近55年來民勤綠洲胡楊林物候對氣候變化的響應

武 紅，張松林，季 云

（1.西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州730070；2.南京大學 地理與海洋科學學院 海岸與海島開發教育部重點實驗室，南京210046）

植被是陸地生態系統中最重要的組分［1］，同時植被物候是地球與大氣科學應用中研究植被生命周期及其與氣候關系的一個重要參量［2］，因而物候變化在確定植物如何響應區域氣候和氣候變化方面，被公認為是最敏感、最理想的重要感應器［3－8］。有關植被與氣候變化響應的研究，國內外已有較多成果。在國外，Sparks等［9］研究了英國11個植物物種58a的平均開花時間，發現由于氣候變暖，春季和夏季物種的開花時間將會進一步提前。Zhou等［10］用NDVI資料分析發現，在40°N以北歐亞地區植被生長季已經延長了近18d，春天提早了7d，秋季滯后了10d；北美地區生長季也延長了12d，生長季的這種變化與氣溫的變化有很強的對應關系。Fitter等［11］以及 Sparks and Carey［12］對英國物候趨勢的研究認為，全球溫度升高3.15℃，春季開花將提前2周左右。在國內，陳效逑等［13］對近50a來，北京春季物候的變化分析發現，近50a來北京春季物候經歷了3個周期的早晚振蕩，近10多年來北京的物候異常偏早，這與北京連續10多年的暖冬和春季偏早一致，且未來10a春季物候仍將偏早。崔海亭等［14］利用NOAA的NDVI分析了植被物候節律，探討了在氣候年、季波動情形下植被的時空變化特征。趙茂盛等［15］針對我國不同類型植被與氣候的關系進行了研究。結果表明：在多年平均狀態下，植被NDVI變化主要受降水的影響；在年內變化上，氣溫對植被季相變化的影響大于降水［16］。

隨著全球氣候變化、自然條件的惡化和人為干擾，胡楊的生存正受到日益嚴重的威脅。為改變這一狀況，更好地保護胡楊這一抗風沙、耐鹽堿、抗熱、抗旱的優良種質資源［17］，認識胡楊林對氣候變化的響應成為亟待解決的科學問題。本文通過胡楊對氣候變化的響應研究，將為當地提出應對氣候變化的有效措施，為保護胡楊林，恢復生態環境，促進區域可持續發展提供參考和依據。

1 研究區概況

民勤綠洲位于甘肅河西走廊東端北側石羊河下游，西、北、東三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，南靠武威盆地，地處于 38°05′—39°06′N，102°02′—103°02′E，面積約1.6萬km2，包括壩區、泉山區、湖區3個灌溉農業區［18］，是我國風沙危害最嚴重和水資源最缺乏的地區之一。該區為典型的溫帶大陸性荒漠氣候，氣候干燥，多年平均氣溫8.3℃，多年平均降水量115.9mm，平均蒸發量為2 637.7mm，年平均風速2.8m／s，全年平均揚沙59d，全年沙塵暴日數27d。地貌類型為平原、沙漠和低山丘陵，地帶性土壤以風沙土、灰棕漠土、草甸土、草甸沼澤土為主，非地帶性土壤為灌漠土。境內胡楊林等天然植被退化嚴重、沙塵暴頻發，已嚴重危害到人民生命財產的安全和社會經濟的發展。

2 資料與方法

選取民勤氣象站1955年1月1日到2009年12月31日的日平均氣溫資料，資料源于國家氣象信息中心。胡楊年生長期開始于日平均氣溫穩定≥5℃左右，終止于氣溫＜5℃；所謂“穩定”，就是指生長期后期不再出現連續平均氣溫低于5℃或高于5℃的天數。胡楊自葉芽膨脹開始，到冬初黃葉脫落；其中，春季胡楊展葉始于日平均溫度14℃，稱為展葉始日；秋天胡楊部分葉子開始變黃，稱為葉黃始日，始于日平均溫度18.5℃［19－20］。但一般葉黃期不包括因為干旱、炎熱、病蟲害或其他原因引起的葉子變黃現象［21］。將開始日轉化為日序數（即用站點中各時期開始日開始最早的那一天記為1，第二天記為2，…，依此類推），并計算出各期天數。利用Mann－Kendall非參數統計檢驗法對民勤綠洲胡楊年生長期開始日、終止日及其生長天數進行突變分析，以確定較可靠的突變年份［22］。Mann－Kendall非參數檢驗法是進行氣候變化客觀性檢測中一種很好的方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，是檢驗時間序列的理想方法。

3 結果與分析

3.1 胡楊年生長期變化趨勢

近55a來，民勤綠洲胡楊年生長期開始日有提早趨勢，終止日有明顯推遲趨勢（圖1，表1）。其變化傾向率分 別為 －0.99d／10a，1.48d／10a（α＝0.01），55a共計提早了5.4d，推遲了8.1d。胡楊平均年生長期開始日為3月22日，最早為2006年3月5日，最晚為1996年4月7日。胡楊平均年生長期終止日為10月26日，最早為1957年10月14日，最晚為1998年11月14日。胡楊年生長期天數有顯著延長趨勢，其變化傾向率為2.48d／10a（α＝0.01），55a共計延長了13.6d。胡楊平均生長期為218d，最短在1987年，為198d；最長在2006年，長達251d。從年代際變化看，1955—1970s，胡楊開始日由3月20日推遲到3月28日；之后開始日逐漸提早，到2001—2009年，提早到3月17日，比1970s和1980s分別提早了11d，8d。1960s—1970s，胡楊年生長期終止日逐漸提早，1980s比1960s提早了3d，而1980s之后，年生長期終止日又逐漸推遲，到2001—2009年，推遲到11月2日，比1960s和1970s分別推遲了5d和8d。1955—1960s，胡楊年生長期由215d延長到218d；1960s—1970s逐漸縮短到211d；1970s之后，又開始延長，到2001—2009年，延長至230d，比1970s延長了19d。胡楊年生長期在2001—2009年延長最為顯著，這與1980s以來西北地區木本植物春季物候期提前，特別是21世紀初我國北方地區顯著增溫、致使生長季延長的結論相一致［23－24］。

圖1 民勤綠洲胡楊年生長期變化趨勢

表1 民勤綠洲胡楊年生長期年代際變化趨勢

3.2 胡楊展葉始日和葉黃始日變化趨勢

民勤綠洲胡楊展葉始日有明顯提早趨勢，其變化傾向率為－1.14d／10a（α＝0.05），近55a共提早了6.3d（圖2）。胡楊平均展葉始日為4月22日，最早為2009年4月8日，最晚為1976年5月7日。胡楊葉黃始日有明顯推遲趨勢，其變化傾向率為1.27 d／10a（α＝0.05），近55a共推遲了7d（圖2）。胡楊平均葉黃始日為9月5日，最早為1978年和1979年8月24日，最晚為1987年9月22日。從表2可以看出，1955—1960s，胡楊展葉始日由4月24日提早到4月22日；1970s為4月25日；從1980s開始逐漸提早，到2001—2009年，提早到4月18日，比1970s，1980s和1990s分別提早了7d，6d和2d。從1955—1960s，胡楊葉黃始日由9月2日推遲到9月5日；從1980s開始逐漸推遲，到2001—2009年，推遲到9月9日，比1970s，1980s和1990s分別推遲了7d，3d和2d（表2）。

可見，胡楊展葉始日與葉黃始日的年際變化趨勢，與1970s全球氣溫尤其是北半球偏冷、1980s以后全球氣候開始變暖，民勤綠洲秋季氣溫增幅明顯、天數延長的結論相一致［25－27］。

3.3 胡楊年生長期與其月平均氣溫相關性分析

相關分析表明，近55a來，民勤綠洲胡楊年生長期終止日、天數、葉黃始日與其對應的10月、3—11月、9月平均氣溫呈顯著正相關關系（圖3），相關系數分別為0.580 5，0.610 7，0.489 9，（α＝0.01）；而胡楊年生長期開始日、展葉始日與其對應的3月和4月平均氣溫呈顯著的負相關，相關系數分別高達0.728 7，0.660 3（α＝0.01）。可見，月平均氣溫是影響民勤綠洲胡楊生長的主要因素。這與已有研究［26］表明的“民勤綠洲春、夏、秋季開始日提早和冬季開始日推遲，且以21世紀初最為顯著”的結論相一致。

表2 民勤綠洲胡楊展葉始日與葉黃始日年代際變化趨勢

圖2 民勤綠洲胡楊展葉始日和葉黃始日變化趨勢

圖3 民勤綠洲月平均氣溫和胡楊生長期之間的相關性

3.4 胡楊年生長期開始日、終止日、天數、展葉始日及葉黃始日的突變分析

采用Mann－Kendall非參數統計檢驗方法對民勤綠洲胡楊年生長期開始日、終止日、天數、展葉始日和葉黃始日進行突變檢驗，來確定比較可靠的突變年份。胡楊年生長期開始日具有多個突變，分別發生在1957年、2005年和2007年；年生長期終止日也具有多個突變，發生在1961年、1997年和1998年，這主要與1980s以后全球開始變暖，尤其是北半球的年平均氣溫在1988年有一次突變，以及21世紀初我國北方地區增溫顯著有關［24－28］，這表明胡楊對氣候變化的響應比較明顯。當然，生長期天數也會相應發生突變，具體發生在1960年和2002年。展葉始日具有多個突變，發生在1958年、1997年和2003年；葉黃始日也具有多個突變，發生在1962年、1987年和1988年。據已有研究［29］顯示，中國冬季增溫明顯，1985年以來，中國已經連續出現了16個全國大范圍的暖冬，1998年冬季最暖，2002年次之，這表明胡楊主要物候的突變發生年份與這一結論相一致。

4 結 論

（1）民勤綠洲胡楊年生長期開始日有提早趨勢，終止日有明顯推后趨勢，胡楊生長期天數有顯著延長趨勢。胡楊年生長期開始日的提早和終止日的推遲，致使其生長期明顯延長，這一現象有利于胡楊萌芽和良好的生長發育。

（2）民勤綠洲胡楊展葉始日有提早趨勢，葉黃始日有明顯推遲趨勢。胡楊展葉始日的提早和葉黃始日的推遲，與胡楊生長發育所需營養物質的積累過程有著密切聯系。

（3）民勤綠洲胡楊年生長期終止日、天數、葉黃始日與其對應的平均氣溫呈正相關關系，而開始日、展葉始日與其對應的平均氣溫呈顯著的負相關關系。表明研究區月平均氣溫的變化趨勢密切影響著胡楊的生長發育。

（4）民勤綠洲胡楊年生長期開始日、終止日及生長期的突變分析表明，年生長期開始日、終止日、天數、展葉始日和葉黃始日發生多個突變，表明研究區胡楊林對氣候變化的相應十分敏感。

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