第24卷第5期 2008年10月 气象与环境学报 JOURNAL OF M哐TEOROLOGY A ND ENVIRoNM旺NT Vo1.24 No.5 October 2008 1981---2005年中国东北榆树物候变化特征及模拟研究 李荣平 ’2’ 周广胜 , 郭春明4 孙守军 (1.中国科学院植物研究所植被与环境变化重点实验室,北京,100093;2.中国科学院研究生院,北京,100039; 3.中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳,110016;4.吉林省气象科学研究所,吉林长春,130061; 5.黑龙江省气象科学研究所,黑龙江哈尔滨,150030) 摘要:探讨了1981-2005年中国东北榆树物候的时空变化与气候因子的关系。结果表明:近25 a,东北地区13个站点 榆树的展叶期和枯黄期变化趋势较大,13个物候时间系列,展叶初期显著提前趋势占54%,枯黄初期显著推后趋势占38%;榆 纣物候与气温呈显著相关关系:展叶期与3—4月平均气温呈显著的负相关关系,与平均展叶期的积温呈显著的负相关关系;各 站点枯黄期与8—9月平均气温关系不显著,整个东北地区呈显著的正相关关系。研究表明,榆树物候与降水、日照关系不显 著。以日平均气温最高日为界,枯黄期积温值可分为呈线性关系的两段,从日平均气温最高日开始,连续10 d积温值低于固定 值时,植物开始枯黄。 关键词:中国东北;榆树物候;生长期;降水;气温 中图分类号:Q948.112 文献标识码:A 文章编号:1673—503X(2008)05—0020—05 1引言 气温最高日为界限,枯黄期的积温值分为2部分,且 这2部分存在线性关系;(2)从13平均气温最高日开 始,连续10 d的积温值小于一个定值,则植物开始枯 还探讨了榆树物候的时空变化特征及其 植物物候是植物发育(如萌芽、展叶、开花和落 黄。同时,叶期)的季节性发生规律。众所周知,植物物候对短 与气候因子的关系,为陆地生态系统模型提供物候 期和长期的气候变化很敏感,是气候变化的敏感指 参数。示器【卜2l。近几十年来,全球气候变化显著,有关植 2资料与方法 2.1数据 物物候与气候因子的关系研究日益受到重视。葛全 胜等|3J对中国1961--1999年气候和物候的关系研 究发现,物候与气温显著相关;物候期的开始日期与 物候数据由辽宁、吉林、黑龙江省气象局提供。 根据观测序列长、连续性较好、覆盖面广的原则,分 别选取1981--2005年13个东北地区农业气象站 (表1)的榆树物候观测资料,物候期为展叶初期和枯 黄初期。气候数据为与物候观测年份段相对应的l3 其前2—3个月的气温有显著的相关关系_4 ;气温的 高低决定了中纬度植物的春季物候_5 ;桃花的始花 期与开花前2—3旬的平均积温和平均最高积温关 系密切l ;3月和4月平均气温显著影响芦苇的展 叶[7 ;大豆生长期主要受积温和降水的影响,出苗主 要受积温和日照的影响l_8 ;2月平均气温是影响银杏 花期的主要因子,花期至成熟期的积温又是影响银 个站点的日平均气温、日降水量和日照时数。 2.2研究方法 采用儒略日(Julian days)换算方法,将物候出现 日期转化为距1月1日的实际Et数,即年序歹fJ累积日 数,得到各物候期的时间序列。利用SPSS统计软件 杏果实的主要气候因子E9 ;地中海针叶林物候主要 受影响叶面积发育的水分驱动 。然而,在区域尺 进行统计分析,利用FORTRAN语言编程进行数据 度上,针对某一特定植物种的整个物候期对气候因 处理。 子响应的研究较少,特别是对植物枯黄期的模拟很 枯黄期模拟的方法。 本文以榆树(Ulmus pumila)整个物候期作为研 究对象,试图证明以下2个假设:(1)1 a中的日平均 模拟模型采用积温模型模拟榆树的展叶初期, (1)榆树展叶初期模拟模型 S= (T,一Tt,) T >Th (1) 少,在国际物候学研究中还未出现普遍认同的植物 利用分段积温来模拟榆树的枯黄初期。 收稿日期:2008—05—11;修订日期:2008—07—17。 基金项目:中国气象局沈阳大气环境研究所生态环境重点实验室项目“东北主要植物物候监测预报产品与模式研发”资助。 作者简介:李荣平,男,1975年生,助理研究员,主要从事气候变化方面的研究,E—mail:rongpingli@163.corn。 通信作者:周广胜,E-mail:gszhou@ieas.abC.Crl 第5期 李荣平等:1981--2005年中国东北榆树物候变化特征及模拟研究 21 ———一———一——————一式(1)中,S为积温阈值(℃・d);7"i为日平均气温 表1物候观测站点和观测年份段 站点 所辖省份纬度尸N经度尸】 海拔/m观测年份段 朝阳 辽宁 41.55 120.45 176.0 1981--2005 开原 辽宁 42.53 124.05 99.0 1981--2005 建平 辽宁 41.87 119.63 661.6 1981--2005 新宾 辽宁 41.73 125.05 328.7 1982--2005 (℃); 为基础温度(℃);Y为展叶期(d)。 (2)榆树枯黄初期模拟模型 假设将植物的积温过程分成2段,第1段为积温 速率由小到大,第2段为积温速率由大到小,以榆树 的枯黄初期为终点,以积温速率最大时为分界点,这 2段积温存在极显著的线性关系,因为从积温速率最 大时开始,环境温度是逐渐降低的。采用窗口移动 方法,从积温速率最大时开始移,当窗口时间范围内 的积温小于一个阈值的时候,植物开始枯黄初期。 因此,选取窗口时间尺度为10 d,则: S = :∑ T T >0℃ T>0℃ (()2) 5 r 10 式(2)中,S为连续10 d大于0℃的积温(℃・d);v 为枯黄期(d)。 3结果分析 3.1榆树的物候期特征 3.1.1时间特征 分析表明,1987--2004年,中国东北地区榆树平 均展叶初期显著提前,每10 a提前4.1 d。1981— 2005年,东北地区l3个榆树物候观测站中展叶期提 前的站点占69%,其中显著提前占54%。朝阳、建平 和黑河表现为极显著的提前趋势,每10 a分别提前 5.7、9.1 d和6.2 d;开原、梅河口、松原和泰来表现 为显著提前趋势,每10 a分别提前2.4、4.0、2.5 d和 3.6 d;其余的站点表现不显著(表1)。这与欧洲物 候特征相似,1971--2000年欧洲542种植物78%的 展叶、开花和结实提前,其中30%显著提前,3%表现 为显著推后ll1一。在德国,1984--2004年植物春季物 候的23个系列中22个为物候显著提前,其中6个表 现为每10 a提前i0.0 d Ll2一。 一——————————— ———————~————————————一 1987--2005年,东北地区榆树平均枯黄期变化 趋势不显著。1981--2005年,东北地区13个榆树物 候站点中,桦甸、榆树和穆棱表现为极显著推后,每 10 a分别推后7.2、7.2 d和6.9 d;朝阳和建平表现 为显著推后,每10 a分别推后4.9 d和5.8 d;其余表 现为变化趋势不显著(表2)。 表2 1981--2005年东北地区榆树物候期变化 注:K为变化斜率;尺为物候期与时问的相关系数;N为 样本数;*为P<0.05;**为P<0.01。 以上分析结果表明,东北地区榆树展叶初期存 在显著提前趋势,枯黄初期存在显著退后趋势的现 象,整个生长季延长。 3.1.2空间特征 榆树物候在空间上呈现明显的变化趋势。从中 国辽宁至吉林至黑龙江省,随着纬度的增加,榆树展 叶期是逐渐推后的,这也再一次证明榆树的展叶期 与气温呈负相关关系。同时,榆树的枯黄期随着纬 度的升高呈显著的提前趋势,温度的降低导致榆树 枯黄期的提前。生长期与枯黄期在空问上的变化相 似,越向北,榆树的生长期越短,生长期随着纬度的 增加而呈缩短趋势(图1)。A.has等 F J指出,在欧洲 8个地区纬度跨度47.22。一57.88。,桦树在欧洲的南 部4月4日就开始展叶,在欧洲的北部5月30日才 展叶。 3.2榆树物候期与气候因子的关系 分析榆树展叶初期与3—4月的日平气温、日平 均日照时数、降水量和1—120 d的积温(大于0℃) 的相关关系,榆树展叶初期仅仅与3—4月的日平均 气温和1—120 d的积温存在显著的负相关关系,其 他关系不显著。分析榆树枯黄初期与8—9月的日 平均气温、日平均日照时数、降水量和年积温(大于 第5期 李荣平等:【981一1005年中国东北榆树物候变化特征及模拟研究 个站点榆树展叶初期趋势不同 但主要为提前趋 表-l东北地区榆树枯黄期的第1段积温( )与 第2段积温(Y)的关系 站点 朝阳 桦甸 Y一Y=l 一Y一势,研究表明_I 植物展叶是与展叶初期的温度具有 显著的负相关关系,本研究也发现了同样的规律(R =一0.61 ~一0.81一),因此,榆树展叶初期的特 征反映了展叶初期前的温度变化特征 榆树的枯黄 初期在各站点也变化不同,但是榆树的枯黄期对温 度的响喧不是很清楚。研究发现,植物枯黄期的变 化是模糊的,在l4个欧洲国家,秋天叶变色和落叶, 植物物候与气温趋势的关系不是很清楚l】 ,本研究 ∞ ∞ 如 ∞ 蛐 ∞ ∞ 加 方程式 0.879l +17l5.4 0.8492 +l972.6 0.9267 十l705.6 0.89l7 +2l51.O 相关系数(R) 0.9538“ 0.8064… —0.9578 0.95l8“ 黑河 开原 建平 Y=0.9216 +2475.0 0.9388… 梅河口 Y一0.9185 +2146.0 0.9247一 结果与之相同。 穆棱 Y一0.9702 +l969.7 0.8766… (2)在空间上,东北榆树的物候在纬度上存在明 庆安 y—1.0715X+21(15.8 0.9330一 显的梯度趋势,展叶初期随纬度的增加而展叶推后, 青冈 、 :一1.1309 +2l96.8 —0.9:71 枯黄初期随着纬度的增加而展叶提前。这主要是由 松原 Y= 1.01【】8 +24j3.6 0.9453… 于在纬度上,气温存在一个明显的梯度关系,随着纬 泰来 =一0.99{)l +2341.6 —0.93l8 ’一 度的增加,气温显著降低,而榆树的物候期显著受气 新宾 y=0.9758 ‘十!l67.7 0.8889 榆树 0 9519.1。 2226.5 —0 9459 温的影响。研究发现,榆树枯黄初期在单个站点上 =东北 Y =0.6926 十I9l3.3 0.6843 一 并不表现为显著的与8~9月平均气温的相关性,而 注:***为P<0.001:第1段积温为1月1日至日平均 在整个东北区域却呈现显著的相关关系,这也说明 气温最高日积温,第 段积温位勾Et平均气温最高臼至叶枯 榆树枯黄初期在时间上不显著的推后趋势,而在空 黄初日积温 间上表现为提前趋势。偷树枯黄初期主要受一段时 4 27 40 53 66 79 92 1(15 l1 8 1 31 I44 1 5 7 1 70 1 83 196 209 222 23 5 248 26l 274 28 7 样本数/个 -……观 则随:—— 测值 图3 l98l一2OO5年东北地区榆树枯黄初期的观测值与预测值变化曲线 间内的温度持续偏低而引起一当一段时间温度累加 低于某一个值的时候,榆树枯黄初期也就开始,而与 参考文献 某段固定时间的平均气温的高低无必然联系 1 Badeck F W,I30IldeaH A,B6ttcher K,et a1.Restx)nsm of (3)积温模型可以较好地模拟榆树展叶初期,对 spring phonology to climate change[] .New Phytologist, 2004,162(2):295—309. 290个观测数据的验证,解释率达62%,关系极显 2]Chuine I,Yiou I ,Viovy N,et a1.Grape ripening as a past 著 植物枯黄期的模拟至今仍然不存在一种令科学 dinlate indicator -】J.Nature,2004,432(7015):289— 家普遍接受的方程,在过去的研究中,出现丁不同的 290. 研究方法,但是结果都较差。本研究所建物候模型 3]葛全胜,郑景云,张学霞.近40年中国气候与物候的 的解释率达83%,尽管偏差为12.7 d,但是与其他模 变化研究[J].自然科学进展,2003,13(10):1048 1053. 拟枯黄期方法相比,具有简单和相对准确的特点。 4 J Ahas R,Jaagus J,Aa A. Fhe phenological calendar of (4)对榆树展叶初期的38%和枯黄初期的l7 t圮 F ̄stonia and its correlation with mean air temperamre 的变化模型不能解释,主要原因:(1)数据来源于不 J .International Journal of Biometeorolgy,2000.44 同的站点,观测记录的人不同,存在较大的人为误 (4):159—166. 5 J Chmielewsk F M.Rotzer T.Response of tree phenology 差;(2)在不同地点的榆树物种可能存在基因变化, to climate change across Europe J].Agricultural and 造成一部分不能解释的变化。 Forest Meleorolog5 ̄,2001,108(2):l0l 1 12 24 气象与环境学报 第24卷 张秀英,胡东燕.桃花花期预报的探讨[J].北京林业大 Biometeorology,2000,44(2):76—81. 学学报,1995,17(4):88—92. Menzel A,Sparks T,Estrella N,et a1.European pheno— 李荣平,刘晓梅,周广胜.盘锦湿地芦苇物候特征及其 logical response to climate change matches the warming 对气候变化的响应[J].气象与环境学报,2006,22(4): pattern[J].Globd Change Biology,2006(12):1969— 30—34. 1976. 刘景利,杨扬,史奎桥,等.1985--2005年锦州地区大 Schaber J.Phenology in germany in the 20th century: 豆物候期变化及其气候响应[J].气象与环境学报, merthods,analyses and models[D].Germany:University 20O7,23(4):29—32. of Postsdarn. 冯颖竹,梁红.广东省南雄、和平银杏的物候特征及其 Ahas R,Aasa,A,Menzel A,et a1.Changes in european 与气候因子的关系[J].植物资源与环境,1999,8(3): spring phenology[J].International Journal of Climatolo— 34—38. gy,2002(22):1727—1738. Kamer K,Leinonen I,Loustau D.The importance of Chuine I,Cambon G,Comptois P.Scaling phenolgoy phenology for the evaluation of impact of climate change from the local to the regional level:advances from species on growth of boreal,temperature and Mediterranem ̄for— —specific phenolgoicN models[J].Global Change Biolo— est ecosystems:An overview[J].International Journal of gY,2000(6):943—952. Phenology characteristics of ulmus pumila and its simulation from 1981 to 2005 in Northeast China LI Rong—ping , , ZHOU Guang sheng '。 GUO Chun—ming4 SUN Shou—juns (1.Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change,Institute of Botany,the Chinese Academy of Sciences,Bering 100093,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039, China;3.Institute of Atmospheric Environment,China Meteorological Administration,Shenyang 110016,China;4.Jilin Institute of Metoerological Sciences,Changchun 130061,China; 5.Heilongjiang Institute of Metoerological Sciences,Harrbin 150030,China) Abstract:The temporal and spatial changes of UZIElUS pumila phenology and the relationship with climate factors in Northeast China from 1981 to 2005 were discussed.The results show that the change trends of lcave unfolding phase and lcave coloring phase of ullnus pumila are obvious during recent 25 years based on the data from 13 ob— servation stations in Northeast China.Time sequence numbers that leave unfolding phase is significantly advanced account for 54%of the total leave unfolding time sequence numbers,and those that lcave co[oring phase is signifi— cantly delayed account for 38%.The relationship between ulmus pumila phenology phases and air temperature is significant.The laeve unfolding phase has negative relationships with mean air temperature of March and April and its cumulative temperature.The relationship between 1e.ave coloring phase in each station and mean air tem— Derature of August and September is not signifiacnt,while it is a!x ̄sitive relation in the whole study areas.The re— sults also indicate that the phenology phases of ulm us pumila are not significantly related to precipitation and sunshine duration.In terms of the day of maximum daily me2ln air temperature,the cumulative temperature of laeve coloring phase can be divided into two stages.Plant species start to become yellow when the cumulative tem— Derature value of continuous 10 days from the highest daily mean air temperature day is lower than the fixed val— Ue. Key words:Northeast China;Ulmus pumila phenology;Growing stage;Precipitation;Air temperature