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标题

黑龙港典型县域农业气候资源变化特征分析

范文

李晓爽曹彩云郑春莲李海山党红凯

摘? ? 要：本研究利用黑龙港流域典型县域（南皮县）1967—2015年逐日气温、降水、日照等气象资料，应用有序聚类分析与气候倾向率数理统计方法，分析农业气候资源变化特征，旨为探寻农业气候资源变迁规律及区域农业可持续发展提供研究依据。分析表明，南皮县年均气温有升高趋势，每10年平均升高0.263 ℃，以冬季增温最为显著，每10年平均升高0.531 ℃;稳定通过0 ℃与10 ℃的活动积温呈上升趋势，每10年分别平均增加62.82 ℃和49.75 ℃。年均降雨量有减少趋势，不同季节增减不同，春季降雨量略有增加，其他季节不同程度减少。结合当地粮食生产布局，冬季积温增加对小麦种植和生长有一定影响，夏秋季降雨减少增加了玉米产量不稳定性。

关键词：黑龙港流域; 气温; 降水; 日照; 农业

中图分类号： S162.3? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.01.018

Analysis on Change Characteristics of Agricultural Climate Resources in Typical County of Heilonggang Basin

LI Xiaoshuang1，2，CAO Caiyun2，ZHENG Chunlian2，LI Haishan2，DANG Hongkai2

（1. Farmland Irrigation Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang， Henan 453000， China;2. Dryland Farming Institute， Hebei Acadamy of Agricultural and Forestry Sciences，Hengshui， Hebei 053000， China）

Abstract： In order to explore the historical change law of climate resources in Nanpi county and provide scientific basis for agricultural production， data of daily temperature， precipitation and sunshine in Nanpi county from 1967 to 2015 were analyzed. The results showed that the annual average temperature of Nanpi increased by 0.263 ℃ per 10 years， with the most significant increase of 0.531 ℃ per 10a in winter. The active accumulated temperature through 0 ℃ and 10℃ presents significant upward trend， increasing by 62.82 ℃ and 49.75 ℃ for every 10 years on average， respectively. The annual precipitation showed a decreasing trend， specifically， the precipitation increased in spring and decreased in summer， autumn and winter. Sunshine hours decreased significantly. The abrupt changes in temperature occurred in 1982 and 1998. The average temperature increased by 0.615 ℃ after the abrupt change. Precipitation abrupt change is not obvious. The sudden change in sunshine hours occurred in 1985， and sunshine time reduced an average of 89.93 h after the mutation. Increase of winter accumulated temperature had a certain effect on wheat planting and growth， and decrease of summer and autumn precipitation increased the uncertainty of corn production.

Key words： Heilonggang Basin; temperature;precipitation; sunshine duration;agriculture

受气候变化影响，全球变暖已成为大势所趋，为当今全世界共同关注的热点问题[1]。不同区域、不同季节气温升高程度不同，对农业生产造成影响也不同。我国冬季气温升高幅度较大，特别是在西北、华北、东北变化尤为明显[2]，高于全球气温的平均升幅[3-4]。温度的升高为降水、日照、风速等与农业息息相关的生态系统增加了不稳定因素。这些变化导致我国种植业总体上减产5%～10%，迫使有关部门在农业生产布局和作物种植结构等方面做出调整[2]，以满足基于资源承载力下的绿色可持续生产需求。研究表明，随着积温增加，华北地区适宜作物生长的时间延长，为玉米适期晚收小麦适期晚播等丰产技术实施提供了积温基础。然而冬季温度的升高，也增加了病虫草害发生几率[5]。另外，在秋冬季气候干旱频率增加[6]，为农业生产带来更多不稳定因素。关于气候变化对区域农业影响，已有大量报道。但是用气候倾向率、有序聚类分析等数理统计方法，挖掘影响农业生产的关键突变指标比较少。本研究通过分析黑龙港区典型县域（南皮县）近50年的逐日气温、降水、日照等资料，探寻该区域农业气候资源的变化规律，旨在为本区域农业种植结构调整及相关配套技术研发提供研究依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

南皮县位于黑龙港流域东南部，南运河畔，海拔11.85 m，属于暖温带半湿润大陆季风气候区，具有黑龙港区典型生产特征。该地区春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月到次年2月）四季分明。受季风气候影响，冬季寒冷少雪，春季干燥多风，夏季雨热同季，秋季干旱日照充足。

1.2 数据来源

本研究利用当地气象观测站观测的1967—2015年逐日气温、降雨、日照等资料，进行统计分析。

1.3 分析方法

1.3.1 气候倾向率[7]? 气象要素的长期趋势用一元线性函数表示，表达式为：

y=ax+b（1）

式中：y——气象要素的趋势变化

x——年序列号（x=1967，1968，1969，…，2015年）

a——线性倾向值（a>0表示y随时间呈上升趋势;a<0表示呈下降趋势。）

b——常数项

气候倾向率=a×10（2）

1.3.2 有序聚类分析法[8] 计算公式为：

Sn（t）=Vt+Vn-t （3）

Vt=Σ（Xi-Xt）? （4）

Vn-t=Σ（Xi-Xn-t）（5）

式中： Xi——氣象要素序列

Xt——突变点t前的要素序列均值

Xn-t——突变点t后的要素序列均值

Sn（t）——总离差和，求最优分割t使Sn（t）最小

1.3.3 滑动平均法确定界限温度初终日期为消除日平均气温逐日变化的不稳定波动，本研究采用5日滑动平均法来确定某一年份稳定通过某界限温度的初终日期，以保障温度变化的平稳性。具体方法参照孙宏勇等[4]计算方法。

2 结果与分析

2.1 气温与积温特征

2.1.1 气温变化特征南皮县1967—2015年年平均气温为12.89 ℃，最高为14.32 ℃（2014年），最低为11.31 ℃（1969年）。近50 年年平均气温有明显的上升趋势（图1），平均每10年升高0.263 ℃，序列相关达极显著水平（P<0.01）。其中以1997—2006年升温最快，比上一个10年升高了0.658 ℃。

四季平均气温存在不同程度升温特征，春季（y=0.019x-23.969）气候倾向率0.19 ℃/10年（相关系数为0.081 5）;夏季（y=0.014 2x-2.289 3）气候倾向率为0.142 ℃/10年（相关系数为0.091）;秋季（y=0.029 2x-44.709）气候倾向率为0.292 ℃·（10年）-1（相关系数为0.261 5）;冬季（y=0.053 1x-107.49）气候倾向率0.531 ℃·（10年）-1（相关系数为0.328 4）。冬季增温最明显，其次是秋季、夏季和春季，冬、秋季升温趋势通过显著性检验（P<0.01）;春、夏季气温变化趋势相对较稳定。

有序聚类分析表明，南皮县近50年年平均气温存在2个突变点，分别在1982和1998年。从20世纪70年代气温较低，在1982年达到一个顶点，在1983—1997年的不断升高，经过1998年的突变，经历了1999—2006年气温变化相对平稳的过程，于2006年后又迅速上升，2007年到达顶点，2008—2010年气温又有所回落。直至2014年突然升高，变化幅度较大。在1969—1974年间，平均气温12.177? 9 ℃， 1975年后温度平均升高0.307 ℃。直到1982年突变，温度平均升高0.21 ℃。历经相对平稳的1983—1997年，在1998年平均温度又一次升高达13.819 ℃，突变后气温增加0.713 ℃。

2.1.2 稳定通过0 ℃与10 ℃积温由图2（a）可见，南皮县域气温稳定通过0 ℃的平均活动积温为4 962.31 ℃，随时间推移增加趋势明显，序列相关通过显著性检验（P<0.01）。近50年（1967—2015年），气温稳定通过0 ℃的活动积温平均每10年增加62.82 ℃。20世纪末至21世纪积温增加较显著。有序聚类分析结果表明，南皮县域近50年年稳定通过0 ℃积温突变点在1998年。突变之前1996年属于低谷，1997年开始迅速攀升，到1998年达到顶点，相差474.2 ℃，平均值为5 021.8 ℃;突变之后（1999—2013年）快速下降，从2000年开始呈稳定趋势，变化幅度小，平均值为5 083.81 ℃;突变后稳定通过0 ℃积温平均增加26.01℃。日平均气温稳定通过0 ℃的初日平均为2月16日，终日平均为12月9日，初终间日数平均为296 d;初日平均每10 年提前1.192 d，终日平均每10年推迟1.056 d，初终间日数每10年延长1.247 d。

由图2（b）可见，南皮县域气温稳定通过10 ℃的平均活动积温4 591.51 ℃，其变化趋势与稳定通过0 ℃的平均活动积温相同，序列相关通过显著性检验（P<0.01）。近50 a（1967—2015年），气温稳定通过10 ℃的活动积温平均每10 年增加49.75 ℃。稳定通过10 ℃积温突变点在1982年和1998年，突变之前（1996—1998年）呈迅速上升趋势，平均值为4 475.55 ℃;突变之后（1999—2013年）呈稳定趋势，平均值为4 690.93 ℃;突变后稳定通过10 ℃积温平均增加215.38 ℃。日平均气温稳定通过10 ℃的初日平均为3月26日，终日平均为10月20日，初终间日数平均为207 d;初日平均每10年提前1.003 d，终日平均每10年推迟1.639 d，初终间日数每10年延长2.386 d。

日平均气温稳定通过0，10 ℃活动积温的增加及初终间日数的延长，有利于农作物生长，为干物质积累、产量形成提供充足的热量资源。

2.2 降雨资源特征

降雨是水分资源的重要组成部分，在相同的光照、热量条件下，降水量的大小对作物的生长发育及产量的形成起致关重要。由图3可见，本区域降水集中在6—9月，年内各月降水差异较大，7月最多，1月最少，且降水量年变化呈正态分布。季节间比较，春季（3—5月）平均降水量为37.48 mm，占年降水量的12.14%，平均每10a增加7.78 mm。夏季（6—8月）平均降水量为390.00 mm，占年降水量的70.16%，平均每10年减少4.12 mm。秋季（9—11月）平均降水量为83.92 mm，占年降水量的15.10%，平均每10年減少6.81 mm。冬季（12月至第2年2月）平均降水量为14.46 mm，占年降水量的2.6%，平均每10年减少1.11 mm。春季降水量增加对春播十分有利。夏秋季降水量减少在丰水年对农业影响较小;在枯水年易发生干旱，对农业影响较大。

南皮县近50年6月—9月降雨比较，以2009年最高（834.5 mm），以1968年最小（125.7 mm），极差为708.8 mm，极比达到6.64。50年降水量，以2009年最多（978.6 mm），以1968年最少（262.8 mm），极差为715.8 mm，极比为3.72。年平均降水量为555.86 mm。

2.3 光照资源特征

2.3.1 月-季日照特征由图4 可见，南皮县周年日照时数出现2个峰值，第1个峰值在5 月，第2个峰值在9月末。日照时数最多时段在4月—6月，为1 031.85 h，占全年38.98%;11—12月为全年最少（352.76 h），仅占全年13.32%。各月日照时数减少趋势明显，5，6，7月平均每10年减少13.48 h;8月和9月减少10.14 h;1，2，3，4，10，11，12月减少7.12 h。

春季日照时数平均为763.1 h，占全年日照时数的28.85%，以1968年最高（871.7 h），2003年最少（619.6 h）。春季（y=-0.201 6x+1 164.6）日照时数逐渐减少，序列相关达到显著水平（P<0.01），平均每10a减少21.5 h。夏季平均为723.31 h，占全年27.34%，1968年最高（965.0 h），2005年最低（446.2 h）。夏季（y=-1.941 7x+4 589.2）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P<0.01），平均每10 年减少39.5 h。秋季平均为624.62 h，占全年23.61%，1988年最高（708.6 h），2015年最低（392.7 h）。秋季（y=-2.310 2x +5 224.2），日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P<0.01），平均每10 a减少15.2 h。冬季平均为534.37 h，占全年20.2%，1967年最高（690.7 h），2006年最低（423.8 h）。冬季（y=-0.531 3x+1 592.2）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P<0.01），平均每10年减少17.8 h。

2.3.2 年日照特征南皮县1967—2015年日照时数年平均为2 696.6 h，1968年最多（3 075.5 h），2003年最少（2 202.9 h），极差为872.6 h，极比为1.40。南皮县近50年日照时数呈明显的下降趋势（图5），序列相关达到显著水平（P<0.01），平均每10年减少37.99 h。近20年（1996—2015年），平均每10年减少81.41 h;前20年（1967—1986年）基本保持一致水平。20世纪70年代和21世纪初日照时数减少最明显。

有序聚类分析结果表明，南皮县近50年日照时数突变点在1985年。从20世纪60和70年代较高日照时数，经过1985年的突变之后，日照时数迅速减少。1967—1984年突变之前的日照时数平均值为2 704.31 h，平均每10年减少59.53 h。1985—2015年突变后的平均值为2 614.38 h，平均每10年减少80.63 h。突变前后日照时数平均减少89.93 h。

3 讨论

本研究结果表明，以南皮县为代表的黑龙港流域年积温量呈增加趋势，增加量小于沈阳地区[9]。本地区日照时数减小幅度小于山东省临沂市[10]和辽宁瓦房店地区[11]。同一区域不同时期比较，平均温度与积温增加或减少趋势差异明显[12]。10年平均数据比较，南皮县冬季和春季温度的增加较为明显，夏季气温相对稳定。冬季热量的增加有利于小麦越冬，同时也有助长病虫害越冬和杂草滋生，增加次年病虫草害爆发机率，对小麦种植和生长有一定影响[5，13]。

南皮县多年平均降雨量555.86 mm，周年降雨较少且分布不均，降水主要集中在6月—8月，与冬小麦种植不匹配，增加冬小麦播种前造墒和拔节期对外援水的需求。春季降水的增加，对小麦生长有利，但极端天气频发，增加了本地区节水栽培技术推广难度。雨热同季有利于夏玉米生产，特别是大量降水对本地区盐碱农田根层盐分起到淋洗作用，更利于玉米单产的提高。基于以上生产实际情况，通过扩大夏玉米种植面积来稳定本地区周年的粮食总产量[12]，具有重要意义。从统计数据发现，夏秋季降水量减少，与本区域近年来秋季极端干旱等气象灾害频发相符，增加了夏玉米产量形成的不稳定因素。

南皮县年周年日照时数减少，造成总辐射量下降，不利于增产潜力发掘。这些变化特征与工农业生产引起的温室气体和硫化物等气溶胶排放增加有关[2]。目前来看，光能资源的总量基本能满足该地区小麦玉米一年两熟对热量的需求，但光照与其他气象因子对作物的协同效应仍需做进一步研究。

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收稿日期：2019-06-06

基金项目：国家重点研发计划（2017YFD03009002）;河北省重点研发计划项目（18397005D）;河北省气象重点实验室开放基金（Z201601H）;河北省小麦产业体系;河北省农科院创新工程项目

作者简介：李晓爽（1980—），女，河北巨鹿人，博士，主要从事作物节水栽培方面研究。

通讯作者简介：党红凯（1979—），男，河北巨鹿人，副研究员，博士，主要从事作物高产生理生态方面研究。

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