氣候變化對山西省有效積溫時空演變的影響

候啟，李帥，趙玉潔，崔廣署

（1日照市氣象局，山東日照 276800；2中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011）

0 引言

以全球變暖為特征的氣候變化及其可能對自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)造成的影響已成為國際社會廣泛關(guān)注的問題[1]。中國氣候變化藍(lán)皮書(2022)指出，全球變暖趨勢仍在持續(xù)，2021年中國多項(xiàng)氣候變化指標(biāo)打破觀測記錄，中國升溫速率高于同期全球平均水平，是全球氣候變化的敏感區(qū)[2]。農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最直接的脆弱行業(yè)，而氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響首先表現(xiàn)為對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，并最終影響農(nóng)業(yè)種植制度、品種布局以及生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[3]。在氣候變化背景下，熱量資源的變化對地方作物生產(chǎn)布局影響極大。

氣候變暖將改善區(qū)域的熱量資源，一定界限溫度以上的積溫及持續(xù)日數(shù)是評價某地區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源的重要指標(biāo)[4]。有效積溫是氣象條件對作物生長影響的主要指標(biāo)，其反映了作物生育期所需熱量的大小。在一定溫度范圍內(nèi)，氣溫和發(fā)育速度成正相關(guān)，并且要積累到一定的溫度總和，才能滿足作物生長發(fā)育過程的需要。相關(guān)研究指出，中國不同地區(qū)代表性植物春季物候期均呈提前趨勢，秋季物候期年際波動較大，同時氣候變暖提高了高寒濕度生態(tài)系統(tǒng)植被的光和生產(chǎn)能力[5-6]?！?0℃積溫所反映的熱量條件顯著改善，由積溫所反映出的種植制度也發(fā)生明顯變化，各種植帶界限明顯北移[7-8]，≥10℃積溫等值線北移，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)多樣性和提高耕地復(fù)種指數(shù)[9]。中國北方地區(qū)溫度升高也將使作物溫度生長期有所延長，中國的年均氣溫、喜涼作物生長期≥0℃積溫和喜溫作物生長期內(nèi)≥10℃積溫總體增加[10]。松嫩平原熱量資源顯著增加，農(nóng)業(yè)氣候資源趨于暖濕變化[11]，南太行地區(qū)有效積溫增加，作物生長季熱量資源增加明顯，積溫帶北移東擴(kuò)，中熟和中晚熟品種擴(kuò)張明顯，東北地區(qū)整體熱量條件改善[12]。

山西省處于沿海向內(nèi)陸過渡、平原向山地高原過渡、半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)過渡、森林向草原過渡、農(nóng)業(yè)向牧業(yè)過渡地帶這樣一個眾多分界線匯集的區(qū)域，氣候變化過程與機(jī)理復(fù)雜，區(qū)內(nèi)農(nóng)作物地域分布受氣候影響，南北差異大，獨(dú)特的地理位置和地貌格局使山西省氣候變化情形更為復(fù)雜。研究山西省氣候變化條件下有效積溫演變特征，對山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)避溫度異常，進(jìn)一步提高積溫生產(chǎn)效率和利用率，更好的適應(yīng)氣候變化具有重要意義。

1 資料選取與方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象局國家氣象信息中心的1961—2016 年水平分辨率為0.5°×0.5°的逐日格點(diǎn)氣溫數(shù)據(jù)，地圖底圖來源于中華人民共和國自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)，數(shù)字高程數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的全國空間分辨率為250 m 的DEM 數(shù)據(jù)(www.resdc.cn/DataSearch.aspx)。

1.2 研究方法

1.2.1 有效積溫有效積溫為作物在某個生育期或全部生育期內(nèi)有效溫度的總和，即作物在某一段時間內(nèi)日平均氣溫與生物學(xué)零度之差的總和。日平均氣溫≥5℃的持續(xù)期稱為生長期，當(dāng)日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃時，大致與溫帶地區(qū)越冬作物及大多數(shù)林木的返青復(fù)蘇相結(jié)合；當(dāng)日平均氣溫開始通過10℃時，大部分農(nóng)作物開始活躍生長[13]?！?0℃和≥5℃有效積溫作為作物生長發(fā)育的溫度指數(shù)，分別表征了喜溫作物和喜涼作物生長期的長短和地區(qū)熱量資源的多寡。有效積溫計算方式如式(1)所示。

式中，n為發(fā)育時期經(jīng)歷的天數(shù)，ti為第i日平均氣溫，B為該發(fā)育時段的生物學(xué)零度。

1.2.2 多元線性回歸插值氣象要素的空間分布受海拔、經(jīng)緯度、坡度、坡向等地理因子的影響，根據(jù)各要素與各地理因子之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，運(yùn)用多元線性回歸模型方法，通過建模模擬數(shù)值缺失區(qū)域[14]。在構(gòu)建函數(shù)關(guān)系時判斷各宏觀因子與氣候要素之間的函數(shù)關(guān)系選取擬合度較高的參數(shù)構(gòu)建氣候要素與地理宏觀因子之間的函數(shù)關(guān)系式[15]，如式(2)所示。

式中Y為所求氣候要素，x1、x2、x3、x4分別代表經(jīng)度、緯度、海拔、坡度，a、b、…、n為待定系數(shù)，f(ε)為殘差。分別將各地理宏觀因子構(gòu)建柵格圖層，在ArcGIS柵格計算器中輸入函數(shù)關(guān)系式。

1.2.3 變異系數(shù)變異系數(shù)(CV，coefficient of variation)

又稱“離散系數(shù)”，是概率分布離散程度的一個歸一化量度，其定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，變異系數(shù)計算方式如式(3)所示。

式中，SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，Mean平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 積溫變化趨勢

對山西省有效積溫進(jìn)行Manner-Kendall 趨勢分析，圖1顯示≥5℃和≥10℃有效積溫均呈明顯的升高趨勢?！?℃有效積溫升溫率在汾河谷地和山西省北部的大同市最高，由東北向西南呈帶狀分布，山西省東南部升溫率也較高；升溫率較低的地區(qū)主要分布在西部呂梁山區(qū)。圖1b顯示≥10℃有效積溫升溫率相對比≥5℃積溫小，升溫率高的地區(qū)在空間上呈東北—西南走向，但其傾向率小于24(℃·d)/10 a分布的范圍更廣，主要在西北部的呂梁山和東部太行山區(qū)。綜合≥5℃和≥10℃有效積溫傾向率可知，有效積溫升溫較快的地區(qū)主要分布在地勢較低的谷地和盆地地區(qū)，此外，山西省北部升溫傾向率亦較高，積溫傾向率總體表現(xiàn)為中部升溫快而兩側(cè)升溫較慢。

圖1 ≥5℃和≥10℃有效積溫傾向率空間分布(a：≥5℃；b：≥10℃)

2.2 積溫空間分布

利用多元回歸插值對山西省≥5℃、≥10℃有效積溫進(jìn)行空間插值。≥5℃有效積溫整體表現(xiàn)出自南向北逐漸減少的趨勢（圖2 a），且其在空間分布上受海拔影響較大。＞3000℃·d積溫帶集中分布在山西省西南部的運(yùn)城盆地和臨汾盆地，還小范圍分布在晉城盆地和黃河沿岸地區(qū)；2000～3000℃·d 主要分布在長治盆地、太原盆地、忻定盆地、大同盆地、陽泉盆地和海拔2000 m 以下的黃土丘陵地區(qū)，其分布面積較廣，占研究區(qū)總面積的64.48%；1000～2000℃·d 及溫帶主要連片分布在西部呂梁山和東北部的恒山和五臺山等山區(qū)，此積溫帶最南出現(xiàn)在王屋山；＜1000℃·d積溫分布范圍較小，集中分布在蘆芽山和五臺山等海拔較高地區(qū)。圖2b 顯示≥10℃有效積溫空間分布與5℃積溫相似，在空間分布上主要受緯度和海拔的影響，≥2000℃·d在運(yùn)城和臨汾盆地分布范圍最大，此外在山西南部黃河沿岸地區(qū)呈條帶狀分布；1000～2000℃·d積溫帶分布范圍最大，占研究區(qū)范圍的73.21%；＜1000℃·d 分布在山西省中部和北部山區(qū)?！?℃積溫在山西省分布范圍更廣，尤其是在黃土丘陵范圍較大，表明山西省適宜喜涼作物的種植區(qū)域大于適宜喜溫作物種植的面積（見表1）。

表1 各有效積溫區(qū)間面積占比 %

表2 突變前后各有效積溫范圍增減面積百分比

圖2 ≥5℃和≥10℃有效積溫空間分布(a：≥5℃；b：≥10℃)

2.3 積溫突變前后空間變化

對≥5℃、≥10℃有效積溫利用Mann-Kendall 突變分析（圖3）可知，5℃（圖3a）和10℃（圖3b）有效積溫UF和UB曲線交于信度線±1.96(α=0.05)之間，交點(diǎn)在1996—1997 年之間，認(rèn)為積溫均在1997 年發(fā)生突變。由圖4a可知，≥5℃有效積溫在＞3000℃·d積溫帶范圍增大，積溫界限在緯向上北移，范圍增加明顯的包括山西西部沿黃河區(qū)域、太原盆地和晉城盆地，面積增加了4.91%；2000～3000℃·d 積溫帶范圍也呈增大趨勢，其中大同盆地西側(cè)增長明顯，山區(qū)2000℃·d積溫界限則向高海拔地區(qū)移動；＜2000℃·d積溫范圍在突變后縮小明顯，主要分布在高大山區(qū)?！?℃有效積溫在突變后與突變前的積溫差值多為正值（圖4b），表明突變后積溫多呈增加趨勢，積溫差值大于150℃·d 的區(qū)域占全省面積的55.57%，連片分布在汾河谷地、忻定盆地和晉北地區(qū)；積溫差值在0～150℃·d 的區(qū)域主要分布在汾河谷地兩側(cè)的山地丘陵地區(qū)；積溫差值＜0℃·d分布面積較小，且分布零散。

圖4 突變前后有效積溫均值空間分布及其變化(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

由圖4c 可知，≥10℃有效積溫在＞2000℃·d 積溫范圍增大，主要沿谷地兩側(cè)延展，面積增長了2%；1000～2000℃·d 積溫范圍所占面積最大，此積溫范圍在山區(qū)北側(cè)變化較小，在山區(qū)南側(cè)則發(fā)生了明顯北移，即向高海拔地區(qū)移動；＜1000℃·d積溫面積縮小，太岳山和太行山中段積溫突變前后變化最為明顯。≥10℃有效積溫在積溫突變后與突變前的差值在99.76%皆為正值（圖4d），絕大多數(shù)地區(qū)≥10℃積溫在突變前后增長明顯，差值在0～150℃·d積溫范圍所占面積最大，差值＞150℃·d的區(qū)域分布在臨汾盆地、太原盆地、忻定盆地和大同盆地，西部黃河沿岸地區(qū)積溫差值亦較大，積溫差值為負(fù)的地區(qū)僅占研究區(qū)面積的0.24%。綜合≥5℃和≥10℃有效積溫差值，在海拔較低的盆地和谷地突變后與突變前積溫差值較大，而海拔較高的山地和丘陵地區(qū)差值較小，甚至為負(fù)；此外，山西省北部積溫差值較大，表明其積溫增長相對較快。

2.4 有效積溫開始和結(jié)束日期變化

圖5 為≥5℃和≥10℃有效積溫開始和結(jié)束日期多年變化，由圖5a 和圖5c 可知，1961—2016 年≥5℃和≥10℃有效積溫均呈提前趨勢?！?℃積溫初始日期的提前趨勢在空間分布上大致為由南向北提前日數(shù)逐漸減少，提前趨勢最明顯的區(qū)域位于東南部，且提前趨勢明顯的區(qū)域與多年積溫傾向率較大的區(qū)域分布較為一致?！?0℃積溫比≥5℃積溫提前日數(shù)少，總體分布呈南部提前日數(shù)多而北部提前日數(shù)較少?！?℃積溫結(jié)束日期（圖5b）總體呈推后趨勢，在空間上推后2～4 d的分布最廣；由圖5d可知，≥10℃積溫結(jié)束日期空間分布上呈推遲趨勢，推遲日數(shù)在4 d以上的地區(qū)主要分布在山西省東部，而推遲日數(shù)在2 d以內(nèi)的則多分布在西部。結(jié)合有效積溫起始日期的提前趨勢和結(jié)束日期的推遲趨勢可知，≥5℃和≥10℃有效積溫持續(xù)日期增長，這種趨勢可能在山西省南部及其他河谷盆地地區(qū)更為明顯。

圖5 有效積溫開始和結(jié)束日期變化趨勢(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

圖6為1961—2016年山西省≥5℃和≥10℃有效積溫開始和結(jié)束日期變異系數(shù)空間分布。由圖可知，≥5℃（圖6a）和≥10℃（圖6c）有效積溫初始日期變異系數(shù)均呈東北向西南逐漸增大的趨勢，即越向西北有效積溫初始日期越穩(wěn)定，而西南部的汾河谷地地區(qū)有效積溫初始日期變率較大；≥5℃有效積溫相比≥10℃積溫變異系數(shù)更大，即≥10℃積溫初始日期分布較為穩(wěn)定。與初始日期不同，有效積溫結(jié)束日期空間分布則顯示出明顯的區(qū)域差異，≥5℃有效積溫結(jié)束日期變異系數(shù)（圖6b）低值區(qū)大致沿東北—西南走向分布，并由此向西北和東南兩側(cè)變異系數(shù)逐漸增大，結(jié)合山西地形也可看出在海拔較低的盆地和谷地變異系數(shù)較小，兩側(cè)山地丘陵區(qū)結(jié)束日期變異系數(shù)較大；≥10℃有效積溫結(jié)束日期變異系數(shù)（圖6d）空間分布較為分散，區(qū)域差異較大，山西省東南部和北部地區(qū)變異系數(shù)均較大，結(jié)束日期不穩(wěn)定。結(jié)合前文可知，≥5℃和≥10℃積溫結(jié)束日期變異系數(shù)大的地區(qū)增溫傾向率相對較小，變異系數(shù)小的地區(qū)積溫傾向率相對較高。有效積溫結(jié)束日期的變異系數(shù)比初始日期小，有效積溫結(jié)束日期分布更為穩(wěn)定，而有效積溫初始日期年際變動較大。

圖6 有效積溫開始和結(jié)束日期變異系數(shù)(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

3 結(jié)論

為研究山西省1961—2016 年喜涼作物和喜溫作物適種范圍邊界，對山西省≥5℃和≥10℃有效積溫時空分布和變化特征進(jìn)行分析。山西省有效積溫呈明顯的升高趨勢，有效積溫升溫較快的地區(qū)主要分布在地勢較低的谷地和盆地。此外，山西省北部升溫傾向率較高，升溫率高的地區(qū)在空間分布上大致由東北向西南呈帶狀分布。在空間分布上，山西省有效積溫在空間分布上表現(xiàn)出自南向北逐漸減少的趨勢，其分布受海拔影響較大。≥5℃有效積溫在2000～3000℃·d積溫范圍內(nèi)分布范圍最大，占研究區(qū)范圍的64.48%，≥10℃有效積溫在1000～2000℃·d 積溫范圍內(nèi)分布最大，占研究區(qū)范圍的73.21%，空間分布表明山西省更適合喜涼作物的種植。

山西省≥5℃和≥10℃有效積溫均在1997年發(fā)生突變，突變后積溫界限北界向高緯和高海拔地區(qū)移動，≥5℃積溫在≥2000/℃·d 積溫范圍內(nèi)面積擴(kuò)展，＜2000/℃·d 積溫范圍所占面積減少；≥10℃積溫在≥1000/℃·d 積溫范圍內(nèi)面積擴(kuò)展，＜1000/℃·d 積溫范圍所占面積減少；在海拔較低的盆地和谷地突變后與突變前積溫差值較大，而海拔較高的山地和丘陵地區(qū)差值較小，甚至為負(fù)；此外，山西省北部積溫差值較大，表明其積溫增長相對較快。有效積溫初始日期多呈提前趨勢，結(jié)束日期多為推后趨勢；≥5℃和≥10℃有效積溫持續(xù)日期增長，這種趨勢在山西省南部及河谷、盆地更為明顯。有效積溫初始日期變異系數(shù)均由東北向西南逐漸增大，汾河谷地有效積溫初始日期變率較大；有效積溫結(jié)束日期的變異系數(shù)比初始日期小，有效積溫結(jié)束日期更為穩(wěn)定。