李 丹,韓 芳,陳云云,楊麗萍,陳素華

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

氣候變化對(duì)荒漠區(qū)5種主要灌木植物物候的影響

李 丹1,韓 芳1,陳云云2,楊麗萍1,陳素華1

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

物候常作為指示氣候變化的一項(xiàng)可靠指標(biāo)，基于物候資料分析氣候變化對(duì)荒漠區(qū)5種灌木物候的影響，對(duì)闡明荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。因此，本研究采用一元線性回歸法和相關(guān)分析法對(duì)阿拉善左旗荒漠區(qū)5種灌木30年來的物候及其對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，1)1983-2012年研究區(qū)增溫明顯，氣溫平均增幅0.43 ℃·10 a-1，降水量無顯著變化，氣候朝著暖干化方向發(fā)展；2)5種灌木春季物候均表現(xiàn)出提前的趨勢(shì)，枯黃期則表現(xiàn)出顯著的提前或不明顯的推后趨勢(shì)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度有所延長(zhǎng)；3)3月均溫、4月均溫和10月均溫對(duì)研究區(qū)5種灌木物候期影響顯著，月降水量?jī)H與白刺(Nitrariatangutorum)的春季物候期呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的相關(guān)關(guān)系。

物候期；灌木；阿拉善左旗；氣候變化；相關(guān)分析

物候是指植物為了利用周圍環(huán)境資源在生理形態(tài)上形成與氣候條件的節(jié)律性相對(duì)應(yīng)的植物發(fā)育節(jié)律[1-2]，是對(duì)當(dāng)時(shí)以及過去一段時(shí)間氣象條件的反映[3]。物候的變化可以反映周圍資源環(huán)境的變化[4-6]，常作為指示氣候變化的一項(xiàng)可靠指標(biāo)[7]，是氣候變化的敏感指示器[8-9]。在全球氣候變化背景下，植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)及其響應(yīng)模式已成為當(dāng)代物候?qū)W研究的熱點(diǎn)[10-11]。目前干旱區(qū)植被物候的研究主要集中于木本植物和草本植物的物候變化趨勢(shì)及對(duì)氣候變化的響應(yīng)[12-15]，不同物候期與氣象因子之間的相互關(guān)系[16-19]，而關(guān)于在較長(zhǎng)時(shí)間序列下氣候變化對(duì)荒漠區(qū)灌木植被物候影響的研究較少，近年來，雖有學(xué)者運(yùn)用遙感觀測(cè)方法對(duì)植物物候進(jìn)行了廣泛研究[20-21]，但是由于荒漠區(qū)植被稀疏，采用較低分辨率的遙感影像資料提取該區(qū)NDVI效果并不理想[20]，在一定程度上限制了“植被-氣候”關(guān)系的研究，因而本研究選取阿拉善荒漠區(qū)5種主要灌木植物作為研究對(duì)象，利用長(zhǎng)時(shí)間序列的物候觀測(cè)資料及氣候資料， 對(duì)5種灌木植物不同物候期的變化特征及其與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行研究，為全球變暖背景下，大尺度植被類型物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究提供依據(jù)。

阿拉善左旗荒漠區(qū)作為內(nèi)蒙古氣候變化的敏感區(qū)域，已有學(xué)者對(duì)該區(qū)開展了物候研究[22]，研究?jī)?nèi)容主要以土壤含水率對(duì)灌木物候和生物量的影響為主，事實(shí)上，植被的旱生性是荒漠景觀的突出特征，這是氣候不斷旱化的漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過程中選擇的結(jié)果[23]。研究該區(qū)植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)對(duì)闡明荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗騰格里沙漠，地理坐標(biāo) 105°40′ E，38°50′ N，海拔1 360 m,年平均氣溫8 ℃,極端最高氣溫38.6 ℃,極端最低氣溫-33.2 ℃,≥10 ℃年積溫3 000～3 400 ℃·d。年降水量80～150 mm,年蒸發(fā)量3 000～4 000 mm，年平均風(fēng)速3.1 m·s-1。本研究區(qū)植被稀疏，具有明顯區(qū)域性和地帶性。植被是以霸王(Zygophyllumxanthoxylon)為優(yōu)勢(shì)種,白刺 (Nitrariatangutorum)、紅砂 (Reaumuriasoongorica)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、矮腳錦雞兒(Caraganabrachypoda)(俗稱紅刺)為主要伴生種的荒漠群落。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與觀測(cè)方法

資料來源于內(nèi)蒙古氣象局，選取阿拉善左旗孿井灘牧業(yè)氣象觀測(cè)站(105.27° E,37.53° N)1981-2012年的地面氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫和降水量及荒漠區(qū)1983-2012年5種主要的灌木、半灌木的物候觀測(cè)資料。

觀測(cè)方法采取定點(diǎn)不定株的方式，在牧草監(jiān)測(cè)場(chǎng)的發(fā)育期監(jiān)測(cè)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行灌木、半灌木發(fā)育期監(jiān)測(cè)，其中，50%的灌木、半灌木的芽開放，植株花芽突起，鱗片開裂，或葉芽露出鮮嫩小葉則為返青普遍期；當(dāng)出現(xiàn)第1批1～2片葉片平展時(shí)，就是展葉始期；當(dāng)枝條開始出現(xiàn)完全開放的花時(shí)是開花始期；50%的灌木、半灌木當(dāng)年生枝條老化，葉片變色或觸及易脫落則為枯黃普遍期。

2.2 研究方法

氣象數(shù)據(jù)以30 a來阿拉善左旗氣象觀測(cè)站平均氣溫、累計(jì)降水量數(shù)據(jù)做年際和季節(jié)(春季3月-5月、夏季6月-8月、秋季9月-11月、冬季12月-翌年2月)變化趨勢(shì)線性回歸圖；物候數(shù)據(jù)采用儒略日(Julian days) 換算方法[24]，得到各物候期的時(shí)間序列。用一元線性方程來定量描述灌木返青普遍期、開花期、展葉始期、枯黃期、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度(枯黃期與返青普遍期儒略日差值)與年際變化的線性回歸變化趨勢(shì)；利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 19.0，采用相關(guān)分析法對(duì)1月-12月平均氣溫、降水量與 4 種物候期之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 阿拉善左旗荒漠區(qū)氣溫和降水的變化特征

對(duì)幾種灌木植物附近氣象站1981-2012年平均氣溫和降水量的趨勢(shì)分析可見(圖1)，在全球變暖背景下，研究區(qū)內(nèi)的年均氣溫呈顯著的波動(dòng)上升趨勢(shì)(P<0.05)。31 a平均氣溫為8.7 ℃，平均增幅0.427 ℃·10 a-1。研究時(shí)段內(nèi)四季氣溫皆表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其中夏季氣溫極顯著上升(P<0.01)(圖2)，平均增幅為0.546 ℃·10 a-1，春季和秋季氣溫也顯著上升(P<0.05)，平均增幅分別為0.398和0.399 ℃·10 a-1，冬季氣溫上升，但不明顯(P>0.05)。在降水量變化方面，近30 a降水量波動(dòng)幅度在130～350 mm，總體呈微弱的增加趨勢(shì)(圖1)，其中春季和秋季降水量均未表現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)(P>0.05)，而夏季和冬季降水量則表現(xiàn)出微弱的減少態(tài)勢(shì)(圖3)?？傮w而言， 1981-2012年，阿拉善左旗荒漠區(qū)氣溫呈顯著的上升趨勢(shì)，降水呈微弱的增加趨勢(shì)，實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)出暖干化的趨勢(shì)。

圖1 1981-2012年阿拉善左旗氣溫和降水年際變化Fig. 1 Inter-annual variations of the temperature and precipitation in Alashan Left Banner during the period of 1981-2012

圖2 1981-2012年阿拉善左旗四季氣溫年際變化Fig. 2 Inter-annual variations of seasonal temperature in Alashan Left banner during the period of 1981-2012

圖3 1981-2012年阿拉善左旗四季降水年際變化Fig. 3 Inter-annual variations of seasonal precipitation in Alashan Left banner during the period of 1981-2012

3.2 5種荒漠灌木的物候變化特征

3.2.1 5種荒漠灌木的基本物候特征 對(duì)1983-2012年阿拉善左旗荒漠區(qū)5種灌木植物的物候期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，30 a來,霸王平均在3月28日達(dá)到返青普遍期，4月10日展葉，4月20日開花，10月25日達(dá)到枯黃普遍期，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大約211 d；白刺平均在4月18日達(dá)到返青普遍期，4月24日展葉，5月24日開花，11月4日達(dá)到枯黃普遍期，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大約200 d；矮腳錦雞兒平均在3月3日達(dá)到返青普遍期，4月3日展葉，4月21日開花，11月4日達(dá)到枯黃普遍期，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大約219 d；紅砂平均在4月7日達(dá)到返青普遍期，7月24日開花，11月11日達(dá)到枯黃普遍期，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大約218 d；貓頭刺平均在3月31日達(dá)到返青普遍期，5月5日開花，11月8日達(dá)到枯黃普遍期，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度大約222 d(表1)。

3.2.2 5種荒漠灌木物候期的年際變化趨勢(shì) 近30 a來，5種灌木的返青普遍期、展葉始期(紅砂和貓頭刺沒有展葉始期)、開花始期均表現(xiàn)出提前的趨勢(shì)，枯黃期則表現(xiàn)出顯著的提前(P<0.05)或不明顯的推后趨勢(shì)(P>0.05)(表2)。其中霸王和貓頭刺的返青普遍期，矮腳錦雞兒的展葉始期，霸王、矮腳錦雞兒、紅砂、貓頭刺的開花始期，均通過0.05或0.01水平顯著性檢驗(yàn)，有明顯的提前趨勢(shì)；霸王和紅砂的枯黃普遍期顯著的提前，白刺、矮腳錦雞兒和貓頭刺的枯黃普遍期均表現(xiàn)出不明顯的推遲趨勢(shì)。因而，除白刺外，其余灌木的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度基本都有延長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.3 氣候變化對(duì)荒漠灌木物候期的影響

3.3.1 氣溫對(duì)荒漠灌木物候期的影響 霸王的開花始期與2月均溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與3、4月均溫間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即溫度越高，物候期提前越明顯，也符合愈臨近愈敏感的規(guī)律[25]。白刺的開花始期對(duì)2、3月份月均溫的敏感程度達(dá)到顯著水平；4月均溫對(duì)紅砂的開花始期具有顯著負(fù)相關(guān)影響；貓頭刺的開花始期對(duì)3月均溫最為敏感，這種與相隔較遠(yuǎn)月份月均溫呈明顯相關(guān)的現(xiàn)象可能與灌木開花期之前生長(zhǎng)發(fā)育的熱量條件要求有關(guān)[26]。各灌木物種枯黃普遍期隨著溫度的升高均呈推遲的趨勢(shì)，其中霸王和白刺的枯黃期與10月月均溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明10月均溫的提高顯著推遲了這兩種灌木的枯黃期。

表1 5種灌木30 a來的物候平均發(fā)生日期及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度Table 1 The average phenological occurrence date(MM-DD)and the length of growing season of the five shrub species in the past 30 years

表2 5種灌木30 a的物候期和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的線性趨勢(shì)及其顯著性水平Table 2 The linear trend of the phenological phases and length of growing season and its significant level for thefive shrub species in the past 30 years

注：**表示相關(guān)性在0.01水平(雙尾)具有顯著性，*表示相關(guān)性在0.05水平(雙尾)具有顯著性。表3、表4同。

Note: **, Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed); *, Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed); similarly for Table 3 and Table 4.

3.3.2 降水對(duì)荒漠灌木物候期的影響 從5種灌木各物候期與月降水量相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)中可以看出(表4)，降水量與返青普遍期、展葉始期、開花始期大部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與除貓頭刺外,其余物種枯黃普遍期與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著物候期前期降水量的增多，返青普遍期、展葉始期、開花始期呈提前趨勢(shì)，但僅白刺達(dá)到了顯著或極顯著的相關(guān)水平。隨著10月降水量的增多，枯黃期延遲。植物枯黃大多是由于組織和細(xì)胞中的水分減少而呈現(xiàn)枯萎和死亡的狀態(tài)，降水量充沛可以提高植被生境中的水分含量，降低枯萎的速率，從而延遲枯黃期[13]。

4 討論

綜上研究表明，1981-2012年間阿拉善左旗荒漠區(qū)氣候呈暖干化的趨勢(shì)，氣溫升幅較大，而降水增加較少，對(duì)荒漠草原生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)不利。該區(qū)域5種主要灌木表現(xiàn)出返青普遍期、展葉始期、開花始期提前和生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，霸王和紅砂的枯黃普遍期顯著提前的特征，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致[27-29]，也有相關(guān)研究表明秋季物候有推后的趨勢(shì)[30]，本研究中，白刺、矮腳錦雞兒和貓頭刺的枯黃普遍期表現(xiàn)出不明顯的推后趨勢(shì)。不同灌木物種秋季物候期對(duì)氣候變化表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，可能與不同物種特有的生理屬性及對(duì)于環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制存在差異有關(guān)[31]。

表3 1983-2012年物候期與月平均氣溫間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between phenological periods and monthly mean temperature during 1983-2012

表4 1983-2012年物候期與月降水量間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between phenological periods and monthly precipitation during 1983-2012

本研究中灌木物候與氣候要素的關(guān)系表明，溫度(降水量)升高(增多)可以提前其春季物候期，推遲秋季物候期， 2月-4月月平均氣溫對(duì)5種灌木春季物候有不同程度影響，3月均溫基本對(duì)所有物種的春季物候期具有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)性，4月均溫僅與霸王和紅砂的開花始期有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明物候期對(duì)所處當(dāng)月和上月的平均氣溫較敏感。就霸王來看，2月均溫對(duì)其返青普遍期、展葉始期、開花始期均產(chǎn)生顯著影響，3月均溫對(duì)其均產(chǎn)生極顯著的影響，說明平均氣溫對(duì)物候的影響符合愈臨近愈敏感的規(guī)律[30]；在月降水量與5種灌木物候相關(guān)性研究中，僅白刺的返青普遍期、展葉始期、開花始期與月降水量呈顯著或極顯著的相關(guān)性，其它4個(gè)物種均表現(xiàn)出相關(guān)性不明顯，說明阿拉善左旗荒漠區(qū)灌木春季物候期主要受氣溫的影響，降水量對(duì)其影響不明顯，且對(duì)不同種灌木的影響差異較大[28]，這與“灌叢生長(zhǎng)季始期對(duì)降水和日照時(shí)數(shù)敏感而末期僅對(duì)降水響應(yīng)敏感”的說法不符[32]，可能與荒漠區(qū)強(qiáng)旱生灌木的根系發(fā)達(dá)，抗旱能力強(qiáng)，降水對(duì)于其物候期的影響較小有關(guān)[31]。對(duì)Chihuahuan荒漠地區(qū)的物種物候期和土壤水分可利用性之間研究表明，具有特殊水分儲(chǔ)存器官的荒漠灌木，其物候期和土壤水分可利用性之間相關(guān)性不大[33]，郝璐等[22]在土壤含水量對(duì)灌木物候影響的研究中，得出土壤水分變化對(duì)灌木開花期和枯黃期無顯著的影響，進(jìn)一步說明了荒漠灌木通過長(zhǎng)期的干旱適應(yīng)進(jìn)化，對(duì)水分降低不敏感。

月平均溫度和月降水量對(duì)白刺的影響程度都很顯著，趨勢(shì)也是一致的，即與春季物候呈負(fù)相關(guān)，與秋季物候呈正相關(guān)，但近30 a來，白刺的物候期并沒有明顯變化趨勢(shì)，可能是由于暖干化的氣候變化趨勢(shì)下，溫度與降水兩種氣象因子對(duì)白刺物候期的作用相互抵消的原因；同為阿拉善左旗荒漠灌木，霸王和紅砂的枯黃普遍期為什么會(huì)隨著溫度的升高而提前，其內(nèi)在機(jī)制還需進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

1)1983-2012年，阿拉善左旗氣溫平均增幅0.43 ℃·10 a-1。其中，增溫幅度夏季>秋季>春季>冬季；降水量無顯著變化。2)1983-2012年，5種灌木春季物候和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度對(duì)氣候變化表現(xiàn)出明顯的一致性響應(yīng)，即返青普遍期、展葉始期、開花始期均表現(xiàn)出明顯的提前趨勢(shì)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度有所延長(zhǎng)；秋季物候即枯黃期則表現(xiàn)出顯著的提前或不明顯的推后趨勢(shì)，其中霸王和紅砂的枯黃普遍期有著顯著的提前趨勢(shì)，其它物種的枯黃普遍期則表現(xiàn)出不明顯的推后趨勢(shì)。3)3月均溫對(duì)整個(gè)春季物候期的影響顯著或極顯著，4月均溫僅對(duì)霸王和紅砂的開花始期影響顯著。10月均溫對(duì)霸王和白刺的枯黃普遍期有顯著的正相關(guān)關(guān)系；月降水量?jī)H與白刺的春季物候期有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，與其它灌木物種均沒有明顯的影響。

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(責(zé)任編輯 張瑾)

Impacts of climate change on the phenological phases of five main shrub species in the desert region

Li Dan1, Han Fang1, Chen Yun-yun2, Yang Li-ping1, Chen Su-hua1

(1.Inner Mongolia Ecological and Agricultural Meteorological Center, Huhhot 010051, China; 2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Huhhot 010021, China)

Phenology is often used as a reliable indicator of climate change. Based on the analysis of phenological data, the effects of climate change on the phenological phases of five main shrub species in desert region were found. The findings are significant in clarifying the carbon cycle of the desert ecosystem. A study was performed on the phenological and corresponding meteorological data of five shrub species in the desert area of the Alashan Left Banner league of Inner Mongolia in the past 30 years by using simple linear regression and correlation analysis. The results indicate 1) from 1983 to 2012, the temperature increases obviously in the study area, and its climatic tendency is 0.43 ℃·10 a-1. No significant change in precipitation was found. The climate shows a warm and dry trend in the data. 2) The spring phenophase of the five shrub species is shorten. The withering stage showed either a significant advance or no obvious backward trend, and the growing season has extended. 3) The mean temperature in March, April, and October have significant effects on the phenological phases of five shrub species. There is significant or extremely significant correlation between the monthly precipitation and the spring phenophase ofNitrariatangutorum.

phenological phases; shrub; Alashan Left Banner; nclimate change; correlation analysis

Han Fang E-mail:510878304@qq.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0644

2016-12-30 接受日期：2017-03-24

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2017MS0411);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2016MS0320)

李丹(1982-)，女(回族)，內(nèi)蒙古滿洲里人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)和公共氣象服務(wù)。E-mail:40342051@qq.com

韓芳(1979-)，女(蒙古族)，內(nèi)蒙古通遼人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)槲锖驅(qū)W和牧業(yè)氣象服務(wù)。E-mail:510878304@qq.com

S162.5+9;Q948

A

1001-0629(2017)08-1617-10

李丹,韓芳,陳云云,楊麗萍,陳素華.氣候變化對(duì)荒漠區(qū)5種主要灌木植物物候的影響.草業(yè)科學(xué),2017,34(8)：1617-1626.

Li D,Han F,Chen Y Y,Yang L P,Chen S H.Impacts of climate change on the phenological phases of five main shrub species in the desert region.Pratacultural Science，2017,34(8)：1617-1626.