大兴安岭地区不同海拔高度木本植物物候期及其对气候变化的响应

王彦平，赵子威，李洪峰

（1.内蒙古呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.内蒙古呼伦贝尔根河市气象局，内蒙古 根河 022350；3.根河林业局生态保护建设监测中心，内蒙古 根河 022350）

0 引言

自然物候是气候变化的敏感指示器［1－2］，作为指示气候变化的一项可靠指标［3］，常被视为“大自然的语言”。自然物候作为指示气候变化的重要指标，还可用来指示季节变化及生态系统对环境变化的响应和适应［4］。因此，在全球气候变暖的背景下，物候对气候变化的响应研究已成为物候学关注的焦点［5-9］。IPCC［10］第五次评估报告指出：全球地表温度持续上升， 2016～2035年期间相较于1998～2005年，全球均温可能增加0.3～0.7 ℃。大量研究结果表明，中国地区气候变化与全球气候变化的总体趋势一致，但是气候变化存在明显的区域差异［11-14］。1961～2010年中国气温增温率约为0.30 ℃/10 a，约是全球年均气温增温率的2.5倍，而中国北方地区是近几十年来增温最显著的地区之一［10-11］。

随着全球气候变暖，中国的木本植物物候表现出协同变化的特征，同时存在区域差异。李强等［15］研究认为，黄土高原植被的物候生长季始期有71.71%的区域呈提前趋势，26.29%的区域有推迟趋势；生长季末期有 38.73%的区域具有提前趋势，61.27%的区域有推迟趋势，由此可见，不同地区的木本植物物候随气候变化存在较大差异。

大兴安岭是呼伦贝尔高原与松嫩平原的天然分界线，西侧以缓坡斜接呼伦贝尔高原，海拔多在700～1000 m，东侧作梯状连接松嫩平原，海拔高度在200～500 m。该区域地形结构复杂，有大兴安岭山地、呼伦贝尔高原、河谷平原低地三大地形单元，局部地区气候特征明显且复杂，也是气候变化敏感、对植物物候期产生较大影响的区域。到目前为止，针对气候变化对该地区木本植物物候影响的研究尚属空白，本研究分析了近25年大兴安岭地区不同海拔高度的代表性木本植物物候和气候变化特征及物候对气候变化的响应，得出在全球气候变暖背景下，大兴安岭地区气候变化对木本植物物候的影响，为当地退耕还林、植树造林和生态环境建设提供科学依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

选取大兴安岭地区不同海拔高度的3个农牧业气象观测站（扎兰屯市、鄂温克旗和额尔古纳市）1995～2019 年近25年的木本植物物候期观测数据，木本植物为当地较常见、分布广泛且发育正常的6种植物（表 1），每个地区2种，可代表这一地区不同海拔、不同地形植物的物候期特征。气象资料来源于内蒙古呼伦贝尔市气象局数据库，选取资料为扎兰屯市、鄂温克旗和额尔古纳市同期的日平均气温、最高气温和最低气温。

表1 观测站点及植物种类

1.2 研究方法

采用日序表示法将物候期出现日期换算成对应的日序，得到各物候期的时间序列。

物候及温度变化趋势均采取线性倾向估计，即

式 （1）中，y为物候期或温度值，x为年，k为倾向率。将k值扩大10倍，即每10年的变化值。

用SPSS软件分析植物物候期与温度变化的相关性。

四季划分以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～翌年2月为冬季。

2 结果与分析

2.1 各区域不同时间尺度的平均气温变化趋势分析

2.1.1 年平均气温变化趋势 对1995～2019年扎兰屯市、额尔古纳市和鄂温克旗气温观测数据分析可知（表 2），海拔相对最低的扎兰屯市气温明显高于额尔古纳市和鄂温克旗，年均气温偏高4 ℃以上，海拔相对较高的额尔古纳市较海拔最高的鄂温克旗年均气温偏高1.2 ℃。而最低气温和最高气温，鄂温克旗高于额尔古纳市，极端最低气温和极端最高气温2地接近。

表2 1995～2019年不同区域年气温统计 ℃

1995～2019年扎兰屯市年平均气温表现为略降趋势，额尔古纳市和鄂温克旗年平均气温均表现为上升趋势，而年平均最高气温3地均表现为上升趋势（图 1），与全球气温变化趋势一致［5］；从增温幅度分析，海拔较高的额尔古纳市低山丘陵地区增温幅度大于其他2地，年平均气温增幅为0.32℃/10 a，年平均最高气温增幅为0.85 ℃/10 a；而年平均最低气温3地均表现为下降趋势，海拔最高的鄂温克旗降温幅度最大，为0.27 ℃/10 a，这一变化导致3地年平均气温略降或上升趋势不明显。由此可见，在全球气候变化背景下，1995～2019年间大兴安岭山脊两侧地区表现出不同的温度变化趋势，岭东低平原地区年平均气温略降，与全球增温趋势不同，年最高气温增温幅度和年最低气温降温幅度均小于岭西低山丘陵和高平原地区。

图1 1995～2019年不同区域平均气温变化趋势

2.1.2 四季平均气温变化趋势 由图2可见，不同区域四季平均气温存在明显差异，表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季，并且海拔相对较低的扎兰屯市四季气温明显高于额尔古纳市和鄂温克旗，其中冬季温差最大，偏高幅度平均在8.4～13.3 ℃。由1995～2019年各季平均气温的线性变化趋势可知，3地除冬季平均气温呈略降趋势外，春、夏、秋3季均呈上升趋势；从气温变化倾向率分析，3地春季气温变化大，冬季最小，夏季和秋季接近；从不同区域季节气温变化趋势分析，随着海拔的增加，气温变化幅度增大，且夏、秋2季表现明显，海拔最低的扎兰屯市夏季和秋季气温线性变化率分别为0.03 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，海拔最高的鄂温克旗分别为0.40 ℃/10 a和0.46 ℃/10 a，2地分别相差0.37 ℃/10 a和0.42 ℃/10 a。

图2 1995～2019年不同区域四季平均气温对比分析

2.1.3 月平均气温 由表3可知，扎兰屯市各月气温表现出不同的变化趋势，平均气温在2、9、11和12月均呈下降趋势，其余各月均为上升趋势；最高气温在1、3、4、5、7和10月均表现为上升趋势，其余6个月均为下降趋势；最低气温在1、3、5、6、8和9月均为上升趋势，除7月外，其余月份为下降趋势；其中3月气温的变化幅度最大。额尔古纳市平均气温和最低气温在1、2和12月为下降趋势，其余各月均为上升趋势，且5、6、8和9月在最低气温变化倾向率上达到显著水平（P＜0.05）； 1、2、8和12月的最高气温为下降趋势，其余各月均为上升趋势。鄂温克旗在1、2和12月的平均气温为下降趋势，其余各月为上升趋势；最高气温在1、2、11和12月为下降趋势，其余各月为上升趋势；最低气温在1和2月为下降趋势，其余各月均为上升趋势，且5、7、8和9月在最低气温变化倾向率上达到显著水平（P＜0.05）。可见，低海拔地区各月气温变化趋势较复杂，升温和降温交替出现，高温升幅和降幅大于低温升幅和降幅；随着海拔高度的增加，升温趋势占据主导地位，且低温升幅显著大于高温升幅；中低海拔地区3月升温幅度最大，高海拔地区5月升温幅度最大，随着海拔的升高，气温升幅大值区延后。

表3 1995～2019 年不同区域月气温数据平均值的线性倾向率 ℃/10 a

2.2 各区域木本植物物候期、生长季及变化趋势

2.2.1 物候期变化特征 由表4可以看出，研究区内木本植物春季物候期在5上旬～6月中旬，物候期最早的榆树，开花始期平均日出现在4月末，展叶始期平均出现在5月6日，由于花芽所需温度低于叶芽，开花始期比展叶始期平均提前6 d，平均展叶期比小叶杨和紫丁香提前14 d左右，且榆树的花期最长，花期达1个月左右，其他物种木本植物花期均在半个月左右。木本植物秋季物候期始期集中在9月下旬，发生较早的小叶杨和紫丁香叶变色始期平均出现在9月23～28日，叶变色最晚的是山荆子，平均叶变色始期在10月12日，平均最早和最晚叶变色始期相差20 d 左右；落叶末期集中在10月中下旬，叶变色后落叶最早的是小叶杨，从叶变色末期到落叶末期仅为4 d，旱柳的落叶末期最晚，平均在10月下旬，与落叶末期最早的小叶杨相差25 d左右。可见，不同区域的木本植物物候期存在较大差异。

表4 1995～2019年研究区域典型木本植物平均物候期

2.2.2 物候期变化趋势 由表5物候期的变化倾向率可知，扎兰屯市和额尔古纳市的木本植物春季和秋季物候期普遍推迟，秋季的变化率普遍大于春季，其中兴安落叶松的变化趋势最显著，叶变色末期变化率最大，推迟速率为 27 d/10 a；鄂温克旗的木本植物春季开花期提前，秋季叶变色期和落叶始期均提前，小叶杨开花末期变化趋势显著，提前速率为17 d/10 a，紫丁香落叶始期变化率最大，提前速率为22 d/10 a；展叶始期和末期变化趋势均不明显，可见，同一地点的木本植物物候期变化趋势基本一致，不同海拔高度木本植物物候期变化趋势存在明显的差异。

表5 1995～2019年木本植物物候期线性变化率 d/10 a

2.2.3 植物生长季及其变化趋势 由图3可见，随着海拔的升高，植物生长季表现出不同的变化趋势，大体为海拔高的地区植物的生长季延长趋势明显。低海拔的扎兰屯市旱柳表现为显著的延长趋势，增长率为4.4 d/10 a，而榆树表现为不明显的缩短趋势；中海拔的额尔古纳市两种植物均表现为延长趋势，其中兴安落叶松呈极显著延长趋势，增长率为10.3 d/10 a；高海拔的鄂温克旗两种植物均呈显著延长趋势，增长率为7.7～9.0 d/10 a。

图3 1995～2019 年各站木本植物生长季的年际变化

2.3 各区域木本植物物候期对气温变化的响应

2.3.1 春季第一个物候期的响应 温度是影响植物物候期早晚的关键气象因子，对代表站木本植物展叶始期与不同时段的平均气温作相关分析。由表6可知，木本植物的展叶始期与前期月平均气温基本表现为负相关，即随着温度的升高，春季物候期提前，展叶始期早晚受物候期前1～2个月及整个春季平均气温影响显著，其中扎兰屯市的木本植物与气温的关系最明显，展叶始期较早的榆树与2月份平均气温呈极显著负相关（P＜0.01），与3月、4月、春季的年平均气温呈显著负相关（P＜0.05），展叶始期较晚的旱柳与3月份平均气温呈极显著负相关（P＜0.01），与4月和春季平均气温呈显著负相关（P＜0.05）。海拔较高的额尔古纳市的山荆子和兴安落叶松与各时段平均气温负相关关系不明显，而海拔最高的鄂温克旗小叶杨展叶始期只与春季平均气温呈极显著负相关（P＜0.01），紫丁香展叶始期与春季平均气温呈极显著负相关（P＜0.01），与3月、4月的年平均气温呈显著负相关（P＜0.05）。就季节和年尺度而言，木本植物展叶始期随春季及年均气温的升高呈提前趋势，低海拔和高海拔地区木本植物受春季气温影响显著，中低海拔地区木本植物与各时段气温的相关性较弱。可见，研究区木本植物展叶始期对气温变化的响应基本一致，但响应程度存在较大差别。

表6 各区域木本植物展叶始期（第一个物候期）与不同时段平均气温的相关系数

2.3.2 秋季最后一个物候期的响应 由表7可知，各站点秋季落叶末期与各阶段平均气温的相关性均不明显，且表现为随着气温的升高，落叶末期普遍推迟，只有榆树落叶期随着气温的升高表现为提前。从各阶段平均气温影响分析，秋季气温对落叶末期影响最大，其中中低海拔的额尔古纳地区表现最明显，秋季平均气温对兴安落叶松的影响达到显著正相关（P＜0.05）。可见，木本植物的落叶末期与气温变化趋势基本一致，但也存在明显的区域性特征，中低海拔地区落叶末期对气温变化的响应较为敏感。

表7 各区域木本植物落叶末期（最后一个物候期）与不同时段平均气温的相关系数

2.3.3 生长季长度的响应 由表8可知，榆树和旱柳生长季与气温的变化关系表现一致，即与年平均气温、春季平均气温及冬季平均气温呈正相关，而与夏季和秋季气温呈负相关；山荆子和兴安落叶松的生长季天数与年平均气温、春季平均气温和夏季平均气温均表现为负相关关系，与秋季气温呈正相关关系，且兴安落叶松达到显著水平（P＜0.05），而冬季平均气温与山荆子生长季天数为负相关，与兴安落叶松生长季天数为正相关；小叶杨和紫丁香生长季天数与年平均、春季平均、冬季的相关性表现为完全不同的趋势，而夏、秋2季相关性表现为一致的正相关关系。可见，随着气温的升高，低海拔地区的木本植物生长季天数响应一致，随着海拔的升高，气温对不同木本植物生长季天数变化的影响存在较为复杂的差异。

表8 木本植物生长季天数与不同时段平均气温的相关系数

3 结论

（1）1995～2019年间大兴安岭山脊两侧地区表现出不同的温度变化趋势，岭东低平原地区年平均气温略降，与全球增温趋势不同，年最高气温增温幅度和年最低气温降温幅度均小于岭西低山丘陵地区和高平原地区，年平均最低气温的下降趋势导致3个地区的平均气温略降或上升趋势不明显。各区域除冬季平均气温呈略降趋势，春、夏、秋3季均呈上升趋势，且随着海拔高度的增加，气温变化幅度增大，夏、秋2季表现更为明显。低海拔地区各月气温变化趋势较复杂，升温和降温交替出现，高温升幅和降幅大于低温升幅和降幅，随着海拔高度的增加，升温趋势占据主导地位，且低温升幅显著大于高温升幅；中低海拔地区3月升温幅度最大，高海拔地区5月升温幅度最大，随着海拔的升高，气温升幅大值区延后。

（2）木本植物物候期存在较大差异，物候期最早的榆树，平均展叶期比小叶杨和紫丁香提前14 d左右，且花期比其他木本植物花期长约半个月左右。叶变色后落叶最早的小叶杨与落叶末期最晚的旱柳相差25 d左右。同一地点的木本植物物候期变化趋势基本一致，不同海拔高度的木本植物物候期变化趋势存在明显的差异，低海拔和中低海拔地区的木本植物春季和秋季物候期普遍推迟，高海拔地区的木本植物春季开花期提前，秋季叶变色期和落叶始期均提前。

（3）研究区木本植物展叶始期对气温变化响应基本一致，但响应程度存在较大差别，就季节和年尺度而言，木本植物展叶始期随着春季及年均气温的升高呈提前趋势，低海拔和高海拔地区的木本植物受春季气温影响显著，中低海拔地区木本植物与各时段气温相关性较弱。木本植物的落叶末期与气温变化趋势基本一致，但也存在明显的区域性特征，中低海拔地区落叶末期对气温变化的响应较为敏感。

（4）随着气温的升高，低海拔地区木本植物生长季天数响应一致，随着海拔的升高，气温对不同木本植物生长季天数变化的影响存在较为复杂的差异。