小葉楊物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)的敏感性

李 靜，張逸夫，陳效逑，崔鐵軍，高 健

（1.天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387；2.天津師范大學(xué)天津市地理空間信息信息技術(shù)工程中心，天津300387；3.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京100871；4.天津師范大學(xué)后勤管理處，天津300387）

植物展葉和落葉物候是指一年中植物的葉片隨著氣候的季節(jié)性變化呈現(xiàn)出的規(guī)律性現(xiàn)象，是氣候變化的指示器[1].隨著全球氣候變暖，許多植物通過(guò)改變物候期來(lái)適應(yīng)氣候變暖造成的生長(zhǎng)期變長(zhǎng)[2-4].在氣候的各項(xiàng)要素中，植物物候?qū)鉁氐捻憫?yīng)最顯著[5-8]，已有結(jié)論顯示，植被春季物候提前，與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)；秋季物候推遲，與氣溫呈顯著正相關(guān)；生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，與氣溫呈顯著正相關(guān)[5-6，9-11].物候期的變化趨勢(shì)及其與氣溫的相關(guān)程度隨研究區(qū)域、時(shí)間范圍以及物種類型的不同有所差異[12-14].然而，目前大部分研究多針對(duì)物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)[13-17]，有關(guān)植物物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)敏感性的空間分布規(guī)律研究甚少.植物物候受經(jīng)緯度差異、氣候變化和海拔高低等因素的影響，對(duì)于氣候變化響應(yīng)敏感程度也存在很大差異，研究物候?qū)夂蝽憫?yīng)敏感性的空間分布特點(diǎn)及其隨局地氣候的變化規(guī)律對(duì)預(yù)測(cè)氣候變化條件下植物物候的發(fā)展方向具有重要意義[18-20].

為了研究植物物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)敏感性的變化規(guī)律，本研究利用中國(guó)1981—2009 年小葉楊展葉和落葉物候數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析此期間展葉始期、落葉末期和生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)和時(shí)空格局，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合站點(diǎn)上的氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算植物物候?qū)夂蝽憫?yīng)的敏感性，分析其對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性在空間上的分布規(guī)律，進(jìn)而深入對(duì)植物物候發(fā)展規(guī)律以及地表變化過(guò)程的認(rèn)識(shí).

1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)取于100 個(gè)物候站點(diǎn)，站點(diǎn)所屬自然區(qū)的類型依據(jù)1983 年綜合自然地理區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]，包括東北濕潤(rùn)半濕潤(rùn)溫帶地區(qū)（NE）、內(nèi)蒙古溫帶草原地區(qū)（IN）、華北濕潤(rùn)半濕潤(rùn)暖溫帶地區(qū)（NH）、西北溫帶及暖溫帶荒漠地區(qū)（NW）、青藏高寒區(qū)域（TI）以及華中華南濕潤(rùn)亞熱帶地區(qū)（SH）共計(jì)6 個(gè)自然區(qū).其中，本研究所用小葉楊物候數(shù)據(jù)以我國(guó)東部站點(diǎn)居多，集中分布在前3 個(gè)自然區(qū).各類自然區(qū)的氣候、環(huán)境和植被類型差別較大，中國(guó)東部的東北濕潤(rùn)半濕潤(rùn)溫帶地區(qū)、華北濕潤(rùn)半濕潤(rùn)暖溫帶地區(qū)和華中華南濕潤(rùn)亞熱帶地區(qū)降水量較大，由南至北溫度逐漸降低，植被覆蓋以森林和農(nóng)田為主.內(nèi)蒙古溫帶草原地區(qū)和西北溫帶及暖溫帶荒漠地區(qū)降水量較少，植被覆蓋以草原、草甸和灌木為主.青藏高寒區(qū)域?yàn)檩^特殊的區(qū)域，海拔較高，溫度較低，植被覆蓋以草原和草甸為主.研究站點(diǎn)的經(jīng)緯度及其所屬自然區(qū)如表1 所示，其中#代表只有物候數(shù)據(jù)、沒(méi)有氣象數(shù)據(jù)的站點(diǎn).

表1 站點(diǎn)經(jīng)緯度及所屬自然區(qū)Tab.1 Location and natural region of stations

物候數(shù)據(jù)為1981—2009 年中國(guó)100 個(gè)站點(diǎn)的小葉楊展葉始期（BGS，begin of growing season）和落葉末期（EGS，end of growing season）數(shù)據(jù)，展葉始期與落葉末期間的天數(shù)為生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度（LGS，length of growing season）.其中，展葉始期是“植株上有5%的葉片展開(kāi)”的時(shí)段，落葉末期的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是“整個(gè)植株僅剩5%以下的葉片存在”[22].氣溫?cái)?shù)據(jù)為1981—2009 年59 個(gè)站點(diǎn)的日平均氣溫?cái)?shù)據(jù).物候數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局“農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)網(wǎng)”中的自然物候觀測(cè)數(shù)據(jù)集，氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心“中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”.

2 研究方法

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

首先，將小葉楊展葉始期和落葉末期物候數(shù)據(jù)由年月日的記錄轉(zhuǎn)換為序日（day of year，DOY），即距當(dāng)年1 月1 日的天數(shù)，再根據(jù)展葉始期和落葉末期計(jì)算出生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度.然后，分別計(jì)算各自然區(qū)內(nèi)站點(diǎn)上的小葉楊展葉始期、落葉末期和生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變化趨勢(shì).最后，計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)上的多年平均物候期及其隨經(jīng)緯度的變化規(guī)律.

2.2 敏感性分析

物候期對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性可由物候期前期氣溫對(duì)物候的線性回歸系數(shù)表征[18-20].利用氣溫?cái)?shù)據(jù)擬合植物物候的基本假設(shè)為物候期的年際變化主要受到其發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)氣溫的影響.一般情況下，取物候期所在月份及之前2 個(gè)月的平均氣溫為自變量，物候期為因變量，建立站點(diǎn)上的氣溫-物候模型.本研究分別使用2—4 月和9—11 月每個(gè)站點(diǎn)上的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)序列，擬合展葉始期和落葉末期[23].氣溫-物候時(shí)間模型為

式（1）中：Phen 為物候發(fā)生日期；Tem 為對(duì)應(yīng)期間日均溫；a 為回歸方程截距；b 為斜率.

式（2）中：obsi和prei分別為第i 個(gè)年份的觀測(cè)值和模擬（預(yù)測(cè)）值；n 為年數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 各區(qū)域小葉楊物候的統(tǒng)計(jì)特征

統(tǒng)計(jì)1981—2009 年逐年各自然區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)小葉楊物候的平均值，分別計(jì)算每個(gè)自然區(qū)以及所有站點(diǎn)小葉楊物候的年際變化趨勢(shì)和顯著性，結(jié)果如圖1所示，其中S1～S7 代表每個(gè)自然區(qū)及全區(qū)的年際變化趨勢(shì)，***代表通過(guò)了0.001 的顯著性檢驗(yàn).

圖1 區(qū)域平均小葉楊物候的年際變化Fig.1 Annual variation of Populus Simonii′s phenology in averaged region

由圖1 可以看出，整體上展葉始期、落葉末期和生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度分別呈現(xiàn)提前（-0.17 d/a）、推遲（0.28 d/a）和延長(zhǎng)（0.44 d/a）的趨勢(shì)； 不同自然區(qū)的年際波動(dòng)差別較大，對(duì)于BGS，TI 自然區(qū)小葉楊物候提前趨勢(shì)（-0.49 d/a）最大，NW 自然區(qū)則呈現(xiàn)不顯著推遲；對(duì)于EGS，所有自然區(qū)小葉楊物候均呈現(xiàn)出推遲趨勢(shì)，IN自然區(qū)和NH 自然區(qū)呈現(xiàn)顯著推遲趨勢(shì)，分別為0.34 d/a 和0.29 d/a；對(duì)于LGS，所有自然區(qū)小葉楊物候均呈現(xiàn)出延長(zhǎng)趨勢(shì)，IN 自然區(qū)和NH 自然區(qū)呈現(xiàn)顯著延長(zhǎng)趨勢(shì)，分別為0.43 d/a 和0.79 d/a.

統(tǒng)計(jì)各自然區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)小葉楊物候的多年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表2 所示.由表2 可以看出，所有站點(diǎn)的BGS、EGS 和LGS 分別為第111 d、第303 d 和192 d.其中，BGS 由早到晚的順序是SH 自然區(qū)、NH 自然區(qū)、NW 自然區(qū)、TI 自然區(qū)、IN 自然區(qū)和NE自然區(qū).BGS 最早的區(qū)域一般為EGS 最晚和LGS 最長(zhǎng)的區(qū)域，NE 自然區(qū)和IN 自然區(qū)的物候期相差偏小.總體來(lái)看，大部分自然區(qū)小葉楊EGS 的標(biāo)準(zhǔn)差大于BGS 的標(biāo)準(zhǔn)差，只有TI 自然區(qū)EGS 的波動(dòng)小于BGS 的波動(dòng).

表2 小葉楊物候期的統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Populus simonii′s phenophase

3.2 小葉楊物候隨緯度變化規(guī)律

計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的多年平均物候期，再根據(jù)站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息統(tǒng)計(jì)小葉楊物候隨經(jīng)度和緯度的變化，小葉楊物候隨經(jīng)度變化規(guī)律不顯著.小葉楊物候隨緯度變化的結(jié)果如圖2 所示.

圖2 小葉楊物候隨緯度變化Fig.2 Variation of Populus simonii′s phenology with latitude

由圖2 可以看出，隨著緯度的增加，小葉楊BGS顯著推遲，EGS 顯著提前，相應(yīng)地，其LGS 顯著縮短（P ＜0.001）.小葉楊物候在空間上的變化規(guī)律表現(xiàn)為緯度地帶性，在空間上隨緯度變化最明顯的氣象因子是氣溫，這說(shuō)明，氣溫對(duì)小葉楊物候期具有重要影響.

3.3 小葉楊物候期對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性

在每個(gè)站點(diǎn)上，分別用2—4 月和9—11 月的平均氣溫?cái)M合小葉楊的BGS 和EGS，擬合系數(shù)Slope 是該站點(diǎn)植物物候?qū)夂蝽憫?yīng)的敏感性系數(shù)，結(jié)果如表3 所示，R2和RMSE 分別為擬合優(yōu)度和均方根誤差.

由表3 可以看出，1981—2009 年小葉楊的BGS隨氣溫的升高均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，BGS 對(duì)氣候響應(yīng)敏感性變化范圍為-0.22～-6.35 d/℃；81%以上站點(diǎn)小葉楊的EGS 隨氣溫的升高呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，其敏感性變化范圍為-6.64～6.57 d/℃.小葉楊BGS 均方根誤差為1.36～10.82 d，EGS 均方根誤差為1.50～17.16 d，二者對(duì)比可以看出小葉楊BGS 的模擬精度較好.

3.4 小葉楊物候期對(duì)氣候響應(yīng)敏感性的分布規(guī)律

統(tǒng)計(jì)每個(gè)站點(diǎn)上BGS 和EGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性分別與該站點(diǎn)2—4 月、9—11 月平均氣溫的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖3 所示.

表3 小葉楊物候期對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性Tab.3 Response sensitivity of Populus simonii′s phenology to climate

圖3 小葉楊物候的敏感性響應(yīng)與平均氣溫的關(guān)系Fig.3 Correlation between Populus simonii′s phenology sensitivity response and average temperature

由圖3 可知，在溫暖地區(qū)，即多年平均春季溫度高的地區(qū)，小葉楊BGS 提前趨勢(shì)更大，在寒冷地區(qū)，即多年平均春季溫度低的地區(qū)，小葉楊BGS 提前的趨勢(shì)相對(duì)偏小.當(dāng)平均春季氣溫低于-5.4 ℃時(shí)，小葉楊BGS 甚至出現(xiàn)推遲趨勢(shì)，說(shuō)明BGS 對(duì)氣候的響應(yīng)在溫暖地區(qū)更加敏感.在寒冷地區(qū)，即多年平均秋季溫度低的地區(qū)，小葉楊EGS 推遲趨勢(shì)大；在溫暖地區(qū)，即多年平均秋季溫度高的地區(qū)，小葉楊EGS 推遲趨勢(shì)相對(duì)偏小，說(shuō)明EGS 對(duì)氣候響應(yīng)在寒冷的地區(qū)更加敏感.

統(tǒng)計(jì)每個(gè)站點(diǎn)BGS 和EGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性分別與該站點(diǎn)2—4 月和9—11 月平均氣溫變化速率的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示.由圖4 可知，在溫度升高較快的地區(qū)，小葉楊BGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性更大；在溫度升高較慢的地區(qū)，其BGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性相對(duì)偏小.同樣在溫度升高較快的地區(qū)，小葉楊EGS對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性更大；在溫度升高較慢的地區(qū)，小葉楊LGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性相對(duì)偏小，這說(shuō)明小葉楊物候?qū)夂蝽憫?yīng)在溫度升高較快的地區(qū)更加敏感.

圖4 小葉楊物候的敏感性響應(yīng)與氣溫趨勢(shì)的關(guān)系Fig.4 Correlation between populus simonii sensitivity response and temperature′s slope

4 結(jié)論

本研究利用地面站點(diǎn)記錄的物候數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分析了小葉楊葉物候的變化趨勢(shì)以及對(duì)氣溫響應(yīng)的敏感性，結(jié)果表明：

（1）1981—2009 年，小葉楊BGS 呈提前趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.17 d/a；EGS 呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為0.28 d/a.隨著緯度的增加，小葉楊開(kāi)始進(jìn)入展葉期的時(shí)間越晚，結(jié)束落葉期的時(shí)間越早，相應(yīng)的，其生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)度也越短.

（2）小葉楊物候期隨溫度變化，溫度越高BGS 越提前，當(dāng)春季2—4 月的平均溫度每提高1 ℃，小葉楊BGS 將提前0.29 d；溫度越高EGS 越推遲，當(dāng)秋季9—11 月平均溫度每提高1 ℃，小葉楊EGS 將推遲0.27 d.小葉楊葉物候?qū)鉁仨憫?yīng)的敏感性顯示，1981—2009年，小葉楊BGS 敏感性變化范圍為-0.22～-6.35 d/℃，均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)；EGS 大多數(shù)呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，其敏感性變化范圍為-6.64～6.57 d/℃.

（3）對(duì)于小葉楊BGS，在高溫及升溫趨勢(shì)快的地區(qū)，植物對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性較大，在低溫及升溫趨勢(shì)慢的地區(qū)，植物BGS 對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性較小，這說(shuō)明氣候變化對(duì)BGS 的影響在高溫及升溫趨勢(shì)快的地區(qū)更大.對(duì)于小葉楊EGS，在寒冷地區(qū)植物對(duì)氣候的響應(yīng)更敏感.