大兴安岭东麓旱柳和家燕物候期对气候变暖的响应

王彦平，有 思，王志春

（1.内蒙古呼伦贝尔市气象局，内蒙古 海拉尔 021008；2.内蒙古赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

0 引言

物候学(Phenology)是研究自然界的植物（包括农作物）、动物和环境条件（气候、水文和土壤条件）周期变化及其相互关系的科学［1-2］。物候学的研究目标是通过对物候与相应气候资料的相关分析，了解气候变化对动植物的影响以及自然环境季节的变化规律，以期为农业生产和科学研究服务［3］。

在当前全球气候变化背景下，作物物候对气候变化的响应及其模拟已成为国际和国内研究的热点［4-5］。有学者利用长时间序列的物候观测数据进行分析，发现升温对物候变化具有显著影响，作物各物候期的发生日期与其前期气温变化显著相关［6-8］，如生长季前期气温的升高使作物播期提前和生育期缩短［9］。随着气候变暖，植物的物候期发生了明显变化，持续升温使中国大部分地区木本植物的春季物候期提前，秋季物候期推迟，生长季呈延长趋势［10−19］；国际物候园观测资料表明，北美、欧洲、地中海等地的木本植物物候期也出现了类似的自然现象［20−23］。全球乃至中国的木本植物物候表现出协同变化的特征，同时也存在区域差异。在春季物候期普遍提前的情况下，中国西南地区东部、长江中下游地区［24］及科尔沁沙地［25］也存在春季物候期推迟的现象。特别是在气候变化敏感区，动植物物候的适应能力表现更为脆弱。例如，甘肃黄土高原的冬小麦、梨树、苹果树春季物候期普遍提前［26］，春小麦、胡麻出苗期的变化幅度更大，最早和最晚出现日期分别相差 36和30 d［27］；气温是影响菏泽地区草本植物春季物候期的重要因素，萌芽期和开花期的早晚与其前1~2 个月气温的负相关程度较高，黄枯期与气温也存在正相关关系［28］。

内蒙古自治区是我国北方典型的气候变化敏感区，近30 a来，气温上升速率为0.52 ℃/10 a［29-30］。有关该区域物候期与气候变化的关系，也有相关报道。高亚敏等［31］研究显示，在气候变化背景下，内蒙古科尔沁草原冰草返青期每年推迟了0.67 d，生长季每年缩短了0.53 d；杨丽萍等［32］分析了内蒙古阴山北麓草本植物物候期变化，发现旱柳、榆树和小叶杨的花芽开放期和落叶末期均表现出提前的趋势，且落叶末期的提前幅度较大，分别平均提前了2.9、3.6和4.6 d/10 a，同时生长季逐渐缩短，平均生长季为182 d。内蒙古大兴安岭东麓是大兴安岭与松辽平原的过渡地带，面积约400万hm2，海拔为100~300 m，属于温暖半湿润气候区，气温较高，降水较多，光照充足，雨热同季，为林业—牧业—农业交错带，动植物资源丰富，也是对气候变化反应较敏感的典型区域［33-34］。内蒙古呼伦贝尔市扎兰屯农业气象监测站位于大兴安岭东麓林农交错带，是国家二级农业气象监测站，自1985 年开始进行物候期观测，1995年后逐步趋于完善，至今已积累了近30 a的连续物候观测资料，但是这一区域动植物物候期对气候变化响应的研究和报道尚属空白，多数报道集中于气候条件对玉米、大豆等农作物生长和产量的影响研究。本研究选取了该区域典型植物旱柳和典型动物家燕1995—2020 年间完整的物候观测资料作为研究材料，分析了大兴安岭东麓气候变化特征、物候变化特征以及物候时气候变化的响应，揭示了全球气候变暖背景下，区域气候变化对大兴安岭东麓典型动植物物候的影响，为当地农作物种植、经济发展和生态环境建设提供了理论依据，对丰富农业物候的研究具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 研究资料

由于旱柳(Salix matsudana Koidz)展叶始期与当地农作物玉米、大豆适宜播种期接近，具有一定的借鉴作用［35］，因此，本文选用的春季物候期是植物旱柳的展叶始期，动物观测资料选择连续性较好的动物家燕(Hirundo rustica)为分析对象，并对其始见期进行分析。上文所选的物候期资料均采用呼伦贝尔市扎兰屯农业气象监测站的观测资料，研究区的旱柳和家燕分布范围较广、物候现象较为明显、易于观测，能够反映大兴安岭东麓春季的自然物候。由于扎兰屯农业气象监测站属于扎兰屯市气象局，两地相距17 km，气候条件差异性较小，因此本研究气象资料选择使用扎兰屯气象局常规气象观测资料。

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；计算每个物候序列物候期提前最早的典型年份某段时间平均气温相对于26 a（1995—2020年）某段时间平均气温的距平值；采用多元回归方法建立物候期差异天数与平均气温差异的回归模型；为了分析积温对家燕始见期的影响，统计了每年1 月1 日至家燕平均始见期≥5 ℃和≥10 ℃的有效积温［31］；气候特征和物候期特征采用气候倾向率方法进行分析。

2 结果与分析

2.1 1995—2020年大兴安岭东麓气温变化特征分析

由图1可知，1995—2020 年间大兴安岭东麓年平均气温呈现微弱上升趋势，倾向率为0.01 ℃/10 a；最高值出现在2007年（5.3 ℃），最低值出现在2010年（2.8 ℃）；2015—2020年间年平均气温波动性明显。

图1 1995—2020 年大兴安岭东麓年平均气温变化趋势

2.2 1995—2020年旱柳和家燕物候期变化特征分析

由表1可知，1995—2020年间大兴安岭东麓旱柳展叶始期最早出现在4月25日（2014年），最晚出现在5月12日（2012年），相差17 d，平均出现日期为5月6日；家燕始见期最早出现在4月18日（2016年），最晚出现在6月13日（2010年），相差56 d，平均出现日期为5月14日。通过对旱柳展叶始期和家燕始见期变化特征进行分析，旱柳展叶始期日序(图2a)和家燕始见期日序(图2b)均呈减小趋势，分别平均减小1.1和6.9 d/10 a，且家燕始见期日序呈减小趋势。

表1 1995—2020年大兴安岭东麓动植物物候期统计

图2 1995—2020年大兴安岭东麓旱柳和家燕物候期变化趋势

2.3 气温变化对旱柳和家燕物候期的影响

由表2可知，1995—2020年间旱柳展叶始期、家燕始见期与该时段平均气温均呈负相关关系，随着春季气温的升高，有效积温的增加，动植物物候期均提前；其中旱柳展叶始期与4月份平均气温呈显著负相关关系，家燕始见期与1月1日至平均始见期≥5 ℃、≥10 ℃有效积温呈不显著负相关关系，与≥10 ℃有效积温的负相关关系更明显。

表2 1995—2020年旱柳展叶始期、家燕始见期与温度之间的相关系数

2.4 旱柳和家燕物候期对温度变化的响应模式

2.4.1 旱柳物候期对温度变化的响应模式 以1995—2020年间4月份平均气温为自变量建立旱柳物候期对温度的响应模式。选取旱柳展叶始期最早的2014 年为典型年，设自变量x为典型年4月平均气温减常年4月平均气温的平均值，因变量y代表旱柳展叶始期差异天数（本研究为典型年展叶始期减去常年展叶始期的平均值），对旱柳展叶始期与4月平均气温之间的关系进行分析，建立物候期差异(y)与4 月平均气温差异(x)的拟合方程，如图3所示，物候期对4月平均气温变化呈现出显著的负相关关系。

图3 2014年大兴安岭东麓旱柳展叶始期差异与4月份平均气温差异的关系

2.4.2 家燕物候期对温度变化的响应模式 以1995—2020年间≥10 ℃的有效积温为自变量建立家燕物候期对温度的响应模式。选取家燕始见期最早的2016年为典型年，设自变量x为典型年1月1日至家燕始见期≥10 ℃有效积温减1月1 日至家燕始见期平均日期≥10 ℃有效积温的平均值，因变量y代表家燕始见期差异天数（即典型年始见期减去常年始见期的平均值），对家燕始见期与≥10 ℃有效积温之间的关系进行分析，建立物候期差异(y)与≥10 ℃有效积温差异(x)的拟合方程，如图4所示，物候期对≥10 ℃有效积温的变化呈负相关，但未达到显著水平。

图4 2016年大兴安岭东麓家燕始见期差异与＞10 ℃有效积温差异的关系

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1995—2020 年间大兴安岭东麓年平均气温微弱上升，气候呈现变暖趋势，2015—2020年间年平均气温波动明显。

（2）1995—2020 年间旱柳展叶始期和家燕始见期均呈提前趋势，且在气候变暖背景下，家燕物候期对气候变暖的响应更为明显。

（3）木本植物旱柳春季展叶始期的年际波动与4月平均气温呈显著负相关关系，家燕始见期与1月1日至平均始见期期间≥5 ℃和≥10 ℃有效积温呈不显著负相关关系，且与≥10 ℃有效积温负相关关系更大。

3.2 讨论

（1）1995—2013年间，旱柳展叶始期和家燕始见期基本呈协同变化的特征，但在2014和2016年，两者出现了很大差异，其原因主要是由于木本植物展叶期除受温度影响之外，还受前期降水的影响，2016年旱柳展叶前期降水量较2014年同期多20.8 mm，降水增多常伴随着气温的下降及日照时数的减少，因而造成旱柳物候期推迟，且这种影响是不规律的，但降水对家燕物候期的影响表现不明显。由此可见，气候条件对动植物物候期的影响是多方面且复杂的。

（2）上述研究表明，大兴安岭东麓典型动植物物候期已经对过去近30 a的气候变暖发生了显著的响应，旱柳和家燕物候期提前，且家燕物候期变化对气候变暖的响应更为明显。旱柳和家燕物候期的提前对温度上升的响应均表现为负相关关系，这与黄珍珠等［3］的研究结论不一致，可能是由于区域气候变化特点或动植物物候特点存在差异所导致的。

（3）按照高涛等［36］对气候变化情景的预估结果可知，大兴安岭东麓作物生长季增温幅度最大，4种模拟结果预计未来3个10 a的平均增温幅度分别为1.0、1.2 和2.1 ℃，因此，该地区气候持续变暖所导致的物候变化及由此产生的生态学、农业以及社会经济学等一系列问题值得进一步探讨。

（4）由于欠缺研究区域气候情景数据对影响动植物物候期的主要因素的预估，因此本研究只分析了过去30 a来自然物候对气候变暖的响应，关于对未来气候变化的响应以及温度、降水和日照等综合因素的影响模式还有待进一步研究。