极端气温变化对湘西北物候的影响

周 威，陈 科，黄 萍

（1.张家界市气象局，湖南 张家界 427000；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；3.常德市气象局，湖南 常德 415000）

物候现象可以用来评价气候环境因素对动植物影响的总体效果［1］。在全球气候变暖的背景下，物候已经受到明显影响。中国从1980年以来，东北、华北及长江下游地区站点的物候期提前［2］。广东省木本植物、动物春季物候期明显提前，且植物、动物春季物候期的提前与推迟对温度的上升与下降的响应是非线性的［3］。受气候变化影响，川渝地区的仁寿春始期略微推迟［4］。福建省不同地区各植物物候期变化趋势有所不同，乌桕大部分站点春季物候期的变化趋势较为一致，呈提前趋势，每10年提早3.57～29.27 d；楝树、桂花、木棉春季物候期略有延迟，各植物生长季均有所延长［5］。银杏最佳观赏期与各气温要素存在显著负相关，其最佳观赏期短期气候预测模型通过预报检验，效果较理想［6］。众多研究表明，植物物候的展叶、开花、落叶和动物物候的始见、绝见等与气候环境因素息息相关，这些研究工作一般主要分析某一地区、某一种物候指标，又或者研究较长时间的、全国的、某一特定的物候资料，分析中国物候的基本变化特征，而对于湖南省的物候与气候相关的研究还较少，特别是对湘西北地区的物候与气候研究更少，同时，中国各区域、各省的气候变化并不一致，各地物候变化也有其地域性和差异性。

湘西北地区地势变化较大，海拔从几十米到2 000多米，地貌复杂多样，有平原、喀斯特地貌、张家界地貌等；气候多变，灾害多发，气候和物候的变化对湘西北地区经济建设和社会发展有较大影响。因此，研究该区域气候变化对物候的影响，摸清并掌握相关规律、机理，在预报农时、监测和保护生态环境、预测和鉴定气候变化趋势等方面有重要理论和现实意义。

1 研究区概况

本研究中湘西北主要是指位于湖南省西北部的张家界、常德、湘西土家族苗族自治州（简称湘西州）3个地级市（州），介于109°10′—112°17′E、27°44′—30°07′N，土地总面积43 485 km2，占湖南省面积的20.4%，如图1所示。

图1 研究区在湖南省的位置及地形特征

研究区有“川黔咽喉，云贵门户”之说，受地貌和季风环流的影响，属于大陆性亚热带季风湿润气候类型，主要灾害有暴雨、洪涝、干旱、低温冻害、连阴雨、寒潮、山体滑坡、泥石流等。研究区有18个国家气象站、1个国家农业气象试验站、3个国家农业气象观测站。本研究利用张家界、常德、湘西州3个市（州）的物候观测资料及常规气象观测资料分析极端气温变化对湘西北自然物候的影响，研究物候与极端气温之间的内在联系。

2 资料与方法

2.1 资料来源

资料分为物候资料和气象资料。①物候资料分为动物、植物2类，其中动物主要包括两栖类青蛙，候鸟类家燕，物候期选定为青蛙始、终鸣期，家燕始、绝见期；植物主要包括椿树、梓树、桃树、核桃树，物候期选定为叶芽开放期、展叶期、开花期、落叶末期。物候资料来源于常德国家农业气象试验站，桑植、古丈、澧县国家农业气象观测站。②气象资料来源于2个国家基准气候站（石门、吉首）、3个国家基本气象站（常德、桑植、保靖）、13个国家气象观测站（古丈、澧县等）。所有植物观测期间品种无变化，定位观测时间、标准、方法统一按照规范［7］要求进行。

2.2 研究方法

气象资料和物候资料通过标准化转为无量纲参数，采用一次线性方程来定量描述各物理量的变化趋势，用线性倾向估计法、相关分析法分析物候期［8］及与极端气温的关系，用SPSS进行显著性检验［9］。

3 结果与分析

3.1 极端气温变化特征

3.1.1 空间特征 2000—2018年湘西北年平均极端最高气温在28.3～30.6℃（图2a），其中慈利站最高，龙山站最低，2个站点相差2.3℃。极端最高气温张家界3个站点（张家界、桑植、慈利）平均为30.1℃，常德7个站点（常德、桃源、汉寿、临澧、澧县、安乡、石门）平均为29.5℃，湘西州8个站点（吉首、花垣、保靖、古丈、永顺、龙山、泸溪、凤凰）平均为29.1℃；张家界与湘西州相差1.0℃。总体上，湘西北地区极端最高气温呈中部高（张家界）、东西两边（常德、湘西州）低的空间分布趋势。

图2 2000—2018年湘西北年平均极端气温分布

由图2b可见，2000—2018年湘西北年平均极端最低气温在8.2～9.5℃，其中慈利站最高，古丈站最低，2个站点相差1.3℃。极端最低气温张家界3个站点平均为9.0℃，常德7个站点平均为9.0℃，湘西州8个站点平均为8.6℃。极端最低气温的差值不明显，张家界、常德与湘西州相差0.4℃。

3.1.2 时间特征 由图3可见，2000—2018年湘西北平均极端最高气温波动较大，其中张家界呈略增加的趋势，常德、湘西州呈略减少的趋势（未通过显著性检验）。3地年平均极端最高气温2009年最高，2012年最低，最高值与最低值平均相差3.2℃。年平均极端最低气温的变化幅度没有极端最高气温大，其中张家界、湘西州呈略增加的趋势，常德呈略减少的趋势（未通过显著性检验）。湘西北年平均极端最低气温2014年最高、2011年最低，最高值与最低值相差1.6℃。在空间分布上，张家界极端最高气温明显高于常德、湘西州，极端最低气温与常德相差不大，明显高于湘西州。

图3 2000—2018年湘西北平均极端最高、最低气温年变化

3.2 物候变化特征

3.2.1 动物物候变化特征 由图4a可见，青蛙始鸣的最大振幅出现在桑植，为41 d，家燕始见的最大振幅出现在古丈，为65 d。桑植家燕始见期呈提前趋势，相关系数为0.907，通过0.001水平的显著性检验，15年来提前约34 d。桑植青蛙始鸣期呈推迟趋势，相关系数为0.492，通过0.05水平的显著性检验，15年来推迟约13 d。澧县家燕始见期与桑植相反，呈推迟趋势，相关系数为0.427，通过0.1水平的显著性检验，18年来推迟约7 d。古丈青蛙始鸣期与桑植一致，呈推迟趋势，相关系数为0.515，通过0.05水平的显著性检验，18年来推迟约13 d。常德青蛙始鸣期、家燕始见期变化不明显。

由图4b可见，青蛙终鸣期、家燕绝见期的最大振幅均出现在桑植，分别为106、102 d。桑植青蛙终鸣期、家燕绝见期均呈推迟趋势，相关系数分别为0.886、0.930，均通过0.001水平的显著性检验。澧县青蛙终鸣期、常德家燕绝见期与桑植一致，亦呈推迟趋势，其中澧县青蛙终鸣期相关系数为0.497，通过0.05水平的显著性检验，常德家燕绝见期相关系数为0.762，通过0.01水平的显著性检验。古丈青蛙终鸣期与桑植、澧县相反，呈提前趋势，相关系数为0.771，通过0.001水平的显著性检验。

图4 湘西北动物物候年际变化

湘西北青蛙始鸣期集中出现在3月中旬至4月上旬（3月16日至4月4日），青蛙始鸣期以常德、澧县为最早；10多天后，古丈青蛙始鸣；再过7 d左右，桑植青蛙始鸣。家燕始见期集中出现在3月下旬至4月上旬（3月21日至4月8日），家燕始见期以常德、古丈为最早；9 d后，澧县家燕始见，再过9 d左右，桑植家燕始见。

青蛙终鸣期集中出现在7月底至11月初，以桑植为最早，半个月后，古丈青蛙终鸣，2个月后，澧县青蛙终鸣，再过10d左右，常德青蛙终鸣。家燕绝见期集中出现在8月下旬至10月下旬，以桑植为最早，2个月后，常德、古丈家燕绝见，再过5 d左右，澧县家燕绝见。

桑植青蛙的始鸣晚、终鸣早，活动期约116 d，其次为古丈的138 d，澧县、常德最长，约230 d。桑植家燕的始见晚、绝见早，活动期约138 d，其次为澧县的214 d，古丈、常德最长，约218 d。

3.2.2 植物物候变化特征 由表1可见，2000—2018年湘西北的桑植梓树叶芽开放期集中出现在2月中旬至3月中旬（2月18日至3月17日），最大振幅为28 d，平均出现日期是3月10日；叶芽开放后10 d左右为展叶期，展叶期最大振幅为30 d，梓树落叶末期为10月中旬至11月下旬（10月16日至11月29日）。梓树叶芽开放、展叶、落叶末期均呈推迟趋势，相关系数分别为0.616、0.752、0.664，均通过0.01水平的显著性检验，每10年分别推迟10、13、18 d。整个梓树生长季长度延长，未通过显著性检验，梓树叶芽开放到落叶末期总日数平均为250 d。

表1 2000—2018年湘西北植物物候统计特征

古丈核桃树叶芽开放期集中出现在2月中旬至3月下旬（2月13日至3月23日），最大振幅为38 d；叶芽开放后17 d左右为展叶期，展叶期最大振幅为28 d；展叶过后15 d进入开花期，开花期最大振幅为31 d；核桃树落叶末期在9月下旬至12月中旬（9月28日至12月18日）。核桃树叶芽开放期呈提前趋势，展叶、开花、落叶末期均呈推迟趋势，整个核桃树生长季长度延长，未通过显著性检验，核桃树叶芽开放至落叶末期总日数平均为248 d。

桃树因地域不同，物候期亦表现出不同。常德桃树的叶芽开放期比澧县早10 d左右，展叶、开花期均比澧县早3 d左右，两地的桃树落叶末期较一致。常德桃树叶芽开放、落叶末期呈推迟趋势，展叶、开花期呈提前趋势，未通过显著性检验。澧县桃树的叶芽开放、展叶、开花均呈提前趋势，未通过显著性检验，桃树落叶末期呈推迟趋势，相关系数为0.878，通过0.001水平的显著性检验。常德桃树的生长季变化不明显，澧县桃树的整个生长季正在延长，叶芽开放至落叶末期总日数平均为227 d，相关系数为0.764，通过0.001水平的显著性检验。

总的来说，湘西北的梓树、桃树、核桃树的整个生长季物候期呈延长趋势，与全国其他地区的植物物候期变化特征类似。如衡水大部分植物物候期比2010年延长15～30 d不等［10］；成都桃花物候期对气候变化高度敏感，桃花盛花期前3个月和前1个月温度升高1℃，盛花期分别提前6.47 d和4.16 d［11］；甘肃白刺的物候期开始和结束时期均推迟，但生长季出现了延长现象［12］。

3.3 物候与极端气温的相关性

3.3.1 动物物候与极端气温的相关性 由表2可见，湘西北各地的动物受极端气温的影响，各物候期表现略有不同，极端最高气温比极端最低气温对动物的影响更明显。桑植青蛙始鸣期与极端最高气温呈显著负相关，相关系数依次为6月＞8月＞4—9月，均通过了0.05水平的显著性检验，表示桑植青蛙始鸣的日期越早，对应年份的6月、8月的极端最高气温相对越高，亦即桑植青蛙始鸣的日期越晚，则6月、8月的极端最高气温越低。常德家燕绝见期与6月极端最高气温呈显著负相关，相关系数为-0.682，通过了0.05水平的显著性检验，说明常德家燕绝见期越早，6月的极端最高气温越高。澧县青蛙终鸣期与2月极端最高气温呈显著正相关，相关系数为0.487，通过了0.05水平的显著性检验。

表2 湘西北动物物候与极端气温的相关系数

极端最低气温与动物物候的相关性没有极端最高气温显著，仅表现在桑植家燕绝见期与4—9月极端最低气温呈显著正相关，古丈家燕始见期与7月的极端最低气温呈显著正相关。

桑植家燕始见期与7月极端最高气温呈负相关，相关系数为-0.638，通过了0.05水平的显著性检验，7月极端最高气温每上升1℃，桑植家燕始见日期提前7.7 d，见图5a。澧县家燕绝见期与8月极端最高气温呈正相关，相关系数为0.582，通过了0.05水平的显著性检验，8月极端最高气温每上升1℃，澧县家燕绝见日期则推迟6.6 d，见图5b。可见极端最高气温是影响多地青蛙始终鸣、家燕始绝见的主要限制因子。

图5 家燕始见、绝见期与极端最高气温的关系

3.3.2 植物物候与极端气温的相关性 植物物候与极端气温的相关性跟动物物候有些类似，表现在多地多物种物候期与极端最高气温的相关性较显著，而与极端最低气温的相关性不太明显，见表3。由表3可知，常德、澧县的桃树和古丈的核桃树主要受极端最高气温的影响。常德桃树叶芽开放期与2月极端最高气温呈负相关，相关系数为-0.472，通过了0.05水平的显著性检验，表示常德桃树叶芽开放期越早，则2月极端最高气温相对越高，亦即极端最高气温对叶芽的开放有促进作用。澧县桃树展叶期与极端最高气温呈负相关，相关系数依次为2—3月＞1—3月＞1—2月，均通过了0.05水平的显著性检验。澧县桃树开花期与2—3月极端最高气温呈负相关，相关系数为-0.459，通过了0.05水平的显著性检验，2—3月极端最高气温每上升1℃，澧县桃树开花期提前1.0 d（图6a）。气温是影响花期早晚的重要因子，且开花提早可提高坐果率。

表3 湘西北植物物候与极端气温的相关系数

古丈核桃树叶芽开放期与2月极端最高气温呈负相关，相关系数为-0.609，通过了0.01水平的显著性检验，2月极端最高气温每上升1℃，古丈核桃树叶芽开放期提前1.4 d（图6b）。古丈核桃树开花期与上年12月的极端最高气温呈正相关，相关系数为0.460，通过了0.05水平的显著性检验；古丈核桃树落叶末期与1月极端最高气温呈负相关，相关系数为-0.617，通过了0.01水平的显著性检验。

图6 澧县桃树开花期、古丈核桃树叶芽开放期与极端最高气温的关系

极端最低气温与植物物候的相关性没有极端最高气温显著，仅表现在古丈核桃树开花期、澧县桃树落叶末期与上年12月极端最低气温呈显著正相关，相关系数分别为0.496、0.519，均通过了0.05水平的显著性检验。这表明上年12月极端最低气温越高，古丈核桃树开花期越晚，澧县桃树落叶末期亦推迟。

4 结论

1）湘西北地区极端最高气温在28.3～30.6℃，最高（慈利）与最低（龙山）相差2.3℃，空间分布上呈中间高、两边低的趋势。平均极端最高气温张家界为30.1℃，常德为29.5℃，湘西州为29.1℃。极端最低气温在8.2～9.5℃，最高（慈利）与最低（古丈）相差1.3℃，极端最低气温的差值没有极端最高气温大。平均极端最低气温张家界为9.0℃，常德为9.0℃，湘西州为8.6℃。

2）湘西北平均极端最高气温波动较大，张家界呈略增加的趋势，常德、湘西州呈略减少的趋势（未通过显著性检验）。年平均极端最高气温的变化幅度大于极端最低气温。湘西北年平均极端最低气温在2014年最高、2011年最低；在空间分布上，张家界极端最高气温明显高于常德、湘西州，张家界极端最低气温与常德相差不大，明显高于湘西州。

3）青蛙、家燕受极端最高气温影响明显，不同地域反应不一。桑植青蛙始鸣与古丈青蛙始鸣期一致，呈推迟趋势；桑植家燕始见期呈提前趋势，15年来提前约34 d。澧县家燕始见期与桑植相反，呈推迟趋势，18年来推迟7 d。常德青蛙始鸣、家燕始见期变化不明显。桑植青蛙终鸣、家燕绝见期均呈推迟趋势。澧县青蛙终鸣、常德家燕绝见期与桑植一致，亦呈推迟趋势。古丈青蛙终鸣期与桑植、澧县相反，呈提前趋势。桑植青蛙的始鸣晚、终鸣早，活动期约116 d，其次为古丈的138 d，澧县、常德最长，约230 d。桑植家燕的始见晚、绝见早，活动期约138 d，其次为澧县的214 d，古丈、常德最长，约218 d。

4）气温是制约植物物候期的关键气象因子，与许多木本植物物候研究的结论一致［13-17］。湘西北多个植物物候与极端最高气温的相关性较显著，与极端最低气温的相关性不太明显。极端最高气温每上升1℃，澧县桃树开花期则提前1.0 d，2月极端最高气温每上升1℃，古丈核桃树叶芽开放期提前1.4 d。

5）植物物候期是生物因素和环境因素的综合反映［18］，本研究仅基于气温对物候变化的影响进行探讨，可能存在一定的片面性，后续工作中将进一步研究其他环境因素。