全球气候变暖对中国东部生物物候和生态的影响

　　摘    要：　鉴于我国东部地区对全球气候变化的高度敏感性, 本文应用19602014年的CRU和Had ISST等全球地表 (地球表面的简称, 包括陆地和海洋表面, 下同) 温度再分析资料, 采用地理等温线和春、秋季 (代表月地表温度) 时间的变迁速度等指标, 分析了全球和中国东部地区的气候变化速度以及春、秋季物候的变化。结果显示: (1) 自1960年以来, 全球地表温度呈现十分清晰的上升趋势, 其中, 北半球 (陆地) 比南半球 (海洋) 变暖更显着, 地理等温线向两极方向迁移; (2) 南、北半球的春 (秋) 季明显提前 (滞后) ; (3) 中国东部地表温度呈快速上升趋势, 陆地升温虽普遍快于海洋, 但东部海域升温快于相邻的陆地, 地理等温线总体向北迁移, 海域的春、秋季物候变化较陆地显着; (4) 中国东部生物物候受气候变化影响明显, 海域地理等温线的北移受到沿岸地形的抑制, 海洋生物适应气候变化的能力受到限制, 海洋生态系统及生物多样性将面临气候变化带来的显着风险。

　　关键词：　中国东部地区; 气候变化; 物候;
 

　　Abstract：　Due to the high sensitivity and vulnerability to climate change in eastern China, based on the CRU (Climatic Research Unit) and Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature dataset) global surface temperature reanalysis data from 1960 to 2014, two measurement indexes, i.e. the geographic isotherm shift over time and the seasonal timing of surface temperature, are applied to analyze the velocity of climate change and phenology change across the globe and in eastern China. Results show that the global has experienced a significant warming trend during 1960–2014. The warming is faster in the Northern Hemisphere than in the Southern Hemisphere and on land than in the ocean. Meanwhile, the geographic isotherms basically move to the poles and spring arrives early and fall begins late in both hemispheres. East China exhibits a prominent warming trend over the decades, the surface temperature on land generallyrises faster than in the ocean, and geographic isotherms basically move northward. However, the surface temperatures in the East China seas rise much more rapid than on the adjacent lands, and the shift timing of surface temperature in the ocean is more remarkable than on land. Finally, the biological phenology in eastern China is obviously affected by the pace of climate change, and the movement of geographic isotherms is inhibited by land/sea boundaries, the ability of marine organisms to adapt to climate change is limited, and the marine ecosystem and biodiversity are facing a significant risk induced by climate change.

　　Keyword：　Eastern China; Climate change; Phenology;

　　1、 引言

　　近百年来全球气候正在经历显着的变暖, 陆地和海洋区域的气候与环境对此产生了显着的响应 (IPCC, 2014) , 并威胁到生态系统及生物多样性 (Sala et al., 2000) 。气候敏感物种的生存很大程度上可能主要取决于适应气候变化的速度 (Loarie et al., 2009) , 对于未能较好地适应气候变化速度的物种而言, 它们将面临更大的威胁 (Colwell et al., 2008) 。地球上生物与非生物的物候正在随着气候的变化而变化。具体而言, 全球气候变化背景下动植物的繁育、迁徙或开花、结果等生物生长发育过程, 以及初霜、结冰和解冻等非生物周期出现了异常。研究表明, 物种正在通过改变其地理分布和季节性演替规律以适应气候变化带来的影响 (Parmesan and Yohe, 2003;Thackeray et al., 2010) 。由于地球表面 (以下简称地表, 包括陆地和海洋表面) 存在较大的地形地貌等差异, 因而不同地区对气候变化的响应有较大的区别。其中, 海洋的升温速度虽然普遍比陆地的升温慢, 但是在大部分热带地区海洋的气候变化速度和温暖期 (即春、秋季) 的变化比陆地更为显着 (Burrows et al., 2011;Hoegh-Guldberg et al., 2014) 。因此, 全球不同地区气候变化的速度及其对物候的影响是一个值得关注的问题。

　　中国东部地区是中国经济最发达的区域, 位于东亚大陆东缘和北太平洋西岸, 包括中国东部和南部的海域, 是中国东部沿海地区以及中国近海区域 (渤海、黄海、东海和南海) 的总称。特别是, 中国近海区域为西北太平洋的边缘海, 有丰富的生物多样性和很高的生产力, 对中国东部沿海地区的可持续发展有重要作用, 该海域环境与生态对全球气候变化高度敏感 (蔡榕硕等, 2006;蔡榕硕等, 2010;Cai et al., 2016) 。近几十年来, 中国东部陆地和相邻的近海区域对全球气候变化的响应尤为突出, 近海区域的升温速度是全球平均的5倍 (谭红建等, 2016;Cai et al., 2017) , 海洋生物栖息环境和生态系统对海洋变暖的响应明显, 包括热带物种北移和优势物种季节性演替发生的变化等现象 (蔡榕硕等, 2010) 。随着全球气候变暖的加剧, 预计中国东部地区和邻近海域的生态系统及生物多样性将有更为明显的变化, 海洋生物生态也将面临更显着的气候变化影响和风险 (Hoegh-Guldberg et al., 2014;Cai et al., 2016) , 这将影响到中国东部沿海地区经济社会的可持续发展。

　　鉴于此, 我们有必要深入认识全球变暖背景下我国东部地区的气候变化及其对环境与生态的影响, 为该地区应对气候变化和可持续发展的环境管理与决策提供科学基础。气候变化包括温度、湿度和降水等要素的长期变化及其相互作用。相对于降水等要素的变化而言, 温度变化的速度和量级的不确定性较小, 因此, 以温度的变化来衡量气候变化的速度 (如, 地理等温线的迁移变化速度) 不失为一种较为有效的方法 (Loarie et al., 2009) 。

　　基于此, 本文采用年平均地表温度的气候变化速度[单位:km (10 a) -1] (Loarie et al., 2009) 、季节代表月平均地表温度出现时间的变迁速度[单位:d (10 a) -1]等指标 (Loarie et al., 2009;Burrows et al., 2011) , 以及全球地表温度的再分析数据资料, 分析了近几十年全球尺度范围内年平均地表温度的气候变化速度及春、秋季物候的变化, 研究了全球变暖背景下中国东部地区陆域及相邻海域平均地 (海) 表温度的气候变化速度以及春、秋季物候的演变, 探讨了中国东部地区的气候变化速度对生物物候和生态的可能影响, 以期加深我们对中国东部地区环境与生物生态对全球气候变化的响应认识, 进而希望为环境管理与适应对策提供科学参考。

　　2、 数据和方法

　　2.1、 数据

　　本文采用的资料: (1) 1960年1月至2014年12月的CRU (Climatic Research Unit, V3.23) 全球陆地表面温度, 分辨率0.5°×0.5°; (2) 1960年1月至2014年12月的Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set, V1.1) 全球海洋表面温度, 分辨率1°×1° (http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/data/download.Html[2017-09-01]) 。全球地表温度数据的融合处理及季节变率 (单位:°C d-1) 等计算方法见Burrow et al. (2011) 。

　　2.2、 方法

　　本文以年平均地表温度的长期变化趋势[单位:°C (10 a) -1]与其二维空间梯度 (单位:°C km-1) 的比值来代表气候变化速度[单位:km (10 a) -1] (以地理等温线的移动速度代表气候变化速度) (Loarie et al., 2009) , 以季节代表月平均地表温度的长期变化趋势[单位:°C (10 a) -1]与其季节变率 (单位:°C d-1) 的比值来表示代表性季节 (如春、秋季) 出现时间的变迁速度[单位:d (10 a) -1] (Burrows et al., 2011) , 并用来研究中国东部地区年平均地 (海) 表温度的气候变化速度及春、秋季物候时间的变化。其中, 中国东部地区和全球年平均地 (海) 表温度的长期变化趋势主要采用最小二乘法进行线性拟合。例如, 对于一个变量Y, 它的线性趋势k可以通过对i时刻的时间序列Yi的线性拟合获得, 具体方法如下所示:Yi=Y0+k Xi+εi, 斜率k为平均单位时间间隔内Y的线性变化量、变化趋势或者速率 (单位:°C a-1, 正数时表示地 (海) 表温度上升, 负数时表示下降) , Xi为Yi在时间区间1960~2014年内每年的值对应的时间, εi为引入的不确定误差项。由此, 时间的线性变化量ΔY就可由ΔY=k (Xi-X0) 获得。

　　本文的研究区域主要分为两部分: (1) 全球尺度的范围: (90°S~90°N, 0°~180°~0°) ; (2) 中国东部地区的陆域及相邻海域范围: (0°~45°N, 100°~140°E) 。但由于研究范围中的南北极区域地表温度的数据有所缺失, 且该区域变暖的特征主要为无冰期变长或冰层变薄, 因此, 本文缺省对该区域的研究。

　　3、 结果分析

　　3.1 全球地表温度的气候变化速度

　　图1为1960~2014年的全球地区 (不含极区) 年平均表面温度变化趋势[单位:°C (10 a) -1]的空间分布。由图可见, 全球表面温度的上升趋势十分明显, 北半球的升温趋势比南半球显着。一般地, 陆地的升温高于海洋, 其中, 欧亚大陆、美洲大陆的中高纬地区和非洲大陆北部的升温颇为显着, 南美大陆的东部地区升温也较明显。海洋中的大西洋、印度洋至西太平洋的升温较为显着, 其中, 副热带的大洋西边界流及其延伸体, 如黑潮和湾流的升温尤其明显, 而北太平洋的中、东部和南太平洋的东部及南部的局部海区, 如南半球大洋东部的上升流区有降温的现象。简言之, 最近60多年来, 全球地表显着变暖, 北半球尤为明显, 陆地比海洋升温快, 北印度洋、西北太平洋和北大西洋的变暖也较明显。

　　在中国东部地区的陆域及相邻海域 (0°~45°N, 100°~140°E, 图1中蓝色方框所示) 范围内, 从大陆东部的西北延伸至东部沿海地区升温趋势也较为明显, 中国近海 (渤海、黄海、东海和南海) 及相邻海域均有明显的升温趋势, 其中以台湾海峡以北和琉球群岛以西的中国渤海、黄海和东海 (本文简称为东中国海) 地区较为显着。

　　图2为全球地表年平均温度的二维空间梯度 (单位:°C km-1) 分布。由图可见, 全球范围内陆地表面温度的空间梯度一般要大于海洋, 海洋中热带海域表面温度 (SST) 的空间梯度最小。地球表面温度空间梯度较突出的区域有:欧亚大陆的青藏高原地区、格陵兰地区、南美大陆西部和大洋西边界流域, 如西北太平洋黑潮和大西洋湾流海域及其延伸区, 这些区域的表面温度梯度也比同纬度其他地区要大得多。由于陆域地表的地形地貌较为复杂, 地面的高程变化较大, 高海拔地区比平原地区的温度空间梯度较大, 如青藏高原地区及其邻近区域, 这些地区高程的变化导致地表温度的空间梯度也较大, 而海洋区域的表面较为均匀, 因而其表面温度的空间梯度也较小。在中国东部地区的陆域及相邻海域范围中, 陆域地表温度的空间梯度虽然一般要高于同纬度海域, 但局部如长江流域, 表面温度空间梯度较小, 因此, 其空间分布总体起伏较大。中国近海区域的SST空间梯度呈现自南向北逐步升高的现象, 其中, 热带海域SST的空间梯度最小, 而东中国海的SST空间梯度则最为显着。

　　图3为全球地表年平均温度的气候变化速度[单位:km (10 a) -1]空间分布。如前所述, 气候变化速度是以年平均地表温度的变化趋势[单位:°C (10 a) -1]与其空间梯度 (单位:°C km-1) 的比值来表示的。换言之, 这是以地球表面地理等温线的迁移速度来衡量并代表气候变化的速度 (Loarie et al., 2009) 。

　　图1 1960~2014年全球年平均地表温度的变化趋势[单位:°C (10 a) 1]。数据来源为CRU和Had ISST全球地表温度再分析资料, 下同Fig.1 Changing trend[units:°C (10 a) -1]of annual average global surface temperature during 1960–2014.Data are from CRU (Climatic Research Unit) and Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature dataset) global surface temperature reanalysis data, the same below

　　图2 1960~2014年全球年平均地表温度的二维空间梯度 (单位:°C km-1) 分布Fig.2 Spatial distribution of annual average global surface temperature gradient (units:°C km-1) during 1960–2014

　　由图3可见, 全球海洋中地理等温线 (白色等值线) 有向两极方向迁移的显着现象, 箭矢代表地理等温线移动的方向, 颜色表示移动速度的大小, 可以看出, 全球热带海洋地区的气候变化速度较大。但是, 太平洋地区中部和西南部地区局部海区有相反的现象。全球的各大陆也有类似现象, 北美大陆和欧亚大陆 (除了青藏高原及相邻地区外) 的地理等温线基本向北漂移;非洲大陆地理等温线大体以赤道为分界线有向两极方向迁移的明显现象;澳洲大陆的地理等温线基本向南极方向移动, 而南美大陆的变化则较不一致, 地理等温线向南、北等不同的方向迁移, 这可能与陆域地表高程不一相关。

　　图4为北 (南) 半球的春 (秋) 季代表月 (本文以4月份作为北 (南) 半球春 (秋) 季的代表月份) 地表温度 (代表性温度) 出现时间的变迁速度[单位:d (10 a) -1]。由图4可见:北 (南) 半球地区春 (秋) 季出现时间的变化, 正值表明季节代表月平均地表温度出现时间提前的速度[单位:d (10 a) -1], 负值表示季节代表月平均地表温度出现时间推迟的速度[单位:d (10 a) -1];赤道以北大部分地区, 春季提前到来, 而赤道以南大部分地区的秋季推迟结束, 其中, 热带地区的变化最为显着。值得注意的是北太平洋地区中部和南太平洋西南部局部海域以及大西洋的局部海区有相反的现象出现, 即春 (秋) 季推迟到来 (提前结束) 。

　　图3 1 9 6 0~2014年全球地表年平均温度的气候变化速度[单位:km (10 a) -1]空间分布。白色实线代表地表年平均温度的地理等温线;箭矢代表地表温度移动速度的方向;颜色深浅代表地表温度移动速度的大小;彩色阴影的正 (负) 值代表变暖 (冷) Fig.3 The velocity[units:km (10 a) -1]of climate change reflected in isotherms (white lines) moving of annual average global surface temperature during1 9 6 0–2014.Positive (negative) values indicate warming (cooling) areas (color shadings) ;white solid lines represent geographic isotherms;arrows and different colors illustrate the direction (perpendicular to isotherms) and magnitude of the velocity, respectively

　　图4 1960~2014年北 (南) 半球地区的春 (秋) 季代表月 (4月) 平均地表温度出现时间的变迁速度[单位:d (10 a) -1]。正 (负) 值代表提前 (滞后) Fig.4 Seasonal shift[units:d (10 a) -1]of spring in the Northern Hemisphere and fall in the Southern Hemisphere during 1960–2014.Seasonal shift is the change in timing of monthly temperature, shown for April, representing the Northern Hemisphere spring and the Southern Hemisphere fall.Positive values indicate the timing of season advances, negative values indicate the timing delays

　　图5为北 (南) 半球地区的秋 (春) 季 (代表月, 本文以10月份作为北 (南) 半球秋 (春) 季的代表月份) 平均地表温度出现时间的变迁速度。由图5可见:北半球赤道以北大部分地区秋季推迟到来或结束, 而南半球赤道以南大部分地区春季提前到来。同样从图中可以看到, 北太平洋地区中部、南太平洋西南部局部海域, 以及大西洋和印度洋的局海区有相反的现象, 即秋 (春) 季代表性时间的提前 (滞后) 。

　　由图4、图5可见, 以4、10月份为代表月的全球春、秋季月平均地表温度出现时间的变迁结果:南北半球的温暖期均普遍延长, 而寒冷期则均明显缩短。这表明地球表面大部分地区显着变暖, 并由此可以看到, 全球范围的春、秋季物候发生了较大的变化, 但也应注意到局部地区有相反的现象。

　　3.2、 中国东部地区的气候变迁及物候的变化

　　图6为1960~2014年中国东部地区年平均地表温度的变化趋势[单位:°C (10 a) -1]的空间分布 (图6b) , 以及陆地 (红色曲线) 和海洋 (蓝色曲线) 的年平均地表温度变化趋势[单位:°C (10 a) -1]的纬向平均 (图6a) 。由图6b可见, 中国东部地区除了西南局部区域外, 绝大部分区域均呈现明显的升温趋势, 其中, 陆地以内蒙古、华北地区, 海洋以东中国海 (渤海、黄海和东海) 的升温最为显着, 最高升温趋势可达到0.4°C (10 a) -1以上。由图6a可看到, 同纬度纬向平均的估算结果显示, 中国东部地区的大部分亚热带地区 (21°~33°N, 大约为海南岛以北, 济洲岛以南) 海洋的升温速率要高于同纬度的陆地, 而北部的温带地区和南部的热带地区及其相邻的中南半岛的陆地升温速率则要高于海洋。

　　图5 同图4, 但为10月份的变迁速度Fig.5 As in Fig.4, but for the Northern Hemisphere fall and Southern Hemisphere spring, shown for October

　　图6 1960~2014年中国东部地区年平均的地表温度变化趋势[单位:°C (10 a) -1]的 (a) 纬向平均、 (b) 空间分布。图a中, 红 (蓝) 色曲线代表陆地 (海域) 年平均表面温度变化趋势Fig.6 (a) Zonal mean, (b) spatial pattern of trends[units:°C (10 a) -1]in annual average surface temperature in eastern China during 1960–2014.In Fig.a, red (blue) line represents trends of annual mean surface temperatures for the land (ocean)

　　图7为中国东部地区年平均地表温度的二维空间梯度 (单位:°C km-1) 分布。由图可见, 温带、亚热带地区 (22°~45°N) 的空间梯度要高于热带地区 (0°~22°N, 热带北缘大约以中国大陆南部沿海为界) 。在温带和亚热带地区的陆地和海洋各占两大部分, 地形地貌较为复杂, 地表温度的空间梯度较大, 而热带地区则以海洋区域为主, 表面较为均匀, 地表温度的空间梯度较小。

　　图8为中国东部地区年平均地表温度的气候变化速度[地理等温线迁移速度, 单位:km (10 a) -1]空间分布。由图8a可见, 地表升温趋势高 (图6) 或空间梯度小 (图7) 的地区, 地理等温线迁移的速度要大。中国东部地区陆域及相邻海域的气候变化速度 (等温线的变化速度) 较显着, 总体有向北迁移的明显态势, 其中, 中国东部陆域地理等温线基本向北漂移, 而近海区域的东中国海地理等温线主要向西北方向的海岸线迁移, 而南中国海的地理等温线主要向北移动。这表明无论是陆域, 还是海域, 升温区域总体向北快速扩展, 南中国海地理等温线的迁移速度比东中国海快, 变化程度从1 km (10 a) -1至20 km (10 a) -1以上。总体而言, 热带海域的气候变化速度大于陆域, 但在同纬度地区, 海域的气候变化速度基本大于相邻陆域。此外, 中国东部陆域地表温度的气候变化速度并不一致, 主要以内蒙古、华北地区及其向华东地区延伸的区域较为突出。

　　图9为中国东部地区包括中国近海区域春季代表月表面温度出现时间的变迁速度。由图可看出, 中国东部地区陆域的春季 (以4月为代表) 正在以1~3 d (10 a) -1的速度普遍提前到来, 但是, 值得注意的是, 在中国东部西南局部地区春季有推迟到来的现象, 这可能与局地气候变化有关, 这也表明中国东部地区气候变化的空间差异较为显着。中国近海区域春季提前到来的速度是中国东部大陆的3~5倍, 其中, 东中国海局部春季的时间甚至提早5 d (10 a) -1以上到来。位于热带海域的南中国海, 春季以约2~5 d (10 a) -1的速度提前到来, 这比位于亚热带和温带地区的渤海、黄海和东海 (东中国海) 春季提前到来的速度更为显着。然而, 在东中国海域的黄海和东海, 有西南—东北走向的带状区域春季提前出现的速度明显比相邻区域更快, 这是由于该区域气候变暖趋势更强的原因, 如图6所示。

　　图7 1960~2014年中国东部地区年平均地表温度的空间梯度 (单位:°C km-1) 分布Fig.7 Spatial distribution of annual average surface temperature gradient (units:°C km-1) in eastern China during 1960–2014

　　图8 1960~2014年中国东部地区年平均地表温度的气候变化速度[单位:km (10 a) -1]空间分布。白色实线代表中国东部地区年平均地表温度的地理等温线, 箭矢代表地表温度移动速度的方向, 颜色深浅代表地理等温线移动速度的大小Fig.8 The velocity[units:km (10 a) -1]of climate change reflected in isotherms (white lines) moving of annual average surface temperature in eastern China during 1960–2014.White solid lines represent geographic isotherms;arrows and different colors illustrate the direction (perpendicular to isotherms) and magnitude of the velocity, respectively

　　图10为中国东部地区包括近海区域秋季代表月平均地表温度出现时间的变迁速度。由图可看出, 中国东部地区的秋季 (以10月为代表) 正在以1 d (10 a) -1的速度普遍延后结束。同样值得注意的是, 中国东部西南局部地区的秋季反而以-0.5 d (10 a) -1a的速度提前结束。这也说明该地区存在与其他地区不同的气候变化现象。中国近海区域秋季延期结束的速率 (图10a中蓝线, 负值代表滞后) 是中国东部大陆的2~5倍 (图10a中红线) , 而位于热带海域的南中国海的秋季结束时间远比亚热带和温带的渤海、黄海和东海更为滞后。此外, 东中国海区域秋季延期结束的速度也比相邻区域明显, 这是由于该区域气候变暖趋势更强的原因, 如图6所示。

　　图9、图10的结果显示:过去60多年来, 中国东部地区的春、秋季时间变长, 即温暖期明显延长, 即中国东部地区的物候有显着变化;中国近海区域物候变化比陆地明显, 东中国海的变化尤其突出。预计这一现象随着全球变暖的加剧还将持续, 而东中国海出现热带化的现象可能比陆地更为严重。

　　4、 讨论

　　4.1、 中国东部气候变迁对生物物候的影响

　　上述分析结果表明, 近几十年来全球变暖背景下中国东部地区出现明显的气候变迁, 包括区域气候呈现快速变暖的趋势, 地理等温线以1 km (10a) -1至20 km (10 a) -1以上的速度向北快速扩展, 其中, 东中国海的气候变暖趋势比相邻同纬度地区的陆域更显着。由此可预见, 随着全球气候的进一步变暖, 中国东部地区的局部, 如位于亚热带的东中国海将可能逐渐出现热带化的现象, 而温带部分地区也将逐步演变为暖温带, 其中, 东中国海、内蒙古和华北等地区的变化较为严重。图9、图10揭示的中国东部地区无论是陆域, 还是海域, 春、秋季物候的变化是较为显着的, 并且, 很可能随着气候变暖的加剧将进一步愈加显着。

　　已往的研究指出, 全球变暖前景下中国气候带的界线北移, 地理气候带的分布将发生较大的变化, 并形成干湿地区分布的新格局 (缪启龙等, 2009) 。一般春季气温每上升0.5°C和1°C, 物候期提前2 d和3.5 d;反之, 气温下降0.5°C和1°C, 物候期平均推迟4 d和8 d (丁抗抗等, 2010;Zheng et al., 2002) 。对于陆域植物而言, 为适应气候变化, 中国木本植物有春季物候提前的现象, 但空间差异较明显, 且物候期的提前与推迟对温度变化的响应是非线性。例如, 近30年来, 由于气候变暖, 东北地区如哈尔滨的春、秋季植物的物候开始日期显着提前, 且长度明显延长, 而冬季的物候开始日期则延迟 (徐韵佳等, 2015) , 但是, 西南东部和长江中游等局部地区的春季物候甚至有推迟现象 (吴绍洪等, 2012) 。这与图9、图10所示的中国东部西南局部地区的春、秋季物候的变化基本一致。此外, 春季树木开花物候与气温的变化基本对应, 但变化幅度不一致 (Lu et al., 2006) 。

　　4.2、 中国东部气候变迁对生物生态的影响

　　由于地球表面的大部分生物对于气候与环境条件的变化敏感, 具有感知温度等环境条件变化的能力, 并能通过自组织的调节来适应这种变化, 从而达到维持生物自身和生态系统的稳定。因此, 地表大部分的生物自身特征或其地理分布通常会随着区域气候与环境特别是温度的变化而变化, 如沿着地理等温线的迁移方向而迁徙, 包括向两极方向转移, 向高处移动, 或改变与调整生物自身的物候, 以适应气候变暖。

　　随着气候变暖的加剧和气候带的北移, 中国植被带的范围、面积和界限有相应变化, 如植被带向高纬或向西移动, 包括森林带和适生树种向北推进等 (李克让等, 2006) 。其中, 林线位置对气候变暖有明显的响应, 出现林线升高的现象 (吕佳佳和吴建国, 2009) 。如, 东北长白山岳桦的树高对气候变暖有显着的响应 (王晓东和刘慧清, 2012) , 且岳桦的种群呈现整体向上迁移的趋势, 分布范围从海拔1900~1950 m扩展至2150 m (周晓峰等, 2002) 。近几十年来, 在中国东部近海或海湾尤其是亚热带水域, 出现浮游生物、游泳动物等的暖水种数量增加, 暖温种下降, 物种的地理分布北移, 春季物种演替提前, 以及持续时间延长等现象 (蔡榕硕等, 2010;孙晓霞等, 2011;林更铭和杨清良, 2011;Yanet al., 2016;唐森铭等, 2017) 。但是, 需要指出的是生物物种适应气候变化, 如温度的上升也是有限的。当气候与环境条件的变化超出其自身适应和调节能力时, 生物物种自身直至生态系统的结构和功能将遭受到破坏, 甚至引起不可逆的变化。如, 极端海温导致海洋珊瑚的白化与死亡 (HoeghGuldberg et al., 2014) 。

　　图9 1960~2014年中国东部地区包括中国近海区域春季代表月 (4月) 平均地表温度出现时间迁移速度[单位:d (10 a) -1]的 (a) 纬向平均、 (b) 空间分布。图a中, 红 (蓝) 色曲线代表陆地 (海域) 春季代表月地表温度出现时间的迁移速度纬向平均, 正值代表春季提早到来, 负值反之Fig.9 (a) Zonal mean, (b) spatial pattern of seasonal shift[units:d (10 a) -1]of average surface temperature in spring in eastern China and offshore China area during 1960–2014.The change in timing of monthly temperature, shown for April.In Fig.a, red (blue) line represents seasonal shift of surface temperature for the land (ocean) , positive (negative) values indicate the timing advances (delays)

　　图1 0 同图9, 但为秋季 (10月) 的变迁速度Fig.10 As in Fig.9, but for seasonal shift[units:d (10 a) -1]of average surface temperature in autumn (October)

　　图8b显示中国近海地理等温线主要是向北和西北方向的海陆分界线, 即海岸线方向移动, 这也预示着为了适应气候变暖, 海洋生物物种为保持其生态位, 也将随地理等温线向海岸线方向移动。由此可见, 海洋生物的迁移必然终将受到海岸线的阻隔, 迁徙的生物在到达陆海分界线之后将“无处可去”, 最终可能因无法适应海温的持续上升而在本地区内消失或灭绝。而随着海洋生物跟随地理等温线的北移, 海洋生物地理分布出现明显变化, 区域内海洋生物的群落结构、物种丰富度和多样性等也将发生变化, 这可能会发生由于本地物种外移后的缺位而导致外来物种入侵的加剧, 从而可能对渔业和水产养殖业带来较大的影响。在海洋持续变暖的背景下, 中国近海区域如位于热带地区南中国海南部的海洋生物将不断向北迁徙, 之后, 能补位的热带生物必将趋于单一和稀缺, 而不能或难于长距离迁徙的海洋生物, 其物种数量有趋于减少和优势种趋于单一化的现象 (林更铭和杨清良, 2011;Yan et al., 2016;唐森铭等, 2017) 。此外, 污水排海、过度捕捞和失衡的围填海等人类活动则削弱了海洋生物和生态系统对气候变暖的适应能力, 加剧了中国近海和海岸带生态系统对气候变化的敏感性和脆弱性 (Cai et al., 2016) 。因此, 可以预计, 在气候变化叠加人类活动的影响下, 中国东部地区包括近海区域的生态系统及生物多样性将面临着极大的气候与环境风险。

　　5、 结论

　　本文应用1960至2014年的CRU和Had ISST等全球地表温度再分析资料, 分析了全球和中国东部地区的气候变化速度以及春、秋季物候的变化及其对生物生态的影响。主要结论如下:

　　自20世纪60年代以来, 全球范围内表面温度的上升趋势十分明显。这表明全球范围变暖显着, 其中, 北半球比南半球变暖显着, 陆地与海洋相比升温较快, 北印度洋、西北太平洋和北大西洋的变暖较明显, 地理等温线主要向两极方向迁移。在全球变暖背景下, 南、北半球春季普遍提前到来, 而秋季明显滞后结束。即地球表面大部分地区的温暖期普遍延长, 而寒冷期明显缩短, 全球范围内春、秋季物候发生了较大的变化。

　　在全球变暖背景下中国东部地区地表温度呈现快速上升的趋势, 其中, 陆地快速增温区域以内蒙古、华北地区等处显着, 而中国近海区域范围内以东中国海 (渤海、黄海和东海) 的升温最为显着。其中, 陆域尤其是内蒙古、华北地区的显着升温可能与欧亚大气环流的年代际异常有关 (Cai et al., 2016) , 还可能与土地开发利用导致地表植被覆盖率的变化及由此引起的地表蒸发、反照率的变化相关 (Gao et al., 2003) 。近几十年来, 中国近海尤其是东中国海的持续快速变暖既是由于北太平洋西边界流黑潮暖水入侵陆架的增强, 也是海气热通量的变化所导致的 (Cai et al., 2017) 。简言之, 受全球气候变暖的影响, 中国东部地区地理等温线总体向北方迁移, 且东中国海的变化要快于相邻陆地。

　　与全球表面温度变化趋势的陆海分布状况有所不同, 东中国海的升温快于相邻的陆地。中国东部地区的物候变化明显, 春、秋季物候的变化也较相邻陆地更为显着, 生物生态受气候变化的影响明显。由于中国近海区域地理等温线的北移受到大陆海岸线的抑制, 海洋生物和生态系统适应气候变化的能力将受到限制, 而在气候变化尤其是叠加人类活动的影响下, 中国近海区域的海洋生态系统及生物多样性将面临很大的气候与环境变化的显着风险。

　　在全球变暖背景下中国东部地区的气候变迁及其对物候的影响颇为显着。一方面, 中国东部地区的气候变迁对区域内特别是不同地区生物和非生物的物候有显着影响;然而, 不同地区物候变化的成因及其未来的变化趋势呈现较显着的局部或区域性特征, 且不是十分清晰。另一方面, 不同地区物候的变化对于农业的粮食产量、水产养殖业的动物蛋白供给可能有不同程度的影响, 这关系到中国东部地区经济社会的可持续发展。因此, 这些问题还有待我们今后的进一步研究, 以期为中国东部地区应对气候变化以及经济社会可持续发展提供科学决策依据。

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