晉南地區不同海拔高度典型木本植物物候特征及其對氣候變化的響應*

呂愛麗，霍治國，楊建瑩

晉南地區不同海拔高度典型木本植物物候特征及其對氣候變化的響應*

呂愛麗1,2，霍治國2,3**，楊建瑩2

（1.山西省臨汾市氣象局，臨汾 041000；2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044）

基于1983?2016年臨汾市不同海拔高度上3個農業氣象觀測站（堯都區、隰縣、安澤縣）的6種典型木本植物物候期和溫度的觀測資料，統計分析其變化特征及相互影響。結果表明：（1）研究區年及四季氣溫整體呈上升趨勢，堯都區增溫幅度最大，春季增溫極顯著；月平均氣溫除隰縣個別月份略有下降外，大多以增溫趨勢為主，其中3月增溫極顯著（P＜0.01），是年平均氣溫升高的主要因素。（2）研究區內木本植物物候期最早和最晚平均相差1～2個月，物候期變化呈現較強的區域性特征，堯都區和安澤的木本植物春季物候期提前，秋季物候期推遲，植物生長季延長；隰縣木本植物春季物候期推遲，秋季物候期提前，植物生長季呈縮短趨勢。（3）木本植物展葉始期對年、春季及展葉前1～2個月的平均氣溫響應顯著，隨著氣溫升高，木本植物展葉始期表現為一致提前趨勢；木本植物落葉末期在堯都區和安澤縣隨著氣溫的升高表現為明顯的推遲趨勢，受年、秋季及落葉前1個月的平均氣溫影響顯著，在隰縣隨氣溫的升高表現為普遍提前趨勢，受年均氣溫變化影響顯著；隨著氣溫升高堯都區和安澤縣的木本植物生長季延長，隰縣木本植物生長季變化不明顯。說明晉南地區不同海拔高度的氣溫及其變化趨勢存在較大差異；各代表站典型木本植物的物候期和生長季對氣候變化的響應不同。

物候變化；木本植物；物候；溫度變化；合歡；懸鈴木；毛白楊；核桃；刺槐；旱柳

物候是指植物長期適應環境條件影響而出現的以年為周期的自然現象[1?2]，自然物候是記錄全球環境變化最直接和最有效的依據[3]，物候變化不僅反映了當時當地的氣候和環境狀態，而且還反映了過去一段時間內氣候條件的積累對生物和非生物的綜合影響[4]，自然物候作為指示氣候變化的重要指標[2]，還可用來指示季節變化及生態系統對環境變化的響應和適應[5]，因而也被視為大自然的“語言”[1]和全球氣候變化的“診斷指紋”[6]，因此，全球氣候變暖背景下，物候對氣候變化的響應研究已成為物候學關注的焦點[7?11]。

IPCC第五次評估報告指出[12]，近百年來全球地表溫度明顯上升，中國的陸地升溫幅度高于全球平均水平，《中國氣候變化藍皮書》稱，中國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區，1951?2017年，中國地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率為0.24℃·10a?1，而近20a是20世紀初以來的最暖時期，升溫趨勢十分明顯。大量研究表明，隨著氣候變暖，植物的物候期發生了明顯變化，持續升溫使中國大部分地區木本植物的春季物候期提前，秋季物候期推遲，生長季呈延長趨勢[13?23]；國際物候園觀測資料表明，北美、歐洲、地中海等地的木本植物物候期也出現了類同的自然現象[24?27]。隨著氣候變暖，全球及中國的木本植物物候表現為協同變化的特征，同時存在區域差異，在春季物候期普遍提前的情況下，中國西南地區東部、長江中下游地區[3]及科爾沁沙地[11]也有春季物候期推遲的現象，同時，李強等[28]研究認為黃土高原植被物候生長季始期有71.71%的區域呈提前趨勢，26.29%的區域有推遲趨勢，生長季末期有38.73%的區域具有提前趨勢，61.27%的區域有推遲趨勢，由此可見，不同地區木本植物物候隨氣候變化存在較大差異。

臨汾地處山西南部，大體輪廓呈“凹”字形分布，中部為臨汾盆地，西部是呂梁山脈，東部由北向南為太岳山、中條山，海拔高度從最低處的385.1m到最高處2346.8m，境內有山地、丘陵、盆地三大地形單元，地形結構復雜，氣候垂直變化較大，存在明顯的區域小氣候特征，對植物物候期產生較大影響，到目前為止，針對氣候變化對該地區木本植物物候的影響雖有研究，但精細化程度不高，僅有文獻對堯都區的合歡進行了分析[20]，不能代表區域內不同地形特征，因此，地方性的物候研究有待廣泛開展。本研究分析了近34a臨汾市不同海拔高度代表性木本植物物候和氣候變化特征及物候對氣候變化的響應，以揭示全球氣候變暖背景下，區域氣候變化對木本植物物候的影響，為當地的經濟發展和生態環境建設提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

依據觀測時間長、連續性好、代表性強的原則，選取臨汾市境內不同海拔高度的3個（堯都區、安澤縣和隰縣）農業氣象觀測站1983?2016年木本植物物候觀測數據（其中懸鈴木為1988?2016年），木本植物為當地較常見、分布廣泛且發育正常的6種植物（表1），每個地區2種，可代表不同海拔、不同地形植物物候期特征，其中隰縣觀測樹種旱柳于2011年從氣象局西坡觀測場西60m處更換至氣象局東坡觀測場東北60m處，坡向改變，海拔高度和樹齡無變化，觀測樹種刺槐位置未變，1997年后更換觀測對象，樹齡偏少20a左右。氣象資料來源于臨汾市氣象局數據庫，選取資料為當地同期地面逐日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫，氣象觀測站點位置均未改變，氣象報表數據均通過審核。

表1 觀測站點及植物種類

1.2 數據處理與研究方法

物候觀測數據均采用Julian日換算法，將逐年各物候期出現日轉換成距1月1日的實際天數，得到各物候的時間序列。

物候及溫度變化趨勢均采用一元線性回歸法計算其變化率，即

y=kx+b （1）

式中，y為物候期或溫度值，x為年，k為傾向率。將k值擴大了10倍，即每10a的變化值。

四季劃分采用氣象劃分法，以3?5月為春季，6?8月為夏季，9?11月為秋季，12月?翌年2月為冬季。

2 結果與分析

2.1 各站點不同時間尺度的平均氣溫變化趨勢分析

2.1.1 年平均氣溫

對1983?2016年堯都區、安澤縣和隰縣氣溫觀測數據分析可知（表2），海拔相對較低的堯都區氣溫明顯高于隰縣和安澤縣，年均氣溫偏高3℃以上，安澤縣和隰縣年平均氣溫相近，但隰縣的低溫高于安澤縣，高溫則低于安澤縣。

1983?2016年堯都區、安澤縣、隰縣年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均表現為上升趨勢（圖1），與全球氣溫變化趨勢一致[7]，其中海拔相對較低的堯都區增溫幅度最大，年平均增溫率為0.728℃·10a?1（P<0.01），低溫（0.990℃·10a?1，P<0.01）增長率大于高溫（0.554℃·10a?1，P<0.01）；安澤縣增溫幅度小于堯都區，高溫極顯著增加（0.447℃·10a?1，P<0.01），平均氣溫和最低氣溫變化趨勢不明顯；隰縣年增溫幅度最小，高溫顯著增加（0.333℃·10a?1，P<0.05），平均氣溫和最低氣溫變化趨勢不明顯。可見，受地形影響，隨海拔升高，增溫幅度逐漸降低，且低海拔地區低溫增幅大于高溫，高海拔地區高溫增幅大于低溫。

2.1.2 四季平均氣溫

由圖2可見，各站點四季平均氣溫存在明顯差異，其中夏季氣溫最高，春季氣溫略高于秋季，冬季氣溫最低，并且海拔相對較低的堯都區四季氣溫明顯高于隰縣和安澤縣，其中冬季溫差最大，偏高幅度平均在3.7～3.9℃。由1983?2016年各季平均氣溫的線性變化趨勢可知，近年來，堯都區、隰縣、安澤縣四季平均氣溫均呈上升趨勢，其中堯都區升溫幅度最大，四季平均氣溫升幅均通過0.01水平的顯著性檢驗，春季升溫最多，線性變化率為1.014℃·10a?1；安澤升溫幅度次之，春季平均氣溫升幅通過0.01水平的顯著性檢驗，線性變化率為0.354℃·10a?1，秋季平均氣溫升幅通過0.05水平的顯著性檢驗，線性變化率為0.305℃·10a?1；隰縣升溫趨勢最弱，僅春季平均氣溫升幅通過0.05水平的顯著性檢驗，線性變化率為0.361℃·10a?1。可見，研究區春季氣溫升溫突出，堯都區升溫趨勢最顯著。

內容型激勵理論著重研究激發動機的誘因，是從“人到底追求什么”去研究“用什么去激勵員工”這一問題而形成，以人的需要為研究重點。該理論主要包括：馬斯洛的需要層次理論、奧德弗的ERG理論、赫茲伯格的雙因素理論和麥克利蘭的成就需要理論。

表2 三站1983?2016年年氣溫數據統計（℃）

圖1 1983?2016年三站點年平均氣溫變化趨勢

圖2 1983?2016年三站點四季平均氣溫對比分析

注：*、**分別表示該站點季平均氣溫線性變化趨勢通過0.05水平和0.01水平顯著性檢驗。

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 月平均氣溫

由表3可知，堯都區各月氣溫變化趨勢一致，月平均氣溫、月平均最高和最低氣溫均呈上升趨勢，其中平均氣溫、平均最低氣溫變化尤其明顯，除1月外，其它月份變化傾向率均達極顯著水平（P<0.01），平均最高氣溫變化傾向率3?6月達極顯著水平（P<0.01），升溫最明顯的是3月，升幅為1.461℃·10a?1；安澤縣除1月、5月平均最低氣溫略有下降外，其余月份氣溫均上升，但升溫趨勢明顯低于堯都區，僅3月平均氣溫、平均最高氣溫和6月平均最高氣溫變化傾向率達極顯著水平（P<0.01），升溫最高的3月，平均氣溫升幅為0.839℃·10a?1；隰縣氣溫變幅較大，5、8、9及12月的平均氣溫，9月平均最高氣溫，1、4、5、6月及12月平均最低氣溫呈下降趨勢，5月平均最低氣溫下降率達顯著水平（P<0.05），其余月份氣溫呈上升趨勢，3月升溫明顯，平均氣溫、平均最高氣溫變化傾向率達極顯著水平（P<0.01），平均最低氣溫變化傾向率達顯著水平（P<0.05），平均氣溫升幅為0.877℃·10a?1。可見，低海拔地區，各月升溫趨勢一致，升溫明顯，且低溫升幅普遍大于高溫；隨著海拔遞增，升溫趨勢減弱，高海拔地區個別月份出現了降溫趨勢，且高溫升溫率普遍大于低溫；全年3月升溫幅度最大，升溫趨勢顯著。

注：*、**分別表示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、生長季及變化趨勢

2.2.1 物候期

由表4可以看出，研究區內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楊，開花始期平均日出現在3月中旬末，由于毛白楊花芽所需溫度低于葉芽，開花始期比展葉始期平均提前25d，展葉較早的是旱柳，展葉始期在4月上旬，比展葉期較晚的合歡、刺槐和核桃提前20d左右，合歡的花期在6月初?7月上旬，開花時間最晚，持續時間最長，花期達1個月左右。木本植物秋季物候期始期集中在9月下旬末?10月上旬，發生較早的核桃、毛白楊、刺槐和旱柳葉變色始期平均日出現在9月26?27日，平均日相差1d左右；落葉末期集中在10月下旬末?11月上旬初，前后相差在10d以內，懸鈴木落葉末期最晚，平均在12月上旬，其中2015?2016年整個冬季懸鈴木果實宿存，樹葉干枯未落。可見，木本植物物候期存在較大差異。

表4 1983?2016年研究區典型木本植物平均物候期（懸鈴木為1988?2016年）

2.2.2 物候期變化趨勢

由表5物候期變化傾向率可知，堯都和安澤地區木本植物春季物候期提前，秋季物候期普遍推遲，春季的變化率普遍大于秋季，其中懸鈴木的變化趨勢最顯著，落葉末期變化率最大，推遲速率為17d·10a?1；隰縣的木本植物春季物候期推遲，秋季物候期提前，花期到落葉始期變化趨勢顯著，其中旱柳的葉變色期變化率最大，提前速率為13d·10a?1；展葉始期和落葉末期變化趨勢均不明顯，可見，同一地點的木本植物物候期變化趨勢基本一致，不同海拔高度木本植物物候期變化趨勢存在明顯的差異。

表5 1983?2016年木本植物物候期線性變化率（d·10a?1）

注：“+”表示物候期推遲，“?”表示物候期提前。

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

2.2.3 植物生長季及其變化趨勢

將展葉始期（春季第一個物候期）?落葉末期（秋季最后一個物候期）作為木本植物生長季。統計結果表明，研究區內木本植物生長季平均天數表現為懸鈴木（244d）>旱柳（213d）>毛白楊（195d）>合歡（194d）>核桃（187d）>刺槐（185d），可見，木本植物生長季長度相差較大，最多達2個月左右。

由圖3可知，堯都和安澤地區的木本植物生長季表現為一致的延長趨勢，其中懸鈴木的生長季表現極顯著延長（P<0.01），線性變化率為22d·10a?1，合歡、毛白楊和核桃的生長季延長趨勢顯著（P<0.05），線性變化率為2～4d·10a?1，隰縣的木本植物生長季總體表現為縮短趨勢，變化趨勢不明顯，刺槐的生長季出現了先縮短，后延長的趨勢，拐點在2002年。可見，植物生長季長度變化與海拔高度存在一定關系。

2.3 各站點木本植物物候對氣溫變化的響應

2.3.1 春季第一個物候期的響應

溫度是影響植物物候期早晚的關鍵氣象因子[15,28]，對代表站木本植物展葉始期與不同時段平均氣溫作相關分析。由表6可知，木本植物的展葉始期與前期月平均氣溫表現為一致的負相關，即隨著溫度升高，春季物候期提前，展葉始期早晚受物候期當月及前1～2個月平均氣溫影響顯著，植物物候始期與3月平均氣溫相關性最好，其中懸鈴木、合歡、核桃、毛白楊的相關系數均通過0.01水平的顯著性檢驗，相關系數在?0.637～?0.472，展葉始期較早的旱柳與2月平均氣溫極顯著相關（P<0.01），展葉期較晚的合歡和核桃與4月平均氣溫極顯著相關（P<0.01），刺槐的物候期對溫度變化反映不敏感。就季節和年尺度而言，木本植物展葉始期隨春季及年均氣溫的升高呈提前趨勢，受春季氣溫影響極顯著，除刺槐外，均達極顯著相關水平，相關系數在?0.682～?0.493；木本植物展葉始期與年平均氣溫的相關性稍弱，合歡和懸鈴木表現為極顯著相關。可見，研究區木本植物展葉始期對氣溫變化響應一致，但響應程度存在較大差別。

2.3.2 秋季最后一個物候期的響應

進一步對木本植物落葉末期與平均氣溫作相關分析，由表7可知，隨著前期氣溫升高，木本植物落葉末期普遍呈推遲趨勢，其中懸鈴木、毛白楊、核桃的落葉末期與前1個月平均氣溫極顯著相關（P<0.01），相關系數在0.497～0.612，合歡、旱柳和刺槐的落葉末期與前期氣溫相關不顯著。

圖3 1983?2016年各站木本植物生長季的年際變化

表6 各站點木本植物展葉始期（第一個物候期）與不同時段平均氣溫的相關系數

就季節尺度和年尺度而言，研究區木本植物落葉末期隨秋季氣溫升高呈普遍推遲趨勢，懸鈴木、毛白楊和核桃的落葉末期與秋季的平均氣溫極顯著相關（P<0.01），相關系數在0.497～0.612；隨年均氣溫的升高，堯都區和安澤的木本植落葉末期均表現為推遲趨勢，隰縣木本植物落葉末期表現為提前趨勢，懸鈴木和旱柳的落葉末期與年均氣溫極顯著相關，相關系數分別為0.748和?0.520，毛白楊和刺槐的落葉末期與年均氣溫顯著相關，相關系數分別為0.343和?0.4.01，可見，木本植物的落葉末期隨氣溫變化趨勢存在明顯的區域性特征，隰縣木本植物落葉末期表現為提前趨勢，這可能與隰縣氣溫變化或樹齡、坡向改變等多因素有關，有待進一步研究。

表7 各站點木本植物落葉末期（最后一個物候期）與不同時段平均氣溫的相關系數

2.3.3 生長季長度的響應

由表8可知，懸鈴木、合歡、毛白楊、核桃的生長季長度隨氣溫升高呈延長趨勢；旱柳和刺槐的生長季長度隨氣溫升高則表現為縮短趨勢，其中懸鈴木生長季對氣溫變化響應最敏感，除冬季（P<0.05）外，相關性均達極顯著水平（P<0.01），

其次是毛白楊，除夏季外，與年及其它季節平均氣溫達極顯著和顯著相關水平，合歡生長季與年及夏季均溫顯著相關，核桃生長季與年及秋季均溫顯著相關，旱柳生長季與春季均溫顯著相關，可見，隨著氣溫升高，研究區木本植物生長季變化存在一定差異。

表8 木本植物生長季與不同時段平均氣溫的相關系數

3 結論與討論

3.1 討論

（1）隨著全球氣候變化，研究區植物物候響應敏感，且二者表現出協同變化的特征，在氣候變暖背景下，汾河河谷及太岳山一帶的木本植物，春季物候期提前，秋季物候期推遲，生長季呈延長趨勢，與國內大部分研究結果一致[29?32]，呂梁山區的木本植物，春季物候期推遲，秋季物候期提前，李強等[28]在研究黃土高原植物物候變化特征時有相同的結論。物候變化是多種氣候要素綜合作用的結果，研究認為，溫度是影響植物物候的最重要氣候因素[29,33]，升溫可改變植物的休眠時間[34]，低溫、短日照是落葉植物葉片萎蔫的主要影響因子[35]，地處呂梁山區的隰縣，4?6月平均最低氣溫、8?9月平均氣溫、9月平均最高氣溫均出現下降趨勢，其中5月平均最低氣溫顯著下降，趙桂香等[36]研究表明山西夏季為變冷趨勢，因此，生長季氣溫降低對隰縣植物物候變化產生了不同影響。

（2）本研究結果堯都區合歡展葉期顯著提前與李燕等[20]展葉期推遲的結果略有出入，主要是選取的時間段不同。觀測資料表明，2004年以后堯都區氣溫大幅升高，其中2005?2016年年均氣溫比1982?2004年年均氣溫增加了1.11℃，氣溫升高導致物候期提前這一結論與大多研究結果一致[4?5,17?19]。

（3）隰縣木本植物春季物候期推遲，秋季物候期提前，生長季表現為不顯著的縮短趨勢，雖然與國內一些研究結果不同[13?15,29]，但也有相同的研究結論[3,11,28]，這可能與隰縣個別月份氣溫降低有一定關系。同時對觀測數據分析表明，隰縣觀測樹旱柳2011年更換位置后，春季物候期推遲了5～10d，葉變色期提前了7～12d，刺槐1997年更換觀測樹后春季物候期推遲了2～7d，秋季物候期提前了5～22d，由此可知，木本植物生長位置、朝向、樹齡對植物物候和生長季也可能產生較大影響。

（4）自然物候是氣象、水文、土壤、自然環境等綜合因素影響的反映[1]，本研究僅從溫度變化對物候的影響進行了探討，缺乏其它因素對物候期影響的分析，也沒有考慮植物本身的生物學特性差異，今后將進一步研究。

3.2 結論

（1）1983?2016年研究區氣溫整體呈上升趨勢，受地形影響處于臨汾盆地的堯都區平均氣溫與升溫幅度均大于東西山區的安澤和隰縣，且低海拔地區的低溫增幅大于高溫，高海拔地區的高溫增幅大于低溫。各季平均氣溫總體呈上升趨勢，春季升溫極顯著，夏季升溫幅度最小。堯都區及安澤各月增溫趨勢一致，隰縣個別月份出現降溫趨勢，其中3月增溫趨勢極顯著，是拉動年平均氣溫升高的主要因素。

（2）研究區內木本植物物候期和生長季存在較大差異，相同物候期早晚相差1～2個月，堯都和安澤地區木本植物春季物候期提前，秋季物候期推遲，植物生長季呈延長趨勢；隰縣木本植物春季物候期普遍推遲，秋季物候期普遍提前，生長季變化趨勢不顯著。

（3）隨溫度升高，研究區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個月的平均氣溫影響明顯，其中3月氣溫極顯著升高，對木本植物物候始期顯著提前起到關鍵作用。植物落葉末期在堯都區和安澤的植物隨著溫度升高，物候期推遲，并且受年、秋季及物候期前1個月的氣溫影響顯著；在隰縣的植物落葉末期表現為提前趨勢，受年平均氣溫影響顯著。

（4）木本植物生長季長度隨溫度變化表現出明顯的區域性特征，隨氣溫升高，堯都和安澤地區木本植物生長季呈延長趨勢，隰縣木本植物生長季表現為不顯著的縮短趨勢，不同品種的植物對同一時期氣溫變化響應不同。

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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

呂愛麗,霍治國,楊建瑩.晉南地區不同海拔高度典型木本植物物候特征及其對氣候變化的響應[J].中國農業氣象,2020,41(2):65-75

2019?07?24

霍治國，E-mail：huozg@cma.gov.cn

重大自然災害監測預警與防范重點專項（2017YFC1502801）；中國氣象科學研究院科技發展基金項目（2018KJ012）

呂愛麗，E-mail：lvaili1@163.com