阿克蘇河流域氣候變化特征及其對農業(yè)生產的影響*

阿曼妮薩·庫爾班，滿蘇爾·沙比提，趙景啟，艾克旦·依薩克

新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054

近年來氣候變化研究漸漸成為生態(tài)學的一個熱點，從20 世紀80 年代以來，有許多氣候學家對全球氣候變化做了不少研究［1］，IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第5 次報告指出，全球氣候變化依然是一個世界性的問題（IPCC，2013），1951—2012 年全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10a，其中2000—2010 年為最溫暖的10 a［2-3］。在全球氣候變化背景下，我國在水資源領域、林業(yè)和生態(tài)環(huán)境、海岸帶、海域、城市領域，特別對農業(yè)結構、布局和生產帶來很大影響［4］。我國大部分干旱、半干旱地區(qū)分布在西北地區(qū)，施雅風等在西北氣候變化研究中指出，西北地區(qū)的氣候可能由暖干向暖濕轉型［5］。新疆是受氣候變化影響最嚴重的區(qū)域之一，最近幾年來許多研究者對新疆氣候的變化特征及其帶來的影響進行了大量研究［6-12］。研究表明，氣候變暖對干旱半干旱區(qū)農業(yè)的農業(yè)氣候資源和農業(yè)生產條件帶來影響，主要表現(xiàn)為積溫增加、生育期延長，像棉花、小麥等喜溫性農作物適宜區(qū)面積擴大、產量增加等［13］。張雪琪等在葉爾羌河平原綠洲的研究中，同樣提出氣候變化對農作物生育期、化肥施用量和產量的影響［14］。阿克蘇河流域是一個獨立的生態(tài)系統(tǒng)，姜海波等提出阿克蘇河流氣溫呈上升趨勢［15］。該流域是新疆主要的灌溉綠洲農業(yè)區(qū)和重要的糧食、瓜果生產基地之一，也是中國重要的棉花生產區(qū)，氣候變暖不僅會導致阿克蘇河流域農作物產量的增加，也會促進棉花、小麥等喜溫作物適宜區(qū)面積的擴大［15］。本文以阿克蘇河流域為研究區(qū)，分析近50 多年來氣候變化特征及其對農業(yè)生產的影響，為研究區(qū)未來的農業(yè)發(fā)展和農業(yè)結構優(yōu)質化、多樣化提供科學參考依據(jù)，并對未來氣候預測與評價提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西部、塔里木盆地西北部，地處塔里木河上游平原地區(qū)，地理位置為75°35'～80°59'E，40°17'～42°27'N。流域面積5.0 萬km2。阿克蘇河由發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內昆馬力克河和托什干河兩大干流匯流而成［16］。流域氣候屬溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥、少雨，多年平均降水量約45 mm，20 m2水面蒸發(fā)量1 500 mm，流域多年平均氣溫9.2～11.5 ℃，流域地形是西北高、東南低［17］。受地形影響，阿克蘇河流域垂直地帶性規(guī)律非常顯著，托木爾峰和汗騰格里附近高山區(qū)的年降水量在900 mm 以上，而海拔約1 000 m 的區(qū)域年降水量僅50 mm左右，年降水量隨高程的遞增率約16.8 mm/(100 m)，終年降水較稀少［18］。據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，2017年該流域常住人口為141百萬人，農作物播種面積為37.5 萬hm2，農業(yè)產值為11.3×104萬元，主要以種植小麥、玉米、棉花為主（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the research area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網（http：//data.cma. cn/），選取1967—2019 年阿克蘇河流域阿克蘇站（41°07'E，80°23'N，海拔1 107 m）和柯坪站（40°30'E，79°03'N，海拔1 162 m）逐日氣象實測數(shù)據(jù)按月、季節(jié)、年進行統(tǒng)計整理。研究中劃分四季，以3～5 月為春季，6～8 月為夏季，9～11月為秋季，12 月和次年1 月、2 月為冬季［19-20］。數(shù)據(jù)經極值、最大值檢驗、時間一致性檢驗、手動抽查均無誤。1967—2018 年的農作物播種面積、單產、施肥量等農業(yè)數(shù)據(jù)來源于《阿克蘇輝煌50年》［21］與新疆2000—2019年統(tǒng)計年鑒［22］。

2.2 研究方法

本文利用計算的氣象要素時間序列，建立一元回歸方程，得出研究區(qū)氣溫、日照時數(shù)演變趨勢與變化傾向率。運用SPSS 對氣溫、日照時數(shù)與棉花單產量進行相關性分析，得出氣象要素變化與棉花單產量之間的相關性關系。

為研究氣象要素y在氣候變化中的長期變化趨勢，一般采用一元回歸方程來描述，公式為

其中y為時間序列（年）；b為回歸系數(shù)，反映變化趨勢，正為增加，負為減少，通常用×10 來表示氣象要素的變化速率，即氣候傾向率［23］。

氣象要素的突變檢驗采用Mann-Kendall 趨勢檢驗分析法，借助累計距平法確定突變年份，選擇研究區(qū)內2 個氣象站檢測1967—2019 年的年平均氣溫、日照時數(shù)進行突變分析，借助累計距平法確定突變年份。其原理是對于時間序，構造一個秩序列以反映第個樣本的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量

組成一個UF 曲線，通過信度檢驗可得出其是否有明顯的變化趨勢。式中，Sk是第i個時刻數(shù)值大于j個時刻時，數(shù)值個數(shù)的累加；E(Sk)和Var(Sk)分別是Sk的均值和方差。把研究區(qū)1967—2019 年的氣溫和日照時數(shù)數(shù)據(jù)運用到反序列當中，計算得到另一條曲線UB，則這兩條曲線在置信區(qū)間內的交點確定為突變點。當UF 或UB 的值大于0，表示序列呈上升趨勢，反之，序列則呈下降趨勢［24］。

累積距平是判斷氣候變化的一種方法，對研究區(qū)的突變點進行分析時可用累積距平法。對于序列x，某一時刻t的累積距平表示為

式中xi為第i年的氣候要素，-x為多年的氣候要素平均值，算出各個時刻的累計距平值，即可繪出累積距平曲線進行分析。累積距平曲線呈上升趨勢，表示增加，反之減小。

3 結果與分析

3.1 氣候變化特征分析

3.1.1 氣溫變化

1）趨勢分析。從阿克蘇站、柯坪站氣溫變化圖（圖2 a）可知，在1967—2019 年間阿克蘇站的氣溫以0.515 ℃/10a的傾向率增加，近50多年平均氣溫為10.7 ℃，年平均氣溫1967 年為9.1℃，2019 年為12 ℃；年平均氣溫最高值出現(xiàn)在2016年，為12.3 ℃，年平均最低氣溫出現(xiàn)在1974 年，為9 ℃，最高值與最低值相差3.3 ℃?？缕赫驹谘芯科陂g平均氣溫為11.6 ℃，傾向率為0.023 ℃/10a，年平均氣溫從1967 年的10.6 ℃增加到2019年的11.4 ℃，只增加了0.8 ℃；年平均氣溫最高值出現(xiàn)在1990 年，為12.6 ℃；年平均最低氣溫出現(xiàn)在2012 年，為10.2 ℃，最高值與最低值相差2.4 ℃。阿克蘇站、柯坪站日最高氣溫出現(xiàn)在2017年和1983年，分別為39.7和42.7 ℃，日最低氣溫都出現(xiàn)在1967 年，即-26.8 和-29.3 ℃。阿克蘇站將1997 年作為一個轉折點，1996—1997 年平均氣溫從9.7 ℃直接增加到11.1 ℃；1997—2019 年共23 年間，年平均氣溫為11.6 ℃；1967—1996 年平均氣溫增加了1.6 ℃，而柯坪站氣溫變化呈不顯著增長趨勢。

圖2 阿克蘇、柯坪站氣溫年際變化（a）和累計距平圖（b）Fig.2 Annual temperature variation(a)and cumulative anomaly(b)of Aksu and Keping stations

表1 和表2 分別為兩個氣象站的季際、年代際變化表。從表1可以看出，阿克蘇站年代際氣溫變化趨勢與年際變化趨勢基本一致，即增加趨勢（圖略）。春季至冬季平均氣溫分別為14.0、23.3、10.5 和-5 ℃，從20 世紀70 年代的13.3、22.6、9.7 和-6.2 ℃增加到2010—2019 年的15.5、24.4、11.6 和-4.8 ℃，1967—2019 年以0.543、0.455、0.544 和0.39 ℃/10a 的傾向率增加。而柯坪站春、夏、秋、冬季平均氣溫分別為14.9、24.7、11.4和-4.8 ℃，從1967 年的14.6、25.4、10.4 和-5.2 ℃依次增加到2019 年的15.3、24、11 和-4.8 ℃。春季和冬季氣溫表現(xiàn)出以0.159 和0.234 ℃/10a 的傾向率增加，夏季和秋季氣溫分別以-0.234和-0.412 ℃/10a 的傾向率減少；柯坪站近50 多年來的平均氣溫，20 世紀70 年代和2000 年代均為11.4 ℃，20 世紀90 年代則為11.8 ℃。70 年代的春、冬季氣溫從14.7 和-5.6 ℃升高到2011—2019年的15.3 和-4.4 ℃，而夏、秋季氣溫從25.1 和11.7 ℃減少到23.2和10 ℃。

表1 1967—2019年阿克蘇站年代際、季際氣溫T（℃）、日照時數(shù)Sd（h）變化表Table 1 Interseasonal temperature&sunshine hours of Aksu station during 1967-2019

表2 1967—2019年柯坪站年代際、季際氣溫T（℃）、日照時數(shù)Sd（h）變化表Table 2 Interseasonal temperature T（℃），sunshine hours Sd（h）of Keping station during 1967-2019

2）突變分析。從圖3 中可以看出，阿克蘇站平均氣溫UF 曲線在1967—2019 年間表現(xiàn)出增加趨勢，UF 和UB 曲線在1997 年附近相交，相交點在信度線以外，之后UF 持續(xù)上升，并遠遠超過信度線，而且累計距平值最大值也出現(xiàn)在1997 年，為20℃（圖2 b），從1998 年開始累計距平值逐漸減少，因此，可以認為阿克蘇站氣溫在1997 年發(fā)生一次突變。從柯坪站UF 曲線變化趨勢來看，從1967—1990 年UF 曲線呈增加趨勢，1991—1996 年呈減少趨勢，1997—2002 年有呈增加趨勢，2003年開始逐漸減少，并且沒有超過信度線；UF、UB曲線在1974 年和2018 年附近相交，柯坪站年平均氣溫最小值出現(xiàn)在2012 年，累計距平最小值出現(xiàn)在2012 年，因此可以認為柯坪站氣溫變化趨勢不明顯，而且沒有發(fā)生突變。

圖3 阿克蘇和柯坪站氣溫突變檢驗Fig.3 Abrupt temperature change test at Aksu(a)and Keping(b)stations

3.1.2 日照時數(shù)變化

1）趨勢分析。從阿克蘇、柯坪氣象站1967—2019 年間年際變化趨勢可知（圖4a），年年平均日照時數(shù)分別為2 853.9 和2 727.4 h，總體呈減少趨勢，傾向率分別為3.806 和-32.916 h/10a。阿克蘇站1967 年日照時數(shù)為3 035 h，2019 年日照時數(shù)為2 728.9 h，年總日照時數(shù)呈減少趨勢，減少了306.1 h，1970 年代日照時數(shù)總體上呈增加趨勢，到了1980 年代后呈減少趨勢，1995 年出現(xiàn)了日照時數(shù)峰值，為3 136.6 h；1995—2008 年阿克蘇站日照時數(shù)呈減少趨勢，出現(xiàn)了日照時數(shù)最小值，即為2 504.6 h；柯坪站日照時數(shù)從1967 年的2 736.4 h減少到2019年的2 596 h，1998年的日照時數(shù)最少，為2 217.6 h，2014 年的最多，為3 168.3 h；從1967 年開始一直到90 年代初，變化波動比較小，但是1990—2019 年日照時數(shù)變化趨勢呈波動式變化。從5年移動平均法來看，研究期間內阿克蘇站和柯坪站日照時數(shù)都在2010 年和2015年附近變化比較明顯。

圖4 阿克蘇、柯坪站日照時數(shù)年際變化和累計距平圖Fig.4 Annual variation(a)and cumulative anomaly(b)of sunshine hours at Aksu and Keping stations

從四季變化趨勢來看（表1和表2），研究區(qū)日照時數(shù)總體上呈增加趨勢，阿克蘇站、春、秋季日照時數(shù)以4.032、0.838 h/10a 的傾向率增加，夏、冬季日照時數(shù)以-6.946 和-3.619 h/10a 減少，春、秋季日照時數(shù)從70 年代的724.1 h 和736 h 增加到2010～2019年的736.7和739 h，夏、冬季日照時數(shù)從70 年代的891.3 和567 h 減少到2010—2019年的883.4 和532.2 h?？缕赫舅募救照諘r數(shù)以-3.15、-18.489、-9.931和-8.712 h/10a傾向率減少?？傮w來說，阿克蘇河平原綠洲年代際、季際總體變化趨勢是平均氣溫增加、日照時數(shù)減少，而氣候的季節(jié)性變化直接影響到農業(yè)生產條件和農業(yè)氣候資源條件，從而導致農業(yè)生產的變化。

2）突變分析。如圖5 所示，阿克蘇站日照時數(shù)UF、UB 曲線在信度線內發(fā)生變化，說明阿克蘇站日照時數(shù)變化趨勢不顯著，累計距平最小值-864.4 h 出現(xiàn)在1988 年，1967—2019 年間，平均日照時數(shù)最小值出現(xiàn)在2008 年，為2 504.6 h；為此，從阿克蘇站的日照時數(shù)趨勢變化和突變檢驗、累計距平值（圖4b）相結合分析，可以認為未發(fā)生突變。從柯坪站日照時數(shù)突變檢驗中可以看出，UF 曲線在1967—198 年間呈上升趨勢，從1989 年開始逐漸下降趨勢，而且UF、UB 曲線在1990 年相交，從1989 年開始發(fā)生了一次轉折，累計距平值也在1990 年出現(xiàn)最小值，即2 198.3 h，因此基本上可以認為柯坪站日照時數(shù)在1990 年發(fā)生了一次突變。

圖5 阿克蘇站和柯坪站日照時數(shù)突變檢驗Fig.5 Abrupt change of sunshine hours at Aksu(a)and Keping(b)stations

3.2 氣候變化對農業(yè)生產的影響

3.2.1 農業(yè)氣候資源的變化從研究區(qū)≥10 ℃積溫在近50 多年的空間分布圖（圖6）與變化曲線圖（圖7 a）得知，阿克蘇、柯坪站≥10 ℃積溫與年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的趨同性，即隨著氣溫的升高≥10 ℃積溫及其持續(xù)時間亦不斷增大。從研究區(qū)1967—2019年間的≥10 ℃積溫變化趨勢（圖7a）可以發(fā)現(xiàn)，阿克蘇、柯坪站≥10 ℃積溫的多年平均值為4 240.1 ℃/d，多年平均持續(xù)日數(shù)為210.6 d；1997 年發(fā)生突變之前的30 年內，有22 年的≥10 ℃積溫小于平均值，只有8 年的≥10 ℃積溫大于平均值；1997年之后的23年內只有3年的≥10 ℃積溫小于平均值，20年的≥10 ℃積溫大于平均值。研究區(qū)≥10 ℃積溫的持續(xù)日數(shù)在突變年份之前的20年小于平均值210.6 d，只有6 年大于平均值；1997 年之后的23 年內有18 年的≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)大于平均值，6 年的≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)小于平均值。可以說明，研究區(qū)氣溫的增加導致≥10 ℃積溫與持續(xù)日數(shù)的不斷增大，也會推進同期負積溫的減少，尤其是在1996年氣溫發(fā)生突變之后，≥10 ℃積溫明顯增加（圖6），從而給農作物的生長具備良好的生長環(huán)境和越冬環(huán)境的同時，提前了農作物播種期和生育期。

圖6 1967—1996年和1997—2019年研究區(qū)≥10 ℃積溫空間分布Fig.6 Spatial distribution of accumulated temperature≥10 ℃during 1967-2019

圖7 阿克蘇河流域≥10 ℃積溫變化趨勢及其與棉花單產關系圖Fig.7 Variation trend of accumulated temperature≥10 ℃(a)in Aksu River Basin and its relation to cotton yield per unit area(b)

3.2.2 農業(yè)生產條件的變化

1）化肥施用量的變化。研究區(qū)的主要生產方式和生產活動以農業(yè)為主，該區(qū)糧食性農作物和經濟性農作物的生產質量和速度對經濟發(fā)展有直接的影響。氣候變暖，土壤有機質的微生物分解加快，肥效保持時間縮短，尤其是氮肥，溫度每升高1 ℃，釋放周期縮短3.6 d［25］。從研究區(qū)最近30 年來化肥施用量變化情況來看，化肥施用量從1978 年約9 900 t 迅速增加到2018 年的41 萬t，單位面積化肥施用量從1978 年的63.8 kg/hm2增加到2018 年的1 367.8 kg/hm2?；适褂昧康脑黾哟龠M土壤有機質含量的減少、提高農業(yè)成本，進而導致產量和農業(yè)產值，對流域生態(tài)環(huán)境也帶來破壞。

2）生長發(fā)育期變化。阿克蘇河流域是我國著名的棉花生產基地，因此，在氣候變化對生長發(fā)育期的影響分析中，以棉花的春季播種期和秋季停止生長期及其與研究區(qū)氣候變化的關系為例，探討近50 年來研究區(qū)氣溫增長對棉花生育期的影響。研究期間內，阿克蘇、柯坪站春秋季平均氣溫在不斷升高，春季氣溫從13.3 和14.6 ℃升高到15.9 和15.6 ℃，秋季氣溫從8.7 和10.4 ℃升高到12 和11 ℃，從而導致研究區(qū)春季農作物播種期提前和秋季早霜期推遲，致使棉花的生長發(fā)育期延長。阿克蘇河流域棉花播種期從20 世紀60 年代的4 月17 日提前到2010—2018 年的4 月8 日，停止生長期從9 月7 日推遲到9 月10 日，生育期從175 d延長到191 d。生育期的延長為棉花生長和發(fā)育提供了更多的熱量資源和生長條件，有利于棉花的生產速度和質量。

3）單產的變化。氣溫、日照時數(shù)等氣候因素的變化直接影響農作物的生長和生產，氣溫的增加對棉花等喜溫作物提供良好的生長條件，進而提高質量和產量，日照時數(shù)的減少會影響農作物的光合作用，從而對不同的作物帶來不同程度的影響。研究區(qū)氣溫不斷增加，日照時數(shù)呈減少趨勢，由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，≥10 ℃積溫與棉花單產呈正相關關系。研究期間阿克蘇、柯坪站平均≥10 ℃積溫以65.7 ℃/10a 的傾向率在增長，1967—1996 年研究區(qū)≥10 ℃積溫增長速度緩慢，同期棉花單產量增長速度也慢，而從1997 年開始，即氣溫發(fā)生一次突變之后隨著≥10℃的增長棉花單產量都快速增加，棉花單產量從1967 年的287.8 kg/hm2增加到2018年的1 218 kg/hm2，以262.18 kg/10a的傾向率增加；多年平均單產量為726.2 kg/hm2，1992年以前的棉花單產量均小于平均值，之后的26 年棉花單產量均大于平均值。因此，20 世紀90 年代以來研究區(qū)氣溫不斷增長，給農作物提供了良好的農業(yè)氣候資源，從而提高產量。

4 結 論

通過采用一元線性回歸、M-K 檢驗和突變分析等方法，對阿克蘇河近50 多年來氣溫、日照時數(shù)等氣候因素變化對農業(yè)生產的影響進行分析和研究，得出以下結論：

1）研究區(qū)1967—2019 年氣候變化趨勢明顯，即氣溫升高、日照時數(shù)減少。阿克蘇站、柯坪站增溫傾向率分別為0.515、0.023 ℃/10a，年平均氣溫為10.7 和11.6 ℃；阿克蘇站春、秋季增溫趨勢明顯，為0.543 和0.544 ℃/10a，柯坪站春、冬季氣溫變化明顯，表現(xiàn)出以0.159 和0.234 ℃/10a的傾向率增加。阿克蘇、柯坪站日照時數(shù)呈減少趨勢，傾向率分別為3.806 和-32.916 h/10a，平均日照時數(shù)為2 853.9 和2 727.4 h；阿克蘇站秋季日照時數(shù)變化明顯，增加幅度表現(xiàn)為0.838 h/10a，柯坪站夏季變化幅度最大，為-18.489 h/10a 減少。阿克蘇站氣溫在1997 年發(fā)生突變，柯坪站日照時數(shù)在1990年發(fā)生一次突變。

2） 氣候變暖對農業(yè)氣候資源影響明顯。1967～2019 年間研究區(qū)≥10 ℃積溫的平均值為4240.2 ℃/d，平均持續(xù)時間為210.6 d；1997 年發(fā)生突變后，≥10 ℃積溫的平均值增加到4 368.8 ℃/d，持續(xù)日數(shù)增加到214.9 d。

3）氣候變化對農業(yè)生產條件的影響明顯。研究區(qū)化肥施用量從1978 年的63.8 kg/hm2增加到2018 年的1 368.8 kg/hm2，近40 年增加了1 304 kg/hm2，棉花單產量從1967 年的287.8 kg/hm2增加到2018年的1 218 kg/hm2，以262.18 kg/10a的傾向率增加，提高了930.2 kg/hm2。棉花播種期提前了9 d、停止生長期推遲了3 d、生育期延長了6 d，為植物的營養(yǎng)吸收和更多資源營造了機會。