1971-2015年黃河金三角地區(qū)降水變化及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

裴秀苗, 張祎偉,周運(yùn)麗,范志宣

(1.山西省運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000；2.山西省氣候中心，山西 太原 030000)

引言

在全球氣候變暖的大背景下，中國近50年來降水量整體呈減少趨勢[1～3]。研究表明，全球氣候變暖加速了地球系統(tǒng)的水循環(huán)，在過去的100年中，干旱與半干旱地區(qū)降水量減少，酷熱、干旱和洪澇等極端氣候事件增加[4]，降水量的變化是影響干旱及洪澇變化的最主要的因子，但降水強(qiáng)度和降水日數(shù)的時空變化更易引起旱澇加劇[5～6]；由于氣候變暖而引發(fā)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、病蟲災(zāi)害頻頻發(fā)生以及水資源短缺加劇等一系列問題, 糧食生產(chǎn)的災(zāi)害風(fēng)險加大。2007年以來, 國際上糧食價格大幅上漲, 糧食供需平衡被打破, 許多國家出現(xiàn)了糧食危機(jī), 糧食安全問題擺在了前所未有的突出位置[7]。

近年來,氣象專家就全球和區(qū)域氣候變化方面做了大量的研究工作[8～19]，更有學(xué)者對省、市甚至縣級降水的變化進(jìn)行了研究[20～30]。目前，對降水的研究主要集中在降水量的變化趨勢、降水突變、極端降水事件、時空格局以及降水變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等方面[31～36]。晏利斌等[9]分析指出，1961-2014年黃土高原降水量變化不明顯，整體呈波動式下降趨勢，秋季、夏季和春季降水量呈減少趨勢，冬季呈弱的增加趨勢，年降水量減少速度最大的地區(qū)位于東南部，黃土高原西北部降水變化不明顯；郭慕萍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，近54年來，我國西北5省(區(qū))總降水量呈下降趨勢，年際間振幅較大，春季和冬季降水處于上升的變化趨勢中，秋季降水在明顯的減少，夏季降水沒有明顯的變化；李天霄等[31]研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省農(nóng)業(yè)受澇災(zāi)影響大于旱災(zāi)，澇災(zāi)主要分布在東部的雙鴨山市、鶴崗市和佳木斯市，其未來降水量的下降趨勢可在一定程度上緩解澇災(zāi)產(chǎn)生的危害；旱災(zāi)主要分布在黑龍江西部的齊齊哈爾地區(qū)，其未來降水量的增加趨勢可在一定程度上緩解旱災(zāi)產(chǎn)生的危害；王潤科等[32]分析了隴南近50 a的降水變化趨勢發(fā)現(xiàn)，降水變化明顯，并且降水變化直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧果安全，有著明顯的關(guān)系；李海鳳等[33]指出，莘縣氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響利弊共存，春季少雨多風(fēng)易發(fā)生春旱；夏季降水集中，易發(fā)生洪澇大風(fēng)和冰雹，對夏玉米生長不利；秋季降水變率大，易發(fā)生秋旱；冬季氣溫高、雨雪少，利于病蟲害蟲卵越冬，易爆發(fā)病蟲害。到目前為止，關(guān)于黃河金三角地區(qū)降水量的變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究還未見報道。筆者基于黃河金三角地區(qū)45個氣象站近45 a的降水資料，研究其變化特征及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，旨在為充分利用水熱資源、合理調(diào)整種植制度、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性提供指導(dǎo)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河金三角地區(qū)位于黃河中游晉陜豫三省交界處，包括陜西省渭南市、河南省三門峽市、山西省運(yùn)城市和山西省臨汾市(見圖1)，面積5.8萬km2，總?cè)丝谶_(dá)1 700萬，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，年平均降水量533.5 mm。該地區(qū)是一個農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還未擺脫“靠天吃飯”的命運(yùn)。

1.2 資料

研究選取黃河金三角地區(qū)4個市45個氣象代表站點(diǎn)1971-2015年的降水量資料，其中山西運(yùn)城13個站、陜西渭南11個站、河南三門峽4站(三門峽的湖濱區(qū)和義馬市沒有氣象站點(diǎn))、山西臨汾17個站。降水量資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為： 春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月、冬季12月至次年2月。

1.3 研究方法

采用線性趨勢法[37]分析春季、夏季、秋季、冬季以及年降水量時間序列變化特點(diǎn)；利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法[37]對降水進(jìn)行突變檢驗，判斷可能發(fā)生突變的年份，結(jié)合累積距平法確定降水突變點(diǎn)；計算各站線性趨勢系數(shù)，利用ARCGIS軟件繪制線性趨勢系數(shù)的空間分布圖，分析45 a來降水量空間變化差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量年際變化特征

1971-2015年間黃河金三角地區(qū)多年平均降水量為533.5 mm，最小年降水量為306.9 mm，出現(xiàn)在1997年，最大年降水量為834.6 mm，出現(xiàn)在2003年，極差達(dá)527.7 mm。從線性擬合和距平變化圖(圖1)可以看出，年降水量整體呈減少趨勢，減少速度為6.669 mm·10 a-1,與全國平均降水量在波動中略有減少的趨勢相似[27]。1980-1985年是本地區(qū)降水高值區(qū)，1986-2001年是降水低值區(qū)，45年間有3年年降水量在400 mm以下，分別是1986年(降水量361.2 mm)、1997年(降水量306.9 mm)和2001年(降水量393.4 mm)，均出現(xiàn)在這個時期；2003年降水出現(xiàn)極大值，2004-2010年又是降水低值區(qū)；2011年以后年降水量波動較大，2011和2014年降水量在600 mm以上(分別為687.5 mm和652.8 mm)，分別是第3和第4降水最多年；2012年和2015年降水量在500 mm以下(分別為453.0 mm和488.9 mm)，差值達(dá)234.5 mm。

2.2 降水量的年代際變化

黃河金三角地區(qū)降水量年代際起伏較大(表1)，整體上呈現(xiàn)減少趨勢，20世紀(jì)80年代和2011-2015年代降水偏多，是本地區(qū)氣候濕潤期，其中80年代降水最多，平均降水量為566.2 mm；90年代降水最少，平均降水量為493.1 mm，是本地區(qū)氣候干旱期。降水最多年代與最少年代極差為44.4 mm。

表1 黃河金三角地區(qū)降水距平年代際變化 (mm)

2.3 降水量的季節(jié)變化

該地區(qū)各季平均降水量分別為：春季100.1 mm、夏季268.3 mm、秋季145.8 mm、冬季19.2 mm，一年中主要降水集中在夏季，占年總降水量的50.3%；其次是秋季，占年總降水量的27.3%；冬季最少，占年總降水量的3.6%；春季占18.8%。

從圖2和表1可以看出，春、秋季降水呈緩慢增加趨勢，增加速度分別為0.82 mm·10 a-1和2.28 mm·10 a-1，夏季和冬季降水呈減少趨勢，減少速度分別為8.96 mm·10 a-1和0.83 mm·10 a-1。從年及各季節(jié)降水量的變化趨勢來看，近45年來夏季降水量的減少是促使年降水量減少的主要原因。

夏季6月、7月、8月降水量分別為58.2 mm、111.6 mm和98.6 mm，分別占年總降水量的10.9%、20.9%和18.5%，各月降水均呈減少趨勢，其中7月份降水速度最快，為4.42mm·10 a-1，6月和8月減少速度分別為2.42 mm·10 a-1和2.11 mm·10 a-1。由此可見，7月份降水量的減少對年降水減少的貢獻(xiàn)最大。

圖2c顯示，45年中有29年秋季降水在平均值以下波動，僅有16年大于平均值，其中2011年降水量比平均值偏多207.2 mm，1975年、1983年和2003年降水量偏多100 mm以上，1974年、1984年、1985年和2005降水偏多50～85 mm。降水偏多的年份往往有連陰雨出現(xiàn)。

2.4 降水量空間變化特征

從4個市降水量變化趨勢(圖3)可以看出，年降水量均呈減少趨勢，其中渭南市降水減少趨勢最明顯，減少速度為11.06 mm·10 a-1，其次是臨汾，降水減少速度為6.51mm·10 a-1，運(yùn)城降水減少速度為5.84 mm·10 a-1，三門峽的減少趨勢最不明顯，減少速度最小，為1.16 mm·10 a-1。

從各縣(市、區(qū))線性趨勢系數(shù)分布(圖4)來看，臨汾市的永和、隰縣、霍州、古縣、浮山、曲沃、侯馬和運(yùn)城市的新絳、絳縣、垣曲以及三門峽的盧氏等11個縣(市、區(qū))線性趨勢系數(shù)為正，說明這些地區(qū)降水量呈增加趨勢，其余大部分地區(qū)線性趨勢系數(shù)為負(fù)，降水量呈減少趨勢。

2.5 降水量突變分析

用Mann-Kendall和累積距平法對黃河金三角地區(qū)1971-2015年的降水量序列進(jìn)行分析，由圖5a可以看出，1971-1981年、1991-2015年內(nèi)UF<0，表明在該時期年降水量呈減少趨勢，且UF曲線在2002年超過了α=0.05顯著水平，表明降水呈顯著減少趨勢；1982～1990年內(nèi)UF>0，表明在該時期年降水量呈增加趨勢；UF和UB曲線于α=0.05顯著水平線內(nèi)在1972年和1989年相交，判斷突變點(diǎn)可能出現(xiàn)在1972年或者1989年。累積距平分析結(jié)果顯示(圖5b)，年降水量累積距平在1971-1985年間呈上升趨勢，1986年以后呈下降趨勢，說明黃河金三角地區(qū)年降水量經(jīng)歷了上升～下降的過程，突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代。綜合兩種檢驗方法，判斷該地區(qū)年降水量在1989年發(fā)生了由多到少的突變。

春季：1971-2003年內(nèi)UF>0(各季降水M-K圖略)，2004-2015年UF<0，而且UF曲線始終沒有超過α=0.05顯著水平線，表明春季降水經(jīng)歷了增加到減少的過程，沒有發(fā)生突變。

夏季：1971-1975年、1997-2015年內(nèi)UF<0，1976-1996年內(nèi)UF>0，且UF曲線沒有超過α=0.05顯著水平線，表明降水經(jīng)歷了減少～增加～減少的過程，沒有發(fā)生突變。

秋季：1973-1976年、1984-1987年內(nèi)UF>0，其余年份UF<0，UF曲線始終沒有超過α=0.05顯著水平線，表明秋季降水經(jīng)歷了增加～減少～增加～減少的過程，沒有發(fā)生突變。

冬季：1971-2015年間冬季整體上UF<0，且UF曲線在1983-1988年和1999年間超過α=0.05顯著水平線，UF和UB曲線相交于1973年、1976年、2000年、2012年和2015年，表明冬季降水發(fā)生了突變，突變點(diǎn)可能出現(xiàn)在相交點(diǎn)里。從累積距平(圖略)可以看出，1971-1979年、1989-1990年、2001-2009年冬季降水量呈現(xiàn)增加趨勢；1980-1988、1991-2000年、2010-2015年降水量呈減少趨勢。綜合兩種檢驗方法，判斷黃河金三角地區(qū)冬季降水量出現(xiàn)兩次突變，其中1976年前后發(fā)生了降水由多到少的突變，2000年前后則是由少到多的突變。

3 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響分析

黃河金三角地區(qū)是一個農(nóng)業(yè)區(qū)，一年二熟制，主產(chǎn)冬小麥和玉米。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，經(jīng)濟(jì)林果業(yè)迅速發(fā)展，目前該地區(qū)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)林果黃金地帶，作為種植面積和產(chǎn)量均處于領(lǐng)先地位的蘋果是該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)支柱。作為弱勢產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)受氣候變化影響較為嚴(yán)重，該地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還未擺脫“靠天吃飯”的命運(yùn)，因此，在氣候變暖、降水量減少、極端氣候事件頻發(fā)的大背景下，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的態(tài)勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到很大的沖擊。

3.1 夏季降水量減少，伏旱發(fā)生率提高

夏季降水量減少，導(dǎo)致伏旱發(fā)生幾率增高，有利于冬小麥等夏收作物的收獲和晾曬，但對大秋作物和經(jīng)濟(jì)林果的生長極為不利，影響幼果果實的膨大，提高了后期裂果的潛在風(fēng)險；并對果實著色帶來不利，從而降低了果品的品質(zhì)和產(chǎn)量。7-8月是秋糧產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，此時玉米處于拔節(jié)、抽穗、開花授粉期，仲夏降水減少，“卡脖旱”發(fā)生概率增加，影響玉米等秋糧的生殖生長，干旱嚴(yán)重時玉米的雄穗抽不出或欠佳，雌穗吐絲困難，不能正常受精，造成禿頂、花粒少、空稈多，產(chǎn)量降低。另一方面，夏季降水減少，伏旱風(fēng)險增加、范圍擴(kuò)大，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量急增，地下水開采加劇，水位下降，研究區(qū)內(nèi)水資源呈現(xiàn)減少的態(tài)勢。

3.2 秋季降水呈增加趨勢，影響果品品質(zhì)

分析發(fā)現(xiàn)，黃河金三角地區(qū)秋季降水呈增加趨勢，連陰雨出現(xiàn)概率增加。幼果期干旱少雨，蘋果不能充分膨大，果皮增厚，秋季遭遇連陰雨，容易出現(xiàn)果面裂紋，影響果品品質(zhì)[38]。另外，秋季是該地區(qū)秋糧成熟、收獲時期，連陰雨天氣容易造成秋作物貪青晚熟，成熟的秋作物因無法及時收獲、晾曬而發(fā)生霉變，同時長時間的連陰雨容易引起土壤過濕，秋播期推遲，不利于形成冬前壯苗。2018年處于黃河金三角地區(qū)的夏季干旱，秋季遇連陰雨，尤其是運(yùn)城市遭遇長達(dá)11 d的長連陰雨(9月9～19日)，且降水量較大，過程平均降水量為137.9 mm，其中萬榮最大，為165.8 mm，導(dǎo)致80%以上蘋果果面出現(xiàn)裂紋，商品價值降低。

3.3 降水分布不均，階段性干旱發(fā)生概率增加

黃河金三角地區(qū)降水變化時空分布不均，冬夏季降水呈減少趨勢，春秋季呈增加趨勢，且各地減少程度不同，渭南市降水減少最多，三門峽市減少最少，一年中主要降水集中在夏季，因此往往出現(xiàn)階段性干旱，無形中加大了水分供需矛盾, 對產(chǎn)量的形成產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響 。

4 結(jié)論

(1)黃河金三角地區(qū)降水的基本特點(diǎn)是冬春季干燥少雨雪，夏秋季降水較多。一年內(nèi)的降水主要集中在7-9月，降水量為292.6mm，占全年總降水量的50.3%。與全國平均降水量在波動中略有減少的趨勢相似，黃河金三角地區(qū)近45年降水量呈波動減少趨勢，減少速度為6.685 mm·10 a-1。Mann-Kendall突變檢驗和累積距平法分析表明，1971-2015年間黃河金三角地區(qū)年降水量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，降水突變發(fā)生在1989年前后。春、夏、秋季降水未發(fā)生突變，冬季降水在1976年和2000年發(fā)生了兩次突變。

(2)黃河金三角地區(qū)各季降水量變化趨勢不一致，春、秋季降水呈緩慢增加趨勢，夏季和冬季降水呈減少趨勢，在年降水量變化趨勢中，夏季降水量的變化貢獻(xiàn)最大。大多數(shù)年份秋季降水量在平均值以下波動，但降水偏多的年份往往有連陰雨，降水量特大。

(3)降水量年代際間經(jīng)歷了多～多～少～少～多的變化過程，20世紀(jì)70-80年代和2011年后降水較多，其中80年代降水最多；90年代降水最少，2010年以后降水量處于高值區(qū)。

(4)黃河金三角地區(qū)各市降水量均呈減少趨勢，其中渭南市減少速度最明顯，其次是臨汾，三門峽減少速度最??；臨汾市的永和、隰縣、霍州、古縣、浮山、曲沃、侯馬和運(yùn)城市的新絳、絳縣、垣曲以及三門峽的盧氏等11個縣(市)降水量呈增加趨勢。

(5)降水量變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是多尺度、全方位的，正負(fù)面影響并存，負(fù)面影響更甚。夏季降水量的減少提高了伏旱的發(fā)生概率，對秋糧、經(jīng)濟(jì)林果影響重大；秋季降水的增加，尤其是秋季連陰雨發(fā)生幾率的增多，有利于冬小麥的播種、出苗，但對秋糧、經(jīng)濟(jì)林果的成熟、收獲帶來不利影響；秋季長連陰雨容易引起土壤過濕，秋播期推遲，不利于形成冬前壯苗。