蘭欣 劉洋 張宇 魏紅旭

摘要[目的]探討北京市園林樹木遭受倒春寒凍害的春季溫度特征。[方法]根據(jù)溫帶倒春寒天氣特征，對北京市的春季溫度進(jìn)行分析，并根據(jù)建成區(qū)公園樹種組成分析倒春寒凍害的潛在威脅。[結(jié)果]倒春寒在40° N附近溫帶地區(qū)的發(fā)生規(guī)律是在4月份正常春季物候開始之前氣溫提前回暖并持續(xù)5 d以上后，最低氣溫立刻驟降至0 ℃以下所發(fā)生的凍害。2011—2016年北京市頻繁發(fā)生倒春寒跡象，但是與2011—2013年相比，2013—2016年倒春寒天氣跡象中的低溫天數(shù)有所減少。[結(jié)論]北京市的多數(shù)落葉喬木都曾有遭受倒春寒凍害的記錄，而常綠樹種的受害比例較低。建議在未來北京城市綠化中多采用常綠樹種代替落葉樹種，以降低樹木遭受倒春寒凍害的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞晚春凍害；春季低溫；氣候變化；園林植物；物候節(jié)律；災(zāi)害預(yù)警

中圖分類號S716文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0170-03

Abstract[Objective]To study city garden trees suffered frost in spring late spring coldness temperature characteristics in Beijing.[Method] Spring temperature in Beijing was analyzed according to the characteristics of late spring frost （LSF） in temperate area in 2011-2016. The potential threat of LSF was predicted on ornamental trees based on the component of their species in large parks of constructed areas of Beijing.[Result] LSF usually resulted in significant effect on trees by a sudden decline to temperature to subzero following a warm spell for at least five days in temperate forests at around the north latitude of 40 ° before the start of spring phenology. Accordingly， LSF tended to occur frequently in 2011-2016. Compared to days with subzero temperature during possible LSF in 2011-2013， that in 2014-2016 tended to decline. Trees from the genera for many ornamental trees in Beijing had been recorded to suffer LSF， which had less impact on evergreen species than on deciduous species in past records.[Conclusion] It is suggested to use more evergreen trees than deciduous trees for the construction of urban greening in Beijing to cope with more possible LSFs in future.

Key wordsLatespring frost；Subzero temperature in spring；Climatic change；Ornamental plants；Phenology dynamic；Alert for natural hazard

基金項目國家自然科學(xué)基金項目（31600496）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0500300）。

作者簡介蘭欣（1983—），男，北京人，工程師，從事城市森林及園林樹木栽培研究。*通訊作者，助理研究員，博士，從事城市森林、苗木生理生態(tài)學(xué)、林業(yè)野生資源開發(fā)研究。

收稿日期2016-12-28

在全球暖化的大背景下，北半球溫帶地區(qū)春季物候表現(xiàn)出逐年提前的跡象[1]，這極大地增大了樹木遭受由春季溫度波動所引起的倒春寒凍害的風(fēng)險[2]。近年來，國際上有報道指出，倒春寒已經(jīng)給當(dāng)?shù)氐纳稚鷳B(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重干擾[2-6]。國內(nèi)研究表明，近10年我國各地區(qū)的春季溫度波動均呈現(xiàn)出明顯的倒春寒天氣特征，因此很可能已經(jīng)對我國大面積的森林生態(tài)系統(tǒng)造成凍害[7]。然而，目前國內(nèi)外有關(guān)倒春寒對樹木春季生長干擾的研究數(shù)據(jù)大多來自于偏遠(yuǎn)山區(qū)，一些跨區(qū)域的大尺度研究也并未明確區(qū)分自然森林和城市森林中樹木對倒春寒的響應(yīng)，這在很大程度上限制了倒春寒對城市園林樹木影響的理解。

全球正處在一個高速城市化的發(fā)展過程中。1980—2000年開始我國城市建成區(qū)面積以850 km2/a的速度直線增加，在1997—2007年東部地區(qū)地級及以上城市的建成區(qū)面積由6 685 km2快速增加至14 677 km2。北京市的城市化速度位列全國之首，1984—2007年城市化速率為47.12 km2/a，其中2000—2007年的速率高達(dá)68.09 km2/a。快速的城市化進(jìn)程使北京市產(chǎn)生了典型的熱島效應(yīng)，其建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的春季物候提前現(xiàn)象尤為明顯[8]，說明北京市的園林綠化樹木遭受倒春寒凍害的概率極大，但目前鮮有研究從年際尺度內(nèi)部對該問題進(jìn)行深入探討。

筆者根據(jù)世界范圍內(nèi)倒春寒天氣形成的主要溫度特征，對2011—2016年北京市春季溫度波動進(jìn)行分析，比對北京市建成區(qū)（11685°～115.86° E，39.43°～40.42° N）內(nèi)主要大型公園中典型樹種，分析北京市園林樹木遭受倒春寒凍害的風(fēng)險，旨在為北京市園林樹木應(yīng)對春季氣候災(zāi)害的預(yù)警提供理論參考。

1資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

世界范圍內(nèi)有關(guān)倒春寒天氣形成溫度波動規(guī)律的數(shù)據(jù)來自于2007年至今對北美、歐洲和我國研究所發(fā)表的報道[2-7]；北京市的春季溫度數(shù)據(jù)來自對公共氣象網(wǎng)站（Weather Underground）數(shù)據(jù)的搜集整理[9]；北京市建成區(qū)大型公園中主要樹種的統(tǒng)計來自趙芒[10]的研究，主要包括中山公園（23.80 hm2）、紫竹院公園（47.35 hm2）、景山公園（23.00 hm2）、北京植物園（400.00 hm2）和海淀公園（40.00 hm2）等。

1.2分析方法

根據(jù)多地區(qū)典型天氣事件總結(jié)并提煉溫帶地區(qū)倒春寒天氣形成的一般規(guī)律，采用典型特征識別法比對并分析2011—2016年北京市春季溫度波動過程中形成倒春寒凍害的可能情況，進(jìn)而提取關(guān)鍵因素數(shù)據(jù)并進(jìn)行方差分析來總結(jié)動態(tài)規(guī)律，最后通過樹木樣本概率的計算來確定北京市園林樹木遭受倒春寒凍害的可能性。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

采用SAS軟件對北京市春季溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立樣本的t檢驗分析，并通過Bonferroni校正來確定真實置信區(qū)間。計劃進(jìn)行6組氣象數(shù)據(jù)的檢驗，因此實際的誤差限調(diào)整為P=0.008。

2結(jié)果與分析

2.1倒春寒天氣規(guī)律

追溯近年來世界范圍內(nèi)的典型倒春寒凍害主要包括2001年發(fā)生于日本盛岡[3]、2007年發(fā)生于美國北部[2]、2010年發(fā)生于美國東北部[6]、2011年發(fā)生于德國[5]和近年來我國[7]的春季凍害事件。通過這些案例的分析總結(jié)，得到倒春寒在40° N附近溫帶地區(qū)的發(fā)生規(guī)律是在4月份正常春季物候開始前氣溫提前回暖并持續(xù)5 d以上之后，最低溫立刻驟降至0 ℃以下所發(fā)生的凍害。值得注意的是，在發(fā)生倒春寒之前，日最高溫往往會達(dá)到10～15 ℃，最高時甚至可達(dá)20 ℃以上，這時一部分樹木會因提前回暖而解除休眠，進(jìn)而遭受凍害。另外，在溫度持續(xù)升高之前，即使春季溫度下降至-5～10 ℃，倒春寒也不會發(fā)生。

2.2春季溫度波動情況

在2011—2016年北京市春季溫度在3月份均會出現(xiàn)連續(xù)5 d以上的升高（圖1）。根據(jù)測算，北京市建成區(qū)的物候節(jié)律一般開始于每年4月底（21—25日）[8]，因此每年3月份北京的升溫已構(gòu)成提前回暖條件。根據(jù)歷史經(jīng)驗，提前回暖5 d已經(jīng)達(dá)到促進(jìn)城區(qū)樹木提前解除休眠的條件。因此，2011—2016年提前回暖后立刻出現(xiàn)的日最低溫下降至0 ℃以下的天氣特征可以構(gòu)成產(chǎn)生倒春寒凍害的條件（圖1）。

從圖2可見，與2011—2013年相比，2014—2016年倒春寒天氣特征發(fā)生之前的升溫天數(shù)和凍害持續(xù)天數(shù)均呈下降趨勢，且每年的首次倒春寒跡象與4月底的春季物候開始期之間的差距正在逐漸縮小，但只有凍害持續(xù)天數(shù)的年際差異達(dá)到了顯著水平（P=0.003 1）。從溫度變化上看，出現(xiàn)倒春寒天氣跡象之前的最高溫和凍害期間的最低溫同時呈升高趨勢，但是二者間的溫差正在縮小。

2.3樹種組成

經(jīng)統(tǒng)計，北京市建成區(qū)常綠園林樹木共有32種，包括11科18屬，其中曾遭受倒春寒凍害記錄的共有5種，來自2科2屬，分別占總數(shù)的15.6%、18.2%和111%，均未達(dá)到小樣本20%的要求。落葉樹種方面，北京市建成區(qū)共有26科33屬54種喬木，其中曾有過凍害記錄的有26個樹種，來自7科9屬，分別占總數(shù)的48.1%、269%和2.3%，均達(dá)到了小樣本水平?？傮w上，在北京市建成區(qū)曾有倒春寒凍害記錄的樹種共有31種，占總數(shù)的34%（表1）。因此，從樹種組成上看，北京市建成區(qū)的園林樹木整體上處于倒春寒凍害的風(fēng)險中，其中落葉樹種比常綠樹種的受害幾率更大。

3討論與結(jié)論

2011—2016年北京市溫度波動上看，發(fā)生倒春寒的跡象十分明顯，春季溫度的提前回暖、快速下降和持續(xù)時間都與2007年發(fā)生在美國伊利諾斯州（40°09′ N，88°10′ W）的倒春寒事件[2]相似，但是與發(fā)生在日本盛岡（141°08′ E，39°46′ N）[3]、德國東南部（13°25′ E，48°56′ N）[5]和我國沈陽（123°25′ E，41°48′ N）[7]相比特征差異較大，且發(fā)生時間較早。這說明倒春寒的發(fā)生和地理緯度之間的關(guān)系密切。北京地區(qū)為中溫帶地區(qū)，且城市化程度較高，因此其偏南的地理位置和熱島效應(yīng)綜合導(dǎo)致倒春寒天氣跡象發(fā)生較北部地區(qū)早，持續(xù)時間更短。

近年來，北京市倒春寒天氣跡象呈逐年減弱的趨勢，尤其以降溫持續(xù)天數(shù)的變化最為顯著。這說明形成倒春寒的溫度因素正在被北京市的熱島效應(yīng)所削弱，建成區(qū)內(nèi)的高溫通過縮短降溫的天數(shù)而縮小了最高溫和最低溫之間的溫差，進(jìn)而降低了城市樹木遭受倒春寒凍害的風(fēng)險。這與戴君虎等[11]的研究結(jié)論類似，后者發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)植物的春季霜凍風(fēng)險指數(shù)平均以0.18%/a的速率顯著下降。然而，即便如此在時空的大尺度上來看，未來在很長一段時間內(nèi)倒春寒對北京市的生態(tài)影響并不會解除。

該研究表明，北京市園林樹木中落葉樹種遭受倒春寒凍害的概率較大，而常綠樹種的受害幾率較低。這主要是由于北京市多數(shù)落葉樹種的春季物候開始時期和倒春寒跡象出現(xiàn)時間恰好吻合，而多數(shù)常綠樹種的春季物候開始期在倒春寒跡象的發(fā)生之后。這與美國[2]、德國[5]的研究結(jié)果類似，說明常綠樹種比落葉樹種更適應(yīng)倒春寒的天氣特征。因此，建議北京市在未來的城市園林綠化中更多地應(yīng)用常綠樹種，以降低倒春寒凍害對城市園林樹木春季生長的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] JEONG S J，HO C H，GIM H J，et al.Phenology shifts at start vs.end of growing season in temperate vegetation over the Northern Hemisphere for the period 1982-2008[J].Global change biology，2011，17（7）：2385-2399.

[2] AUGSPURGER C K.Spring 2007 warmth and frost：Phenology，damage and refoliation in a temperate deciduous forest[J].Functional ecology，2009，23（6）：1031-1039.

[3] AWAYA Y，TANAKA J，KODANI E，et al.Responses of a beech（Fagus crenata Blume）stand to late spring frost damage in Morioka，Japan[J].Forest ecology and management，2009，257（12）：2359-2369.

[4] FISICHELLI N，VOR T，AMMER C.Broadleaf seedling responses to warmer temperatures “chilled” by late frost that favors conifers[J].European journal of forest research，2014，133（4）：587-596.

[5] MENZEL A，HELM R，ZANG C.Patterns of late spring frost leaf damage and recovery in a European beech（Fagus sylvatica L.）stand in southeastern Germany based on repeated digital photographs[J].Frontiers in plant science，2015，6：110.

[6] HUFKENS K，F(xiàn)RIEDL M A，KEENAN T F，et al.Ecological impacts of a widespread frost event following early spring leafout[J].Global change biology，2012，18（7）：2365-2377.

[7] 王梓，徐軍亮，魏紅旭.中國“倒春寒”天氣的發(fā)生及對樹木春季生長的影響[J].北方園藝，2015（16）：195-201.

[8] 羅海江.基于衛(wèi)星遙感的北京城鄉(xiāng)植物物候差異[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2013，32（10）：1463-1469.

[9] The Weather Company，LLC.Weather Underground[DB/OL].[2016-10-15].https：//www.wunderground.com/.

[10] 趙芒.北京公園冬季植物景觀調(diào)查與營建初探[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2012：14-21.

[11] 戴君虎，王煥炯，葛全勝.近50年中國溫帶季風(fēng)區(qū)植物花期春季霜凍風(fēng)險變化[J].地理學(xué)報，2013，68（5）：593-601.