晋南地区不同海拔高度典型木本植物物候特征及其对气候变化的响应*

吕爱丽，霍治国，杨建莹

晋南地区不同海拔高度典型木本植物物候特征及其对气候变化的响应*

吕爱丽1,2，霍治国2,3**，杨建莹2

（1.山西省临汾市气象局，临汾 041000；2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044）

基于1983−2016年临汾市不同海拔高度上3个农业气象观测站（尧都区、隰县、安泽县）的6种典型木本植物物候期和温度的观测资料，统计分析其变化特征及相互影响。结果表明：（1）研究区年及四季气温整体呈上升趋势，尧都区增温幅度最大，春季增温极显著；月平均气温除隰县个别月份略有下降外，大多以增温趋势为主，其中3月增温极显著（P＜0.01），是年平均气温升高的主要因素。（2）研究区内木本植物物候期最早和最晚平均相差1～2个月，物候期变化呈现较强的区域性特征，尧都区和安泽的木本植物春季物候期提前，秋季物候期推迟，植物生长季延长；隰县木本植物春季物候期推迟，秋季物候期提前，植物生长季呈缩短趋势。（3）木本植物展叶始期对年、春季及展叶前1～2个月的平均气温响应显著，随着气温升高，木本植物展叶始期表现为一致提前趋势；木本植物落叶末期在尧都区和安泽县随着气温的升高表现为明显的推迟趋势，受年、秋季及落叶前1个月的平均气温影响显著，在隰县随气温的升高表现为普遍提前趋势，受年均气温变化影响显著；随着气温升高尧都区和安泽县的木本植物生长季延长，隰县木本植物生长季变化不明显。说明晋南地区不同海拔高度的气温及其变化趋势存在较大差异；各代表站典型木本植物的物候期和生长季对气候变化的响应不同。

物候变化；木本植物；物候；温度变化；合欢；悬铃木；毛白杨；核桃；刺槐；旱柳

物候是指植物长期适应环境条件影响而出现的以年为周期的自然现象[1−2]，自然物候是记录全球环境变化最直接和最有效的依据[3]，物候变化不仅反映了当时当地的气候和环境状态，而且还反映了过去一段时间内气候条件的积累对生物和非生物的综合影响[4]，自然物候作为指示气候变化的重要指标[2]，还可用来指示季节变化及生态系统对环境变化的响应和适应[5]，因而也被视为大自然的“语言”[1]和全球气候变化的“诊断指纹”[6]，因此，全球气候变暖背景下，物候对气候变化的响应研究已成为物候学关注的焦点[7−11]。

IPCC第五次评估报告指出[12]，近百年来全球地表温度明显上升，中国的陆地升温幅度高于全球平均水平，《中国气候变化蓝皮书》称，中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，1951−2017年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，升温率为0.24℃·10a−1，而近20a是20世纪初以来的最暖时期，升温趋势十分明显。大量研究表明，随着气候变暖，植物的物候期发生了明显变化，持续升温使中国大部分地区木本植物的春季物候期提前，秋季物候期推迟，生长季呈延长趋势[13−23]；国际物候园观测资料表明，北美、欧洲、地中海等地的木本植物物候期也出现了类同的自然现象[24−27]。随着气候变暖，全球及中国的木本植物物候表现为协同变化的特征，同时存在区域差异，在春季物候期普遍提前的情况下，中国西南地区东部、长江中下游地区[3]及科尔沁沙地[11]也有春季物候期推迟的现象，同时，李强等[28]研究认为黄土高原植被物候生长季始期有71.71%的区域呈提前趋势，26.29%的区域有推迟趋势，生长季末期有38.73%的区域具有提前趋势，61.27%的区域有推迟趋势，由此可见，不同地区木本植物物候随气候变化存在较大差异。

临汾地处山西南部，大体轮廓呈“凹”字形分布，中部为临汾盆地，西部是吕梁山脉，东部由北向南为太岳山、中条山，海拔高度从最低处的385.1m到最高处2346.8m，境内有山地、丘陵、盆地三大地形单元，地形结构复杂，气候垂直变化较大，存在明显的区域小气候特征，对植物物候期产生较大影响，到目前为止，针对气候变化对该地区木本植物物候的影响虽有研究，但精细化程度不高，仅有文献对尧都区的合欢进行了分析[20]，不能代表区域内不同地形特征，因此，地方性的物候研究有待广泛开展。本研究分析了近34a临汾市不同海拔高度代表性木本植物物候和气候变化特征及物候对气候变化的响应，以揭示全球气候变暖背景下，区域气候变化对木本植物物候的影响，为当地的经济发展和生态环境建设提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

依据观测时间长、连续性好、代表性强的原则，选取临汾市境内不同海拔高度的3个（尧都区、安泽县和隰县）农业气象观测站1983−2016年木本植物物候观测数据（其中悬铃木为1988−2016年），木本植物为当地较常见、分布广泛且发育正常的6种植物（表1），每个地区2种，可代表不同海拔、不同地形植物物候期特征，其中隰县观测树种旱柳于2011年从气象局西坡观测场西60m处更换至气象局东坡观测场东北60m处，坡向改变，海拔高度和树龄无变化，观测树种刺槐位置未变，1997年后更换观测对象，树龄偏少20a左右。气象资料来源于临汾市气象局数据库，选取资料为当地同期地面逐日平均气温、最高气温和最低气温，气象观测站点位置均未改变，气象报表数据均通过审核。

表1 观测站点及植物种类

1.2 数据处理与研究方法

物候观测数据均采用Julian日换算法，将逐年各物候期出现日转换成距1月1日的实际天数，得到各物候的时间序列。

物候及温度变化趋势均采用一元线性回归法计算其变化率，即

y=kx+b （1）

式中，y为物候期或温度值，x为年，k为倾向率。将k值扩大了10倍，即每10a的变化值。

四季划分采用气象划分法，以3−5月为春季，6−8月为夏季，9−11月为秋季，12月−翌年2月为冬季。

2 结果与分析

2.1 各站点不同时间尺度的平均气温变化趋势分析

2.1.1 年平均气温

对1983−2016年尧都区、安泽县和隰县气温观测数据分析可知（表2），海拔相对较低的尧都区气温明显高于隰县和安泽县，年均气温偏高3℃以上，安泽县和隰县年平均气温相近，但隰县的低温高于安泽县，高温则低于安泽县。

1983−2016年尧都区、安泽县、隰县年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温均表现为上升趋势（图1），与全球气温变化趋势一致[7]，其中海拔相对较低的尧都区增温幅度最大，年平均增温率为0.728℃·10a−1（P<0.01），低温（0.990℃·10a−1，P<0.01）增长率大于高温（0.554℃·10a−1，P<0.01）；安泽县增温幅度小于尧都区，高温极显著增加（0.447℃·10a−1，P<0.01），平均气温和最低气温变化趋势不明显；隰县年增温幅度最小，高温显著增加（0.333℃·10a−1，P<0.05），平均气温和最低气温变化趋势不明显。可见，受地形影响，随海拔升高，增温幅度逐渐降低，且低海拔地区低温增幅大于高温，高海拔地区高温增幅大于低温。

2.1.2 四季平均气温

由图2可见，各站点四季平均气温存在明显差异，其中夏季气温最高，春季气温略高于秋季，冬季气温最低，并且海拔相对较低的尧都区四季气温明显高于隰县和安泽县，其中冬季温差最大，偏高幅度平均在3.7～3.9℃。由1983−2016年各季平均气温的线性变化趋势可知，近年来，尧都区、隰县、安泽县四季平均气温均呈上升趋势，其中尧都区升温幅度最大，四季平均气温升幅均通过0.01水平的显著性检验，春季升温最多，线性变化率为1.014℃·10a−1；安泽升温幅度次之，春季平均气温升幅通过0.01水平的显著性检验，线性变化率为0.354℃·10a−1，秋季平均气温升幅通过0.05水平的显著性检验，线性变化率为0.305℃·10a−1；隰县升温趋势最弱，仅春季平均气温升幅通过0.05水平的显著性检验，线性变化率为0.361℃·10a−1。可见，研究区春季气温升温突出，尧都区升温趋势最显著。

内容型激励理论着重研究激发动机的诱因，是从“人到底追求什么”去研究“用什么去激励员工”这一问题而形成，以人的需要为研究重点。该理论主要包括：马斯洛的需要层次理论、奥德弗的ERG理论、赫兹伯格的双因素理论和麦克利兰的成就需要理论。

表2 三站1983−2016年年气温数据统计（℃）

图1 1983−2016年三站点年平均气温变化趋势

图2 1983−2016年三站点四季平均气温对比分析

注：*、**分别表示该站点季平均气温线性变化趋势通过0.05水平和0.01水平显著性检验。

Note:*,**indicates that the significance of linear trend of seasonal temperature at each site test through 0.05 level and 0.01 level, respectively.

2.1.3 月平均气温

由表3可知，尧都区各月气温变化趋势一致，月平均气温、月平均最高和最低气温均呈上升趋势，其中平均气温、平均最低气温变化尤其明显，除1月外，其它月份变化倾向率均达极显著水平（P<0.01），平均最高气温变化倾向率3−6月达极显著水平（P<0.01），升温最明显的是3月，升幅为1.461℃·10a−1；安泽县除1月、5月平均最低气温略有下降外，其余月份气温均上升，但升温趋势明显低于尧都区，仅3月平均气温、平均最高气温和6月平均最高气温变化倾向率达极显著水平（P<0.01），升温最高的3月，平均气温升幅为0.839℃·10a−1；隰县气温变幅较大，5、8、9及12月的平均气温，9月平均最高气温，1、4、5、6月及12月平均最低气温呈下降趋势，5月平均最低气温下降率达显著水平（P<0.05），其余月份气温呈上升趋势，3月升温明显，平均气温、平均最高气温变化倾向率达极显著水平（P<0.01），平均最低气温变化倾向率达显著水平（P<0.05），平均气温升幅为0.877℃·10a−1。可见，低海拔地区，各月升温趋势一致，升温明显，且低温升幅普遍大于高温；随着海拔递增，升温趋势减弱，高海拔地区个别月份出现了降温趋势，且高温升温率普遍大于低温；全年3月升温幅度最大，升温趋势显著。

注：*、**分别表示P＜0.05、P＜0.01。下同。

Note:*is P＜0.05,**is P＜0.01. The same as below.

2.2 各代表站木本植物物候期、生长季及变化趋势

2.2.1 物候期

由表4可以看出，研究区内木本植物春季物候期在3−7月，秋季物候期在9−12月。春季物候期最早的毛白杨，开花始期平均日出现在3月中旬末，由于毛白杨花芽所需温度低于叶芽，开花始期比展叶始期平均提前25d，展叶较早的是旱柳，展叶始期在4月上旬，比展叶期较晚的合欢、刺槐和核桃提前20d左右，合欢的花期在6月初−7月上旬，开花时间最晚，持续时间最长，花期达1个月左右。木本植物秋季物候期始期集中在9月下旬末−10月上旬，发生较早的核桃、毛白杨、刺槐和旱柳叶变色始期平均日出现在9月26−27日，平均日相差1d左右；落叶末期集中在10月下旬末−11月上旬初，前后相差在10d以内，悬铃木落叶末期最晚，平均在12月上旬，其中2015−2016年整个冬季悬铃木果实宿存，树叶干枯未落。可见，木本植物物候期存在较大差异。

表4 1983−2016年研究区典型木本植物平均物候期（悬铃木为1988−2016年）

2.2.2 物候期变化趋势

由表5物候期变化倾向率可知，尧都和安泽地区木本植物春季物候期提前，秋季物候期普遍推迟，春季的变化率普遍大于秋季，其中悬铃木的变化趋势最显著，落叶末期变化率最大，推迟速率为17d·10a−1；隰县的木本植物春季物候期推迟，秋季物候期提前，花期到落叶始期变化趋势显著，其中旱柳的叶变色期变化率最大，提前速率为13d·10a−1；展叶始期和落叶末期变化趋势均不明显，可见，同一地点的木本植物物候期变化趋势基本一致，不同海拔高度木本植物物候期变化趋势存在明显的差异。

表5 1983−2016年木本植物物候期线性变化率（d·10a−1）

注：“+”表示物候期推迟，“−”表示物候期提前。

Note:“+”is delay and “−” is advance of the phenophase.

2.2.3 植物生长季及其变化趋势

将展叶始期（春季第一个物候期）−落叶末期（秋季最后一个物候期）作为木本植物生长季。统计结果表明，研究区内木本植物生长季平均天数表现为悬铃木（244d）>旱柳（213d）>毛白杨（195d）>合欢（194d）>核桃（187d）>刺槐（185d），可见，木本植物生长季长度相差较大，最多达2个月左右。

由图3可知，尧都和安泽地区的木本植物生长季表现为一致的延长趋势，其中悬铃木的生长季表现极显著延长（P<0.01），线性变化率为22d·10a−1，合欢、毛白杨和核桃的生长季延长趋势显著（P<0.05），线性变化率为2～4d·10a−1，隰县的木本植物生长季总体表现为缩短趋势，变化趋势不明显，刺槐的生长季出现了先缩短，后延长的趋势，拐点在2002年。可见，植物生长季长度变化与海拔高度存在一定关系。

2.3 各站点木本植物物候对气温变化的响应

2.3.1 春季第一个物候期的响应

温度是影响植物物候期早晚的关键气象因子[15,28]，对代表站木本植物展叶始期与不同时段平均气温作相关分析。由表6可知，木本植物的展叶始期与前期月平均气温表现为一致的负相关，即随着温度升高，春季物候期提前，展叶始期早晚受物候期当月及前1～2个月平均气温影响显著，植物物候始期与3月平均气温相关性最好，其中悬铃木、合欢、核桃、毛白杨的相关系数均通过0.01水平的显著性检验，相关系数在−0.637～−0.472，展叶始期较早的旱柳与2月平均气温极显著相关（P<0.01），展叶期较晚的合欢和核桃与4月平均气温极显著相关（P<0.01），刺槐的物候期对温度变化反映不敏感。就季节和年尺度而言，木本植物展叶始期随春季及年均气温的升高呈提前趋势，受春季气温影响极显著，除刺槐外，均达极显著相关水平，相关系数在−0.682～−0.493；木本植物展叶始期与年平均气温的相关性稍弱，合欢和悬铃木表现为极显著相关。可见，研究区木本植物展叶始期对气温变化响应一致，但响应程度存在较大差别。

2.3.2 秋季最后一个物候期的响应

进一步对木本植物落叶末期与平均气温作相关分析，由表7可知，随着前期气温升高，木本植物落叶末期普遍呈推迟趋势，其中悬铃木、毛白杨、核桃的落叶末期与前1个月平均气温极显著相关（P<0.01），相关系数在0.497～0.612，合欢、旱柳和刺槐的落叶末期与前期气温相关不显著。

图3 1983−2016年各站木本植物生长季的年际变化

表6 各站点木本植物展叶始期（第一个物候期）与不同时段平均气温的相关系数

就季节尺度和年尺度而言，研究区木本植物落叶末期随秋季气温升高呈普遍推迟趋势，悬铃木、毛白杨和核桃的落叶末期与秋季的平均气温极显著相关（P<0.01），相关系数在0.497～0.612；随年均气温的升高，尧都区和安泽的木本植落叶末期均表现为推迟趋势，隰县木本植物落叶末期表现为提前趋势，悬铃木和旱柳的落叶末期与年均气温极显著相关，相关系数分别为0.748和−0.520，毛白杨和刺槐的落叶末期与年均气温显著相关，相关系数分别为0.343和−0.4.01，可见，木本植物的落叶末期随气温变化趋势存在明显的区域性特征，隰县木本植物落叶末期表现为提前趋势，这可能与隰县气温变化或树龄、坡向改变等多因素有关，有待进一步研究。

表7 各站点木本植物落叶末期（最后一个物候期）与不同时段平均气温的相关系数

2.3.3 生长季长度的响应

由表8可知，悬铃木、合欢、毛白杨、核桃的生长季长度随气温升高呈延长趋势；旱柳和刺槐的生长季长度随气温升高则表现为缩短趋势，其中悬铃木生长季对气温变化响应最敏感，除冬季（P<0.05）外，相关性均达极显著水平（P<0.01），

其次是毛白杨，除夏季外，与年及其它季节平均气温达极显著和显著相关水平，合欢生长季与年及夏季均温显著相关，核桃生长季与年及秋季均温显著相关，旱柳生长季与春季均温显著相关，可见，随着气温升高，研究区木本植物生长季变化存在一定差异。

表8 木本植物生长季与不同时段平均气温的相关系数

3 结论与讨论

3.1 讨论

（1）随着全球气候变化，研究区植物物候响应敏感，且二者表现出协同变化的特征，在气候变暖背景下，汾河河谷及太岳山一带的木本植物，春季物候期提前，秋季物候期推迟，生长季呈延长趋势，与国内大部分研究结果一致[29−32]，吕梁山区的木本植物，春季物候期推迟，秋季物候期提前，李强等[28]在研究黄土高原植物物候变化特征时有相同的结论。物候变化是多种气候要素综合作用的结果，研究认为，温度是影响植物物候的最重要气候因素[29,33]，升温可改变植物的休眠时间[34]，低温、短日照是落叶植物叶片萎蔫的主要影响因子[35]，地处吕梁山区的隰县，4−6月平均最低气温、8−9月平均气温、9月平均最高气温均出现下降趋势，其中5月平均最低气温显著下降，赵桂香等[36]研究表明山西夏季为变冷趋势，因此，生长季气温降低对隰县植物物候变化产生了不同影响。

（2）本研究结果尧都区合欢展叶期显著提前与李燕等[20]展叶期推迟的结果略有出入，主要是选取的时间段不同。观测资料表明，2004年以后尧都区气温大幅升高，其中2005−2016年年均气温比1982−2004年年均气温增加了1.11℃，气温升高导致物候期提前这一结论与大多研究结果一致[4−5,17−19]。

（3）隰县木本植物春季物候期推迟，秋季物候期提前，生长季表现为不显著的缩短趋势，虽然与国内一些研究结果不同[13−15,29]，但也有相同的研究结论[3,11,28]，这可能与隰县个别月份气温降低有一定关系。同时对观测数据分析表明，隰县观测树旱柳2011年更换位置后，春季物候期推迟了5～10d，叶变色期提前了7～12d，刺槐1997年更换观测树后春季物候期推迟了2～7d，秋季物候期提前了5～22d，由此可知，木本植物生长位置、朝向、树龄对植物物候和生长季也可能产生较大影响。

（4）自然物候是气象、水文、土壤、自然环境等综合因素影响的反映[1]，本研究仅从温度变化对物候的影响进行了探讨，缺乏其它因素对物候期影响的分析，也没有考虑植物本身的生物学特性差异，今后将进一步研究。

3.2 结论

（1）1983−2016年研究区气温整体呈上升趋势，受地形影响处于临汾盆地的尧都区平均气温与升温幅度均大于东西山区的安泽和隰县，且低海拔地区的低温增幅大于高温，高海拔地区的高温增幅大于低温。各季平均气温总体呈上升趋势，春季升温极显著，夏季升温幅度最小。尧都区及安泽各月增温趋势一致，隰县个别月份出现降温趋势，其中3月增温趋势极显著，是拉动年平均气温升高的主要因素。

（2）研究区内木本植物物候期和生长季存在较大差异，相同物候期早晚相差1～2个月，尧都和安泽地区木本植物春季物候期提前，秋季物候期推迟，植物生长季呈延长趋势；隰县木本植物春季物候期普遍推迟，秋季物候期普遍提前，生长季变化趋势不显著。

（3）随温度升高，研究区木本植物春季物候期普遍提前，物候始期受年、春季及物候期前1～2个月的平均气温影响明显，其中3月气温极显著升高，对木本植物物候始期显著提前起到关键作用。植物落叶末期在尧都区和安泽的植物随着温度升高，物候期推迟，并且受年、秋季及物候期前1个月的气温影响显著；在隰县的植物落叶末期表现为提前趋势，受年平均气温影响显著。

（4）木本植物生长季长度随温度变化表现出明显的区域性特征，随气温升高，尧都和安泽地区木本植物生长季呈延长趋势，隰县木本植物生长季表现为不显著的缩短趋势，不同品种的植物对同一时期气温变化响应不同。

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Phenological Characteristics of Representative Woody Plants at Different Altitude Sites in Jinnan Region and Their Response to Climate Change

LV Ai-li1,2，HUO Zhi-guo2,3，YANG Jian-ying2

(1. Shanxi Linfen Weather Bureau, Linfen 041000, China; 2. State Key Laboratory of Severe Weather(LASW), Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 3.Collaborative Innovation Center of Meteorological Disaster Forecast, Early-Warning and Assessment, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

Based on the phenological observations of six woody plant species in three stations in the period of 1983−2016, characteristics of phenology and temperature and their relationship were studied in different period. The results showed that: (1) both annual and seasonal temperature increased significantly during the study period. The warming trend was more obvious in the lower altitude areas such as Yudu, especially in Spring. Monthly temperature also increased in most areas except Xixian. Monthly temperature had increased more obvious in March, resulting increased yearly temperature. (2) Variations of phenological phase up to 1−2 months were observed in different areas and for different plants. The phenological stage happened earlier (later) in spring and ended later (earlier) in fall, leading to longer (shorter) growth stage, in Yudu and Anze (Xixian) with lower (higher) altitude. (3) The start of leaf-out had been occurring earlier in spring corresponding to higher yearly and spring average temperature, and the higher temperature a month before for all woody plant. End of leaf fall had been postponed in response to the higher yearly and fall temperature, and the temperature a month ago in Yudu and Anze but not in Xixian, where the plants were located in the highest land in three stations. The study showed the obverse variation of temperature change in three different stations. The responses of woody plants to climate change were different.

Phenophase change；Woody plants；Phenophase；Temperature change；Durazz；Linn；

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.02.001

吕爱丽,霍治国,杨建莹.晋南地区不同海拔高度典型木本植物物候特征及其对气候变化的响应[J].中国农业气象,2020,41(2):65-75

2019−07−24

霍治国，E-mail：huozg@cma.gov.cn

重大自然灾害监测预警与防范重点专项（2017YFC1502801）；中国气象科学研究院科技发展基金项目（2018KJ012）

吕爱丽，E-mail：lvaili1@163.com