農牧交錯帶蒲公英春季物候期變化及其驅動氣象因子

中圖分類號 S162 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731（2025）16-0097-05

DOI號10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.021

AbstractThe study took theagro-pastoral ecotone in Inner Mongolia as the researcharea and Taraxacum mongolicum Hand.-Mazzas the research object.Based on the phenological observation dataof dandelion （germinationperiod，leaf expansionintiationperiod，andleafexpansiopeak priod），meteorologicaldata （average temperatureandprecipitation，tc.） andsoil moisturecontentdatainthestudyareafroml98Oto2O18，lineartrendanalysisandpartialleastsquaresregression analysis wereused to explore the impactof climate change in the study area onthe phenologicalchanges of Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.in springandits maindriving meteorological factors.Theresultsrevealedasignificant warming and dryingtrendduring198O-2Ol8，withannualratesof change for meanairtemperature，precipitation，andsoil moisture content being 0.38°C/10 -0.68mm/10 a， and -0.004（m³/m³）/10 a， respectively. Correspondingly， Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.spring phenology showed consistent advancement trends： budburst advanced by 1.1d/10 a， initial leaf unfolding by 0.8d/10 a，and fulleaf expansionbyO.7d/1Oa.Theoptimaldurationforthe germination period，initial leaf-expansion period，andpeak leafexpansioperiodofdandelions （araxacumoficinale）is40，83，and8d，respectively.Partialleast squaresregressionanalysis showedthattheVIPvaluesofvarious meteorologicalfactors forthegerminationperiod were in the order of minimum temperature gt; average temperature gt; maximum temperature gt; soil moisture gt; precipitation; for the leaf expansion initiation period，the VIP values were in the order of soil moisture gt;minimum temperature ≡ average temperature gt; maximum temperature gt; precipitation; for the leaf expansion peak period， the VIP values were in the order of soil moisture gt; minimum temperature gt; average temperature gt; maximum temperature gt; precipitation. The R² X（cum）， R²Y （20 （cum），andQcum）ofteegreiomodelrealgreatertanO.，idicaingagodfitigefft.Inonlusionvrage temperatureand soil moisture content were the main meteorological factors affecting thespring phenology of Taraxacum mongolicum Hand. Mazz.

Keywordsagro-pastoral ecotone; Taraxacum mongolicum Hand.-Maz;spring phenology;average temperature; soil moisturecontent

植物物候是植物受環境影響出現的以年為周期的自然現象，氣候變化引起植被物候變化，物候變化調控植被對氣候系統的反饋[-21。肖芳等[3基于實地物候觀測和遙感監測數據，研究氣候變化對溫帶草原植物物候的影響。董曉宇等4研究表明，內蒙古草原植被生長季始期每10a提前0.88d，生長季末期每10a提前 0.13d ，生長季長度每10a延長0.76d 。溫度和水分條件是干旱、半干旱地區植物春季物候發生的重要調控因子[5]。降水是干旱、半干旱生態系統中植物生長的關鍵影響因子，水分不足會限制其對光、熱條件的利用，從而使物候期推遲。干旱脅迫和高溫可能會對植物生長起到耦合效應，春季干旱導致其生長季始期推遲。

內蒙古農牧交錯帶位于水分匱乏的干旱半干旱地區，生物氣候的過渡性、生態環境的敏感性以及自然條件使得該地區成為氣候變化敏感地帶8。氣候是影響該區植被物候變化的主要因素，適宜開展陸地生態系統對氣候變化響應機制研究。蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.）為菊科（Asteraceae）蒲公英屬（Taraxacum）多年生草本植物，具有體型小、木質化程度低的特性，使得其對氣候變化的響應更加敏感，對其進行物候研究有利于捕捉生態系統中的微小變化，探究其對生態產生的影響[10]。基于此，本研究以內蒙古農牧交錯帶為研究區，以蒲公英為研究對象，分析其物候期變化特征及驅動氣象因子，為農牧交錯帶植被物候變化的機理研究和生態環境評價保護提供參考。

1材料與方法

1.1 研究區基本情況

研究區地處干旱半干旱氣候向濕潤半濕潤季風氣候的生態過渡帶（37.6°—46.1°N，106.6°—123.7°E），涉及57個市縣和16個物候觀測站點，海拔在146～1748m ，呈現出西高東低的特點。選取蒲公英為研究對象，選擇萌芽期、展葉始期和展葉盛期為研究物候期。萌芽期為地面芽開始轉綠時；展葉始期為草本植物植株上開始展開小葉時;展葉盛期為地上部有一半植株葉子展開時[11]。

1.2數據來源與預處理

蒲公英春季物候期數據來源于中國氣象局農業氣象觀測網的自然物候觀測數據集。由于物候期觀測數據收集具有滯后性，本研究采用1980一2018年長時間序列觀測數據進行分析[3-4]。

以各物候期的觀測值時間序列大于或等于16年為標準，選取了研究區域內16個物候觀測站點的地面觀測物候數據，對于數據缺失年份均不做處理，為方便計算，采用年日序（DOY）表示物候期。為保證數據有效性和質量，對研究區域內各個站點的物候數據進行預處理。剔除因記錄錯誤造成的無效數據，采取中位數絕對偏差（MAD）檢測和剔除異常值[5，MAD定義為一元序列 X_i 同其中位數偏差的絕對值的中位數，計算如式（1）。將超過2.5倍MAD的觀測數據定義為觀測異常值并剔除。研究區域內16個站點共篩選出1100條物候觀測記錄。

式中，median（X）代表各個站點3個物候期的DOY序列， X_i 表示X中的每個數據點。

地面觀測氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網 （http：//data.cma.cn/） ，研究區域內包含66個地面氣象觀測站。選取的地面觀測氣象要素為逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫和逐日降水量；土壤水分含量數據來源于歐洲中期天氣預報中心（https：//cds.climate.copernicus.eu/）ECWMF的ERA5-Land再分析數據集，采用其中的體積土壤水分數據，選取 0～7cm 土壤含水量數據，空間分辨率為 0.1° ，單位為 m³/m³ 。

1.3研究方法

1.3.1線性變化趨勢 傾向率是研究較長序列時間段內特征量變化趨勢的有效方法。蒲公英春季物候變化趨勢和研究區水熱資源變化趨勢分析均通過建立一元線性回歸方程進行，計算如式（2）。

X=a+bt

式中， X 為某氣象因素統計值， Φ_t 為年序， a 為截距， b 為回歸系數。以 b 的10倍作為傾向率，通過 Φ_t 檢驗判斷其變化趨勢和程度是否具有統計學意義。

1.3.2最佳期間 進行偏最小二乘分析前需確定統計的最佳期間。參考Dai等[13的研究方法，先計算最佳期間長度（LP），以統計最佳期間內的氣象因子與物候日序序列的偏相關關系。假設物候事件發生日期的年際變化主要受物候之前某一特定時段內日平均氣溫的影響，將物候的發生日期時間序列的上、下四分位數期間定義為基本長度期（bLP），以bLP的最早日期向前，設定滑動時段 mLP（bLP） ，范圍在 0～90d^[14] ，完整LP計算如式（3）。

LP=bLp+mLp

通過計算所有完整的 LP[（bLP+1）d，（bLP+2）d （bLP+3）d，…，（bLP+90）d] 內日平均氣溫的時間序列與物候日期序列的相關系數，相關系數最大的LP時段為各物候期氣象因素的統計最佳期間。

1.3.3偏最小二乘回歸分析 利用偏最小二乘回歸（PLS）分析的判別指標變量投影重要性（VIP），分析自變量中對因變量最具有解釋度和貢獻性的因素[15-17]。VIP值越大，自變量越具有解釋意義，ΔVIPgt;1 說明自變量對因變量的變化具有顯著貢獻，VIPlt;0.8 說明自變量幾乎不能解釋因變量的變化。VIP計算如式（4）。

式中， VIP_j 為自變量 x_j 的VIP值; p 為自變量個數； m 為提取的成分個數； Y 為因變量矩陣； t_h 為自變量的第 h 個成分； 為 Y 及 t_h 相關系數的平方； w_hj² 為自變量 x_j 對構造 t_h 成分的貢獻權重， w_hj 為w_h 的第 j 個分量， w_h 為矩陣 XX_h-I^TY_h-IY_h-I^TX_h-I 的特征向量。

PLS模型擬合參數中， R²X（cum） 表示所擬合的PLS模型對自變量的信息利用率； R²Y（cum） 表示PLS模型對因變量的解釋能力； Q²（cum） 為累計交叉有效性，表示PLS模型對數據的預測準確性，Q²（cum）gt;0.5 表示模型預測準確度較高， Q²（cum）lt; 0.05表示模型無統計學意義。

2 結果與分析

2.1水熱條件與蒲公英春季物候變化趨勢

由圖1A可知，研究區年平均氣溫在 4.7～ 7.4^°C ，其升溫趨勢明顯 （Plt;0.05） ，傾向率為0.38^°C/10a_? 。由圖1B可知，研究區年降水量在250～460mm ，呈波動中下降的趨勢，傾向率為（20 -0.68mm/10a ，下降趨勢具有統計學意義（ （Plt;0.05） 。由圖1C可知，研究區域年平均土壤水分含量呈波動下降的趨勢，傾向率為 -0.004（m³/m³）/10a ，下降趨勢具有統計學意義 （Plt;0.05） 。綜合表明，1980—2018年研究區呈暖干化趨勢，即溫度升高和水分含量降低。

圖1研究區年平均氣溫、年降水量、年平均土壤水分含量變化

研究區域各監測點蒲公英的春季物候發展趨勢和平均物候期見表1。蒲公英平均萌芽期發生在4月上旬；平均展葉始期發生在4月中旬；平均展葉盛期發生在4月下旬。研究區蒲公英春季物候期發生提前趨勢的地區較多，發生延遲趨勢的地區較少。對于萌芽期，有10個站點呈現出0.3～4.9d/10 a的提前趨勢，有6個站點呈現出0.3～5.0d/10 a的推遲趨勢；對于展葉始期，有9個站點呈現出 0.3～6.5d/10 a的提前趨勢，有7個站點呈現出 0.6～5.0d/10 a的推遲趨勢；對于展葉盛期，有11個站點呈現出 0.5～5.6d/10 a的提前趨勢，有5個站點呈現出 0.2～4.7d/10 a的推遲趨勢。綜合表明，研究區蒲公英平均春季物候均有提前趨勢，萌芽期平均每10a提前1.1d，展葉始期平均每10a提前 0.8d ，展葉盛期平均每10a提前0.7d □

表1內蒙古農牧交錯帶內各站點蒲公英春季物候期變化趨勢與平均物候期日序

注：*表示相關系數具有統計學意義。

2.2 最佳期間

最佳期間計算結果表明，蒲公英萌芽期的最佳LP為40d，時段為03：08—04：17；展葉始期的最佳LP為83d，時段為01：30—04：23；展葉盛期的最佳LP為80d，時段為02：00—05：01。以蒲公英春季物候序列為因變量，以各物候期最佳期間內平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量和平均土壤水分含量序列為自變量進行偏最小二乘回歸分析。

2.3 偏最小二乘回歸分析

由圖2可知，萌芽期方面，各因子的VIP值由大到小依次為最低氣溫 gt; 平均氣溫 gt; 最高氣溫 gt; 土壤水分gt;降水量。溫度條件對蒲公英萌動發生的解釋力較大，VIP值 gt;1.0 ；水分因素中降水量的影響程度小于王壤水分含量，相較于大氣降水，王攘水分是影響草本植被春季生長的重要影響因子。展葉始期方面，各因子的VIP值由大到小依次為王壤水分gt;最低氣溫 平均氣溫 gt; 最高氣溫 gt; 降水量；土壤水分的解釋程度均與平均溫度接近，且VIP值 gt;1.0 ，說明其對蒲公英展葉始期變化的響應解釋程度較高；而降水量依舊呈現出解釋力不強的特點，即土壤水分條件對蒲公英生長的影響作用大于大氣降水，土壤水分含量增多能夠加快蒲公英生長進程，促進展葉。展葉盛期方面，各因子的VIP值由大到小依次為土壤水分gt;最低氣溫gt;平均氣溫gt;最高氣溫 gt; 降水量。蒲公英對土壤水分的需求進一步增長，其解釋程度大于溫度因素，且VIP值大于1.2，具有較強的解釋力，在干旱半干旱地區土壤水分含量與蒲公英進一步展葉生長有關。

圖2蒲公英春季物候期PLS相關系數和VIP值

表2偏最小二乘回歸非標準化模型方程和回歸參數

注： x₁ 為平均氣溫 ?_?x₂ 為最高氣溫 為最低氣溫 為降水量 ?_?x₅ 為土壤水分含量;y為萌芽期 poY_?y₂ 為展葉時期 DOY_?y₃ 為展葉盛期 DOY

非標準化模型參數體現了物候發生對氣象因子 （ cum ） ?Q²（cum） 均大于0.5，說明該偏最小二乘回歸的敏感性，由表2可知，回歸結果中 R²X（cum），R²Y 模型擬合預測準確度較高，氣候因素自變量對展葉始期的變化具有較好的解釋能力，偏相關分析效果較好。其中，平均氣溫每升高 1^°C ，蒲公英萌芽期提前 0.5d 左右；土壤體積水分含量每升高 0.1m³/m³ 萌芽期提前 2.3d 左右。對于展葉始期，平均氣溫每升高 1^°C ，蒲公英展葉始期提前 0.5d 左右；土壤體積水分含量每升高 0.1m³/m³ ，展葉始期提前4.6d左右，其對土壤水分敏感性較萌芽期明顯提升。對于展葉盛期，平均氣溫每升高 1^°C ，蒲公英展葉始期提前0.5d左右；土壤體積水分含量每升高 0.1m³/m³ 展葉盛期提前 5.7d 左右，對土壤水分敏感性較高。

綜合VIP值和回歸模型分析，說明平均氣溫和土壤水分是影響蒲公英春季物候的主要因素。

3結論與討論

近年來，研究區氣候年際變化差異大，旱澇等級上升，氣候變化是影響該區植被物候變化的主要因素之一。本研究發現，研究區蒲公英春季物候期總體呈提前趨勢，熱量和水分條件是影響其物候變化的主要因素，這與Zhang等[18的研究結果一致。水分虧缺可能是蒲公英春季物候變化的主要因素，且體現出萌芽期一展葉始期一展葉盛期土壤水分解釋率依次遞增的效應，在展葉盛期其解釋程度大于平均氣溫，占主導作用。蒲公英無莖的特點使其能直接感知地面水分，土壤是其水分獲得的主要來源，因此，其春季物候表現出對土壤水分的依賴性。

綜上，本研究利用研究區的物候、氣象和土壤等數據，通過線性趨勢、偏最小二乘回歸等分析方法，探究了氣候變化對研究區蒲公英物候期的影響，結果表明，1980—2018年，研究區呈暖干化趨勢，溫度升高和水分含量降低。研究區各監測點蒲公英春季物候對氣候變化的響應并不完全一致，但總體呈提前趨勢。水熱條件對春季物候變化的貢獻程度存在差異，但VIP值均大于0.8，具有一定解釋能力；隨著植物生長，影響蒲公英春季物候發生的主要解釋因子有所變化，其中，土壤水分含量對植物生長的影響作用越來越大，在展葉盛期的貢獻程度占主導作用。

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（責任編輯：胡立萍）