青海諾木洪近61 a農(nóng)業(yè)熱量資源變化特征分析

吳雙桂，韓廷芳，殷春華，陳 芳

(1.青海省諾木洪氣象站，青海 諾木洪 816102；2.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099)

引言

氣候變化是全球研究熱點(diǎn)[1～3]。氣候變化不僅改變熱量資源等農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空分布[4，5]，也改變了農(nóng)作物種植制度和作物布局，進(jìn)而改變作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和加重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的脆弱性[6，7]。氣候是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的限制因子，特別是熱量資源的時(shí)空分布及其變化，將會對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物產(chǎn)量和種植制度產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[8]。在氣候變暖的背景下，農(nóng)業(yè)熱量資源也有相應(yīng)的響應(yīng)，大量研究表明，熱量資源呈現(xiàn)增加趨勢[9，10]。積溫是衡量作物生長發(fā)育過程中所需熱量條件的一種指標(biāo)，同時(shí)也是表征地區(qū)熱量條件的一種重要指標(biāo)[11]，≥10℃積溫反映著喜溫作物所需熱量資源的多寡，是進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃的重要依據(jù)[12]。

中國枸杞之鄉(xiāng)諾木洪地處柴達(dá)木盆地東南邊緣，位于青藏高原腹地，海拔高度2 790 m。其地形是諾木洪河和河西洼洪積地形，是適宜的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。以往，諾木洪的農(nóng)作物主要以小麥、油菜等為主。近些年由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，諾木洪加大了枸杞種植，為提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入開辟了新的發(fā)展方向。近年來，國內(nèi)不少學(xué)者針對≥10℃積溫的變化開展研究，楊舒琳等對晉江市農(nóng)業(yè)熱量資源變化特征分析的研究表明，晉江市≥10℃積溫呈普遍增加的趨勢。袁成鑫[13]對近59 a青海湖南部地區(qū)≥0℃農(nóng)業(yè)界限溫度變化特征的研究表明，農(nóng)業(yè)氣候資源主要熱量指標(biāo)氣溫穩(wěn)定通過≥0℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)和積溫分別呈極顯著提前、推遲、延長和增大趨勢。因此，本文利用1961～2021年諾木洪氣象站逐日、逐年平均氣溫資料，對日平均氣溫≥0℃活動積溫及對應(yīng)的持續(xù)日數(shù)以及日平均氣溫≥10℃活動積溫及對應(yīng)的持續(xù)日數(shù)的熱量資源變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期有效指導(dǎo)和促進(jìn)諾木洪的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)為諾木洪的優(yōu)質(zhì)作物枸杞的引種及規(guī)避農(nóng)業(yè)氣候變化致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文利用諾木洪氣象站1961～2021年的逐日、逐年平均氣溫資料，研究分析這一期間諾木洪地區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源的變化特征。

1.2 研究方法

1.2.1 活動積溫計(jì)算 活動積溫(℃·d)指某一時(shí)期內(nèi)大于(包括等于)生物學(xué)下限溫度的日平均溫度的總和，即

式中，Ti為時(shí)段中第i天的日平均溫度，B為生物學(xué)下限溫度，N為計(jì)算時(shí)段的天數(shù)。

采用5日滑動平均法確定≥0℃(喜涼作物)和≥10℃(喜溫作物)界限溫度的起止日期，計(jì)算穩(wěn)定通過0℃和10℃的持續(xù)日數(shù)和活動積溫等熱量要素。

1.2.2 氣候傾向率[14]通常用一次直線方程來描述氣候要素的變化趨勢：

y(t)=a+bt

式中，t為時(shí)間序列，a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可通過回歸分析方法中的最小二乘法求取，b為趨勢變化率，當(dāng)b為正(負(fù))表示氣溫要素有增加(減小)趨勢，b×10為氣候傾向率，表示氣溫要素10 a的變化速率。

1.2.3 Mann-Kendall 突變檢驗(yàn) M-K法通過構(gòu)造正序列(UF)和逆序列(UB)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)正逆序列統(tǒng)計(jì)量的曲線判斷氣象要素的變化趨勢及突變特征。當(dāng)正序列(UF)的值大于0，表示序列呈上升趨勢，小于0表示呈下降趨勢。當(dāng)超過臨界值線時(shí)，表示上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB兩曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。該方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)序列不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常測定值的干擾。一般取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05=±1.96。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均氣溫年變化特征

圖1(a)為諾木洪年平均氣溫的變化趨勢，結(jié)果表明：近61 a諾木洪的年平均溫度為5.1℃，呈明顯的上升趨勢，增溫幅度為0.39 ℃/10 a，達(dá)顯著水平(R=0.87)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖1(b)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對近61 a諾木洪年平均氣溫進(jìn)行的突變檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明：近61 a諾木洪的年平均溫度UF和UB不在臨界線內(nèi)，說明年平均氣溫沒有發(fā)生明顯的突變。

圖1 1961～2021年青海諾木洪年平均氣溫變化趨勢(a)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)

2.2 ≥0℃積溫變化特征

圖2(a)為諾木洪≥0℃積溫的變化趨勢，從圖2(a)可知：近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥0℃積溫呈上升的趨勢，上升速度為84.20 ℃·d /10 a，達(dá)顯著水平(R=0.83)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。年平均積溫為2 732.4℃·d，最高值出現(xiàn)在2016年(3 140.9℃·d)；最低值出現(xiàn)在1970年(2 428.1℃·d)，最高值與最低值相差712.8 ℃·d，由此也說明諾木洪≥0℃積溫的年際變化明顯。

圖2(b)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對近61 a諾木洪≥0℃積溫進(jìn)行的突變檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明：近61 a諾木洪≥0℃積溫UF線呈明顯的上升趨勢，但UF和UB不在臨界線內(nèi)，說明≥0℃積溫沒有發(fā)生明顯的突變。

2.3 ≥10℃積溫變化特征

圖3(a)為諾木洪≥10℃積溫的變化趨勢，從圖3(a)可知：近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10℃積溫呈上升的趨勢，上升速度為91.0℃·d /10 a，達(dá)顯著水平(R=0.79)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。年平均積溫為2 270.5℃·d，最高值也是出現(xiàn)在2016年(2 713.3℃·d)；最低值出現(xiàn)在1986年(1 952.5℃·d)，最高值與最低值相差760.8℃·d，說明諾木洪≥10℃積溫的年際變化幅度較大。

圖3(b)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對近61 a諾木洪≥10℃積溫進(jìn)行的突變檢驗(yàn)分析。從圖3(b)可見：≥10℃積溫UF線呈明顯的上升趨勢，UF和UB相交于±1.96臨界線內(nèi)，兩者的交點(diǎn)是1997年，說明積溫的突變年份為1997年，2000年開始UF線超過臨界線，說明2000年以后≥10℃積溫表現(xiàn)為顯著的上升趨勢。

圖2 1961～2021年青海諾木洪≥0℃積溫變化趨勢(a)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)

2.4 ≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)

圖4(a)為諾木洪≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)的變化趨勢，由圖4(a)可見，近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)呈上升趨勢，上升速度為3.46d /10 a，達(dá)顯著水平(R=0.66)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。年平均積溫持續(xù)日數(shù)為239 d，最高值出現(xiàn)在2015年(264 d)；最低值出現(xiàn)在1970年(215 d)，最高值與最低值相差49 d?？傮w來看，諾木洪≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)的年際變化與≥0℃積溫的年際變化基本相符。

圖4(b)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對近61 a諾木洪≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)進(jìn)行的突變檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明：≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)UF線呈明顯的上升趨勢，UF和UB相交于±1.96臨界線內(nèi)，兩者的交點(diǎn)是1996年，即積溫持續(xù)日數(shù)的突變年份為1996年，說明1996年以后≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)呈增加趨勢，1998年開始UF線超過臨界線，說明1998年以后≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)上升趨勢明顯。

圖3 1961～2021年青海諾木洪≥10℃積溫變化趨勢(a)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)

2.5 ≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)

圖5(a)為諾木洪≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)的變化趨勢，由圖5(a)可見，近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)呈上升趨勢，上升速度為3.81 d /10 a，達(dá)顯著水平(R=0.70)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。年平均積溫持續(xù)日數(shù)為147 d，最高值出現(xiàn)在1998年(167 d)；最低值出現(xiàn)在1986年(128 d)，最高值與最低值相差39 d?？傮w來看，諾木洪≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)的年際變化與≥10℃積溫的年際變化基本同步。

圖5(b)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對近61 a諾木洪≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)進(jìn)行的突變檢驗(yàn)分析。由圖5(b)可知，≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)UF線呈明顯的上升趨勢，UF和UB相交于±1.96臨界線內(nèi)，兩者的交點(diǎn)也是1996年，即積溫持續(xù)日數(shù)的突變年份為1996年，21世紀(jì)開始UF線超過臨界線，說明21世紀(jì)以后≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)呈明顯的上升趨勢。

圖4 1961～2021年青海諾木洪≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)變化趨勢(a)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)

圖5 1961～2021年青海諾木洪≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)變化趨勢(a)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(b)

3 結(jié)論與討論

近61 a諾木洪的年平均溫度呈明顯的上升趨勢，增溫幅度為0.39℃/10 a，達(dá)顯著水平(R=0.87)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)，年平均氣溫沒有發(fā)生明顯的突變。

近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥0℃積溫和≥10℃積溫均呈上升的趨勢，上升速度為84.20℃·d /10 a、91.0℃·d /10 a，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)，≥0℃積溫沒有發(fā)生明顯的突變，≥10℃積溫于1997年發(fā)生了突變。

近61 a諾木洪的日平均氣溫穩(wěn)定通過≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)和≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)均呈上升趨勢，上升速度為3.46 d /10 a、3.81 d /10 a，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)，兩者均在1996年發(fā)生了突變?？傮w來看，諾木洪≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)的年際變化與≥0℃積溫的年際變化基本相符，≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)的年際變化與≥10℃積溫的年際變化基本同步。

經(jīng)濟(jì)作物枸杞在諾木洪農(nóng)作物中所占比重很大，日益增加的農(nóng)業(yè)熱量資源對枸杞影響較大，也使原本受熱量限制的病蟲害擴(kuò)散增大，給枸杞種植戶帶來了一些病蟲害防治的困難。因此，對于近61 a來諾木洪農(nóng)業(yè)熱量資源增加的趨勢下，需合理評估、開發(fā)和利用熱量資源，及時(shí)有效規(guī)避農(nóng)業(yè)氣象風(fēng)險(xiǎn)。