气候变化对荒漠区5种主要灌木植物物候的影响

李 丹,韩 芳,陈云云,杨丽萍,陈素华

(1.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

气候变化对荒漠区5种主要灌木植物物候的影响

李 丹1,韩 芳1,陈云云2,杨丽萍1,陈素华1

(1.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

物候常作为指示气候变化的一项可靠指标，基于物候资料分析气候变化对荒漠区5种灌木物候的影响，对阐明荒漠生态系统碳循环具有重要意义。因此，本研究采用一元线性回归法和相关分析法对阿拉善左旗荒漠区5种灌木30年来的物候及其对应的气象数据进行了分析，结果表明，1)1983-2012年研究区增温明显，气温平均增幅0.43 ℃·10 a-1，降水量无显著变化，气候朝着暖干化方向发展；2)5种灌木春季物候均表现出提前的趋势，枯黄期则表现出显著的提前或不明显的推后趋势，生长季长度有所延长；3)3月均温、4月均温和10月均温对研究区5种灌木物候期影响显著，月降水量仅与白刺(Nitrariatangutorum)的春季物候期呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的相关关系。

物候期；灌木；阿拉善左旗；气候变化；相关分析

物候是指植物为了利用周围环境资源在生理形态上形成与气候条件的节律性相对应的植物发育节律[1-2]，是对当时以及过去一段时间气象条件的反映[3]。物候的变化可以反映周围资源环境的变化[4-6]，常作为指示气候变化的一项可靠指标[7]，是气候变化的敏感指示器[8-9]。在全球气候变化背景下，植物物候对气候变化的响应及其响应模式已成为当代物候学研究的热点[10-11]。目前干旱区植被物候的研究主要集中于木本植物和草本植物的物候变化趋势及对气候变化的响应[12-15]，不同物候期与气象因子之间的相互关系[16-19]，而关于在较长时间序列下气候变化对荒漠区灌木植被物候影响的研究较少，近年来，虽有学者运用遥感观测方法对植物物候进行了广泛研究[20-21]，但是由于荒漠区植被稀疏，采用较低分辨率的遥感影像资料提取该区NDVI效果并不理想[20]，在一定程度上限制了“植被-气候”关系的研究，因而本研究选取阿拉善荒漠区5种主要灌木植物作为研究对象，利用长时间序列的物候观测资料及气候资料， 对5种灌木植物不同物候期的变化特征及其与气候变化的关系进行研究，为全球变暖背景下，大尺度植被类型物候对气候变化的响应研究提供依据。

阿拉善左旗荒漠区作为内蒙古气候变化的敏感区域，已有学者对该区开展了物候研究[22]，研究内容主要以土壤含水率对灌木物候和生物量的影响为主，事实上，植被的旱生性是荒漠景观的突出特征，这是气候不断旱化的漫长的地质历史过程中选择的结果[23]。研究该区植被物候对气候变化的响应对阐明荒漠生态系统碳循环具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古阿拉善左旗腾格里沙漠，地理坐标 105°40′ E，38°50′ N，海拔1 360 m,年平均气温8 ℃,极端最高气温38.6 ℃,极端最低气温-33.2 ℃,≥10 ℃年积温3 000～3 400 ℃·d。年降水量80～150 mm,年蒸发量3 000～4 000 mm，年平均风速3.1 m·s-1。本研究区植被稀疏，具有明显区域性和地带性。植被是以霸王(Zygophyllumxanthoxylon)为优势种,白刺 (Nitrariatangutorum)、红砂 (Reaumuriasoongorica)、猫头刺(Oxytropisaciphylla)、矮脚锦鸡儿(Caraganabrachypoda)(俗称红刺)为主要伴生种的荒漠群落。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与观测方法

资料来源于内蒙古气象局，选取阿拉善左旗孪井滩牧业气象观测站(105.27° E,37.53° N)1981-2012年的地面气象数据，包括气温和降水量及荒漠区1983-2012年5种主要的灌木、半灌木的物候观测资料。

观测方法采取定点不定株的方式，在牧草监测场的发育期监测小区内进行灌木、半灌木发育期监测，其中，50%的灌木、半灌木的芽开放，植株花芽突起，鳞片开裂，或叶芽露出鲜嫩小叶则为返青普遍期；当出现第1批1～2片叶片平展时，就是展叶始期；当枝条开始出现完全开放的花时是开花始期；50%的灌木、半灌木当年生枝条老化，叶片变色或触及易脱落则为枯黄普遍期。

2.2 研究方法

气象数据以30 a来阿拉善左旗气象观测站平均气温、累计降水量数据做年际和季节(春季3月-5月、夏季6月-8月、秋季9月-11月、冬季12月-翌年2月)变化趋势线性回归图；物候数据采用儒略日(Julian days) 换算方法[24]，得到各物候期的时间序列。用一元线性方程来定量描述灌木返青普遍期、开花期、展叶始期、枯黄期、生长季长度(枯黄期与返青普遍期儒略日差值)与年际变化的线性回归变化趋势；利用统计分析软件SPSS 19.0，采用相关分析法对1月-12月平均气温、降水量与 4 种物候期之间的相关关系进行分析。

3 结果与分析

3.1 阿拉善左旗荒漠区气温和降水的变化特征

对几种灌木植物附近气象站1981-2012年平均气温和降水量的趋势分析可见(图1)，在全球变暖背景下，研究区内的年均气温呈显著的波动上升趋势(P<0.05)。31 a平均气温为8.7 ℃，平均增幅0.427 ℃·10 a-1。研究时段内四季气温皆表现为上升趋势，其中夏季气温极显著上升(P<0.01)(图2)，平均增幅为0.546 ℃·10 a-1，春季和秋季气温也显著上升(P<0.05)，平均增幅分别为0.398和0.399 ℃·10 a-1，冬季气温上升，但不明显(P>0.05)。在降水量变化方面，近30 a降水量波动幅度在130～350 mm，总体呈微弱的增加趋势(图1)，其中春季和秋季降水量均未表现出显著的增加趋势(P>0.05)，而夏季和冬季降水量则表现出微弱的减少态势(图3)。总体而言， 1981-2012年，阿拉善左旗荒漠区气温呈显著的上升趋势，降水呈微弱的增加趋势，实质上表现出暖干化的趋势。

图1 1981-2012年阿拉善左旗气温和降水年际变化Fig. 1 Inter-annual variations of the temperature and precipitation in Alashan Left Banner during the period of 1981-2012

图2 1981-2012年阿拉善左旗四季气温年际变化Fig. 2 Inter-annual variations of seasonal temperature in Alashan Left banner during the period of 1981-2012

图3 1981-2012年阿拉善左旗四季降水年际变化Fig. 3 Inter-annual variations of seasonal precipitation in Alashan Left banner during the period of 1981-2012

3.2 5种荒漠灌木的物候变化特征

3.2.1 5种荒漠灌木的基本物候特征 对1983-2012年阿拉善左旗荒漠区5种灌木植物的物候期监测数据进行统计，30 a来,霸王平均在3月28日达到返青普遍期，4月10日展叶，4月20日开花，10月25日达到枯黄普遍期，生长季长度大约211 d；白刺平均在4月18日达到返青普遍期，4月24日展叶，5月24日开花，11月4日达到枯黄普遍期，生长季长度大约200 d；矮脚锦鸡儿平均在3月3日达到返青普遍期，4月3日展叶，4月21日开花，11月4日达到枯黄普遍期，生长季长度大约219 d；红砂平均在4月7日达到返青普遍期，7月24日开花，11月11日达到枯黄普遍期，生长季长度大约218 d；猫头刺平均在3月31日达到返青普遍期，5月5日开花，11月8日达到枯黄普遍期，生长季长度大约222 d(表1)。

3.2.2 5种荒漠灌木物候期的年际变化趋势 近30 a来，5种灌木的返青普遍期、展叶始期(红砂和猫头刺没有展叶始期)、开花始期均表现出提前的趋势，枯黄期则表现出显著的提前(P<0.05)或不明显的推后趋势(P>0.05)(表2)。其中霸王和猫头刺的返青普遍期，矮脚锦鸡儿的展叶始期，霸王、矮脚锦鸡儿、红砂、猫头刺的开花始期，均通过0.05或0.01水平显著性检验，有明显的提前趋势；霸王和红砂的枯黄普遍期显著的提前，白刺、矮脚锦鸡儿和猫头刺的枯黄普遍期均表现出不明显的推迟趋势。因而，除白刺外，其余灌木的生长季长度基本都有延长趋势。

3.3 气候变化对荒漠灌木物候期的影响

3.3.1 气温对荒漠灌木物候期的影响 霸王的开花始期与2月均温呈显著负相关关系(P<0.05)，与3、4月均温间呈极显著负相关关系(P<0.01)，即温度越高，物候期提前越明显，也符合愈临近愈敏感的规律[25]。白刺的开花始期对2、3月份月均温的敏感程度达到显著水平；4月均温对红砂的开花始期具有显著负相关影响；猫头刺的开花始期对3月均温最为敏感，这种与相隔较远月份月均温呈明显相关的现象可能与灌木开花期之前生长发育的热量条件要求有关[26]。各灌木物种枯黄普遍期随着温度的升高均呈推迟的趋势，其中霸王和白刺的枯黄期与10月月均温呈显著正相关关系，说明10月均温的提高显著推迟了这两种灌木的枯黄期。

表1 5种灌木30 a来的物候平均发生日期及生长季长度Table 1 The average phenological occurrence date(MM-DD)and the length of growing season of the five shrub species in the past 30 years

表2 5种灌木30 a的物候期和生长季长度的线性趋势及其显著性水平Table 2 The linear trend of the phenological phases and length of growing season and its significant level for thefive shrub species in the past 30 years

注：**表示相关性在0.01水平(双尾)具有显著性，*表示相关性在0.05水平(双尾)具有显著性。表3、表4同。

Note: **, Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed); *, Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed); similarly for Table 3 and Table 4.

3.3.2 降水对荒漠灌木物候期的影响 从5种灌木各物候期与月降水量相关性的统计分析数据中可以看出(表4)，降水量与返青普遍期、展叶始期、开花始期大部呈负相关关系，与除猫头刺外,其余物种枯黄普遍期与降水量呈正相关关系，即随着物候期前期降水量的增多，返青普遍期、展叶始期、开花始期呈提前趋势，但仅白刺达到了显著或极显著的相关水平。随着10月降水量的增多，枯黄期延迟。植物枯黄大多是由于组织和细胞中的水分减少而呈现枯萎和死亡的状态，降水量充沛可以提高植被生境中的水分含量，降低枯萎的速率，从而延迟枯黄期[13]。

4 讨论

综上研究表明，1981-2012年间阿拉善左旗荒漠区气候呈暖干化的趋势，气温升幅较大，而降水增加较少，对荒漠草原生态保护和恢复不利。该区域5种主要灌木表现出返青普遍期、展叶始期、开花始期提前和生长季延长，霸王和红砂的枯黄普遍期显著提前的特征，这与许多学者的研究结果一致[27-29]，也有相关研究表明秋季物候有推后的趋势[30]，本研究中，白刺、矮脚锦鸡儿和猫头刺的枯黄普遍期表现出不明显的推后趋势。不同灌木物种秋季物候期对气候变化表现出不同的响应，可能与不同物种特有的生理属性及对于环境变化的适应机制存在差异有关[31]。

表3 1983-2012年物候期与月平均气温间的相关系数Table 3 Correlation coefficient between phenological periods and monthly mean temperature during 1983-2012

表4 1983-2012年物候期与月降水量间的相关系数Table 4 Correlation coefficient between phenological periods and monthly precipitation during 1983-2012

本研究中灌木物候与气候要素的关系表明，温度(降水量)升高(增多)可以提前其春季物候期，推迟秋季物候期， 2月-4月月平均气温对5种灌木春季物候有不同程度影响，3月均温基本对所有物种的春季物候期具有显著或极显著的负相关性，4月均温仅与霸王和红砂的开花始期有显著或极显著的负相关关系，说明物候期对所处当月和上月的平均气温较敏感。就霸王来看，2月均温对其返青普遍期、展叶始期、开花始期均产生显著影响，3月均温对其均产生极显著的影响，说明平均气温对物候的影响符合愈临近愈敏感的规律[30]；在月降水量与5种灌木物候相关性研究中，仅白刺的返青普遍期、展叶始期、开花始期与月降水量呈显著或极显著的相关性，其它4个物种均表现出相关性不明显，说明阿拉善左旗荒漠区灌木春季物候期主要受气温的影响，降水量对其影响不明显，且对不同种灌木的影响差异较大[28]，这与“灌丛生长季始期对降水和日照时数敏感而末期仅对降水响应敏感”的说法不符[32]，可能与荒漠区强旱生灌木的根系发达，抗旱能力强，降水对于其物候期的影响较小有关[31]。对Chihuahuan荒漠地区的物种物候期和土壤水分可利用性之间研究表明，具有特殊水分储存器官的荒漠灌木，其物候期和土壤水分可利用性之间相关性不大[33]，郝璐等[22]在土壤含水量对灌木物候影响的研究中，得出土壤水分变化对灌木开花期和枯黄期无显著的影响，进一步说明了荒漠灌木通过长期的干旱适应进化，对水分降低不敏感。

月平均温度和月降水量对白刺的影响程度都很显著，趋势也是一致的，即与春季物候呈负相关，与秋季物候呈正相关，但近30 a来，白刺的物候期并没有明显变化趋势，可能是由于暖干化的气候变化趋势下，温度与降水两种气象因子对白刺物候期的作用相互抵消的原因；同为阿拉善左旗荒漠灌木，霸王和红砂的枯黄普遍期为什么会随着温度的升高而提前，其内在机制还需进一步的研究。

5 结论

1)1983-2012年，阿拉善左旗气温平均增幅0.43 ℃·10 a-1。其中，增温幅度夏季>秋季>春季>冬季；降水量无显著变化。2)1983-2012年，5种灌木春季物候和生长季长度对气候变化表现出明显的一致性响应，即返青普遍期、展叶始期、开花始期均表现出明显的提前趋势，生长季长度有所延长；秋季物候即枯黄期则表现出显著的提前或不明显的推后趋势，其中霸王和红砂的枯黄普遍期有着显著的提前趋势，其它物种的枯黄普遍期则表现出不明显的推后趋势。3)3月均温对整个春季物候期的影响显著或极显著，4月均温仅对霸王和红砂的开花始期影响显著。10月均温对霸王和白刺的枯黄普遍期有显著的正相关关系；月降水量仅与白刺的春季物候期有显著或极显著的相关关系，与其它灌木物种均没有明显的影响。

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(责任编辑 张瑾)

Impacts of climate change on the phenological phases of five main shrub species in the desert region

Li Dan1, Han Fang1, Chen Yun-yun2, Yang Li-ping1, Chen Su-hua1

(1.Inner Mongolia Ecological and Agricultural Meteorological Center, Huhhot 010051, China; 2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Huhhot 010021, China)

Phenology is often used as a reliable indicator of climate change. Based on the analysis of phenological data, the effects of climate change on the phenological phases of five main shrub species in desert region were found. The findings are significant in clarifying the carbon cycle of the desert ecosystem. A study was performed on the phenological and corresponding meteorological data of five shrub species in the desert area of the Alashan Left Banner league of Inner Mongolia in the past 30 years by using simple linear regression and correlation analysis. The results indicate 1) from 1983 to 2012, the temperature increases obviously in the study area, and its climatic tendency is 0.43 ℃·10 a-1. No significant change in precipitation was found. The climate shows a warm and dry trend in the data. 2) The spring phenophase of the five shrub species is shorten. The withering stage showed either a significant advance or no obvious backward trend, and the growing season has extended. 3) The mean temperature in March, April, and October have significant effects on the phenological phases of five shrub species. There is significant or extremely significant correlation between the monthly precipitation and the spring phenophase ofNitrariatangutorum.

phenological phases; shrub; Alashan Left Banner; nclimate change; correlation analysis

Han Fang E-mail:510878304@qq.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0644

2016-12-30 接受日期：2017-03-24

内蒙古自然科学基金(2017MS0411);内蒙古自然科学基金(2016MS0320)

李丹(1982-)，女(回族)，内蒙古满洲里人，工程师，硕士，研究方向为生态学和公共气象服务。E-mail:40342051@qq.com

韩芳(1979-)，女(蒙古族)，内蒙古通辽人，高级工程师，博士，研究方向为物候学和牧业气象服务。E-mail:510878304@qq.com

S162.5+9;Q948

A

1001-0629(2017)08-1617-10

李丹,韩芳,陈云云,杨丽萍,陈素华.气候变化对荒漠区5种主要灌木植物物候的影响.草业科学,2017,34(8)：1617-1626.

Li D,Han F,Chen Y Y,Yang L P,Chen S H.Impacts of climate change on the phenological phases of five main shrub species in the desert region.Pratacultural Science，2017,34(8)：1617-1626.