任玉歡，姚 闖，趙海燕，范志宣，劉吉勤，李晶晶

（1山西省氣候中心，太原 030000；2山西省吉縣氣象局，山西臨汾 042200；3山西省長治市氣象局，山西長治 046000）

0 引言

確定全球氣候變化對(duì)生物的影響具有重要的理論和實(shí)踐意義，評(píng)估植物物候變化對(duì)全球變暖的響應(yīng)成為當(dāng)前氣候變化的研究熱點(diǎn)之一[1]。植物物候是指植物在一年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)變化的生長和發(fā)育[2]，它在調(diào)節(jié)植物光合作用、水分的蒸散發(fā)和地表能量通量方面起著重要作用，且對(duì)氣候變化敏感[3]。臨汾地處世界上黃土覆蓋面積最大和水土流失最為嚴(yán)重、最為集中的黃土高原東部，當(dāng)?shù)丨h(huán)境的臨界性和生態(tài)的脆弱性，使得它對(duì)氣候變化的反應(yīng)十分敏感[4]。了解氣候變暖背景下，黃土高原脆弱區(qū)城市木本植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)，對(duì)于進(jìn)一步明確區(qū)域氣候-碳反饋、推動(dòng)地區(qū)實(shí)現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)具有重要意義。

物候信息具有明顯的區(qū)域性和時(shí)間性，許多研究集中于不同地區(qū)和不同物種的物候[5-6]。亞洲[7-8]、歐洲[9]、北美[10]等地的一些研究揭示了春季物候期提前發(fā)生的趨勢(shì)，包括主要木本植物展葉期和開花期的提前等。有研究報(bào)道，在中國溫帶地區(qū)，木本植物主要受溫度的影響，而不受降水和日照的影響。其他相關(guān)研究也強(qiáng)調(diào)了開花前期溫度的重要性。植物物候變化差異的主要原因可以歸結(jié)為植物對(duì)溫度變化響應(yīng)敏感性的差異[5,11-13]。與之不同的是，Piao 等[14]分析了1982—1999年中國溫帶植被的物候，發(fā)現(xiàn)由于春季氣溫的逐步回升，植被生長季始期呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，秋季溫度升高，生長季末期呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，生長季長度持續(xù)時(shí)間對(duì)降水變化也很敏感，但降水對(duì)不同種植被的影響略有不同。此外雷俊等[15]、鄧禮強(qiáng)[16]、李強(qiáng)[17]等研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原典型植物春季物候期均表現(xiàn)為提前的趨勢(shì)。王貝貝等[18]基于MODIS NDVI 數(shù)據(jù)分析了山西植被物候的時(shí)空變化和地形差異對(duì)物候的影響，結(jié)果顯示，山西省2000—2015年植被生長季開始時(shí)間提前，生長季結(jié)束日期推后，生長期延長，植被物候在長時(shí)間尺度上變化顯著，而在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，地形是物候存在空間差異的重要影響因子。

物候資料對(duì)氣候影響評(píng)估有明顯的價(jià)值。當(dāng)前，物候數(shù)據(jù)獲取手段主要有以下幾種。首先是構(gòu)建地面物候觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)地面特定生物物候轉(zhuǎn)變過程，世界各地目前基本都已建立起區(qū)域性的物候站網(wǎng)，尤其歐亞地區(qū)具有悠久的物候觀測(cè)記錄，中國氣象部門也在20世紀(jì)80 年代起建立起國內(nèi)地面站點(diǎn)最多的物候觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感資料可以獲得大范圍長序列的物候信息，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)植被生長季節(jié)進(jìn)行識(shí)別和外推，建立局地生長季和區(qū)域生長季之間以及表面物候生長季和衛(wèi)星感應(yīng)生長季之間的相互關(guān)系已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[19-20]。此外，還可以通過研究環(huán)境因子對(duì)植物內(nèi)在生長影響所發(fā)生的生理機(jī)制，建立可預(yù)測(cè)植物未來生長變化的模型[21]，進(jìn)一步定量研究氣候變化對(duì)植物生長的影響。

城市森林可提供與人類健康和幸福感相關(guān)的服務(wù)，同時(shí)，其對(duì)于氣候控制的重要作用正得到越來越多的關(guān)注，然而，關(guān)于城市木本植物對(duì)氣候變化脆弱性的研究很少，這就限制了物種評(píng)估氣候風(fēng)險(xiǎn)的能力[22]。合歡(Albizia julibrissin)是黃土高原區(qū)應(yīng)用頻率較高的城市綠化樹種，隸屬于豆科合歡屬，為落葉喬木，花期6—7月，果期8—10月。本研究以合歡為例，通過探討氣候變化對(duì)黃土高原城市園林綠化植物的影響，明確氣候變暖背景下城市園林植物的季相變化，旨在為城市園林植物的四季景觀設(shè)計(jì)和種植栽培提供依據(jù)，同時(shí)，也為評(píng)價(jià)城市森林調(diào)節(jié)城市氣候、探討城市森林對(duì)氣候變化的響應(yīng)以及提高城市潛在生產(chǎn)力、積累環(huán)境資本等方面提供借鑒作用。

1 資料與方法

合歡物候數(shù)據(jù)及同期氣象資料均取自臨汾國家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，氣象站周圍的下墊面類型能夠代表合歡生長的自然環(huán)境，采用平行觀測(cè)法，即同時(shí)觀測(cè)生物物候現(xiàn)象和氣象因子的變化，以研究其相互關(guān)系[20,23]。為了揭示合歡生長發(fā)育不同階段的時(shí)序變化特征以及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，選擇展葉始期、開花始期、果實(shí)成熟期、葉變色始期和落葉末期作為指示物候期。其中展葉始期的標(biāo)準(zhǔn)是觀測(cè)樹上有個(gè)別枝條上的芽出現(xiàn)第一批平展的葉片，開花始期的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是觀測(cè)樹上有一朵或同時(shí)幾朵花的花瓣開始完全開放，當(dāng)觀測(cè)的樹木上有一半的果實(shí)變?yōu)槌墒斓念伾礊楣麑?shí)成熟期；觀測(cè)的樹木葉子在秋天第一批開始變色即為葉變色始期，落葉末期的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為秋季樹上的葉子幾乎全部脫落[24]。

將臨汾合歡1983—2021 年各物候發(fā)生日期轉(zhuǎn)換成序日，即從1月1日算起的順序天數(shù)，得到各物候期的時(shí)間序列。利用線性回歸方法分析各氣象因子及物候期的逐年變化趨勢(shì)。采用Morlet小波分析對(duì)氣象因子進(jìn)行周期分析[25]。通過計(jì)算物候期與氣象因子的相關(guān)系數(shù)，擬合出氣象因子對(duì)各物候期的影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 臨汾氣候變化特征

由1983—2021年臨汾平均氣溫變化曲線（圖1）可以看出，臨汾年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)率為0.74℃/10 a，通過0.01 置信水平檢驗(yàn)，近39 年，臨汾年平均氣溫升高了2.9℃。從5年滑動(dòng)平均氣溫來看，臨汾氣溫趨勢(shì)可劃分為6 個(gè)階段，1983—1991、1996—2002、2012—2019 年為氣溫明顯升高階段，1991—1996、2002—2012、2019—2021 年為氣溫相對(duì)平穩(wěn)階段，且氣溫明顯升高階段與相對(duì)平穩(wěn)階段交替出現(xiàn)。

圖1 1983—2021年臨汾年平均氣溫變化趨勢(shì)

從季節(jié)來看，春季升溫最明顯、升溫速率最快（圖2），傾向率達(dá)1.03℃/10 a，冬季、夏季和秋季依次遞減，分別為0.71、0.63、0.62℃/10 a，氣候變暖在季節(jié)上表現(xiàn)出不對(duì)稱的特點(diǎn)，即各季節(jié)的升溫速率不同。

圖2 1983—2021年臨汾四季平均氣溫變化趨勢(shì)

近39 年來，臨汾年日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)不明顯，年降水量呈豐枯交替變化（圖3）。為了明確臨汾年降水量的周期特征，采用Morlet小波函數(shù)分析1983—2021年間臨汾降水周期變化情況。由圖4a可知，2000年以前，8、12 年的周期表現(xiàn)較為明顯，而2000 年以后，6、14～15年左右的短期表現(xiàn)較為明顯。為了進(jìn)一步驗(yàn)證臨汾年降水變化的周期性，計(jì)算小波方差變化情況（圖4b），小波方差曲線上的極值對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺度是振蕩信號(hào)強(qiáng)的周期，圖4b顯示在6、15年上對(duì)應(yīng)小波方差的極值，即為臨汾年降水量變化的主要周期。

圖3 1983—2021年臨汾逐年降水量和日照時(shí)數(shù)

圖4 臨汾年降水量小波實(shí)部(a)和小波方差(b)

2.2 臨汾合歡物候特征

2.2.1 臨汾合歡物候期基本特征1983—2021 年臨汾合歡展葉始期一般出現(xiàn)在4—5 月上旬，最大振幅為25 d，出現(xiàn)在2018、1983年，平均出現(xiàn)日期為4月23日；開花始期一般出現(xiàn)在5月中旬—6月中旬，最大振幅為35 d，平均出現(xiàn)日期為6月2日；果實(shí)成熟期出現(xiàn)在8月下旬—10月上旬，最大振幅為42 d，平均出現(xiàn)日期為9月18 日；葉變色始期出現(xiàn)在9 月下旬—10 月中旬，最大振幅為28 d，平均出現(xiàn)在10月6日；落葉末期出現(xiàn)在10 月中旬—11 月中旬，最大振幅為32 d，平均出現(xiàn)日期為11月6日。從臨汾合歡各物候期最早最晚出現(xiàn)的日期差異情況來看，合歡是先葉后花植物，各物候期的出現(xiàn)具有順序相關(guān)性[26]，1983年以來，各物候期最大振幅相差1個(gè)月左右，其中相差最長的為果實(shí)成熟期，相差最少的為展葉始期。

2.2.2 臨汾合歡物候期年際變化規(guī)律 由圖5 可知，1983 年以來，臨汾合歡春季物候期呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為春季物候期提前，其中展葉始期較開花始期的波動(dòng)幅度小，展葉始期和開花始期平均每10年分別提前4.1、4.5 d；秋季物候期較春季波動(dòng)幅度大，其中果實(shí)成熟期呈微弱上升趨勢(shì)，平均每10 年推遲2.7 d，葉變色始期和落葉末期變化趨勢(shì)不明顯，總體來看，臨汾合歡的整個(gè)生長季長度相對(duì)延長。

圖5 臨汾合歡物候期年際變化

2.2.3 臨汾合歡不同物候期持續(xù)日數(shù)變化1983 年以來，臨汾合歡展葉始期至開花始期持續(xù)日數(shù)為29～53 d，平均持續(xù)日數(shù)為40 d；開花始期至果實(shí)成熟期持續(xù)日數(shù)為69～134 d，平均持續(xù)日數(shù)108 d；果實(shí)成熟期至葉變色始期持續(xù)日數(shù)集中在2～39 d，平均持續(xù)日數(shù)18 d；葉變色始期至落葉末期持續(xù)日數(shù)為2～46 d，平均持續(xù)日數(shù)31 d；臨汾合歡生長季展葉始期至落葉末期持續(xù)日數(shù)為176～221 d，平均生長季長度為197 d。

1983—2021 年臨汾合歡不同物候期的持續(xù)日數(shù)不同。其中展葉始期至開花始期、果實(shí)成熟期至葉變色始期、葉變色始期至落葉末期的持續(xù)日數(shù)沒有明顯變化趨勢(shì)，而開花始期至果實(shí)成熟期的持續(xù)日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，平均每10 年延長7.2 d，故臨汾合歡整個(gè)生長季長度表現(xiàn)為明顯的增加趨勢(shì)的主要貢獻(xiàn)來自開花始期至果實(shí)成熟期的延長，平均每10年延長5.6 d。

2.2.4 臨汾合歡各物候期間相關(guān)分析 由表1 可見，開花始期對(duì)展葉始期、葉變色始期對(duì)果實(shí)成熟期、生長季長度對(duì)落葉末期的響應(yīng)為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，即展葉始期越早，開花始期越早；果實(shí)成熟越早，葉變色越早；落葉末期越晚，生長季越長。展葉始期和開花始期對(duì)生長季長度的響應(yīng)均為負(fù)相關(guān)，達(dá)極顯著水平，表現(xiàn)為展葉始期、開花始期提前，生長季長度變長。

表1 臨汾合歡各物候期間相關(guān)系數(shù)

2.3 臨汾合歡物候期與氣象條件相關(guān)分析

由表2可見，氣溫對(duì)春季展葉始期、開花始期的影響主要表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即氣溫越高，相應(yīng)物候期越早。上年9月至當(dāng)年展葉期的氣溫均對(duì)展葉始期產(chǎn)生一定影響，其中上年11 月、當(dāng)年3—4 月的氣溫達(dá)到極顯著影響水平，其他月份均達(dá)顯著水平；而開花始期主要與當(dāng)年3月至開花時(shí)的氣溫有關(guān)，當(dāng)年3—6月的氣溫對(duì)開花始期均達(dá)到極顯著影響水平。當(dāng)年3、6月氣溫對(duì)果實(shí)成熟期表現(xiàn)出顯著相關(guān)。氣溫對(duì)葉變色始期、落葉末期的影響總體來看不及對(duì)春季物候期影響大。生長季長度表現(xiàn)出與生長季開始前及生長季的氣溫高度相關(guān)，且自生長季開始與各月溫度主要表現(xiàn)出極顯著相關(guān)。

表2 臨汾合歡主要物候期與氣象因子相關(guān)系數(shù)

≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃的積溫與各物候期的相關(guān)性較氣溫更大，表現(xiàn)為對(duì)展葉始期、開花始期和生長季長度的極顯著相關(guān)，對(duì)果實(shí)成熟期的顯著相關(guān)。其中≥10℃積溫與展葉始期、果實(shí)成熟期、生長季長度的相關(guān)系數(shù)最大，≥5℃積溫與開花始期相關(guān)系數(shù)最大。葉變色始期、落葉末期與各積溫的相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平。

降水、日照與各物候期的相關(guān)性不及氣溫明顯。展葉始期與當(dāng)年3月日照顯著負(fù)相關(guān)，日照時(shí)數(shù)越長，展葉越早；開花始期與當(dāng)年3月降水及1月日照顯著相關(guān)，當(dāng)年3 月降水越多，1 月日照時(shí)數(shù)越長，開花越晚；果實(shí)成熟期與當(dāng)年3 月、6 月降水顯著負(fù)相關(guān)，降水越多，果實(shí)成熟越早；葉變色始期與當(dāng)年6月日照顯著相關(guān)，6月日照時(shí)數(shù)越長，葉變色始期越晚。降水及日照同合歡物候的相關(guān)性從側(cè)面表明合歡喜光、不耐水澇的特性。

總體而言，氣象條件對(duì)葉變色始期和落葉末期的影響不及對(duì)春季物候期的影響明顯。秋季的葉變色始期及落葉末期同果實(shí)成熟期的相關(guān)性更大。

3 結(jié)論

1983—2021 年臨汾地區(qū)增溫趨勢(shì)明顯，傾向率為0.74℃/10 a，其中春季升溫速度最快，傾向率達(dá)1.03℃/10 a，氣候變暖在季節(jié)上表現(xiàn)出不對(duì)稱的特點(diǎn)；年日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)不明顯；年降水量存在14～15 年和6 年左右的周期。

近39年來，臨汾合歡展葉始期、開花始期、果實(shí)成熟期、葉變色始期、落葉末期平均出現(xiàn)日期分別為4月23 日、6 月2 日、9 月18 日、10 月6 日、11 月6 日。春季物候期提前，秋季物候期變化不明顯，生長季長度相對(duì)延長，平均每10年延長5.6 d。

各物候期的發(fā)生具有順序相關(guān)性，展葉始期、開花始期、落葉末期與生長季長度均呈極顯著正相關(guān)，展葉始期與開花始期、果實(shí)成熟期與葉變色始期呈極顯著正相關(guān)。

在各氣象要素中，氣溫與積溫是影響臨汾合歡春季物候期的最主要因子，其中上年11月至當(dāng)年展葉前的溫度及≥10℃積溫對(duì)展葉始期影響最為顯著，當(dāng)年3月至開花前的氣溫及≥5℃積溫對(duì)開花期影響最顯著。降水量和日照時(shí)數(shù)對(duì)各物候期影響相對(duì)較弱。

影響各物候期早晚的因子各不相同，其中春季的展葉始期及開花始期對(duì)氣溫、積溫的影響表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，果實(shí)成熟期對(duì)氣溫、積溫的影響表現(xiàn)為顯著相關(guān)；而秋季葉變色始期、落葉末期與氣象因子相關(guān)性較小，主要受前序物候期發(fā)生日期影響。

4 討論

（1）本研究結(jié)果表明，臨汾地區(qū)合歡春季物候期對(duì)氣候變化具有明顯的響應(yīng)，而秋季物候期對(duì)氣候變暖的響應(yīng)較為遲鈍。這與呂愛麗等[27]的研究結(jié)果基本一致，而與李燕等[28]分析的展葉期變化趨勢(shì)不明顯、秋季物候期呈推遲趨勢(shì)有所出入，主要原因在于選取的時(shí)間段不同，臨汾1983—2004 年平均氣溫為13.0℃，2005—2021 年平均氣溫為14.3℃，后17 年平均氣溫較前22 年平均氣溫升高了1.3℃，且春季氣溫升高速率較秋季快，所以臨汾合歡各物候期呈現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。

（2）自然物候變化不僅受氣溫、降水、日照等氣象因子的影響，水文、土壤、種內(nèi)種間競(jìng)爭(zhēng)及個(gè)體的生物學(xué)特性等因素也會(huì)對(duì)物候產(chǎn)生一定影響，筆者僅分析了影響臨汾地區(qū)合歡物候的氣象要素，缺乏其他相關(guān)因素變化對(duì)物候的影響分析。在今后的研究中，應(yīng)從更為全面的角度分析自然物候的影響因素，這樣不僅可以進(jìn)一步明確影響生物物候及其分布的機(jī)理，同時(shí)對(duì)于準(zhǔn)確的預(yù)估預(yù)測(cè)物候期，服務(wù)于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。