大興安嶺地區不同海拔高度木本植物物候期及其對氣候變化的響應

王彥平，趙子威，李洪峰

（1.內蒙古呼倫貝爾市氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008；2.內蒙古呼倫貝爾根河市氣象局，內蒙古 根河 022350；3.根河林業局生態保護建設監測中心，內蒙古 根河 022350）

0 引言

自然物候是氣候變化的敏感指示器［1－2］，作為指示氣候變化的一項可靠指標［3］，常被視為“大自然的語言”。自然物候作為指示氣候變化的重要指標，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［4］。因此，在全球氣候變暖的背景下，物候對氣候變化的響應研究已成為物候學關注的焦點［5-9］。IPCC［10］第五次評估報告指出：全球地表溫度持續上升， 2016～2035年期間相較于1998～2005年，全球均溫可能增加0.3～0.7 ℃。大量研究結果表明，中國地區氣候變化與全球氣候變化的總體趨勢一致，但是氣候變化存在明顯的區域差異［11-14］。1961～2010年中國氣溫增溫率約為0.30 ℃/10 a，約是全球年均氣溫增溫率的2.5倍，而中國北方地區是近幾十年來增溫最顯著的地區之一［10-11］。

隨著全球氣候變暖，中國的木本植物物候表現出協同變化的特征，同時存在區域差異。李強等［15］研究認為，黃土高原植被的物候生長季始期有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，不同地區的木本植物物候隨氣候變化存在較大差異。

大興安嶺是呼倫貝爾高原與松嫩平原的天然分界線，西側以緩坡斜接呼倫貝爾高原，海拔多在700～1000 m，東側作梯狀連接松嫩平原，海拔高度在200～500 m。該區域地形結構復雜，有大興安嶺山地、呼倫貝爾高原、河谷平原低地三大地形單元，局部地區氣候特征明顯且復雜，也是氣候變化敏感、對植物物候期產生較大影響的區域。到目前為止，針對氣候變化對該地區木本植物物候影響的研究尚屬空白，本研究分析了近25年大興安嶺地區不同海拔高度的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，得出在全球氣候變暖背景下，大興安嶺地區氣候變化對木本植物物候的影響，為當地退耕還林、植樹造林和生態環境建設提供科學依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

選取大興安嶺地區不同海拔高度的3個農牧業氣象觀測站（扎蘭屯市、鄂溫克旗和額爾古納市）1995～2019 年近25年的木本植物物候期觀測數據，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，可代表這一地區不同海拔、不同地形植物的物候期特征。氣象資料來源于內蒙古呼倫貝爾市氣象局數據庫，選取資料為扎蘭屯市、鄂溫克旗和額爾古納市同期的日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫。

表1 觀測站點及植物種類

1.2 研究方法

采用日序表示法將物候期出現日期換算成對應的日序，得到各物候期的時間序列。

物候及溫度變化趨勢均采取線性傾向估計，即

式 （1）中，y為物候期或溫度值，x為年，k為傾向率。將k值擴大10倍，即每10年的變化值。

用SPSS軟件分析植物物候期與溫度變化的相關性。

四季劃分以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 各區域不同時間尺度的平均氣溫變化趨勢分析

2.1.1 年平均氣溫變化趨勢 對1995～2019年扎蘭屯市、額爾古納市和鄂溫克旗氣溫觀測數據分析可知（表 2），海拔相對最低的扎蘭屯市氣溫明顯高于額爾古納市和鄂溫克旗，年均氣溫偏高4 ℃以上，海拔相對較高的額爾古納市較海拔最高的鄂溫克旗年均氣溫偏高1.2 ℃。而最低氣溫和最高氣溫，鄂溫克旗高于額爾古納市，極端最低氣溫和極端最高氣溫2地接近。

表2 1995～2019年不同區域年氣溫統計 ℃

1995～2019年扎蘭屯市年平均氣溫表現為略降趨勢，額爾古納市和鄂溫克旗年平均氣溫均表現為上升趨勢，而年平均最高氣溫3地均表現為上升趨勢（圖 1），與全球氣溫變化趨勢一致［5］；從增溫幅度分析，海拔較高的額爾古納市低山丘陵地區增溫幅度大于其他2地，年平均氣溫增幅為0.32℃/10 a，年平均最高氣溫增幅為0.85 ℃/10 a；而年平均最低氣溫3地均表現為下降趨勢，海拔最高的鄂溫克旗降溫幅度最大，為0.27 ℃/10 a，這一變化導致3地年平均氣溫略降或上升趨勢不明顯。由此可見，在全球氣候變化背景下，1995～2019年間大興安嶺山脊兩側地區表現出不同的溫度變化趨勢，嶺東低平原地區年平均氣溫略降，與全球增溫趨勢不同，年最高氣溫增溫幅度和年最低氣溫降溫幅度均小于嶺西低山丘陵和高平原地區。

圖1 1995～2019年不同區域平均氣溫變化趨勢

2.1.2 四季平均氣溫變化趨勢 由圖2可見，不同區域四季平均氣溫存在明顯差異，表現為夏季＞春季＞秋季＞冬季，并且海拔相對較低的扎蘭屯市四季氣溫明顯高于額爾古納市和鄂溫克旗，其中冬季溫差最大，偏高幅度平均在8.4～13.3 ℃。由1995～2019年各季平均氣溫的線性變化趨勢可知，3地除冬季平均氣溫呈略降趨勢外，春、夏、秋3季均呈上升趨勢；從氣溫變化傾向率分析，3地春季氣溫變化大，冬季最小，夏季和秋季接近；從不同區域季節氣溫變化趨勢分析，隨著海拔的增加，氣溫變化幅度增大，且夏、秋2季表現明顯，海拔最低的扎蘭屯市夏季和秋季氣溫線性變化率分別為0.03 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，海拔最高的鄂溫克旗分別為0.40 ℃/10 a和0.46 ℃/10 a，2地分別相差0.37 ℃/10 a和0.42 ℃/10 a。

圖2 1995～2019年不同區域四季平均氣溫對比分析

2.1.3 月平均氣溫 由表3可知，扎蘭屯市各月氣溫表現出不同的變化趨勢，平均氣溫在2、9、11和12月均呈下降趨勢，其余各月均為上升趨勢；最高氣溫在1、3、4、5、7和10月均表現為上升趨勢，其余6個月均為下降趨勢；最低氣溫在1、3、5、6、8和9月均為上升趨勢，除7月外，其余月份為下降趨勢；其中3月氣溫的變化幅度最大。額爾古納市平均氣溫和最低氣溫在1、2和12月為下降趨勢，其余各月均為上升趨勢，且5、6、8和9月在最低氣溫變化傾向率上達到顯著水平（P＜0.05）； 1、2、8和12月的最高氣溫為下降趨勢，其余各月均為上升趨勢。鄂溫克旗在1、2和12月的平均氣溫為下降趨勢，其余各月為上升趨勢；最高氣溫在1、2、11和12月為下降趨勢，其余各月為上升趨勢；最低氣溫在1和2月為下降趨勢，其余各月均為上升趨勢，且5、7、8和9月在最低氣溫變化傾向率上達到顯著水平（P＜0.05）。可見，低海拔地區各月氣溫變化趨勢較復雜，升溫和降溫交替出現，高溫升幅和降幅大于低溫升幅和降幅；隨著海拔高度的增加，升溫趨勢占據主導地位，且低溫升幅顯著大于高溫升幅；中低海拔地區3月升溫幅度最大，高海拔地區5月升溫幅度最大，隨著海拔的升高，氣溫升幅大值區延后。

表3 1995～2019 年不同區域月氣溫數據平均值的線性傾向率 ℃/10 a

2.2 各區域木本植物物候期、生長季及變化趨勢

2.2.1 物候期變化特征 由表4可以看出，研究區內木本植物春季物候期在5上旬～6月中旬，物候期最早的榆樹，開花始期平均日出現在4月末，展葉始期平均出現在5月6日，由于花芽所需溫度低于葉芽，開花始期比展葉始期平均提前6 d，平均展葉期比小葉楊和紫丁香提前14 d左右，且榆樹的花期最長，花期達1個月左右，其他物種木本植物花期均在半個月左右。木本植物秋季物候期始期集中在9月下旬，發生較早的小葉楊和紫丁香葉變色始期平均出現在9月23～28日，葉變色最晚的是山荊子，平均葉變色始期在10月12日，平均最早和最晚葉變色始期相差20 d 左右；落葉末期集中在10月中下旬，葉變色后落葉最早的是小葉楊，從葉變色末期到落葉末期僅為4 d，旱柳的落葉末期最晚，平均在10月下旬，與落葉末期最早的小葉楊相差25 d左右。可見，不同區域的木本植物物候期存在較大差異。

表4 1995～2019年研究區域典型木本植物平均物候期

2.2.2 物候期變化趨勢 由表5物候期的變化傾向率可知，扎蘭屯市和額爾古納市的木本植物春季和秋季物候期普遍推遲，秋季的變化率普遍大于春季，其中興安落葉松的變化趨勢最顯著，葉變色末期變化率最大，推遲速率為 27 d/10 a；鄂溫克旗的木本植物春季開花期提前，秋季葉變色期和落葉始期均提前，小葉楊開花末期變化趨勢顯著，提前速率為17 d/10 a，紫丁香落葉始期變化率最大，提前速率為22 d/10 a；展葉始期和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 1995～2019年木本植物物候期線性變化率 d/10 a

2.2.3 植物生長季及其變化趨勢 由圖3可見，隨著海拔的升高，植物生長季表現出不同的變化趨勢，大體為海拔高的地區植物的生長季延長趨勢明顯。低海拔的扎蘭屯市旱柳表現為顯著的延長趨勢，增長率為4.4 d/10 a，而榆樹表現為不明顯的縮短趨勢；中海拔的額爾古納市兩種植物均表現為延長趨勢，其中興安落葉松呈極顯著延長趨勢，增長率為10.3 d/10 a；高海拔的鄂溫克旗兩種植物均呈顯著延長趨勢，增長率為7.7～9.0 d/10 a。

圖3 1995～2019 年各站木本植物生長季的年際變化

2.3 各區域木本植物物候期對氣溫變化的響應

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，對代表站木本植物展葉始期與不同時段的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基本表現為負相關，即隨著溫度的升高，春季物候期提前，展葉始期早晚受物候期前1～2個月及整個春季平均氣溫影響顯著，其中扎蘭屯市的木本植物與氣溫的關系最明顯，展葉始期較早的榆樹與2月份平均氣溫呈極顯著負相關（P＜0.01），與3月、4月、春季的年平均氣溫呈顯著負相關（P＜0.05），展葉始期較晚的旱柳與3月份平均氣溫呈極顯著負相關（P＜0.01），與4月和春季平均氣溫呈顯著負相關（P＜0.05）。海拔較高的額爾古納市的山荊子和興安落葉松與各時段平均氣溫負相關關系不明顯，而海拔最高的鄂溫克旗小葉楊展葉始期只與春季平均氣溫呈極顯著負相關（P＜0.01），紫丁香展葉始期與春季平均氣溫呈極顯著負相關（P＜0.01），與3月、4月的年平均氣溫呈顯著負相關（P＜0.05）。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，低海拔和高海拔地區木本植物受春季氣溫影響顯著，中低海拔地區木本植物與各時段氣溫的相關性較弱。可見，研究區木本植物展葉始期對氣溫變化的響應基本一致，但響應程度存在較大差別。

表6 各區域木本植物展葉始期（第一個物候期）與不同時段平均氣溫的相關系數

2.3.2 秋季最后一個物候期的響應 由表7可知，各站點秋季落葉末期與各階段平均氣溫的相關性均不明顯，且表現為隨著氣溫的升高，落葉末期普遍推遲，只有榆樹落葉期隨著氣溫的升高表現為提前。從各階段平均氣溫影響分析，秋季氣溫對落葉末期影響最大，其中中低海拔的額爾古納地區表現最明顯，秋季平均氣溫對興安落葉松的影響達到顯著正相關（P＜0.05）。可見，木本植物的落葉末期與氣溫變化趨勢基本一致，但也存在明顯的區域性特征，中低海拔地區落葉末期對氣溫變化的響應較為敏感。

表7 各區域木本植物落葉末期（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，榆樹和旱柳生長季與氣溫的變化關系表現一致，即與年平均氣溫、春季平均氣溫及冬季平均氣溫呈正相關，而與夏季和秋季氣溫呈負相關；山荊子和興安落葉松的生長季天數與年平均氣溫、春季平均氣溫和夏季平均氣溫均表現為負相關關系，與秋季氣溫呈正相關關系，且興安落葉松達到顯著水平（P＜0.05），而冬季平均氣溫與山荊子生長季天數為負相關，與興安落葉松生長季天數為正相關；小葉楊和紫丁香生長季天數與年平均、春季平均、冬季的相關性表現為完全不同的趨勢，而夏、秋2季相關性表現為一致的正相關關系。可見，隨著氣溫的升高，低海拔地區的木本植物生長季天數響應一致，隨著海拔的升高，氣溫對不同木本植物生長季天數變化的影響存在較為復雜的差異。

表8 木本植物生長季天數與不同時段平均氣溫的相關系數

3 結論

（1）1995～2019年間大興安嶺山脊兩側地區表現出不同的溫度變化趨勢，嶺東低平原地區年平均氣溫略降，與全球增溫趨勢不同，年最高氣溫增溫幅度和年最低氣溫降溫幅度均小于嶺西低山丘陵地區和高平原地區，年平均最低氣溫的下降趨勢導致3個地區的平均氣溫略降或上升趨勢不明顯。各區域除冬季平均氣溫呈略降趨勢，春、夏、秋3季均呈上升趨勢，且隨著海拔高度的增加，氣溫變化幅度增大，夏、秋2季表現更為明顯。低海拔地區各月氣溫變化趨勢較復雜，升溫和降溫交替出現，高溫升幅和降幅大于低溫升幅和降幅，隨著海拔高度的增加，升溫趨勢占據主導地位，且低溫升幅顯著大于高溫升幅；中低海拔地區3月升溫幅度最大，高海拔地區5月升溫幅度最大，隨著海拔的升高，氣溫升幅大值區延后。

（2）木本植物物候期存在較大差異，物候期最早的榆樹，平均展葉期比小葉楊和紫丁香提前14 d左右，且花期比其他木本植物花期長約半個月左右。葉變色后落葉最早的小葉楊與落葉末期最晚的旱柳相差25 d左右。同一地點的木本植物物候期變化趨勢基本一致，不同海拔高度的木本植物物候期變化趨勢存在明顯的差異，低海拔和中低海拔地區的木本植物春季和秋季物候期普遍推遲，高海拔地區的木本植物春季開花期提前，秋季葉變色期和落葉始期均提前。

（3）研究區木本植物展葉始期對氣溫變化響應基本一致，但響應程度存在較大差別，就季節和年尺度而言，木本植物展葉始期隨著春季及年均氣溫的升高呈提前趨勢，低海拔和高海拔地區的木本植物受春季氣溫影響顯著，中低海拔地區木本植物與各時段氣溫相關性較弱。木本植物的落葉末期與氣溫變化趨勢基本一致，但也存在明顯的區域性特征，中低海拔地區落葉末期對氣溫變化的響應較為敏感。

（4）隨著氣溫的升高，低海拔地區木本植物生長季天數響應一致，隨著海拔的升高，氣溫對不同木本植物生長季天數變化的影響存在較為復雜的差異。