近55年来民勤绿洲胡杨林物候对气候变化的响应

武 红，张松林，季 云

（1.西北师范大学 地理与环境科学学院，兰州730070；2.南京大学 地理与海洋科学学院 海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京210046）

植被是陆地生态系统中最重要的组分［1］，同时植被物候是地球与大气科学应用中研究植被生命周期及其与气候关系的一个重要参量［2］，因而物候变化在确定植物如何响应区域气候和气候变化方面，被公认为是最敏感、最理想的重要感应器［3－8］。有关植被与气候变化响应的研究，国内外已有较多成果。在国外，Sparks等［9］研究了英国11个植物物种58a的平均开花时间，发现由于气候变暖，春季和夏季物种的开花时间将会进一步提前。Zhou等［10］用NDVI资料分析发现，在40°N以北欧亚地区植被生长季已经延长了近18d，春天提早了7d，秋季滞后了10d；北美地区生长季也延长了12d，生长季的这种变化与气温的变化有很强的对应关系。Fitter等［11］以及 Sparks and Carey［12］对英国物候趋势的研究认为，全球温度升高3.15℃，春季开花将提前2周左右。在国内，陈效逑等［13］对近50a来，北京春季物候的变化分析发现，近50a来北京春季物候经历了3个周期的早晚振荡，近10多年来北京的物候异常偏早，这与北京连续10多年的暖冬和春季偏早一致，且未来10a春季物候仍将偏早。崔海亭等［14］利用NOAA的NDVI分析了植被物候节律，探讨了在气候年、季波动情形下植被的时空变化特征。赵茂盛等［15］针对我国不同类型植被与气候的关系进行了研究。结果表明：在多年平均状态下，植被NDVI变化主要受降水的影响；在年内变化上，气温对植被季相变化的影响大于降水［16］。

随着全球气候变化、自然条件的恶化和人为干扰，胡杨的生存正受到日益严重的威胁。为改变这一状况，更好地保护胡杨这一抗风沙、耐盐碱、抗热、抗旱的优良种质资源［17］，认识胡杨林对气候变化的响应成为亟待解决的科学问题。本文通过胡杨对气候变化的响应研究，将为当地提出应对气候变化的有效措施，为保护胡杨林，恢复生态环境，促进区域可持续发展提供参考和依据。

1 研究区概况

民勤绿洲位于甘肃河西走廊东端北侧石羊河下游，西、北、东三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，南靠武威盆地，地处于 38°05′—39°06′N，102°02′—103°02′E，面积约1.6万km2，包括坝区、泉山区、湖区3个灌溉农业区［18］，是我国风沙危害最严重和水资源最缺乏的地区之一。该区为典型的温带大陆性荒漠气候，气候干燥，多年平均气温8.3℃，多年平均降水量115.9mm，平均蒸发量为2 637.7mm，年平均风速2.8m／s，全年平均扬沙59d，全年沙尘暴日数27d。地貌类型为平原、沙漠和低山丘陵，地带性土壤以风沙土、灰棕漠土、草甸土、草甸沼泽土为主，非地带性土壤为灌漠土。境内胡杨林等天然植被退化严重、沙尘暴频发，已严重危害到人民生命财产的安全和社会经济的发展。

2 资料与方法

选取民勤气象站1955年1月1日到2009年12月31日的日平均气温资料，资料源于国家气象信息中心。胡杨年生长期开始于日平均气温稳定≥5℃左右，终止于气温＜5℃；所谓“稳定”，就是指生长期后期不再出现连续平均气温低于5℃或高于5℃的天数。胡杨自叶芽膨胀开始，到冬初黄叶脱落；其中，春季胡杨展叶始于日平均温度14℃，称为展叶始日；秋天胡杨部分叶子开始变黄，称为叶黄始日，始于日平均温度18.5℃［19－20］。但一般叶黄期不包括因为干旱、炎热、病虫害或其他原因引起的叶子变黄现象［21］。将开始日转化为日序数（即用站点中各时期开始日开始最早的那一天记为1，第二天记为2，…，依此类推），并计算出各期天数。利用Mann－Kendall非参数统计检验法对民勤绿洲胡杨年生长期开始日、终止日及其生长天数进行突变分析，以确定较可靠的突变年份［22］。Mann－Kendall非参数检验法是进行气候变化客观性检测中一种很好的方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，是检验时间序列的理想方法。

3 结果与分析

3.1 胡杨年生长期变化趋势

近55a来，民勤绿洲胡杨年生长期开始日有提早趋势，终止日有明显推迟趋势（图1，表1）。其变化倾向率分 别为 －0.99d／10a，1.48d／10a（α＝0.01），55a共计提早了5.4d，推迟了8.1d。胡杨平均年生长期开始日为3月22日，最早为2006年3月5日，最晚为1996年4月7日。胡杨平均年生长期终止日为10月26日，最早为1957年10月14日，最晚为1998年11月14日。胡杨年生长期天数有显著延长趋势，其变化倾向率为2.48d／10a（α＝0.01），55a共计延长了13.6d。胡杨平均生长期为218d，最短在1987年，为198d；最长在2006年，长达251d。从年代际变化看，1955—1970s，胡杨开始日由3月20日推迟到3月28日；之后开始日逐渐提早，到2001—2009年，提早到3月17日，比1970s和1980s分别提早了11d，8d。1960s—1970s，胡杨年生长期终止日逐渐提早，1980s比1960s提早了3d，而1980s之后，年生长期终止日又逐渐推迟，到2001—2009年，推迟到11月2日，比1960s和1970s分别推迟了5d和8d。1955—1960s，胡杨年生长期由215d延长到218d；1960s—1970s逐渐缩短到211d；1970s之后，又开始延长，到2001—2009年，延长至230d，比1970s延长了19d。胡杨年生长期在2001—2009年延长最为显著，这与1980s以来西北地区木本植物春季物候期提前，特别是21世纪初我国北方地区显著增温、致使生长季延长的结论相一致［23－24］。

图1 民勤绿洲胡杨年生长期变化趋势

表1 民勤绿洲胡杨年生长期年代际变化趋势

3.2 胡杨展叶始日和叶黄始日变化趋势

民勤绿洲胡杨展叶始日有明显提早趋势，其变化倾向率为－1.14d／10a（α＝0.05），近55a共提早了6.3d（图2）。胡杨平均展叶始日为4月22日，最早为2009年4月8日，最晚为1976年5月7日。胡杨叶黄始日有明显推迟趋势，其变化倾向率为1.27 d／10a（α＝0.05），近55a共推迟了7d（图2）。胡杨平均叶黄始日为9月5日，最早为1978年和1979年8月24日，最晚为1987年9月22日。从表2可以看出，1955—1960s，胡杨展叶始日由4月24日提早到4月22日；1970s为4月25日；从1980s开始逐渐提早，到2001—2009年，提早到4月18日，比1970s，1980s和1990s分别提早了7d，6d和2d。从1955—1960s，胡杨叶黄始日由9月2日推迟到9月5日；从1980s开始逐渐推迟，到2001—2009年，推迟到9月9日，比1970s，1980s和1990s分别推迟了7d，3d和2d（表2）。

可见，胡杨展叶始日与叶黄始日的年际变化趋势，与1970s全球气温尤其是北半球偏冷、1980s以后全球气候开始变暖，民勤绿洲秋季气温增幅明显、天数延长的结论相一致［25－27］。

3.3 胡杨年生长期与其月平均气温相关性分析

相关分析表明，近55a来，民勤绿洲胡杨年生长期终止日、天数、叶黄始日与其对应的10月、3—11月、9月平均气温呈显著正相关关系（图3），相关系数分别为0.580 5，0.610 7，0.489 9，（α＝0.01）；而胡杨年生长期开始日、展叶始日与其对应的3月和4月平均气温呈显著的负相关，相关系数分别高达0.728 7，0.660 3（α＝0.01）。可见，月平均气温是影响民勤绿洲胡杨生长的主要因素。这与已有研究［26］表明的“民勤绿洲春、夏、秋季开始日提早和冬季开始日推迟，且以21世纪初最为显著”的结论相一致。

表2 民勤绿洲胡杨展叶始日与叶黄始日年代际变化趋势

图2 民勤绿洲胡杨展叶始日和叶黄始日变化趋势

图3 民勤绿洲月平均气温和胡杨生长期之间的相关性

3.4 胡杨年生长期开始日、终止日、天数、展叶始日及叶黄始日的突变分析

采用Mann－Kendall非参数统计检验方法对民勤绿洲胡杨年生长期开始日、终止日、天数、展叶始日和叶黄始日进行突变检验，来确定比较可靠的突变年份。胡杨年生长期开始日具有多个突变，分别发生在1957年、2005年和2007年；年生长期终止日也具有多个突变，发生在1961年、1997年和1998年，这主要与1980s以后全球开始变暖，尤其是北半球的年平均气温在1988年有一次突变，以及21世纪初我国北方地区增温显著有关［24－28］，这表明胡杨对气候变化的响应比较明显。当然，生长期天数也会相应发生突变，具体发生在1960年和2002年。展叶始日具有多个突变，发生在1958年、1997年和2003年；叶黄始日也具有多个突变，发生在1962年、1987年和1988年。据已有研究［29］显示，中国冬季增温明显，1985年以来，中国已经连续出现了16个全国大范围的暖冬，1998年冬季最暖，2002年次之，这表明胡杨主要物候的突变发生年份与这一结论相一致。

4 结 论

（1）民勤绿洲胡杨年生长期开始日有提早趋势，终止日有明显推后趋势，胡杨生长期天数有显著延长趋势。胡杨年生长期开始日的提早和终止日的推迟，致使其生长期明显延长，这一现象有利于胡杨萌芽和良好的生长发育。

（2）民勤绿洲胡杨展叶始日有提早趋势，叶黄始日有明显推迟趋势。胡杨展叶始日的提早和叶黄始日的推迟，与胡杨生长发育所需营养物质的积累过程有着密切联系。

（3）民勤绿洲胡杨年生长期终止日、天数、叶黄始日与其对应的平均气温呈正相关关系，而开始日、展叶始日与其对应的平均气温呈显著的负相关关系。表明研究区月平均气温的变化趋势密切影响着胡杨的生长发育。

（4）民勤绿洲胡杨年生长期开始日、终止日及生长期的突变分析表明，年生长期开始日、终止日、天数、展叶始日和叶黄始日发生多个突变，表明研究区胡杨林对气候变化的相应十分敏感。

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