呼和浩特自然历主要物候期和物候季节变化特征及归因*

朱媛君，郝 琦，清 华，赵利清，朴顺姬



呼和浩特自然历主要物候期和物候季节变化特征及归因*

朱媛君，郝 琦，清 华，赵利清，朴顺姬**

（内蒙古大学生态与环境学院，呼和浩特 010021）

根据内蒙古呼和浩特近32a物候数据并结合气象数据，编制了呼和浩特1983-2014年自然历。通过对比1983-1998年与1999-2014年两个时段的物候变化及其与气候因子的相关性，揭示了1983年以来呼和浩特地区物候季节变化特征及其归因，以期更好地为农业生产和气候、物候研究提供参考。研究发现：与1983-1998年相比，1999-2014年呼和浩特的春季和夏季开始时间普遍提前，秋季和冬季开始时间普遍推迟，其中春季（以垂柳芽膨大期为代表）平均提前7d，夏季（以刺槐盛花期为代表）平均提前4d，秋季（以珍珠梅果实始落期为代表）平均推迟3d，冬季（以榆叶梅叶全变色为代表）平均推迟6d。四季开始物候指标与其前3个月的平均气温、平均日照时数和平均降水量的相关性分析表明：前1个月的平均气温与春季开始物候指标呈显著负相关，与夏季开始物候指标呈极显著负相关，与冬季开始物候期呈显著正相关；前1个月的平均日照时数与秋季开始物候指标呈显著正相关，与冬季开始物候指标呈显著负相关；前1个月的平均降水量与夏季开始物候指标呈显著正相关；前第2月的平均气温与夏季开始物候指标呈显著正相关；前第3月的平均降水量与秋季开始物候指标呈显著负相关。研究表明平均气温的升高成为影响呼和浩特物候期变化的主要原因，平均日照时数和平均降水量也对物候期变化有不同程度的影响。

物候学；气候变化；中国物候观测网；呼和浩特；自然历

物候学是研究自然界的植物、动物和环境条件（气候、水文、土壤条件）的周期变化之间相互关系的科学，其以认识自然季节现象变化的规律为研究目的，从而服务于农业生产和科学研究[1]。物候现象不仅是自然季节变化的反映，同时也是生态系统对全球环境变化响应的显示器。有研究表明，物候变化能够对生物生产产生直接影响，对于生态系统的生产力和碳循环起着至关重要的作用[2]，因而物候被视为“大自然的语言”[1]和全球变化的“诊断指纹”[3]。近年来，有学者研究发现，在中国多数地区多年日平均温度的普遍升高成为植物物候变化的最主要气候因子[4-7]，也有研究表明，除气温外，日照时数和降水同时对植物物候期有着显著影响[8-9]。气候变化使一些地区春季物候提前，秋季物候推迟[10-16]，张学霞等[17]对北京春季6种物候期的计算发现，北京春季物候期提前2.8～3.6d；仲舒颖等[18]对中国东部地区近40a木本植物的秋季叶全变色期的分析表明，最低温度每升高1℃，叶全变色期推迟约3d；李燕等[19]发现山西南部气温每升高1℃，植物展叶始期提前1～18d；曹艳芳等[20]对内蒙古24个气象站近30a的小叶杨（Populus simonii）物候变化特征及其对气温变化的响应进行研究，发现小叶杨春季平均芽开放期全区平均提前速率为1.4d·10a-1，秋季叶全变色期全区平均推迟速率3.0d·10a-1。因此，探索气候变化对物候季节的影响变得十分必要。

自然历也称物候历，是以自然界的季节变更所出现的各种物候现象编制而成的专门日历[21]，其在指导农业生产（如预报农时、农事措施等）方面发挥着重要作用，也为物候与气候变化研究、历史时期气候变化研究等提供了科学的数据参考。在20世纪80年代中期，首批自然历在全国正式发行，该自然历由宛敏渭主编，全国各省参加物候观测网的科学工作者共同完成，共45部，以《中国自然历选编》和《中国自然历续编》出版发行[22]，其在指导农事活动，指示季节气候变化，预测病虫害发生时间，预测植物观赏旅游时节等方面发挥了重要作用[23]。呼和浩特地处草原区，一部准确而又完整的自然历对于当地的农牧业发展具有重要意义，然而一直以来并未见报道，因此，为研究和探讨气候变化对呼和浩特地区物候的影响，本研究以呼和浩特地区近32a的物候资料和气象资料为基础，编制了1983-2014年呼和浩特自然历，并分析不同气候因子与四季开始物候期的相关性，探讨气候变化对呼和浩特物候的影响，以期更好地为农牧业生产和气候、物候研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

呼和浩特位于内蒙古自治区中西部大青山南侧，地处土默特平原，地理坐标为40°51′-41°8′N，110°46′-112°10′E，总面积17224km2。以北部大青山和东南部蛮汉山的山地地形和南部、西南部的土默特平原两大地貌单元为主，平均海拔在940-2280m，属典型蒙古高原大陆性气候，年温差和日温差大，四季气候变化明显，以春季干燥多风、夏季炎热少雨、秋季迅速降温、冬季严寒少雪为主要特点。年平均气温呈现北低南高的总体趋势。根据呼和浩特市南郊气象站1983-2014年数据，呼和浩特市区年平均气温7.58℃，年平均降水量326mm，且主要集中在7-8月，年平均日照时数为2832h。

1.2 资料来源

物候资料来自“中国物候观测网”呼和浩特市观测点（内蒙古大学校园、满都海公园和呼和浩特树木园）。该站点自1963年中国物候观测网成立伊始根据定点、定株的原则，按照《中国物候观测方法》的观测标准进行系统的物候观测。依据杨国栋提出的自然历编制方法[24]和物候数据选取原则，选取植物物候现象明显、观测时间长、连续性好且观测年限至少10a的物候期，包括1983–2014年呼和浩特地区23种木本植物（目前观测植物共有60余种）、气象水文共107个物候期作为研究数据编制呼和浩特地区自然历。

1.3 研究方法

1.3.1 物候季节划分

物候季节划分根据中国科学院地理科学与资源研究所全国物候观测网统一制定的各地物候季节划分标准，以日平均温度和相应的物候现象的时间顺序作为物候季节划分的根据。宛敏渭[21]在1986年就中国物候季节的划分问题在《中国自然历选编》一书中已作详细分析并得出结论：中国温带地区的四季划分，拟定以3℃为春季开始，19℃为春末秋始，19℃以上为夏季，10℃为秋末，10℃以下为冬季，每个季节又可划分2～3个季段。据此，本自然历以1983-2014年日平均温度稳定通过3℃的日期所对应的物候期作为春季开始的物候指标；以日平均温度稳定通过19℃的日期所对应的物候期作为夏季开始的物候指标；日平均温度在达到最高温度又降至19℃的日期所对应的物候期作为秋季开始的物候指标；多年日平均温度稳定降至10℃的日期所对应的物候期作为冬季开始的物候指标。并对春、夏、秋3个物候季节分别划分初、仲、季3个季段，对冬季划分初冬、隆冬两个季段。

1.3.2 自然历编制的理论与方法

自然历编制的理论与方法主要参考杨国栋[24]在《北京地区物候日历及其应用》中的方法，遵循物候现象发生的顺序相关性规律、准年周期性规律，以及物候现象发生的重叠性规律，选择芽膨大开始期和芽开放期，开始展叶期和展叶盛期，花蕾或花序出现期，开花始期、盛期和末期，果实和种子成熟期与脱落期，叶始变色期和完全变色期，落叶始期和末期等物候现象。常见的气象水文物候期，如初霜、终霜、初雪、终雪，以及土壤与河、湖冻融等现象的发生期，均取其统计年份内发生日期的平均值、观测年数，最早发生日期及所在年份，最晚发生日期及所在年份，多年变幅以及1983-1998年与1999-2014年平均日期差值等6个统计量入编，按照物候期的先后顺序，结合物候季节的起止日期编制自然历。

1.3.3 物候期变化与气候因子的相关性分析

有研究表明[25-26]，内蒙古呼和浩特地区气温在近30a内呈逐渐上升趋势，1998年以后上升趋势明显，因此，本研究以1998年为界，用年日序（Ordinal day of year，DOY）方法表示各物候期，得到其时间序列，对1983-1998年和1999-2014年两个时段各物候季节内所有物候期的平均日期分别进行平均，计算其差值出现频率并进行分析。

对四季开始所对应的物候期与其前3个月的平均气温、平均日照时数和平均降水量相关性分析采用SPSS14.0软件中的Pearson相关性分析。图、表均利用Excel 2010和SPSS 14.0完成。

2 结果与分析

2.1 物候季节划分及自然历编制结果

2.1.1 物候季节划分

物候季节划分考虑两个条件，首先以影响植物生长状况的日平均气温来划分物候季节。参考以往研究[21]，许多地区植物的生物学起点温度设定为3℃，而植物进入正常生长发育条件为日平均气温稳定通过10℃，因此，将物候春季开始的气温定为3℃；10℃以下时植物生长不良，将10℃定为秋季结束和冬季开始的温度；19℃可以满足各地春夏秋三季日数分配的合理性，因此，将19℃作为春季结束和秋季开始的温度。其次参考当地典型物候指标进行物候季节划分。一般自然历以湖水冰融期作为春季的开始[21-22,24]，而在呼和浩特地区垂柳的芽膨大期在湖水冰融之前，且垂柳（S.babylonica）为常见物种，易于辨认，因此，选取垂柳芽膨大期作为春季开始日期的物候指标。以观测年限长、连续性好、易于辨认为原则，分别选取刺槐（R.pseudoacacia）开花盛期、华北珍珠梅（S.kirilowii）果实始落期及榆叶梅（C.triloba）叶全变色期作为夏、秋、冬季开始日期的物候指标，以两个相邻指示物候期间隔天数作为物候季节长度，将春、夏、秋三季各分为3个季段，冬季分为两个季段，全年共分为4个季节11个季段，结果见表1。

表1 呼和浩特地区物候季节划分结果

Table 1 Division results of phenological seasons in Hohhot

注：物候指标P1-P92含意见表2。

Note: P1-P92 is as shown in the Table 2.

2.1.2 自然历编制结果

根据中国物候观测网呼和浩特站1983-2014年的数据以及物候季节的划分结果，参照以往自然历[21-22]的编制方法，得到呼和浩特地区1983–2014年的自然历结果，见表2。由表1和表2可见，呼和浩特四季物候特征概括为，春季多年平均日期为3月12日-5月23日，共73d，占全年的20%，日平均气温从3℃升至19℃，根据物候现象分为初春、仲春、季春3个季段，以垂柳芽膨大作为开始，以旱柳（S.matsudana）种子脱落作为春天结束；夏季多年平均日期为5月24日-8月26日，共95d，占全年的26%，日平均气温从19℃升至27℃又降至19℃，根据物候现象划分为初夏、仲夏、季夏3个季段，由刺槐盛花开始到接骨木（S.williamsii）果实脱落终止；秋季是一年中最短的一季，从8月27日开始，到10月12日结束，共46d，仅占全年的13%，根据物候现象划分为初秋、仲秋、季秋3个季段，以华北珍珠梅果实始落开始至家榆叶始变色结束；冬季是一年中时间最长的季节，从10月13日开始至翌年的3月11日结束，共151d，占全年的41%，按照物候现象可以划分为两个季段，即初冬和隆冬，以榆叶梅叶全变色开始，以终雪日期为结束，主要物候现象有各种植物叶子相继落光，土壤、水面结冻，霜降，下雪。

2.2 物候四季及季节内物候次序的变化

2.2.1 物候四季的变化

梁燕等[25-26]研究表明，呼和浩特地区近30a来气温呈逐年上升趋势，尤其在近15a左右上升幅度增加。为了解气温大幅升高对呼和浩特地区物候季节的影响，本研究将近32a的物候数据划分为1983-1998年和1999-2014年两个时段，并计算两个时段各季节内所有物候期的平均日期的差值，统计其出现频率，结果见图1。由图1可见，1999-2014年春季和夏季内各物候期普遍具有提前趋势，其中春季和夏季物候期平均提前天数分别为7d和4d，春季提前天数最多的是小叶杨果实脱落期，为22d，提前天数多集中在1～15d，也有个别物候期出现推迟，但所占比例不大；夏季物候期提前天数最多的是侧柏果实脱落期，为25d，提前天数多集中在1～5d，推迟天数最多的是毛樱桃果实成熟期，为18d，夏季物候期推迟天数所占比例比春季大，多集中在5～9d和15d以上。而秋、冬两季物候期主要表现推迟的特征，平均推迟3d和6d，秋季推迟天数最多的是复叶槭叶变色始期，为22d，推迟天数多集中在0～9d，而提前天数最多的物候期是白蜡果实始落期，为25d，提前天数多集中在1～5d；冬季推迟天数最多的物候期是连翘落叶末期，为11d，推迟天数主要集中在0～14d，个别物候期有提前现象，但所占比例不大。

表2 呼和浩特地区自然历编制结果（1983-2014年）

Table 2 The natural calendar in Hohhot based on the result observed during 1983-2014

（续表）

（续表）

注Note：BE（bud expansion）：叶芽膨大期；BB（bud burst）：叶芽开放期；FA（first alabastrum）：花蕾出现期；FI（first inflorescence）花序出现期；FF（first flowering）：开花始期；50F（50% of full flowering）：开花盛期；EF（end of flowering）：开花末期；FL（first leaf）：开始展叶期；50L（50% leaves expansion）：展叶盛期；AL（all leaves expansion）：全部展叶期；FM（fruit maturity）：果实成熟期；BFD（beginning of fruit drop）：果实开始脱落期；EFD（end of fruit drop）：果实脱落末期；BLC（beginning of leaf coloring）：叶开始变色期；ELC（end of leaf coloring）：叶全部变色期；BLF（beginning of leaf fall）：开始落叶期；ELF（end of leaf fall）：落叶末期。

2.2.2 不同时段物候期平均日期的变化

整理呼和浩特1983-1998年和1999-2014年两个时段4个主要物候期（芽开放期、开花始期、叶始变色期和落叶末期）的平均日期差异（图2）发现，1999-2014年的芽开放期和开花始期，整体早于1983-1998年，而叶始变色期与落叶末期，则整体晚于1983-1998年，这更进一步说明春夏两季物候期明显提前，秋冬两季物候期明显推迟。

2.3 物候季节开始时期与其前3个月的气候因子变化的关系

以垂柳芽膨大、刺槐盛花、珍珠梅果实始落和榆叶梅叶全变色作为四季的开始，同时也是前一个季节结束的植物物候指标。所以，这4个植物物候期变化程度决定一年中每个季节的起止日期及其长度变化。Dai等[9,11,27-30]研究表明，植物物候期与其前一段时间的气温变化有显著相关性，Shen等[8,31-33]也有研究表明，植物物候期与气温、日照时数和降水量等气候因素有关，为此，本研究对此4个植物物候期与其前3个月平均气温、降水量、日照时数进行Pearson相关性分析。如1983–2014年垂柳芽膨大期平均出现在3月12日，则分别计算垂柳芽膨大期与其前1个月（即当年2月）、前第2月（即当年1月）及前第3月（即上年12月）平均气温的相关系数，结果表明（表3），垂柳芽膨大期仅与其前1月平均气温呈显著负相关关系（P<0.05）。

注：负值表示提前，正值表示推迟

Note: The negative figures shows the mean phenological date is earlier in 1999-2014 than 1983-1998, the positive figures shows the mean phenological date is later in 1999-2014 than 1983-1998

注：物候指标P3-P105含意见表2

Note: P3-P105 is as shown in table 2

从表3、表4可以发现，1999-2014年春季开始日期提前了14.8d，前1月平均气温升高了0.2℃，由此可以说明，前1个月平均气温的升高为春季开始日期（垂柳芽膨大期）提前的主要原因；刺槐开花盛期与其前1个月的平均气温呈极显著负相关（P<0.01），与其前第2月的平均气温呈显著负相关（P<0.05），与前第3月的平均气温相关不显著。

表3 各季节开始日期与其前3个月气候指标的相关系数

Table 3 Correlation coefficients between the first date of each season and the mean air temperature（T）,sunshine hours（S） and precipitation（P） during the preceding three months, respectively

注：** 表示P<0.01，*表示P<0.05。

Note: ** is P<0.01，* is P<0.05.

表4 1999-2014年与1983-1998年各季节开始日期及其前3个月气候指标间差值

Table 4 Differences value of the first date of each season（D） and mean climatic factors during the preceding three months between the period 1999-2014 and 1983-1998

1999-2014年夏季开始日期提前了2.7d，前1个月平均气温上升0.7℃，平均降水量减少了3.6mm，前第2月平均气温上升1.1℃，说明夏季开始日期（刺槐开花盛期）提前的主要原因是前1月平均气温的升高、降水量的下降及前第2月平均气温的上升；华北珍珠梅果实始落与其前第3月的平均气温均无显著相关关系，与前1个月的平均日照时数呈显著正相关（P<0.05），与前第3月的平均降水量呈显著负相关（P<0.05）。

1999-2014年秋季开始日期推迟了4.0d，前1个月的平均日照时数增加了3.0h，前第3月的平均降水量减少了2.4mm，说明前1个月平均日照时数的增加及前第3月平均降水量的减少是秋季开始日期（华北珍珠梅果实始落）推迟的主要原因，与平均气温无显著关系；榆叶梅叶全变色期与其前1个月的平均气温呈显著正相关关系（P<0.05），与前1个月平均日照时数呈显著负相关（P<0.05）。

1999-2014年冬季开始日期推迟10.1d，前1个月的平均气温上升1.2℃，平均日照时数减少11.3h，说明前1个月的平均气温的上升和平均日照时数的减少是冬季开始日期（榆叶梅叶全变色期）提前的主要原因。

3 结论与讨论

1983-2014年呼和浩特地区春夏两季开始时间普遍提前，秋冬两季开始时间普遍推迟，春季和夏季物候期整体平均提前天数分别为7d和4d，秋季和冬季的物候期整体平均推迟3d和6d；前1个月的平均气温对物候期变化起着主要作用，平均日照时数和平均降水量对其也有一定影响。

有研究表明，呼和浩特37a来平均气温呈明显上升趋势，每10a上升0.32～0.78℃，增温幅度最高的季节是冬季，平均增温0.57℃·10a-1，夏季增温幅度最低，平均增温0.43℃·10a-1，市区降水量每10a减少4.56～17.32mm，除春季降水量增加，其余各季降水量均减少[34]，这或许是呼和浩特春夏两季物候期提前和秋冬两季物候期推迟的主要原因。近年来对植物物候期与气候变化相互关系的研究取得了不少成果，Ge等[35]对中国112个物种的1263个物候期进行了研究分析，结果显示90.8%的春季物候期提前，69.0%的秋季物候期推迟；Dai等[9]对西安42种木本植物的物候期与气候变化的关系进行了研究，发现大多数物种的物候期对前一段时间的平均温度较敏感，区域降水对一半的物候期也会有显著影响，2003-2011年的展叶始期和落叶始期比1963-1996年分别提前了5.54d和10.20d，而落叶始期延迟了10.59d；Tao等[36]研究发现，北京和西安在过去的50a内，展叶始期和开花盛期平均每年提前了0.16d，叶始变色期平均每年推迟了0.16～0.21d。这些研究结果与本研究结果基本一致，至于植物物候期随全球气候变暖而发生的这种春夏季物候期提前、秋冬季物候期推迟现象，有人从植物生理的角度进行了研究[35]，结果表明：冬季落叶物种的叶片衰老象征着植物由生长状态到休眠状态，植物的光周期现象和温度是落叶物种冬天控制叶片衰老的主要诱因，通常情况下，气候变暖会促进植物更有效率的营养再吸收，从而减缓叶片衰老，当存在水分胁迫时，叶片开始衰老的速率加快，营养再吸收效率降低，从而干旱的气候会加快叶片衰老，而气候变化对植物营养吸收的整体影响取决于气温和干旱胁迫对植物的综合影响，而植物衰老速率决定着植物叶片生长、变色、脱落等物候现象，因此，气温和降水等气候因子对植物物候期的影响有着显著的相关关系，此研究结果给本研究结果提供了有力佐证。

由于研究所选物候数据时间跨度较大，虽然在数据筛选时，尽量选择物候特征明显、容易辨认的物候期作为实验数据，但不同观测者对物候期判定的主观性，以及物候资料的不完整性均会给研究带来一定误差，后续研究将不断完善。

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Changes of Main Phenophases of Natural Calendar and Phenological Seasons in Hohhot

ZHU Yuan-jun, HAO Qi, QING Hua, ZHAO Li-qing, PIAO Shun-ji

（School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021,China）

Based on the continuous phenological observation data of 23 woody plant species in Hohhot from 1983 to 2014, the natural calendar was established, and the changes of main phenophases of natural calendar and phenological seasons since 1983 and the reasons for these changes were revealed by analyzing the differences of phenophases between 1983-1998 and 1999-2014 and the correlation between phenophases changes and climatic factors. The results showed that in comparison with those of 1983-1998 the start time of phenological spring （represented by the time of bud expansion of Salix babylonica） and summer （represented by the time of 50% of full flowering of Robinia pseudoacacia） in 1999-2014 was advanced by 7 days and 4 days separately; while the start time of phenological autumn （represented by the time of fruit drop of Sorbaria kirilowii） and winter （represented by the time of all leaves of Amygdalus triloba coloring） in 1999-2014 was delayed respectively by 3 days and 6 days. The order of phenophase in spring, autumn and winter changed in different degrees. Correlation analysis between the phenological index of the first date of a season and climatic factors preceding three months of the season indicated that the mean air temperature of the first preceding month showed negative correlation with phenological index of the first date of spring, and significantly negative correlation with that of summer, but a positive correlation with that of winter. Mean sunshine duration of the first preceding month was positively correlated with the phenological index of the first date of autumn but a negative correlation with that of winter, and mean rain capacity of the first preceding month was positively correlated with phenological index of the first date of summer. Additionally, the mean air temperature of the second preceding month correlated with the phenological index of the first date of summer negatively; while the mean rain capacity of the third preceding month correlated with that of the first date of autumn negatively. The raise of average temperature was probably the main reason for the changes of phenological season in Hohhot, and the average sunshine duration and average precipitation also affected the changes of phenological season in different extent.

Phenology; Climate change; China Phenological Observation Network（CPON）; Hohhot; Natural calendar

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.01.002

2016-05-11

国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“‘中国物候观测网’自动物候监测系统研制”（41427805）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA05080100）

朱媛君（1992-），硕士，研究方向为植被生态学。E-mail:neidazhuyuanjun@163.com

**通讯作者。 E-mail: shunjipiao@163.com