贛北植棉區(qū)氣候變化研究

吳昊

（九江市氣象局，江西九江332000）

江西省棉花主產(chǎn)高產(chǎn)區(qū)主要集中在鄱陽湖北部的九江市境內(nèi)，這一區(qū)域也是長江流域棉區(qū)的重要組成部分，棉花播種面積占全省的2/3，產(chǎn)量占全省的3/4，2009年以來籽棉單產(chǎn)多次突破7 500 kg·hm－2，創(chuàng)下長江、黃河兩大流域棉花單產(chǎn)最高紀錄[1-3]。因受政策調(diào)整、農(nóng)村勞動力老齡化等多因素影響，近年來棉花種植面積有所下滑，但棉花依然是當?shù)剞r(nóng)業(yè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

農(nóng)業(yè)界限溫度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要溫度指標，標志某些重要物候現(xiàn)象和農(nóng)事活動開始、終止或轉(zhuǎn)折[4-6]。日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃是棉花直播的起點溫度[7]；而15℃又是棉纖維干物質(zhì)積累的下限溫度，研究者多以15℃的活動積溫作為衡量棉鈴能否正常發(fā)育的積溫指標[7-8]。可見，界限溫度≥15℃期間是棉花的安全生產(chǎn)期。國內(nèi)文獻[9-12]較多集中在對界限溫度的初終日期、持續(xù)時間、積溫等指標的分析，但對其間的光照、降水條件分析較少。在不同區(qū)域、不同季節(jié)，氣候變化的趨勢存在一定的差異[13]，氣候限制性因子也會因此而相互轉(zhuǎn)化。趙秀蘭[14]指出，如果水分得不到滿足，熱量資源的利用會受到限制?？梢?，綜合分析界限溫度期間光、溫、水資源變化特征，更加有利于積極應對氣候變化、合理開發(fā)利用棉花氣候資源、促進棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 資料來源與處理

使用江西省氣象檔案館提供的氣象觀測資料。氣象資料時間序列為1959―2016年，代表站為贛北植棉區(qū)、記錄完整的7個氣象觀測站 （德安、都昌、湖口、星子、永修、瑞昌、武寧等縣（市））。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用時間序列分析法，量化分析建立起止日期序列：將1月1日記為每年第1天，賦予數(shù)值1，1月2日記為第2天，賦予數(shù)值2，依此類推，將每年從1至365或366（閏年）賦值，建立1959―2016年起止日期序列[4]。

建立界限溫度條件對應的活動積溫、降水量、日照時間的時間序列。

1.3 研究方法

1.3.1五日滑動平均法。采用五日滑動平均法計算各界限溫度的起止日期。一年中，任意連續(xù)5 d日平均溫度平均值大于或者等于某一界限溫度最長一段時期內(nèi)，在第一個5 d（即上限）中，挑取最先1個日平均溫度大于或等于該界限溫度的日期，作為穩(wěn)定通過該界限溫度起始日期；在最后一個5 d中，挑選最末1個平均溫度大于或等于該界限溫度日期，作為穩(wěn)定通過該界限溫度終止日期[4]。分別利用日平均氣溫計算出穩(wěn)定通過界限溫度15℃初終日期。

1.3.2回歸分析。將氣候資料序列與自然數(shù)數(shù)列進行線性回歸分析，通過相關系數(shù)的顯著性檢驗，可以判斷該要素與時間變化的相關性；通過擬合線斜率b值的正、負及其大小，可以判斷該要素隨時間變化趨勢的強弱。把相關系數(shù)的顯著水平P稱為“氣候線性變化趨勢傾向顯著水平”；把擬合線斜率b 稱為“趨勢傾向率”[15]。

1.3.3小波分析。小波分析應用于氣象領域，已有不少引人注目的研究成果[16]。通過小波方差可以判斷振蕩周期的顯著性[17-18]。本文應用小波分析方法進行界限溫度的起止日期、持續(xù)時間、活動積溫、降水量年變化的周期性變化特征。

1.3.4M-K法檢驗。使用Mann-Kendall檢驗方法，通過對氣候要素時間序列的統(tǒng)計值UFk與該序列的逆序列的統(tǒng)計值UBk的變化趨勢診斷分析，檢驗氣候要素時間序列的突變性，其原理參見文獻[19]。本文給定顯著性水平a＝0.05，則臨界值 U0.05＝±1.96。

2 結果與分析

2.1 初終日期及持續(xù)時間的變化特征

2.1.1線性趨勢。1959―2016年，15℃界限溫度初日序列值呈極顯著的線性下降趨勢，趨勢傾向顯著水平達到 0.000 4，氣候傾向率為－0.28 d·a－1，即初日每年提早0.28 d（圖1 A）；15℃界限溫度終日序列值呈不顯著的線性上升趨勢，趨勢傾向顯著水平為 0.43，氣候傾向率為 0.05 d·a－1，即終日每年推遲0.05 d（圖1 B）；15℃界限溫度持續(xù)時間呈極顯著的線性遞增趨勢，趨勢傾向顯著水平達0.000 4，氣候傾向率為0.38 d·a－1，即持續(xù)時間每年增加0.38 d（圖1 C）。

2.1.2周期性趨勢。由圖2可知，15℃界限溫度的初日、終日及持續(xù)時間的主振蕩周期均不明顯，周期性變化趨勢不顯著。

2.1.3突變趨勢。15℃界限溫度初日的時間序列于2002―2003年出現(xiàn)突變點，2009年及 2011―2016年處于日期提早的突變狀態(tài) （圖3 A）；15℃界限溫度終日的時間序列近58 a無突變現(xiàn)象，但在2006年以來的近10 a呈現(xiàn)出明顯推遲的態(tài)勢（圖3 B）；15℃界限溫度持續(xù)時間的時間序列于2000―2001年出現(xiàn)突變點，2008―2009年、2011―2016年處于持續(xù)時間增多的突變狀態(tài)（圖3 C）。

圖1 界限溫度時間序列的線性擬合

圖2 各尺度周期的小波方差

圖3 界限溫度時間序列的Mann-Kendall檢驗分析

2.2 界限溫度期間的積溫、降水、日照變化特征

2.2.1線性趨勢。1959―2016年，研究地區(qū)15℃界限溫度期間的活動積溫呈極顯著的遞增趨勢，趨勢傾向顯著水平為 0.000 01，氣候傾向率為 9.5 d·a－1，即每年增加9.5℃（圖4 A）；界限溫度15℃期間降水量亦呈顯著的遞增趨勢，趨勢傾向顯著水平為0.03，氣候傾向率為4.4 mm·a－1，即每年增加4.4 mm（圖4 B）；界限溫度15℃期間日照時間呈顯著的遞減趨勢，趨勢傾向顯著水平為0.06，氣候傾向率為－1.9 h·a－1，即每年減少 1.9 h（圖4 C）。

圖4 界限溫度期間氣候要素變化的線性擬合

盡管積溫與降水量近58 a均呈遞增趨勢，但雨、熱不同步問題較為突出。

2.2.2周期性趨勢。由圖5可知，1959―2016年，研究地區(qū)15℃界限溫度期間的積溫及日照時間變化周期性不明顯，而降水量時間變化存在尺度為8 a左右的振蕩周期，且這一振蕩周期在近50多年各階段均有表現(xiàn)。

圖5 界限溫度期間氣候要素變化的小波分析

2.2.3突變趨勢。研究地區(qū)15℃界限溫度期間的積溫時間序列的突變點出現(xiàn)在1997―1998年，2005―2016年持續(xù)處于增多的突變狀態(tài)（圖6 A）；15℃界限溫度期間的降水量時間序列的突變點出現(xiàn)在 1968―1969年，1974―1977年、1998―2005年、2014―2016年達到增多的突變狀態(tài) （圖6 B）；15℃界限溫度期間的日照時間時間序列的突變點出現(xiàn)在1967―1968年，1993―2005年達到減少的突變狀態(tài)（圖6 C）。

圖6 界限溫度期間氣候要素變化的Mann-Kendall分析

3 結論與討論

初日顯著提早、持續(xù)時間顯著延長、終日相對較為穩(wěn)定是近58 a贛北植棉區(qū)15℃界限溫度在季節(jié)上的主要變化特征，與宋欣[20]的研究結果具有一致性。該地區(qū)15℃界限溫度期間積溫及降水量總體呈增多的態(tài)勢，但雨、熱不同步；日照時間則呈減少的態(tài)勢；積溫、降水、日照三者均達到過突變狀態(tài)，其中降水量還存在比較明顯的尺度為8 a的振蕩周期。降水量的周期性、突變性特征，與袁春等[21]的研究結論相似；日照時間的線性遞減趨勢特征以及突變性特征，與張立波等[22]的研究結論一致。

15℃界限溫度初日提早與持續(xù)時間延長，有利于延長棉花安全生產(chǎn)期，增產(chǎn)潛力增大。棉花喜高溫[23]，積溫增加，對于棉花生產(chǎn)利大于弊。但是，由于降水量增多的趨勢與積溫上升的趨勢不同步，熱量資源的利用會受到限制[14]，高溫熱害以及旱、澇風險會增大。日照時間的減少趨勢，對棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)有不利影響[24]。