半干旱区典型木本植物春季物候与气候要素的关系

雷俊 ，齐晓声，张红兵*，姚瑞，张涛，周宇，田雨，尚军林

1. 中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃 兰州 730020；2. 甘肃省定西市气象局，甘肃 定西 743000；3. 甘肃省渭源县气象局，甘肃 渭源 748200

物候学是研究自然界动植物和环境条件的周期变化之间相互关系的科学，其目的是认识生物自然季节现象变化规律，以服务于农业生产和科学研究（竺可桢等，1973），物候记录不仅反映了当时当地的气候和环境状态，而且还反映了过去一段时间内气候条件积累对生物和非生物的综合影响（高祺等，2011），同时物候可以作为预报指标，在引种、选种、植树造林、环境污染的监测等方面有参考作用（李瑞英等，2014），还可用来指示季节的变化及生态系统对环境变化的响应和适应（徐韵佳等，2015），因而也被视为“大自然的语言”和全球变化的“诊断指纹”（Root et al.，2003）。

随着全球变化研究的逐步深入，物候对气候变化的响应研究已成为全球变化和物候学研究关注的热点（白洁等，2010）。春季植物物候的年际变化是植物对气候响应最敏感和易观察的一个要素（Menzel，2000；Mones et al.，2001；Sparks et al.，2002；Chmielewski et al.，2004），研究表明，甘肃黄土高原冬小麦（Triticum aestivum）、梨树（Pyrus bretschneideri）、苹果（Malus puila）春季物候期普遍提前（郭海英等，2006），1984—2005年天水地区苹果叶芽开放、展叶、开花等春季物候期提前了14 d左右（蒲金涌等，2008），1974—2007年甘肃民勤荒漠区典型植物的芽初膨大期平均提前了8.77 d，花蕾花序出现期平均提前了8.40 d，春季物候期提前幅度较大（常兆丰等，2009）。国内许多学者（臧海佳等，2011；李燕等，2012；雷俊等，2017；王焕炯等，2012；仲舒颖等，2012；白洁等，2009；郑景云等，2003）对中国不同地区植物春季物候期变化趋势的研究表明，春季物候期大多表现为提前的趋势。郑景云等（2003）研究结果表明，中国物候期的变化对温度变化具有较明显的响应关系，葛全胜等（2003）研究结果表明，中国木本植物春季物候变化与春季温度变化具有良好的对应关系，且物候期的提前和推迟对温度的上升与下降的响应具有明显的非线性特征，而在较长时间尺度上，物候与降水变化基本没有关系。Körner et al.（2010）对物候变化的影响因子的研究结果表明，在湿润温带地区，影响优势森林树种的最主要的气候要素为冬季低温、光照和温度。目前，有关处于典型黄土高原地带的陇中地区典型木本植物春季物候期与气候要素关系及物候预报模型研究报道较少。

甘肃省定西市安定区处于典型黄土高原半干旱气候区，对气候变化的响应更敏感，对气候变化的适应能力更脆弱（姚玉璧，2005），研究典型植物物候变化对区域气候变化影响评估及生态恢复重建有重要意义。本研究分析了 1994—2017年甘肃省定西市安定区典型木本植物主要春季物候期的变化趋势，并结合同期气象资料分析典型木本植物主要春季物候期对气温、降水、日照及地面温度变化的响应特征，以期为掌握黄土高原半干旱区典型木本植物主要春季物候变化特征，揭示春季物候对气候要素变化的响应规律，从而为认识气候变化对物候变化驱动机制及气候变化研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

物候资料来源于甘肃省定西市农业气象试验站人工实测资料，资料序列为 1994—2017年，观测记录年份共 24年，同期气温、降水、日照、地温等气象资料来源于安定区国家气象观测站。该站属典型的黄土高原半干旱气候，海拔高度 1897.2 m，年平均气温6.7 ℃，年降水量为386.6 mm，降水主要集中在6—8月，占全年总降水量的50%以上，年均日照时数2433.0 h，无霜期140 d左右。

木本植物选择当地分布较广、指示性强且开花结实3 a以上的中龄树，观测植株固定，品种无变化，其定位观测时间、标准、方法统一按照《农业气象观测规范》要求进行（国家气象局，1993）。依据观测时间长、连续性好、代表性强的原则，选取牡丹（Paeonia suffruticoss）、旱柳（Salix matsudana）、杏树（Prunus armeniaca）、榆树（Ulmus pumila）4种木本植物，分布于安定区国家气象观测站50～500 m范围内，与气象站海拔高度差在0～3 m之间，气候要素能够很好地反映植物所处的微生境条件。研究选取的春季物候期包括芽膨大期、芽开放期、花序或花蕾出现期。

1.2 数据处理

线性倾向估计方法。用线性回归方程 Xi=bti+a（i=1, 2,…, n）来拟合某一气象要素序列，式中：Xi为气候要素变量，用ti表示Xi所对应的时间；a为回归常数；b为回归系数；n为样本量。b×10为要素气候倾向率。回归系数b可定量反映要素随年份的线性变化趋势，其符号表示要素的升降，数值的大小反应了上升或下降的速率。

物候日期均采用年日序的表示方法，即自1月1日至该日期的日数，得到各物候期的时间序列，利用一元线性回归方程分析植物平均物候期的逐年变化趋势，并对趋势进行显著性检验。对典型木本植物主要春季物候期平均出现日期与其前各旬气温、降水、日照、地面温度进行Pearson相关分析，研究典型木本植物春季物候对气候变化的响应规律，并利用气温、降水、日照时数、地面温度资料，运用逐步回归方法建立春季物候期的预报模型。逐步回归和 Pearson相关分析运用 SPSS 15.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 研究区气候变化特征

如图1(a)所示，1994—2017年研究区气温呈极显著上升趋势，气温线性回归倾向率为 0.57 ℃·(10a)-1（r=0.708，n=24，P＜0.001），1995 年、1996年气温距平值为负距平，分别为-0.1 ℃和-0.6 ℃，其余时段气温距平为正距平，其中 1997年距平值最大，为1.7 ℃；如图1(b)所示，1994—2017年研究区年际降水量呈增加趋势，倾向率为 15.20 mm·(10a)-1（r=0.17，n=24，P＞0.05）。研究区年际降水量气候平均值为377.1 mm，近24年，降水量在 264.4～478.9 mm之间振荡，降水距平百分率在-30%～27%之间。如图1(c)所示，1994—2017年研究区年总日照时数呈减少趋势，线性回归倾向率为55.3 h·(10a)-1（r=0.369，n=24，P＞0.05）；如图 1(d)所示，1994—2017年研究区逐年地面气温呈极显著上升趋势，其线性回归倾向率为 0.58 ℃·(10a)-1（r=0.766，n=24，P＜0.001）。

2.2 黄土高原半干旱区木本植物春季物候期及其变化

研究期内，4种木本植物春季物候期平均出现日期差异较大，3个主要春季物候期出现时间最早为榆树。芽膨大期榆树多年平均出现日期在3月中旬初，为4种调查木本植物中最早，牡丹次之，旱柳、杏树芽膨大期平均出现日期一致，均为3月30日。芽开放期榆树出现时间在3月下旬，牡丹、旱柳出现时间大体相当，相差仅为1 d，杏树最晚（表1）。榆树花序或花蕾出现期分别较牡丹、旱柳、杏树提前15、19和14 d。分析期内，4种典型木本植物春季物候期年际波动较大，历史最早和最晚出现日期相差22～40 d。

图1 研究区逐年气候要素变化曲线Fig. 1 The annual climatic factors change in the study area (1994—2017)

表1 典型木本植物1994—2017年春季物候期（月-日）Table 1 The spring phenophase of typical plants in the study area in 1994—2017 (mm-dd)

1994年以来，牡丹的芽开放期和花序或花蕾出现期均表现出显著的提前趋势（P＜0.05），其线性变化率分别为 4 d·10a-1和 7 d·10a-1，24 a 内可分别提前14 d、17 d，芽膨大期的变化趋势不明显（图2(a)；表 2）。

旱柳芽膨大期、芽开放期、花序或花蕾出现期的提前达到显著水平（P＜0.05），变化速率在 3～6 d·10a-1，24 a 内提前 7～14 d（图 2(b)；表 2）；杏树3个被调查物候期的线性变化趋势不明显，变化速率在 0.2～2 d·10a-1（图 2(c)；表 2）。

榆树芽膨大期、芽开放期的提前均达极显著水平（P＜0.01），变化速率分别为 9 d·10a-1和 10 d·10a-1，24 a可分别提前22 d和24 d，花序或花蕾出现期亦表现为提前趋势，其线性变化速率为 5 d·10a-1，但未通过0.05水平显著性检验（图2(d)；表 2）。

研究期内，4种典型木本植物春季物候期的变化趋势差异较大，不同物种的不同物候期对气候变化的响应不尽相同，榆树芽开放期和芽膨大期的变化最明显，杏树春季物候期基本无变化。从变化速率上看，榆树春季物候的变化较其他3种木本植物变化幅度更大。

从整个物候期的变化来看，除牡丹、杏树芽膨大期变化趋势不明显，其他被调查典型木本植物春季物候期的变化均表现为提前趋势，不同植物、不同物候期提前的幅度存在差异。比较4种木本植物春季物候期变化速率的数值，榆树提前速率最大，说明其对气候变化的敏感度较高，对气候变化的响应最明显，杏树春季物候期线性变化趋势不明显，说明其对气候变化的响应最为迟钝。另外，从不同物候期对气候变化响应的敏感性来看，芽膨大期、芽开放期榆树最为敏感，花序或花蕾出现期牡丹较其他3种木本植物更为敏感。

图2 研究区典型木本植物春季物候期线性变化趋势Fig. 2 The linear trend of spring phenophases of typical woody plants in the study area (1994—2017)

表2 典型木本植物植物春季物候期线性变化率Table 2 Linear change rate of the spring phenophases of typical woody plants d·a-1

2.3 不同气候要素对物候期的影响

2.3.1 气温对植物物候期的影响

研究区典型木本植物主要春季物候期与其前 9旬的气温的相关分析结果如表3所示，主要春季物候期与气温总体表现为负相关，即气温升高，春季物候期提前。牡丹芽膨大期与前2旬及前6旬气温的相关性最好，相关系数分别为-0.529和-0.592，均通过0.01水平显著性检验；旱柳芽膨大期与前1旬、前2旬和前6旬气温显著相关，其中受前1旬气温的影响最为明显，表明前1旬气温愈高，旱柳芽膨大期提前趋势愈明显；杏树芽膨大期与前1旬、前 2旬及前 7旬气温显著相关，相关系数在-0.453～0.590；榆树芽膨大期的出现主要受前2旬，前4旬及前6旬气温的影响。

牡丹芽开放期与前1旬、前4旬及前8旬的气温呈极显著相关，相关系数在-0.568～ -0.730之间；旱柳、杏树芽开放期均与前1～3旬、前8旬气温的相关性最好，榆树芽开放期与前1旬及前5～7旬的气温显著相关。

表3 典型木本植物植物春季物候期与不同时段气温的相关系数（R）Table 3 Correlation coefficient (R) between spring phenophases and average air temperature indifferent period of typical woody plants

花序或花蕾出现期牡丹与前1～2旬、前4旬气温相关性最好，达到显著或极显著水平，旱柳则受前1～3旬气温、前5旬气温的影响最为明显，杏树花序或花蕾出现期与其前期气温的相关性均未通过显著性检验，表明，较其他3种木本植物，杏树典型物候期对气温的变化更为迟钝，受气温变化的影响最小，榆树花序或花蕾出现期与前1旬、前3旬及前6～7旬的气温相关性显著。对主要春季物候期与气温的相关性进行分析，结果表明，越接近物候发生期，气温对物候期的影响越大；然而，物候发生期与前7旬，甚至前8旬气温呈显著相关，说明不仅近期气温对春季物候期有一定影响，而且前期较长时间内的平均温度也可能对春季物候期产生累积效应。

2.3.2 降水对植物物候期的影响

表4所示为1994—2017年典型木本植物春季物候期与不同时段降水的相关系数，典型木本植物主要春季物候期对降水变化的响应存在差异。牡丹芽膨大期与前6旬降水之间的相关系数通过0.05显著性检验，花序或花蕾出现期与前2旬的降水表现为正相关，相关系数为 0.429（P＜0.05），即降水增多，物候期推迟，这可能是由于降水增多，常伴随着气温的下降及日照时数的减少。杏树芽膨大期与前1～9旬降水相关性并未表现明显的规律性，相关系数在-0.212～0.310之间，芽开放期与前1～9旬降水的相关系数为在-0.274～0.350之间（P＞0.05）。榆树芽膨大期、芽开放期分别与前6旬、前7旬的气温极显著相关（P＜0.01），花序或花蕾出现期受前7旬降水的影响也比较显著。总体而言，降水对春季物候期的影响不明显，且并未表现出明显的规律性。牡丹春季物候期与降水的相关系数在-0.307～0.419之间，旱柳在-0.353～0.429之间，杏树在-0.344～0.350之间，榆树这在-0.272～0.583之间。

2.3.3 日照对植物物候期的影响

对4种典型木本植物主要春季物候期与日照时数进行相关分析（表5），结果表明，春季物候期与日照主要表现为负相关，即日照时数增多，物候期提前，牡丹花序或花蕾出现期与前1旬的日照显著相关（P＜0.05），相关系数为-0.491，其余物候期与物候发生前各旬日照的相关系数在-0.356～0.231之间，均未通过0.05水平显著性检验。旱柳芽膨大期与前 4旬日照显著相关，相关系数为-0.422（P＜0.05），花序或花蕾出现期与前第1旬和前第2旬的相关系数分别为-0.527和-0.425，与前6旬日照也显著相关（P＜0.05），其余春季物候与前各旬日照的相关系数在-0.369～0.307之间。杏树春季物候与前各旬日照的相关系数在-0.395～0.356之间（P＞0.05）。榆树芽膨大期与物候发生前第6旬的日照呈极显著相关（P＜0.01），相关系数为0.550，芽开放期与花序或花蕾出现期与前7旬日照的相关系数分别为0.512和0.444（P＜0.05）。

表4 典型木本植物植物春季物候期与不同时段降水的相关系数（R）Table 4 Correlation coefficient (R) between spring phenophases and precipitation in different periods of typical woody plants

表5 典型木本植物植物春季物候期与不同时段日照的相关系数（R）Table 5 Correlation coefficient (R) between spring phenophases and sunshine duration in different periods of typical woody plants

2.3.4 地面温度对植物物候期的影响

表6所示为4种典型木本植物春季物候期与地面温度相关系数，芽膨大期、芽开放期、花序或花蕾出现期与地面气温主要表现为负相关，前期地温升高，物候期提前。芽膨大期牡丹受前2旬和前6旬地面温度的影响较大，相关系数分别为-0.416和-0.469，均通过0.05显著性水平检验，旱柳与前1旬地面温度的相关系数为-0.537（P＜0.01），同时受前6～7旬地面温度的影响较大，杏树与前7旬地面温度的相关系数通过 0.05显著性水平检验，榆树与前 2旬、前 4～6旬地面温度呈极显著相关。芽开放期牡丹与前 1旬地面温度的相关性最好，杏树、旱柳、榆树受前1旬地面温度的影响较弱，另外，牡丹芽开放期与前2旬、前7旬地面温度呈极显著相关，与前4旬地面温度呈显著相关；旱柳与前 6～7旬的地面温度显著相关，杏树与前 2旬、前 8旬地面温度呈显著相关，榆树与前2旬、前4～6旬地面温度呈极显著相关；花序或花蕾出现期牡丹与前1～2旬、前4旬、前7旬地面温度的相关性均通过显著或极显著检验，旱柳与前1～3旬、前8旬地面温度呈极显著相关，杏树与前期地面温度的相关性最弱，榆树与前1旬，前3旬、前6～7旬地面温度的相关性通过显著或极显著水平显著性检验。

2.3.5 木本植物春季关键物候期预测模型及检验

根据 1994—2017年物候观测资料，利用逐步回归分析方法建立4种典型木本植物春季关键物候期预报模型（表7），杏树花序或花蕾出现期预报模型的决定系数为0.194，为各物候期预报模型最小，其余各物候期预报模型的决定系数在 0.544～0.903之间，说明预报模型的可靠程度较高。进一步利用1994—2017年旬气温、降水、日照、地面温度对预测模型进行回代检验，实际值与预测值相差-7～7 d，拟合效果均较好。

表6 典型木本植物植物春季物候期与不同时段地面温度的相关系数Table 6 Correlation coefficient between spring phenophases and ground temperature in different periods of typical woody plants

3 讨论

3.1 春季物候期变化

植物物候的变化是陆地生态系统功能评估的重要指标，对陆地生态系统的物质循环和能量流动具有较大影响（白洁等，2010）。近24年来，4种典型木本植物春季物候期历史最早和最晚日期相差 22～40 d，这一结果与蒋菊芳等（2011）对甘肃河西走廊典型木本植物物候的研究结果相近，说明典型木本植物主要春季物候期对气候条件的年际变化极其敏感。同一物候期，不同木本植物出现的时间存在差异，榆树芽膨大期、芽开放期和花序或花蕾出现期的出现时间为4种木本植物中最早，各种物候现象出现的先后顺序出现差异的主要原因是植物物候对气温变化的响应程度不同（仲舒颖等，2012）。苗原等（2017）研究表明，对于落叶植物，植株高度越高，组织密度越大，其芽膨大期越晚。本研究结果表明，牡丹和旱柳两类叶芽先萌发植物，牡丹芽膨大期早于旱柳。杏树、榆树两类花芽先于叶芽萌发的植物，杏树芽膨大期、芽开放期平均物候期晚于牡丹，与已有研究结果一致。而榆树多年平均物候期却早于牡丹，这与已有的研究结论存在差异（苗原等，2017），主要原因可能是本研究数据为1994—2017年间各物种物候平均值，而苗原等仅关注 2014年芽膨大期和展叶期两种植物物候，均为叶芽，而在本研究中，杏树和榆树芽膨大期为花芽。此外，物候观测方法的不同可能也是形成差异的原因之一。

研究结果表明，春季不同物种不同物候期对气候变化的响应不尽相同，除牡丹、杏树芽膨大期线性变化趋势不明显，研究区典型木本植物其他主要春季物候期均表现为提前的趋势，研究结果与欧洲（Menzel，2000）、中国东北（徐韵佳等，2015）、华北（高祺等，2011；李瑞英等，2014；李燕等，2009；朱媛君等，2017）、西北（白洁等，2010；常兆丰等，2009；雷俊等，2017）、西南（白洁等，2009）典型木本植物春季物候期的变化趋势一致，不同的是同一地区不同植物，同一植物不同地区其提前幅度不尽相同。近24年，研究区气温以0.57 ℃·(10a)-1的速率上升，温度升高，植物萌芽期提前，导致春季物候期普遍提前，温度的升高为春季物候季节开始日期提前的首要原因，与朱媛等（2017）研究结果一致。比较4种典型木本植物春季物候期的提前速率，榆树芽开放期的提前趋势最大，为10 d·10a-1，24 a可提前24 d。杏树主要春季物候期的线性变化趋势均未通过显著性水平检验，说明杏树物候对气候要素变化的响应较其他3种木本植物迟钝；榆树主要春季物候期线性变化速率最大，说明榆树对气候变化的响应更为敏感，与在鲁西南地区，旱柳对气候变化的响应比较敏感的结论存在差异（李瑞英等，2014）；这可能是由于植物自身的生物学特性不同及区域对气候变化的响应程度的不同而形成的差异。在黄土高原半干旱区，由于榆树对气候变化的敏感性较其他典型木本植物高，故选择榆树典型物候期的变化可以作为一个较好的气候变化的代用指标，对进行区域气候与环境变化的评价有重要的借鉴意义。

3.2 不同气候要素对木本植物春季物候期的影响

气温是植物物候的重要调控因子之一（Ge et al.，2015；Allen，2012），平均物候期当月和前一月的气温变化对春季物候期早晚的影响非常显著（高祺等，2011；白洁等，2009）。总体而言，典型木本植物主要春季物候期与气温表现为负相关，即气温升高，物候期提前，反之则推迟，这与前人的研究结果相一致（白洁等，2010；臧海佳等，2011；常兆丰等，2009）。物候发生期与前 1～2旬气温的相关性通过显著性水平检验的个数远高于其余各旬，即距物候发生期越近，气温对其影响越明显，与已有的研究结论相一致（Dai et al.，2013）。但也出现了物候出现日期与前8旬，甚至前9旬气温显著或极显著相关的情况，这可能是由于物候受温度的积累效应的影响而造成的。同时，本研究结果表明，不同物候期对气温变化的响应程度存在差异，其中杏树花序或花蕾出现期对气温变化的响应最为迟钝。

表7 典型木本植物植物春季物候期预报模型Table 7 The forecasting model of spring phenophases of typical woody plants

已有研究结果表明，在较长时间尺度上，物候与降水变化基本没有关系（葛全胜等，2003），其对降水变化的响应不明显，降水对物候期的影响并未表现出明显的规律性（臧海佳等，2011；白洁等，2009）。本研究结果表明，降水对物候影响不显著，主要原因在于木本植物树大根深，以吸收深层土壤水分为主，一般的干旱环境对木本植物物候期不会产生重要影响（张福春，1983）。

典型木本植物主要春季物候期与日照主要表现为负相关，即日照时数增多，春季物候期提前，主要原因在于日照时数增多，导致气温升高，从而对物候期产生间接影响（陈彬彬等，2007），该结论与白洁等（2009）对贵阳木本植物春季物候期随日照时数的增加而提前的结论基本一致。地面温度与主要春季物候期也主要表现为负相关，即地面温度升高，春季物候期提前。值得注意的是，降水的增多常伴随气温的下降和日照时数的减少，物候的变化在一定程度上是主要气象、水文、土壤、生态环境等综合影响的反映，是多个要素协同作用的结果，其响应程度在很大程度上取决于其自身的生物学特性（高祺等，2011）。本研究忽略了其生物学特性，没有考虑种间差异，今后物候变化的研究将注重植物生物学特性和种间的差异特性以及综合因子的影响。

3.4 木本植物春季物候期预报模型

物候模型的研究可为人类生产实践活动提供依据与指导，具有重要的实践意义（韩小梅等，2008）。本研究利用旬气温、降水、日照、地面温度资料，运用逐步回归统计分析方法，建立典型木本植物春季物候期预报模型，结果显示实测值与模型预测值相差-7～7 d，模型拟合效果较好，利用模型进行典型物候期预报具有一定的参考意义，同时，该研究也为区域生态系统及生态学研究提供了资料和参考。

4 结论

（1）研究区近 24年气温呈极显著上升趋势，气温线性回归气候倾向率为 0.57 ℃·(10a)-1（r=0.708，n=24，P＜0.001）；年际降水量呈增加趋势，降水量递减倾向率为15.20 mm·(10a)-1（r=0.17，n=24，P＞0.05）；日照时数呈减少趋势，线性回归倾向率为 55.3 h·(10a)-1（r=0.369，n=24，P＞0.05）；逐年地面温度呈极显著上升趋势，其线性回归倾向率为 0.58 ℃·(10a)-1（r=0.766，n=24，P＜0.001）。

（2）近24年，4种典型木本植物春季物候期年际波动较大，历史最早和最晚出现日期相差 22～40 d，春季物候期均表现为提前的趋势。榆树芽开放期的提前趋势最大，为10 d·10a-1，24 a可提前24 d，榆树对气候变化的敏感性最高，故榆树典型物候期的变化可以作为一个较好的代用指标用于评价区域气候与环境；杏树主要春季物候期线性变化趋势不明显，对气候变化的响应最为迟钝。

（3）典型木本植物主要春季物候期与气温、地面温度、日照表现为负相关，即气温、地面温度升高，日照时数增加，物候期提前，距物候发生期越近，气温对其影响越明显，降水对物候期的影响不显著。利用气温、降水、日照和地面温度资料，运用逐步回归方法，建立典型木本植物春季物候期预报模型，实际应用效果较好，对物候期的预报有一定的参考意义。