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        極端氣溫變化對湘西北物候的影響

        2021-06-29 09:26:58威,陳科,黃
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年11期

        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)湖南省重點實驗室,長沙 410118;3.常德市氣象局,湖南 常德 415000)

        物候現(xiàn)象可以用來評價氣候環(huán)境因素對動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。中國從1980年以來,東北、華北及長江下游地區(qū)站點的物候期提前[2]。廣東省木本植物、動物春季物候期明顯提前,且植物、動物春季物候期的提前與推遲對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有所不同,烏桕大部分站點春季物候期的變化趨勢較為一致,呈提前趨勢,每10年提早3.57~29.27 d;楝樹、桂花、木棉春季物候期略有延遲,各植物生長季均有所延長[5]。銀杏最佳觀賞期與各氣溫要素存在顯著負相關(guān),其最佳觀賞期短期氣候預(yù)測模型通過預(yù)報檢驗,效果較理想[6]。眾多研究表明,植物物候的展葉、開花、落葉和動物物候的始見、絕見等與氣候環(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),又或者研究較長時間的、全國的、某一特定的物候資料,分析中國物候的基本變化特征,而對于湖南省的物候與氣候相關(guān)的研究還較少,特別是對湘西北地區(qū)的物候與氣候研究更少,同時,中國各區(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湘西北地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展有較大影響。因此,研究該區(qū)域氣候變化對物候的影響,摸清并掌握相關(guān)規(guī)律、機理,在預(yù)報農(nóng)時、監(jiān)測和保護生態(tài)環(huán)境、預(yù)測和鑒定氣候變化趨勢等方面有重要理論和現(xiàn)實意義。

        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(簡稱湘西州)3個地級市(州),介于109°10′—112°17′E、27°44′—30°07′N,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,云貴門戶”之說,受地貌和季風(fēng)環(huán)流的影響,屬于大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候類型,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個國家氣象站、1個國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站、3個國家農(nóng)業(yè)氣象觀測站。本研究利用張家界、常德、湘西州3個市(州)的物候觀測資料及常規(guī)氣象觀測資料分析極端氣溫變化對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 資料來源

        資料分為物候資料和氣象資料。①物候資料分為動物、植物2類,其中動物主要包括兩棲類青蛙,候鳥類家燕,物候期選定為青蛙始、終鳴期,家燕始、絕見期;植物主要包括椿樹、梓樹、桃樹、核桃樹,物候期選定為葉芽開放期、展葉期、開花期、落葉末期。物候資料來源于常德國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站,桑植、古丈、澧縣國家農(nóng)業(yè)氣象觀測站。②氣象資料來源于2個國家基準(zhǔn)氣候站(石門、吉首)、3個國家基本氣象站(常德、桑植、保靖)、13個國家氣象觀測站(古丈、澧縣等)。所有植物觀測期間品種無變化,定位觀測時間、標(biāo)準(zhǔn)、方法統(tǒng)一按照規(guī)范[7]要求進行。

        2.2 研究方法

        氣象資料和物候資料通過標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)為無量綱參數(shù),采用一次線性方程來定量描述各物理量的變化趨勢,用線性傾向估計法、相關(guān)分析法分析物候期[8]及與極端氣溫的關(guān)系,用SPSS進行顯著性檢驗[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個站點相差2.3℃。極端最高氣溫張家界3個站點(張家界、桑植、慈利)平均為30.1℃,常德7個站點(常德、桃源、漢壽、臨澧、澧縣、安鄉(xiāng)、石門)平均為29.5℃,湘西州8個站點(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。

        圖2 2000—2018年湘西北年平均極端氣溫分布

        由圖2b可見,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個站點相差1.3℃。極端最低氣溫張家界3個站點平均為9.0℃,常德7個站點平均為9.0℃,湘西州8個站點平均為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 時間特征 由圖3可見,2000—2018年湘西北平均極端最高氣溫波動較大,其中張家界呈略增加的趨勢,常德、湘西州呈略減少的趨勢(未通過顯著性檢驗)。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有極端最高氣溫大,其中張家界、湘西州呈略增加的趨勢,常德呈略減少的趨勢(未通過顯著性檢驗)。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 動物物候變化特征 由圖4a可見,青蛙始鳴的最大振幅出現(xiàn)在桑植,為41 d,家燕始見的最大振幅出現(xiàn)在古丈,為65 d。桑植家燕始見期呈提前趨勢,相關(guān)系數(shù)為0.907,通過0.001水平的顯著性檢驗,15年來提前約34 d。桑植青蛙始鳴期呈推遲趨勢,相關(guān)系數(shù)為0.492,通過0.05水平的顯著性檢驗,15年來推遲約13 d。澧縣家燕始見期與桑植相反,呈推遲趨勢,相關(guān)系數(shù)為0.427,通過0.1水平的顯著性檢驗,18年來推遲約7 d。古丈青蛙始鳴期與桑植一致,呈推遲趨勢,相關(guān)系數(shù)為0.515,通過0.05水平的顯著性檢驗,18年來推遲約13 d。常德青蛙始鳴期、家燕始見期變化不明顯。

        由圖4b可見,青蛙終鳴期、家燕絕見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、家燕絕見期均呈推遲趨勢,相關(guān)系數(shù)分別為0.886、0.930,均通過0.001水平的顯著性檢驗。澧縣青蛙終鳴期、常德家燕絕見期與桑植一致,亦呈推遲趨勢,其中澧縣青蛙終鳴期相關(guān)系數(shù)為0.497,通過0.05水平的顯著性檢驗,常德家燕絕見期相關(guān)系數(shù)為0.762,通過0.01水平的顯著性檢驗。古丈青蛙終鳴期與桑植、澧縣相反,呈提前趨勢,相關(guān)系數(shù)為0.771,通過0.001水平的顯著性檢驗。

        圖4 湘西北動物物候年際變化

        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7 d左右,桑植青蛙始鳴。家燕始見期集中出現(xiàn)在3月下旬至4月上旬(3月21日至4月8日),家燕始見期以常德、古丈為最早;9 d后,澧縣家燕始見,再過9 d左右,桑植家燕始見。

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

        桑植青蛙的始鳴晚、終鳴早,活動期約116 d,其次為古丈的138 d,澧縣、常德最長,約230 d。桑植家燕的始見晚、絕見早,活動期約138 d,其次為澧縣的214 d,古丈、常德最長,約218 d。

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

        表1 2000—2018年湘西北植物物候統(tǒng)計特征

        古丈核桃樹葉芽開放期集中出現(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;葉芽開放后17 d左右為展葉期,展葉期最大振幅為28 d;展葉過后15 d進入開花期,開花期最大振幅為31 d;核桃樹落葉末期在9月下旬至12月中旬(9月28日至12月18日)。核桃樹葉芽開放期呈提前趨勢,展葉、開花、落葉末期均呈推遲趨勢,整個核桃樹生長季長度延長,未通過顯著性檢驗,核桃樹葉芽開放至落葉末期總?cè)諗?shù)平均為248 d。

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

        總的來說,湘西北的梓樹、桃樹、核桃樹的整個生長季物候期呈延長趨勢,與全國其他地區(qū)的植物物候期變化特征類似。如衡水大部分植物物候期比2010年延長15~30 d不等[10];成都桃花物候期對氣候變化高度敏感,桃花盛花期前3個月和前1個月溫度升高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始和結(jié)束時期均推遲,但生長季出現(xiàn)了延長現(xiàn)象[12]。

        3.3 物候與極端氣溫的相關(guān)性

        3.3.1 動物物候與極端氣溫的相關(guān)性 由表2可見,湘西北各地的動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動物的影響更明顯。桑植青蛙始鳴期與極端最高氣溫呈顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)依次為6月>8月>4—9月,均通過了0.05水平的顯著性檢驗,表示桑植青蛙始鳴的日期越早,對應(yīng)年份的6月、8月的極端最高氣溫相對越高,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。常德家燕絕見期與6月極端最高氣溫呈顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.682,通過了0.05水平的顯著性檢驗,說明常德家燕絕見期越早,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,通過了0.05水平的顯著性檢驗。

        表2 湘西北動物物候與極端氣溫的相關(guān)系數(shù)

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

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

        圖5 家燕始見、絕見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)性跟動物物候有些類似,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,見表3。由表3可知,常德、澧縣的桃樹和古丈的核桃樹主要受極端最高氣溫的影響。常德桃樹葉芽開放期與2月極端最高氣溫呈負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.472,通過了0.05水平的顯著性檢驗,表示常德桃樹葉芽開放期越早,則2月極端最高氣溫相對越高,亦即極端最高氣溫對葉芽的開放有促進作用。澧縣桃樹展葉期與極端最高氣溫呈負相關(guān),相關(guān)系數(shù)依次為2—3月>1—3月>1—2月,均通過了0.05水平的顯著性檢驗。澧縣桃樹開花期與2—3月極端最高氣溫呈負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.459,通過了0.05水平的顯著性檢驗,2—3月極端最高氣溫每上升1℃,澧縣桃樹開花期提前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)

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

        圖6 澧縣桃樹開花期、古丈核桃樹葉芽開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)性沒有極端最高氣溫顯著,僅表現(xiàn)在古丈核桃樹開花期、澧縣桃樹落葉末期與上年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,均通過了0.05水平的顯著性檢驗。這表明上年12月極端最低氣溫越高,古丈核桃樹開花期越晚,澧縣桃樹落葉末期亦推遲。

        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。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較大,張家界呈略增加的趨勢,常德、湘西州呈略減少的趨勢(未通過顯著性檢驗)。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;桑植家燕始見期呈提前趨勢,15年來提前約34 d。澧縣家燕始見期與桑植相反,呈推遲趨勢,18年來推遲7 d。常德青蛙始鳴、家燕始見期變化不明顯。桑植青蛙終鳴、家燕絕見期均呈推遲趨勢。澧縣青蛙終鳴、常德家燕絕見期與桑植一致,亦呈推遲趨勢。古丈青蛙終鳴期與桑植、澧縣相反,呈提前趨勢。桑植青蛙的始鳴晚、終鳴早,活動期約116 d,其次為古丈的138 d,澧縣、常德最長,約230 d。桑植家燕的始見晚、絕見早,活動期約138 d,其次為澧縣的214 d,古丈、常德最長,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℃,澧縣桃樹開花期則提前1.0 d,2月極端最高氣溫每上升1℃,古丈核桃樹葉芽開放期提前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],本研究僅基于氣溫對物候變化的影響進行探討,可能存在一定的片面性,后續(xù)工作中將進一步研究其他環(huán)境因素。

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