近49年來萬榮縣氣候變化及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

王芳芳 馮旭芳

（1.東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院，長春130024；2.太原師范學院 城市與旅游學院，山西 太原030012）

全球氣候變暖趨勢日益明顯.2007年第4次IPCC氣候變化評價報告指出，過去50a變暖趨勢是平均10年升高0.13℃（0.10℃～0.16℃）.2001年－2005年與1850年－1899年相比，總溫度升高了0.76℃（0.57℃～0.95℃）[1].針對氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關系的分析，從文獻查閱情況來看，已經(jīng)有很多學者對此展開研究.研究方法多集中于氣候趨勢系數(shù)[2]、氣候傾向率[2－4，6]，R－S法[5]、小波分析[5－7]、變異系數(shù)[8]、距平法[8－10]、Mann－Kendall法[11－13]等.通過這些方法研究氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關因子及變化趨勢.為此，本文以萬榮縣為研究對象，著重分析縣域范圍內氣溫及降水量的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響.

萬榮縣位于運城市西北，黃河西岸，處于暖溫帶大陸性季風氣候帶上，氣候溫和.境內地勢東高西低，東部為臺狀黃土高原，西部為黃土谷地，所以全縣整體地勢較高，水源短缺.主要農(nóng)作物有小麥、棉花、玉米等.

1 資料來源

資料來源于地面氣象觀測站1957年－2005年萬榮縣氣溫及降水量數(shù)據(jù)記錄.

2 研究方法

全年將四季劃分為:春季（3～5月），夏季（6～8月），秋季（9～11月），冬季（12月～翌年2月）.

采用Mann－Kendall法、距平法對氣溫及降水量數(shù)據(jù)的變化進行分析.

Mann－Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，也稱為無分布檢驗.由于最初由Mann和Kendall提出了原理并發(fā)展了這一方法，故稱為Mann－Kendall法[14].近年來這種方法也被研究者用于檢驗時間序列的突變點、異常值等[13].

Mann－Kendall法的計算步驟如下:

對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列:

其中

即秩序列sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù).

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量:

其中UF1＝0，E（sk）和var（sk）是累計數(shù)sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，它們可由下式算出:

UFi為標準正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，若｜UFi｜〉Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化.

按時間序列x逆序xn，xn－1，…，x1，再重復上述過程，同時使UBk＝－UF，k＝n，n－1，…，1，UB＝0.

這種方法可以指出突變區(qū)域及突變時間，是一種常用的突變檢測方法.

3 結果分析

3.1 氣溫變化分析

3.1.1 氣溫的季節(jié)變化

隨著全球變暖趨勢的加劇，氣溫呈現(xiàn)出較為劇烈的振蕩變化.從圖1至圖4和表1的數(shù)據(jù)表時:春季溫度距平出現(xiàn)3處較高的正距平:2005年，15.2℃；2004年，15.1℃；2000年，14.9℃.1978年也曾出現(xiàn)過一次負距平絕對值較高值:14.1℃.49a間呈現(xiàn)負距平的年份占據(jù)多數(shù)，居于20世紀70年代到90年代之間，隨后溫度以正距平為主，即整體溫度要高于平均溫度，這樣的變化表征了溫度逐年增加的現(xiàn)象.夏季溫度以正距平年份為多數(shù)，且大部分變化持平，增溫率僅表現(xiàn)為0.308℃／（10a），為四季增溫速度的最低值.正距平最高值是1997年的23.28℃；而負距平只是在少數(shù)幾年間出現(xiàn)了一些絕對值的較大值，大部分年間變動微小，最低值出現(xiàn)在1983年的－19.05℃.兩個極端的距平值說明了在這期間溫度的變化在年際之間不穩(wěn)定，但是都出現(xiàn)在20世紀末期，這段時間的距平變化情形是其他三個季節(jié)中所沒有出現(xiàn)的.夏季溫度本身較其他季節(jié)高，在全球氣候變暖的大環(huán)境下，夏季溫度變化規(guī)律也與之吻合，通過距平的變化即可說明，多年來夏季最高溫只達到27.1℃，也就是正距平最高的年份:1983年.縱觀四季的距平變化，可以看出秋季溫度距平值變化較大值集中表現(xiàn)在幾個主要年份，其余分布較為均勻，但無論正距平抑或負距平差值都很明顯，且整體高于夏季的距平值.而在49a間，秋季的負距平絕對值較高的集中分布程度也成規(guī)律性:接近于每隔幾年會出現(xiàn)一個最高值，然后就是相對較低值，正距平也近似有這種特點.這說明溫度的表現(xiàn)在幾年間呈現(xiàn)波動性變化，在20世紀的所有年代中幾乎都有這樣的變化情形.局部溫差的出現(xiàn)恰恰說明了多年來秋季溫度的高溫和低溫現(xiàn)象分布的狀況，這為從溫度變化角度解釋農(nóng)作物種植及產(chǎn)量狀況提供了很好的參考價值.從5a滑動平均變化來看，冬季的變化最為顯著.可以看出，冬季溫度距平值則呈“之”字型變化，變化幅度較大.在20世紀80年代初出現(xiàn)了拐點，此時距平值接近于零，而之前多以負距平為主，僅在20世紀50年代末和60年代初出現(xiàn)過連續(xù)幾年的正距平值，說明當時溫度較高，隨后多以低溫為主.20世紀80年代以后，繼續(xù)以正距平占多數(shù)位置，且逐年增高，暖冬的出現(xiàn)較為頻繁.增溫率也為四季之首，達到了3.663℃／（10a）.這從整體上可以說明溫度變化的年際性，特別是20世紀末及21世紀初的幾年間，溫度增加較為均衡.

圖1 1957年－2005年萬榮縣四季氣溫距平圖

3.1.2 氣溫年際變化

圖2 1957年－2005年氣溫距平圖

圖3 1957年－2005年年均溫趨勢變化

表1 1957年－2005年萬榮縣氣溫10年平均值 ℃

圖4 1957年－2005年萬榮縣氣溫M－K檢驗計算圖

氣溫差值較大的年份集中表現(xiàn)在20世紀70、80年代，21世紀后保持增長趨勢不變（圖2）.年均溫也呈現(xiàn)1.555℃／（10a）的氣溫增長率（圖3），表現(xiàn)較為顯著.常年年均溫變化中，春季和冬季增溫值分別達到了1.3℃和1.2℃，與IPCC報告中提到的變化值接近.說明在全球氣溫變暖的大氣候影響下，局部地區(qū)的溫度也在小范圍內增長.冬季溫度的變化與袁素芬的研究結果較為一致.從圖4中可以看出，高于檢驗值（顯著性水平臨界值α0.05＝±1.96）的時間段集中在20世紀50年代末到60年代初、20世紀70年代末開始至20世紀90年代末，后者在較長時間里氣溫突變更加顯著，即出現(xiàn)了2個突變點，突變點之間有間斷性的緩和，如在20世紀80年代出現(xiàn)了溫度的下降趨勢，這與圖3多年變化值的研究結果相符.在拐點之間，小于水平臨界值的部分，差值也很小，說明氣溫下降的趨勢不明顯，49a間整體呈現(xiàn)出增長趨勢.在第2個突變點后亦即21世紀初氣溫突變不明顯，沒有超出臨界值，但是可以看到，氣溫的走向仍然保持上升趨勢，溫度仍保持在較高的水平.

溫度適當?shù)脑黾涌梢源龠M作物生長期提前，可以提高復種指數(shù)，增加作物產(chǎn)量，進而帶來一定的經(jīng)濟效益.但是，大面積的溫度變化可以抑制大部分作物的生長.特別是萬榮縣以干旱著稱，干旱是制約糧食生產(chǎn)的主要因素[15].氣候變暖會通過改變生產(chǎn)條件帶來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的變化.如過度干旱會引發(fā)病蟲害，破壞作物正常生長.根據(jù)蔡運龍、Barry Smit的研究，中緯度地區(qū)的農(nóng)作物在全球變暖的作用下將減產(chǎn)[16].運城市處于北緯34°35′～34°49′，萬榮縣農(nóng)作物生長就會面臨減產(chǎn)的危險.所以應該在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中積極結合農(nóng)業(yè)科學技術，提高復種指數(shù)，保障產(chǎn)量.

3.2 降水量變化

3.2.1 降水量的季節(jié)分布

從圖5可以看出春季距平降水量最大值在1982年的372.22mm，最小值出現(xiàn)在2001年的－267.44 mm.降水量在20世紀末到21世紀初的幾年間減少較快.49a間從距平波動曲線的變化規(guī)律看出中間出現(xiàn)了幾個大的變化，在20世紀50～60年代之間、80～90年代也出現(xiàn)了降水量的異常變化.距平值的較高值和較低值交替出現(xiàn).夏季的最高值及最低值分別為1958年的1 217.74mm及1997年的－817.93mm，中間呈現(xiàn)出規(guī)則的變化，距平曲線的走向具有平穩(wěn)的周期性.秋季出現(xiàn)了2003年的624.70mm，這與萬榮縣的氣候特點相吻合.境內地勢高低走向及雨水的枯竭，距平值變化幅度較小常年雨量持平，說明夏季萬榮縣的降水量常年趨于穩(wěn)定，處于豐水期.冬季的變化幅度較大，而且較高值多于較低值，且較高值和較低值的絕對值都較大，說明冬季各個月之間降水量表現(xiàn)出較大的差異，但由于降水量值域較小，所以冬季處于枯水期.

圖5 1957年－2005年萬榮縣四季降水量距平圖

3.2.2 降水量的年際變化

表2 萬榮縣1957年－2005年降水量相鄰10年平均值變化比較 mm

降水量分布在各個年代、季節(jié)之間表現(xiàn)出明顯差異.如表2所示，每10a為一個階段，對降水量四季分布及年均降水量計算，看到春、夏、秋3個季節(jié)降水量較冬季更為均勻，且呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季＞冬季的特征，這與上段從距平圖中觀測的結果保持一致.49a的平均降水量在四季的比較中居于夏季和秋季之間，較接近于秋季的水平.20世紀90年代到21世紀初的春季和夏季降水量明顯低于其他年代，秋季和冬季的最低值分別出現(xiàn)在20世紀末和20世紀70年代末至80年代初.但各個季節(jié)之間降水量整體波動不大，年均降水量更是趨于穩(wěn)定.

3.2.3降水量的多年特征分析

多年降水量通過上述年際間的年均降水量的比較可知:降水量在多年間尚未出現(xiàn)較大的波動，氣候變化率也不顯著（圖6）.但是通過距平值（圖7）觀察，還是可以看出在20世紀60年代初至20世紀70年代末、90年代出現(xiàn)了較小的變動，特別是90年代末更為顯著，說明降水量曾出現(xiàn)過持平的狀況，但縱觀49a的變化，正距平最高值在20世紀末至21世紀初出現(xiàn)較少而在20世紀50、60年代出現(xiàn)較多，20世紀末至21世紀初出現(xiàn)了絕對值較大的負距平值，這說明降水量有減少的傾向.

圖6 1957年－2005年萬榮縣年均降水量變化圖

圖7 1957年－2005年萬榮縣年均降水量距平圖

春季降水量的減少會造成干旱氣候，干旱在一定程度上會縮短棉花的生長期，降低產(chǎn)量.根據(jù)數(shù)據(jù)資料，1957年－2005年棉花的產(chǎn)量驟減，水分減少是影響棉花產(chǎn)量的因素之一[17].小麥種植耗水較多，小麥和玉米都需要大量灌溉水[18].萬榮縣處于汾河流域下游，灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要非常充沛的降水，河流供水的同時也需要一定的水源補給，所以，降水量的變化會在生長時水分供應的角度抑制這些農(nóng)作物的生長.

4 結論與建議

通過對萬榮縣氣溫和降水量的分析可知，在49a間，其變化呈現(xiàn)出以下特點:

1）氣溫在四季的變化中呈現(xiàn)出冬季增溫速度較快，春季次之，秋季和夏季居于三、四位的分布狀況.秋季高溫和低溫有明顯的年代性分布特點，夏季溫度則持平.從多年均溫變化值來看，從20世紀末到21世紀初，均有增溫現(xiàn)象出現(xiàn)，其中以冬季尤為顯著.氣溫在多年總體變化中則整體具有增暖趨勢，當然，期間也表現(xiàn)出溫度的波動性變化.

2）降水在多年的變化中也具有季節(jié)性和年代性.季節(jié)方面，每個季節(jié)都有明顯的上升和下降趨勢，即在多年的季節(jié)觀測中，幾乎每一年或每隔幾年都會有一定的降水量波動.從數(shù)據(jù)的分析中還可以看出，春季和夏季明顯存在著降水量減少的趨勢，而秋冬兩季卻并不明顯.多年的降水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示:萬榮縣在近49a降水量集中在400mm～600mm之間，整體降水量減少.

3）氣溫的高低和降水量的多少都具有交替變化的現(xiàn)象.高溫和低溫以及豐水期和枯水期的出現(xiàn)沒有局限于某一個年代持續(xù)不變，而是有一種近似周期性的變化.這說明多年來萬榮縣氣候中溫度增加和降水量減少并沒有成直線上升或者直線下降的趨勢，而是在小范圍變化的同時整體推進.

氣溫和降水量在農(nóng)業(yè)氣候資源中是影響農(nóng)作物生長的關鍵點，氣候的多年變化與農(nóng)業(yè)收成息息相關.溫度的增高和降低及降水量的變化，無論在哪個季節(jié)發(fā)生，都會對農(nóng)作物產(chǎn)生一定的影響.而這種影響可以在多年的累積中會改變與農(nóng)作物生長有關的各種因子，如改變生長周期、破壞生長環(huán)境等.

基于上述變化特征，結合萬榮縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，提出以下幾點措施，力圖把農(nóng)作物生長受環(huán)境的影響降到最低，以期促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn).1）根據(jù)氣候變化適時改變作物布局，保證農(nóng)作物在生長過程中最大效率的利用農(nóng)業(yè)氣候資源，實現(xiàn)高產(chǎn)高效.2）在逐年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中注重人工施肥、灌溉、提高農(nóng)業(yè)科技等環(huán)節(jié).例如，有效施肥可以避免由于溫度升高釀成病蟲滋生速度加快，破壞莊稼.灌溉則是配合每年的降水量情況，在雨量不充沛的情況下人工灌溉則是很好的緩解干旱的有利措施.同時，在每項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都注重提高農(nóng)業(yè)的科技化水平，逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化.3）在氣候資源發(fā)生變動的情況下，氣溫升高和降水量降低宏觀上講對農(nóng)作物生長的前景都不樂觀，但是，可以通過擴大種植面積、提高設施農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作的方法來改變耕作方式，同樣達到農(nóng)作物不減產(chǎn)的效果.萬榮縣地處汾河流域，有天然的發(fā)展農(nóng)業(yè)的條件，如再能提高農(nóng)業(yè)機械化程度，則不僅可以促進流域范圍內農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉變，還能提高農(nóng)作物產(chǎn)量.

[1]IPCC第四次評估報告《氣候變化2007》[D].21世紀經(jīng)濟報道，2007，04

[2]任健美，尤 莉，高建峰，王尚義.鄂爾多斯高原近40a氣候變化研究[J].中國沙漠，2005，25（6）:874－879

[3]王宗明，宋開山，張 柏，劉殿偉.松嫩平原過去40年農(nóng)業(yè)氣候變化特征分析[J].中國農(nóng)學通報，2006，22（12）:241－246

[4]李 勇，楊曉光，王文峰，劉志娟.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化——華南地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征[J].應用生態(tài)學報，2010，21（10）:2 605－2 614

[5]潘雅婧，王仰麟，彭建，沈 虹，劉小茜.基于小波與R／S方法的漢江中下游流域降水量時間序列分析[J].地理研究，2012，31（5）:811－820

[6]馬雪寧，張明軍，黃小燕，馬 潛，潘淑坤.黃河上游流域近49年氣候變化特征和未來趨勢分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（6）:17－23

[7]郭 娟，師慶東.南疆地區(qū)近41年的溫度變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22（9）:76－82

[8]袁素芬，唐海萍.全球氣候變化下黃土高原涇河流域近40年的氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22（9）:43－48

[9]孫紅霞，付 強.近50年齊齊哈爾市氣候變化特征分析及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].水利科技與經(jīng)濟，2010，16（9）:1 060－1 063

[10]于淑秋，林學椿，徐祥德.我國西北地區(qū)近50年降水和溫度的變化[J].氣候與環(huán)境研究，2003，8（1）:9－18

[11]王迎春，李平東，胡連山.寧夏年、季平均氣溫時空變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學報，2011，42（9）:1 081－1 086

[12]譙 捷.成都市溫度和降雨變化趨勢及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（30）:17 088－17 089

[13]王若安.近50年平?jīng)鳇S土高原溝壑區(qū)氣溫和降水變化趨勢分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37（35）:17 564－17 566

[14]魏鳳英.現(xiàn)代氣候診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社，1999:72－74

[15]許 朗，歐真真.淮河流域農(nóng)業(yè)干旱對糧食產(chǎn)量的影響分析[J].水利經(jīng)濟，2011，29（5）:56－74

[16]蔡運龍.Barry Smit.全球氣候變化下中國農(nóng)業(yè)的脆弱性與適應對策[J].地理學報，1996，51（3）:202－212

[17]牛仁亮.輝煌運城60年[M].北京:中國統(tǒng)計出版社，2009

[18]孫宏勇，胡春勝，張喜英，陳素英，裴 冬.三河市40年來溫度和降水變化及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2006，14（2）:173－176