喀什市熱量資源對氣候變化的響應(yīng)特征及對農(nóng)業(yè)的影響

郝宏蕾，朱海棠，李 強(qiáng)，郝宏飛

（1.喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什844000；2哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密839000；3.阿瓦提縣氣象局，新疆 阿瓦提843200；4.巴楚縣氣象局，新疆 巴楚843800）

近年來，隨著全球變暖，氣候變化已成為社會共同關(guān)心的環(huán)境問題。IPCC第五次評估報(bào)告指出：1880—2012年全球地表平均溫度已升高了0.85℃，變暖幅度自20世紀(jì)90年代以來明顯加速[1]。同時(shí)，中國氣候也存在著變暖的總趨勢，近100 a來中國平均地表溫度約上升了0.5～0.8℃[2-3]，略低于全球平均值。新疆的許多研究也表明，過去的40多年新疆的大部分地區(qū)氣溫升高、降水量增多，呈現(xiàn)出“暖濕化”趨勢[4-8]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化反應(yīng)最為敏感的行業(yè)之一。氣候變化將對各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、種植制度及作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響?？妴埖萚9]的研究表明，西北地區(qū)≥10℃積溫及持續(xù)天數(shù)增加幅度較大；張立波等[10]研究了華東地區(qū)熱量資源變化的現(xiàn)狀，并指出華東地區(qū)氣溫持續(xù)偏高，各項(xiàng)熱量資源指標(biāo)與氣溫呈顯著正相關(guān)，≥10℃持續(xù)天數(shù)為220、240 d的等值線從華北平原南部和長江下游地區(qū)向北大幅推進(jìn)。近年來，新疆的許多學(xué)者在熱量資源變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響方面也做了大量的工作，袁春瓊等[11]的研究表明，氣候變暖，熱量資源增加，新疆氣候帶、農(nóng)業(yè)帶向北推移。曹娟等[12]通過對庫爾勒熱量資源對棉花產(chǎn)量的研究，指出熱量資源的變化與棉花產(chǎn)量相關(guān)顯著，熱量資源豐富年份棉花單產(chǎn)較高。鄭玉萍等[13]的研究指出，烏魯木齊冬小麥冬前生長期間和越冬期間氣溫升高，冬前＞0℃積溫增加，適當(dāng)晚播更有利于冬小麥生長。鄒陳等[14]認(rèn)為，石河子棉區(qū)棉花纖維斷裂比強(qiáng)度與熱量條件相關(guān)最為明顯。王勝蘭等[15]分析了烏魯木齊地區(qū)熱量資源時(shí)空變化特征。目前，對喀什區(qū)熱量資源變化現(xiàn)狀的研究較少，本文擬研究在全球變暖背景下，喀什市熱量資源的基本特征、變化趨勢、突變及其對主要農(nóng)作物的影響，以期為該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、有效利用氣候資源及制定應(yīng)對氣候變化的對策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源及分析方法

1.1 資料來源

使用喀什國家基本氣象站1971—2010年共40 a逐日氣象資料。各級農(nóng)業(yè)界限溫度的初終日確定采用5日滑動平均法，積溫是各級界限溫度的初終日之間大于某一界限溫度的日平均氣溫的總和；將每年春季最后一次日最低氣溫≤0℃的日期定義為終霜凍日，初霜凍日為秋季首次出現(xiàn)日最低氣溫≤0℃的日期；終、初霜凍日的間隔天數(shù)為無霜期。

1.2 研究方法

運(yùn)用線性趨勢分析[16]喀什市熱量資源的變化趨勢；采用Mann-Kendall方法[17]對喀什市近40 a各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫進(jìn)行突變檢測；利用經(jīng)驗(yàn)頻率法求出相關(guān)要素大于80%的保證率，衡量其熱量標(biāo)準(zhǔn)，作為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可靠依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源變化

2.1.1 年平均氣溫

喀什市歷年年平均氣溫為12.2℃。圖1為近40 a喀什市年平均氣溫線性趨勢，1971—2010年喀什市年平均氣溫以0.4℃/10 a（P＜0.001）的傾向率呈極顯著上升趨勢，40 a來已上升了1.6℃。氣溫的年代際分析表明，20世紀(jì)70—90年代年平均氣溫比氣候標(biāo)準(zhǔn)值偏低0.3～0.4℃，至21世紀(jì)氣溫明顯升高，2001—2010年偏高了1.0℃。21世紀(jì)的前10 a年平均氣溫較20世紀(jì)80年代上升了1.4℃。說明21世紀(jì)以來變暖趨勢明顯。

圖1 近40 a喀什市年平均氣溫變化

對喀什市近40 a年平均氣溫序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)（圖2），結(jié)果表明，年平均氣溫序列在2000年發(fā)生了增暖性突變，氣溫從前期較冷的狀態(tài)躍變成逐年升溫的狀態(tài)。

2.1.2 無霜期

圖2 近40 a喀什市年平均氣溫突變分析

喀什市初、終霜凍日及無霜期多年平均值分別為10月29日、3月17日及219 d，>80%保證率分別為11月12日、3月27日及210 d。由圖3a可以看出，1971—2010年喀什市初霜凍日以3.5 d/10 a（P＜0.05）的傾向率呈顯著推后趨勢；終霜凍日以-2.7 d/10 a的傾向率呈不顯著提前趨勢，受其綜合影響，近 40 a喀什市無霜期以 6.1 d/10 a（P＜0.05）的傾向率呈顯著延長趨勢（圖3b），40 a延長了24.4 d，作物生長季明顯延長。就年代際變化來看（表1），與歷年平均值相比，20世紀(jì)70年代無霜期偏多2 d，80年代和90年代偏少10～12 d，至21世紀(jì)前10 a變化幅度最大，較歷年平均值偏多了22 d，較80年代延長了34 d。

表1 喀什市各熱量要素年代際變化距平值

對喀什市近40 a初、終霜凍日及無霜期序列進(jìn)行M—K突變檢驗(yàn)（圖4），結(jié)果表明，喀什市初霜凍日在1999年發(fā)生了從偏早期到偏晚期的突變，無霜凍期的氣候突變也發(fā)生在1999年，從一個(gè)相對偏短期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對偏長期，終霜凍日未出現(xiàn)氣候突變現(xiàn)象。

2.1.3 各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫

圖3 近40 a喀什市初、終霜凍日（a）和無霜凍期（b）變化趨勢

圖4 近40 a喀什市初、終霜凍日（a）、無霜凍期（b）的氣候突變分析

≥0℃活動積溫代表一個(gè)地區(qū)農(nóng)事季節(jié)內(nèi)熱量資源的充足程度，春季日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的日期代表農(nóng)耕開始，耐寒作物如小麥等可以播種[18-19]；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一般把≥10℃初日作為喜溫作物開始播種和生長的日期，≥10℃積溫則反映出玉米等喜溫作物生長季內(nèi)完成全生育期對熱量要求的滿足程度[20]；日平均氣溫≥15℃，喜溫作物活躍生長，≥15℃持續(xù)日數(shù)為喜溫作物活躍生長期[21]；日平均氣溫≥20℃，玉米才能安全成熟[22]。綜上所述，日平均氣溫0、10、15℃和20℃具有明確的農(nóng)業(yè)氣候意義，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。這些各級界限溫度的初、終日，持續(xù)日數(shù)及積溫是鑒定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)熱量資源的重要指標(biāo)。

2.1.3.1 各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的基本特征

各級農(nóng)業(yè)界限溫度歷年出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫見表2?？κ彩腥掌骄鶜鉁胤€(wěn)定通過0℃的初日始于2月19日，終于11月30日，日平均氣溫≥0℃的作物生長季歷年平均為284 d，0℃以上的活動積溫為4 772.0；≥10℃的開始日期為3月28日，結(jié)束日期為10月22日，分別較≥0℃的初日推后了36 d、終日提前了38 d，10℃以上的活動積溫為4 337.2℃；≥15℃的初日為4月26日，終日為10月4日，喜溫作物活躍生長期歷年平均為163 d，≥15℃的活動積溫為3 663.6℃?！?0℃的初日又較≥15℃的初日推遲了33 d，穩(wěn)定出現(xiàn)于5月29日。終日又較≥15℃的終日提早了29 d，于9月6日結(jié)束，≥20℃的喜溫作物安全成熟期歷年平均為99 d，20℃以上的活動積溫為2 488.0℃。

表2 近40 a喀什市年各農(nóng)業(yè)界限溫度歷年出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫統(tǒng)計(jì)

各級農(nóng)業(yè)界限溫度的初日最早年與最晚年相差38～62 d，終日極差30～41 d，持續(xù)日數(shù)最多年和最少年相差63～100 d，各級活動積溫最多年和最少年相差932.9～2 456.3℃。由此可見，喀什市各種熱量指標(biāo)相當(dāng)不穩(wěn)，年際間的變化很大。

喀什市為一年一熟或一年兩熟制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期比較長，所以僅知道熱量資源的多年平均值不足以科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)，還必須知道各熱量指標(biāo)的變化情況，通常以80%保證率來衡量該地的熱量標(biāo)準(zhǔn)。因此，統(tǒng)計(jì)了近40 a喀什市各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的80%保證率（表3）。

2.1.3.2 各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的變化特征

由近40 a喀什市各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的氣候傾向率分析（表4）可見，僅20℃的終日和0℃的積溫變化趨勢為顯著（P20＜0.05、P0＜0.01），其它各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的變化趨勢均不顯著。10℃初日以0.1 d/10 a的速率呈推遲趨勢，其它界限溫度的初日均為提前趨勢，平均每10 a提前1.7～3.6 d；20℃終日以-1.2 d/10 a的速率呈提前趨勢，其它界限溫度的終日以0.1～3.6℃/10 a的速率呈推遲趨勢；受初、終日的綜合影響，各級界限溫度的持續(xù)日數(shù)和活動積溫分別以0.5～5.4 d/10 a和51.1～130.5℃/10 a的速率呈增多趨勢。由此可見，喀什市近40 a各界限溫度整體而言，初日提前、終日推遲，持續(xù)日數(shù)和活動積溫增多，熱量條件得到了很大改善，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利。

2.1.3.3 各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的突變分析

表3 近40 a喀什市各農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫80%保證率統(tǒng)計(jì)

表4 近40 a喀什市各農(nóng)業(yè)界限溫度初、終日，持續(xù)日數(shù)，積溫變化傾向率和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算喀什市各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫氣候突變，結(jié)果表明，僅20℃初、終日，持續(xù)天數(shù)，積溫及0℃積溫發(fā)生了突變，其它各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫未出現(xiàn)氣候突變現(xiàn)象（圖5）。

0℃積溫在2004年發(fā)生了由少到多的突變，從2004年開始0℃積溫明顯升高并持續(xù)發(fā)生，突變后比突變前偏多了314.2℃（圖5e）。其它界限溫度突變時(shí)間較一致，均發(fā)生在1999年，20℃初日發(fā)生了從推遲到提前的突變（圖5a），而終日卻是從提早到延后的突變（圖5b），其持續(xù)日數(shù)相應(yīng)從一個(gè)相對偏短期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對偏長期（圖5c），活動積溫從一個(gè)相對偏少期突變?yōu)橐粋€(gè)相對偏多期（圖5d）。

2.2 熱量資源變化對農(nóng)業(yè)的影響

喀什市春季氣溫由0℃上升至20℃一般需99 d，平均每5 d升高1℃，春季升溫迅速?？κ彩写杭靖鹘缦逌囟鹊拈g隔日數(shù)與小穗分化關(guān)系密切，當(dāng)日平均氣溫≥3℃時(shí)，冬小麥開始返青，返青期的長短影響冬麥春季分蘗數(shù)量及成穗率的高低，返青期持續(xù)時(shí)間長，春季分蘗數(shù)就多，分孽成穗率也高，反之則少。返青后至拔節(jié)始期，植株體內(nèi)進(jìn)行小穗分化，要求適宜溫度為6～8℃，低于10℃以下利于長大穗，此期間在適宜溫度指標(biāo)范圍內(nèi)，溫度偏低一些，間隔日數(shù)拉長一些，能促進(jìn)幼穗分化，穗子增長，有利于增產(chǎn)，這與農(nóng)民群眾的“春寒收麥”或“春長收麥”的經(jīng)驗(yàn)是一致的[23]。春季氣溫迅速回升，雖然對冬小麥弱苗升級轉(zhuǎn)化有利，但卻會使生育期提前，生長期縮短，不利于小穗分化，對冬小麥增產(chǎn)不利。但春季過快的升溫對春耕春種如棉花的播種工作有利，可促進(jìn)春播作物早發(fā)形成壯苗，打好豐產(chǎn)基礎(chǔ)。

秋季氣溫由20℃下降到0℃比春季升溫稍快，需85 d，平均每4.3 d下降1℃，同樣秋季降溫迅速，季節(jié)很短。對棉花的吐絮采摘及秋糧籽粒灌漿成熟不利，玉米等秋糧作物，在日平均氣溫＞20℃，才能正常灌漿成熟?？κ踩掌骄鶜鉁亍?0℃的80%保證率終日為9月19日，歷年夏玉米成熟期一般在9月下旬末至10月上旬，所以喀什市9月中旬后熱量顯著不足，秋季氣溫不能滿足夏玉米灌漿成熟期的要求，對光合產(chǎn)物的積累產(chǎn)生不利影響，最終將影響產(chǎn)量的提高。

圖5 近40 a喀什市≥20 ℃初日（a）、終日（b）、持續(xù)日數(shù)（c）、積溫（d）、及≥0℃積溫（e）突變分析

初霜凍歷年出現(xiàn)日期為10月29日，此時(shí)，玉米等秋糧作物已經(jīng)成熟，所以，初霜凍對正常播種的秋糧作物基本沒有影響。但初霜凍對棉花的影響卻較大，10月下旬，喀什市棉花正處在吐絮采摘期，常因初霜凍提早來臨，迫使棉花停止生長，造成霜前花百分率下降，棉花品質(zhì)不高。終霜凍＞80%保證率日期為3月27日，此時(shí)棉花等春播作物正處在始播期，尚未出苗，所以，從終霜凍日結(jié)束時(shí)間及春季氣溫上升情況來看，本市棉花正常播種可以不用考慮終霜凍的危害。

喀什市目前推廣的冬小麥品種，全生育期≥0℃積溫需為2100℃左右，夏播早熟玉米≥10℃積溫需為2150℃左右，麥?zhǔn)蘸髲?fù)播玉米一年兩熟制≥0℃積溫冬小麥—夏玉米需為4250℃，中早熟棉花≥10℃積溫需為3300～3500℃?？κ彩袣v年≥0℃積溫為4 772.0℃，＞80%保證率為4 562.2℃，從積溫上來看，冬麥?zhǔn)斋@后復(fù)種夏玉米早熟品種及棉花的中早熟品種熱量條件是充足的。

3 結(jié)論

（1）近40 a喀什市年平均氣溫以0.4℃/10 a（P＜0.001）的傾向率呈極顯著上升趨勢，高與全國氣溫平均上升趨勢（0.2℃/10 a）[24]，21世紀(jì)以來變暖趨勢明顯。

（2）近40 a喀什市初霜凍日呈顯著推后趨勢，終霜凍日呈不顯著提前趨勢，受其綜合影響，無霜期呈顯著延長趨勢，作物生長季明顯延長。初霜凍推遲、無霜凍期延長對玉米、棉花等大秋作物將產(chǎn)生積極的作用，有利于夏玉米安全灌漿成熟及棉花干物質(zhì)的積累，提高農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)；終霜凍日提前則有利于春季冷害的減少或減輕，對冬小麥及春播作物的苗期生長有利，受霜凍襲擊機(jī)會大大減少。

（3）近40a喀什市僅20℃的終日和0℃的積溫變化趨勢為顯著，其它各級農(nóng)業(yè)界限溫度出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的變化趨勢均不顯著。10℃初日表現(xiàn)為推遲，其它界限溫度的初日均為提前趨勢。20℃終日表現(xiàn)為提前，其它界限溫度的終日均呈推遲趨勢。受初、終日的綜合影響，各級界限溫度的持續(xù)日數(shù)和活動積溫均呈增多趨勢。各界限積溫增加、初日提前、終日推遲、持續(xù)日數(shù)增加，喀什市作物生長季農(nóng)業(yè)熱量資源得到了一定改善，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是極為有利的，實(shí)現(xiàn)作物適期早播，有效的延長作物生育期，增加了作物全生育期可利用的積溫，對奪取作物豐產(chǎn)有著極為重要的意義。

在全球氣候變暖的大背景下，雖然喀什市熱量資源狀況總體上明顯改善，但各種熱量指標(biāo)相當(dāng)不穩(wěn)，年際間的變化很大，在給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了挑戰(zhàn)。因此，更不能忽視可能出現(xiàn)的極端嚴(yán)寒天氣及積溫偏少年份，尤其在農(nóng)作物引種、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，要加以重視。