氣候變暖對臨汾合歡物候期的影響

任玉歡，姚 闖，趙海燕，范志宣，劉吉勤，李晶晶

（1山西省氣候中心，太原 030000；2山西省吉縣氣象局，山西臨汾 042200；3山西省長治市氣象局，山西長治 046000）

0 引言

確定全球氣候變化對生物的影響具有重要的理論和實踐意義，評估植物物候變化對全球變暖的響應(yīng)成為當(dāng)前氣候變化的研究熱點之一[1]。植物物候是指植物在一年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)變化的生長和發(fā)育[2]，它在調(diào)節(jié)植物光合作用、水分的蒸散發(fā)和地表能量通量方面起著重要作用，且對氣候變化敏感[3]。臨汾地處世界上黃土覆蓋面積最大和水土流失最為嚴(yán)重、最為集中的黃土高原東部，當(dāng)?shù)丨h(huán)境的臨界性和生態(tài)的脆弱性，使得它對氣候變化的反應(yīng)十分敏感[4]。了解氣候變暖背景下，黃土高原脆弱區(qū)城市木本植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)，對于進(jìn)一步明確區(qū)域氣候-碳反饋、推動地區(qū)實現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)具有重要意義。

物候信息具有明顯的區(qū)域性和時間性，許多研究集中于不同地區(qū)和不同物種的物候[5-6]。亞洲[7-8]、歐洲[9]、北美[10]等地的一些研究揭示了春季物候期提前發(fā)生的趨勢，包括主要木本植物展葉期和開花期的提前等。有研究報道，在中國溫帶地區(qū)，木本植物主要受溫度的影響，而不受降水和日照的影響。其他相關(guān)研究也強(qiáng)調(diào)了開花前期溫度的重要性。植物物候變化差異的主要原因可以歸結(jié)為植物對溫度變化響應(yīng)敏感性的差異[5,11-13]。與之不同的是，Piao 等[14]分析了1982—1999年中國溫帶植被的物候，發(fā)現(xiàn)由于春季氣溫的逐步回升，植被生長季始期呈現(xiàn)提前趨勢，秋季溫度升高，生長季末期呈現(xiàn)推遲趨勢，生長季長度持續(xù)時間對降水變化也很敏感，但降水對不同種植被的影響略有不同。此外雷俊等[15]、鄧禮強(qiáng)[16]、李強(qiáng)[17]等研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原典型植物春季物候期均表現(xiàn)為提前的趨勢。王貝貝等[18]基于MODIS NDVI 數(shù)據(jù)分析了山西植被物候的時空變化和地形差異對物候的影響，結(jié)果顯示，山西省2000—2015年植被生長季開始時間提前，生長季結(jié)束日期推后，生長期延長，植被物候在長時間尺度上變化顯著，而在同一個時間段內(nèi)，地形是物候存在空間差異的重要影響因子。

物候資料對氣候影響評估有明顯的價值。當(dāng)前，物候數(shù)據(jù)獲取手段主要有以下幾種。首先是構(gòu)建地面物候觀測網(wǎng)，觀測地面特定生物物候轉(zhuǎn)變過程，世界各地目前基本都已建立起區(qū)域性的物候站網(wǎng)，尤其歐亞地區(qū)具有悠久的物候觀測記錄，中國氣象部門也在20世紀(jì)80 年代起建立起國內(nèi)地面站點最多的物候觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感資料可以獲得大范圍長序列的物候信息，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對植被生長季節(jié)進(jìn)行識別和外推，建立局地生長季和區(qū)域生長季之間以及表面物候生長季和衛(wèi)星感應(yīng)生長季之間的相互關(guān)系已成為當(dāng)前的熱點[19-20]。此外，還可以通過研究環(huán)境因子對植物內(nèi)在生長影響所發(fā)生的生理機(jī)制，建立可預(yù)測植物未來生長變化的模型[21]，進(jìn)一步定量研究氣候變化對植物生長的影響。

城市森林可提供與人類健康和幸福感相關(guān)的服務(wù)，同時，其對于氣候控制的重要作用正得到越來越多的關(guān)注，然而，關(guān)于城市木本植物對氣候變化脆弱性的研究很少，這就限制了物種評估氣候風(fēng)險的能力[22]。合歡(Albizia julibrissin)是黃土高原區(qū)應(yīng)用頻率較高的城市綠化樹種，隸屬于豆科合歡屬，為落葉喬木，花期6—7月，果期8—10月。本研究以合歡為例，通過探討氣候變化對黃土高原城市園林綠化植物的影響，明確氣候變暖背景下城市園林植物的季相變化，旨在為城市園林植物的四季景觀設(shè)計和種植栽培提供依據(jù)，同時，也為評價城市森林調(diào)節(jié)城市氣候、探討城市森林對氣候變化的響應(yīng)以及提高城市潛在生產(chǎn)力、積累環(huán)境資本等方面提供借鑒作用。

1 資料與方法

合歡物候數(shù)據(jù)及同期氣象資料均取自臨汾國家農(nóng)業(yè)氣象觀測站，氣象站周圍的下墊面類型能夠代表合歡生長的自然環(huán)境，采用平行觀測法，即同時觀測生物物候現(xiàn)象和氣象因子的變化，以研究其相互關(guān)系[20,23]。為了揭示合歡生長發(fā)育不同階段的時序變化特征以及其對氣候變化的響應(yīng)，選擇展葉始期、開花始期、果實成熟期、葉變色始期和落葉末期作為指示物候期。其中展葉始期的標(biāo)準(zhǔn)是觀測樹上有個別枝條上的芽出現(xiàn)第一批平展的葉片，開花始期的觀測標(biāo)準(zhǔn)是觀測樹上有一朵或同時幾朵花的花瓣開始完全開放，當(dāng)觀測的樹木上有一半的果實變?yōu)槌墒斓念伾礊楣麑嵆墒炱冢挥^測的樹木葉子在秋天第一批開始變色即為葉變色始期，落葉末期的觀測標(biāo)準(zhǔn)為秋季樹上的葉子幾乎全部脫落[24]。

將臨汾合歡1983—2021 年各物候發(fā)生日期轉(zhuǎn)換成序日，即從1月1日算起的順序天數(shù)，得到各物候期的時間序列。利用線性回歸方法分析各氣象因子及物候期的逐年變化趨勢。采用Morlet小波分析對氣象因子進(jìn)行周期分析[25]。通過計算物候期與氣象因子的相關(guān)系數(shù)，擬合出氣象因子對各物候期的影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 臨汾氣候變化特征

由1983—2021年臨汾平均氣溫變化曲線（圖1）可以看出，臨汾年平均氣溫呈上升趨勢，趨勢率為0.74℃/10 a，通過0.01 置信水平檢驗，近39 年，臨汾年平均氣溫升高了2.9℃。從5年滑動平均氣溫來看，臨汾氣溫趨勢可劃分為6 個階段，1983—1991、1996—2002、2012—2019 年為氣溫明顯升高階段，1991—1996、2002—2012、2019—2021 年為氣溫相對平穩(wěn)階段，且氣溫明顯升高階段與相對平穩(wěn)階段交替出現(xiàn)。

圖1 1983—2021年臨汾年平均氣溫變化趨勢

從季節(jié)來看，春季升溫最明顯、升溫速率最快（圖2），傾向率達(dá)1.03℃/10 a，冬季、夏季和秋季依次遞減，分別為0.71、0.63、0.62℃/10 a，氣候變暖在季節(jié)上表現(xiàn)出不對稱的特點，即各季節(jié)的升溫速率不同。

圖2 1983—2021年臨汾四季平均氣溫變化趨勢

近39 年來，臨汾年日照時數(shù)變化趨勢不明顯，年降水量呈豐枯交替變化（圖3）。為了明確臨汾年降水量的周期特征，采用Morlet小波函數(shù)分析1983—2021年間臨汾降水周期變化情況。由圖4a可知，2000年以前，8、12 年的周期表現(xiàn)較為明顯，而2000 年以后，6、14～15年左右的短期表現(xiàn)較為明顯。為了進(jìn)一步驗證臨汾年降水變化的周期性，計算小波方差變化情況（圖4b），小波方差曲線上的極值對應(yīng)的實際尺度是振蕩信號強(qiáng)的周期，圖4b顯示在6、15年上對應(yīng)小波方差的極值，即為臨汾年降水量變化的主要周期。

圖3 1983—2021年臨汾逐年降水量和日照時數(shù)

圖4 臨汾年降水量小波實部(a)和小波方差(b)

2.2 臨汾合歡物候特征

2.2.1 臨汾合歡物候期基本特征1983—2021 年臨汾合歡展葉始期一般出現(xiàn)在4—5 月上旬，最大振幅為25 d，出現(xiàn)在2018、1983年，平均出現(xiàn)日期為4月23日；開花始期一般出現(xiàn)在5月中旬—6月中旬，最大振幅為35 d，平均出現(xiàn)日期為6月2日；果實成熟期出現(xiàn)在8月下旬—10月上旬，最大振幅為42 d，平均出現(xiàn)日期為9月18 日；葉變色始期出現(xiàn)在9 月下旬—10 月中旬，最大振幅為28 d，平均出現(xiàn)在10月6日；落葉末期出現(xiàn)在10 月中旬—11 月中旬，最大振幅為32 d，平均出現(xiàn)日期為11月6日。從臨汾合歡各物候期最早最晚出現(xiàn)的日期差異情況來看，合歡是先葉后花植物，各物候期的出現(xiàn)具有順序相關(guān)性[26]，1983年以來，各物候期最大振幅相差1個月左右，其中相差最長的為果實成熟期，相差最少的為展葉始期。

2.2.2 臨汾合歡物候期年際變化規(guī)律 由圖5 可知，1983 年以來，臨汾合歡春季物候期呈波動下降趨勢，表現(xiàn)為春季物候期提前，其中展葉始期較開花始期的波動幅度小，展葉始期和開花始期平均每10年分別提前4.1、4.5 d；秋季物候期較春季波動幅度大，其中果實成熟期呈微弱上升趨勢，平均每10 年推遲2.7 d，葉變色始期和落葉末期變化趨勢不明顯，總體來看，臨汾合歡的整個生長季長度相對延長。

圖5 臨汾合歡物候期年際變化

2.2.3 臨汾合歡不同物候期持續(xù)日數(shù)變化1983 年以來，臨汾合歡展葉始期至開花始期持續(xù)日數(shù)為29～53 d，平均持續(xù)日數(shù)為40 d；開花始期至果實成熟期持續(xù)日數(shù)為69～134 d，平均持續(xù)日數(shù)108 d；果實成熟期至葉變色始期持續(xù)日數(shù)集中在2～39 d，平均持續(xù)日數(shù)18 d；葉變色始期至落葉末期持續(xù)日數(shù)為2～46 d，平均持續(xù)日數(shù)31 d；臨汾合歡生長季展葉始期至落葉末期持續(xù)日數(shù)為176～221 d，平均生長季長度為197 d。

1983—2021 年臨汾合歡不同物候期的持續(xù)日數(shù)不同。其中展葉始期至開花始期、果實成熟期至葉變色始期、葉變色始期至落葉末期的持續(xù)日數(shù)沒有明顯變化趨勢，而開花始期至果實成熟期的持續(xù)日數(shù)呈顯著增加趨勢，平均每10 年延長7.2 d，故臨汾合歡整個生長季長度表現(xiàn)為明顯的增加趨勢的主要貢獻(xiàn)來自開花始期至果實成熟期的延長，平均每10年延長5.6 d。

2.2.4 臨汾合歡各物候期間相關(guān)分析 由表1 可見，開花始期對展葉始期、葉變色始期對果實成熟期、生長季長度對落葉末期的響應(yīng)為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，即展葉始期越早，開花始期越早；果實成熟越早，葉變色越早；落葉末期越晚，生長季越長。展葉始期和開花始期對生長季長度的響應(yīng)均為負(fù)相關(guān)，達(dá)極顯著水平，表現(xiàn)為展葉始期、開花始期提前，生長季長度變長。

表1 臨汾合歡各物候期間相關(guān)系數(shù)

2.3 臨汾合歡物候期與氣象條件相關(guān)分析

由表2可見，氣溫對春季展葉始期、開花始期的影響主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即氣溫越高，相應(yīng)物候期越早。上年9月至當(dāng)年展葉期的氣溫均對展葉始期產(chǎn)生一定影響，其中上年11 月、當(dāng)年3—4 月的氣溫達(dá)到極顯著影響水平，其他月份均達(dá)顯著水平；而開花始期主要與當(dāng)年3月至開花時的氣溫有關(guān)，當(dāng)年3—6月的氣溫對開花始期均達(dá)到極顯著影響水平。當(dāng)年3、6月氣溫對果實成熟期表現(xiàn)出顯著相關(guān)。氣溫對葉變色始期、落葉末期的影響總體來看不及對春季物候期影響大。生長季長度表現(xiàn)出與生長季開始前及生長季的氣溫高度相關(guān)，且自生長季開始與各月溫度主要表現(xiàn)出極顯著相關(guān)。

表2 臨汾合歡主要物候期與氣象因子相關(guān)系數(shù)

≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃的積溫與各物候期的相關(guān)性較氣溫更大，表現(xiàn)為對展葉始期、開花始期和生長季長度的極顯著相關(guān)，對果實成熟期的顯著相關(guān)。其中≥10℃積溫與展葉始期、果實成熟期、生長季長度的相關(guān)系數(shù)最大，≥5℃積溫與開花始期相關(guān)系數(shù)最大。葉變色始期、落葉末期與各積溫的相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平。

降水、日照與各物候期的相關(guān)性不及氣溫明顯。展葉始期與當(dāng)年3月日照顯著負(fù)相關(guān)，日照時數(shù)越長，展葉越早；開花始期與當(dāng)年3月降水及1月日照顯著相關(guān)，當(dāng)年3 月降水越多，1 月日照時數(shù)越長，開花越晚；果實成熟期與當(dāng)年3 月、6 月降水顯著負(fù)相關(guān)，降水越多，果實成熟越早；葉變色始期與當(dāng)年6月日照顯著相關(guān)，6月日照時數(shù)越長，葉變色始期越晚。降水及日照同合歡物候的相關(guān)性從側(cè)面表明合歡喜光、不耐水澇的特性。

總體而言，氣象條件對葉變色始期和落葉末期的影響不及對春季物候期的影響明顯。秋季的葉變色始期及落葉末期同果實成熟期的相關(guān)性更大。

3 結(jié)論

1983—2021 年臨汾地區(qū)增溫趨勢明顯，傾向率為0.74℃/10 a，其中春季升溫速度最快，傾向率達(dá)1.03℃/10 a，氣候變暖在季節(jié)上表現(xiàn)出不對稱的特點；年日照時數(shù)變化趨勢不明顯；年降水量存在14～15 年和6 年左右的周期。

近39年來，臨汾合歡展葉始期、開花始期、果實成熟期、葉變色始期、落葉末期平均出現(xiàn)日期分別為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，秋季物候期變化不明顯，生長季長度相對延長，平均每10年延長5.6 d。

各物候期的發(fā)生具有順序相關(guān)性，展葉始期、開花始期、落葉末期與生長季長度均呈極顯著正相關(guān)，展葉始期與開花始期、果實成熟期與葉變色始期呈極顯著正相關(guān)。

在各氣象要素中，氣溫與積溫是影響臨汾合歡春季物候期的最主要因子，其中上年11月至當(dāng)年展葉前的溫度及≥10℃積溫對展葉始期影響最為顯著，當(dāng)年3月至開花前的氣溫及≥5℃積溫對開花期影響最顯著。降水量和日照時數(shù)對各物候期影響相對較弱。

影響各物候期早晚的因子各不相同，其中春季的展葉始期及開花始期對氣溫、積溫的影響表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，果實成熟期對氣溫、積溫的影響表現(xiàn)為顯著相關(guān)；而秋季葉變色始期、落葉末期與氣象因子相關(guān)性較小，主要受前序物候期發(fā)生日期影響。

4 討論

（1）本研究結(jié)果表明，臨汾地區(qū)合歡春季物候期對氣候變化具有明顯的響應(yīng)，而秋季物候期對氣候變暖的響應(yīng)較為遲鈍。這與呂愛麗等[27]的研究結(jié)果基本一致，而與李燕等[28]分析的展葉期變化趨勢不明顯、秋季物候期呈推遲趨勢有所出入，主要原因在于選取的時間段不同，臨汾1983—2004 年平均氣溫為13.0℃，2005—2021 年平均氣溫為14.3℃，后17 年平均氣溫較前22 年平均氣溫升高了1.3℃，且春季氣溫升高速率較秋季快，所以臨汾合歡各物候期呈現(xiàn)了不同的變化趨勢。

（2）自然物候變化不僅受氣溫、降水、日照等氣象因子的影響，水文、土壤、種內(nèi)種間競爭及個體的生物學(xué)特性等因素也會對物候產(chǎn)生一定影響，筆者僅分析了影響臨汾地區(qū)合歡物候的氣象要素，缺乏其他相關(guān)因素變化對物候的影響分析。在今后的研究中，應(yīng)從更為全面的角度分析自然物候的影響因素，這樣不僅可以進(jìn)一步明確影響生物物候及其分布的機(jī)理，同時對于準(zhǔn)確的預(yù)估預(yù)測物候期，服務(wù)于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實踐意義。