农牧交错带蒲公英春季物候期变化及其驱动气象因子

王姝纯; 林楠; 刘冬; 李翔

doi:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.021

安徽农学通报 >

2025 , Vol. 31 >Issue 16: 97 - 101

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.021

农业信息·农业气象

农牧交错带蒲公英春季物候期变化及其驱动气象因子

王姝纯 ¹ ,
林楠 ² ,
刘冬 ³ ,
李翔 ⁴

展开

^1. 四川省气象服务中心，四川成都 610072
^2. 华风气象传媒集团有限责任公司，北京 100081
^3. 安庆市气象台，安徽安庆 246000
^4. 四川省气象探测数据中心，四川成都 610072

李翔（1991—），男，青海西宁人，硕士，从事大气探测及气象数据融合分析研究。

王姝纯（1998—），女，陕西西安人，硕士，从事农业气象与气候变化研究。

Copy editor: 胡立萍

收稿日期: 2024-11-26

网络出版日期: 2025-08-28

基金资助

川西南（雅安）暴雨实验室科技发展基金项目(CXNBYSYSQN202410)

四川省气象服务中心处级课题(FWCX202402)

收起

The variation of Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. spring phenology and its driving meteorological factors in the agro-pastoral ecotone

WANG Shuchun ¹ ,
LIN Nan ² ,
LIU Dong ³ ,
LI Xiang ⁴

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^1. Sichuan Meteorological Service Center, Chengdu 610072, China
^2. Huafeng Meteorological Media Group Co. , Ltd. , Beijing 100081, China
^3. Anqing Meteorological Observatory, Anqing 246000, China
^4. Sichuan Meteorological Observation Data Center, Chengdu 610072, China

Received date: 2024-11-26

Online published: 2025-08-28

Fold

摘要

本研究以内蒙古农牧交错带为研究区域，以蒲公英为研究对象，基于1980—2018年研究区域内的蒲公英物候观测资料（萌芽期、展叶始期、展叶盛期）、气象数据（平均温度和降水量等）和土壤水分含量数据，利用线性趋势分析和偏最小二乘回归分析，探究研究区气候变化对蒲公英春季物候变化的影响，及其主要驱动气象因子。结果表明，1980—2018年，研究区年平均气温、年降水量和年平均土壤水分含量的倾向率分别为0.38 ℃/10 a、-0.68 mm/10 a和-0.004 （m³/m³）/10 a，呈暖干化趋势；蒲公英平均春季物候均有提前趋势，萌芽期平均每10 a提前1.1 d，展叶始期平均每10 a提前0.8 d，展叶盛期平均每10 a提前0.7 d。蒲公英萌芽期、展叶始期、展叶盛期的最佳期间长度分别为40、83、80 d。偏最小二乘回归分析表明，萌芽期各气象因子的VIP值由大到小依次为最低气温>平均气温>最高气温>土壤水分>降水量；展叶始期的VIP值由大到小依次为土壤水分>最低气温=平均气温>最高气温>降水量；展叶盛期的VIP值由大到小依次为土壤水分>最低气温>平均气温>最高气温>降水量；回归模型的R²X（cum）、R²Y（cum）、Q²（cum）均大于0.5，拟合效果较好。综合表明，平均气温和土壤水分含量是影响蒲公英春季物候的主要气象因子。

关键词： 农牧交错带; 蒲公英; 物候期; 平均温度; 土壤含水量

本文引用格式

王姝纯 , 林楠 , 刘冬 , 李翔 . 农牧交错带蒲公英春季物候期变化及其驱动气象因子[J]. 安徽农学通报, 2025 , 31(16) : 97 -101 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.021

Abstract

The study took the agro-pastoral ecotone in Inner Mongolia as the research area and Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. as the research object. Based on the phenological observation data of dandelion (germination period, leaf expansion initiation period, and leaf expansion peak period), meteorological data (average temperature and precipitation, etc.) and soil moisture content data in the study area from 1980 to 2018, linear trend analysis and partial least squares regression analysis were used to explore the impact of climate change in the study area on the phenological changes of Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. in spring and its main driving meteorological factors.The results revealed a significant warming and drying trend during 1980-2018, with annual rates of change for mean air temperature, precipitation, and soil moisture content being 0.38 ℃/10 a, -0.68 mm/10 a, and -0.004 (m³/m³)/10 a, respectively. Correspondingly, Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. spring phenology showed consistent advancement trends: budburst advanced by 1.1 d/10 a, initial leaf unfolding by 0.8 d/10 a, and full leaf expansion by 0.7 d/10 a.The optimal duration for the germination period, initial leaf-expansion period, and peak leaf-expansion period of dandelions (Taraxacum officinale) is 40, 83, and 80 d, respectively. Partial least squares regression analysis showed that the VIP values of various meteorological factors for the germination period were in the order of minimum temperature > average temperature > maximum temperature > soil moisture > precipitation; for the leaf expansion initiation period, the VIP values were in the order of soil moisture >minimum temperature = average temperature > maximum temperature > precipitation; for the leaf expansion peak period, the VIP values were in the order of soil moisture > minimum temperature > average temperature > maximum temperature > precipitation. The R²X(cum), R²Y(cum), and Q²(cum) of the regression model were all greater than 0.5, indicating a good fitting effect. In conclusion, average temperature and soil moisture content were the main meteorological factors affecting the spring phenology of Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.

Key words： agro-pastoral ecotone; Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.; spring phenology; average temperature; soil moisture content

植物物候是植物受环境影响出现的以年为周期的自然现象，气候变化引起植被物候变化，物候变化调控植被对气候系统的反馈^[1-2]。肖芳等^[3]基于实地物候观测和遥感监测数据，研究气候变化对温带草原植物物候的影响。董晓宇等^[4]研究表明，内蒙古草原植被生长季始期每10 a提前0.88 d，生长季末期每10 a提前0.13 d，生长季长度每10 a延长0.76 d。温度和水分条件是干旱、半干旱地区植物春季物候发生的重要调控因子^[5]。降水是干旱、半干旱生态系统中植物生长的关键影响因子^[6]，水分不足会限制其对光、热条件的利用，从而使物候期推迟。干旱胁迫和高温可能会对植物生长起到耦合效应，春季干旱导致其生长季始期推迟^[7]。

内蒙古农牧交错带位于水分匮乏的干旱半干旱地区，生物气候的过渡性、生态环境的敏感性以及自然条件使得该地区成为气候变化敏感地带^[8]。气候是影响该区植被物候变化的主要因素，适宜开展陆地生态系统对气候变化响应机制研究^[9]。蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.）为菊科（Asteraceae）蒲公英属（Taraxacum）多年生草本植物，具有体型小、木质化程度低的特性，使得其对气候变化的响应更加敏感，对其进行物候研究有利于捕捉生态系统中的微小变化，探究其对生态产生的影响^[10]。基于此，本研究以内蒙古农牧交错带为研究区，以蒲公英为研究对象，分析其物候期变化特征及驱动气象因子，为农牧交错带植被物候变化的机理研究和生态环境评价保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况

研究区地处干旱半干旱气候向湿润半湿润季风气候的生态过渡带（37.6°—46.1° N，106.6°—123.7° E），涉及57个市县和16个物候观测站点，海拔在146～1 748 m，呈现出西高东低的特点。选取蒲公英为研究对象，选择萌芽期、展叶始期和展叶盛期为研究物候期。萌芽期为地面芽开始转绿时；展叶始期为草本植物植株上开始展开小叶时；展叶盛期为地上部有一半植株叶子展开时^[11]。

1.2 数据来源与预处理

蒲公英春季物候期数据来源于中国气象局农业气象观测网的自然物候观测数据集。由于物候期观测数据收集具有滞后性，本研究采用1980—2018年长时间序列观测数据进行分析^[3-4]。

以各物候期的观测值时间序列大于或等于16年为标准，选取了研究区域内16个物候观测站点的地面观测物候数据，对于数据缺失年份均不做处理，为方便计算，采用年日序（DOY）表示物候期。为保证数据有效性和质量，对研究区域内各个站点的物候数据进行预处理。剔除因记录错误造成的无效数据，采取中位数绝对偏差（MAD）检测和剔除异常值^[15]，MAD定义为一元序列

X i

同其中位数偏差的绝对值的中位数，计算如式（1）。将超过2.5倍MAD的观测数据定义为观测异常值并剔除。研究区域内16个站点共筛选出1 100条物候观测记录。

M A D = m e d i a n X i - m e d i a n (X)

（1）

式中，

m e d i a n

（X）代表各个站点3个物候期的DOY序列，X_i 表示X中的每个数据点。

地面观测气象数据来源于中国气象数据共享服务网（http://data.cma.cn/），研究区域内包含66个地面气象观测站。选取的地面观测气象要素为逐日平均气温、逐日最高气温、逐日最低气温和逐日降水量；土壤水分含量数据来源于欧洲中期天气预报中心（https://cds.climate.copernicus.eu/）ECWMF的ERA5-Land再分析数据集，采用其中的体积土壤水分数据，选取0～7 cm土壤含水量数据，空间分辨率为0.1 °，单位为m³/m³。

1.3 研究方法

1.3.1 线性变化趋势

倾向率是研究较长序列时间段内特征量变化趋势的有效方法。蒲公英春季物候变化趋势和研究区水热资源变化趋势分析均通过建立一元线性回归方程进行，计算如式（2）。

X=a+bt （2）

式中，X为某气象因素统计值，t为年序，a为截距，b为回归系数。以b的10倍作为倾向率，通过t检验判断其变化趋势和程度是否具有统计学意义。

1.3.2 最佳期间

进行偏最小二乘分析前需确定统计的最佳期间。参考Dai等^[13]的研究方法，先计算最佳期间长度（LP），以统计最佳期间内的气象因子与物候日序序列的偏相关关系。假设物候事件发生日期的年际变化主要受物候之前某一特定时段内日平均气温的影响，将物候的发生日期时间序列的上、下四分位数期间定义为基本长度期（bLP），以bLP的最早日期向前，设定滑动时段mLP（bLP），范围在0～90 d^[14]，完整LP计算如式（3）。

L P = b L p + m L p

（3）

通过计算所有完整的LP[（bLP+1）d、（bLP+2）d、（bLP+3）d、…、（bLP+90）d]内日平均气温的时间序列与物候日期序列的相关系数，相关系数最大的LP时段为各物候期气象因素的统计最佳期间。

1.3.3 偏最小二乘回归分析

利用偏最小二乘回归（PLS）分析的判别指标变量投影重要性（VIP），分析自变量中对因变量最具有解释度和贡献性的因素^[15-17]。VIP值越大，自变量越具有解释意义，VIP>1说明自变量对因变量的变化具有显著贡献，VIP<0.8说明自变量几乎不能解释因变量的变化。VIP计算如式（4）。

V I P j = (p ∑ h = 1 m R 2 Y, t h w h j 2) / (∑ h = 1 m R 2 Y, t h)

（4）

式中，

V I P j

为自变量

x j

的VIP值；p为自变量个数；m为提取的成分个数；Y为因变量矩阵；

t h

为自变量的第h个成分；

R 2 Y, t h

为Y及

t h

2 结果与分析

2.1 水热条件与蒲公英春季物候变化趋势

由图1A可知，研究区年平均气温在4.7～7.4 ℃，其升温趋势明显（P<0.05），倾向率为0.38 ℃/10 a。由图1B可知，研究区年降水量在250～460 mm，呈波动中下降的趋势，倾向率为-0.68 mm/10 a，下降趋势具有统计学意义（P<0.05）。由图1C可知，研究区域年平均土壤水分含量呈波动下降的趋势，倾向率为-0.004（m³/m³）/10 a，下降趋势具有统计学意义（P<0.05）。综合表明，1980—2018年研究区呈暖干化趋势，即温度升高和水分含量降低。

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图1 研究区年平均气温、年降水量、年平均土壤水分含量变化

研究区域各监测点蒲公英的春季物候发展趋势和平均物候期见表1。蒲公英平均萌芽期发生在4月上旬；平均展叶始期发生在4月中旬；平均展叶盛期发生在4月下旬。研究区蒲公英春季物候期发生提前趋势的地区较多，发生延迟趋势的地区较少。对于萌芽期，有10个站点呈现出0.3～4.9 d/10 a的提前趋势，有6个站点呈现出0.3～5.0 d/10 a的推迟趋势；对于展叶始期，有9个站点呈现出0.3～6.5 d/10 a的提前趋势，有7个站点呈现出0.6～5.0 d/10 a的推迟趋势；对于展叶盛期，有11个站点呈现出0.5～5.6 d/10 a的提前趋势，有5个站点呈现出0.2～4.7 d/10 a的推迟趋势。综合表明，研究区蒲公英平均春季物候均有提前趋势，萌芽期平均每10 a提前1.1 d，展叶始期平均每10 a提前0.8 d，展叶盛期平均每10 a提前0.7 d。

表1 内蒙古农牧交错带内各站点蒲公英春季物候期变化趋势与平均物候期日序

监测点	萌芽期		展叶始期		展叶盛期
监测点	物候变化趋势/d	平均物候期/d	物候变化趋势/d	平均物候期/d	物候变化趋势/d	平均物候期/d
1	-0.4	109	1.0^*	119	-1.6^*	132
2	-0.3	100	1.1	106	2.2^*	119
3	-0.6	107	-0.3	114	1.8	122
4	0.3	102	0.6	109	0.4	115
5	-4.6^*	102	-4.5^*	103	-2.4	108
6	-3.5^*	104	-2.4^*	107	-1.0	115
7	-2.8	107	-6.5^*	113	-2.9	121
8	2.1^*	93	2.4	101	-2.3	109
9	5.0^*	96	5.0^*	103	-2.1^*	113
10	3.9^*	105	7.2	115	0.2^*	116
11	2.1	94	-1.3	97	-0.5	104
12	-3.0	104	-2.5^*	113	-5.6	120
13	-4.9^*	95	-4.7^*	102	-2.9	109
14	-1.5	99	-1.1	103	-3.1^*	112
15	1.6^*	95	2.2^*	103	-1.9^*	110
16	-3.7^*	108	-2.8	116	4.7	123
全区域平均	-1.1^*	101	-0.8^*	107	-0.7^*	115

注：*表示相关系数具有统计学意义。

2.2 最佳期间

最佳期间计算结果表明，蒲公英萌芽期的最佳LP为40 d，时段为03：08—04：17；展叶始期的最佳LP为83 d，时段为01：30—04：23；展叶盛期的最佳LP为80 d，时段为02：00—05：01。以蒲公英春季物候序列为因变量，以各物候期最佳期间内平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量和平均土壤水分含量序列为自变量进行偏最小二乘回归分析。

2.3 偏最小二乘回归分析

由图2可知，萌芽期方面，各因子的VIP值由大到小依次为最低气温>平均气温>最高气温>土壤水分>降水量。温度条件对蒲公英萌动发生的解释力较大，VIP值>1.0；水分因素中降水量的影响程度小于土壤水分含量，相较于大气降水，土壤水分是影响草本植被春季生长的重要影响因子。展叶始期方面，各因子的VIP值由大到小依次为土壤水分>最低气温=平均气温>最高气温>降水量；土壤水分的解释程度均与平均温度接近，且VIP值>1.0，说明其对蒲公英展叶始期变化的响应解释程度较高；而降水量依旧呈现出解释力不强的特点，即土壤水分条件对蒲公英生长的影响作用大于大气降水，土壤水分含量增多能够加快蒲公英生长进程，促进展叶。展叶盛期方面，各因子的VIP值由大到小依次为土壤水分>最低气温>平均气温>最高气温>降水量。蒲公英对土壤水分的需求进一步增长，其解释程度大于温度因素，且VIP值大于1.2，具有较强的解释力，在干旱半干旱地区土壤水分含量与蒲公英进一步展叶生长有关。

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图2 蒲公英春季物候期PLS相关系数和VIP值

（A）、（B）和（C）分别为萌发期、展叶始期和展叶盛期。

非标准化模型参数体现了物候发生对气象因子的敏感性，由表2可知，回归结果中R²X（cum）、R²Y（cum）、Q²（cum）均大于0.5，说明该偏最小二乘回归模型拟合预测准确度较高，气候因素自变量对展叶始期的变化具有较好的解释能力，偏相关分析效果较好。其中，平均气温每升高1 ℃，蒲公英萌芽期提前0.5 d左右；土壤体积水分含量每升高0.1 m³/m³，萌芽期提前2.3 d左右。对于展叶始期，平均气温每升高1 ℃，蒲公英展叶始期提前0.5 d左右；土壤体积水分含量每升高0.1 m³/m³，展叶始期提前4.6 d左右，其对土壤水分敏感性较萌芽期明显提升。对于展叶盛期，平均气温每升高1 ℃，蒲公英展叶始期提前0.5 d左右；土壤体积水分含量每升高0.1 m³/m³，展叶盛期提前5.7 d左右，对土壤水分敏感性较高。

表2 偏最小二乘回归非标准化模型方程和回归参数

物候期	PLS非标准化回归模型	R²X（cum）	R²Y（cum）	Q²（cum）
萌芽期	y ₁=-0.517x ₁－0.409x ₂－0.567x ₃－0.041x ₄－23.489x ₅+110.865	0.838	0.690	0.581
展叶始期	y ₂=-0.511x ₁－0.455x ₂－0.482x ₃－0.031x ₄－45.755x ₅+115.934	0.814	0.689	0.698
展叶盛期	y ₃=-0.573x ₁－0.587x ₂－0.477x ₃－0.001x ₄－57.294x ₅+132.278	0.991	0.671	0.548

注： $x 1$ 为平均气温、 $x 2$ 为最高气温、 $x 3$ 为最低气温、 $x 4$ 为降水量、 $x 5$ 为土壤水分含量；y ₁为萌芽期DOY、y ₂为展叶时期DOY、y ₃为展叶盛期DOY。

综合VIP值和回归模型分析，说明平均气温和土壤水分是影响蒲公英春季物候的主要因素。

3 结论与讨论

近年来，研究区气候年际变化差异大，旱涝等级上升，气候变化是影响该区植被物候变化的主要因素之一。本研究发现，研究区蒲公英春季物候期总体呈提前趋势，热量和水分条件是影响其物候变化的主要因素，这与Zhang等^[18]的研究结果一致。水分亏缺可能是蒲公英春季物候变化的主要因素，且体现出萌芽期—展叶始期—展叶盛期土壤水分解释率依次递增的效应，在展叶盛期其解释程度大于平均气温，占主导作用。蒲公英无茎的特点使其能直接感知地面水分，土壤是其水分获得的主要来源，因此，其春季物候表现出对土壤水分的依赖性。

综上，本研究利用研究区的物候、气象和土壤等数据，通过线性趋势、偏最小二乘回归等分析方法，探究了气候变化对研究区蒲公英物候期的影响，结果表明，1980—2018年，研究区呈暖干化趋势，温度升高和水分含量降低。研究区各监测点蒲公英春季物候对气候变化的响应并不完全一致，但总体呈提前趋势。水热条件对春季物候变化的贡献程度存在差异，但VIP值均大于0.8，具有一定解释能力；随着植物生长，影响蒲公英春季物候发生的主要解释因子有所变化，其中，土壤水分含量对植物生长的影响作用越来越大，在展叶盛期的贡献程度占主导作用。

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