新疆农八师垦区木本植物物候期对气候变暖的响应

李红英，王啸天，郑晓倩，许浩翊，向 导，朱江丽

（1中国气象局乌兰乌苏生态与农业气象试验站，新疆石河子832000；2乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子832000；3新疆石河子炮台气象站，新疆石河子832000；4塔城地区沙湾县气象局气象台，新疆塔城834700；5新疆石河子莫索湾气象站，新疆石河子832000；6新疆石河子工程技术学校，新疆石河子832000）

0 引言

植物物候现象变化是对过去气候变化的反应[1]，可以在生态系统对环境变化、季节变化上具有指示作用[2]，可以在引种、植树造林、环境监测等方面起到指标作用，可以在医疗防疫、园艺栽培、旅游开发等方面有参考作用[3]。因此，植物物候期的变化是对气候变化最直接的检验，也使人们对气候变化最直接的诠释。秦大河等[4]在第五次IPCC评估报告中阐述，近百年来全球地表温度平均升高0.85℃，1980—2018年升温速率提高近2倍。气候变暖已经成为事实，气候变化对自然和生态环境系统、对大农业生产、对植物生长已经产生明显的影响[5-7]。研究表明，河北省草本植物展叶始期提前、枯黄始期推后，春季气温升高1℃草本植物展叶始期提前4.1天[8]；天水地区苹果叶芽开放期提前约14天，秋季叶变色期后推约3天左右[9]；黄土高原苹果树、梨树春季物候期普遍提前[10]；研究认为从1980年以来中国华北、东北木本植物物候期变化与气温关系密切[11-13]。在气候变暖的情景下，各地因气候区域分布不同物候变化有其局地性[14-18]。北疆地区幅员辽阔，南北气候差异很大，农八师垦区地方性气候特点更加明显。笔者利用莫索湾、炮台、石河子气象站及乌兰乌苏国家一级农业气象试验站典型木本植物物候期资料，分析春季物候变化特征，揭示其对气候变化的响应规律和相关性，旨在为该区域生态环境保护、农业结构调整及旅游产业开发等提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

新疆农八师垦区属于典型的温带大陆性气候，光热资源丰富，降水稀少。该地位于新疆天山北麓中段，属于古尔班通古特大沙漠南缘，地域面积7529 km2，平均 海 拔 300～500 m。 旱 柳 (Salix matsudana)、榆 树(Ulmus pumila)、箭杆杨(Populus nigra cv.Afghanica)为当地指标性木本植物，选取3年生以上具有代表性、连续性好的旱柳、榆树、箭杆杨为监测对象。物候期和气象资料均来源于乌兰乌苏国家一级农业气象试验站及周边莫索湾、炮台、石河子气象站。监测资料序列为1980—2018年，共计39年。资料包括木本植物春季展叶始期和盛花期，以及对春季物候期具有影响的相应时段气温资料，选取的时段分别是1、2、3、4月平均值气温，1—2、1—3、1—4、2—3、2—4、3—4月以及年平均气温。

1.2 研究方法

为便于计算分析，将物候日期转换成日序（单位：天），以4月1日=1；4月2日=2；……，以此类推。采用一次线性方程y=at+b定量描述变量变化趋势，并以10年体现变化率。方程中的系数采用最小二乘法确定，运用F检验变量显著性趋势性。运用Pearson相关系数分析各温度变量与物候期变量的相关性，采用t检验进行显著性检验。采用线性回归法建立物候期变量与温度变量的响应模式[19]。运用Mann-Kendall方法进行变量突变检验[19]。借助Excel软件进行运算。

2 结果与分析

2.1 木本植物春季物候期及变化特征

由表1可以看出，农八师垦区3种木本植物春季第一个物候期以榆树开花盛期萌动最早，其次是旱柳展叶始期，箭杆杨展叶始期则最晚，依次相差3～4天。旱柳的展叶始期2013年最早出现在4月1日，1984年最晚出现在4月30日，早与晚相差29天；开花盛期2009年最早出现在4月11日，1996年最晚出现在5月4日，早与晚相差23天。榆树的展叶始期2007年最早出现在4月14日，2000年最晚出现在5月28日，早与晚相差14天；开花盛期2001年最早出现在3月28日，2010年最晚出现在4月25日，早与晚相差28天。箭杆杨的展叶始期2013年最早出现在4月1日，1996年最晚出现在5月1日，早与晚相差30天。

对研究区3种木本植物春季物候的线性变化分析可知（表1、图1），在1980—2018年序列变化中，图1(a)显示，农八师垦区旱柳展叶始期变化趋势明显提前(P＜0.01)，线性倾向率为-2.29 d/10 a，39年里线性提前约9天；旱柳开花盛期同样变化趋势明显提前(P＜0.01)，线性倾向率在-2.70 d/10 a以上，39年里开花盛期线性提前约11天以上。图1(b)显示，榆树开盛期存在提前趋势(P＞0.05)不显著，线性倾向率在-1.32 d/10 a以上，39年里线性提前约5天左右；榆树的展叶始期呈显著提前趋势(P＜0.01)，线性倾向率约为-5.59 d/10 a，在39年里线性提前22天以上。图1(c)显示，箭杆杨的展叶始期呈显著提前趋势(P＜0.01)，线性倾向率约-2.69 d/10 a，在39年里线性提前在10天以上。3种木本植物物候期通过Mann-Kendall突变检验，春季第一个物候期，旱柳展叶始期、榆树开花盛期和箭杆杨展叶始期，在2004年发生显著突变，突变之后日期提前4天；第二物候期旱柳开花盛期和榆树展叶始期也在2004年发生突变，突变之后日期分别提前5天和9天。

表1 农八师垦区3种木本植物物候期及其倾向率

图1 旱柳(a)榆树(b)箭杆杨(c)展叶始期、开花盛期年际变化趋势

2.2 木本植物春季物候期对气温变化的响应

2.2.1 气温变化 由图2(a)所示，1980—2018年农八师垦区逐年平均气温呈上升趋势，与全球气候变暖有着一致性，年平均气温每10年气候变化率为0.382℃，达到P＜0.01极显著水平，在39年里平均气温线性上升了约1.5℃。由图2(b)所示，木本植物前期1—4月平均气温上升趋势并不明显(P＞0.05)，每10年气候变化率为0.296℃，在39年里年平均气温线性上升了约1.2℃。从各个月份分析来看，1月份平均气温呈下降趋势，并不显著(P＞0.05)，每10年气候变化率为-0.42℃，在39年里年平均气温线性降低了1.6℃以上；2月份变化趋势较为平稳，每10年气候变化率为0.031℃，在39年里年平均气温线性上升了约0.1℃左右；3月份平均气温上升趋势达到显著水平(P＜0.05)，每10年气候变化率为0.737℃，在39年里年平均气温线性上升了约2.9℃；4月份平均气温上升趋势达到极显著水平(P＜0.01)，每10年气候变化率为0.813℃，在39年里年平均气温线性上升了约3.2℃。新疆农八师垦区在冬季1—2月的气温变化平稳甚至下降，而春季3—4月变暖较为突出。通过Mann-Kendall突变检验，年平均气温以及3—4月平均气温均在2000年出现气候突变，突变之后气温平均升高1.5℃和1.0℃。气温突变时间较春季物候期突变时间提前4年出现。

图2 农八师垦区年(a)及1—4月(b)平均气温变化趋势

2.2.2 木本植物春季物候期与冬春季气温相关关系 农八师垦区木本植物展叶始期、开花盛期主要分布在4月份，因此，分析了春季物候期之前不同时间段的气温与木本植物春季物候期的相关性。由表2所示，农八师垦区木本植物物候期与1—2月气温相关不显著，而与3—4月气温相关性最好，均通过P＜0.01的显著水平检验。在1—4月滑动时间段中，凡是包含3、4月气温的时间段与物候期均呈负相关显著。相关性说明旱柳、榆树、箭杆杨春季物候期对之前2个月内的气温变化响应最为敏感。

表2 物候期与不同时间段气温的相关系数

续表2

2.3 木本植物春季物候期与气温响应模式

将春季展叶始期、开花盛期作为因变量，将3—4月平均气温作为自变量，建立一元线性回归模式，定量分析物候期对气温变化的响应程度。由表3分析结果可见，3—4月平均气温对物候期的影响达到极显著水平，当3—4月平均气温每升高1℃时，旱柳、箭杆杨展叶始期及旱柳、榆树开花盛期提前约2天，榆树展叶始期提前约3天。

表3 木本植物物候期与3—4月气温回归分析结果

3 结论与讨论

（1）受年际气温波动的影响，在1980—2018年里新疆农八师垦区木本植物旱柳、榆树、箭杆杨展叶始期出现的早、晚相差14～30天，旱柳、榆树开花盛期早、晚相差23～28天，植物不同对气候变暖的响应程度也不同。

（2）木本植物春季物候期提前趋势较为明显，与东北[1-2]、华北[5,7-8]、西北[9-10]变化趋势基本一致，但春季物候期提前的量值有较大的差异，农八师垦区木本植物旱柳展叶始期、开花盛期及箭杆杨展叶始期每10年提前约3天，榆树开花盛期提前约6天。物候期在2004年发生显著突变，突变之后旱柳展叶始期、开花盛期，榆树开花盛期，箭杆杨展叶始期提前4～5天；榆树展叶始期提前9天之多。

（3）研究区1980—2018年3—4月气温升高趋势明显，但低于年平均气温，变化趋势与气候变暖有着一致性。春季物候期与3—4月气温关系密切，相关检验达到P＜0.01水平。当3—4月平均气温每上升1℃，旱柳展叶始期、开花盛期、箭杆杨展叶始期及榆树开花盛期提前约2天；榆树展叶始期可提前约3天。可见，物候期之前1～2个月的气温对其影响程度。研究区气候条件不同于黄土高原[20]、华中[7-8]、粤东[21]地区，木本植物春季物候期对气温变化敏感性程度相对较低，地域上的差异也较为明显。

（4）自然物候的变化是气象、水文、土壤等综合影响的结果。而植物物候期对气候变化的响应敏感性，在气候资料短缺的地区，作为评估区域气候变化的指标则最为贴近。植物物候期因其对气候响应的不同，须对各种植物特性深入了解。本文只分析了旱柳、榆树、箭杆杨春季物候期对气温变化的响应程度，其他植物物候对环境气象的响应还有待进一步研究。