气候增暖对3种典型落叶乔木物候的影响1)
——以长白山区为例

王冬妮 唐晓玲 廉毅 崔佳龙 杜春英 纪仰慧

(吉林省气象科学研究所，长春，130062) (黑龙江省气象科学研究所)

植被与气候的关系非常密切，植被物候可作为气候变化的指示器，为气候变化对生态系统的影响提供最有效和最直接的证据。气候变暖通过引起植物物候生长季节的变化，从而改变植物光合作用和呼吸作用期间的长度，进而影响全球植物-大气间季节性碳循环的格局[1-3]。因此，在全球气候增暖的背景下，物候对气候变化的响应研究已成为生态学和气象学关注的焦点。

近几十年来，欧洲、北美和亚洲一些植物的春季物候呈显著提前的趋势，秋季物候呈显著推迟的趋势[1，4-6]。在影响植物物候发生期的环境因子方面，大部分研究表明，树木的物候发生期主要受到前期气温的控制[7-11]，在我国北京地区、内蒙古地区也发现了极端最高气温、极端最低气温对物候的影响[12-13]。虽然观测到的春秋季物候变化趋势较为一致，但种间、区域间存在明显差异[8，14-16]，黄土高原半干旱气候区榆树芽开放期提前趋势达1 d/a，而科尔沁沙地小叶杨展叶期较常年变化不显著。从前人的研究结果看，物候期变化呈现较强的区域性特征，表现在影响植物物候的主要气象因子、影响时段和影响程度等方面。以往对长白山区域的物候研究，主要采用遥感方法[17-20]，缺少覆盖范围广、时间序列长的植物物候的研究。

长白山地处东亚大陆边缘，是气候关键区和生态环境脆弱带。该区域植被带垂直分异明显，类型多样，对东北亚地区的生态平衡具有重要作用。探索该区域植物物候与气候变化的关系，对于大尺度生长季节动态、植被生产力及气候变化的响应与反馈等方面具有重要的意义。20世纪80年代开始，气象部门开展了规范的物候观测，为物候研究提供了可靠的资料。本文利用长白山区地面物候观测数据，并结合同期气象数据，分析3种典型落叶乔木物候期对气候增暖的响应，以期为掌握长白山区典型落叶乔木主要物候变化特征，揭示物候对气候增暖变化的响应规律，从而为认识气候变化对物候变化驱动机制及气候变化研究提供参考。

1 研究区概况

狭义的长白山是指长白山主脉和主峰，位于吉林省东南部的中朝两国界山，中国境内最高峰白云峰海拔2 691 m，是中国东北地区的最高峰。广义的长白山是指长白山脉，中国辽宁、吉林、黑龙江三省东部山区的总称。本文所研究区域为吉林省东部的长白山区，主要包括延边朝鲜族自治州、白山市、通化市、吉林市等4个市(州)。该区域乔木树种以红松(LarixpotaniniiBatalin)、云杉(PiceaasperataMast.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、榆(Ulmuspumila)、杨(PopulusL.)、桦木(Betula)等较为常见。在物候观测时段内(1981—2009年)，该区域年平均气温为5.1 ℃，1月份全年最冷，平均气温-15.3 ℃，7月份最热，平均气温21.5 ℃。年降水量为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 资料来源

本文所用物候数据来自吉林省气象部门的农业气象观测站。按照观测序列长、连续性较好、覆盖面广、代表性强的原则，选择吉林省东部长白山区6个农业气象观测站1981—2009年观测数据，选择榆树(Ulmuspumila)、小叶杨(Populussimonii)、加拿大杨(Populuscanadensis)、杏树(Prunusarmeniaca)等的物候资料(见表1)，这些树种是当地较为常见，指示性强，对季节变化反映明显的典型落叶乔木；选用的物候期为展叶始期、展叶盛期、叶黄末期、落叶末期等。气象数据选取1981—2009年长白山区25个气象站日平均气温。

表1 物候站点的地理信息及观测的植物

2.2 物候日期及影响因子

物候期的确定：物候日期均采用年日序的表示方法，即自1月1日至该日期的时间，得到各物候期的时间序列。将平均气温日值处理为旬值、季值、年值。将长白山区6个观测站3种典型落叶乔木物候观测值进行平均，代表该区域平均物候期。采用excel 2016进行数据处理、时间趋势图绘制及线性倾向估计，采用SPSS 19统计软件中双变量相关分析、一元线性回归方法进行物候期与温度因子的关系及物候期对气候增暖的响应分析。

物候及温度的逐年变化趋势：采用线性倾向估计方法，计算物候及温度的逐年变化趋势公式为：y=a+bx。式中，y为物候期或温度值，x为时间，a为常数，b为回归系数(即倾向率)，将b值扩大10倍，即每10 a的变化值。a和b用最小二乘法进行估计，对回归方程的相关系数进行显著性检验，通过0.01以上水平检验，判断趋势变化极显著；通过0.05以上水平检验，判断趋势变化显著。

影响物候期的主要温度因子：按照积温学说，植物发育期出现与一定的温度累积值有关，而这种温度是从影响作物生育的下限温度以上累积的，当某一天温度处于下限温度以下时，则这天的积温为零。本文选取0、5、10 ℃三个界限温度，先按五日滑动平均法求算各站历年稳定通过界限温度初日，从界限温度初日开始累加不低于界限温度的日平均气温至物候期前一日，得到各站历年春季物候期出现前≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃积温。积寒多用于寒害评价，是低于界限温度的亏缺累积值，首先检索出各站历年9月1日(9月1日前日平均气温均大于10 ℃)至秋季物候期出现前一日低于界限温度日序，依据日序计算界限温度与日平均温度之差得到单日亏缺值，最后累加得到各站历年秋季物候期出现前≤0 ℃、≤5 ℃、≤10 ℃的积寒。计算各站春季、秋季物候期序列与积温、积寒序列相关系数，筛选相关系数达到0.05以上显著性水平的影响因子作为影响物候期的主要温度因子。

温度影响物候期的最优时段：研究物候期对温度响应的敏感度，需要确定影响物候期的最优时段。大量研究表明，物候期通常与前一段时间内的气温显著相关。本文以旬为步长，分别计算平均物候期所在旬的前N旬平均气温与物候期的相关系数(N取1～6的整数)，选择相关系数绝对值最大，且通过显著性0.05以上水平检验的那一时段，作为影响物候期的最优时段[8]。

物候期对温度变化响应：物候期对气候响应可由物候期前期气温对物候的线性回归系数表征[21-22]。本文采用一元线性回归法，自变量为物候期序列，因变量为影响物候期的最优时段平均气温，得到回归方程。对回归方程的相关系数进行显著性检验，通过0.05以上水平检验，则物候期对温度变化响应显著，回归系数为当温度变化1 ℃时物候期的变化天数。

3 结果与分析

3.1 长白山区温度时间变化特征

由图1可知，1981—2009年气温分两个明显阶段，1994年以前为低值期，多数年份气温低于平均值，1994年以后为高值期，多数年份气温高于平均值。本文所研究的物候期始于1981年，正是气温由冷转暖，并持续增暖的时期。

由表2可知，1981—2009年，年、季平均气温倾向率均为正值，说明年、季平均气温均呈上升趋势。从倾向率数值上看，秋季的>冬季的>年的>春季的>夏季的，说明长白山地区，秋、冬季节增温趋势较春、夏季大，其中年平均气温和秋季气温倾向率通过显著性检验(P<0.01)，增温趋势达到极显著水平，冬、春、夏季气温倾向率未通过显著性检验(P>0.05)，增温趋势不显著。长白山地区增温趋势与文献[23]的结果一致，但不同的是在长白山地区四个季节中增温最显著的是秋季。

表2 1981—2009年长白山区平均气温倾向率

3.2 物候期空间分布特征

由表3可知，长白山区物候期大致呈经向分布。春季物候由北向南逐渐提前，秋季物候由北向南逐渐推后。展叶始期集中在4月下旬—5月上旬，展叶盛期集中在5月上旬—5月中旬。集安的小叶杨展叶最早，为4月24日，敦化的榆树展叶最晚，为5月8日，两者相差14 d。叶黄末期集中在10月中旬，落叶末期集中在10月下旬。叶黄末期，梅河口的榆树最晚，为10月21日，敦化的榆树和小叶杨最早，为10月10日，两者相差11 d。落叶末期，梅河口的榆树最晚，为11月1日，敦化的榆树和小叶杨最早，为10月18日，两者相差14 d。总的来看，纬度和海拔越高的地区，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 物候期时间变化与季节温度的关系

3.3.1 物候期时间变化趋势

根据各站物候期变化倾向率，本文所研究的7个样本中，展叶始期有5个样本倾向率为负值，其中梅河口的榆树、通化县的加拿大杨2个样本通过0.05显著性水平检验；展叶盛期有6个样本倾向率为负值，其中梅河口的榆树、通化县的加拿大杨2个样本通过0.05显著性水平检验。叶黄末期倾向率为正值的有6个样本，其中桦甸的榆树、通化县的加拿大杨、延吉的杏树3个样本达到0.01显著性水平；落叶末期倾向率为正值的有5个样本，其中敦化的榆树和小叶杨、桦甸的榆树、通化县的加拿大杨和延吉的杏树5个样本均达到0.05以上显著性水平。可见，该区域春季物候期有提前趋势，但多数未通过显著性检验；秋季物候有推后趋势，约一半以上样本达到显著水平。与文献[1]中全国木本植物春/夏季物候期(展叶始期、开花始期)提前趋势比例高于秋季物候期(叶始变色期、叶全变色期)推迟趋势略有差异，这可能是由于气候增暖的特征不同。

由图2可知，展叶始期、展叶盛期的倾向率均为负值，但未通过显著性水平检验。叶黄末期、落叶末期的倾向率均为正值，且通过了0.01显著性水平检验。说明长白山区春季平均物候期有不显著的提前趋势，秋季平均物候期有极显著的推后趋势。

3.3.2 物候期与气温关系

由表4可知，春季物候期与春季平均气温、年平均气温呈极显著负相关，说明春季平均气温、年平均气温增加可导致春季物候期提前；秋季物候期与秋季平均气温、年平均气温呈显著正相关，秋季平均气温、年平均气温增加可导致秋季物候期推后。

表4 区域木本植物物候期与各季节相关系数

3.4 春季物候对温度变化的响应

3.4.1 影响春季物候的温度因子及最优时段

通过分析各站每种植物春季物候期与≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃积温的相关系数，发现绝大多数站展叶始期、展叶盛期与≥0 ℃、≥5 ℃积温之间存在显著线性关系，与≥10 ℃积温线性关系不显著。说明标志着农事活动开始温度0 ℃对本研究的3种典型落叶乔木春季展叶有重要影响。考虑到春季物候同步性和计算量，以展叶始期为例，分析温度影响的最优时段。

由表5可见，展叶始期与前期平均气温呈极显著负相关关系，其中3月上旬—4月中旬的相关系数绝对值最大，因此，确定影响展叶始期的最优时段是3月上旬—4月中旬。

表5 展叶始期与平均气温的相关系数及显著性检验

3.4.2 春季物候对气候变化的响应

由图3可以看出，长白山区典型落叶乔木展叶始期与3月上旬—4月中旬气温呈显著负相关(P<0.01)，该时段气温每上升1 ℃，展叶始期提前2.41 d。

3.5 秋季物候对温度变化的响应

3.5.1 影响秋季物候的温度因子及最优时段

通过分析各站每种植物秋季物候期与≤0 ℃、≤5 ℃、≤10 ℃积寒的相关系数，发现绝大多数站叶黄末期、落叶末期与≤10 ℃积寒存在显著线性关系，与≤0 ℃、≤5 ℃积寒线性相关不显著。说明在植物生长期，10 ℃以下的温度与叶黄、落叶有密切关系。文献[24]指出，秋季植物物候现象主要决定于一定的界限温度的短期作用，往往是气温降到一定指标而引起的。文献[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，影响的因子不同。

以叶黄末期为例，分析温度影响秋季物候期最优时段。由表6可知，叶黄末期与前期平均气温呈极显著正相关关系，其中9月中旬—10月上旬的相关系数绝对值最大，因此，确定影响叶黄末期的最优时段是9月中旬—10月上旬。

表6 叶黄末期与平均气温相关系数及显著性检验

3.5.2 秋季物候对气候变化的响应

由图4中可知，长白山区典型落叶乔木叶黄末期与9月中旬—10月上旬气温呈显著正相关(P<0.01)，该时段气温每上升1 ℃，叶黄末期推后2.38 d。

4 结论

1981—2009年，在以秋季增暖为主要特征的长白山区，春季平均物候期提前趋势不显著，秋季平均物候期以0.304～0.307 d/a的速度呈极显著推后趋势，物候的变化趋势与季节气温增暖趋势一致。影响春季物候的主要温度因子是≥0 ℃的积温，影响秋季物候的主要温度因子是≤10 ℃的积寒，春、秋两季的物候现象均受温度累积效应的影响。3月上旬—4月中旬气温是影响春季物候展叶始期的最优时段，该时段气温每上升1 ℃，展叶始期提前2.41 d。9月中旬—10月上旬的气温是影响秋季物候叶黄末期的最优时段，该时段气温每上升1 ℃，叶黄末期推后2.38 d。受资料限制，本文仅对长白山区6个站点的物候与气候增暖的关系进行了分析，其结果的稳定性、通用性还有待进一步验证。