極端氣溫變化對湘西北物候的影響

周 威，陳 科，黃 萍

（1.張家界市氣象局，湖南 張家界 427000；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；3.常德市氣象局，湖南 常德 415000）

物候現象可以用來評價氣候環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，物候已經受到明顯影響。中國從1980年以來，東北、華北及長江下游地區站點的物候期提前［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是非線性的［3］。受氣候變化影響，川渝地區的仁壽春始期略微推遲［4］。福建省不同地區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，其最佳觀賞期短期氣候預測模型通過預報檢驗，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、絕見等與氣候環境因素息息相關，這些研究工作一般主要分析某一地區、某一種物候指標，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的研究還較少，特別是對湘西北地區的物候與氣候研究更少，同時，中國各區域、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。

湘西北地區地勢變化較大，海拔從幾十米到2 000多米，地貌復雜多樣，有平原、喀斯特地貌、張家界地貌等；氣候多變，災害多發，氣候和物候的變化對湘西北地區經濟建設和社會發展有較大影響。因此，研究該區域氣候變化對物候的影響，摸清并掌握相關規律、機理，在預報農時、監測和保護生態環境、預測和鑒定氣候變化趨勢等方面有重要理論和現實意義。

1 研究區概況

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 研究區在湖南省的位置及地形特征

研究區有“川黔咽喉，云貴門戶”之說，受地貌和季風環流的影響，屬于大陸性亞熱帶季風濕潤氣候類型，主要災害有暴雨、洪澇、干旱、低溫凍害、連陰雨、寒潮、山體滑坡、泥石流等。研究區有18個國家氣象站、1個國家農業氣象試驗站、3個國家農業氣象觀測站。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在聯系。

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業氣象試驗站，桑植、古丈、澧縣國家農業氣象觀測站。②氣象資料來源于2個國家基準氣候站（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、標準、方法統一按照規范［7］要求進行。

2.2 研究方法

氣象資料和物候資料通過標準化轉為無量綱參數，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、相關分析法分析物候期［8］及與極端氣溫的關系，用SPSS進行顯著性檢驗［9］。

3 結果與分析

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、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℃。總體上，湘西北地區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在桑植，為41 d，家燕始見的最大振幅出現在古丈，為65 d。桑植家燕始見期呈提前趨勢，相關系數為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，相關系數為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，相關系數為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，相關系數為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，相關系數分別為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系數為0.497，通過0.05水平的顯著性檢驗，常德家燕絕見期相關系數為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，相關系數為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，相關系數分別為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日數平均為250 d。

表1 2000—2018年湘西北植物物候統計特征

古丈核桃樹葉芽開放期集中出現在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日數平均為248 d。

桃樹因地域不同，物候期亦表現出不同。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，相關系數為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日數平均為227 d，相關系數為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束時期均推遲，但生長季出現了延長現象［12］。

3.3 物候與極端氣溫的相關性

3.3.1 動物物候與極端氣溫的相關性 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，相關系數依次為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，相關系數為-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，相關系數為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系數

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

桑植家燕始見期與7月極端最高氣溫呈負相關，相關系數為-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，相關系數為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。可見極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系

3.3.2 植物物候與極端氣溫的相關性 植物物候與極端氣溫的相關性跟動物物候有些類似，表現在多地多物種物候期與極端最高氣溫的相關性較顯著，而與極端最低氣溫的相關性不太明顯，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，相關系數為-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，相關系數依次為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，相關系數為-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系數

古丈核桃樹葉芽開放期與2月極端最高氣溫呈負相關，相關系數為-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，相關系數為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，相關系數為-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系

極端最低氣溫與植物物候的相關性沒有極端最高氣溫顯著，僅表現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，相關系數分別為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 結論

1）湘西北地區極端最高氣溫在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鍵氣象因子，與許多木本植物物候研究的結論一致［13-17］。湘西北多個植物物候與極端最高氣溫的相關性較顯著，與極端最低氣溫的相關性不太明顯。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，后續工作中將進一步研究其他環境因素。