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阿迪朗达克高地气候和物候曾经和未来的变化(美国纽约)

摘要

在美国纽约州阿迪朗达克州立公园(Adirondack State Park, NY, USA)高地的保罗史密斯学院物候步道上,对五种动物、四种植物、浮游植物群落、湖泊温度和冰盖的春季和秋季物候进行了长期监测,得出了1990-2020年生物和水温记录以及1909-2020年湖冰记录的时间序列。结合附近三个气象站的气候记录,这些观测结果表明,下圣瑞吉湖的冰现在比1909年平均提前一周融化,而该地区整体温度上升了1.7°C,年降水量增加了19厘米。在1990年至2020年期间,统计上显著的变暖趋势仅限于7月和9月,因此导致在较短的时间内物种和湖泊冰的春季物候变化缺乏时间变化,但10月湖面平均变暖了1.9°C。尽管大多数物候记录在1990-2020年期间没有显示出统计学上显著的方向变化,但它们显示了物候与月气温之间的强相关性,具有预测价值。再加上区域缩小气候模式的预测,这些关系表明,到2100年,有关物种的物候和冰动态可能会发生约1-3周的变化,这取决于所使用的分析方法和本世纪化石燃料排放的规模。随着阿迪朗达克的冬天变得更短、更温和,在较长一段时间内可能会完全失去冰雪,该地区人类居民独特的文化生态,以及他们周围的生态系统和物种,将面临深刻的生存挑战。

简介

由人类活动驱动的全球气候变化已得到充分记录,并正在进行中[1- - - - - -3.],但人们对其在地方到区域范围内的影响还不太了解。虽然美国东北部气候变化的概述以前已经发表过[45],很少有这样的研究集中在东北不同的子区域。在这些次区域内,气候变化对自然现象季节性(“物候”)的长期影响(尽管有一些例外情况)记录得更少[6- - - - - -8],尤其是在春季以外的季节[910].

我们在这里关注的是纽约州北部阿迪朗达克州立公园的自然和物候变化的影响,这是一个具有国家和国际重要性的东北部山区。阿迪朗达克公园是联合国教科文组织生物圈保护区的一部分,是众多大型冬季运动比赛的举办地,是美国毗连地区最大的公园(240万公顷),在一片基本未开发的野生景观上形成了独特的人类社区马赛克。除了湖冰记录外[11- - - - - -13]及古生态调查[14- - - - - -17]目前关于气候变化对阿迪朗达克地区物种和生态系统影响的信息很少[121819].来自北美其他地区的证据表明,未来的变暖可能会导致春季物候期提前[6- - - - - -8]物种对这种变暖的不同反应可能导致开花植物和它们所依赖的传粉者之间的“生态不匹配”,例如[820.- - - - - -22].在这种情况下,关于过去和未来气候对阿迪朗达克地区物候的影响的信息的缺乏尤其令人遗憾,因为模拟研究预计本世纪该次区域将大幅变暖[4512].

在本文中,我们记录了1900年至2020年美国历史气候网络(USHCN)中三个站的温度和降水变化,这些站位于阿迪朗达克州立公园(图1A及1B).我们还提供了三十年来来自纽约保罗史密斯学院(PSC)校园陆地和湖泊物候学研究的观测数据(图1 c)从1990年到2020年。总之,这些观察使我们能够解决以下问题:(1)在上个世纪,阿迪朗达克高地的气候发生了变化吗?(2) 1990 - 2020年间,PSC的动植物物候或湖泊生态系统是否发生了变化?(3)气候变化会影响阿迪朗达克山脉的物候吗?,(4) how are climate and phenology in the Adirondack uplands likely to change in the future?

缩略图
图1所示。网站地图。

a.阿迪朗达克州立公园(星号)。b.标明研究地点和气象站的区域地图。(明星)保罗·史密斯学院和下圣里吉斯湖。(1)印第安湖站。(2)阿迪朗达克生态中心,纽科姆。(3)塔珀湖站。(4)克利尔湖。(5)普莱西德湖和镜湖。(6)丹内莫拉站。尚普兰湖。 c. Map of the Phenology Trail on the campus of Paul Smith’s College. Buildings are indicated in solid black and monitoring locations are indicated by numbers.

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材料与方法

PSC校区(北纬44°26′09”,东经74°15′10”)位于下圣瑞吉斯湖北岸海拔488米的沙质冰川平原(图1 c).该湖形成于13000年前的冰川消退之后,在此之后,该地区长期被土著居民占据,成为荒野度假胜地(Paul Smith 's Hotel, 1859-1930),最近的PSC(1946-至今)[23- - - - - -25].自1900年以来,Paul Smiths附近的年平均气温为4.8℃,年平均降水量为111 cm, 6 - 8月降水量最大,1 - 3月降水量最小[26].

野外观察

本研究的大部分物候资料均采自PSC校园的中心部分(图1 c).第一作者(JCS)于1990年开始对PSC春季陆地物候进行非正式监测。2019年,通过建立物候学小径,PSC学生帮助进行观测,地面监测正式确定。自1990年起,在“野餐点”地点(图1 c,站点#4)由JCS与PSC生物学101实验室课程的学生和教师共同完成。

自1990年以来,JCS还根据PSC其他教职员工从1985年开始的观察,监测了下瑞吉斯湖在秋末至初冬期间结冰的日期。然而,春季融雪的记录可追溯到(即春季融雪的年代)。“冰出”)比其他物物学记录要长得多,它起源于1909年至1945年前保罗·史密斯酒店的员工每年举办的冰出比赛[23].1970年,PSC的教职员工恢复了这项比赛,自2005年起,JCS开始进行个人观察。

陆地物候(1990-2020年)。

在1990年至2020年期间,在物候Trail上监测了5种动物的春季物候。红翼黑鹂的到来(Agelaius phoeniceus)和美洲知更鸟(燕雀)被记录为第一次出现在校园或校园附近(图1 c,分别是第1和第3处)。本地独居蜜蜂首次出现(夹头致病力)在埃塞克斯山朝南的草坡上(地点#6)进行了监测。东方花栗鼠首次出现(Tamias striatus)在埃塞克斯山附近树木繁茂的埃斯克山脊(地点#9)被监测到。斑点蝾螈的迁徙(钝口螈属欧)从它们的地下栖息地到春天的繁殖池,在从校园主入口开始的Keese Mills路的前三英里处观察到(站点#10)。

在1990年至2020年期间,还监测了四种植物的春季物候。红枫的开花期(宏碁石)在分布于弗利尔科学楼与皮科特会堂(图1 c,网站#2)。杨柳柳絮上花粉的发育(柳树变色)在图书馆北侧的一小块湿地(地点#5)进行监测,以及鳟鱼百合的发芽和开花日期(淫americanum)和红延叶(延龄草erectum)在埃塞克斯山西部树木繁茂的部分(地点#7和8)被观察到。

水生物候学(1990-2020年)。

监测秋季湖泊温度和浮游植物开始于1990年,作为PSC生物学入门实验室课程的一部分。在主任秘书及其他导师的监督下,学生在野餐角测量地表温度(图1 c(地点#4),用手持式温度计,用浮游生物网收集浮游植物,以便在实验室进行显微镜鉴定和计数。在6-8个实验区,20名学生每人鉴定出浮游植物类群,并将结果提交导师编辑。这些活动从9月开始每周重复一次,直到11月或12月湖面结冰。个别学生的一些错误测量是不可避免的,但每周150个这样的浮游生物观测的组合最小化了它们对这里考虑的分析的影响。在这方面的研究中使用的唯一学生生成的数据是表面温度和浮游植物从容易识别的蓝藻转变为优势的日期(淡水藻类的一种)到硅藻(大部分是硅藻Asterionella福尔摩沙Aulacoseira subarctica一个ambigua,Fragilaria crotonensis).JCS对这些学生活动进行了监测,并补充了额外的温度和浮游生物记录。从1998年到2006年,JCS缺席时,观测出现了一个中断,由于计划问题,9月初的测量数量很少,本研究主要集中在10月和11月收集的数据上。

冰物候(1909-1945年和1970-2020年)。

当主校区前的海湾完全没有固态冰时,下圣瑞吉斯湖上的冰被认为是“解冻”的;当同一海湾首次出现从岸边到岸边的冰时,则被认为是“冻结”的。在新的薄冰随后被风或加热打破的年份中,最后的冻结日期也被记录下来,但在这项研究中只使用了第一次冻结日期(图1 c).尽管自1909年以来记录了融冰日期,自1985年以来记录了冻结日期,但我们主要关注1990-2020年期间的冰记录,以与其他物候记录的时间框架保持一致。

气候参考地点(1900-2020年)

由于在PSC附近没有长期的气温和降水记录,因此气候环境是根据USHCN附近气象站收集的天气记录来推断的。根据接近度、高程相似性和数据集的完整性选择了三个高地站[26].印度湖站位于PSC以南73公里,丹内莫拉站位于北部52公里,塔珀湖站位于西部28公里(图1 b).

在1900-2020年期间,丹内莫拉站的平均年气温通常是最高的,可能是因为它的海拔较低,但塔珀湖站的平均气温略高于印度湖,尽管它的海拔略高(表1).塔珀湖气象站也是三个气象站中降水量最多的。温度(R2= 0.9, P < 0.0001),降水(R2= 0.2 ~ 0.3, P < 0.0001),空间异质性较强,尤其在地形复杂的地区。三个地点的天气记录平均在一起,得到月平均气温和总降水量的复合时间序列(ADK3)。

缩略图
表1。USHCN气象站用于开发ADK3时间序列,其中包含1990-2020年时间段的气候数据。

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统计分析

虽然本研究的重点主要集中在1990-2020年期间,但也对两个较长时间框架的气候和冰盖变化进行了统计分析。对于每个时间段,进行线性回归分析以检验显著趋势。

1900-2020年(n = 121)的世纪尺度被用于阿迪朗达克气候和冰动力学的长期展望,以及与全球温度异常记录(图2).之所以对1970-2020年期间(n = 51)进行了检查,是因为它包含了下圣里吉斯湖PSC冰盖记录可用的时间间隔。它还代表了人类对全球气候的影响变得最为明显的时间框架[12],这为估计人为变暖持续的未来情况提供了有用的背景。选择1990-2020年期间(n = 31)是因为它接近确定当前气候的标准30年滑动时间框架,而且它与物候研究的时间框架相匹配。

缩略图
图2所示。

全球温度异常(a)与1900 - 2020年ADK3复合温度(b)和降水(c)异常的比较。全球气温数据以1901-2000年期间的平均值为基准[27].ADK3系列使用1900-2020基期。虚线表示文本中提到的三个主要时间框架:1900-2020年,(1)1970-2020年,(2)1990-2020年。

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为了分析物候和气候变量之间的关系,物候时间序列中的时间差距需要消除无法获得物候数据的年份的气候数据。由于1998年至2006年的记录中断,没有对湖泊温度和浮游植物数据进行线性回归分析。采用单尾t检验比较了1990-1997年和2007-2020年期间的月平均气温和浮游植物群落过渡日期。

Pearson积矩相关系数用于评估气候记录与各物候变量之间的关系。利用当前和前一年的气候数据进行了分析,以便检测对物候学的潜在年际遗留影响。除了以P < 0.05的标准阈值作为具有统计学意义的主要检验指标进行相关分析外,还对alpha(0.05)进行Bonferroni校正,以解释感兴趣的物候变量与月气候变量之间的多重相关性(n = 13, alpha = 0.0038)。在处理多重比较时,应用Bonferroni校正是一种更为保守的方法[28],因此,尽管我们依赖修正来帮助识别强的、显著的相关性,并降低I型(“假阳性”)错误的风险,但我们警告不要将相关性的相关性完全确定在这种特定的分析中是否被视为“显著”。

使用两种方法估计了每个物种到本世纪末的预计物候变化。一种方法是确定月温度与相关现象之间最强的可用关系(r值),然后使用来自这些选定记录的线性回归方程来估计由于季节性变暖趋势而导致的未来(2020-2100年)物候变化,这是以前从16个全球环流模型的集合均值中确定的,这些模型缩小了规模,以关注尚普兰-阿迪朗达克流域[12].另一种较少定量的方法是将预期的季节变暖应用于1990-2020年区间的月平均温度,并直观地估计与物候事件当前相关的季节气候条件的时间偏移。

我们使用的季节温度预测[12]受到温室气体(GHG)排放的中等(B1)和极端(A2)情景的限制,大致相当于最近开发的情景RCP 2.6和8.5 [29- - - - - -31].所有区域预测都预计,到本世纪末,年平均气温将随着温室气体排放强度的增加而升高。2010 - 2099年冬季、春季、夏季和秋季的预测变暖在B1情景下分别为2.0、1.7、1.9和1.7°C,在A2情景下分别为4.7、3.9、4.0和3.6°C。

结果

在解决这项研究的四个主要问题时,我们发现阿迪朗达克高地的气候条件在过去一个世纪和半个世纪中确实发生了显著变化,但在最近的1990-2020年期间变化较小(问题1)。1990-2020年期间物候记录之间的变异性同样不明显且不一致(#2)。相关分析显示,气候参数与部分但不是全部物候记录之间存在很强的关系(#3),这表明阿迪朗达克山脉不同物种对预期的未来变暖的反应可能也有很大差异(#4)。

1900年以来阿迪朗达克的气候变化

从长期来看,在1900年至2020年期间,阿迪朗达克高地的气候环境明显变得更加温暖和湿润(图2表2).ADK3复合系列的年平均气温上升了1.7°C,平均速度为0.14°C/十年,除1、3、10月外,其他月份都出现了明显的变暖,其中2月份升幅最大,7月份升幅最小。同期ADK3降水记录在4月、8月、10月和12月均有显著的增湿趋势,其中10月增湿最大,12月最少。在1960年代异常干燥的情况下,大约1970年降水量出现明显的逐步增加(图2).

缩略图
表2。在ADK3复合序列中,温度(左列)和降水(右列)在三个时间间隔的线性趋势。

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1970 - 2020年,年平均气温上升较快(0.36°C/十年,共1.8°C),除2月至5月和11月外,其他月份均明显升温,其中9月升温最大,6月升温最小。湿润趋势显著的月份集中在6月和10月,其中10月湿润程度较大。

1990-2020年期间,年平均气温变化趋势不显著,仅7月和9月出现显著变暖,9月升温幅度较大。在1990-2020年期间,没有明显的月湿润趋势。

物候变化(1990-2020年)

在1990-2020年期间,动物物种中唯一显著的物候趋势是知更鸟,它们提前约15天到达(表3).所有植物现象在物候上均无明显的时间变化。

缩略图
表3。PSC物候迹上物种和湖冰物候的时间趋势在三个时间间隔。

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1990-1997年至2007-2020年期间,10月湖面平均温度平均升高1.9°C (表4),在10月上半月(1.9°C)和最后半月(1.5°C)也发生了类似的变暖。9月下旬的湖泊变暖也很显著(5.3°C),但在1990-1997年期间(n = 5),该月的观测数量远低于2007-2020年期间(n = 35)。11月的平均表面温度、表面温度达到4°C的日期(一般在11月)以及蓝藻被硅藻为主的浮游植物群落取代的平均日期(一般在10月中旬)之间没有显著变化。

缩略图
表4。下圣瑞吉斯湖的月平均地表温度和秋季浮游植物物候。

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在1990-2020年期间,春季解冻或秋季冻结日期没有统计学上的显著变化。这种短期内缺乏持续变化的现象与长期的冰川记录形成了对比(表3),在1900-2020年期间,湖面解冻提前了一周,在1970-2020年期间解冻提前了10天。

气候对物候的影响(1990-2020年)

在没有Bonferroni校正的情况下,对物候记录中当前年份和前一年的气候变量进行分析,得出了大量的显著相关性(表5),因为统计学意义的限制性阈值较小(P < 0.05 vs 0.0038)。有几个相关性,用星号表示表5,显然是虚假的,因为关系的时机是不现实的。例如,火蜥蜴春季迁徙日期与次年秋季气温之间的明显相关性,即使在Bonferroni修正之后也仍然存在(图3表5)有助于证明单靠统计分析在消除第一类错误方面的局限性。此外,修正的保守性消除了其他显著的相关性,这些相关性也被相关现象的生态学或行为所明确支持(“假阴性”II型错误)。因此,我们使用了全组显著(P < 0.05)相关性表5结合图3确定最具信息量和可能具有预测价值的气候-物候关系。

缩略图
图3所示。

应用Bonferroni校正后,PSC物候Trail上的植物、动物和湖冰物候与1990-2020年期间(a, b)本年和(c, d)前一年月气温和降水之间的相关性[28].RW =红翼到达。罗宾到达。CH =花栗鼠出现。蝾螈迁徙。MB =雄蜂羽化。FB =雌蜂羽化。柳树上的花粉。红枫树盛开。鳟鱼百合笋出。 TLb = trout lily blooming. TRs = trillium shoot emergence. TRb = trillium blooming. LRi = freeze date for Lower St. Regis Lake. LRo = ice thaw date for Lower St. Regis Lake. "X" indicates lack of statistical significance at the 0.0038 level. Size and darkness of circle represents magnitude of positive (blue) and negative (red) correlation coefficients.

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缩略图
表5所示。ADK3复合序列中PSC动植物物候与温度(左列)和降水(右列)的相关性和线性回归分析

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经Bonferroni校正后,陆地物候与当年月气温之间的显著相关性仅在3月和4月出现(图3).3月气温与蝾螈迁徙期、雄蜂出花期、枫树开花期、鳟鱼百合苗出花期呈负相关。4月气温与鳟鱼百合、延铃苗的出苗、柳树、枫树和鳟鱼百合的开花呈负相关。这些关系强到足以与年气温产生显著的相关性。陆地物候记录与降水量之间无显著相关性(图3 b).利用Bonferroni修正分析前一年物候与气候变量之间的关系(图3C和3D)除与气温呈负相关外,与前11月的枫树延梢出苗期和开花日期均无显著相关。

由于可以获得更长的湖冰观测记录,我们将相关分析的时间框架延长到1909-2020年解冻日期和1985-2020年冻结日期。1909-2020年期间的湖泊解冻日期与2月至4月的温度呈负相关(图3),在1985-2020年期间,11月和12月的当前温度与冻结日期存在显著相关(均为正)。在没有Bonferroni修正的情况下,我们还发现前一年12月的解冻日期和温度与前一年3月的降水量之间(可能是虚假的),以及5月和9月的冻结日期和温度之间以及前一年的总降水量之间(表5).

未来物候学的变化

我们应用投影21世纪变暖趋势[12],以获得相关性最强的月份的温度-物候关系,以估计到2100年季节变暖可能如何影响动物、植物和湖冰。bonferroni校正分析(图3)在大多数情况下确定了最强的相关性,但在红翅、知更鸟、花栗鼠和雌蜂之间没有显著的相关性(潜在的ii型错误)。在后者中,温度-物候关系具有较低的显著性阈值(P < 0.05) (表5)被用来识别最强的相关性。

这种方法在B1排放情景中陆地物种的春季物候方面取得了不到一周的进展,在A2情景中则取得了1-2周的进展(表6).唯一的例外是花栗鼠的迁徙时间推迟,花栗鼠是唯一一种非迁徙物种,其春季物候与3月或4月的温度没有很强的相关性(图3表5).就像我们推测的下圣瑞吉斯湖的冻结日期推迟一样,花栗鼠的春天出现也推迟了,以响应前一个秋天的温度。

缩略图
表6所示。1990 - 2020年月气温和物候序列的线性关系及其对未来预测的应用

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讨论

自1900年以来,阿迪朗达克高地的气候平均上升了1.7°C,每年湿润19厘米(表2),平均变暖速率为0.14°C/十年,超过0.09°C/十年的全球变暖速率(图2) [27].这一地区相对较快的变化速度并不令人惊讶,因为高纬度地区总体上比全球平均变暖的速度更快,这在很大程度上是由于积雪和海冰覆盖面积减少的放大效应,特别是在北极[3.2930.].

虽然阿迪朗达克高地的气候长期以来一直在变暖,但短期内的趋势却有很大变化。1970-2020年期间出现了类似程度的变暖,但在1990-2020年期间,更多的可变温度使上升趋势趋于平缓,而全球平均温度继续上升(图2表2).短期变率在1960-1980年和1970-1990年使长期变暖趋势出现类似的短暂持平,但不太可能阻止长期趋势在本世纪剩余时间内继续上升[412].

1990年至2020年冬季和春季的季节性气候趋势缺乏,这反映在该时间段的春季物候记录中缺乏显著的趋势,除了知更鸟提前到达(表3).相比之下,7月和9月明显的世纪尺度变暖一直持续到现在(表2).根据位于阿迪朗达克高地及其附近的USHCN气象站的平均下降率为0.55°C/100米海拔,因此1990-2020年期间7月升温2.1°C和9月升温2.6°C可能相当于夏季和初秋期间海拔下降约300-375米(接近尚普兰湖附近的伊丽莎白镇)。

陆地春季物候与气候

虽然只有一项春季物候记录显示出明显的时间趋势,但大部分记录对3月和4月的气温表现出强烈的敏感性,在某些情况下,对前一个冬季的气温(图3表5).除了花栗鼠的出苗日期外,所有与陆地物候记录的相关性都是负的,这意味着温暖的冬季或春季温度与更早的迁徙、出苗、发芽或开花有关。陆地物候记录与当年降水量之间没有明显的可靠相关性,但其中一些与前8月的降水量呈负相关,这表明夏季土壤湿度的增加和/或云层遮挡可能有利于雄性娃娃鱼的物候提前夹头来年春天,蜜蜂,红枫和延铃树。

在春季物候与月气温之间有许多显著的相关性表5提供了对所考虑物种的生态学或行为的潜在见解,而不管它们是否在应用Bonferroni校正后仍然存在(图3).我们在这里研究了一些个体物种之间的关系,这些关系在生态学上是有信息的,可能具有预测价值。

动物种类和气候。

红翼黑鸟和知更鸟在阿迪朗达克高地以外的地区越冬,因此它们的迁徙习惯受到其他地方和当地环境条件的影响。在三月,雄鸟通常会先于雌鸟出现在PSC (表3),以及3月和(对知更鸟而言)前12月的到达日期与温度之间的负相关(表5的研究表明,冬季和春季温暖的环境会加速积雪的消退,从而有利于鸟类在裸露的地面上建立繁殖地和觅食。红翼鸟到达日期的缺乏趋势与3月气温的缺乏趋势是一致的,那么,为什么知更鸟的迁徙转向了更早的日期呢?后一种进展可能不是统计上的产物,因为它在北美的其他地方都有记录。32],因此除了当地气温以外,其他因素也会造成这种现象。可能性包括天气条件和知更鸟使用的地理范围内其他地方的食物供应,特别是它们迁徙路径上的积雪情况。

花栗鼠的出现日期与前一个10月的温度呈正相关,这可能与较长的食物储存时间有关,因为秋天的天气较暖,可以让动物在洞穴中停留更长时间。与当前和前一年2月温度的正相关关系可能是假的,因为我们假设暖冬应该鼓励动物更快地结束地下冬眠,从而促使出现日期提前。我们不愿给他们贴上这样的标签表5因为相关性很强,而且发生在同一个月内,但鉴于这种不确定性,我们选择在以后的分析中关注与10月温度的正相关关系。

蝾螈迁徙时间的提前与2月、3月和前一个秋天的温度升高有关,这可以减少森林土壤中霜冻的深度或持续时间,动物可以在其中越冬。暖冬也加速了积雪的融化,这有助于形成春天的水池,火蜥蜴在其中繁殖。由于在研究期间,2月和3月的气温没有明显上升,迁徙日期没有明显的趋势(表3)是意料之中的。也许令人惊讶的是,尽管迁徙往往发生在温暖、多雨的4月晚上,但迁徙日期与4月的温度或降水量没有显著相关。与前8月降水的负相关可能反映了夏季土壤湿度对蝾螈的影响,这种影响可能延续到次年春季。

地面生物的出现夹头蜜蜂与三月份的气温呈负相关,对于雄性来说,二月也是如此。这些关系可能与土壤的解冻和变暖有关,这促使昆虫在去年春天在地下发育后出现。在前一个8月,当雄蜂在土壤下几英尺深的防潮胶囊中休眠时,这种与降水的负相关性可能是虚假的,特别是因为与雌蜂没有明显的这种关系。然而,我们不愿完全否定它,因为其他一些物候记录也显示了它(表5).

植物种类和气候。

在四月,雌柳花粉的开始生产与温度呈负相关,在这个月里花粉通常出现(表3.而且5),这意味着在温暖的环境下,花朵会更早发育。由于柳树生长在永久潮湿的湿地栖息地,因此与降水之间缺乏相关性是意料之中的。

在这里研究的物种中,红枫和鳟鱼百合与温度的相关性最大。它们主要发生在4月下旬之前的4个月里,除了之前的11月和之前的10月,那时枫树开花,鳟鱼百合发芽3.而且5).鳟鱼百合的开花期与其发芽期(R2= 0.77, P = 0.0002)以及3月和4月的温度。这些结果表明,更短、更温和的冬天可以让土壤在春天早些时候解冻和变暖,这有助于这些物种更快地开花和/或发芽。这两个物种对温度变化的相似反应可能也反映了鳟鱼百合叶片生长对融雪和森林冠层脱叶之间短暂而多变的时间框架的依赖[33]以及树木和下层植被之间通过菌根真菌网络的互惠关系[3435].枫花期与前8月降水量的相关性可能反映了生长速率对夏季干旱的敏感性[36,在这种情况下,一个干燥的夏季可能会减少光合作用碳储量,从而导致来年春天花期推迟。

红延铃的发芽日期与3月、4月和之前11月的温度有关,这种模式与枫树开花记录相似。与鳟鱼百合一样,开花日期与发芽日期密切相关(R2= 0.73, P = 0.0018),但前段3月和8月的降水也与延铃草的发芽和开花时间有关。对于与降水的关系,我们还没有现成的生态学解释,特别是因为鳟鱼百合没有表现出这种敏感性,但在同一两个月里,延铃的发芽和开花日期存在显著相关性,这表明它们可能不是统计学上的人为因素。我们推测,它们可能与生长季节的质量有关,这可能会影响碳水化合物的储量,也可能与气候对昆虫、蛞蝓、菌根或与植物相互作用的其他生物的影响有关。343738].

由于记录的时间不连续性,这些分析的可靠性在一定程度上有所削弱,因为我们的物候记录没有一个完全代表1990年至2020年的31年(n = 11-29年)。尽管如此,在陆地现象和春季气候中发现的大多数模式在物种之间是非常一致的。再加上1990 - 2020年冬末和春季没有同步变暖或降水趋势,这些发现有助于解释近几十年物候记录中普遍缺乏时间趋势的原因。

湖物候学

十月湖面温度明显上升(表4),以及七月至九月区域变暖(表2).我们认为为9月份计算的大幅度变暖(5.3°C)是不可靠的,因为在1990-1997年期间,从9月份只有5次测量结果,但该月份的总体变暖趋势可能也是真实的。1990-2020年期间10月和11月大气没有变暖,导致11月湖泊温度和湖泊冷却至4°C的日期(通常在11月)没有显著趋势。

虽然在这项研究中没有直接测量下圣里吉斯湖的热分层和深水氧气耗竭的持续时间和强度,但在过去30年里,它们很可能随着夏末和秋初的水温而增加。秋季分层的减弱引发了浮游植物群落的重新组织,其中浮力蓝藻(主要是蓝藻)淡水藻类的一种)被硅藻所取代,硅藻更倾向于依靠垂直混合来保持它们悬浮在真光区。考虑到初秋期间观察到的空气和湖泊变暖趋势,我们预计10月中旬从蓝藻到硅藻的转变也会推迟,但没有显示出这种变化。我们推测,过渡日期没有变化可能反映了方法上缺乏精确性。浮游植物的转变是一个受温度、降水和风力条件影响的渐进过程,平均时间从2天到2周不等。

自1909年开始记录以来,下圣瑞吉斯湖的冰融时间提前了约一周(表3),这与秋、冬、春三季显著的世纪尺度气候变暖相一致,气候变暖会降低冰的厚度和强度(图4表2).从1970年到2020年,尽管在此期间春季没有变暖趋势,但解冻日期也出现得更早,这表明初冬变暖是一个可能的原因。在最近的1990-2020年期间,解冻或冻结日期缺乏显著趋势,这与在较短时间内冬季和春季温度以及其他物候记录缺乏趋势是一致的。

缩略图
图4所示。

镜像湖(a, d)和下圣瑞吉斯湖(b, e)的融冰和冻结日期记录。星号(c)表示尚普兰湖主湖盆保持无冰状态的年份[39].竖线描绘文本中讨论的时间框架;(1) 1970-2020年,(2)1990-2020年。

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与温度相关的湖泊冻结日期的记录表明,5月、9月、11月和12月较温暖的条件可以延迟冻结,可能是通过为湖泊的年度热量预算增加更多的热能(表)4而且5).在前一个春季,较早的解冻日期似乎也推迟了冻结(R2= -0.35, P = 0.023), 11月湖面温度升高(R2= 0.50, p = 0.013)。与11月和全年降水量的负相关性表明,与干燥天气相关的云量减少导致日照增加也可能推迟结冰。

适用于阿迪朗达克地区和其他地方

ADK3温度记录中的大部分变化与ClimAID对纽约州整体气候的研究报告相当[4].ClimAID报告了1970年至2010年间2.4°F(1.1°C)的变暖,略低于ADK3系列记录的同一时间段的变暖(1.8°C)。我们发现,在1900年至2020年期间,阿迪朗达克高地的变暖速度快于全球平均水平,这与新英格兰地区温度的一项区域研究一致,该研究在同一时间段内获得了类似的结果,冬季平均季节性变暖最大,春季平均季节性变暖最小[40].在过去20 - 30年里,阿迪朗达克记录中所显示的长期变暖趋势相对平缓,在新英格兰的大部分地区也很明显[4142].

ClimAID研究报告称,自1900年以来,整个州的降水没有明显的趋势,但ADK3系列显示了1900 - 2020年和1970-2020年的湿润趋势,这也反映在该地区的湖泊水位记录中[12].在较大的地理区域内,降水模式通常比温度更不一致,我们初步将阿迪朗达克和全州平均水平之间的差异归因于特定地点的因素,如地形和五大湖下风的湖泊效应降水[43].

纽约纽科姆阿迪朗达克生态中心(AEC)植物物候记录(图1 b),与PSC记录一致。此前对纽科姆地区红延铃开花时间的分析也得出了与4月气温(R2= 0.42, P < 0.0001),但在1975-2006年间没有变化趋势[18].园艺大师达纳·法斯特在克利尔湖记录的未公布的红延铃花期(图1 b)也与4月的气温(R2= 0.53, P < 0.0001), 1985-2006年间无变化趋势。由于记录中的空白和与PSC系列的短时间重叠(n = 5)造成的小样本量阻碍了与这两个地点的延兆岩数据的可靠比较,但AEC和Lake Clear系列彼此之间有很强的相关性(R2= 0.83, p < 0.0001)。

1982-2007年期间,克利尔湖红枫的开花日期与PSC一样,没有显示出明显的趋势,与4月的温度(R2= 0.67, P < 0.0001)以及1992 - 2007年PSC开花日期(R2= 0.84, p < 0.0001)。克利尔湖鳟鱼百合的花期也没有变化趋势(1982-2006),与4月气温(R2= 0.50, P < 0.0001),但重叠期的样本量小(n = 3)再次妨碍了与PSC开花日期的相关性分析。

纽约南部莫霍克湖附近的鳟鱼百合、红延铃和斑点蝾螈的花期中值从1930年代初到1970年没有明显变化[6但日期与温度密切相关,就像阿迪朗达克山脉的情况一样。作者将研究的24个物种中大多数普遍缺乏趋势归因于春季的温和或没有变暖趋势,并指出冬季和夏季变暖程度更高,这些发现与我们的发现一致。

这些比较表明,PSC的陆地物候记录反映了区域一致的模式,包括对春季温度的强烈敏感性,以及最近几十年缺乏反映冬末和早春短期缺乏气候趋势的显著时间趋势。从1月到4月,枫树、鳟鱼百合和延铃树的温度-物候关系的坡度普遍增加,这一模式与实验证据一致,即美国东北部一些森林植物的发芽日期对冬季变暖的反应更晚,而不是更早[44].

与陆地记录不同,来自下圣瑞吉斯湖的冰记录不太清楚地代表更广泛的阿迪朗达克地区。下圣瑞吉斯湖的春季解冻和冬季冻结日期与镜湖的春季解冻和冬季冻结日期密切相关(图4),位于普莱西德湖村(图1 b),尽管之前的记录在本世纪中叶中断了。1909年至2020年,这些湖泊的解冻日期相互之间有很强的相关性(R2= 0.86, P < 0.0001)2= 0.62, p < 0.0001)。近几十年来尚普兰湖主盆地无冰情况的频率增加(图4) [39]也与整个北半球冰盖持续时间缩短之外,高地地区冻结日期延后的趋势相一致[45].

相比之下,镜湖和下圣瑞吉斯湖的短期(1990-2020年)冰记录与AEC的记录不太一致,后者在1975年至2007年期间,有五个湖泊在秋季明显提前结冰并提前解冻[13].这些地点之间的变化并不仅仅是分析不同时间间隔的结果,因为镜湖和下圣瑞吉斯湖的解冻日期在1975-2007年期间也没有显示出明显的趋势,镜湖冻结日期在1975-2004年期间也没有显示出明显的趋势。来自纽约和其他五大湖州的65份冰记录中也记录了类似的地理变化,其中阿迪朗达克的一些记录在1975年至2004年间显示出显著的趋势,但其他记录则没有[11].这些作者将这种不一致归因于影响湖泊冰动力学的众多因素,包括风活动、湖泊热收支和积雪。

下圣瑞吉斯湖初秋地表温度明显升高是PSC物候记录中最显著的变化之一。尽管由于样本量小,我们认为9月下旬上升的幅度值得怀疑,但我们当时以及10月湖泊显著变暖的证据与来自美国周边地区的其他记录一致,其中气候变化导致的最大变暖通常发生在夏季和初秋[46].

阿迪朗达克的物候在变暖的未来

尽管1990年至2020年春季缺乏明显的气候趋势,导致生物物候和冰在这段时间内基本上没有变化趋势,但气候模式预测到本世纪末,阿迪朗达克地区将出现明显的变暖[12].在我们的分析中揭示的当地物候对温度的敏感性表明,这种变暖可能会在本世纪引起实质性的物候变化。

在这两种情况下,这种变暖对阿迪朗达克高地季节性气候的影响在图5,其中冬季被定义为平均气温低于零度的时期,而春季和秋季的过渡季节则是气温介于0至10摄氏度之间的时期。当阿迪朗达克-尚普兰盆地的季节性变暖确定时[12]用于当前月平均气温(1990-2020年),过渡季节的变化主要体现在它们在滑动时间尺度上的位置,因为它们的温度范围从定义上看是稳定的。在图5例如,在B1和A2情景下,到2100年,春季开始和结束的时间分别提前了大约1周和3周,时间变化通常与中列出的一致表6

缩略图
图5所示。基于阿迪朗达克-尚普兰地区预测的中等(B1)和极端(A2)情景下温室气体排放量的当前和未来两种情景的季节温度变化[12].

ADK3系列的月平均气温季节分布说明了(a) 1990-2020年区间,以及(b) B1情景和(c) A2情景下2100年的季节分布。灰色柱状图表示平均气温在0°C至10°C之间的春季和秋季过渡季节。

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相比之下,冬季和夏季在持续时间和强度上都可能发生变化。以1990-2020年ADK3的温度为基准,将时间框架调整到2020-2100年,我们发现随着夏季相应地变长和变暖,冬季变得更加温和,并从今天的平均持续时间16-17周缩短到14-15周(B1)和11-12周(A2) (图5).因为今天的温室气体积累将在遥远的未来继续使地球变暖。47这些发现表明,阿迪朗达克山脉可靠的多雪冬季可能会在下个世纪末之前完全消失。

生态不匹配。

我们目前几乎没有看到1990-2020年期间相互依赖物种之间物候发展的时间不匹配的证据,正如其他地方所记录的那样[820.- - - - - -22],主要是因为我们在当地的气候或物候记录中几乎没有发现在那段时间内的趋势。然而,单个物种的物候与月气温之间的不同关系表明,在变暖的未来,生态不匹配可能会出现。我们在这里讨论春天野花和它们的传粉者的这种可能性。

在A2情景下,蜜蜂(约6-9天前)和阴柳花粉(约13天前)的物候进展的差异可能随着变暖的继续而成为问题(表6).女夹头蜜蜂在出洞后有一个月或更少的时间交配,挖洞,并在死亡前为它们的卵提供花粉,目前PSC的柳树通常在雌性出洞后一周左右开始产生花粉。因此,花粉可用性和传粉者活动的2-3周重叠期缩短1周,可能意味着蜜蜂以及其他春季传粉者及其所服务的植物的繁殖潜力显著降低。推断红枫花期提前两周可能意味着另一种花粉来源夹头48也可能在本世纪经历蜜蜂可用性的类似减少。在发表这项研究的过程中,我们注意到2021年和2022年春季蜜蜂和花朵的物候进一步突出了植物-传粉者不匹配在不久的将来发展的可能性。将这两个季节添加到1990-2020年的物候记录中,在蜜蜂中出现了统计上显著的时间趋势,而在柳树或枫树中则没有。

Heberling等人[21]记录了相对于在早春依赖高光照水平的下层植物的开花,树木叶片物候学对温度更敏感。他们得出的结论是,这种反应的差异可能导致了东北部的春季野花由于变暖和自19世纪中期以来更早的冠层叶片而经历了光照可用窗口的缩短th世纪。由此导致的光环境的减少被认为减少了碳预算和春季野花的整体适应性。在PSC,红枫与冬季和早春温度的关系通常比鳟鱼百合嫩枝表现出更强的相关性和更陡的斜率(日/°C)(表5而且6),而预计到2100年枫树花期的时间提前要比鳟鱼百合和延铃草(表6).这些发现表明,森林冠层和林下花之间的生态不匹配与Heberling等人所描述的相似。[21随着未来春季气温的升高,可能会在阿迪朗达克山脉生长。

未来的湖泊状况。

我们预测物候变化的统计方法表明,到2100年,下圣瑞吉斯湖的冻结日期可能会推迟约8-18天,解冻日期可能提前约5-11天(表6),与年的季节变化所显示的结果相当图5.这两种方法都表明,随着变暖的继续,阿迪朗达克湖的冰盖持续时间将缩短,而且在A2排放情景下比B1排放情景下缩短得更多。不管温室气体排放的情景如何,本世纪后的某个时候,所有阿迪朗达克高地湖泊都可能在冬季变得无冰,这一过程在尚普兰湖(Lake Champlain)的主盆地已经接近完成。图4摄氏度).

在这种情况下,下圣里吉斯湖将相应经历更长、更极端的热分层,因为夏季变暖,并一直延续到9月或10月初,这一趋势在水温数据中已经很明显,也影响到北美其他湖泊[46].图5表明在A2情景下,到2100年,阿迪朗达克高地夏季目前约4.5个月的平均持续时间可能会增加到5-6个月。反过来,夏季变暖和热分层扩大可以促进湖泊中蓝藻大量繁殖的发展,这可能伴随着毒性、氧气耗尽和水生食物网的重组[4950].这些趋势可能对冷水鱼类构成严重挑战,它们的生存依赖于夏季在湖泊最深处持续存在的清洁、凉爽、含氧良好的栖息地。在这种情况下,阿迪朗达克湖拥有超大的深盆地,对于湖鳟鱼等冷水物种来说,作为气候避难所将变得越来越重要。51].

阿迪朗达克山脉的文化物候学和气候

人类成为阿迪朗达克高地生态系统的一部分已经有几千年的历史了,比PSC物候径上发现的大多数动植物物种都要长。与其他物种一样,它们的行为长期遵循季节性模式,今天该地区的经济在很大程度上依赖于冬季运动、户外娱乐和木材工业,所有这些都受到气候的强烈影响。该地区人口组织活动的季节周期创造了一种独特的“文化物候学”,将阿迪朗达克社区的社会结构与更南部的其他山区区分开来,其中最主要的定义季节是冬季。每年可靠的深寒天气使该地区能够举办大型体育赛事,包括在普莱西德湖举办的两届冬季奥运会,自1897年以来每年在萨拉纳克湖举行的冬季嘉年华,以及在老弗吉举行的雪地摩托圣地。因此,考虑萎缩的冬季和相应的更长、更热的夏季会如何影响阿迪朗达克山脉的人类居民是合适的。

任何复杂的生态系统都包括可能从气候变化中受益而非受损的组成部分。更温和、更短的冬天可以减少取暖费,减少污染水体和腐蚀车辆的道路盐的使用。温和的冬天可以增加白尾鹿的存活率,白尾鹿是运动狩猎的重点,人们担心气候变暖会对阿迪朗达克山脉的糖枫造成影响。52],但健康的糖枫和在蓝岭南部收获的糖浆却缓和了这一状况。47].

相反,毒葛和携带疾病的黑脚蜱现在主要局限于周围的低地,随着气温上升,它们可能会扩散到更高的海拔地区。在过去的一个世纪里,该地区暴雨的强度也显著增加,从而增加了发生破坏性洪水的风险,增加了向水体输送藻类营养物质的风险,以及更换和升级涵洞和桥梁的费用。[12].

也许从人类的角度来看,最重要的是,在经济和文化上具有重要意义的冬季活动,如冰上钓鱼、雪地摩托、户外滑冰和滑雪,都依赖于可靠的冰冻水供应,而由于变暖导致的冰变薄威胁着从事这些活动的人们的安全[[53].冻土使伐木设备更容易在森林中移动,除雪服务为这个贫困的农村地区提供了额外的收入,尚普兰湖上的轮渡经营者报告说,冰层使冬季风暴期间的航行更加顺畅。54].所有这些活动都将面临冬季减弱的重大影响,而由于温室气体排放过高而导致的气候变暖,到本世纪末,全国乃至国际级别的体育赛事都可能无法在阿迪朗达克山脉举行。例如,最近一项对21个前冬季奥运会主办城市的气候预测研究得出结论,极端排放情景将使普莱西德湖成为到2050年仍具有适合奥运会气候条件的四个地点之一,而到2100年,只有日本札幌仍在这一名单上。55].

如今,固体水和液态水之间的热阈值每年都在不断地交叉,这对文化和生态系统都产生了深远的影响[56],以及这种过渡的最终丧失——即。冬季的消失可能会在该地区造成最大的气候变化。随着气温的持续上升,阿迪朗达克地区的大多数物种可能会继续在更靠北的地方生存,但当地人类居民的地方性文化并没有那么强的流动性,特别是在北部不远处有国际边界的情况下。随着与寒冷多雪的冬天有关的长期传统逐渐成为过去,在变暖的未来,阿迪朗达克山脉人类居民的文化生态很可能面临最大的生存挑战。

支持信息

S1无花果。鳟鱼百合(淫americanum)在阿迪朗达克森林里开花

https://doi.org/10.1371/journal.pclm.0000047.s001

(TIF)

S2无花果。红枫(宏碁石)在保罗·史密斯学院的物候学小径上开花。

https://doi.org/10.1371/journal.pclm.0000047.s002

(TIF)

致谢

艺术家南希·伯恩斯坦制作了手绘的现场地图,保罗·史密斯学院的许多学生和教师提供了这里展示的一些观测数据,此外还有达纳·法斯特和AEC的工作人员提供的物候数据。ADK3时间序列所用的气候数据由美国历史气候学网络提供,地址为:https://www1.ncdc.noaa.gov/pub/data/ushcn/v2.5/.本研究使用的物候和气候数据来自:https/ / wwwusanpnorg/node/36839

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