基于去趋势分析的中国温带旱柳开花始期对气候变暖的响应*

周孝煌，郑彦佳，徐 琳，张煦庭，魏 培



基于去趋势分析的中国温带旱柳开花始期对气候变暖的响应*

周孝煌，郑彦佳，徐 琳**，张煦庭，魏 培

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

为了更准确地揭示植物在物候水平上对气温变化的响应与适应机制，在去气温和物候时间序列趋势的基础上，建立日尺度的气温−物候回归模型，分析中国温带地区40个站点1986−2011年旱柳开花始期对气温变化的响应与适应机理。结果表明：中国温带地区77.5%的站点旱柳开花始期呈提前趋势，相应的敏感时段春季气温则呈上升趋势（0.8±0.5℃·10a−1）。其中，75%的站点物候期或气温时间序列存在显著变化趋势。进行去趋势处理后，17.5%的站点相关性发生变化，去趋势前其相关性较低，去趋势后，表现为显著负相关；模拟的均方根误差（RMSE）从去趋势前的5.5d降至去趋势后的4.9d，说明去趋势方法能提高气温−物候响应关系诊断的精确度。基于去时间序列线性趋势的气温－物候回归模型，得到92.5%的站点旱柳开花期与敏感时段春季气温呈显著负相关关系，即随着气温的升高，旱柳开花期呈提前趋势，其线性响应速率为−2.5±2.1d·℃−1。

气候变化；旱柳；开花始期；时间序列；去趋势分析

在全球气候持续增暖背景下，植物物候对环境季节性变化的速率和方向呈现出多样的模式[1−2]。在中国温带地区，大多数植物花期的发生呈显著提前，整个花期呈显著延长的趋势[3]。花期的变化，一方面将引起物种间的共存与竞争关系的变化，从而对全球生态系统产生不同程度的影响[4−7]，另一方面，由花粉传播等带来的过敏性疾病的发病率在近年来明显增加，对人类生命安全的威胁程度也随之提升，其中，本研究中的旱柳植株，其雄性植株的花粉是重要的过敏源之一，雌性植株易产生飞絮，影响城乡环境甚至威胁人类生命安全[8−9]。模拟植物花期与气候因子的关系，提高对花期预测的精确程度，对研究生态系统变化和有效预防花粉过敏等具有重要的科学和实际意义。

气温可以单独或通过与其它气象因子如光照、降水和土壤物理性质等的协同作用影响植物物候，是引起物候变化的最重要因素之一[4,10−13]。研究物候对气温响应关系的传统方法，是计算某一物候平均发生日期所在月份和此前若干月份的平均气温时间序列与该物候发生日期时间序列之间的简单相关系数[10,14−16]，这类月尺度的气温−物候回归模型可用来估算植物物候对气温变化的响应速率，但影响物候变化的敏感时段气温往往不是整月的，因此，为提高响应模型的精度，目前已有部分模型是建立在日尺度基础上的[17−18]，但是，模型在使用物候时间序列和气候时间序列进行模拟时，因为时间序列整体上呈现某种趋势性或周期性变化[19]，可能会引起气温和物候两者之间相关关系的变化，从而影响诊断物候对气候响应变化的精确程度。去除时间序列趋势影响，仅以物候和气候数据的波动值来判断响应关系，可以更精确地模拟二者的响应关系[20]。本研究基于时间序列去趋势分析方法，利用Chen等[2]提出的最佳期间气温−物候时间模型，从日尺度上分析中国温带地区1986−2011年旱柳的开花始期对气温的响应变化机理，以期提高模拟物候对气候响应关系的精确程度。

1 材料与方法

1.1 研究区域与物种选择

研究区域为中国温带地区，包括中国气候区划中的寒温带、中温带和暖温带3个气候带[21]，该地区水热条件具有显著的季节变化，空间差异显著，植物物候的时空变化明显，因此，适于进行空间大尺度、连续时间序列的植物物候对气候变化的响应研究[22]。

旱柳（）隶属杨柳科（）柳属（），落叶乔木，雌雄异株，葇荑花序，喜光喜湿，耐旱和耐寒，耐水湿，生长能力强，适应于温暖湿润的气候，是中国温带地区分布广泛的常见树种和造林树种[9,18,23]。在中国气象局农业气象观测网的物候观测记录中，旱柳的物候观测站点较多且观测数据较完整，同时陈效逑等[18]也证明了旱柳花期对气温在时空上的变化具有较好的响应能力，因此选择旱柳作为研究对象，揭示中国温带植物物候对气候变化的时间响应能力。

1.2 物候与气象数据

所用旱柳物候数据取自中国气象局农业气象观测网的自然物候观测数集，该物候观测网始建于1980年，是中国地面站点最多的物候观测网络系统[24]，观测内容包括49种木本植物、10种草本植物和11种动物的物候期以及气象和水文现象[25]。为了研究旱柳春季物候期生长发育阶段的时序变化特征对气候变化的响应，并针对温带地区杨柳絮防治问题[8]，选择开花始期作为指示物候期，开花始期的观测标准是“观测树上有一朵或同时几朵花的花瓣开始完全开放”[25]。

为保证站点观测数据的准确性和时间序列的完整性，以1986−2010年中国温带区域内各站点的物候期时间序列大于或等于20a作为选择标准，筛选出符合标准的40个旱柳开花始期样本站点。这些站点覆盖了中国温带地区大部分区域，且分布较均匀，具有较好的区域代表性（图1）。与物候相对应的气象数据则取自中国气象数据共享服务网（http://data. cma.cn/），包括研究区域内1986−2011年平行气象站点的逐日平均气温数据。

图1 中国温带旱柳物候观测站点分布图

注：站点右侧数字为编号，无实际意义。

Note: The numbers on the right side of stations are serial numbers which have no practical meanings.

1.3 分析方法

基于简单线性去趋势的方法，应用Chen等[2]的最佳时段气温−物候模型，进行开花始期与气温间相关分析。计算方法的基本假设是该植物物候发生日期主要受其发生之前一段时期内平均气温的影响。

（1）获取去趋势数据。以1月1日为第1天，将物候发生日期进行日序转换，得到旱柳开花始期日序。分别对每个站点年物候日序数据进行线性回归分析，判断物候随时间变化是否存在显著趋势；若存在线性趋势，则需要在原数据系列中去除线性趋势值，该站物候日序数据变为

pr=po−ps（1）

式中，po为实际物候值，ps为线性拟合值。否则，若不存在线性趋势，则该站物候日序数据保留原值，不必去趋势。

（2）寻找最敏感时段。为得到物候对气温变化最敏感的时段，依次寻找每个站点1986−2011年旱柳开花始期的最小和最大日序，将最大与最小日序的差作为基础时段bLP。设定滑动时段mLP，变化范围为0～60d[3]，变化步长为1d。将bLP与mLP的和（bLP + 0d，bLP + 1d，bLP + 2d，…，bLP + 60d）定义为LP，分别计算最大日序之前LP时段内的日平均气温，计算式为

式中，Ti为第i日的日平均气温，Nmax为日序系列中的最大值。

同上，根据是否存在线性趋势对日均温序列进行去趋势或不去趋势处理，然后分别计算各站物候与LP时段内日均温的相关系数，取相关系数最大的LP时段作为物候期对气候变化最敏感时段。

（3）建立以下3种情形下敏感时段气温与物候期间的相关回归模型。

情形1（A1）：去趋势最敏感时段内日均温与去趋势物候期间；情形2（A2）：与第一种情形同时段内不去趋势日均温与不去趋势物候期间；情形3（A3）：不去趋势最敏感时段内不去趋势物候期与不去趋势气温间。

利用相关系数和均方根误差（RSME）作为检验指标，比较3种情形下的模拟物候期的优劣程度。RMSE计算式为

式中，prei和obsi为第i个站点的模拟值和观测值，n为站点数。

2 结果与分析

2.1 旱柳开花始期和气温序列的变化趋势分析

由表1可见，中国温带地区的旱柳开花始期以提前为主，物候年际变化趋势为−2.1d·10a−1。77.5%（31个）的站点旱柳开花始期有提前趋势，其中，达到显著水平的占47.5%。在物候期推迟的9个站点中，4个站点达显著水平。各站点基于去趋势的最敏感时段内气温随年际变化大都呈升高趋势，整个区域变化速率为0.8℃·10a−1，62.5%的站点呈显著升温趋势，7.5%（3个）的站点气温的线性变化趋势不显著。综合考虑旱柳始花期和气温的年际变化可知，40个统计站点中，45%的站点为二者均存在显著变化趋势，即表现为物候期提前且气温上升。

2.2 去与不去趋势旱柳开花始期与气温时间序列间相关对比

对具有明显时间序列趋势的站点进行不同情形下去趋势和不去趋势的处理，得到气温−旱柳开花始期间相关系数以及利用此统计关系模拟得到物候期的均方根误差（RMSE，表2）。比较3种设定情形下的结果发现，当保持敏感时段相同时（A1和A2情形），相比去趋势前，去趋势后12.5%的站点开花始期与气温时间序列相关关系发生改变，从无显著相关变为显著负相关，区域整体平均RMSE从不去趋势的5.5d减至去趋势后的4.9d，95%的站点RMSE有所减小，部分站点减小程度较大。当保持所选时段最敏感，即在A1和A3情形下，由最佳敏感气温−物候模型所得去趋势与不去趋势的敏感时段均不相同。相关关系上，17.5%的站点在未去趋势前，相关性较低，且出现正相关站点，去趋势后，均变为显著负相关，但也存在5%的站点在去趋势后，相关性反而大幅降低，关系不再显著。从RMSE上看，整体区域上，不去趋势的RMSE平均值为5.5d，去趋势后RMSE平均值减小，对物候期的模拟效果更好。可见，去趋势方法能提高诊断气温和物候之间响应关系的精确度。

表1 各站点旱柳开花始期和敏感时段气温的线性趋势

注：*表示通过0.05水平的显著性检验。下同。

Note:*is P<0.05. The same as below.

表2 不同设定情景下旱柳开花始期−气温统计模型的模拟效果

注：A1：去趋势最敏感时段内日均温与去趋势物候期间；A2：与第一种情形同时段内不去趋势日均温与不去趋势物候期间；A3：不去趋势最敏感时段内不去趋势物候期与不去趋势气温间。

Note: A1: established the response of the flowering with detrending to the daily average temperature during the most sensitive period with detrending; A2: established the response of the flowering without detrending to the daily average temperature during the same period as the A1 without detrending; A3: established the response of the flowering without detrending to the daily average temperature during the most sensitive period without detrending.

2.3 去趋势处理后旱柳开花始期对气温的响应关系

由表3可见，研究区内40站点中有10个站点旱柳开花始期和敏感时段气温序列均没有明显的变化趋势，因此，不必进行去趋势处理；其余30个站点根据两序列的趋势变化特点分别进行了相应的去趋势或不去趋势处理后，进行回归分析。结果显示（表3），旱柳开花始期对敏感时段气温的响应速率均为负值，回归系数的空间变化范围为−11.7（山东泰安）～−0.2d·℃−1（新疆乌兰乌苏），即在气候变暖的情形下（63%站点气温升高），旱柳开花始期有提前趋势。其中，92.5%的站点通过0.05水平的显著性检验，且春季敏感时段气温每升高1℃，区域旱柳开花始期平均显著提前2.5d。说明经去趋势方法对旱柳开花始期和气温时间序列进行处理后，研究区域内大部分站点旱柳开花始期对气温具有明显的响应关系。

表3 去趋势处理后旱柳开花始期与春季最敏感时段气温序列间的线性回归分析

注：“去趋势方式”栏内，“0”为开花始期和气温时间序列均无明显趋势；“1”为仅开花始期时间序列具备显著趋势；“2”为仅气温时间序列具有显著趋势；“3”为两者均有显著趋势。

Note: In the ‘detrending way’,‘0’indicates that there is no obvious trend in the first flowering and temperature time series; ‘1’ indicates that only the first flowering time series has a significant trend; ‘2’ indicates that only the temperature time series has a significant trend; ‘3’ indicates that the first flowering and temperature time series both have a significant trend.

3 结论与讨论

旱柳开花始期的年际变化与陈效逑等[18]的研究结果保持一致，即大部分站点呈显著提前趋势，呈显著推迟趋势的站点则较少。气温的年际变化趋势与韩翠华等[26]的研究结果一致，即1981−2010年这30a间中国温带各区域年平均气温均呈现显著上升。

对比去趋势前后旱柳花期与气温的相关系数和RMSE的变化，发现去趋势后模型对旱柳开花始期对于敏感时段气温响应关系诊断的精确程度有所提高，说明在模拟物候对气候的响应时，有必要考虑去除时间序列的线性趋势。但基于去趋势的物候与气温响应模型在部分站点上的显著性反而发生了变化，是原本在这些站点上物候对气候没有趋势性还是基于去趋势的统计模型失效还有待进一步验证。

基于线性去趋势方法建立的开花始期与气温响应模型显示二者具有较高的响应关系，表明气温可能是中国温带地区旱柳开花始期的主导因素，这一结果对于干旱和半干旱地区，草原以及高纬度地区的物候模拟具有一定指导意义[20]。研究表明开花始期对气温响应速率的快慢变化与气温之间关系不显著，其原因尚不明确。

相关系数的显著性和响应速率的变化可以用来评价物候的适应能力，虽然目前在这方面的应用还较少，适应性评价大多采用传统方法即转换倒数，但去趋势在验证适应性方面可以有效筛选品种并辅助传统方法进行评价[20]。40个统计站点中，有31%站点的响应速率的绝对值呈显著下降，在未去趋势前可能高估了植物物候对气温响应的敏感性，忽略了植物对于环境的改变具有相对较高的抗逆性和适应能力的逐步性[27]，实际上，随着气温的较快增长，旱柳始花期虽然会发生提前，但提前速率可能较缓。

另外，本研究仅从单个站点上进行研究，缺少统一的区域统一模型，在需要分别考虑物候时间序列和气候时间序列有无明显线性趋势的前提下，如何实现区域上的物候和气候数据平均化，减小对精确程度的影响是首要问题。区域统一模型是否需要考虑加入其它因子也是另一个重要课题，如光照，虽然光周期可能不受时间序列趋势性的影响，但由于光照在各地区分布不均，且对花期的作用尤为重要[28−31]，建立区域统一模型研究对花期的影响可能不能忽略。如何建立区域统一模型，验证物候对气候的区域响应关系和适应能力尚需更全面更深入的研究。

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Detrending Time Series Improves the Response ofFlowering to Climate in China’s Temperate Zone

ZHOU Xiao-huang, ZHENG Yan-jia, XU Lin, ZHANG Xu-ting, WEI Pei

(College of Resource and Environment Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

In order to reveal the response and plasticity mechanism of the plant to climate change more accurately, we established the daily mean air temperature-based phenology model on the basis of detrending inter annual variation in climate and phenology and analyzedfirst flowering response to climate change and plasticity mechanism at 40 stations in the temperate zone of China from 1986 to 2011.The results showed that 77.5% of first flowering at the stations in the temperate zone of China advanced, and the climate in the corresponding sensitive period became warmer (0.8±0.5℃·10y−1). 75% of sites phenology or temperature time series had a significant trend at 40 stations. Comparing with detrending and actual values, 17.5% of relationships changed. Before detrending, the correlation was not significant. However, the results showed significant negative correlations after detrending. The root-mean-square error of the simulation ( RMSE) decreased from 5.5 days to 4.9 days, indicating that the detrending method can improve the accuracy of the temperature response to phenology. Therefore, based on the temperature-phenology regression model with detrending time series, 92.5% of stations had a significant negative correlation between the first floweing and spring temperature at the sensitive period, and the linear response rate was −2.5±2.1 d·℃−1.

Climate change;; First flowering; Time series; Detrending

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.09.001

2018−01−26

。E-mail：linxu05048@cau.edu.cn

国家自然科学青年科学基金（41401048）

周孝煌（1993−），硕士生，从事中国北方植物物候对气候变化的响应研究。E-mail：274685287@qq.com

周孝煌,郑彦佳,徐琳,等.基于去趋势分析的中国温带旱柳开花始期对气候变暖的响应[J].中国农业气象,2018,39(9):559−566