气候变暖对临汾合欢物候期的影响

任玉欢，姚 闯，赵海燕，范志宣，刘吉勤，李晶晶

（1山西省气候中心，太原 030000；2山西省吉县气象局，山西临汾 042200；3山西省长治市气象局，山西长治 046000）

0 引言

确定全球气候变化对生物的影响具有重要的理论和实践意义，评估植物物候变化对全球变暖的响应成为当前气候变化的研究热点之一[1]。植物物候是指植物在一年内呈现季节变化的生长和发育[2]，它在调节植物光合作用、水分的蒸散发和地表能量通量方面起着重要作用，且对气候变化敏感[3]。临汾地处世界上黄土覆盖面积最大和水土流失最为严重、最为集中的黄土高原东部，当地环境的临界性和生态的脆弱性，使得它对气候变化的反应十分敏感[4]。了解气候变暖背景下，黄土高原脆弱区城市木本植物物候对气候变化的响应，对于进一步明确区域气候-碳反馈、推动地区实现碳中和碳达峰目标具有重要意义。

物候信息具有明显的区域性和时间性，许多研究集中于不同地区和不同物种的物候[5-6]。亚洲[7-8]、欧洲[9]、北美[10]等地的一些研究揭示了春季物候期提前发生的趋势，包括主要木本植物展叶期和开花期的提前等。有研究报道，在中国温带地区，木本植物主要受温度的影响，而不受降水和日照的影响。其他相关研究也强调了开花前期温度的重要性。植物物候变化差异的主要原因可以归结为植物对温度变化响应敏感性的差异[5,11-13]。与之不同的是，Piao 等[14]分析了1982—1999年中国温带植被的物候，发现由于春季气温的逐步回升，植被生长季始期呈现提前趋势，秋季温度升高，生长季末期呈现推迟趋势，生长季长度持续时间对降水变化也很敏感，但降水对不同种植被的影响略有不同。此外雷俊等[15]、邓礼强[16]、李强[17]等研究发现，黄土高原典型植物春季物候期均表现为提前的趋势。王贝贝等[18]基于MODIS NDVI 数据分析了山西植被物候的时空变化和地形差异对物候的影响，结果显示，山西省2000—2015年植被生长季开始时间提前，生长季结束日期推后，生长期延长，植被物候在长时间尺度上变化显著，而在同一个时间段内，地形是物候存在空间差异的重要影响因子。

物候资料对气候影响评估有明显的价值。当前，物候数据获取手段主要有以下几种。首先是构建地面物候观测网，观测地面特定生物物候转变过程，世界各地目前基本都已建立起区域性的物候站网，尤其欧亚地区具有悠久的物候观测记录，中国气象部门也在20世纪80 年代起建立起国内地面站点最多的物候观测网络系统。卫星遥感资料可以获得大范围长序列的物候信息，利用卫星遥感数据对植被生长季节进行识别和外推，建立局地生长季和区域生长季之间以及表面物候生长季和卫星感应生长季之间的相互关系已成为当前的热点[19-20]。此外，还可以通过研究环境因子对植物内在生长影响所发生的生理机制，建立可预测植物未来生长变化的模型[21]，进一步定量研究气候变化对植物生长的影响。

城市森林可提供与人类健康和幸福感相关的服务，同时，其对于气候控制的重要作用正得到越来越多的关注，然而，关于城市木本植物对气候变化脆弱性的研究很少，这就限制了物种评估气候风险的能力[22]。合欢(Albizia julibrissin)是黄土高原区应用频率较高的城市绿化树种，隶属于豆科合欢属，为落叶乔木，花期6—7月，果期8—10月。本研究以合欢为例，通过探讨气候变化对黄土高原城市园林绿化植物的影响，明确气候变暖背景下城市园林植物的季相变化，旨在为城市园林植物的四季景观设计和种植栽培提供依据，同时，也为评价城市森林调节城市气候、探讨城市森林对气候变化的响应以及提高城市潜在生产力、积累环境资本等方面提供借鉴作用。

1 资料与方法

合欢物候数据及同期气象资料均取自临汾国家农业气象观测站，气象站周围的下垫面类型能够代表合欢生长的自然环境，采用平行观测法，即同时观测生物物候现象和气象因子的变化，以研究其相互关系[20,23]。为了揭示合欢生长发育不同阶段的时序变化特征以及其对气候变化的响应，选择展叶始期、开花始期、果实成熟期、叶变色始期和落叶末期作为指示物候期。其中展叶始期的标准是观测树上有个别枝条上的芽出现第一批平展的叶片，开花始期的观测标准是观测树上有一朵或同时几朵花的花瓣开始完全开放，当观测的树木上有一半的果实变为成熟的颜色即为果实成熟期；观测的树木叶子在秋天第一批开始变色即为叶变色始期，落叶末期的观测标准为秋季树上的叶子几乎全部脱落[24]。

将临汾合欢1983—2021 年各物候发生日期转换成序日，即从1月1日算起的顺序天数，得到各物候期的时间序列。利用线性回归方法分析各气象因子及物候期的逐年变化趋势。采用Morlet小波分析对气象因子进行周期分析[25]。通过计算物候期与气象因子的相关系数，拟合出气象因子对各物候期的影响程度。

2 结果与分析

2.1 临汾气候变化特征

由1983—2021年临汾平均气温变化曲线（图1）可以看出，临汾年平均气温呈上升趋势，趋势率为0.74℃/10 a，通过0.01 置信水平检验，近39 年，临汾年平均气温升高了2.9℃。从5年滑动平均气温来看，临汾气温趋势可划分为6 个阶段，1983—1991、1996—2002、2012—2019 年为气温明显升高阶段，1991—1996、2002—2012、2019—2021 年为气温相对平稳阶段，且气温明显升高阶段与相对平稳阶段交替出现。

图1 1983—2021年临汾年平均气温变化趋势

从季节来看，春季升温最明显、升温速率最快（图2），倾向率达1.03℃/10 a，冬季、夏季和秋季依次递减，分别为0.71、0.63、0.62℃/10 a，气候变暖在季节上表现出不对称的特点，即各季节的升温速率不同。

图2 1983—2021年临汾四季平均气温变化趋势

近39 年来，临汾年日照时数变化趋势不明显，年降水量呈丰枯交替变化（图3）。为了明确临汾年降水量的周期特征，采用Morlet小波函数分析1983—2021年间临汾降水周期变化情况。由图4a可知，2000年以前，8、12 年的周期表现较为明显，而2000 年以后，6、14～15年左右的短期表现较为明显。为了进一步验证临汾年降水变化的周期性，计算小波方差变化情况（图4b），小波方差曲线上的极值对应的实际尺度是振荡信号强的周期，图4b显示在6、15年上对应小波方差的极值，即为临汾年降水量变化的主要周期。

图3 1983—2021年临汾逐年降水量和日照时数

图4 临汾年降水量小波实部(a)和小波方差(b)

2.2 临汾合欢物候特征

2.2.1 临汾合欢物候期基本特征1983—2021 年临汾合欢展叶始期一般出现在4—5 月上旬，最大振幅为25 d，出现在2018、1983年，平均出现日期为4月23日；开花始期一般出现在5月中旬—6月中旬，最大振幅为35 d，平均出现日期为6月2日；果实成熟期出现在8月下旬—10月上旬，最大振幅为42 d，平均出现日期为9月18 日；叶变色始期出现在9 月下旬—10 月中旬，最大振幅为28 d，平均出现在10月6日；落叶末期出现在10 月中旬—11 月中旬，最大振幅为32 d，平均出现日期为11月6日。从临汾合欢各物候期最早最晚出现的日期差异情况来看，合欢是先叶后花植物，各物候期的出现具有顺序相关性[26]，1983年以来，各物候期最大振幅相差1个月左右，其中相差最长的为果实成熟期，相差最少的为展叶始期。

2.2.2 临汾合欢物候期年际变化规律 由图5 可知，1983 年以来，临汾合欢春季物候期呈波动下降趋势，表现为春季物候期提前，其中展叶始期较开花始期的波动幅度小，展叶始期和开花始期平均每10年分别提前4.1、4.5 d；秋季物候期较春季波动幅度大，其中果实成熟期呈微弱上升趋势，平均每10 年推迟2.7 d，叶变色始期和落叶末期变化趋势不明显，总体来看，临汾合欢的整个生长季长度相对延长。

图5 临汾合欢物候期年际变化

2.2.3 临汾合欢不同物候期持续日数变化1983 年以来，临汾合欢展叶始期至开花始期持续日数为29～53 d，平均持续日数为40 d；开花始期至果实成熟期持续日数为69～134 d，平均持续日数108 d；果实成熟期至叶变色始期持续日数集中在2～39 d，平均持续日数18 d；叶变色始期至落叶末期持续日数为2～46 d，平均持续日数31 d；临汾合欢生长季展叶始期至落叶末期持续日数为176～221 d，平均生长季长度为197 d。

1983—2021 年临汾合欢不同物候期的持续日数不同。其中展叶始期至开花始期、果实成熟期至叶变色始期、叶变色始期至落叶末期的持续日数没有明显变化趋势，而开花始期至果实成熟期的持续日数呈显著增加趋势，平均每10 年延长7.2 d，故临汾合欢整个生长季长度表现为明显的增加趋势的主要贡献来自开花始期至果实成熟期的延长，平均每10年延长5.6 d。

2.2.4 临汾合欢各物候期间相关分析 由表1 可见，开花始期对展叶始期、叶变色始期对果实成熟期、生长季长度对落叶末期的响应为正相关关系，相关系数均达到极显著水平，即展叶始期越早，开花始期越早；果实成熟越早，叶变色越早；落叶末期越晚，生长季越长。展叶始期和开花始期对生长季长度的响应均为负相关，达极显著水平，表现为展叶始期、开花始期提前，生长季长度变长。

表1 临汾合欢各物候期间相关系数

2.3 临汾合欢物候期与气象条件相关分析

由表2可见，气温对春季展叶始期、开花始期的影响主要表现为负相关，即气温越高，相应物候期越早。上年9月至当年展叶期的气温均对展叶始期产生一定影响，其中上年11 月、当年3—4 月的气温达到极显著影响水平，其他月份均达显著水平；而开花始期主要与当年3月至开花时的气温有关，当年3—6月的气温对开花始期均达到极显著影响水平。当年3、6月气温对果实成熟期表现出显著相关。气温对叶变色始期、落叶末期的影响总体来看不及对春季物候期影响大。生长季长度表现出与生长季开始前及生长季的气温高度相关，且自生长季开始与各月温度主要表现出极显著相关。

表2 临汾合欢主要物候期与气象因子相关系数

≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃的积温与各物候期的相关性较气温更大，表现为对展叶始期、开花始期和生长季长度的极显著相关，对果实成熟期的显著相关。其中≥10℃积温与展叶始期、果实成熟期、生长季长度的相关系数最大，≥5℃积温与开花始期相关系数最大。叶变色始期、落叶末期与各积温的相关性未达到显著性水平。

降水、日照与各物候期的相关性不及气温明显。展叶始期与当年3月日照显著负相关，日照时数越长，展叶越早；开花始期与当年3月降水及1月日照显著相关，当年3 月降水越多，1 月日照时数越长，开花越晚；果实成熟期与当年3 月、6 月降水显著负相关，降水越多，果实成熟越早；叶变色始期与当年6月日照显著相关，6月日照时数越长，叶变色始期越晚。降水及日照同合欢物候的相关性从侧面表明合欢喜光、不耐水涝的特性。

总体而言，气象条件对叶变色始期和落叶末期的影响不及对春季物候期的影响明显。秋季的叶变色始期及落叶末期同果实成熟期的相关性更大。

3 结论

1983—2021 年临汾地区增温趋势明显，倾向率为0.74℃/10 a，其中春季升温速度最快，倾向率达1.03℃/10 a，气候变暖在季节上表现出不对称的特点；年日照时数变化趋势不明显；年降水量存在14～15 年和6 年左右的周期。

近39年来，临汾合欢展叶始期、开花始期、果实成熟期、叶变色始期、落叶末期平均出现日期分别为4月23 日、6 月2 日、9 月18 日、10 月6 日、11 月6 日。春季物候期提前，秋季物候期变化不明显，生长季长度相对延长，平均每10年延长5.6 d。

各物候期的发生具有顺序相关性，展叶始期、开花始期、落叶末期与生长季长度均呈极显著正相关，展叶始期与开花始期、果实成熟期与叶变色始期呈极显著正相关。

在各气象要素中，气温与积温是影响临汾合欢春季物候期的最主要因子，其中上年11月至当年展叶前的温度及≥10℃积温对展叶始期影响最为显著，当年3月至开花前的气温及≥5℃积温对开花期影响最显著。降水量和日照时数对各物候期影响相对较弱。

影响各物候期早晚的因子各不相同，其中春季的展叶始期及开花始期对气温、积温的影响表现为极显著相关，果实成熟期对气温、积温的影响表现为显著相关；而秋季叶变色始期、落叶末期与气象因子相关性较小，主要受前序物候期发生日期影响。

4 讨论

（1）本研究结果表明，临汾地区合欢春季物候期对气候变化具有明显的响应，而秋季物候期对气候变暖的响应较为迟钝。这与吕爱丽等[27]的研究结果基本一致，而与李燕等[28]分析的展叶期变化趋势不明显、秋季物候期呈推迟趋势有所出入，主要原因在于选取的时间段不同，临汾1983—2004 年平均气温为13.0℃，2005—2021 年平均气温为14.3℃，后17 年平均气温较前22 年平均气温升高了1.3℃，且春季气温升高速率较秋季快，所以临汾合欢各物候期呈现了不同的变化趋势。

（2）自然物候变化不仅受气温、降水、日照等气象因子的影响，水文、土壤、种内种间竞争及个体的生物学特性等因素也会对物候产生一定影响，笔者仅分析了影响临汾地区合欢物候的气象要素，缺乏其他相关因素变化对物候的影响分析。在今后的研究中，应从更为全面的角度分析自然物候的影响因素，这样不仅可以进一步明确影响生物物候及其分布的机理，同时对于准确的预估预测物候期，服务于农林业生产具有重要的理论和实践意义。