金昌市≥10 ℃積溫變化特征及對農(nóng)作物的影響

摘要：通過探究金昌市氣候變化背景下活動積溫（≥10 ℃）對農(nóng)作物生長的影響，因地制宜地安排作物布局、合理部署農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。選用金昌市金川區(qū)、永昌縣1991 — 2020年30 a的觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析法、M-K突變檢驗(yàn)法、五日滑動平均法等氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法對金昌市≥10 ℃積溫時空變化特征及玉米、春小麥的種植面積、產(chǎn)量進(jìn)行分析。結(jié)果表明，氣候變暖背景下，金昌市熱量條件有較好的改善，對農(nóng)作物產(chǎn)生了一定影響，喜溫作物玉米的種植比例和產(chǎn)量顯著增加，喜涼作物春小麥的種植比例減少。金昌市≥10 ℃積溫、積溫持續(xù)日數(shù)總體呈波動增加的趨勢，但金川區(qū)≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)的增加主要由初日提前造成，永昌縣由終日延后造成。金昌市≥10 ℃積溫異常概率較小，偏高年均在積溫突變之后，金川區(qū)積溫突變發(fā)生在1996年，永昌縣發(fā)生在1997年。金昌市≥10 ℃積溫與海拔密切相關(guān)，海拔每升高100 m，≥10 ℃積溫減少187.5 ℃·d、終日提早2.4 d、初日推遲2.4 d、持續(xù)日數(shù)延長5.1 d。

關(guān)鍵詞：趨勢分析；M-K突變檢驗(yàn)；五日滑動平均；均方差判別；≥10 ℃積溫

中圖分類號：P468" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " 文章編號：2097-2172（2025）02-0159-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2025.02.011

Variation Characteristics of ≥10 ℃ Accumulated Temperature and

Its Effect on Crops in Jinchang

LIU Tengjiao， LIU Xiaoying， ZHANG Junpeng， CHEN Wenbo， HUANG Jianwen

（Jinchang Meteorological Bureau， Jinchang Gansu 737100， China）

Abstract： This study explored the impact of the ≥10 ℃ accumulated temperature values on crop growth under the background of climate change in Jinchang City， aiming to arrange crop layouts and plan agricultural production appropriately. Using 30 years of observational data（1991 to 2020） from Jinchuan District and Yongchang County， Jinchang City's， the study analyzed the spatial and temporal variation characteristics of ≥10 ℃ accumulated temperature and the planting area and yields of maize and spring wheat using climate statistical methods such as trend analysis， M-K mutation test， and five-day moving average. Results showed that under the background of cilmate warming， Jinchang's thermal conditions were improved significantly， affecting crops. The planting proportion and yield of warm-loving crops like maize were significantly increased， while the planting proportion of cool-loving crops like spring wheat were decreased. The ≥10 ℃ accumulated temperature and the number of days with accumulated temperature in Jinchang City showed an overall fluctuating increase. However， the increase in the number of days with accumulated temperature in Jinchuan District was mainly caused by an earlier start， while in Yongchang County， it was caused by a later end. The probability of abnormal ≥10 ℃ accumulated temperature in Jinchang City was relatively low， with higher-than-usual years occurring after a temperature mutation. The temperature mutation in Jinchuan District occurred in 1996， and in Yongchang County， it occurred in 1997. The ≥10 ℃ accumulated temperature in Jinchang City was closely related to altitude. For every 100 meters increase in altitude， the ≥10 ℃ accumulated temperature decreased by 187.5 ℃·d， the end day advanced by 2.4 days， the start day was delayed by 2.4 days， and the duration of the accumulated temperature increased by 5.1 days.

Key words： Trend analysis; M-K mutation test; Five-day moving average; Mean square error discrimination; ≥10 ℃ accumulated temperature

氣候變化是全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題，聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會指出，1880 — 2012年全球地表平均溫度大約增加了0.85 ℃，氣候增暖會引起熱量資源的變化，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將造成一定的影響［1 ］。就甘肅省而言，氣候變暖帶來的積溫增加及積溫帶北移東擴(kuò)使得進(jìn)入20世紀(jì)90年代后各地作物種植結(jié)構(gòu)均發(fā)生很大的變化，具體表現(xiàn)在河西地區(qū)玉米和棉花種植比例明顯增加，而小麥種植比例明顯減少，從主要以小麥為主的糧食作物種植結(jié)構(gòu)演化為以玉米和棉花為主的格局［2 - 3 ］?；谄骄鶜鉁睾突顒臃e溫（≥10 ℃）分析農(nóng)作物熱量資源變化，探究氣候變化背景下活動積溫的變化值對農(nóng)作物生長的影響，因地制宜地安排作物布局、合理部署農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常重要［4 - 5 ］。

金昌市別稱鎳都，地處中國西北地區(qū)、甘肅省河西走廊中段、祁連山北麓，地勢南高北低，總面積96萬hm2，主要種植農(nóng)作物為玉米和小麥。通過對金昌市≥10 ℃積溫時空變化特征分析，揭示了氣候變化背景下熱量資源新格局及其對主要農(nóng)作物的影響，將對本地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、農(nóng)作物品種調(diào)整以及農(nóng)業(yè)的定量化評估具有重要意義。

1" "資料來源與方法

1.1" "資料來源

資料來源于甘肅省金昌氣象觀測站、永昌縣觀測站1991 — 2020年的氣象觀測資料，氣候基準(zhǔn)值采用1991 — 2020年的平均值。觀測數(shù)據(jù)均來自地面氣象記錄年報表，相關(guān)天氣日數(shù)的定義和統(tǒng)計(jì)方法參照《地面氣象觀測規(guī)范》［6 ］，農(nóng)作物的統(tǒng)計(jì)來自《永昌縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《金川區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2" "研究方法

1.2.1" " Mann－Kendall突變檢驗(yàn)法" " M-K檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，與參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法相比，該方法不需要樣本遵從一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾，且計(jì)算也相對比較簡單，是目前比較常用的趨勢診斷方法［7 ］。用M-K檢驗(yàn)法對金昌熱量要素突變特征進(jìn)行分析。

1.2.2" " 線性趨勢分析法" " 用一元線性方程描述線性趨勢變化，建立氣候變量與其所對應(yīng)時間的一元線性回歸方程。

xi=a+bti（i=1，2，…，n），

式中，xi為≥10 ℃年積溫，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，a和b可以用最小二乘進(jìn)行估計(jì)。b的符號表示氣候變量x的趨勢傾向，b值的大小反映上升或下降的速率，ti為時間［8 ］。

1.2.3" " 均方差判別法" " 運(yùn)用≥10 ℃積溫多年平均值（x）和均方差（δ）判斷指標(biāo)對xi的異常性進(jìn)行判斷，若xi在（x ±δ）之內(nèi)為正常年；xi在（x±δ）與（x±2δ）之間為偏高或偏低年；xi在（x±2δ）之外為特高或特低年［9 ］。

1.2.4" " 五日滑動平均法" " 采用五日滑動平均法計(jì)算日均氣溫，通過≥10 ℃界限溫度起止日期，并通過初日和終日計(jì)算≥10 ℃積溫和持續(xù)日數(shù)［10 ］，五日滑動平均法具體過程為：在時長為1 a的日平均溫度序列中，選取任意連續(xù)5天日平均溫度大于或等于某一界限溫度最長的一段時期，在第1個5天中，選取第1個日平均溫度大于或等于某一界限溫度的日期，作為穩(wěn)定通過某一界限溫度的初日，在最后1個5天中，選取最后1個日平均溫度大于或等于某一界限溫度的日期，作為穩(wěn)定通過某一界限溫度的終日，初日和終日中間的溫度之和即為穩(wěn)定通過某一界限溫度的積溫［11 - 12 ］。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "金昌市≥10 ℃積溫年際變化特征

2.1.1" " 初日" " 金川區(qū)≥10 ℃積溫初日多年平均在4月9日，最早為3月21日（2013年），最晚為4月24日（2008年）；永昌縣初日平均在4月23日，最早為4月4日（2008年），最晚為5月12日（2014年）。兩地的初日總體呈提前的趨勢，但金川初日呈顯著提前趨勢，變化速率為4.3 d/10 a，永昌縣僅為0.3 d/10 a（圖1 a）。

2.1.2" " 終日" " 金川區(qū)≥10 ℃積溫終日多年平均在10月8日，最早為9月16日（2011年），最晚為10月22日（2009、2010年）；永昌縣終日平均在9月25日，最早為9月13日（2002、2018年），最遲10月21日（2008年）。金川區(qū)≥10 ℃積溫終日變化幅度不大，呈微弱延后的趨勢，變化速率為0.9 d/10 a，近30 a提早2.7 d；永昌縣≥10 ℃積溫終日變化速率為3.3 d/10 a，近30 a延后9.9 d，呈顯著延后的趨勢（圖1 b）。

2.1.3" " 持續(xù)日數(shù)" " 金川區(qū)≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)平均為176 d，最少為157 d（2011年），最多為193 d（2009年），相差36 d；永昌縣平均147 d，最少為120 d（2002年），最多為164 d（2009年）。金川區(qū)、永昌縣≥10 ℃的持續(xù)日數(shù)均表現(xiàn)出增加趨勢，變化速率分別為0.37、0.44 d/10 a （圖1 c）。

2.1.4" " ≥10 ℃積溫" " 金川區(qū)≥10 ℃積溫平均為" "3 483.7 ℃·d，最小值為3 217.0 ℃·d（1995年），最大值為3 768.5 ℃·d（2013年），兩者相差493.6 ℃·d；永昌縣≥10 ℃積溫平均為2 386.4 ℃·d，最小值為2 132.2 ℃·d（2002年），最大值為2 632.1 ℃·d（2016年），兩者相差499.9 ℃·d；金昌市≥10 ℃積溫總體呈波動上升的趨勢，金川區(qū)增加速率為42.2 ℃·d/10 a，近30 a增加1 266 ℃·d，永昌縣增加速率為116.7 ℃·d/10 a，近30 a增加3 501 ℃·d（圖1 d）。

2.2" "金昌市≥10 ℃積溫年代際變化特征

2.2.1" " 初日" " 20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代金川區(qū)和永昌縣的變化并不明顯；21世紀(jì)00年代至10年代金川區(qū)平均提前了10 d，永昌縣略有延遲（圖2 a）。

2.2.2" " 終日" " 20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代金川區(qū)基本無變化，永昌縣延后6 d；21世紀(jì)00年代至10年代金川區(qū)、永昌縣均無變化（圖2 b）。

2.2.3" " 持續(xù)日數(shù)" " 各年代金昌市均表現(xiàn)出增加的趨勢，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代變化更為明顯，21世紀(jì)00年代至10年代進(jìn)入平穩(wěn)期（圖2 c）。

2.2.4" " ≥10 ℃積溫" " 從圖2 d可知，金川區(qū)20世紀(jì)90年代≥10 ℃積溫平均值為3 439.5 ℃·d；21世紀(jì)00年代≥10 ℃平均積溫為3 507.4 ℃·d，較20世紀(jì)90年代上升了67.9 ℃·d；21世紀(jì)10年代≥10 ℃平均積溫為3 504.4 ℃·d，較21世紀(jì)00年代持平，較20世紀(jì)90年代增加64.9 ℃·d。永昌縣20世紀(jì)90年代≥10 ℃平均積溫為2 266.0 ℃·d，21世紀(jì)00年代≥10 ℃平均積溫為2 413.4 ℃·d，較20世紀(jì)90年代上升了147.4 ℃·d；21世紀(jì)10年代≥10 ℃平均積溫為2 479.7 ℃·d，較21世紀(jì)00年代上升66.3 ℃·d，較20世紀(jì)90年代增加213.7 ℃·d，增幅明顯。

2.3" "金昌市≥10 ℃積溫突變分析

2.3.1" " 金川區(qū)≥10℃積溫突變分析" " 從≥10 ℃積溫累積距平曲線（圖3 a）可以看出，金川區(qū)累積距平近30 a呈波動上升的趨勢，1991 — 1996年積溫累積距平均為負(fù)距平，且呈下降的趨勢，1996年以后以正距平為主，且呈上升的趨勢，表明1996年為≥10 ℃積溫的主要轉(zhuǎn)折年。對近30 a積溫進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)（圖3 b），正序列特征曲線（UF）與反序列特征曲線（UB）在1996年相交于信度之間，通過0.05顯著性檢驗(yàn)，與累積距平變化轉(zhuǎn)折年份一致?！?0 ℃積溫突變后（1997 — 2020年）較突變前（1991 — 1996年）增加215.9 ℃·d。從≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)累積距平變化曲線（圖4 a）可以看出，金川區(qū)1991 — 1996年持續(xù)日數(shù)以負(fù)距平為主，呈下降趨勢，1996年之后累積距平總體呈上升趨勢，且以正距平為主，表明1996年為≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)的轉(zhuǎn)折年。突變后（1997 — 2020年）較突變前（1991 — 1996年）增加10.9 d。

2.3.2" " 永昌縣≥10 ℃積溫突變分析" " 運(yùn)用同樣的方法對永昌縣≥10 ℃積溫進(jìn)行M-K突變分析結(jié)果可知，永昌縣≥10 ℃積溫突變出現(xiàn)在1997年，突變后（1998 — 2020年）較突變前（1991 — 1997年）增加225.6 ℃·d；積溫持續(xù)日數(shù)突變后較突變前增加8.3 d。

2.4" "金昌市≥10 ℃積溫異常分析

對金川區(qū)、永昌縣近30 a≥10 ℃積溫進(jìn)行均方差判別，并統(tǒng)計(jì)積溫異常年結(jié)果（表1）表明，金川區(qū)≥10 ℃積溫正常年為18 a，概率為60.0%；偏低年5 a，概率為16.7%；偏高年7 a，概率為23.3%。對永昌縣近30 a≥10 ℃積溫進(jìn)行均方差判別，并統(tǒng)計(jì)積溫異常年，結(jié)果表明，≥10 ℃積溫正常年為22 a，概率為73.3%；偏低年2 a，概率為0.7%；偏高年5 a，概率為16.7%；特少年僅有1 a（2002年）。積溫異常年并沒有明顯的年際及年代際的變化特征，偏高年均發(fā)生在積溫突變之后。

2.5" "積溫與海拔的關(guān)系

由表2可看出，積溫、持續(xù)日數(shù)隨海拔的升高遞減，初日隨海拔的升高推遲，終日則相反，隨海拔升高提早。金昌市海拔每升高100 m，≥10 ℃積溫減少187.6 ℃·d；終日提早2.4 d；初日推遲2.4 d；持續(xù)日數(shù)延長5.1 d。殷雪蓮等［13 ］的研究表明，≥10 ℃積溫與海拔密切相關(guān)。

3" "積溫變化對主要作物的影響

3.1" "積溫變化對主要作物種植面積的影響

氣候變暖使作物種植格局發(fā)生較大演變［14 ］，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1990 — 2005年金昌市的主要種植作物結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，金川由小麥變?yōu)樾←湣⒂衩?；永昌由小麥變成了小麥、油菜?2 ］。金昌市種植的主要農(nóng)作物為春小麥和玉米，且80%的作物在永昌縣種植。用春小麥、玉米作為喜涼作物、喜溫作物的代表進(jìn)行分析，1991 — 2020年金昌市玉米的種植面積呈顯著性增加趨勢，金川區(qū)、永昌縣的增加速率分別為0.36萬、0.62萬hm2/10 a，但金川區(qū)春小麥種植面積略有減少。永昌縣主要農(nóng)作物的種植面積均呈增加的趨勢，玉米種植比例顯著增大（圖5）。說明在氣候變暖背景下，農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了調(diào)整，喜溫的玉米種植比例迅速擴(kuò)大。

3.2" "積溫變化對主要農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

從圖6可知，主要農(nóng)作物的產(chǎn)量均呈增加趨勢，玉米增產(chǎn)更為明顯，永昌縣速率為4.95 t/10 a，金川區(qū)為2.93 t/10 a；金川區(qū)小麥的產(chǎn)量基本穩(wěn)定。說明了氣候變暖，積溫的增加會對農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，對發(fā)展喜溫的高產(chǎn)作物非常有利，這與曹玲等［15 ］的研究結(jié)果一致。金昌市3月氣溫近10 a異常偏高，春季氣溫回升較快（金昌市氣象局提供），使得玉米適播期提前，因此，應(yīng)適時早播，金川區(qū)的積溫初日顯著提前，永昌終日延后，金川區(qū)的玉米應(yīng)考慮更早播種，永昌縣可根據(jù)長短期氣候預(yù)測，適當(dāng)提早播種，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。近30 a金昌市春小麥的播種面積和產(chǎn)量的增加速率均不明顯，應(yīng)適當(dāng)減少種植比例，或者先在金川區(qū)嘗試種植冬小麥。

4" "討論與結(jié)論

受全球氣候變化影響，近年來極端天氣比常年更頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大的威脅和損" " 失［4， 16 - 17 ］。通常以日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)作為劃分氣候帶的主要指標(biāo)，反映某區(qū)喜溫作物氣候生長期的長短，是決定喜溫作物生長和分布的重要指標(biāo)之一。甘肅省從南到北分為北亞熱帶和溫帶，溫帶再細(xì)分為暖溫帶和中溫帶。在氣候變暖背景下，氣候帶的分布呈現(xiàn)出整體向高海拔擴(kuò)張和高緯度北移的趨勢［3 ］。按照中國氣候區(qū)劃新方案對不同氣候帶的劃分指標(biāo)，結(jié)合≥10 ℃積溫研究發(fā)現(xiàn)金川區(qū)屬于暖溫帶干旱區(qū)，永昌屬于中溫帶半干旱區(qū)［18 ］，若是氣候持續(xù)增暖，金昌市的暖溫帶地區(qū)將擴(kuò)大。張強(qiáng)等［19 ］研究表明，氣候變暖對越冬作物的冬前生長發(fā)育及喜溫作物和喜熱作物的全生育期生長發(fā)育均比較有利。根據(jù)我國氣象專家預(yù)測，21世紀(jì)我國氣候?qū)⒚黠@繼續(xù)變暖［20 - 22 ］，氣候變暖將使農(nóng)作物生長活動10 ℃以上的積溫增加，對發(fā)展喜溫的高產(chǎn)作物非常有利。因此，可以進(jìn)一步擴(kuò)大玉米種植面積和種植比例，提高糧食總產(chǎn)水平。雖然未來氣候?qū)⒊食掷m(xù)變暖趨勢，但仍會有相對低溫年份。由于玉米對熱量資源的要求較高［23 ］，應(yīng)在低溫年型降低玉米種植比例，增暖年型在原有基礎(chǔ)上加大種植面積。

氣候變暖使得金昌市熱量資源改善，對農(nóng)作物產(chǎn)生了一定影響，主要影響了玉米種植比例和產(chǎn)量。永昌縣農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量均增加，金川區(qū)小麥的種植比例和產(chǎn)量增幅很小，說明永昌縣的氣候?qū)r(nóng)作物的種植更為適宜。從提升經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化作物種植的角度考慮，金昌應(yīng)減少春小麥的種植面積，加大玉米的種植面積，或者嘗試冬小麥的種植；應(yīng)適時提早播種，以提高玉米產(chǎn)量。氣候變暖雖是不爭的事實(shí)，但還是會出現(xiàn)相對低溫時段，應(yīng)根據(jù)不同的氣候年適當(dāng)調(diào)整玉米的種植結(jié)構(gòu)和種植比例。

金昌市1991 — 2020年≥10 ℃積溫總體呈波動上升的趨勢，永昌縣的增加速率是金川區(qū)的2.8倍；≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)呈增加的態(tài)勢，但金川區(qū)≥10 ℃積溫持續(xù)日數(shù)的增加主要由初日提前引起，永昌縣則由終日延后造成。金川區(qū)≥10 ℃積溫平均為3 483.7 ℃·d，永昌縣為2 386.4 ℃·d。≥10 ℃積溫突變金川發(fā)生在1996年，永昌發(fā)生在1997年，表現(xiàn)出局地特征。金川區(qū)和永昌縣≥10 ℃積溫年代際變化并不完全一致，20世紀(jì)90年代均表現(xiàn)出顯著增加的趨勢，21世紀(jì)10年代下降，21世紀(jì)00年代金川區(qū)增加緩慢，永昌仍顯著增加。金川區(qū)積溫增加20世紀(jì)90年代貢獻(xiàn)最大，永昌縣20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代均有顯著貢獻(xiàn)。金川區(qū)與永昌縣10 ℃積溫正常年最多，概率為60%以上，偏低年和偏高年概率小，金川區(qū)近30 a并無特高和特低年，永昌縣2002年為特低年，偏高年均發(fā)生在積溫突變之后?！?0 ℃積溫與海拔密切相關(guān)。積溫大小、持續(xù)日數(shù)隨海拔的升高遞減，初日隨海拔的升高推遲，終日則相反，隨海拔升高提早。金昌市≥10 ℃積溫隨海拔每升高100 m，≥10 ℃積溫減少187.5 ℃·d；終日提早2.4 d；初日推遲2.4 d；持續(xù)日數(shù)延長5.1 d。隨著氣候持續(xù)變暖，金昌市的氣候區(qū)可能會發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為暖溫帶區(qū)域擴(kuò)大。

本文根據(jù)近30 a積溫變化及農(nóng)作物種植面積、產(chǎn)量，對規(guī)劃不同地域種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整玉米種植比例給出了針對性建議，但針對不同區(qū)域定量的種植規(guī)劃還需做進(jìn)一步的研究。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動受多方因素的影響，氣候變化只是影響因素之一，此外還與農(nóng)業(yè)技術(shù)、勞動力、市場和政策等密切相關(guān)。以現(xiàn)有的收集資料，無法單純研究氣候要素變化對農(nóng)業(yè)的影響，只能初步分析氣候變化對金昌農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，并不能科學(xué)分析其對農(nóng)業(yè)實(shí)際產(chǎn)量的客觀影響規(guī)律。

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