郭媛媛^1,, 江源^1,2,, 董满宇¹, 文岩¹, 王明昌¹, 焦亮¹
1. 北京师范大学资源学院,北京 100875
2. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875

Trends in the tree growing season throughout the Hebei and Shanxi mountainous region and Loess Plateau of North China from 1961 to 2013

GUOYuanyuan^1,, JIANGYuan^1,2,, DONGManyu¹, WENYan¹, WANGMingchang¹, JIAOLiang¹
1. College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875,China
2. State Key Laboratory of Earth Surface Process and Resource Ecology,Beijing Normal University,Beijing 100875,China
通讯作者:通讯作者:江源,E-mail:jiangy@bnu.edu.cn
收稿日期:2015-02-4
修回日期:2016-01-27
网络出版日期:2016-04-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41171067）
作者简介:
-->作者简介:郭媛媛,女,河北邯郸人,博士生,主要从事植物与植被资源研究。E-mail:gyyhebei@163.com



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摘要
为预测气候变化下的森林植被生长季特征变化,本文基于华北晋冀山地区和黄土高原区两个区域44个气象站1961-2013年日气温数据,分析了华北湿润半湿润地区两个区域树木生长季特征的变化趋势。定义生长季开始时间为当连续5天日平均温度≥5℃,选第5天作为生长季开始时间;生长季结束时间为当秋季连续5天日平均温度<5℃,选第5天作为生长季结束时间。结果表明:①1961-2013年晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体树木生长季开始时间呈现显著提前趋势,变化速率分别为-1.7d/10a、-2.1d/10a和-1.9d/10a;树木生长季结束时间均呈现显著延后趋势（p<0.05）,变化速率分别为0.9d/10a、1.1d/10a和1.0d/10a;研究区树木生长季长度表现出明显的延长趋势,晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体的树木生长季长度时间变化速率分别为2.6d/10a、3.2d/10a和2.9d/10a,树木生长季长度分别延长13.3d、16.4d和14.8d;②1961-2013年,海拔对树木生长季指标的影响,除了对晋冀山地区的树木生长季开始影响不大以外,对于两个研究区的其他树木生长季指标均有显著影响;研究区树木生长季指标（生长季开始时间,结束时间和生长季长度）与春季和秋季气温都显著相关;③1961-2013年,树木生长季开始时间变化趋势在整个研究区空间上大部分呈提前趋势,树木生长季结束时间大部分呈延后趋势和树木生长季长度的变化趋势在空间上则大部分呈延长趋势。

关键词：华北晋冀山地;黄土高原区;树木生长季;海拔;温度;变化趋势
Abstract
Based on daily mean temperature measurements at 44 meteorological stations throughout the Hebei Shanxi mountainous region and Loess Plateau region,Northern China from 1961 to 2013,trends in the tree growing season were analyzed in two regions （humid and subhumid）. The growing season was defined as the last day of the first 5-day period with a daily mean temperature greater than 5℃ to the last day of the first 5-day period with a mean temperature of less than 5℃. We found that over the last 50 years,the commencement of the tree growing season has increased at a rate of -1.7d/10a,-2.1d/10 and -1.9d/10a,throughout the Hebei Shanxi mountainous region,Loess Plateau region and the whole study area,respectively. The end of the tree growing season has decreased at a rate of 0.9d/10a,1.1d/10a and 1.0d/10a in the three areas,respectively. The length of the tree growing season in the study area increased from 1961 to 2013 at a rate of 2.6d/10a （13.3 days）,3.1d/10a （16.4 days）and 2.9d/10a （14.8 days）in the three study areas respectively. Elevation had a strong impact on the tree growing season indices （growing season start,end and length）,except for a little effect on commencement of the tree growing season in the Hebei Shanxi mountainous region. Tree growing season indices （start,end and length of the growing season）were associated with spring and autumn temperatures. The spatial distribution of the trend in the commencement of the tree growing season showed a decreasing trend. The end point and length of the tree growing season has increased.

Keywords：Hebei Shanxi mountainous region;Loess Plateau;tree growing season;elevation;temperature;trends

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郭媛媛, 江源, 董满宇, 文岩, 王明昌, 焦亮. 1961-2013年华北晋冀山地和黄土高原区树木生长季变化趋势[J]. , 2016, 38(4): 758-767 https://doi.org/10.18402/resci.2016.04.17
GUO Yuanyuan, JIANG Yuan, DONG Manyu, WEN Yan, WANG Mingchang, JIAO Liang. Trends in the tree growing season throughout the Hebei and Shanxi mountainous region and Loess Plateau of North China from 1961 to 2013[J]. 资源科学, 2016, 38(4): 758-767 https://doi.org/10.18402/resci.2016.04.17

1 引言

21世纪气候变化似乎呈加速趋势。依据IPCC的报告^[1],预计在1990-2100年期间全球温度可能增加1.4~5.8℃,温度升高在北半球可能会更加明显。在中国的情况也一样,1905-2001年中国年平均地表气温增加明显,升温幅度约为0.5~0.8℃,略高于同期全球升温幅度平均值^[2]。1951-2005年,晋冀山地和黄土高原区的气候变化呈现暖干化趋势,年平均气温呈明显上升趋势,年降水量呈递减趋势^[3-5]。随着气候变暖,温度变化将直接影响植物生长季长度,越来越多的研究从不同角度研究植物生长季长度变化,大多数是采用物候^[6]、归一化植被指数（NDVI）^[7,8]和地面空气温度^[9,10]三个指标来测度植物生长季变化。气象学的生长季长度是依据地面空气温度来定义的,目前还没有一个定义标准,其中一种是采用当连续一定的天数超过一定的温度阈值来定义生长季的起始和结束的^[11-13]。
森林生态系统是陆地生态系统的主体,其本身是陆地生态系统的最大碳库,这一碳库极易受到自然环境变化以及人类活动干扰的影响,进而对全球碳循环过程产生重大影响^[14]。生长季长度对森林生态系统有重要的影响^[15-20]。气候变化带来的生长季长度的变化对森林生态系统的影响长期来看生长季的延长和它们随气候的变化可能对森林碳汇有一定影响。因此,通过了解森林植物生长季的影响来预测未来可能发生的变化和产生的生态后果是十分必要的。
本文选取冀晋山地半旱生落叶阔叶林、森林草原区和黄土高原森林草原、干草原区开展研究。两个研究区山地分布有大量的森林植被,是中国北方森林的重要组成部分,研究气候变化对两个区域森林植被生长的影响,对探讨中纬度暖温带的森林生长动态变化引起的一系列碳汇等变化具有重要意义。另外农林业生产对气候条件的依赖性极强,气候变化下的树木生长季变化对两个研究区经济影响重大。本文重点讨论这两个区域森林植物生长季变化趋势,一方面,有助于预测气候变化下的森林植被生长季变化,另一方面可对当地林业生产、区域生态环境建设和制定区域森林生态系统管理对策提供理论依据。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

本文依据赵松乔在1983年提出的自然地理区域划分方案^[21],选择了冀晋山地半旱生落叶阔叶林、森林草原区和黄土高原森林草原、干草原区开展研究。两个区域大部分位于晋陕甘宁地区,还有少部分位于辽宁、河北、河南和青海。两个区域地处中纬度大陆性气候区,属于华北湿润、半湿润暖温带地区,是从华北平原半旱生落叶阔叶林区过渡到内蒙古温带草原区的一个中间区域^[21],气候上,近50年,两个研究区年均气温为9℃,年降水量为479mm,年均气温从河北的-0.3~14.0℃过渡到内蒙古的2~9℃,年降水量从河北的340~740mm过渡到内蒙古的150~550mm^[22,23],处于中国亚热带向温带、湿润向干旱过渡的特殊位置,这里既是气候变化敏感区,又是生态环境脆弱带,还是黄河中上游水土保持重点区域^[4,24]。两个区域也存在差异,气候上,晋冀山地区年均气温为10℃,年降水量为498mm,黄土高原区年均气温为8℃,年降水量为459mm,和黄土高原区相比晋冀山地区整体较温暖湿润。

2.2 数据来源与处理

本研究采用的数据为华北晋冀山地区和黄土高原区两个区域44个气象站1961-2013年的日均气温,数据来源为中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）。数据系列中的缺失值的处理方法为:①对于缺失值≤2d的数据使用临近缺失值3d的数据均值进行插补;②极少数连续缺失>2d的数据,利用临近5d的均值进行插补。
1983年,赵松乔在汲取之前黄秉维、任美锷、侯学煜等提出的各区划方案主要优点的基础上,提出“自然区划新方案”^[21],方案中提出明确的分区原则,把全国划分为三大自然区（东部季风区、西北干旱区、青藏高寒区）,7个自然地区和33个自然区^[21]。该方案分别论述了中国各自然地理区域及其特征、地域分异以及土地资源合理利用和改造自然等问题^[25],新方案自提出以来被普遍沿用至今。本文依据赵松乔在1983年提出的自然地理区域划分方案,选择晋冀山地区冀晋山地半旱生落叶阔叶林、森林草原区和黄土高原区黄土高原森林草原、干草原区作为研究对象,两个区域分布范围为102°35′E-121°28′E,34°50′N-42°34′N（图1,见第764页）。
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图1研究区域及气象站点分布
-->Figure 1Study area and the distribution of the 44 stations in the study area
-->

2.3 树木生长季指标计算依据

气候生长季的确定:本文选择温度数据作为定义树木生长季的标准。通过使用短时间间隔采样的方法研究环境因子对树木生长的影响发现,在干旱和非干旱的区域,气温均为对树木生长起到主要影响作用的因子^[26-28],并且存在一个温度阈值^[29,30]。而降水一般在干旱地区较易产生影响,并且没有确定的降水范围^[31,32],根据赵松乔对的划分,本文选择的研究区属于华北湿润、半湿润暖温带地区,降水在该区域不一定是限制植物生长的主要影响因子。虽然一些研究认为植物的生长发育需要达到一定温度才能进行,低于一定的温度植物生长就会停止,并且需要一定的温度积累才能完成其生长周期^[33],但最近的一些研究通过使用短时间间隔采样的方法对树木生长季的研究发现,积温不一定是影响树木生长的主要影响因子,树木径向生长的起始也即茎干径向细胞形成的起始和一年空气温度总和的变化联系并不紧密,因为发现年际间细胞形成起始和停止的温度总和的变化幅度较大^[34,35],表明可能还有其他的环境因子参与调节细胞形成的过程,其他研究也发现观察到的大多数的物候阶段发生之前的积温在样点间显著不同^[36,37],因此本文并没有选用降水和积温数据作为研究树木生长季的指标。虽然依树种不同树木打破休眠的最适低温有变化,但是多数情况下5℃是最佳温度^[38-40],因此本文选取5℃作为树木生长开始的温度标准。
气候生长季是指稳定通过一定温度阈值的持续时间^[41],是植物开始进行生长发育的理论时段,具有重要的指示意义和应用价值。相比于其他方法,选用气温资料作为定义,资料来源较为方便,记录温度数据的气象站点覆盖广,数据记录的时段长,定义气候生长季计算方法简便,已成为评价区域生长季时空特征的重要手段之一。国内外有许多采用气候生长季作为分析手段的研究^{[9,12,17,40,42-44]}。定义生长季开始日（GSS）为当春季连续5天日平均温度≥5℃,选第5天作为生长季开始日;生长季结束日（GSE）为当秋季连续5天日平均温度<5℃的最后一天作为生长季结束日,生长季的长度（GSL）即为生长季开始日和结束日之间的天数^[43,45]。

2.4 数据处理方法

依据44个气象站1961-2013年的日均气温,按照定义计算出各个站点每年的生长季开始时间、结束时间和生长季长度, 其变化趋势、与海拔高度和春/秋季空气温度的关系均使用一元线性回归方法进行分析。

3 结果及分析

3.1 树木生长季开始时间变化情况

1961-2013年晋冀山地区和黄土高原区的树木生长季开始时间呈现显著提前趋势（p<0.01）。晋冀山地区的树木生长季开始时间范围在62.5~90.9d之间,黄土高原区的树木生长季开始时间范围是从第58.3d到第92.9d。晋冀山地区和黄土高原区树木生长季开始时间变化速率分别为-1.7d/10a和-2.1d/10a,树木生长季开始时间分别提前8.9d和10.8d。过去50年间两个研究区整体树木生长季开始时间变化也是呈显著提前趋势（p<0.01）,变化速率为 -1.9d/10a,树木生长季提前9.8d（图2）。晋冀山地区的树木生长季开始时间变化受到海拔高度的影响并不明显（p=0.12）,黄土高原区的树木生长季开始时间随海拔升高呈现出显著的推迟趋势（p<0.01）。两个区域整体随海拔的升高呈显著延迟趋势（p<0.01）（图3）。
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图21961-2013年研究区树木生长季开始时间
-->Figure 2Time series of the regional average tree growing season start from 1961 to 2013
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图31961-2013年研究区树木生长季开始时间和海拔的关系
-->Figure3Relationships between the elevation and the mean tree growing season start from 1961 to 2013
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3.2 树木生长季结束时间变化情况

1961-2013年晋冀山地区和黄土高原区的树木生长季结束时间均呈现显著延后趋势（p<0.05）,晋冀山地区和黄土高原区的树木生长季结束时间变化范围分别是从第297.3d~315.2d和第285.7d~315.1d,变化速率分别为0.9d/10a和1.1d/10a,树木生长季结束时间分别延长4.4d和5.5d。两个区域整体的树木生长季结束时间随着时间也呈现显著延后趋势（p<0.05）,变化速率为1.0d/10a,延长5.0d。晋冀山地区、黄土高原区和两个区域整体三者之间的变化速率差异并不大,均在1.0d/10a左右（图4）。晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体的树木生长季结束时间均随海拔的增加而显著提前（p<0.01）,晋冀山地区的提前趋势更明显（图5）。
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图41961-2013年研究区树木生长季结束时间
-->Figure 4Time series of the regional average tree growing season end from 1961 to 2013
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图51961-2013年研究区树木生长季结束时间和海拔的关系
-->Figure 5Relationships between the elevation and the mean tree growing season end from 1961 to 2013
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3.3 树木生长季长度变化情况

晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体的树木生长季长度从1961-2013年均呈现显著延长趋势（p<0.01）。1961-2013年晋冀山地区的22个气象站中的树木生长季长度最小值是216.0d,最大值是250.6d,黄土高原区的树木生长季长度最小值是207.0d,最大值是246.7d,晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体的树木生长季长度变化速率分别为2.6d/10a、3.1d/10a和2.9d/10a,树木生长季长度分别延长13.3d 、16.4d和14.8d。（图6）。晋冀山地区和黄土高原区的树木生长季长度均随海拔的增加而呈现显著减少（p<0.05）,黄土高原区的减少趋势变化速率稍微明显一些（图7）。
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图61961-2013年研究区树木生长季长度
-->Figure 6Time series of the regional average tree growing season length from 1961 to 2013
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图71961-2013年研究区树木生长季长度和海拔的关系
-->Figure 7Relationships between the elevation and the mean tree growing season length from 1961 to 2013
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3.4 树木生长季指标变化趋势空间分布

1961-2013年研究区树木生长季指标变化趋势空间分布如图8（见第764页）所示,树木生长季开始时间变化趋势在整个研究区空间上大部分都呈提前趋势,提前幅度最大的是太原地区,其斜率值是-3.53d/10a,这其中只有承德地区表现出延后趋势（0.20d/10a）。树木生长季结束时间大部分呈延后趋势和树木生长季长度的变化趋势则大部分呈延长趋势,其中树木生长季结束时间有两个站点是呈提前趋势（承德地区-0.73d/10a和榆社地区-0.53d/10a）,其他站点均为延长趋势,延长范围在（0.08~2.45）d/10a。树木生长季长度整体上的延长趋势变化较大,延长范围在（0.03~5.80）d/10a,最大的一个是延安站增幅达到5.80d/10a,树木生长季长度中只有一个站点呈缩短趋势（承德地区-0.93d/10a）。
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图81961-2013年树木生长季指标变化速率空间分布
-->Figure 8The spatial distribution of the rates of change in the average tree growing season indices from 1961 to 2013
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3.5 树木生长季指标和春季、秋季空气温度的关系

由表1可知,树木生长季开始时间、结束时间和树木生长季长度与春季和秋季温度都呈显著线性相关（p<0.001）,且晋冀山地区树木生长季长度与秋季最低温度相关性更强为0.93,与春季的平均温度和最低温度相关性都较强均为0.95,树木生长季开始和树木生长季结束与春季和秋季的平均温度相关性更强分别为0.92和0.98。黄土高原区树木生长季开始和树木生长季长度与春季最低温度相关性更强分别为0.94和0.90,树木生长季结束时间和树木生长季长度与秋季平均温度相关性更高分别为0.95和0.97。春季温度的升高会使树木生长季开始时间提前,秋季温度的升高会使树木生长季结束时间延后,随着温度的升高,树木生长季长度延长。
Table 1
表1
表11961-2013年研究区春季和秋季空气温度与树木生长季指标的线性回归分析结果
Table 1Results of linear regression analyses between the air temperature of March to May,September to November and three tree growing season indices （GSS,GSE,and GSL）in the study area from 1961 to 2013

		晋冀山区							黄土高原区
		Tmean	Tmax	Tmin		Tmean	Tmax	Tmin	Tmean	Tmax	Tmin		Tmean	Tmax	Tmin
生长季 开始	回归系数（斜率）	-5.60	-6.17	-4.28					-3.74	-2.61	-4.74
	决定系数（R2）	0.92***	0.87***	0.88***					0.84***	0.62***	0.94***
生长季 结束	回归系数（斜率）					4.12	5.56	3.30					4.40	3.32	4.15
	决定系数（R2）					0.98***	0.95***	0.97***					0.95***	0.84***	0.75***
生长季 长度	回归系数（斜率）	9.92	10.56	7.79		8.94	12.12	7.23	7.31	5.28	8.89		9.14	6.61	8.96
	决定系数（R2）	0.95***	0.83***	0.95***		0.91***	0.90***	0.93***	0.88***	0.69***	0.90***		0.97***	0.78***	0.83***

注:***为显著性水平p值<0.001。
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4 讨论

本研究中,1961-2013年两个区域树木生长季长度都呈显著增加趋势,晋冀山地区和黄土高原区以及两个区域整体的树木生长季长度变化速率分别为2.6d/10a、3.1d/10a和2.9d/10a,晋冀山地区、黄土高原区和两个区域整体的树木生长季长度线性变化幅度分别为13.3d、16.4d和14.8d,两个区域变化差异并不是很大,规律比较一致。Liu等与徐铭志等分别对中国生长季变化的研究发现,在1955-2000年间和1961-2000年间生长季长度分别增加6.9~8.7d（分别取>0℃,5℃,10℃和15℃四个温度阈值计算所得范围）与6.6d（>0℃）^[9,46],而一些****对中国各个区域的生长季长度的研究发现,近50年来,青藏高原（1960-2009年）、内蒙古（1961-2010年）、东北（1960-2009年）和新疆维吾尔自治区（1959-2008年）的生长季长度增加幅度约为16.5d（>5℃）^[43]、14.5d（>5℃）^[44]、13.3d（>5℃）^[45]和12.6d（>5℃）^[47]。发现本研究区域整体的生长季长度增幅比全国的高,但是和各个区域比差别并不是很大,表明,可能中国北方地区的生长季长度增幅相比全国整体增幅要大。另外,由于生长季长度是由生长季开始和结束共同决定的,结果显示,生长季开始对生长季长度的影响更大（9.8d>5.0d）,之前的大多研究也得到了相同的结果^[43,44,48]。
本研究发现,晋冀山地区和黄土高原区即生长季开始时间、结束时间和生长季长度受春季和秋季温度的影响都比较明显,生长季长度和植物物候受月份或季节温度的影响较明显,与国内外相关研究结果类似^[9,43,45],即1961-2013年在研究区温度的变化是造成植物生长季延长的一个重要因素之一。但平均、最低和最高温度对两个研究区的生长季指标的影响不同,如在中国的西藏地区^[43]和德国^[10]研究发现,最低温度对生长季指标的影响更大,但也有研究发现在中国的东北地区有的月份最低温度影响大,有的月份是平均温度和最高温度影响大^[45]。
随着两个区域气候变化,树木生长季开始时间提前,结束时间延后,所选区域的森林生态系统整个生长季长度延长。之前在欧洲中纬度地区的研究发现,气候变化对植物生长季的影响主要是春季生长开始较早和生长季长度的延长^[10,49-53],如果有充足的水份供应,温度升高导致的生长季延长可能影响森林生产力^[54,55],从长期来看,生长季的延长可使木材产量增加,碳汇量增多。

5 结论

随着全球变暖,温度升高,1961-2013年研究区的树木生长季长度呈显著增加趋势,晋冀山地区、黄土高原区和两个区域整体分别增加13.3d、16.4d和14.8d;树木生长季的开始时间有显著提前,分别提前8.9d、10.8d和9.8d,结束时间显著延后,分别延后4.4d、5.5d和5.0d。1961-2013年晋冀山地区和黄土高原区的树木生长季指标（开始时间、结束时间、长度）的时间变化趋势比较一致。除了晋冀山地区的树木生长季开始和海拔相关性不显著以外,其他树木生长季指标和海拔均有较高的相关性,海拔对于晋冀山地区的树木生长季结束时间的影响更明显一些。树木生长季的开始时间,结束时间和树木生长季长度和春季和秋季温度都显著相关。1961-2013年,在空间分布上,树木生长季开始时间变化趋势在整个研究区空间上大部分呈提前趋势,树木生长季结束时间呈推后趋势和树木生长季长度的变化趋势则大部分呈增加趋势。本研究在一定程度上可为研究全球气候变化下中国湿润、半湿润暖温带的晋冀山地和黄土高原区的森林植物生长季的变化提供依据。
The authors have declared that no competing interests exist.

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