气候变化对大兴安岭西麓林牧交错带木本植物物候期的影响

王彦平，金 磊，高 健，王志春

（1内蒙古呼伦贝尔市气象局，内蒙古海拉尔021008；2内蒙古兴安盟气象局，内蒙古 乌兰浩特 137400；3内蒙古赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

0 引言

植物物候变化不仅能够反映植物的生长发育状况，还能直接影响植物的产量形成过程和产量高低[1-4]，植物物候变化及其影响机制研究对于应对气候变化和指导区域农业生产有重要意义。在当前全球气候变化背景下，植物物候对气候变化的响应及其模拟已成为国际上研究的热点[5-6]。

在过去气候变化的几十年，国内外已经有大量关于植物物候变化的研究报道，春季物候提前作为显著的物候变化之一已经在欧洲、北美、亚洲得到了广泛验证[7]。在国外，Parmesan等[8]对文献中报道677个物种进行了定量评估，结果表明62%的物种都表现出春季物候提前的趋势。Menzel等[9]分析了欧洲21个国家（1971—2000年）542种植物物候观测网的数据集，结果表明：78%的植物展叶、开花、果实物候均有提前趋势（30%显著）；欧洲春季和夏季物候每十年提前2.5天。相比之下，中国的春季物候似乎比欧洲和北美提前的幅度更大。通过分析61个站点观测物种组合物候记录结果表明：1982—2011年间，中国春季展叶期每十年提前5.5天[7]。春季物候期提前是植物对气候变化响应的一个重要体现。李瑞英[10]研究了鲁西南木本植物生长季及物候期持续日数对气候变暖的响应，表明中国鲁西南地区随着气候变暖，木本植物春季物候期间隔缩短，秋季物候期间隔延长，全生长季延长，且全生长季变化趋势比各物候持续期变化趋势明显。张福春[11]早在1995年就分析了候变化对中国木本植物物候的可能影响，提出影响木本植物物候的主要气象因子是气温，如果年平均温度上升1℃，各种木本植物物候期，春季一般提前3～4天，而秋季一般推迟3～4天，绿叶期延长6～8天。李瑞英[12]的另一研究也表明，气温是影响菏泽地区草本植物春季物候期的重要因素，萌芽期和开花期的早晚与其前1～2个月气温的负相关程度较高，黄枯期与气温也存在正相关关系。李宁等[13]研究表明在未来气候情景下，海南岛橡胶树春季物候期出现日序提前。在气候变化敏感区，植物物候期的变化更为明显。例如，甘肃黄土高原冬小麦、梨树、苹果树春季物候期普遍提前[14]，春小麦、胡麻出苗期的变化幅度更大，最早和最晚出现日期分别相差36天和30天[15]。杨丽萍等[16]分析了内蒙古阴山北麓草本植物物候期变化，发现旱柳、榆树和小叶杨的花芽开放期和落叶末期均表现为提前趋势，且落叶末期提前幅度较大，平均每10年分别提前2.9、3.6、4.6天。生长季缩短，平均生长季长度为182天。

植物物候期的变化在气候变化的不同阶段出现推迟的现象。范广州[17]研究了20世纪60年代—80年代期间物候期的变化特征，得出全国各地区木本植物春季物候期和秋季物候期大体上都是推迟的，1976—1988年与1963—1975年相比，绝大多数植物物候期都明显推迟，部分植物物候期推迟了10天以上。高祺对石家庄地区物候期的研究也得出，春季物候异常偏晚年主要分布在20世纪90年代之前，异常偏早年主要分布在90年代之后，物候异常偏早年通常是气候异常偏暖年,物候异常偏晚年不一定是气候异常偏冷年[18]。高亚敏等[19]的研究结果显示，在气候变化背景下内蒙古科尔沁草原冰草返青期每年推迟0.67天，生长季每年缩短0.53天。

在气候持续变化的背景下，植物物候的响应研究仍然存在一些不足之处。首先，与全球大量春季物候研究报道相比，当前只有较少的研究记录了观测站点秋季物候事件（如叶变色、落叶等物候期）[20]，且变化趋势不尽相同。例如，Menzel分析欧洲物候观测网的物候数据发现，与春季物候明显提前相比，秋季叶变色期的变化趋势相当模糊（48%提前，52%推迟）。其次，地面站点观测标准不统一，全球物候观测网观测站点大都集中在城市公园内，观测物种大多都是经过引种驯化或移植，可能其自身还没有度过对新环境的适应期，导致收集到的物候数据并不能反映真实自然状况下植物物候对气候变化的响应规律，已有研究表明城市和偏远地区物候存在着显著的差异[21]。再次，观测地区季节变化边界并不清晰增加了物候观测的难度[22]。

内蒙古大兴安岭是呼伦贝尔高原与松嫩平原的天然分界线，大兴安岭西麓是呼伦贝尔高原，又称巴尔虎草原，海拔高度约550～650 m，是中国北方重要的生态屏障，属于温凉半干旱草原气候区，气温较低，降水较少，风大，是典型的的生态脆弱带和气候变化敏感区，季节变化明显[23]，这一区域物候的变化是内蒙古半干旱地区气候变化的前哨。但是这一区域植物物候期对气候变化响应的研究和报道尚属空白，多数报道集中于气候条件对草原区天然牧草生长和产量的影响研究。本研究选取榆树、小叶杨和紫丁香3种具有代表性的灌木植物为研究对象，利用近26年物候数据及气象资料，分析林牧交错带的代表性木本植物物候期的变化趋势及对气候变化的响应，为科学预测物候期及指导林草交错带固沙防风等生态恢复工程提供科学气象参考依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区位于内蒙古自治区东北部、大兴安岭西侧，属于蒙古高原的东北端，处于大兴安岭山地向呼伦贝尔平原的过渡地段，属高原型地貌区，南部有红花尔基樟子松林、北部为广阔的典型草原，地理坐标为：118°48'02"—121°09'25"E，47°32'50"—49°17′37″N，高程为800～1000 m。该地属中温带大陆性草原气候，北部偏东地区属中温带季风性森林草原气候。内蒙古鄂温克牧业气象试验站物候观测区位于巴彦托海镇北侧，距离牧草观测站10 km左右，属于典型林牧交错带。试验站从1984年开始进行物候期观测，积累了近30年的木本植物连续观测资料。

1.2 资料来源

气象资料来源于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克旗气象局，物候期资料为大兴安岭西麓鄂温克牧业气象试验站（属于国家二级试验站、一级观测站，119°25′17"E，49°00′08"N）的1994—2019年气温和降水量地面气象观测资料及同期发育正常的榆树(Ulmus pumila L.)、小叶杨(Populus simoniiCarr.)和紫丁香(Syringa oblate.)3种木本植物连续物候观测数据，选取的主要物候指标为花芽开放期和落叶末期，生长季长度即指从花芽开放期到落叶末期的总天数。

1.3 研究方法

采用线性倾向估计方法分析1994—2019年气候变化特征；采用日序表示法将物候期出现日期换算成对应的日序；气象数据参考杨丽萍等[24]对阴山北麓木本植物物候期的研究方法，结合研究区域植物生长季节特征，对整个生长季气候特征选取选取4—11月的平均气温和降水量资料，取算术平均值；对春季物候期（花芽开放期）的研究选取3—4月、4—5月、3、4、5月各阶段的平均气温和降水量资料，取算术平均值；对秋季物候期（落叶末期）的研究选取4—10、7—8、9—10月、9、10月各阶段的平均气温和降水量资料，取算术平均值；由于大兴安岭西麓地区日照充足，因此本研究日照不作为研究对象；利用SPSS软件，采取线性倾向估计、Pearson相关系数[25]、散点图等方法进行相关统计分析。

图1 鄂温克牧业气象试验站观测区域（左图为物候观测区示意图，右图为小叶杨物候观测区实景图）

2 结果与分析

2.1 近26年大兴安岭西麓植物生长季（4—11月）气候变化特征分析

2.1.1 近26年植物生长季平均气温变化趋势 由图2可见，近26年大兴安岭西麓植物生长季（4—11月）平均气温呈现明显上升趋势，倾向率为0.3℃/10 a，达到0.05的显著性水平检验；且在2001、2007、2018年突破10℃，出现3个峰值。植物生长季气候变暖成为大兴安岭西麓地区气候变化的一个突出特征。

图2 1994—2019年大兴安岭西麓植物生长季（4—11月）平均气温变化特征

2.1.2 近26年植物生长季降水量变化趋势 由图3可见，近26年大兴安岭西麓植物生长季（4—11月）降水量呈现微弱的上升趋势，倾向率为0.9 mm/10 a；降水量在2013年之前呈现下降趋势，2013年降水量剧增导致降水趋势呈现微弱上升。降水量在大兴安岭西麓地区气候变化中的贡献不明显。

图3 1994—2019年大兴安岭西麓植物生长季（4—11月）降水量变化特征

2.2 3种木本植物物候期特征分析

2.2.1 近26年3种木本植物平均物候期特征分析1994—2019年，大兴安岭西麓林牧交错带榆树、小叶杨和紫丁香3种木本植物的平均花芽开放期集中在4月中旬末—5月初，3种植物平均花芽开放期分别为4月29日、5月1日和5月5日；落叶末期集中在10月上旬，3种植物平均落叶末期分别为10月1日、10月9日和10月12日；3种植生长期平均长度为164、161、160天；3种木本植物平均生长期长度差别不明显，春季花芽开放期较早的，秋季落叶期也较早（表1）。

表1 1994—2019年大兴安岭林牧交错带木本植物物候期统计

2.2.2 3种木本植物物候期年际变化趋势 1994—2019年间大兴安岭西麓林牧交错带榆树、小叶杨和紫丁香花芽开放期日序均呈减小趋势（图4a），平均每10年分别减小1.9、0.7、4.5天；而榆树、小叶杨和紫丁香落叶末期日序均呈现显著增大的趋势（图4b），平均每10年分别增加9.6、7.5、8.5天。说明气候变暖背景下，3种木本植物花芽开放期提前，其中紫丁香提前天数最多；落叶末期推迟，且推迟天数较花芽开放期提前天数更大，说明气候变化对木本植物落叶末期影响更明显。由此可见，这与全球多数地区春季物候期显著提前、秋季物候期不明显推迟的研究结论有所不同，其原因可能与不同区域的小气候或植物来源的地理变异有关。3种木本植物中紫丁香花芽开放期日序减小幅度明显小于其他2个树种，这与树种本身物候期的早晚有关，研究已表明，物候期越早的植物表现出的物候提前的趋势更明显[26]，这3种木本植物花芽开放期顺序为榆树、小叶杨、紫丁香，因此物候提前趋势呈现相反的规律；而落叶末期日序增大幅度在物种间的差异较小，这与气候变化在不同区域对植物不同物候期影响程度有关，在大兴安岭西麓农牧交错带，秋季气候变化的影响在不同木本植物落叶末期差异较小。

图4 1994—2019年大兴安岭林牧交错带本植物花芽开放期(a)和落叶末期(b)年际变化

2.2.3 3种木本植物生长季天数变化特征 1994—2015年间大兴安岭西麓林牧交错带榆树、小叶杨和紫丁香生长季长度均表现为增加趋势(P＜0.01)（图5），气候倾向率分别为11.6、8.3、11.1天/10 a。表明气候变暖背景下，大兴安岭西麓林牧交错带3种木本植物生长天数都明显延长，其原因为花芽开放期提前，落叶末期推后。

图5 1994—2019年大兴安岭林牧交错带木本植物生长季天数年际变化

2.3 木本植物物候期与气象条件的相关分析

2.3.1 花芽开放期与气象要素的关系 1994—2015年大兴安岭西麓林牧交错带3种木本植物花芽开放期与4—5月和4月气温呈显著负相关关系(P＜0.05)，而3种植物的花芽开放期与降水量没有明显相关关系（表2）。说明气温对该地区木本植物花芽开放期的影响较为显著，气温是制约大兴安岭西麓林牧交错带木本植物花芽开放期的关键气象因子。

表2 1994—2019年大兴安岭林牧交错带木本植物花芽开放期与气象要素的相关分析

2.3.2 落叶末期与气象要素的关系 1994—2019年大兴安岭西麓林牧交错带3种木本植物落叶末期与4—10月的平均气温呈现显著的正相关关系(P＜0.05)，与降水量相关关系不明显（表3），表明该地区木本植物落叶期受降水量影响较小。

表3 1994—2019年大兴安岭林牧交错带木本植物落叶末期与气象要素的相关关系

2.3.3 生长季期长度与气象要素的关系 1994—2019年大兴安岭西麓林牧交错带3种木本植物生长季长度与4—10月的平均气温呈现正相关关系，但未达到显著水平，与9—10月的平均气温呈显著正相关关系(P＜0.05)；与降水量相关关系不明显（表4），表明该地区木本植物生长季长度主要整个生长期气温的影响，且落叶前期的气温影响更为显著，受降水量影响较小。

表4 1994—2019年大兴安岭林牧交错带木本植物生长季长度与气象要素的相关关系

2.4 3种木本植物物候期对温度变化的响应模式

通过以上相关分析，大兴安岭西麓木本植物花芽开发期与4月份的平均气温相关显著(P＜0.05)，落叶末期与4—10月的平均气温相关显著(P＜0.01)，生长季长度气温的正相关关系未达到显著。因此在研究3种木本植物物候期对气候变化的响应模式方面，重点研究花芽开放期和落叶末期对温度的响应。

2.4.1 花芽开放期对温度的响应模式 由于每个物候期的开始日期与其前2—3个月的气温间有显著的相关性[27]，本文研究的3种木本植物1994—2019年的花芽开放的平均日期为5月4日，分别计算了3月、4月、3—4月平均气温与物候期的相关系数，得出4月平均气温与物候期的相关系数最大。因此，选取4月平均气温为自变量建立植物花芽开放期对温度的响应模式。分别选取3种木本植物花芽开放期最早的2014年（榆树）、2019年（小叶杨）和2008年（紫丁香）为典型年，设自变量x为典型年4月平均气温减常年4月平均气温的平均值，因变量y代表植物花芽开放始期差异天数（本研究为典型年花芽开放期减去常年花芽开放期的平均值），对植物花芽开放期与4月平均气温之间的关系进行分析，建立花芽开放期差异(y)与4月平均气温差异(x)的拟合方程，如图6，3种植物花芽开放期对4月平均气温变化呈现出明显负相关关系，且拟合方程的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验水平。

图6 大兴安岭西麓木本植物花芽开放期差异与4月份平均气温差异的关系

2.4.2 落叶末期对温度的响应模式 与花芽开放期对温度响应模式研究方法同理，由于4—10月平均气温与物候期的相关系数最大，因此，选取4—10月的平均气温为自变量建立植物落叶末期对温度的响应模式。分别选取3种木本植物落叶末期期最晚的2012年（榆树）、2010年（小叶杨）和2008年（紫丁香）为典型年，设自变量x为典型年4—10月平均气温减常年4—10月平均气温的平均值，因变量y代表植物落叶末期差异天数（本研究为典型年落叶末期减去常年落叶末期的平均值），对植物落叶末期与4—10月平均气温之间的关系进行分析，建立落叶末期差异(y)与4月平均气温差异(x)的拟合方程，如图7，3种植物落叶末期对4月平均气温变化呈现出明显正相关关系，且拟合方程的相关系数均通过了α=0.01的显著性检验水平，落叶末期对温度的响应更为明显。

图7 大兴安岭西麓木本植物落叶末期差异与4—10月份平均气温差异的关系

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1994—2019年间大兴安岭西麓植物生长季气温呈现明显上升趋势，降水量变化不明显；榆树、小叶杨和紫丁香3种木本植物花芽开放期日序均呈减小趋势，平均每10年分别减小1.9、0.7、4.5天，落叶末期日序均呈现显著增大的趋势，平均每10年分别增加9.6、7.5、8.5天，生长季长度均表现为增加趋势，平均每10年增加11.6、8.3、11.1天。说明气候变暖背景下，3种木本植物花芽开放期提前，落叶末期推迟，生长季长度增加；且推迟天数较花芽开放期提前天数更大，说明气候变化对木本植物落叶末期影响更明显，落叶末期对生长季长度增加的贡献更大。

（2）大兴安岭西麓林牧交错带木本植物物候期的变化主要是受气温的影响，与降水量关系不大。榆树、小叶杨和紫丁香3种木本植物花芽开放期与4—5月和4月气温呈显著负相关关系，特别是早春4月的气温对花芽开放期提前影响较大；落叶末期与4—10月的平均气温呈现显著的正相关关系，与降水量相关关系不明显；3种木本植物生长季长度与4—10月平均气温呈正相关关系，但未达到显著水平，与9—10月平均气温呈显著正相关关系，与降水量关系不明显。

（3）3种木本植物春季花芽开放期的提前对温度上升的响应是显著负相关关系，落叶末期推后对温度上升的响应显著正正相关关系，拟合方程的相关系数均通过了α=0.01的显著性检验水平。

3.2 讨论

（1）气候变化对植物物候期的影响是一个复杂的过程，不同研究区域植物往往表现出不同的响应机制。本研究中的3种木本植物的落叶末期与气温呈显著的正相关关系，落叶末期的推迟对生长季的延长作用更明显，其原因可能有两个方面，一是可能与不同的区域的小气候或植物来源的地理变异有关，二是通过分析发现本文研究的区域气候变暖的主要贡献大小为冬季、秋季、春季和夏季，秋季气温的升高使得落叶末期推迟天数更长。

（2）气候变化呈现暖干化发展使植物生长已经适应常年干旱的气象条件，降水量的变化对植物物候期影响逐渐减弱。

（3）林草交错带灌木物候期对气候变化的响应为线性关系，与黄珍珠等的研究结果呈现二次曲线关系表现不一致，可能是区域气候变化特点或植物物候特点存在差异所导致的，且不同物种物候变化趋势的差异还与植物授粉类型、生活型、系统进化及木材类型等有关。因此，有关植物物候期对气候变化的响应机理是一个复杂的问题，有待于进一步研究和探讨。