極端氣溫變化對(duì)湘西北物候的影響

周 威，陳 科，黃 萍

（1.張家界市氣象局，湖南 張家界 427000；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；3.常德市氣象局，湖南 常德 415000）

物候現(xiàn)象可以用來(lái)評(píng)價(jià)氣候環(huán)境因素對(duì)動(dòng)植物影響的總體效果［1］。在全球氣候變暖的背景下，物候已經(jīng)受到明顯影響。中國(guó)從1980年以來(lái)，東北、華北及長(zhǎng)江下游地區(qū)站點(diǎn)的物候期提前［2］。廣東省木本植物、動(dòng)物春季物候期明顯提前，且植物、動(dòng)物春季物候期的提前與推遲對(duì)溫度的上升與下降的響應(yīng)是非線性的［3］。受氣候變化影響，川渝地區(qū)的仁壽春始期略微推遲［4］。福建省不同地區(qū)各植物物候期變化趨勢(shì)有所不同，烏桕大部分站點(diǎn)春季物候期的變化趨勢(shì)較為一致，呈提前趨勢(shì)，每10年提早3.57～29.27 d；楝樹(shù)、桂花、木棉春季物候期略有延遲，各植物生長(zhǎng)季均有所延長(zhǎng)［5］。銀杏最佳觀賞期與各氣溫要素存在顯著負(fù)相關(guān)，其最佳觀賞期短期氣候預(yù)測(cè)模型通過(guò)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，效果較理想［6］。眾多研究表明，植物物候的展葉、開(kāi)花、落葉和動(dòng)物物候的始見(jiàn)、絕見(jiàn)等與氣候環(huán)境因素息息相關(guān)，這些研究工作一般主要分析某一地區(qū)、某一種物候指標(biāo)，又或者研究較長(zhǎng)時(shí)間的、全國(guó)的、某一特定的物候資料，分析中國(guó)物候的基本變化特征，而對(duì)于湖南省的物候與氣候相關(guān)的研究還較少，特別是對(duì)湘西北地區(qū)的物候與氣候研究更少，同時(shí)，中國(guó)各區(qū)域、各省的氣候變化并不一致，各地物候變化也有其地域性和差異性。

湘西北地區(qū)地勢(shì)變化較大，海拔從幾十米到2 000多米，地貌復(fù)雜多樣，有平原、喀斯特地貌、張家界地貌等；氣候多變，災(zāi)害多發(fā)，氣候和物候的變化對(duì)湘西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展有較大影響。因此，研究該區(qū)域氣候變化對(duì)物候的影響，摸清并掌握相關(guān)規(guī)律、機(jī)理，在預(yù)報(bào)農(nóng)時(shí)、監(jiān)測(cè)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境、預(yù)測(cè)和鑒定氣候變化趨勢(shì)等方面有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

本研究中湘西北主要是指位于湖南省西北部的張家界、常德、湘西土家族苗族自治州（簡(jiǎn)稱(chēng)湘西州）3個(gè)地級(jí)市（州），介于109°10′—112°17′E、27°44′—30°07′N(xiāo)，土地總面積43 485 km2，占湖南省面積的20.4%，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)在湖南省的位置及地形特征

研究區(qū)有“川黔咽喉，云貴門(mén)戶(hù)”之說(shuō)，受地貌和季風(fēng)環(huán)流的影響，屬于大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候類(lèi)型，主要災(zāi)害有暴雨、洪澇、干旱、低溫凍害、連陰雨、寒潮、山體滑坡、泥石流等。研究區(qū)有18個(gè)國(guó)家氣象站、1個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站、3個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站。本研究利用張家界、常德、湘西州3個(gè)市（州）的物候觀測(cè)資料及常規(guī)氣象觀測(cè)資料分析極端氣溫變化對(duì)湘西北自然物候的影響，研究物候與極端氣溫之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

資料分為物候資料和氣象資料。①物候資料分為動(dòng)物、植物2類(lèi)，其中動(dòng)物主要包括兩棲類(lèi)青蛙，候鳥(niǎo)類(lèi)家燕，物候期選定為青蛙始、終鳴期，家燕始、絕見(jiàn)期；植物主要包括椿樹(shù)、梓樹(shù)、桃樹(shù)、核桃樹(shù)，物候期選定為葉芽開(kāi)放期、展葉期、開(kāi)花期、落葉末期。物候資料來(lái)源于常德國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，桑植、古丈、澧縣國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站。②氣象資料來(lái)源于2個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站（石門(mén)、吉首）、3個(gè)國(guó)家基本氣象站（常德、桑植、保靖）、13個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站（古丈、澧縣等）。所有植物觀測(cè)期間品種無(wú)變化，定位觀測(cè)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)、方法統(tǒng)一按照規(guī)范［7］要求進(jìn)行。

2.2 研究方法

氣象資料和物候資料通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)為無(wú)量綱參數(shù)，采用一次線性方程來(lái)定量描述各物理量的變化趨勢(shì)，用線性?xún)A向估計(jì)法、相關(guān)分析法分析物候期［8］及與極端氣溫的關(guān)系，用SPSS進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)［9］。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫變化特征

3.1.1 空間特征 2000—2018年湘西北年平均極端最高氣溫在28.3～30.6℃（圖2a），其中慈利站最高，龍山站最低，2個(gè)站點(diǎn)相差2.3℃。極端最高氣溫張家界3個(gè)站點(diǎn)（張家界、桑植、慈利）平均為30.1℃，常德7個(gè)站點(diǎn)（常德、桃源、漢壽、臨澧、澧縣、安鄉(xiāng)、石門(mén)）平均為29.5℃，湘西州8個(gè)站點(diǎn)（吉首、花垣、保靖、古丈、永順、龍山、瀘溪、鳳凰）平均為29.1℃；張家界與湘西州相差1.0℃?？傮w上，湘西北地區(qū)極端最高氣溫呈中部高（張家界）、東西兩邊（常德、湘西州）低的空間分布趨勢(shì)。

圖2 2000—2018年湘西北年平均極端氣溫分布

由圖2b可見(jiàn)，2000—2018年湘西北年平均極端最低氣溫在8.2～9.5℃，其中慈利站最高，古丈站最低，2個(gè)站點(diǎn)相差1.3℃。極端最低氣溫張家界3個(gè)站點(diǎn)平均為9.0℃，常德7個(gè)站點(diǎn)平均為9.0℃，湘西州8個(gè)站點(diǎn)平均為8.6℃。極端最低氣溫的差值不明顯，張家界、常德與湘西州相差0.4℃。

3.1.2 時(shí)間特征 由圖3可見(jiàn)，2000—2018年湘西北平均極端最高氣溫波動(dòng)較大，其中張家界呈略增加的趨勢(shì)，常德、湘西州呈略減少的趨勢(shì)（未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)）。3地年平均極端最高氣溫2009年最高，2012年最低，最高值與最低值平均相差3.2℃。年平均極端最低氣溫的變化幅度沒(méi)有極端最高氣溫大，其中張家界、湘西州呈略增加的趨勢(shì)，常德呈略減少的趨勢(shì)（未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)）。湘西北年平均極端最低氣溫2014年最高、2011年最低，最高值與最低值相差1.6℃。在空間分布上，張家界極端最高氣溫明顯高于常德、湘西州，極端最低氣溫與常德相差不大，明顯高于湘西州。

圖3 2000—2018年湘西北平均極端最高、最低氣溫年變化

3.2 物候變化特征

3.2.1 動(dòng)物物候變化特征 由圖4a可見(jiàn)，青蛙始鳴的最大振幅出現(xiàn)在桑植，為41 d，家燕始見(jiàn)的最大振幅出現(xiàn)在古丈，為65 d。桑植家燕始見(jiàn)期呈提前趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.907，通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)，15年來(lái)提前約34 d。桑植青蛙始鳴期呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.492，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，15年來(lái)推遲約13 d。澧縣家燕始見(jiàn)期與桑植相反，呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.427，通過(guò)0.1水平的顯著性檢驗(yàn)，18年來(lái)推遲約7 d。古丈青蛙始鳴期與桑植一致，呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.515，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，18年來(lái)推遲約13 d。常德青蛙始鳴期、家燕始見(jiàn)期變化不明顯。

由圖4b可見(jiàn)，青蛙終鳴期、家燕絕見(jiàn)期的最大振幅均出現(xiàn)在桑植，分別為106、102 d。桑植青蛙終鳴期、家燕絕見(jiàn)期均呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)分別為0.886、0.930，均通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。澧縣青蛙終鳴期、常德家燕絕見(jiàn)期與桑植一致，亦呈推遲趨勢(shì)，其中澧縣青蛙終鳴期相關(guān)系數(shù)為0.497，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，常德家燕絕見(jiàn)期相關(guān)系數(shù)為0.762，通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。古丈青蛙終鳴期與桑植、澧縣相反，呈提前趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.771，通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 湘西北動(dòng)物物候年際變化

湘西北青蛙始鳴期集中出現(xiàn)在3月中旬至4月上旬（3月16日至4月4日），青蛙始鳴期以常德、澧縣為最早；10多天后，古丈青蛙始鳴；再過(guò)7 d左右，桑植青蛙始鳴。家燕始見(jiàn)期集中出現(xiàn)在3月下旬至4月上旬（3月21日至4月8日），家燕始見(jiàn)期以常德、古丈為最早；9 d后，澧縣家燕始見(jiàn)，再過(guò)9 d左右，桑植家燕始見(jiàn)。

青蛙終鳴期集中出現(xiàn)在7月底至11月初，以桑植為最早，半個(gè)月后，古丈青蛙終鳴，2個(gè)月后，澧縣青蛙終鳴，再過(guò)10d左右，常德青蛙終鳴。家燕絕見(jiàn)期集中出現(xiàn)在8月下旬至10月下旬，以桑植為最早，2個(gè)月后，常德、古丈家燕絕見(jiàn)，再過(guò)5 d左右，澧縣家燕絕見(jiàn)。

桑植青蛙的始鳴晚、終鳴早，活動(dòng)期約116 d，其次為古丈的138 d，澧縣、常德最長(zhǎng)，約230 d。桑植家燕的始見(jiàn)晚、絕見(jiàn)早，活動(dòng)期約138 d，其次為澧縣的214 d，古丈、常德最長(zhǎng)，約218 d。

3.2.2 植物物候變化特征 由表1可見(jiàn)，2000—2018年湘西北的桑植梓樹(shù)葉芽開(kāi)放期集中出現(xiàn)在2月中旬至3月中旬（2月18日至3月17日），最大振幅為28 d，平均出現(xiàn)日期是3月10日；葉芽開(kāi)放后10 d左右為展葉期，展葉期最大振幅為30 d，梓樹(shù)落葉末期為10月中旬至11月下旬（10月16日至11月29日）。梓樹(shù)葉芽開(kāi)放、展葉、落葉末期均呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)分別為0.616、0.752、0.664，均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，每10年分別推遲10、13、18 d。整個(gè)梓樹(shù)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度延長(zhǎng)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，梓樹(shù)葉芽開(kāi)放到落葉末期總?cè)諗?shù)平均為250 d。

表1 2000—2018年湘西北植物物候統(tǒng)計(jì)特征

古丈核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期集中出現(xiàn)在2月中旬至3月下旬（2月13日至3月23日），最大振幅為38 d；葉芽開(kāi)放后17 d左右為展葉期，展葉期最大振幅為28 d；展葉過(guò)后15 d進(jìn)入開(kāi)花期，開(kāi)花期最大振幅為31 d；核桃樹(shù)落葉末期在9月下旬至12月中旬（9月28日至12月18日）。核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期呈提前趨勢(shì)，展葉、開(kāi)花、落葉末期均呈推遲趨勢(shì)，整個(gè)核桃樹(shù)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度延長(zhǎng)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放至落葉末期總?cè)諗?shù)平均為248 d。

桃樹(shù)因地域不同，物候期亦表現(xiàn)出不同。常德桃樹(shù)的葉芽開(kāi)放期比澧縣早10 d左右，展葉、開(kāi)花期均比澧縣早3 d左右，兩地的桃樹(shù)落葉末期較一致。常德桃樹(shù)葉芽開(kāi)放、落葉末期呈推遲趨勢(shì)，展葉、開(kāi)花期呈提前趨勢(shì)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。澧縣桃樹(shù)的葉芽開(kāi)放、展葉、開(kāi)花均呈提前趨勢(shì)，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，桃樹(shù)落葉末期呈推遲趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.878，通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。常德桃樹(shù)的生長(zhǎng)季變化不明顯，澧縣桃樹(shù)的整個(gè)生長(zhǎng)季正在延長(zhǎng)，葉芽開(kāi)放至落葉末期總?cè)諗?shù)平均為227 d，相關(guān)系數(shù)為0.764，通過(guò)0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。

總的來(lái)說(shuō)，湘西北的梓樹(shù)、桃樹(shù)、核桃樹(shù)的整個(gè)生長(zhǎng)季物候期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，與全國(guó)其他地區(qū)的植物物候期變化特征類(lèi)似。如衡水大部分植物物候期比2010年延長(zhǎng)15～30 d不等［10］；成都桃花物候期對(duì)氣候變化高度敏感，桃花盛花期前3個(gè)月和前1個(gè)月溫度升高1℃，盛花期分別提前6.47 d和4.16 d［11］；甘肅白刺的物候期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)期均推遲，但生長(zhǎng)季出現(xiàn)了延長(zhǎng)現(xiàn)象［12］。

3.3 物候與極端氣溫的相關(guān)性

3.3.1 動(dòng)物物候與極端氣溫的相關(guān)性 由表2可見(jiàn)，湘西北各地的動(dòng)物受極端氣溫的影響，各物候期表現(xiàn)略有不同，極端最高氣溫比極端最低氣溫對(duì)動(dòng)物的影響更明顯。桑植青蛙始鳴期與極端最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為6月＞8月＞4—9月，均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表示桑植青蛙始鳴的日期越早，對(duì)應(yīng)年份的6月、8月的極端最高氣溫相對(duì)越高，亦即桑植青蛙始鳴的日期越晚，則6月、8月的極端最高氣溫越低。常德家燕絕見(jiàn)期與6月極端最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.682，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明常德家燕絕見(jiàn)期越早，6月的極端最高氣溫越高。澧縣青蛙終鳴期與2月極端最高氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.487，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

表2 湘西北動(dòng)物物候與極端氣溫的相關(guān)系數(shù)

極端最低氣溫與動(dòng)物物候的相關(guān)性沒(méi)有極端最高氣溫顯著，僅表現(xiàn)在桑植家燕絕見(jiàn)期與4—9月極端最低氣溫呈顯著正相關(guān)，古丈家燕始見(jiàn)期與7月的極端最低氣溫呈顯著正相關(guān)。

桑植家燕始見(jiàn)期與7月極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.638，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，7月極端最高氣溫每上升1℃，桑植家燕始見(jiàn)日期提前7.7 d，見(jiàn)圖5a。澧縣家燕絕見(jiàn)期與8月極端最高氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.582，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，8月極端最高氣溫每上升1℃，澧縣家燕絕見(jiàn)日期則推遲6.6 d，見(jiàn)圖5b?？梢?jiàn)極端最高氣溫是影響多地青蛙始終鳴、家燕始絕見(jiàn)的主要限制因子。

圖5 家燕始見(jiàn)、絕見(jiàn)期與極端最高氣溫的關(guān)系

3.3.2 植物物候與極端氣溫的相關(guān)性 植物物候與極端氣溫的相關(guān)性跟動(dòng)物物候有些類(lèi)似，表現(xiàn)在多地多物種物候期與極端最高氣溫的相關(guān)性較顯著，而與極端最低氣溫的相關(guān)性不太明顯，見(jiàn)表3。由表3可知，常德、澧縣的桃樹(shù)和古丈的核桃樹(shù)主要受極端最高氣溫的影響。常德桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期與2月極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.472，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表示常德桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期越早，則2月極端最高氣溫相對(duì)越高，亦即極端最高氣溫對(duì)葉芽的開(kāi)放有促進(jìn)作用。澧縣桃樹(shù)展葉期與極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為2—3月＞1—3月＞1—2月，均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。澧縣桃樹(shù)開(kāi)花期與2—3月極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.459，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，2—3月極端最高氣溫每上升1℃，澧縣桃樹(shù)開(kāi)花期提前1.0 d（圖6a）。氣溫是影響花期早晚的重要因子，且開(kāi)花提早可提高坐果率。

表3 湘西北植物物候與極端氣溫的相關(guān)系數(shù)

古丈核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期與2月極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.609，通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，2月極端最高氣溫每上升1℃，古丈核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期提前1.4 d（圖6b）。古丈核桃樹(shù)開(kāi)花期與上年12月的極端最高氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.460，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；古丈核桃樹(shù)落葉末期與1月極端最高氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.617，通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 澧縣桃樹(shù)開(kāi)花期、古丈核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期與極端最高氣溫的關(guān)系

極端最低氣溫與植物物候的相關(guān)性沒(méi)有極端最高氣溫顯著，僅表現(xiàn)在古丈核桃樹(shù)開(kāi)花期、澧縣桃樹(shù)落葉末期與上年12月極端最低氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.496、0.519，均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。這表明上年12月極端最低氣溫越高，古丈核桃樹(shù)開(kāi)花期越晚，澧縣桃樹(shù)落葉末期亦推遲。

4 結(jié)論

1）湘西北地區(qū)極端最高氣溫在28.3～30.6℃，最高（慈利）與最低（龍山）相差2.3℃，空間分布上呈中間高、兩邊低的趨勢(shì)。平均極端最高氣溫張家界為30.1℃，常德為29.5℃，湘西州為29.1℃。極端最低氣溫在8.2～9.5℃，最高（慈利）與最低（古丈）相差1.3℃，極端最低氣溫的差值沒(méi)有極端最高氣溫大。平均極端最低氣溫張家界為9.0℃，常德為9.0℃，湘西州為8.6℃。

2）湘西北平均極端最高氣溫波動(dòng)較大，張家界呈略增加的趨勢(shì)，常德、湘西州呈略減少的趨勢(shì)（未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)）。年平均極端最高氣溫的變化幅度大于極端最低氣溫。湘西北年平均極端最低氣溫在2014年最高、2011年最低；在空間分布上，張家界極端最高氣溫明顯高于常德、湘西州，張家界極端最低氣溫與常德相差不大，明顯高于湘西州。

3）青蛙、家燕受極端最高氣溫影響明顯，不同地域反應(yīng)不一。桑植青蛙始鳴與古丈青蛙始鳴期一致，呈推遲趨勢(shì)；桑植家燕始見(jiàn)期呈提前趨勢(shì)，15年來(lái)提前約34 d。澧縣家燕始見(jiàn)期與桑植相反，呈推遲趨勢(shì)，18年來(lái)推遲7 d。常德青蛙始鳴、家燕始見(jiàn)期變化不明顯。桑植青蛙終鳴、家燕絕見(jiàn)期均呈推遲趨勢(shì)。澧縣青蛙終鳴、常德家燕絕見(jiàn)期與桑植一致，亦呈推遲趨勢(shì)。古丈青蛙終鳴期與桑植、澧縣相反，呈提前趨勢(shì)。桑植青蛙的始鳴晚、終鳴早，活動(dòng)期約116 d，其次為古丈的138 d，澧縣、常德最長(zhǎng)，約230 d。桑植家燕的始見(jiàn)晚、絕見(jiàn)早，活動(dòng)期約138 d，其次為澧縣的214 d，古丈、常德最長(zhǎng)，約218 d。

4）氣溫是制約植物物候期的關(guān)鍵氣象因子，與許多木本植物物候研究的結(jié)論一致［13-17］。湘西北多個(gè)植物物候與極端最高氣溫的相關(guān)性較顯著，與極端最低氣溫的相關(guān)性不太明顯。極端最高氣溫每上升1℃，澧縣桃樹(shù)開(kāi)花期則提前1.0 d，2月極端最高氣溫每上升1℃，古丈核桃樹(shù)葉芽開(kāi)放期提前1.4 d。

5）植物物候期是生物因素和環(huán)境因素的綜合反映［18］，本研究?jī)H基于氣溫對(duì)物候變化的影響進(jìn)行探討，可能存在一定的片面性，后續(xù)工作中將進(jìn)一步研究其他環(huán)境因素。