共和地區(qū)春小麥生長季熱量資源變化特征

婁仲山

摘要?利用1961—2018年青海省共和縣氣象局觀測(cè)的逐日平均氣溫資料，采用線性趨勢(shì)、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了春小麥生長季平均氣溫、氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫的變化趨勢(shì)及突變特征。結(jié)果表明，近58年共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫以0.37 ℃/10 a的速率呈極顯著升溫趨勢(shì)。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫也呈極顯著增溫趨勢(shì)，近58年氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫分別增加418.0、449.8、568.2 ℃·d，且2000年以后熱量資源增加更顯著。春小麥生長季平均氣溫的突變時(shí)間從1991年開始，突變后平均氣溫較突變前升高了1.2 ℃。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5 ℃積溫的突變時(shí)間分別為1993和1994年，氣溫穩(wěn)定通過10 ℃積溫的突變時(shí)間為1988年。

關(guān)鍵詞?春小麥;生長季;熱量資源;變化特征;共和地區(qū)

中圖分類號(hào)?S162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）02-0228-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.066

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Variation Characteristics of Heat Resources in Spring Wheat Growing Season in Gonghe Region

LOU Zhong-shan?（Gonghe County Meteorological Bureau，Gonghe，Qinghai 813099）

Abstract?Using the daily average temperature data observed by the Meteorological Bureau of Gonghe County， Qinghai Province from 1961 to 2018， the linear trend， the moving average， the Mann-Kendall method and other mathematical statistics methods were used to analysis the variation trend and mutation characteristics of the average temperature and the accumulated temperature at 0， 5 and 10 ℃ in spring wheat growing season.The results showed that the average temperature of spring wheat growing season in Gonghe region from 1961 to 2018 showed extremely significant warming trend at a rate of 0.37 ℃/10 a.The temperature stability through 0， 5 and 10 ℃ accumulated temperature also showed extremely significant temperature increase trend in spring wheat growing season. In the past 58 years， the temperature stability through 0， 5 and 10 ℃ accumulated temperature had increased by 418.0， 449.8， 568.2 ℃·d， respectively， and after 2000， the increase in thermal resources was more significant.The sudden change of the average temperature in spring wheat growing season began in 1991， the average temperature after the mutation increased by 1.2 ℃ before the mutation.The mutation time of the temperature stability through 0 and 5 ℃ accumulated temperature was 1993 and 1994， respectively， and the mutation time of the temperature stability through 10 ℃ accumulated temperature was 1988.

Key words?Spring wheat;Growing season;Heat resources;Variation characteristics;Gonghe region

氣候變暖已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(shí)，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，過去130年全球平均溫度增加了0.85 ℃[1]。作物的生長發(fā)育不僅需要在一定的溫度條件下進(jìn)行，而且只有當(dāng)熱量累積到一定程度，才能完成其全生育期過程并獲得產(chǎn)量[2-3]。光照資源和熱量資源等農(nóng)業(yè)氣候資源直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，其數(shù)量、組成及其分配狀況在一定程度上決定了一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)格局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力[4]。李英年等[5]研究了氣候變暖對(duì)青海農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局的影響。伏洋等[6]研究了氣候變化對(duì)青海省種植業(yè)的影響及適應(yīng)對(duì)策。劉彩虹等[7]利用1961—2009年青海海東農(nóng)業(yè)區(qū)有關(guān)氣象、農(nóng)業(yè)觀測(cè)資料，對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)氣候變化特征及氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響進(jìn)行了分析，預(yù)估了未來氣候變化對(duì)海東農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的可能影響。劉義花等[8]利用湟水河地區(qū)9個(gè)氣象站1961—2012年逐日氣溫、降水、積溫等氣象數(shù)據(jù)以及干旱、暴雨、干熱風(fēng)、霜凍等災(zāi)害資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究了近52年湟水河流域氣候資源的變化趨勢(shì)。此外，不同學(xué)者對(duì)全國不同區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究[9-13]。

共和縣隸屬青海省海南藏族自治州，地處青藏高原東北角，平均海拔3 200 m，全縣有可利用草場(chǎng)125.08萬hm2，耕地資源3.13萬hm2，農(nóng)作物總播種面積2.96萬hm2，其中糧食作物播種面積1.70萬hm2，油料作物播種面積9 126.7 hm2。

在全球氣候變暖的背景下，共和地區(qū)19世紀(jì)80年代中期以后氣溫升高趨勢(shì)顯著，尤其是21世紀(jì)以來，變暖趨勢(shì)更加明顯[14]。根據(jù)研究，共和地區(qū)活動(dòng)積溫、日照時(shí)數(shù)等農(nóng)業(yè)氣候資源均發(fā)生了一定的時(shí)空變化，將會(huì)對(duì)共和地區(qū)的種植制度和農(nóng)業(yè)布局產(chǎn)生一定的影響[15-16]。因此分析共和地區(qū)氣候變化狀況下熱量資源變化特征，對(duì)充分利用熱量資源、搭配適宜的作物和品種，爭取農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，提高熱量資源利用率均具有重要意義。

1?資料與方法

1.1?資料來源

氣象資料來源于共和縣氣象局的觀測(cè)資料，包括1961—2018年逐月溫度、日平均氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫等氣象資料。多年平均值采用1981—2010年的平均值，春小麥生長季為4—9月。

1.2?研究方法

1.2.1?線性趨勢(shì)。

用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[17]：

xi=a+bti（i=1，2，3，…，n）（1）

式中，a為回歸常數(shù);b為回歸系數(shù)，b和a用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。以b×10為氣候傾向率，b>0表示直線遞增，b<0表示直線遞減，并對(duì)結(jié)果分別進(jìn)行置信度為95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

1.2.2?日滑動(dòng)平均法。采用5日滑動(dòng)平均法確定春小麥生長季內(nèi)≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃界線溫度的起止日期，計(jì)算穩(wěn)定通過0、5 10 ℃的積溫[18-20]。

1.2.3?Mannan-Kendall檢驗(yàn)法。

Mannan-Kendall檢驗(yàn)法（簡稱M-K法）是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢(shì)的有效工具，其優(yōu)點(diǎn)在于不受個(gè)別異常值的干擾，能夠客觀反映時(shí)間序列趨勢(shì)[21-22]。目前已廣泛用于氣候參數(shù)和水文序列的分析中[23-24]。M-K法可以根據(jù)輸出的2個(gè)序列（UF和UB）明確突變的時(shí)段區(qū)域。若UF>0且超過臨界直線，表明時(shí)間序列呈顯著上升趨勢(shì)（P<0.05），反之，若UF<0且超過臨界直線，表明時(shí)間序列呈顯著下降趨勢(shì)（P<0.05）。如果UF和UB 2條曲線相交點(diǎn)在臨界直線之間，則突變開始的時(shí)間即為交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，具體計(jì)算方法及參數(shù)說明見參考文獻(xiàn)[21-24]。

1.3?數(shù)據(jù)處理?應(yīng)用DPS 7.05、Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、分析及繪圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?春小麥生長季光熱資源年際變化趨勢(shì)分析

2.1.1?氣溫變化。

氣溫是影響春小麥生長的重要指標(biāo)之一，春小麥生長季適宜的溫度與其產(chǎn)量密切相關(guān)。由圖1可見，1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫在波動(dòng)中呈升溫趨勢(shì)，氣候傾向率為0.37 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)為0.807，通過0.001信度顯著水平檢驗(yàn)，即近58年增溫2.2 ℃，增溫趨勢(shì)

極顯著，并呈現(xiàn)出階段性變化。春小麥生長季平均氣溫年際變化振幅較大，最高值出現(xiàn)在1998和2013年，為13.8 ℃;最低值出現(xiàn)在1976年，為10.6 ℃，生長季平均氣溫的年極差達(dá)3.2 ℃。在1961—1997年的37年間只有6年高于或等于多年值，其他31年平均氣溫均低于多年值。在1998—2018年的21年中春小麥生長季平均氣溫均高于多年值。由表1可見，共和地區(qū)春小麥生長季多年平均氣溫為12.2 ℃，20世紀(jì)60、70、80年代均低于平均值，屬于氣溫偏低期;從90年代至今氣溫高于平均值，呈現(xiàn)出氣溫快速升高趨勢(shì)。

2.1.2?積溫變化趨勢(shì)。

熱量條件與作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成密切相關(guān)，其中積溫是作物生長發(fā)育的重要指標(biāo)之一。圖2顯示，1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季穩(wěn)定通過0、5、10 ℃的積溫均呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為72.0、77.5、98.0 ℃·d/10 a，春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃的積溫與年份之間的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.776、0.775和0.687，均通過0.001信度顯著水平檢驗(yàn)，即近58年春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃的積溫分別增溫418.0、449.8、568.2 ℃·d，增溫趨勢(shì)極顯著。

由表1可見，1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫平均值分別為2 252.9、2 165.3、1 706.7 ℃·d，20世紀(jì)60、70、80年代均低于平均值，屬于積溫偏低期;從20世紀(jì)90年代至今積溫高于平均值，呈現(xiàn)出積溫快速增多趨勢(shì)。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫的年際變化振幅很大，最高值分別為2 543.3 ℃·d（2016年）、2 497.4 ℃·d（1998年）、2 099.8 ℃·d（2008年），最低值分別為1 947.0 ℃·d（1976年）、1 763.2 ℃·d（1982年）、1 139.0 ℃·d（1967年），春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫的年極差分別達(dá)596.3、734.2、960.8 ℃·d。積溫的增加將對(duì)春小麥生長季的延長生長起到顯著的促進(jìn)作用。

2.2?春小麥生長季熱量資源不同時(shí)段變化趨勢(shì)分析

將1961—2018年劃分為3個(gè)時(shí)段（1961—1980、1981—2000、2001—2018年），計(jì)算每個(gè)時(shí)段內(nèi)共和地區(qū)春小麥生長季熱量資源平均值。從表2可以看出，共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫在不同時(shí)段呈現(xiàn)出升高趨勢(shì)，P2時(shí)段（1981—2000年）比P1時(shí)段（1961—1980年）升高了0.5 ℃，P3時(shí)段（2001—2018年）較P2時(shí)段升高了0.9 ℃。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫P2時(shí)段比P1時(shí)段分別增加了90.1、86.7、178.2 ℃·d，P3時(shí)段較P2時(shí)段分別增加了197.3、197.5、195.0 ℃·d?？梢姡盒←溕L季平均氣溫和積溫在P2～P3時(shí)段的增加值高于P1～P2時(shí)段的增加值。

2.3?春小麥生長季光熱氣象要素的突變分析

2.3.1?平均氣溫的突變趨勢(shì)。從圖3可以看出，近58年來共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫在1969—1981、1988—2018年呈急劇升高趨勢(shì)，1961—1968年呈現(xiàn)波動(dòng)中升降，1982—1987年呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)， UF線于1979年超過+1.96信度水平線，在0.05信度水平下，UF線和UB線相交于1991年，氣溫升高趨勢(shì)顯著，可以確定1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫的突變時(shí)間為1991年，突變后平均氣溫較突變前升高了1.2 ℃。

2.3.2?氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫的突變趨勢(shì)。從圖4可以看出，1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5 ℃的積溫變化趨勢(shì)基本一致，在1969—1981、1988—2018年呈急劇升高趨勢(shì)，1961—1968年呈現(xiàn)波動(dòng)中下降趨勢(shì)，1982—1987年呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，UF線和UB線分別相交于1993和1994年，0、5 ℃的積溫增加趨勢(shì)顯著，可以確定1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5 ℃積溫的突變時(shí)間分別為1993和1994年。

近58年共和地區(qū)春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過10 ℃積溫變化趨勢(shì)與0、5 ℃積溫不盡相同，在1961—1965年呈急劇下降趨勢(shì)，1966—1979年波動(dòng)中持續(xù)升高，1981—1987年呈持續(xù)下降趨勢(shì)，從1988年開始積溫顯著升高。UF和UB曲線相交于1988年，1992年UF曲線突破信度0.05水平線，可以確定1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過10 ℃積溫的突變時(shí)間為1988年。

3?結(jié)論與討論

（1）1961—2018年共和地區(qū)春小麥生長季平均氣溫以0.37 ℃/10 a的速率呈極顯著升溫趨勢(shì)，近58年增溫2.2 ℃。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫也呈極顯著增溫趨勢(shì)，近58年氣溫穩(wěn)定通過0、5、10 ℃積溫分別增加418.0、449.8、568.2 ℃·d，且2000年以后熱量資源增加更顯著。春小麥生長季平均氣溫和積溫在P2（1981—2000年）～P3（2001—2018年）時(shí)段的增加值高于P1（1961—2000年）～P2時(shí)段的增加值。劉義花等[8]研究指出，氣候變暖使湟水河流域0、10 ℃的積溫總體呈增加趨勢(shì)，熱量資源更加豐富，與該研究結(jié)果一致，張曉云等[25]也有類似的研究結(jié)果。劉彩虹等[7]研究表明，溫度上升加快了春小麥的生理發(fā)育速度，營養(yǎng)生長階段提前，全生育期延長，發(fā)育期縮短。積溫的增加，使得春播作物播種期提早，低溫冷害的不良影響有所緩解。

（2）春小麥生長季平均氣溫的突變時(shí)間為1991年，突變后平均氣溫較突變前升高了1.2 ℃。春小麥生長季氣溫穩(wěn)定通過0、5和10 ℃積溫的突變時(shí)間分別為1993、1994、1988年。

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