一项研究阐明了极端天气事件如何影响物候过程，特别是蝴蝶和蛾子的飞行期以及植物的开花时间，并对气候变化后的粮食安全产生影响。
无论是春天开花，夏天酷热中蝉鸣交配，还是毛虫孵化以喂养它们最喜爱的宿主植物——在自然界中，生物事件的时机至关重要，以至于它催生了一个科学学科：物候学。
物候学的很大一部分根植于季节，但在一个变化的世界中，研究人员越来越发现影响生物体及其生态相互作用时机的精细平衡受到扰乱。
在一项发表在自然气候变化的最新研究中，由亚利桑那大学生态学家李大江领导的团队更仔细地观察了极端天气事件如何影响物候过程，特别是在美国蝴蝶和蛾子的飞行期以及植物的开花时间。
尽管极端事件如热浪、寒流、强降雨和干旱对生物系统产生了显著影响，但在研究中常常被忽视，因为研究人员更关注平均气候条件的逐渐变化所带来的影响。因此，在当前和未来的气候变化下，关于极端天气事件对生物体、种群和生态系统的生态影响存在一个关键的知识空白。
“大多数研究聚焦于气候变量或季节性，例如年平均温度或降水平均值，”李说，他是亚利桑那大学生态与进化生物学系的助理教授。“但作为个体，我们对直接的环境压力做出反应并做出决策，而不是对10年的趋势，对吗？”
李与他的合著者表示，科学家努力提高对植物和动物物候如何应对全球变化的预测时，考虑极端天气事件是很重要的。李的团队发现，虽然平均温度在推动植物和昆虫的物候方面扮演着重要角色，但极端天气的影响与其他常见研究变量同样重要。
“我们的结果提供了压倒性的证据，表明极端天气事件及其发生的气候背景对于理解植物和昆虫的物候反应至关重要，”李说。
研究还表明，除了直接影响植物和昆虫外，极端天气事件也与气候变量相互作用，李说。
“例如，极热和极干燥的时期可能对物候产生复合效应，”他说。“这些变量并不是孤立发生的。相反，它们彼此相互作用，并与气候变量相互作用，共同驱动植物和昆虫的物候。”
研究人员查看了公民科学家通过iNaturalist收集的数据，该应用在自然爱好者中非常受欢迎，允许用户在实地识别植物和动物物种，拍照并上传到数据库。他们将iNaturalist数据与1980年至2022年记录的每日天气数据结合在一起。
“我们查看了2016年至2022年大约581种被子植物（开花植物）和172种鳞翅目（蝴蝶和蛾子）飞行成虫，”李说。“我们还观察了空间分布模式、极端天气事件如何影响这些植物和昆虫的物候，以及植物和昆虫对极端天气事件的反应是否相似或不同。”
特别令人担忧的是某些物种之间依赖彼此生存的微妙关系受到扰乱，例如沙漠木棉植物和沙漠木棉蛾，李说。这种小型、淡白色的蛾很好地与沙漠木棉的白色花朵融为一体，它在这里度过了大部分成虫生活。蛾子给花朵授粉，而作为回报，沙漠木棉为蛾子幼虫提供食物。
“如果昆虫的幼虫阶段对早春热浪反应过于敏感，当气温恢复正常或在寒流期间，它们可能更容易死去，”李说。“同样，如果春季比平时更温暖，植物将会早开花，这使得它们在生长季节中更容易遭受晚霜的侵袭。”
物种之间精细调整的依赖关系容易受到干扰，无论是由长期气候变化还是短期极端天气事件引起的。如果传粉者（如蝴蝶或蛾子）的出现与植物开花不同步，传粉者将无法找到食物，花朵将无法授粉。
尽管植物和昆虫通常对极端天气表现出相似的物候反应，但研究人员发现反应也可能相当不同。例如，春季的极端寒流促使成虫蝴蝶和蛾子意外提早出现并飞向天空，而植物的开花时间开始基本未受影响。
“这些类型的物候不匹配将对植物和昆虫都有后果，导致两者种群都受苦，”李说。
李与他的合著者——来自佛罗里达大学的迈克尔·贝利茨、林赛·坎贝尔和罗伯特·古拉尼克——希望通过将极端天气事件纳入气候模型，研究人员将能更好地预测不匹配及其对生态系统的后果，并制定有效的缓解和适应气候变化的计划。
“这项工作在多个领域中可能都具有相关性，从保护到粮食安全，”佛罗里达医学昆虫学实验室的助理教授坎贝尔说。
“我们仍然刚刚开始更全面地理解极端天气如何影响昆虫和植物，而这最终影响我们和我们的粮食安全，”佛罗里达自然历史博物馆的生物多样性信息学策展人古拉尼克说。“这项工作是实现这一目标的一步。”
