大興安嶺東麓旱柳和家燕物候期對氣候變暖的響應

王彥平，有 思，王志春

（1.內蒙古呼倫貝爾市氣象局，內蒙古 海拉爾 021008；2.內蒙古赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

0 引言

物候學(Phenology)是研究自然界的植物（包括農作物）、動物和環境條件（氣候、水文和土壤條件）周期變化及其相互關系的科學［1-2］。物候學的研究目標是通過對物候與相應氣候資料的相關分析，了解氣候變化對動植物的影響以及自然環境季節的變化規律，以期為農業生產和科學研究服務［3］。

在當前全球氣候變化背景下，作物物候對氣候變化的響應及其模擬已成為國際和國內研究的熱點［4-5］。有學者利用長時間序列的物候觀測數據進行分析，發現升溫對物候變化具有顯著影響，作物各物候期的發生日期與其前期氣溫變化顯著相關［6-8］，如生長季前期氣溫的升高使作物播期提前和生育期縮短［9］。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［10?19］；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似的自然現象［20?23］。全球乃至中國的木本植物物候表現出協同變化的特征，同時也存在區域差異。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［24］及科爾沁沙地［25］也存在春季物候期推遲的現象。特別是在氣候變化敏感區，動植物物候的適應能力表現更為脆弱。例如，甘肅黃土高原的冬小麥、梨樹、蘋果樹春季物候期普遍提前［26］，春小麥、胡麻出苗期的變化幅度更大，最早和最晚出現日期分別相差 36和30 d［27］；氣溫是影響菏澤地區草本植物春季物候期的重要因素，萌芽期和開花期的早晚與其前1~2 個月氣溫的負相關程度較高，黃枯期與氣溫也存在正相關關系［28］。

內蒙古自治區是我國北方典型的氣候變化敏感區，近30 a來，氣溫上升速率為0.52 ℃/10 a［29-30］。有關該區域物候期與氣候變化的關系，也有相關報道。高亞敏等［31］研究顯示，在氣候變化背景下，內蒙古科爾沁草原冰草返青期每年推遲了0.67 d，生長季每年縮短了0.53 d；楊麗萍等［32］分析了內蒙古陰山北麓草本植物物候期變化，發現旱柳、榆樹和小葉楊的花芽開放期和落葉末期均表現出提前的趨勢，且落葉末期的提前幅度較大，分別平均提前了2.9、3.6和4.6 d/10 a，同時生長季逐漸縮短，平均生長季為182 d。內蒙古大興安嶺東麓是大興安嶺與松遼平原的過渡地帶，面積約400萬hm2，海拔為100~300 m，屬于溫暖半濕潤氣候區，氣溫較高，降水較多，光照充足，雨熱同季，為林業—牧業—農業交錯帶，動植物資源豐富，也是對氣候變化反應較敏感的典型區域［33-34］。內蒙古呼倫貝爾市扎蘭屯農業氣象監測站位于大興安嶺東麓林農交錯帶，是國家二級農業氣象監測站，自1985 年開始進行物候期觀測，1995年后逐步趨于完善，至今已積累了近30 a的連續物候觀測資料，但是這一區域動植物物候期對氣候變化響應的研究和報道尚屬空白，多數報道集中于氣候條件對玉米、大豆等農作物生長和產量的影響研究。本研究選取了該區域典型植物旱柳和典型動物家燕1995—2020 年間完整的物候觀測資料作為研究材料，分析了大興安嶺東麓氣候變化特征、物候變化特征以及物候時氣候變化的響應，揭示了全球氣候變暖背景下，區域氣候變化對大興安嶺東麓典型動植物物候的影響，為當地農作物種植、經濟發展和生態環境建設提供了理論依據，對豐富農業物候的研究具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究資料

由于旱柳(Salix matsudana Koidz)展葉始期與當地農作物玉米、大豆適宜播種期接近，具有一定的借鑒作用［35］，因此，本文選用的春季物候期是植物旱柳的展葉始期，動物觀測資料選擇連續性較好的動物家燕(Hirundo rustica)為分析對象，并對其始見期進行分析。上文所選的物候期資料均采用呼倫貝爾市扎蘭屯農業氣象監測站的觀測資料，研究區的旱柳和家燕分布范圍較廣、物候現象較為明顯、易于觀測，能夠反映大興安嶺東麓春季的自然物候。由于扎蘭屯農業氣象監測站屬于扎蘭屯市氣象局，兩地相距17 km，氣候條件差異性較小，因此本研究氣象資料選擇使用扎蘭屯氣象局常規氣象觀測資料。

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；計算每個物候序列物候期提前最早的典型年份某段時間平均氣溫相對于26 a（1995—2020年）某段時間平均氣溫的距平值；采用多元回歸方法建立物候期差異天數與平均氣溫差異的回歸模型；為了分析積溫對家燕始見期的影響，統計了每年1 月1 日至家燕平均始見期≥5 ℃和≥10 ℃的有效積溫［31］；氣候特征和物候期特征采用氣候傾向率方法進行分析。

2 結果與分析

2.1 1995—2020年大興安嶺東麓氣溫變化特征分析

由圖1可知，1995—2020 年間大興安嶺東麓年平均氣溫呈現微弱上升趨勢，傾向率為0.01 ℃/10 a；最高值出現在2007年（5.3 ℃），最低值出現在2010年（2.8 ℃）；2015—2020年間年平均氣溫波動性明顯。

圖1 1995—2020 年大興安嶺東麓年平均氣溫變化趨勢

2.2 1995—2020年旱柳和家燕物候期變化特征分析

由表1可知，1995—2020年間大興安嶺東麓旱柳展葉始期最早出現在4月25日（2014年），最晚出現在5月12日（2012年），相差17 d，平均出現日期為5月6日；家燕始見期最早出現在4月18日（2016年），最晚出現在6月13日（2010年），相差56 d，平均出現日期為5月14日。通過對旱柳展葉始期和家燕始見期變化特征進行分析，旱柳展葉始期日序(圖2a)和家燕始見期日序(圖2b)均呈減小趨勢，分別平均減小1.1和6.9 d/10 a，且家燕始見期日序呈減小趨勢。

表1 1995—2020年大興安嶺東麓動植物物候期統計

圖2 1995—2020年大興安嶺東麓旱柳和家燕物候期變化趨勢

2.3 氣溫變化對旱柳和家燕物候期的影響

由表2可知，1995—2020年間旱柳展葉始期、家燕始見期與該時段平均氣溫均呈負相關關系，隨著春季氣溫的升高，有效積溫的增加，動植物物候期均提前；其中旱柳展葉始期與4月份平均氣溫呈顯著負相關關系，家燕始見期與1月1日至平均始見期≥5 ℃、≥10 ℃有效積溫呈不顯著負相關關系，與≥10 ℃有效積溫的負相關關系更明顯。

表2 1995—2020年旱柳展葉始期、家燕始見期與溫度之間的相關系數

2.4 旱柳和家燕物候期對溫度變化的響應模式

2.4.1 旱柳物候期對溫度變化的響應模式 以1995—2020年間4月份平均氣溫為自變量建立旱柳物候期對溫度的響應模式。選取旱柳展葉始期最早的2014 年為典型年，設自變量x為典型年4月平均氣溫減常年4月平均氣溫的平均值，因變量y代表旱柳展葉始期差異天數（本研究為典型年展葉始期減去常年展葉始期的平均值），對旱柳展葉始期與4月平均氣溫之間的關系進行分析，建立物候期差異(y)與4 月平均氣溫差異(x)的擬合方程，如圖3所示，物候期對4月平均氣溫變化呈現出顯著的負相關關系。

圖3 2014年大興安嶺東麓旱柳展葉始期差異與4月份平均氣溫差異的關系

2.4.2 家燕物候期對溫度變化的響應模式 以1995—2020年間≥10 ℃的有效積溫為自變量建立家燕物候期對溫度的響應模式。選取家燕始見期最早的2016年為典型年，設自變量x為典型年1月1日至家燕始見期≥10 ℃有效積溫減1月1 日至家燕始見期平均日期≥10 ℃有效積溫的平均值，因變量y代表家燕始見期差異天數（即典型年始見期減去常年始見期的平均值），對家燕始見期與≥10 ℃有效積溫之間的關系進行分析，建立物候期差異(y)與≥10 ℃有效積溫差異(x)的擬合方程，如圖4所示，物候期對≥10 ℃有效積溫的變化呈負相關，但未達到顯著水平。

圖4 2016年大興安嶺東麓家燕始見期差異與＞10 ℃有效積溫差異的關系

3 結論與討論

3.1 結論

（1）1995—2020 年間大興安嶺東麓年平均氣溫微弱上升，氣候呈現變暖趨勢，2015—2020年間年平均氣溫波動明顯。

（2）1995—2020 年間旱柳展葉始期和家燕始見期均呈提前趨勢，且在氣候變暖背景下，家燕物候期對氣候變暖的響應更為明顯。

（3）木本植物旱柳春季展葉始期的年際波動與4月平均氣溫呈顯著負相關關系，家燕始見期與1月1日至平均始見期期間≥5 ℃和≥10 ℃有效積溫呈不顯著負相關關系，且與≥10 ℃有效積溫負相關關系更大。

3.2 討論

（1）1995—2013年間，旱柳展葉始期和家燕始見期基本呈協同變化的特征，但在2014和2016年，兩者出現了很大差異，其原因主要是由于木本植物展葉期除受溫度影響之外，還受前期降水的影響，2016年旱柳展葉前期降水量較2014年同期多20.8 mm，降水增多常伴隨著氣溫的下降及日照時數的減少，因而造成旱柳物候期推遲，且這種影響是不規律的，但降水對家燕物候期的影響表現不明顯。由此可見，氣候條件對動植物物候期的影響是多方面且復雜的。

（2）上述研究表明，大興安嶺東麓典型動植物物候期已經對過去近30 a的氣候變暖發生了顯著的響應，旱柳和家燕物候期提前，且家燕物候期變化對氣候變暖的響應更為明顯。旱柳和家燕物候期的提前對溫度上升的響應均表現為負相關關系，這與黃珍珠等［3］的研究結論不一致，可能是由于區域氣候變化特點或動植物物候特點存在差異所導致的。

（3）按照高濤等［36］對氣候變化情景的預估結果可知，大興安嶺東麓作物生長季增溫幅度最大，4種模擬結果預計未來3個10 a的平均增溫幅度分別為1.0、1.2 和2.1 ℃，因此，該地區氣候持續變暖所導致的物候變化及由此產生的生態學、農業以及社會經濟學等一系列問題值得進一步探討。

（4）由于欠缺研究區域氣候情景數據對影響動植物物候期的主要因素的預估，因此本研究只分析了過去30 a來自然物候對氣候變暖的響應，關于對未來氣候變化的響應以及溫度、降水和日照等綜合因素的影響模式還有待進一步研究。