氣候變化背景下四川省設施農業(yè)氣候資源特征分析

鄭昊 王明田 張菡

摘要：為了探討氣候變化背景下四川地區(qū)設施農業(yè)氣候資源變化，利用四川省134個氣象站近40年逐日氣溫、降水及日照時數(shù)資料，通過多元回歸、滑動t檢驗、氣候傾向等數(shù)學統(tǒng)計方法，分析四川地區(qū)適宜期、加熱期和通風期等幾個生產期主要農業(yè)氣候資源的空間變化趨勢及其代際變化差異。結果表明，（1）四川盆地、川西高原以及攀西地區(qū)設施農業(yè)氣候資源的空間分布特征差異明顯。（2）適宜期、加熱期和通風期設施農業(yè)氣候資源主要因子的長期變化趨勢各有不同。（3）年代際變化來看，20世紀70年代與20世紀90年代是四川地區(qū)適宜期熱量及水分資源相對貧乏時期，在20世紀80年代與21世紀前11年適宜期熱量資源均呈增加趨勢;20世紀80年代和21世紀前11年四川區(qū)域加熱期設施農業(yè)氣候資源表現(xiàn)出一致的減少趨勢;20世紀80年代是四川區(qū)域通風期氣候資源匱乏時段，但從20世紀90年代開始通風期氣候資源大體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢。

關鍵詞：設施農業(yè);氣候資源;變化特征

中圖分類號： S162.3 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0292-09

設施農業(yè)是指利用人工建造的設施為農業(yè)生產提供良好的環(huán)境條件，使農作物在有效生長空間內獲得優(yōu)質高產的農業(yè)管理方式。它是我國現(xiàn)代化農業(yè)的重要組成部分，具有顯著提高產量、節(jié)約人力資源等優(yōu)勢[1-4]。四川地區(qū)的設施農業(yè)起步于20世紀80年代初期，經(jīng)過數(shù)10年的蓬勃發(fā)展，其在質量和規(guī)模方面均已取得長足進展。至2015年，四川省各類設施農業(yè)總面積已達15億m2左右。

農業(yè)生產的發(fā)展與氣候條件息息相關。氣候條件特別是光熱資源，不僅影響設施農業(yè)作物的生長發(fā)育、產量和品質，還直接影響作物生產的能耗，進而影響作物生產的經(jīng)濟效益。如何充分利用生產地的光熱資源，合理布局不同類型的設施農業(yè)，是當前四川省農業(yè)發(fā)展中需要解決的關鍵問題之一[5]。20世紀80年代中期以來，國內一些學者先后針對設施農業(yè)作物生產的氣候條件與溫室氣候區(qū)劃開展了一些研究。20世紀90年代初以來，先后有一些關于區(qū)域性日光溫室分區(qū)與氣候區(qū)劃的研究報道[6-8]。陳端生初步探討了中國加溫溫室蔬菜生產的合理布局[9]。張亞紅等對中國南方和全國連棟溫室進行了氣候區(qū)劃，并對全國各個連棟溫室氣候區(qū)的氣候資源以及溫室采暖期和采暖能耗量進行了研究[10]。上述研究為不同類型溫室的合理布局提供了氣候資源方面的參考依據(jù)和決策支持。

近年來，在氣候變化的大背景下，氣溫、降水等氣候要素變化的頻率及強度明顯增強，極端天氣氣候事件（如暴雨雪、低溫冷害等）也多呈增加趨勢[11-15]，給四川地區(qū)包括設施農業(yè)在內的農業(yè)生產帶來較大損失。隨著人們對區(qū)域性氣候變化關注度的增強，設施農業(yè)對氣象為農服務的需求不斷提升[9，16-18]。本研究擬利用四川地區(qū)各氣象站逐日觀測資料，在地理信息系統(tǒng)（GIS）技術基礎上，通過多元回歸、滑動t檢驗、氣候傾向分析等數(shù)學統(tǒng)計方法，探討氣候變化背景下四川地區(qū)設施農業(yè)氣候資源的變化特征，為后期系統(tǒng)開展四川地區(qū)區(qū)域設施農業(yè)氣候資源的評估與利用奠定研究基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于我國西南腹地（97°22′～110°10′E，26°03′～34°20′N），地處長江上游，地形以山地和高原為主（約占總面積的79%），川西為高原，川東為四川盆地，川南為攀西地區(qū)，其中盆地地區(qū)是主要的農業(yè)生產區(qū)。四川省地形、地貌復雜，東、西氣候殊異。川西高原氣候垂直分布明顯，空氣潔凈，多晴少雨，1月平均氣溫為-8～0 ℃，7月為12～20 ℃，年均降水量不足700 mm，年均日照時數(shù)在 2 200 h 以上;盆地地區(qū)則為亞熱帶濕潤氣候，四季分明，多云霧、少日照，1月平均氣溫為3～8 ℃，7月為25～29 ℃，年均降水量1 000 mm左右，年均日照時數(shù)低于1 400 h;攀西地區(qū)屬于中亞熱帶半濕潤氣候，受顯著的氣候垂直差異影響，四季不明顯但干濕季分明，1月平均氣溫為2～12 ℃，7月為18～24 ℃，年均降水量不足 1 000 mm，年均日照時數(shù)普遍在2 000 h以上[19-21]。

1.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本研究所用的氣象資料來源于四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供的四川省所有氣象站1971—2011年逐日氣溫、降水觀測資料，在其中選出134個資料完備、缺測較少的站點序列進行分析，并對其中少量缺測值進行插補，并根據(jù)設施農業(yè)的生產特點，結合作物生長發(fā)育對氣象條件的要求，將1年劃分為適宜期、加熱期和通風期[22]3個時段，在此基礎上計算獲得各站點的適宜期時間、適宜期降水量、適宜期有效積溫等設施農業(yè)氣候要素。地理信息資料則采用國家基礎地理信息中心提供的1 ∶ 25萬四川省基礎地理信息數(shù)據(jù)，主要包括四川省數(shù)字高程模型（DEM）以及省、市、縣各級行政邊界矢量信息等。

1.2.2 研究方法 農業(yè)氣候資源中的熱量條件用1年中適宜期、加熱期、通風期的持續(xù)天數(shù)和相應時期的有效積溫或積溫來表示;水分條件則以前述3個時期的總降水量來表示;由于直接的太陽輻射觀測資料稀少，而日照時數(shù)是常規(guī)的氣象觀測要素，又能夠在很大程度上表征太陽輻射，因此光照條件以3個時期的總日照時數(shù)表示。此外，考慮到加熱期的低溫以及通風期高溫對作物生長和加熱/散熱能量消耗具有顯著影響，本研究將加熱期的負積溫（即加熱期內

此外，適宜期、加熱期及通風期的起止時間采用5日滑動平均法來確定。以5日滑動平均氣溫穩(wěn)定高于10 ℃并低于25 ℃為依據(jù)，確定四川省各地1年中設施農業(yè)生產的適宜期;以5日滑動平均氣溫穩(wěn)定低于10 ℃為依據(jù)，確定1年中設施農業(yè)生產的加熱期;以5日滑動平均氣溫穩(wěn)定高于25 ℃為依據(jù)，確定1年中設施農業(yè)生產的通風期（表1）。

在上述定義的基礎上，計算四川省各地的設施農業(yè)氣候資源指標，即利用四川地區(qū)歷年氣候觀測資料和站點地理信息資料，采用多元回歸的方法，建立設施農業(yè)適宜期時間、適宜期降水期、適宜期有效積溫等設施農業(yè)氣候資源的 100 m×100 m小網(wǎng)格推算模型（表2），并在GIS支持下，對模型進行計算及殘差訂正，得到最終的設施農業(yè)氣候資源空間分布情況，借此分析四川地區(qū)設施農業(yè)各個生產期內光、溫、水等農業(yè)氣候資源的時空變化特征。

2 結果與分析

2.1 四川省設施農業(yè)氣候資源分布特征

2.1.1 適宜期設施農業(yè)氣候資源分布特征 根據(jù)表2的推算模型，利用GIS得到四川省各設施農業(yè)氣候資源要素分布情況。從圖1可以看出，適宜期時間（圖1-a）、適宜期有效積溫（圖1-b）的空間分布特征十分相似，高值區(qū)均位于攀西地區(qū)的河谷地帶，低值區(qū)則均出現(xiàn)在海拔較高的川西高原地區(qū)，甚至一些地區(qū)全年無適宜期。作為四川省農業(yè)生產的主要區(qū)域，盆地地區(qū)適宜期明顯長于其他地區(qū)，一般為200～250 d，有效積溫可達2 000～2 500 ℃。適宜期日照時數(shù)（圖1-c）則表現(xiàn)為單高值中心，高值區(qū)主要位于攀西地區(qū)南部，高值中心日照時數(shù)達1 600 h以上，其他地區(qū)日照時數(shù)較少。需要指出的是，盡管川西高原是四川省、甚至全國日照相對豐富的地區(qū)，但是由于該區(qū)域海拔高，溫度低，適宜期時間少，導致適宜期日照數(shù)成為一個低值區(qū)。適宜期降水量（圖1-d）表現(xiàn)為攀西和四川盆地多，川西高原少。

2.1.2 加熱期設施農業(yè)氣候資源分布特征 加熱期設施農業(yè)氣候資源分布見圖2，可以看出，加熱期時間（圖2-a）表現(xiàn)為1高2低的分布態(tài)勢，高值區(qū)位于川西高原，2個低值中心分別位于四川盆地南部以及攀西地區(qū)南部，一般不足 100 d，甚至攀西的一些河谷地帶加熱期不足50 d。相應的加熱期積溫（圖2-b）也總體呈現(xiàn)攀西、四川盆地少，川西高原多的分布情況。但是由于川西高原部分地區(qū)（如西北部的石渠縣附近）海拔高，氣溫低，導致其盡管加熱期持續(xù)時間長，但加熱期熱量仍處于相對低值區(qū)。加熱期熱量條件的另一個指標——加熱期負積溫（圖2-c）也呈現(xiàn)攀西、四川盆地少，川西高原多的分布情況。加熱期日照時數(shù)（圖2-d）則表現(xiàn)為盆地最少，攀西次之，川西高原最多。加熱期降水量（圖2-e）總體呈現(xiàn)川西高原最多，盆地最少的分布特征。

2.1.3 通風期設施農業(yè)氣候資源分布特征 通風期設施農業(yè)氣候資源分布見圖3。四川省通風期時間（圖3-a）總體不高，呈單高值中心分布，高值中心位于盆地東部，中心區(qū)域也僅達到40 d以上，而川西高原及攀西大部均無需要通風降溫的時期。反映熱量條件的指標——通風期有效積溫（圖3-b）和通風期熱積溫（圖3-c）的分布特征與時間大致相同。而通風期日照時數(shù)（圖3-d）及通風期降水量（圖3-e）的分布則略有不同，盡管二者也總體呈盆地高、高原低的分布特征，但日照時數(shù)的高值中心位于盆地的東北部，而降水量的高值中心則位于盆地南部。

2.2 四川省設施農業(yè)氣候資源長期變化趨勢

2.2.1 適宜期設施農業(yè)氣候資源長期變化趨勢 利用氣候傾向方法對適宜期各氣候資源長期變化趨勢進行分析可知，適宜期各氣候資源長期變化趨勢差異明顯。適宜期時間盆地地區(qū)除盆中、盆東北及盆南部分區(qū)域呈略減趨勢外，其他地區(qū)大多呈上升趨勢，上升速率介于0～5 d/10年;攀西地區(qū)及川西高原則大多呈上升趨勢，且上升速率高于盆地區(qū)。適宜期有效積溫除個別站點呈略減趨勢外，絕大多數(shù)站點呈上升趨勢。適宜期降水量則有明顯的區(qū)域差異，其中盆地地區(qū)以下降趨勢為主，且以盆地西部下降趨勢最為明顯，可達50～100 mm/10年;攀西地區(qū)多表現(xiàn)為略上升趨勢;而川西高原也以上升趨勢為主，但上升速率較大，多為30～70 mm/10年。適宜期日照時數(shù)變化局部特征明顯，整體呈下降趨勢，下降趨勢較明顯且集中分布的區(qū)域主要在盆地西部、川西高原南部等地。

2.2.2 加熱期設施農業(yè)氣候資源長期變化趨勢 從加熱期各設施農業(yè)氣候資源的長期變化趨勢來看，加熱期時間四川地區(qū)整體呈下降趨勢，特別是成都平原地區(qū)，加熱期減少趨勢最為明顯，減少速率多為5～15 d/10年。加熱期積溫減少趨勢最為明顯的區(qū)域同樣位于成都平原地區(qū)，減少速率多為 30～75 ℃/10年，此外，盆東北大部及盆西南也表現(xiàn)為減少趨勢，而盆中及盆南及川西大部則以上升趨勢為主。加熱期負積溫四川地區(qū)表現(xiàn)為比較一致的下降趨勢。加熱期降水量盆地西部呈下降趨勢，盆東北、盆中、盆南及攀西地區(qū)大部則為上升趨勢;而川西高原整體呈現(xiàn)北降南升的變化趨勢。加熱期日照時數(shù)全省大多數(shù)站點表現(xiàn)為下降趨勢，其中盆地及攀西地區(qū)下降速率多為0～50 h/10年，川西高原下降趨勢較明顯，多為50～160 h/10年。

2.2.3 通風期設施農業(yè)氣候資源長期變化趨勢 由“2.1.3”節(jié)可知，通風期內四川地區(qū)農業(yè)氣候資源主要集中在盆地區(qū)域。其中通風期時間盆中、盆西北及盆西南主要表現(xiàn)為上升趨勢，特別是成都平原地區(qū)上升趨勢最明顯，可達 2～4 d/10年，盆東北部分地區(qū)及盆南則主要表現(xiàn)為下降趨勢。通風期有效積溫的變化趨勢與時間表現(xiàn)出比較一致的分布特征，呈上升趨勢的地區(qū)主要分布在盆西北、盆西南、盆中及盆東北部分地區(qū)，上升速率為0～75 ℃/10年，呈下降趨勢的地區(qū)則主要分布在盆南及盆東北部分。通風期熱積溫四川地區(qū)大部分站點表現(xiàn)為上升趨勢。降水量則主要表現(xiàn)為盆東北-盆西北及盆西南以上升趨勢為主，盆中及盆南以下降趨勢為主。而通風期日照時數(shù)四川地區(qū)普遍表現(xiàn)為下降趨勢，其中下降趨勢最為顯著的地區(qū)位于盆東北、盆中、盆南地區(qū)，可達30～55 h/10年。

綜上所述，從各時期設施農業(yè)氣候資源的長期變化趨勢來看，四川省大多數(shù)站點適宜期時間和有效積溫呈上升趨勢，但適宜期降水量變化有明顯的區(qū)域差異，同時適宜期日照時數(shù)整體呈下降趨勢;加熱期時間、日照時數(shù)、積溫及負積溫幾個要素在四川地區(qū)大部呈現(xiàn)下降的趨勢，但降水條件大部地方表現(xiàn)出上升的趨勢;通風期時間、有效積溫、熱積溫四川盆地區(qū)域大體表現(xiàn)為上升趨勢，盆地區(qū)域降水量呈現(xiàn)出南減北增的反位相變化趨勢，通風期日照時數(shù)盆地區(qū)普遍表現(xiàn)為下降趨勢。

2.3 四川省設施農業(yè)氣候資源年代際變化特征

2.3.1 適宜期各要素代際變化 分析適宜期各要素的年代際變化（圖4～圖7），對比20世紀80年代與20世紀70年代，四川地區(qū)適宜期時間出現(xiàn)增加的區(qū)域大部分集中在盆地地區(qū)，且盆地地區(qū)大部有效積溫明顯增加;適宜期降水量全省僅有盆西邊緣山區(qū)地帶出現(xiàn)了減少趨勢，其余大部分地區(qū)降水量增加;適宜期日照時數(shù)四川地區(qū)大部減少。對比20世紀90年代與20世紀80年代，四川地區(qū)大部分區(qū)域適宜期時間減少，其中盆地減少較為明顯;適宜期有效積溫和降水量減少區(qū)域主要集中在盆地農區(qū)，且盆東北減少最為明顯;適宜期日照時數(shù)全省大部分區(qū)域均減少。對比21世紀前11年與20世紀90年代可知，適宜期時間、有效積溫、日照時數(shù)全省普遍增加;適宜期降水量盆地大部出現(xiàn)增加趨勢，其他地方明顯減少。

2.3.2 加熱期各要素代際變化 分析圖8至圖12可知，對比20世紀80年代與20世紀70年代，加熱期時間、積溫、負積溫及日照時數(shù)等要素四川地區(qū)大部表現(xiàn)為減少，僅加熱期降水量省內整體以增多為主。對比20世紀90年代與20世紀80年代可知，加熱期時間、積溫、降水量四川地區(qū)大部表現(xiàn)出較為明顯的增加趨勢;加熱期負積溫省內大部減少;加熱期日照時數(shù)四川省大部區(qū)域減少。對比21世紀前11年與20世紀90年代，加熱期時間、10 ℃以上積溫、負積溫、降水量及日照時數(shù)全省僅個別地區(qū)增加，其余大部分地區(qū)均為減少。

2.3.3 通風期各要素代際變化 分析圖13至圖17可知，對比20世紀80年代與20世紀70年代可知，總體而言，通風期時間、有效積溫、熱積溫盆地地區(qū)普遍呈減少狀態(tài)，且表現(xiàn)為自西向東減少趨勢增大;通風期降水量與日照時數(shù)盆地內表現(xiàn)為一致的減少態(tài)勢。對比20世紀90年代與20世紀80年代，通風期時間、有效積溫、熱積溫與日照時數(shù)表現(xiàn)為比較一致的增加狀態(tài);通風期降水量盆東北、盆西北大部、盆西南表現(xiàn)為增加狀態(tài)，增值大多在0～75 mm范圍內，盆南及盆西北部分地區(qū)呈減少狀態(tài)。對比21世紀前11年與20世紀90年代，通風期盆地農區(qū)各要素大體呈增加狀態(tài)，但日照條件盆地東部和南部減少。

綜上可知，20世紀80年代與20世紀70年代對比，適宜期內盆地區(qū)設施農業(yè)氣候資源中的時間、降水量和積溫要素表現(xiàn)出增加態(tài)勢，日照時數(shù)表現(xiàn)為減少;加熱期及通風期各要素以減少為主。20世紀90年代與20世紀80年代對比，適宜期各要素均表現(xiàn)為減少;加熱期和通風期各要素以增加為主。對比21世紀前11年與20世紀90年代，適宜期和通風期盆地區(qū)各要素大體上呈增加的趨勢;加熱期各要素表現(xiàn)出一致的減少態(tài)勢。說明20世紀70年代與90年代是盆地地區(qū)適宜期熱量及水資源相對匱乏的時期，80年代是通風期氣候資源匱乏時期，之后呈上升趨勢。

3 結論和討論

本研究通過構建四川省設施農業(yè)氣候資源的小網(wǎng)格推算模型，得到四川省設施農業(yè)氣候資源氣候空間分布特征，并討論各要素的長期變化趨勢及代際變化特征，可為科學認識四川省設施農業(yè)氣候資源變化提供科學依據(jù)。研究結論：（1）四川盆地、川西高原以及攀西地區(qū)的設施農業(yè)氣候資源空間分布特征差異明顯。（2）適宜期、加熱期和通風期設施農業(yè)氣候資源主要因子的長期變化趨勢各有不同。全省大部適宜期時間和積溫呈上升趨勢，適宜期日照時數(shù)整體表現(xiàn)為下降趨勢，適宜期降水量變化區(qū)域差異明顯;加熱期除降水條件省

內大部分區(qū)域表現(xiàn)出上升趨勢外，其余要素大多呈下降趨勢;通風期時間、有效積溫和熱積溫盆地區(qū)域大體表現(xiàn)為上升趨勢，降水呈現(xiàn)出南減北增的反位相變化趨勢，日照普遍表現(xiàn)為下降趨勢。（3）從代際變化來看，20世紀70年代與20世紀90年代是盆地區(qū)域適宜期熱量及水分資源相對貧乏時期，在20世紀80年代與21世紀前11年適宜期熱量資源分別較20世紀70年代和20世紀90年代呈增加趨勢，盆地區(qū)域加熱期設施農業(yè)氣候資源表現(xiàn)出一致的減少趨勢;20世紀80年代是通風期氣候資源匱乏時段，但自20世紀90年代以來，通風期氣候資源大體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢。

近40年四川地區(qū)適宜期、加熱期及通風期設施農業(yè)氣候資源的不均勻變化，將導致四川省設施農業(yè)生產的不穩(wěn)定性增加，需要調整相應的防災減災措施、種植結構及農產品布局，以提高設施農業(yè)對氣候變化的適應能力和抗災能力，從而規(guī)避極端氣象災害事件增多導致的不利影響[26-27]。

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