小叶杨物候对气候变化响应的敏感性

李 静，张逸夫，陈效逑，崔铁军，高 健

（1.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387；2.天津师范大学天津市地理空间信息信息技术工程中心，天津300387；3.北京大学城市与环境学院，北京100871；4.天津师范大学后勤管理处，天津300387）

植物展叶和落叶物候是指一年中植物的叶片随着气候的季节性变化呈现出的规律性现象，是气候变化的指示器[1].随着全球气候变暖，许多植物通过改变物候期来适应气候变暖造成的生长期变长[2-4].在气候的各项要素中，植物物候对气温的响应最显著[5-8]，已有结论显示，植被春季物候提前，与气温呈显著负相关；秋季物候推迟，与气温呈显著正相关；生长季节长度延长，与气温呈显著正相关[5-6，9-11].物候期的变化趋势及其与气温的相关程度随研究区域、时间范围以及物种类型的不同有所差异[12-14].然而，目前大部分研究多针对物候对气候变化的响应[13-17]，有关植物物候对气候变化响应敏感性的空间分布规律研究甚少.植物物候受经纬度差异、气候变化和海拔高低等因素的影响，对于气候变化响应敏感程度也存在很大差异，研究物候对气候响应敏感性的空间分布特点及其随局地气候的变化规律对预测气候变化条件下植物物候的发展方向具有重要意义[18-20].

为了研究植物物候对气候变化响应敏感性的变化规律，本研究利用中国1981—2009 年小叶杨展叶和落叶物候数据，统计分析此期间展叶始期、落叶末期和生长季节长度的变化趋势和时空格局，并在此基础上，结合站点上的气温数据，计算植物物候对气候响应的敏感性，分析其对气候响应的敏感性在空间上的分布规律，进而深入对植物物候发展规律以及地表变化过程的认识.

1 研究数据

研究数据取于100 个物候站点，站点所属自然区的类型依据1983 年综合自然地理区域的划分标准[21]，包括东北湿润半湿润温带地区（NE）、内蒙古温带草原地区（IN）、华北湿润半湿润暖温带地区（NH）、西北温带及暖温带荒漠地区（NW）、青藏高寒区域（TI）以及华中华南湿润亚热带地区（SH）共计6 个自然区.其中，本研究所用小叶杨物候数据以我国东部站点居多，集中分布在前3 个自然区.各类自然区的气候、环境和植被类型差别较大，中国东部的东北湿润半湿润温带地区、华北湿润半湿润暖温带地区和华中华南湿润亚热带地区降水量较大，由南至北温度逐渐降低，植被覆盖以森林和农田为主.内蒙古温带草原地区和西北温带及暖温带荒漠地区降水量较少，植被覆盖以草原、草甸和灌木为主.青藏高寒区域为较特殊的区域，海拔较高，温度较低，植被覆盖以草原和草甸为主.研究站点的经纬度及其所属自然区如表1 所示，其中#代表只有物候数据、没有气象数据的站点.

表1 站点经纬度及所属自然区Tab.1 Location and natural region of stations

物候数据为1981—2009 年中国100 个站点的小叶杨展叶始期（BGS，begin of growing season）和落叶末期（EGS，end of growing season）数据，展叶始期与落叶末期间的天数为生长季节长度（LGS，length of growing season）.其中，展叶始期是“植株上有5%的叶片展开”的时段，落叶末期的观测标准是“整个植株仅剩5%以下的叶片存在”[22].气温数据为1981—2009 年59 个站点的日平均气温数据.物候数据来自于中国气象局“农业气象观测网”中的自然物候观测数据集，气温数据来自中国气象局国家气象信息中心“中国气象数据网”.

2 研究方法

2.1 统计分析

首先，将小叶杨展叶始期和落叶末期物候数据由年月日的记录转换为序日（day of year，DOY），即距当年1 月1 日的天数，再根据展叶始期和落叶末期计算出生长季节长度.然后，分别计算各自然区内站点上的小叶杨展叶始期、落叶末期和生长季节长度的平均值、标准差和变化趋势.最后，计算每个站点上的多年平均物候期及其随经纬度的变化规律.

2.2 敏感性分析

物候期对气候响应的敏感性可由物候期前期气温对物候的线性回归系数表征[18-20].利用气温数据拟合植物物候的基本假设为物候期的年际变化主要受到其发生前一段时间内气温的影响.一般情况下，取物候期所在月份及之前2 个月的平均气温为自变量，物候期为因变量，建立站点上的气温-物候模型.本研究分别使用2—4 月和9—11 月每个站点上的平均气温数据序列，拟合展叶始期和落叶末期[23].气温-物候时间模型为

式（1）中：Phen 为物候发生日期；Tem 为对应期间日均温；a 为回归方程截距；b 为斜率.

式（2）中：obsi和prei分别为第i 个年份的观测值和模拟（预测）值；n 为年数.

3 结果与分析

3.1 各区域小叶杨物候的统计特征

统计1981—2009 年逐年各自然区内所有站点小叶杨物候的平均值，分别计算每个自然区以及所有站点小叶杨物候的年际变化趋势和显著性，结果如图1所示，其中S1～S7 代表每个自然区及全区的年际变化趋势，***代表通过了0.001 的显著性检验.

图1 区域平均小叶杨物候的年际变化Fig.1 Annual variation of Populus Simonii′s phenology in averaged region

由图1 可以看出，整体上展叶始期、落叶末期和生长季节长度分别呈现提前（-0.17 d/a）、推迟（0.28 d/a）和延长（0.44 d/a）的趋势； 不同自然区的年际波动差别较大，对于BGS，TI 自然区小叶杨物候提前趋势（-0.49 d/a）最大，NW 自然区则呈现不显著推迟；对于EGS，所有自然区小叶杨物候均呈现出推迟趋势，IN自然区和NH 自然区呈现显著推迟趋势，分别为0.34 d/a 和0.29 d/a；对于LGS，所有自然区小叶杨物候均呈现出延长趋势，IN 自然区和NH 自然区呈现显著延长趋势，分别为0.43 d/a 和0.79 d/a.

统计各自然区内所有站点小叶杨物候的多年平均值和标准差，结果如表2 所示.由表2 可以看出，所有站点的BGS、EGS 和LGS 分别为第111 d、第303 d 和192 d.其中，BGS 由早到晚的顺序是SH 自然区、NH 自然区、NW 自然区、TI 自然区、IN 自然区和NE自然区.BGS 最早的区域一般为EGS 最晚和LGS 最长的区域，NE 自然区和IN 自然区的物候期相差偏小.总体来看，大部分自然区小叶杨EGS 的标准差大于BGS 的标准差，只有TI 自然区EGS 的波动小于BGS 的波动.

表2 小叶杨物候期的统计Tab.2 Statistics of Populus simonii′s phenophase

3.2 小叶杨物候随纬度变化规律

计算每个站点的多年平均物候期，再根据站点的经纬度信息统计小叶杨物候随经度和纬度的变化，小叶杨物候随经度变化规律不显著.小叶杨物候随纬度变化的结果如图2 所示.

图2 小叶杨物候随纬度变化Fig.2 Variation of Populus simonii′s phenology with latitude

由图2 可以看出，随着纬度的增加，小叶杨BGS显著推迟，EGS 显著提前，相应地，其LGS 显著缩短（P ＜0.001）.小叶杨物候在空间上的变化规律表现为纬度地带性，在空间上随纬度变化最明显的气象因子是气温，这说明，气温对小叶杨物候期具有重要影响.

3.3 小叶杨物候期对气候响应的敏感性

在每个站点上，分别用2—4 月和9—11 月的平均气温拟合小叶杨的BGS 和EGS，拟合系数Slope 是该站点植物物候对气候响应的敏感性系数，结果如表3 所示，R2和RMSE 分别为拟合优度和均方根误差.

由表3 可以看出，1981—2009 年小叶杨的BGS随气温的升高均呈现提前趋势，BGS 对气候响应敏感性变化范围为-0.22～-6.35 d/℃；81%以上站点小叶杨的EGS 随气温的升高呈现推迟趋势，其敏感性变化范围为-6.64～6.57 d/℃.小叶杨BGS 均方根误差为1.36～10.82 d，EGS 均方根误差为1.50～17.16 d，二者对比可以看出小叶杨BGS 的模拟精度较好.

3.4 小叶杨物候期对气候响应敏感性的分布规律

统计每个站点上BGS 和EGS 对气候响应的敏感性分别与该站点2—4 月、9—11 月平均气温的相关关系，结果如图3 所示.

表3 小叶杨物候期对气候响应的敏感性Tab.3 Response sensitivity of Populus simonii′s phenology to climate

图3 小叶杨物候的敏感性响应与平均气温的关系Fig.3 Correlation between Populus simonii′s phenology sensitivity response and average temperature

由图3 可知，在温暖地区，即多年平均春季温度高的地区，小叶杨BGS 提前趋势更大，在寒冷地区，即多年平均春季温度低的地区，小叶杨BGS 提前的趋势相对偏小.当平均春季气温低于-5.4 ℃时，小叶杨BGS 甚至出现推迟趋势，说明BGS 对气候的响应在温暖地区更加敏感.在寒冷地区，即多年平均秋季温度低的地区，小叶杨EGS 推迟趋势大；在温暖地区，即多年平均秋季温度高的地区，小叶杨EGS 推迟趋势相对偏小，说明EGS 对气候响应在寒冷的地区更加敏感.

统计每个站点BGS 和EGS 对气候响应的敏感性分别与该站点2—4 月和9—11 月平均气温变化速率的相关关系，结果如图4 所示.由图4 可知，在温度升高较快的地区，小叶杨BGS 对气候响应的敏感性更大；在温度升高较慢的地区，其BGS 对气候响应的敏感性相对偏小.同样在温度升高较快的地区，小叶杨EGS对气候响应的敏感性更大；在温度升高较慢的地区，小叶杨LGS 对气候响应的敏感性相对偏小，这说明小叶杨物候对气候响应在温度升高较快的地区更加敏感.

图4 小叶杨物候的敏感性响应与气温趋势的关系Fig.4 Correlation between populus simonii sensitivity response and temperature′s slope

4 结论

本研究利用地面站点记录的物候数据和气象数据分析了小叶杨叶物候的变化趋势以及对气温响应的敏感性，结果表明：

（1）1981—2009 年，小叶杨BGS 呈提前趋势，趋势线斜率为-0.17 d/a；EGS 呈现推迟趋势，趋势线斜率为0.28 d/a.随着纬度的增加，小叶杨开始进入展叶期的时间越晚，结束落叶期的时间越早，相应的，其生长季节长度也越短.

（2）小叶杨物候期随温度变化，温度越高BGS 越提前，当春季2—4 月的平均温度每提高1 ℃，小叶杨BGS 将提前0.29 d；温度越高EGS 越推迟，当秋季9—11 月平均温度每提高1 ℃，小叶杨EGS 将推迟0.27 d.小叶杨叶物候对气温响应的敏感性显示，1981—2009年，小叶杨BGS 敏感性变化范围为-0.22～-6.35 d/℃，均呈现提前趋势；EGS 大多数呈现推迟趋势，其敏感性变化范围为-6.64～6.57 d/℃.

（3）对于小叶杨BGS，在高温及升温趋势快的地区，植物对气候响应的敏感性较大，在低温及升温趋势慢的地区，植物BGS 对气候响应的敏感性较小，这说明气候变化对BGS 的影响在高温及升温趋势快的地区更大.对于小叶杨EGS，在寒冷地区植物对气候的响应更敏感.