而改變植物光合作用和呼吸作用期間的長(zhǎng)度，進(jìn)而影響全球植物-大氣間季節(jié)性碳循環(huán)的格局[1-3]。因此，在全球氣候增暖的背景下，物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究已成為生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)。

近幾十年來(lái)，歐洲、北美和亞洲一些植物的春季物候呈顯著提前的趨勢(shì)，秋季物候呈顯著推遲的趨勢(shì)[1，4-6]。在影響植物物候發(fā)生期的環(huán)境因子方面，大部分研究表明，樹(shù)木的物候發(fā)生期主要受到前期氣溫的控制[7-11]，在我國(guó)北京地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了極端最高氣溫、極端最低氣溫對(duì)物候的影響[12-13]。雖然觀測(cè)到的春秋季物候變化趨勢(shì)較為一致，但種間、區(qū)域間存在明顯差異[8，14-16]，黃土高原半干旱氣候區(qū)榆樹(shù)芽開(kāi)放期提前趨勢(shì)達(dá)1 d/a，而科爾沁沙地小葉楊展葉期較常年變化不顯著。從前人的研究結(jié)果看，物候期變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的區(qū)域性特征，表現(xiàn)在影響植物物候的主要?dú)庀笠蜃印⒂绊憰r(shí)段和影響程度等方面。以往對(duì)長(zhǎng)白山區(qū)域的物候研究，主要采用遙感方法[17-20]，缺少覆蓋范圍廣、時(shí)間序列長(zhǎng)的植物物候的研究。

長(zhǎng)白山地處東亞大陸邊緣，是氣候關(guān)鍵區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱帶。該區(qū)域植被帶垂直分異明顯，類(lèi)型多樣，對(duì)東北亞地區(qū)的生態(tài)平衡具有重要作用。探索該區(qū)域植物物候與氣候變化的關(guān)系，對(duì)于大尺度生長(zhǎng)季節(jié)動(dòng)態(tài)、植被生產(chǎn)力及氣候變化的響應(yīng)與反饋等方面具有重要的意義。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，氣象部門(mén)開(kāi)展了規(guī)范的物候觀測(cè)，為物候研究提供了可靠的資料。本文利用長(zhǎng)白山區(qū)地面物候觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合同期氣象數(shù)據(jù)，分析3種典型落葉喬木物候期對(duì)氣候增暖的響應(yīng)，以期為掌握長(zhǎng)白山區(qū)典型落葉喬木主要物候變化特征，揭示物候?qū)夂蛟雠兓捻憫?yīng)規(guī)律，從而為認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)物候變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制及氣候變化研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

狹義的長(zhǎng)白山是指長(zhǎng)白山主脈和主峰，位于吉林省東南部的中朝兩國(guó)界山，中國(guó)境內(nèi)最高峰白云峰海拔2 691 m，是中國(guó)東北地區(qū)的最高峰。廣義的長(zhǎng)白山是指長(zhǎng)白山脈，中國(guó)遼寧、吉林、黑龍江三省東部山區(qū)的總稱(chēng)。本文所研究區(qū)域?yàn)榧质|部的長(zhǎng)白山區(qū)，主要包括延邊朝鮮族自治州、白山市、通化市、吉林市等4個(gè)市(州)。該區(qū)域喬木樹(shù)種以紅松(LarixpotaniniiBatalin)、云杉(PiceaasperataMast.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、榆(Ulmuspumila)、楊(PopulusL.)、樺木(Betula)等較為常見(jiàn)。在物候觀測(cè)時(shí)段內(nèi)(1981—2009年)，該區(qū)域年平均氣溫為5.1 ℃，1月份全年最冷，平均氣溫-15.3 ℃，7月份最熱，平均氣溫21.5 ℃。年降水量為697.2 mm，其中6—8月份降水量占全年降水量的62%。

2 研究方法

2.1 資料來(lái)源

本文所用物候數(shù)據(jù)來(lái)自吉林省氣象部門(mén)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站。按照觀測(cè)序列長(zhǎng)、連續(xù)性較好、覆蓋面廣、代表性強(qiáng)的原則，選擇吉林省東部長(zhǎng)白山區(qū)6個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2009年觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇榆樹(shù)(Ulmuspumila)、小葉楊(Populussimonii)、加拿大楊(Populuscanadensis)、杏樹(shù)(Prunusarmeniaca)等的物候資料(見(jiàn)表1)，這些樹(shù)種是當(dāng)?shù)剌^為常見(jiàn)，指示性強(qiáng)，對(duì)季節(jié)變化反映明顯的典型落葉喬木；選用的物候期為展葉始期、展葉盛期、葉黃末期、落葉末期等。氣象數(shù)據(jù)選取1981—2009年長(zhǎng)白山區(qū)25個(gè)氣象站日平均氣溫。

表1 物候站點(diǎn)的地理信息及觀測(cè)的植物

2.2 物候日期及影響因子

物候期的確定：物候日期均采用年日序的表示方法，即自1月1日至該日期的時(shí)間，得到各物候期的時(shí)間序列。將平均氣溫日值處理為旬值、季值、年值。將長(zhǎng)白山區(qū)6個(gè)觀測(cè)站3種典型落葉喬木物候觀測(cè)值進(jìn)行平均，代表該區(qū)域平均物候期。采用excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、時(shí)間趨勢(shì)圖繪制及線性?xún)A向估計(jì)，采用SPSS 19統(tǒng)計(jì)軟件中雙變量相關(guān)分析、一元線性回歸方法進(jìn)行物候期與溫度因子的關(guān)系及物候期對(duì)氣候增暖的響應(yīng)分析。

物候及溫度的逐年變化趨勢(shì)：采用線性?xún)A向估計(jì)方法，計(jì)算物候及溫度的逐年變化趨勢(shì)公式為：y=a+bx。式中，y為物候期或溫度值，x為時(shí)間，a為常數(shù)，b為回歸系數(shù)(即傾向率)，將b值擴(kuò)大10倍，即每10 a的變化值。a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，對(duì)回歸方程的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，通過(guò)0.01以上水平檢驗(yàn)，判斷趨勢(shì)變化極顯著；通過(guò)0.05以上水平檢驗(yàn)，判斷趨勢(shì)變化顯著。

影響物候期的主要溫度因子：按照積溫學(xué)說(shuō)，植物發(fā)育期出現(xiàn)與一定的溫度累積值有關(guān)，而這種溫度是從影響作物生育的下限溫度以上累積的，當(dāng)某一天溫度處于下限溫度以下時(shí)，則這天的積溫為零。本文選取0、5、10 ℃三個(gè)界限溫度，先按五日滑動(dòng)平均法求算各站歷年穩(wěn)定通過(guò)界限溫度初日，從界限溫度初日開(kāi)始累加不低于界限溫度的日平均氣溫至物候期前一日，得到各站歷年春季物候期出現(xiàn)前≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃積溫。積寒多用于寒害評(píng)價(jià)，是低于界限溫度的虧缺累積值，首先檢索出各站歷年9月1日(9月1日前日平均氣溫均大于10 ℃)至秋季物候期出現(xiàn)前一日低于界限溫度日序，依據(jù)日序計(jì)算界限溫度與日平均溫度之差得到單日虧缺值，最后累加得到各站歷年秋季物候期出現(xiàn)前≤0 ℃、≤5 ℃、≤10 ℃的積寒。計(jì)算各站春季、秋季物候期序列與積溫、積寒序列相關(guān)系數(shù)，篩選相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05以上顯著性水平的影響因子作為影響物候期的主要溫度因子。

溫度影響物候期的最優(yōu)時(shí)段：研究物候期對(duì)溫度響應(yīng)的敏感度，需要確定影響物候期的最優(yōu)時(shí)段。大量研究表明，物候期通常與前一段時(shí)間內(nèi)的氣溫顯著相關(guān)。本文以旬為步長(zhǎng)，分別計(jì)算平均物候期所在旬的前N旬平均氣溫與物候期的相關(guān)系數(shù)(N取1～6的整數(shù))，選擇相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，且通過(guò)顯著性0.05以上水平檢驗(yàn)的那一時(shí)段，作為影響物候期的最優(yōu)時(shí)段[8]。

物候期對(duì)溫度變化響應(yīng)：物候期對(duì)氣候響應(yīng)可由物候期前期氣溫對(duì)物候的線性回歸系數(shù)表征[21-22]。本文采用一元線性回歸法，自變量為物候期序列，因變量為影響物候期的最優(yōu)時(shí)段平均氣溫，得到回歸方程。對(duì)回歸方程的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，通過(guò)0.05以上水平檢驗(yàn)，則物候期對(duì)溫度變化響應(yīng)顯著，回歸系數(shù)為當(dāng)溫度變化1 ℃時(shí)物候期的變化天數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)白山區(qū)溫度時(shí)間變化特征

由圖1可知，1981—2009年氣溫分兩個(gè)明顯階段，1994年以前為低值期，多數(shù)年份氣溫低于平均值，1994年以后為高值期，多數(shù)年份氣溫高于平均值。本文所研究的物候期始于1981年，正是氣溫由冷轉(zhuǎn)暖，并持續(xù)增暖的時(shí)期。

由表2可知，1981—2009年，年、季平均氣溫傾向率均為正值，說(shuō)明年、季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)。從傾向率數(shù)值上看，秋季的>冬季的>年的>春季的>夏季的，說(shuō)明長(zhǎng)白山地區(qū)，秋、冬季節(jié)增溫趨勢(shì)較春、夏季大，其中年平均氣溫和秋季氣溫傾向率通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)，增溫趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平，冬、春、夏季氣溫傾向率未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P>0.05)，增溫趨勢(shì)不顯著。長(zhǎng)白山地區(qū)增溫趨勢(shì)與文獻(xiàn)[23]的結(jié)果一致，但不同的是在長(zhǎng)白山地區(qū)四個(gè)季節(jié)中增溫最顯著的是秋季。

表2 1981—2009年長(zhǎng)白山區(qū)平均氣溫傾向率

3.2 物候期空間分布特征

由表3可知，長(zhǎng)白山區(qū)物候期大致呈經(jīng)向分布。春季物候由北向南逐漸提前，秋季物候由北向南逐漸推后。展葉始期集中在4月下旬—5月上旬，展葉盛期集中在5月上旬—5月中旬。集安的小葉楊展葉最早，為4月24日，敦化的榆樹(shù)展葉最晚，為5月8日，兩者相差14 d。葉黃末期集中在10月中旬，落葉末期集中在10月下旬。葉黃末期，梅河口的榆樹(shù)最晚，為10月21日，敦化的榆樹(shù)和小葉楊最早，為10月10日，兩者相差11 d。落葉末期，梅河口的榆樹(shù)最晚，為11月1日，敦化的榆樹(shù)和小葉楊最早，為10月18日，兩者相差14 d?？偟膩?lái)看，緯度和海拔越高的地區(qū)，春季物候期越晚，秋季物候期越早。

表3 各物候期多年平均日期

3.3 物候期時(shí)間變化與季節(jié)溫度的關(guān)系

3.3.1 物候期時(shí)間變化趨勢(shì)

根據(jù)各站物候期變化傾向率，本文所研究的7個(gè)樣本中，展葉始期有5個(gè)樣本傾向率為負(fù)值，其中梅河口的榆樹(shù)、通化縣的加拿大楊2個(gè)樣本通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)；展葉盛期有6個(gè)樣本傾向率為負(fù)值，其中梅河口的榆樹(shù)、通化縣的加拿大楊2個(gè)樣本通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。葉黃末期傾向率為正值的有6個(gè)樣本，其中樺甸的榆樹(shù)、通化縣的加拿大楊、延吉的杏樹(shù)3個(gè)樣本達(dá)到0.01顯著性水平；落葉末期傾向率為正值的有5個(gè)樣本，其中敦化的榆樹(shù)和小葉楊、樺甸的榆樹(shù)、通化縣的加拿大楊和延吉的杏樹(shù)5個(gè)樣本均達(dá)到0.05以上顯著性水平?？梢?jiàn)，該區(qū)域春季物候期有提前趨勢(shì)，但多數(shù)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；秋季物候有推后趨勢(shì)，約一半以上樣本達(dá)到顯著水平。與文獻(xiàn)[1]中全國(guó)木本植物春/夏季物候期(展葉始期、開(kāi)花始期)提前趨勢(shì)比例高于秋季物候期(葉始變色期、葉全變色期)推遲趨勢(shì)略有差異，這可能是由于氣候增暖的特征不同。

由圖2可知，展葉始期、展葉盛期的傾向率均為負(fù)值，但未通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)。葉黃末期、落葉末期的傾向率均為正值，且通過(guò)了0.01顯著性水平檢驗(yàn)。說(shuō)明長(zhǎng)白山區(qū)春季平均物候期有不顯著的提前趨勢(shì)，秋季平均物候期有極顯著的推后趨勢(shì)。

3.3.2 物候期與氣溫關(guān)系

由表4可知，春季物候期與春季平均氣溫、年平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明春季平均氣溫、年平均氣溫增加可導(dǎo)致春季物候期提前；秋季物候期與秋季平均氣溫、年平均氣溫呈顯著正相關(guān)，秋季平均氣溫、年平均氣溫增加可導(dǎo)致秋季物候期推后。

表4 區(qū)域木本植物物候期與各季節(jié)相關(guān)系數(shù)

3.4 春季物候?qū)囟茸兓捻憫?yīng)

3.4.1 影響春季物候的溫度因子及最優(yōu)時(shí)段

通過(guò)分析各站每種植物春季物候期與≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃積溫的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)站展葉始期、展葉盛期與≥0 ℃、≥5 ℃積溫之間存在顯著線性關(guān)系，與≥10 ℃積溫線性關(guān)系不顯著。說(shuō)明標(biāo)志著農(nóng)事活動(dòng)開(kāi)始溫度0 ℃對(duì)本研究的3種典型落葉喬木春季展葉有重要影響?？紤]到春季物候同步性和計(jì)算量，以展葉始期為例，分析溫度影響的最優(yōu)時(shí)段。

由表5可見(jiàn)，展葉始期與前期平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中3月上旬—4月中旬的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，因此，確定影響展葉始期的最優(yōu)時(shí)段是3月上旬—4月中旬。

表5 展葉始期與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

3.4.2 春季物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

由圖3可以看出，長(zhǎng)白山區(qū)典型落葉喬木展葉始期與3月上旬—4月中旬氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，該時(shí)段氣溫每上升1 ℃，展葉始期提前2.41 d。

3.5 秋季物候?qū)囟茸兓捻憫?yīng)

3.5.1 影響秋季物候的溫度因子及最優(yōu)時(shí)段

通過(guò)分析各站每種植物秋季物候期與≤0 ℃、≤5 ℃、≤10 ℃積寒的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)站葉黃末期、落葉末期與≤10 ℃積寒存在顯著線性關(guān)系，與≤0 ℃、≤5 ℃積寒線性相關(guān)不顯著。說(shuō)明在植物生長(zhǎng)期，10 ℃以下的溫度與葉黃、落葉有密切關(guān)系。文獻(xiàn)[24]指出，秋季植物物候現(xiàn)象主要決定于一定的界限溫度的短期作用，往往是氣溫降到一定指標(biāo)而引起的。文獻(xiàn)[24]中涉及的是秋季物候的始期，而本研究用的是秋季物候末期，因此，影響的因子不同。

以葉黃末期為例，分析溫度影響秋季物候期最優(yōu)時(shí)段。由表6可知，葉黃末期與前期平均氣溫呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中9月中旬—10月上旬的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，因此，確定影響葉黃末期的最優(yōu)時(shí)段是9月中旬—10月上旬。

表6 葉黃末期與平均氣溫相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

3.5.2 秋季物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

由圖4中可知，長(zhǎng)白山區(qū)典型落葉喬木葉黃末期與9月中旬—10月上旬氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，該時(shí)段氣溫每上升1 ℃，葉黃末期推后2.38 d。

4 結(jié)論

1981—2009年，在以秋季增暖為主要特征的長(zhǎng)白山區(qū)，春季平均物候期提前趨勢(shì)不顯著，秋季平均物候期以0.304～0.307 d/a的速度呈極顯著推后趨勢(shì)，物候的變化趨勢(shì)與季節(jié)氣溫增暖趨勢(shì)一致。影響春季物候的主要溫度因子是≥0 ℃的積溫，影響秋季物候的主要溫度因子是≤10 ℃的積寒，春、秋兩季的物候現(xiàn)象均受溫度累積效應(yīng)的影響。3月上旬—4月中旬氣溫是影響春季物候展葉始期的最優(yōu)時(shí)段，該時(shí)段氣溫每上升1 ℃，展葉始期提前2.41 d。9月中旬—10月上旬的氣溫是影響秋季物候葉黃末期的最優(yōu)時(shí)段，該時(shí)段氣溫每上升1 ℃，葉黃末期推后2.38 d。受資料限制，本文僅對(duì)長(zhǎng)白山區(qū)6個(gè)站點(diǎn)的物候與氣候增暖的關(guān)系進(jìn)行了分析，其結(jié)果的穩(wěn)定性、通用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。