1961—2020年貴港市農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征

蒙小寒 黃維 莫申萍 梁虹 王盛繁

(1 貴港市氣象局 廣西貴港 537100;2 柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站 廣西柳州 545003)

氣候變化已成為當(dāng)今眾多科學(xué)家的關(guān)注熱點，第五次IPCC 報告指出，近100 年全球平均氣溫已升高0.85℃，而近60年上升尤其顯著［1-2］。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《2020年中國氣候公報》，2020年中國年平均氣溫10.25℃，比常年（1981—2010年）平均偏高0.7℃，為1951 年以來第8 個最暖年。這種以變暖為顯著特征的氣候變化已對我國農(nóng)業(yè)氣候資源產(chǎn)生了一系列不可忽視的影響，例如年平均氣溫上升、無霜期和作物安全生長季延長等［3-7］。已有研究表明，廣西大部分地區(qū)安全期內(nèi)≥10℃活動積溫和年平均氣溫顯著上升，桂北和桂西水稻安全生育期顯著延長，農(nóng)業(yè)氣候資源變化顯著［8-10］，但不同地域農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征存在顯著空間差異。

貴港市位于我國廣西東南部、珠江流域干線西江中游，北回歸線橫貫其中部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候資源豐富［11］。由于氣候條件優(yōu)越，貴港一直是廣西重要的糧食和經(jīng)濟作物生產(chǎn)基地，常年農(nóng)作物播種面積4.4×105hm2，其中糧食作物播種面積2.7×105hm2，占總面積60.5%，其比例為全區(qū)最高［12］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開氣候資源條件，因而農(nóng)業(yè)對氣候反應(yīng)極為敏感，農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)量的變化直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、種植制度、作物種類及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量［13-14］。在全球氣候變化的大背景下，充分認識和掌握氣候在當(dāng)?shù)氐淖兓?guī)律，進而科學(xué)合理地利用氣候資源，對發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟具有重要意義［15］。為充分了解貴港市農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，本研究利用貴港、桂平和平南3個國家氣象觀測站1961－2020 年氣象資料，采用趨勢分析方法、Mann-Kendall 突變檢驗以及周期分析方法，分析貴港地區(qū)熱量、光照和降水等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化規(guī)律，旨在為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況

貴港市位于廣西東南部（圖1），介于北緯22°39′～24°20′，東經(jīng) 109°11′～110°39′，總面積1.06×104km2，東面與梧州市接壤，南面與玉林市相鄰，西面與南寧市交界，北面與來賓市相連。貴港市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春季溫度正常，夏季氣溫偏高，秋季、冬季偏暖，降水主要集中于夏季，適宜的氣候條件對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極為有利。

圖1 貴港市地理概況

1.1.2 氣象資料

從貴港市氣象局獲取1961－2020 年貴港、桂平和平南3個國家氣象觀測站逐日氣象資料，資料主要包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和降水量等。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)統(tǒng)計

分別統(tǒng)計年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫，穩(wěn)定通過10℃的初日、終日及其持續(xù)天數(shù)，大于10℃活動積溫，穩(wěn)定通過10℃期間的降水量和日照時數(shù)，從熱量、光照和降水方面分析貴港市農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征。其中，初、終日的計算均采用5 d滑動平均法［16］。

1.2.2 趨勢分析

采用最小二乘法擬合農(nóng)業(yè)氣候資源的時間變化趨勢［17］，即：

式中，xt為農(nóng)業(yè)氣候資源的擬合值；a0為變量初始值；a1為趨勢系數(shù)；t為時間。a1為正值時，表示x隨時間t呈增加趨勢，反之，呈減少趨勢，最后對其變化趨勢進行顯著性檢驗。另外，a1×10為氣候傾向率，表示農(nóng)業(yè)氣候資源每10a 的變化率。

1.2.3 突變檢驗

采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall 非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法（簡稱M-K 方法），在matlab 中編程對各農(nóng)業(yè)氣候資源進行突變檢驗。

1.2.4 周期分析

選擇Morlet 復(fù)數(shù)小波分析農(nóng)業(yè)氣候資源的時序周期變化特征，該小波是Gauss包絡(luò)下的單頻率復(fù)正弦函數(shù)，在時域和頻域內(nèi)具有較好的局部聚集性［18-19］。Morlet復(fù)數(shù)小波函數(shù)為：

式中，t為自變量，ω0為無量綱頻率，其值取6［20］。e 為指數(shù)函數(shù)的底，i為復(fù)數(shù)中的虛數(shù)單位。對于時間序列xb*（b*=0，1，2，…，N-1，N為時間序列的長度），其小波變換為：

式中，Wb*（a，b）為小波變換系數(shù)，ψ*表示其共軛復(fù)函數(shù)，a為尺度因子，b為時間平移因子，δt為采樣時間間隔，x為時間序列。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)氣候資源的線性變化趨勢

圖2 為貴港市1961－2020 年平均氣溫（圖2-a）、平均最低氣溫（圖2-b）、平均最高氣溫（圖2-c）、穩(wěn)定通過10℃初日（圖2-d）、終日（圖2-e）、持續(xù)天數(shù)（圖2-f）、大于10℃活動積溫（圖2-g）、穩(wěn)定通過10℃期間日照時數(shù)（圖2-h）和降水量（圖2-i）的線性變化趨勢。從圖2-a、2-b、2-c 中可以看出，年平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫在波動中呈顯著上升的變化趨勢（p＜0.01），上升傾向率分別為0.198、0.266 和0.170℃/10a。其中，1961－2020 年平均氣溫平均值為21.8℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.52，最小值為20.7℃，出現(xiàn)在1984 年，最大值為22.8℃，出現(xiàn)在2015年；年平均最低氣溫平均值為18.8℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.59，最小值為17.5℃，出現(xiàn)在1984 年，最大值為20.1℃，出現(xiàn)在2015 年；年平均最高氣溫平均值為26.2℃，最小值為25.0℃，出現(xiàn)在1984 年，最大值為27.4℃，出現(xiàn)在2003年。

從圖2-d、2-e、2-f 中可以看出，初日在波動中呈顯著提前的變化趨勢（p＜0.01），提前傾向率為4.8 d/10a，而終日未表現(xiàn)出明顯變化趨勢，持續(xù)天數(shù)呈顯著延遲的變化趨勢（p＜0.01），延遲傾向率為5.0 d/10a。其中，1961－2020 年初日平均日序數(shù)為第40 天，標(biāo)準(zhǔn)差為20.5，最小日序數(shù)為第1 天，出現(xiàn)在2017 年，最大日序數(shù)為第83天，出現(xiàn)在1976 年；終日平均日序數(shù)為第360 天，標(biāo)準(zhǔn)差為9.8，最小日序數(shù)為第320 天，出現(xiàn)在1976年，最大日序數(shù)為年末最后一天（第365天或者第366 天），有超過一半年份終日為年末最后一天；持續(xù)日數(shù)平均值為321 d，標(biāo)準(zhǔn)差為22.8，最小值為238 d，出現(xiàn)在1976 年，最大值為365 d，即全年均穩(wěn)定通過10℃，出現(xiàn)在2017年。

從圖2-g、2-h、2-i 中可以看出，積溫在波動中呈顯著上升趨勢（p＜0.01），上升氣候傾向率為131.040℃d/10a，但穩(wěn)定通過10℃期間的日照時數(shù)和降水量的變化趨勢不顯著。其中，1961－2020 年平均活動積溫為7 407.4℃d，標(biāo)準(zhǔn)差為409.8，最小值為5 801.2℃d，出現(xiàn)在1976 年，最大值為8 254.1℃d，出現(xiàn)在2017 年；平均日照時數(shù)為1 529.8 h，標(biāo)準(zhǔn)差為154.2，最小值為1 097.7 h，出現(xiàn)在1976 年，最大值為1 903.0 h，出現(xiàn)在2003年；降水量平均值為1 510.9 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為309.6，最小值為759.7 mm，出現(xiàn)在1989 年，最大值為2 241.8 mm，出現(xiàn)在1994年。

圖2 1961－2020年農(nóng)業(yè)氣候資源的線性變化趨勢

2.2 農(nóng)業(yè)氣候資源的突變檢驗

圖3 為農(nóng)業(yè)氣候資源的M-K 突變檢驗。從圖3-a、3-b、3-c 可以看出，年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫的突變點一致，均為2000年，且突變后UF 統(tǒng)計量大于0.05 顯著水平線，上升趨勢顯著。從圖3-d、3-e、3-f可以看出，初日和持續(xù)天數(shù)的突變點均在1996 年，終日不存在突變點。其中，初日UF 統(tǒng)計量在2005 年后小于0.05顯著水平線，提前趨勢顯著；持續(xù)天數(shù)UF 統(tǒng)計量在2005 年后大于0.05 顯著水平線，增加趨勢顯著。從圖3-g 中可以看出，有效積溫跟年平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫突變時間一致，都在2000 年，且在2003 年后UF 統(tǒng)計量大于0.05顯著水平線，上升趨勢顯著。從圖3-h 可以看出，日照時數(shù)突變點在2007 年，但突變前后UF 統(tǒng)計量均在0.05 顯著水平線內(nèi)，未呈現(xiàn)明顯變化趨勢。從圖3-i 可以看出，降水量UF 和UB 統(tǒng)計量有多個交匯點，增加和減少趨勢交替演變，但基本都在0.05顯著水平線內(nèi)，趨勢不顯著。

圖3 1961－2020年農(nóng)業(yè)氣候資源的突變檢驗

2.3 突變前后農(nóng)業(yè)氣候資源比較

為進一步分析農(nóng)業(yè)氣候資源的變化情況，以顯著變化的農(nóng)業(yè)氣候資源的突變時間為界線，分析突變前后農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征（表1）。年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫突變后較突變前分別高0.7、0.9、0.7℃；初日和持續(xù)天數(shù)突變后較突變前提前15 d和增加16 d，活動積溫突變后較突變前增加了464.2℃d，可以看出，1996年后，特別是2000 年之后，貴港地區(qū)熱量資源顯著增加，這為該地區(qū)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提供了氣候條件。

表1 突變前后農(nóng)業(yè)氣候資源比較

2.4 農(nóng)業(yè)氣候資源的周期變化規(guī)律

圖 4 為 1961－2020 年年平均氣溫 （圖4-a）、平均最低氣溫（圖4-b）、平均最高氣溫（圖4-c）、穩(wěn)定通過10℃初日（圖4-d）、終日（圖4-e）、持續(xù)天數(shù)（圖4-f）、大于10℃活動積溫（圖4-g）、穩(wěn)定通過10℃期間日照時數(shù)（圖4-h）和降水量（圖4-i）的連續(xù)小波功率譜，圖中粗黑線包圍的范圍通過了α＝0.05顯著性水平下紅色噪音標(biāo)準(zhǔn)譜的檢驗，細黑線為影響錐型曲線。從圖4-a、4-b、4-c 中可以看出，年平均氣溫存在著3 年和4 年尺度的顯著周期變化，其中，3 年尺度周期變化主要發(fā)生在2005－2010年，能量較弱；4年尺度周期變化主要發(fā)生在1983－1996 年，該尺度較3 年尺度能量強。年平均最低氣溫存在1 年和4 年尺度的顯著周期變化，其中，1 年尺度周期變化主要發(fā)生在1967－1975 年，4 年尺度周期變化主要發(fā)生在1985－2000 年和 2005－2010 年，3 個時段的周期變化能量相對較弱。平均最高氣溫存在著3 年和4年尺度的顯著周期變化，其中，3 年尺度周期變化主要發(fā)生在2004－2009年，能量較弱，4年尺度周期變化主要發(fā)生在1983－1991年，能量較強。

從圖4-d、4-e、4-f 中可以看出，初日未表現(xiàn)出明顯的周期變化規(guī)律；終日存在著8年尺度的顯著周期變化，主要發(fā)生在1965－1989 年，能量較強；持續(xù)日數(shù)也存在著8 年尺度的顯著周期變化，主要發(fā)生在1970－1980年，能量較強。

圖4 1961－2020年農(nóng)業(yè)氣候資源的連續(xù)小波功率譜

從圖4-g、4-h、4-i 中可以看出，活動積溫存在著2年尺度的顯著周期變化，主要發(fā)生在1970－1977 年，能量相對較強。日照時數(shù)存在著2 年、4年和6 年尺度的顯著周期變化，2 年尺度周期變化主要發(fā)生在1975－1983年，4年尺度周期變化主要發(fā)生在2000－2005年，6年尺度周期變化主要發(fā)生在1978－1981 年。降水量存在著4 年尺度的顯著周期變化，該尺度周期變化主要發(fā)生在1992－2005年，能量最強。

3 討論與結(jié)論

在全球氣候變暖背景下，廣西地區(qū)溫、光、水資源均發(fā)生不同程度變化。貴港市年平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫和大于10℃活動積溫均呈顯著上升趨勢，突變時間在2000 年，與廣西整體熱量資源變化趨勢基本一致［21-23］。穩(wěn)定通過10℃期間日照時數(shù)在波動中呈下降趨勢，但是趨勢系數(shù)不明顯，這與廣西日照時數(shù)總體呈顯著下降的趨勢不同［24］，說明日照時數(shù)的變化存在明顯的空間差異，穩(wěn)定通過10℃期間降水量也未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，但存在1 個顯著的4 年尺度周期變化規(guī)律。另外，穩(wěn)定通過10℃初日明顯提前，由于終日基本在一年中12 月中下旬，穩(wěn)定通過10℃持續(xù)天數(shù)顯著延長，作物安全生長季天數(shù)增加，這與黃維等［8］研究基本一致。

熱量資源的顯著增加，春季物候期提前，秋季物候期推遲，作物生長期相對延長，農(nóng)業(yè)種植界限向高海拔擴張，在一定程度上提高了單位面積糧食生產(chǎn)能力，增加了農(nóng)作物種植區(qū)域［6］。但隨著高溫日數(shù)的相應(yīng)增加，以及日照時數(shù)和降水變化趨勢的不確定性，高溫、干旱、強降水等極端天氣、氣候事件日益頻發(fā)［25-26］，進一步制約貴港地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候資源和生產(chǎn)潛力，使得作物生產(chǎn)潛力仍具不確定性。因此，在當(dāng)前氣候背景下，在充分、合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源的基礎(chǔ)上，還要關(guān)注農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律，為貴港地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供合理、可靠的科學(xué)依據(jù)。