農(nóng)牧交錯帶蒲公英春季物候期變化及其驅(qū)動氣象因子

中圖分類號 S162 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)境影響出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象，氣候變化引起植被物候變化，物候變化調(diào)控植被對氣候系統(tǒng)的反饋[-21。肖芳等[3基于實(shí)地物候觀測和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(nèi)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(qū)植物春季物候發(fā)生的重要調(diào)控因子[5]。降水是干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的關(guān)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(yīng)，春季干旱導(dǎo)致其生長季始期推遲。

內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶位于水分匱乏的干旱半干旱地區(qū)，生物氣候的過渡性、生態(tài)環(huán)境的敏感性以及自然條件使得該地區(qū)成為氣候變化敏感地帶8。氣候是影響該區(qū)植被物候變化的主要因素，適宜開展陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)機(jī)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(zhì)化程度低的特性，使得其對氣候變化的響應(yīng)更加敏感，對其進(jìn)行物候研究有利于捕捉生態(tài)系統(tǒng)中的微小變化，探究其對生態(tài)產(chǎn)生的影響[10]?；诖?，本研究以內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶為研究區(qū)，以蒲公英為研究對象，分析其物候期變化特征及驅(qū)動氣象因子，為農(nóng)牧交錯帶植被物候變化的機(jī)理研究和生態(tài)環(huán)境評價保護(hù)提供參考。

1材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)地處干旱半干旱氣候向濕潤半濕潤季風(fēng)氣候的生態(tài)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(diǎn)，海拔在146～1748m ，呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)。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(zhuǎn)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(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

蒲公英春季物候期數(shù)據(jù)來源于中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測網(wǎng)的自然物候觀測數(shù)據(jù)集。由于物候期觀測數(shù)據(jù)收集具有滯后性，本研究采用1980一2018年長時間序列觀測數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，選取了研究區(qū)域內(nèi)16個物候觀測站點(diǎn)的地面觀測物候數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)缺失年份均不做處理，為方便計(jì)算，采用年日序（DOY）表示物候期。為保證數(shù)據(jù)有效性和質(zhì)量，對研究區(qū)域內(nèi)各個站點(diǎn)的物候數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。剔除因記錄錯誤造成的無效數(shù)據(jù)，采取中位數(shù)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(shù)偏差的絕對值的中位數(shù)，計(jì)算如式（1）。將超過2.5倍MAD的觀測數(shù)據(jù)定義為觀測異常值并剔除。研究區(qū)域內(nèi)16個站點(diǎn)共篩選出1100條物候觀測記錄。

式中，median（X）代表各個站點(diǎn)3個物候期的DOY序列， X_i 表示X中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

地面觀測氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) （http：//data.cma.cn/） ，研究區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)來源于歐洲中期天氣預(yù)報中心（https：//cds.climate.copernicus.eu/）ECWMF的ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)集，采用其中的體積土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，選取 0～7cm 土壤含水量數(shù)據(jù)，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(nèi)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(qū)水熱資源變化趨勢分析均通過建立一元線性回歸方程進(jìn)行，計(jì)算如式（2）。

X=a+bt

式中， X 為某氣象因素統(tǒng)計(jì)值， Φ_t 為年序， a 為截距， b 為回歸系數(shù)。以 b 的10倍作為傾向率，通過 Φ_t 檢驗(yàn)判斷其變化趨勢和程度是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

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

LP=bLp+mLp

通過計(jì)算所有完整的 LP[（bLP+1）d，（bLP+2）d （bLP+3）d，…，（bLP+90）d] 內(nèi)日平均氣溫的時間序列與物候日期序列的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大的LP時段為各物候期氣象因素的統(tǒng)計(jì)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(biāo)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(xiàn)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(xiàn)，VIPlt;0.8 說明自變量幾乎不能解釋因變量的變化。VIP計(jì)算如式（4）。

式中， VIP_j 為自變量 x_j 的VIP值; p 為自變量個數(shù)； m 為提取的成分個數(shù)； 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(guān)系數(shù)的平方； w_hj² 為自變量 x_j 對構(gòu)造 t_h 成分的貢獻(xiàn)權(quán)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(shù)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(jì)交叉有效性，表示PLS模型對數(shù)據(jù)的預(yù)測準(zhǔn)確性，Q²（cum）gt;0.5 表示模型預(yù)測準(zhǔn)確度較高， Q²（cum）lt; 0.05表示模型無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)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(qū)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(qū)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（ （Plt;0.05） 。由圖1C可知，研究區(qū)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （Plt;0.05） 。綜合表明，1980—2018年研究區(qū)呈暖干化趨勢，即溫度升高和水分含量降低。

圖1研究區(qū)年平均氣溫、年降水量、年平均土壤水分含量變化

研究區(qū)域各監(jiān)測點(diǎn)蒲公英的春季物候發(fā)展趨勢和平均物候期見表1。蒲公英平均萌芽期發(fā)生在4月上旬；平均展葉始期發(fā)生在4月中旬；平均展葉盛期發(fā)生在4月下旬。研究區(qū)蒲公英春季物候期發(fā)生提前趨勢的地區(qū)較多，發(fā)生延遲趨勢的地區(qū)較少。對于萌芽期，有10個站點(diǎn)呈現(xiàn)出0.3～4.9d/10 a的提前趨勢，有6個站點(diǎn)呈現(xiàn)出0.3～5.0d/10 a的推遲趨勢；對于展葉始期，有9個站點(diǎn)呈現(xiàn)出 0.3～6.5d/10 a的提前趨勢，有7個站點(diǎn)呈現(xiàn)出 0.6～5.0d/10 a的推遲趨勢；對于展葉盛期，有11個站點(diǎn)呈現(xiàn)出 0.5～5.6d/10 a的提前趨勢，有5個站點(diǎn)呈現(xiàn)出 0.2～4.7d/10 a的推遲趨勢。綜合表明，研究區(qū)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(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶內(nèi)各站點(diǎn)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(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 最佳期間

最佳期間計(jì)算結(jié)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(nèi)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(jìn)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(fā)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(yīng)解釋程度較高；而降水量依舊呈現(xiàn)出解釋力不強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jìn)程，促進(jìn)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(jìn)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(qiáng)的解釋力，在干旱半干旱地區(qū)土壤水分含量與蒲公英進(jìn)一步展葉生長有關(guān)。

圖2蒲公英春季物候期PLS相關(guān)系數(shù)和VIP值

表2偏最小二乘回歸非標(biāo)準(zhǔn)化模型方程和回歸參數(shù)

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(biāo)準(zhǔn)化模型參數(shù)體現(xiàn)了物候發(fā)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(jié)果中 R²X（cum），R²Y 模型擬合預(yù)測準(zhǔn)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(guān)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(jié)論與討論

近年來，研究區(qū)氣候年際變化差異大，旱澇等級上升，氣候變化是影響該區(qū)植被物候變化的主要因素之一。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)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(jié)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(xiàn)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(yīng)，在展葉盛期其解釋程度大于平均氣溫，占主導(dǎo)作用。蒲公英無莖的特點(diǎn)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(xiàn)出對土壤水分的依賴性。

綜上，本研究利用研究區(qū)的物候、氣象和土壤等數(shù)據(jù)，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(qū)蒲公英物候期的影響，結(jié)果表明，1980—2018年，研究區(qū)呈暖干化趨勢，溫度升高和水分含量降低。研究區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)蒲公英春季物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)程度占主導(dǎo)作用。

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（責(zé)任編輯：胡立萍）