1970—2019年安吉小鲵栖息地气温和降水的变化特征

郎泽东，俞立鹏，杨宇博，夏 诺，李 黎,3，沈家晓,3，王嘉芃,3，张登荣,3

(1. 安吉县龙王山自然保护区管理处，浙江 湖州 313301； 2. 杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121；3. 浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江 杭州 311121)

安吉小鲵(Hynobiusamjiensis)最早1990年在浙江省安吉县龙王山被发现并命名，属两栖纲有尾目小鲵科小鲵属，是我国发现较晚的特产珍稀两栖动物[-2]，随后在安徽省清凉峰也发现了安吉小鲵的踪影[3].

两栖动物对环境变化十分敏感，被称为环境的指示器[4].安吉小鲵生活于沼泽地泥炭藓下层的腐殖质层中，产卵季节进入水坑[5].近年来，在气候环境日益恶劣、全球气候变暖以及人类大规模干扰等影响下，安吉小鲵的生存空间正在逐渐缩小，加上其繁育能力差，种群延续面临巨大的压力，甚至濒临灭绝[6-7]，已被中国濒危动物红皮书、IUCN中国物种红色名录列为极危等级[8-9].因此，研究安吉小鲵栖息地的气候变化特征，掌握影响安吉小鲵生存的关键环境因子，是当前保护安吉小鲵的重要任务之一.

目前，关于气温降水变化规律的研究方法主要包括线性倾向估计、累积距平、Mann-Kendall突变检测法及Morlet小波分析等.常周梅等[10]使用线性倾向估计和Morlet小波分析方法研究了西宁市1951—2015年气温及降水量的变化特征，孙康慧等[11]在对1970—2014年中国生态脆弱区气候变化特征的分析中使用了累积距平等方法，苗运玲等[12]用Mann-Kendall突变检测法研究了东天山北坡气温与降水的时空变化特征.虽然研究方法已相对成熟，但鲜有学者针对安吉小鲵栖息地历年的气候特征变化展开研究.因此，本文对安吉小鲵栖息地——浙江省安吉县龙王山自然保护区50年间的气温降水情况进行了分析，以探究安吉小鲵栖息地50年间的气候变化特征，分析气候对安吉小鲵生存的潜在影响.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

龙王山自然保护区(北纬30°22′31″—30°25′12″，东经119°23′48″—119°26′38″)位于浙江省湖州市安吉县西南部，西天目山脉北侧，浙皖两省三县(安吉县、临安县、宁国)交界处，主峰龙王尖海拔1 587 m.栖息地属于亚热带湿润季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨[6].

气象数据来源于国家气象科学数据中心提供的安吉气象站1970—2019年逐月均温及平均降水资料.分析季节变化时，将3—5月划为春季、6—8月划为夏季、9—11月划为秋季、12月—次年2月划为冬季[13-14].数据分析及绘图工具为MATLAB、Surfer及Excel.

1.2 研究方法

采用线性倾向估计法[10,15]分析安吉小鲵栖息地气温、降水的升降趋势及其变化的显著程度.运用累积距平法[11,16]判断气候序列的变化趋势及突变发生的大致时间，突变发生的具体时间采用Mann-Kendall突变检测法[12]计算.Morlet小波分析法用于表示年际变化在各时间尺度上相对扰动的强度和年际变化主要时间尺度峰值所在周期(主周期)[17-18].

2 结果与分析

2.1 气温及降水量的时间变化趋势

2.1.1 气温的时间变化特征

安吉小鲵栖息地1970—2019年年均气温变化、滑动平均结果和线性拟合曲线见图1，年均气温和四季均温的相关系数及其显著性检验结果见表1.结合图1、表1可以看出： 1970—2019年年均气温在15.73～18.44 ℃之间变化，最高年均气温出现在2007年，1970年的年均气温最低.50年内的年均气温整体呈显著上升趋势(P<0.01)，共上升了2.3 ℃，这与张青[19]、高依莲[20]等对浙北区域气温变化的研究结果相近.年均气温在某些年份存在较大波动，1972—1975、1980—2007、2012—2018年气温升高，1975—1980、2007—2012年气温降低.就季节变化而言，安吉小鲵栖息地季度均温与年均气温变化趋势一致，整体呈上升趋势(倾向率均为正)，其中春季均温上升幅度最大，达0.065 ℃/a，其后依次是秋季、夏季、冬季，温度上升均显著(P<0.01).由此可见，安吉小鲵栖息地近50年各季均温对年均温的上升趋势都有不同程度的贡献，其中春季贡献最大，秋季次之，夏冬季贡献最小.

图1 1970—2019年均气温变化趋势Fig.1 The interannual changing trend of annual atmospheric temperature from 1970 to 2019

表1 安吉小鲵栖息地气温、降雨变化倾向率及相关系数检验结果Tab.1 The interannual changing trend of annual precipitation

2.1.2 降水的时间变化特征

依据图2所示安吉小鲵栖息地1970—2019年降水量变化趋势，结合表1，可以看出：安吉小鲵栖息地1970—2019年降水量在949～2 132 mm之间波动，其中2003年降水量最少，2015年最多.50年间，年降水量整体呈增加趋势，共增加466 mm.年降水量在某些年份存在较明显的波动，1979—1999、2003—2015年降水量增加，1973—1979、2002—2003、2015—2017年降水量减少.各季降水量与年降水量变化趋势大体一致，除秋季外，春夏冬季均呈波动式增加趋势，但各季降水量增加幅度有所不同，表现为夏季>冬季>春季>秋季.以上结果说明，近50年，除秋季外，安吉小鲵栖息地各季降水量对年降水量的增加趋势均有一定贡献，夏季主导年降水变化.

图2 1970—2019年降水量变化趋势Fig.2 The interannual changing trend of annual precipitation from 1970 to 2019

2.2 年均气温和年降水量的突变检测

图3所示为安吉小鲵栖息地1970—2019年年均气温累积距平结果和Mann- Kendall统计指标UF、UB曲线.Mann-Kendall突变检测由UF、UB曲线指示.当样本量为正态分布时，若UF<0，则原样本的时间序列呈下降趋势；若UF>0，则为上升趋势.当显著水平为0.05时，正态分布下的U0.05=1.96.若UF的绝对值大于U0.05，说明样本的变化趋势显著.若在显著区间内，UF和UB相交，则交点对应的时间节点为突变发生的时间点.

a)累积距平曲线；b)M-K检验量.图3 年均气温累积距平曲线和M-K检验量Fig.3 Cumulative anomaly and M-K statistic curve of annual average temperature

图中结果显示，1970—2019年间年均气温累积距平曲线大致呈“V”型，说明此地年均气温在50年内经历了先下降后上升的过程，推测其转折点为20世纪90年代.1970—2019年，气温UF值始终大于等于0，且1994—2019年间，曲线逐渐远超显著水平临界线，表明安吉小鲵栖息地的增温趋势显著，这与表1结果一致；UF、UB曲线在20世纪90年代更加接近，综合累积距平结果，判断安吉小鲵栖息地年均气温在20世纪90年代发生了由低升高的变化，这与魏春萌[21]对长三角气温突变时间节点的判断一致.

安吉小鲵栖息地1970—2019年降水量累积距平结果和Mann- Kendall统计指标UF、UB曲线见图4.可以看出：年降水量累积距平曲线呈波动趋势，说明安吉小鲵栖息地年降水量在近50年经历了多次增加—减少的变化过程，最大转折点出现在2006—2014年，当前正处于降水量增加阶段.尽管50年间大部分UF值均在0以上，但1970、1978—1981、2005—2010年的UF值小于0，因此，安吉小鲵栖息地年降水量的增加并不显著，这与表1结果较为一致；UF曲线始终在置信水平临界线范围内，但UB曲线自1970年之后逐渐远离UF，1999—2007年低于临界值，2008年又开始逐渐靠拢，在2015年出现第一个交点，结合累积距平结果，可判断此地年降水量大致在2015年发生了由少到多的突变.

a)累积距平曲线；b)M-K检验量.图4 年降水量累积距平曲线和M-K检验量Fig.4 Cumulative anomaly and M-K statistic curve of annual precipitation

2.3 年均气温和年降水量的周期变化规律

为探究安吉小鲵栖息地年均气温变化的规律，绘制了Morlet小波系数实部等值线图(图5a)，其中，实线代表小波系数实部为正值，表明气温增加，虚线为负值，表明气温降低.图中结果表明，以28年为尺度的年均气温周期性变化最为明显，该时间尺度上年均气温的增高和降低情况交替出现.

a)Morlet小波系数实部等值线图；b)小波方差图.图5 年均气温的周期变化规律Fig.5 Periodic variation law of annual average temperature

分析图5b所示年均气温小波方差图，可以发现存在一个时间尺度为28的明显峰值，表明安吉小鲵栖息地气温存在28年的时间尺度，且周期性震荡变化十分强烈.为获得主周期下年均气温的波动信息，绘制主周期28年尺度下年均气温小波系数实部过程线.由图6可看出，在28年时间尺度上，年均气温呈现出高—低—高—低—高—低的震荡周期，近年正处于1970年以来第3次震荡周期中国气温偏低阶段的峰值附近，属经历了低峰期后的上升阶段，预测2027年后达到气温升高的顶峰.

图6 年均气温主周期尺度下小波系数实部过程线Fig.6 Varying duration curve of Morlet wavelet coefficient on real part of major cycles scale of annual average temperature

图7a为安吉小鲵栖息地年降水量的Morlet小波系数实部等值线图，可以看出，年降水量具有22、15年两种时间尺度的周期变化，年降水量在两种时间尺度上增多—减少交替出现，全域性较好.图7b显示年降水量小波方差存在3个较为明显的峰值，分别为11、15和22.最大峰值对应的时间尺度为22年，这说明以22年为时间尺度的周期性最强烈，为第1主周期；第2、3峰值即第2、3主周期，分别对应15年和11年的时间尺度，但11年的变化周期在图中并不明显.

a)Morlet小波系数实部等值线图；b)小波方差图.图7 年降水量的周期变化规律Fig.7 Periodic variation law of annual precipitation

同样，为获得主周期下的年降水量波动信息，绘制了3个不同主周期尺度下年降水量小波系数实部过程线(图8)，结果表明：在22年时间尺度上，年降水量呈现出4个循环震荡周期，最近正处于1970年以来第4次降水量减少的震荡谷，预测下一个降水量高峰期在2028年前后；在15年时间尺度上，年降水量呈现出5个震荡周期，最近正处于第5次降水量增加的顶峰，年降水量在此周期尺度上即将减少；由于11年的变化周期在小波系数实部等值线图中并不明显，周期尺度年降水量的研究并不能说明问题，本文对此不做推理.

图8 年降水量主周期尺度下小波系数实部过程线Fig.8 Varying duration curve of Morlet wavelet coefficient on real part of major cycles scale of annual precipitation

2.4 扩展分析

由上述分析可知，年均温度在近50年内显著升高，考虑到有效温度(生物能够生长发育的温度)范围往往是影响物种生存的临界条件[22]，本研究利用当前仅有的1980—2019年最高、最低气温数据进行了时间变化趋势的拓展分析.由图9可看出，40年间最高温和最低温的线性倾向率均大于0，高低温均呈显著上升趋势(P<0.01)，且高低温上升速率相当.这与3.1节的结论一致.安吉小鲵喜冷湿的泥炭地[8]，而近年来，安吉小鲵栖息地的气候在向暖湿方向发展，已威胁到了安吉小鲵的保护.

图9 1980—2019年最低、最高气温变化趋势Fig.9 The interannual changing trend of highest and lowest temperature from 1980 to 2019

3 结论

本文基于1970—2019年我国龙王山自然保护区气象资料，采用线性倾向估计、累积距平、M-K突变检测和Morlet小波分析方法分析了该地区年度及季度气温、降雨的基本特征，得出以下结论：

1)1970—2019年安吉小鲵栖息地年、季度均温和年度最高、最低温都呈震荡式上升趋势，且上升显著，春季和秋季对年均温升高贡献最大；年度和季度降水量也呈波动式上升趋势，但升高趋势未达显著水平.

2)1970—2019年，研究区年均气温发生变化的转折点为20世纪90年代(由低温转为高温)，年降水量变化的转折点为2015年(由少转多).

3)1970—2019年研究区年均温和降水量存在多时间尺度的周期变化规律，年均气温的主周期为28年，年降水量的第1、2、3主周期分别为22、15、11年，但11年的变化周期并不明显.

由此可见，该研究区气候发展方向不利于安吉小鲵的生存，这也为安吉小鲵现存数量减少现象提供了现实依据.对于华东地区气温逐年上升的原因，林锦秀[23]认为与厄尔尼诺现象密切相关，且厄尔尼诺对降雨也存在季节性影响.Gao等[24]也强调厄尔尼诺对中国东部降雨的影响.Sang[25]提出城市化进程影响长三角地区的气温，并且该影响会持续加剧.但龙王山安吉小鲵自然保护区近几十年来的气候变化究竟是受到自然气象灾害还是人类活动的影响，具体受到何种影响，目前尚未有定论.在未来的研究可重点探讨安吉小鲵栖息地的气温、降水变化原因及与之相关的物理机制，以便为安吉小鲵的保护提供更有意义的参考和新的认识.