1980—2021 年甘南高原農(nóng)牧業(yè)熱量資源的時(shí)空變化分析

張東琴，賁有生，金滿慧，廖倩倩，王殿國(guó)

1.甘肅省夏河縣氣象局，甘肅夏河 747100；2.甘肅省甘南藏族自治州氣象局，甘肅甘南 74700；3.甘肅省臨潭縣氣象局，甘肅臨潭 747500；4.甘肅省碌曲縣氣象局，甘肅碌曲 747200

近年來(lái)，全球氣候變化引起了廣泛關(guān)注，其對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類健康等方面的影響已經(jīng)成為全球面臨的最重要的環(huán)境問(wèn)題之一。高原地區(qū)作為全球最敏感的生態(tài)系統(tǒng)之一，其氣候變化特征表現(xiàn)出了高原變暖放大效應(yīng)[1]?！吨袊?guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū)(2020)》指出，1961—2019年，青藏高原地表氣溫升溫速率為0.37℃/10年，而同期全球增溫速率為0.16 ℃/10年。在此背景下，氣候變化對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響引起了廣泛關(guān)注[2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，氣候變化將影響作物生長(zhǎng)，威脅糧食系統(tǒng)的穩(wěn)定。郭佳等[3]歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)氣候資源和農(nóng)業(yè)影響的研究成果，發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)熱量資源的增幅明顯大于南方地區(qū)。有學(xué)者研究了1979—2018年中國(guó)積溫的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)積溫帶呈向北移和向高海拔地區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，高積溫帶的面積逐年增加，低積溫帶的面積縮小。同時(shí)，根據(jù)CMIP6預(yù)測(cè)未來(lái)積溫這種變化趨勢(shì)持續(xù)。趙彥茜等[4]分析了氣候變暖背景下，中國(guó)物候變化規(guī)律特征，結(jié)果表明作物物候變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子是氣候變化，對(duì)作物物候變化起到?jīng)Q定作用，其次是農(nóng)業(yè)管理措施，農(nóng)業(yè)管理措施可以在一定程度上減輕氣候變化對(duì)作物的不利影響。

甘南高原位于甘肅省西南部，地處青藏高原東部邊緣，青海、甘肅和四川3省的交界處。該地區(qū)地形復(fù)雜，海拔差大，由于地勢(shì)西北部高，東南部低，導(dǎo)致了不同地區(qū)氣候差異較大。甘南高原海拔為1 100～4 900 m，大部分地區(qū)海拔高于3 000 m。自然類型區(qū)可分為南部岷迭山區(qū)、東部丘陵山帶、西北部廣闊的草甸草原。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，甘南高原可分為純牧區(qū)、半農(nóng)半牧區(qū)與農(nóng)區(qū)[5]。受地理環(huán)境的限制，甘南高原以農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展為主，近年來(lái)，甘南在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)注重農(nóng)牧民生產(chǎn)生活方式的創(chuàng)新改革，大力培育和發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，由農(nóng)牧業(yè)發(fā)展帶動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，深入分析1980—2021年甘南高原農(nóng)牧業(yè)熱量資源的時(shí)空分布變化，明確甘南高原農(nóng)牧業(yè)熱量資源的資源分布特征，為甘南農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)對(duì)氣候變化的決策提供重要的理論依據(jù)。研究選取≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫及其持續(xù)日數(shù)代表熱量指標(biāo)，從平均值的年際變化、突變分析、空間分析和年代際變化等研究1980—2021年甘南高原熱量資源的時(shí)空變化。

1 資料和方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)資料

所用氣象數(shù)據(jù)來(lái)自甘南藏族自治州8個(gè)氣象站(圖1)。1980—2021年逐日氣象觀測(cè)資料及經(jīng)度、緯度、海拔資料。

圖1 甘南氣象站點(diǎn)分布

1.2 基礎(chǔ)地理信息資料

所用基礎(chǔ)地理信息資料采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1:250 000的基礎(chǔ)地理信息，數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)，根據(jù)DEM獲取經(jīng)緯度、海拔等地理信息。

1.3 方法

1.3.1 農(nóng)牧業(yè)熱量資源檢測(cè)指標(biāo)用≥0 ℃積溫和≥10 ℃活動(dòng)積溫及其持續(xù)日數(shù)代表熱量指標(biāo)，運(yùn)用8個(gè)氣象站的要素平均值代替該要素甘南整體情況。資料統(tǒng)計(jì)應(yīng)用Excel、MATLAB等軟件。

1.3.2 分析方法采用氣候傾向率法分析氣象要素的趨勢(shì)變化,氣候傾向率法是采用最小二乘法對(duì)氣候趨勢(shì)進(jìn)行分析，利用時(shí)間系數(shù)衡量農(nóng)牧業(yè)氣候資源的變化趨勢(shì)和幅度，并對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。用Mann-Kendall檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))和滑動(dòng)t檢驗(yàn)2種檢驗(yàn)方法交互檢驗(yàn)和驗(yàn)證要素的突變點(diǎn)。M-K檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于樣本不需要遵守一定的分布，也不受少數(shù)異常值的影響；滑動(dòng)t檢驗(yàn)通過(guò)考查2組樣本平均值的差異檢驗(yàn)突變是否顯著[6]。

在空間分析方面，使用ArcGIS普通克里金法對(duì)氣候要素進(jìn)行空間插值。該插值方法是區(qū)域化變量的線性估計(jì)，它假設(shè)數(shù)據(jù)變化呈正態(tài)分布，認(rèn)為區(qū)域化變量Z的期望值是未知的常量，插值過(guò)程類似加權(quán)滑動(dòng)平均，權(quán)總值的確定來(lái)自空間數(shù)據(jù)分析[7]。

2 結(jié)果與分析

熱量是農(nóng)業(yè)環(huán)境的重要因子，也是生物體生活的重要條件。熱量通過(guò)其強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和變化規(guī)律等方面對(duì)農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)生影響。熱量的變化主要來(lái)源于溫度。積溫是常用的熱量資源評(píng)判指標(biāo)，日平均氣溫≥0 ℃積溫一般被認(rèn)為評(píng)估植物凍害風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，日平均氣溫≥10 ℃積溫一般用來(lái)判定喜涼和喜溫作物生長(zhǎng)情況的重要指標(biāo)[8]。

2.1 熱量資源的時(shí)間分布和趨勢(shì)變化

由圖2可見(jiàn)，≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫和天數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)式上升的趨勢(shì)，且兩者的演變特征相似。≥0 ℃積溫整體以98.5 ℃·d/10年的傾向率顯著上升，其中，最高值出現(xiàn)在2010年，達(dá)到了2 676.4 ℃·d，而最低值出現(xiàn)在1986年，為2 143 ℃·d，這表明該地區(qū)的積溫逐漸增加，也相應(yīng)延長(zhǎng)了暖季的時(shí)長(zhǎng)[9-12]。

圖2 甘南1980—2021年≥0 ℃(a)和 ≥10 ℃(b)積溫天數(shù)及平均值的年際變化

同樣，≥10 ℃積溫氣候傾斜率為104.7 ℃·d/10，相關(guān)系數(shù)0.808，也通過(guò)了極顯著性檢驗(yàn)(α=0.001)?！?0 ℃積溫的最高值出現(xiàn)在1998年，達(dá)到了2 042 ℃·d，而最低值出現(xiàn)在1982年，為1 458.3 ℃·d。進(jìn)一步表明該地區(qū)的溫度逐漸升高，暖季的溫暖程度也在增加。

2種積溫的年代際變化特征相似(表1)，20世紀(jì)80、90年代為負(fù)距平，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，轉(zhuǎn)為正距平。尤其是20世紀(jì)90年代以后積溫增長(zhǎng)顯著。

表1 積溫平均值的年代際距平 ℃·d

2.2 熱量資源的突變分析

(1)根據(jù)所給的M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示(圖2a、圖2b)，1997年UF和UB2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)在臨界線之外，1989年之后的每年UF值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即超過(guò)0 ℃積溫逐年增加?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步支持了這一結(jié)論，統(tǒng)計(jì)量均為正值，且峰值出現(xiàn)在1997年，超過(guò)了0.01的顯著性水平。綜合考慮M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)的結(jié)果，可以確定≥0 ℃積溫的突變點(diǎn)發(fā)生在1997年[13-15]。

(2)在M-K檢驗(yàn)中(圖2c)，≥10 ℃積溫在1988年之后的UF值逐年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，UF和UB 2條曲線在1996年附近出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)在臨界線之外。在滑動(dòng)t檢驗(yàn)中(圖2d)，統(tǒng)計(jì)量在2010年前為正值，之后為負(fù)值。此外，滑動(dòng)t檢驗(yàn)還顯示出2個(gè)顯著的峰值，分別在1993年和1997年，且均超過(guò)了0.01顯著性水平。綜合考慮，≥10 ℃積溫的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1997年，這意味著從1997年開(kāi)始，氣溫變化的趨勢(shì)經(jīng)歷了顯著的變化，呈現(xiàn)出更加明顯的上升趨勢(shì)。

2.3 熱量資源的空間分析

積溫對(duì)農(nóng)牧業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要，分析其空間分布特征，可用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為不同地區(qū)氣候特點(diǎn)的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。積溫受到地理經(jīng)緯度、海拔、地形等因素的影響。利用甘南8個(gè)氣象臺(tái)站1980—2021年的積溫資料和根據(jù)DEM獲取經(jīng)緯度、海拔等地理信息，建立積溫和地形要素的多元線性回歸方程，并通過(guò)了α=0.001極顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明回歸結(jié)果擬合度高。然后用ArcGIS普通克里金法對(duì)要素進(jìn)行空間插值，得到了積溫的空間分布圖[16-17]。

從活動(dòng)積溫多年平均空間分布來(lái)看(圖略)，≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫空間分布相似，積溫表現(xiàn)為空間上的分布不均勻，不同地區(qū)的積溫存在明顯差距。東部地區(qū)出現(xiàn)了較高的積溫值，而西部地區(qū)的積溫值相對(duì)低很多，這可能與東部地區(qū)更加適宜作物生產(chǎn)有關(guān)。

根據(jù)年代際演變可以看出，≥0 ℃積溫空間分布在時(shí)間上也存在一定的變化(圖略)，≥0 ℃積溫整體隨時(shí)間推移變大。20世紀(jì)80年代高值區(qū)在舟曲，≥0 ℃積溫在3 500～4 000 ℃·d，甘南西部高值區(qū)在夏河縣東北部，≥0 ℃積溫為2 000～2 500 ℃·d，甘南中部高值區(qū)在臨潭縣和卓尼縣交界處，此時(shí)全州大部≥0 ℃積溫在1 500 ℃·d以下。至20世紀(jì)90年代，低值區(qū)面積縮小，高值區(qū)面積擴(kuò)大，在迭部縣東部出現(xiàn)了3 000～3 500 ℃·d的中心。至21世紀(jì)00年代，舟曲縣出現(xiàn)了4 000 ℃·d以上的高值中心，此時(shí)，甘南州大部分地方的≥0 ℃積溫在1 500 ℃·d以上。

3 結(jié)論

系統(tǒng)分析了甘南高原1980—2021年農(nóng)業(yè)熱量資源的時(shí)空變化。研究表明：≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫和天數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)式上升的趨勢(shì)，≥0 ℃積溫上升速率為98.5 ℃·d/10年，≥10 ℃為104.7 ℃·d/10年，說(shuō)明甘南高原暖季的時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度都在不同程度地增長(zhǎng)，尤其是20世紀(jì)90年代以后積溫顯著增長(zhǎng)，同時(shí)都在1997年發(fā)生了明顯突變?；顒?dòng)積溫的持續(xù)日數(shù)上也表現(xiàn)出高值區(qū)(舟曲)≥0 ℃活動(dòng)積溫持續(xù)日數(shù)以≥10 ℃為主，而低值區(qū)(瑪曲)≥0 ℃活動(dòng)積溫持續(xù)日數(shù)以0～10 ℃為主。從空間分布來(lái)看，差異顯著，高值中心位于甘南東部迭部、舟曲，低值中心在甘南西部，呈現(xiàn)出東高西低的特點(diǎn)。