近49年来万荣县气候变化及对农业生产的影响

2013-11-21王芳芳冯旭芳

太原师范学院学报(自然科学版) 2013年1期

王芳芳冯旭芳

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，长春130024；2.太原师范学院城市与旅游学院，山西太原030012）

全球气候变暖趋势日益明显.2007年第4次IPCC气候变化评价报告指出，过去50a变暖趋势是平均10年升高0.13℃（0.10℃～0.16℃）.2001年－2005年与1850年－1899年相比，总温度升高了0.76℃（0.57℃～0.95℃）[1].针对气候变化对农业生产关系的分析，从文献查阅情况来看，已经有很多学者对此展开研究.研究方法多集中于气候趋势系数[2]、气候倾向率[2－4，6]，R－S法[5]、小波分析[5－7]、变异系数[8]、距平法[8－10]、Mann－Kendall法[11－13]等.通过这些方法研究气候变化对农业生产的相关因子及变化趋势.为此，本文以万荣县为研究对象，着重分析县域范围内气温及降水量的变化对农业生产的影响.

万荣县位于运城市西北，黄河西岸，处于暖温带大陆性季风气候带上，气候温和.境内地势东高西低，东部为台状黄土高原，西部为黄土谷地，所以全县整体地势较高，水源短缺.主要农作物有小麦、棉花、玉米等.

1 资料来源

资料来源于地面气象观测站1957年－2005年万荣县气温及降水量数据记录.

2 研究方法

全年将四季划分为:春季（3～5月），夏季（6～8月），秋季（9～11月），冬季（12月～翌年2月）.

采用Mann－Kendall法、距平法对气温及降水量数据的变化进行分析.

Mann－Kendall法是一种非参数统计检验方法，也称为无分布检验.由于最初由Mann和Kendall提出了原理并发展了这一方法，故称为Mann－Kendall法[14].近年来这种方法也被研究者用于检验时间序列的突变点、异常值等[13].

Mann－Kendall法的计算步骤如下:

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列:

其中

即秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数.

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量:

其中UF1＝0，E（sk）和var（sk）是累计数sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互独立，且有相同连续分布时，它们可由下式算出:

UFi为标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，若｜UFi｜〉Uα，则表明序列存在明显的趋势变化.

按时间序列x逆序xn，xn－1，…，x1，再重复上述过程，同时使UBk＝－UF，k＝n，n－1，…，1，UB＝0.

这种方法可以指出突变区域及突变时间，是一种常用的突变检测方法.

3 结果分析

3.1 气温变化分析

3.1.1 气温的季节变化

随着全球变暖趋势的加剧，气温呈现出较为剧烈的振荡变化.从图1至图4和表1的数据表时:春季温度距平出现3处较高的正距平:2005年，15.2℃；2004年，15.1℃；2000年，14.9℃.1978年也曾出现过一次负距平绝对值较高值:14.1℃.49a间呈现负距平的年份占据多数，居于20世纪70年代到90年代之间，随后温度以正距平为主，即整体温度要高于平均温度，这样的变化表征了温度逐年增加的现象.夏季温度以正距平年份为多数，且大部分变化持平，增温率仅表现为0.308℃／（10a），为四季增温速度的最低值.正距平最高值是1997年的23.28℃；而负距平只是在少数几年间出现了一些绝对值的较大值，大部分年间变动微小，最低值出现在1983年的－19.05℃.两个极端的距平值说明了在这期间温度的变化在年际之间不稳定，但是都出现在20世纪末期，这段时间的距平变化情形是其他三个季节中所没有出现的.夏季温度本身较其他季节高，在全球气候变暖的大环境下，夏季温度变化规律也与之吻合，通过距平的变化即可说明，多年来夏季最高温只达到27.1℃，也就是正距平最高的年份:1983年.纵观四季的距平变化，可以看出秋季温度距平值变化较大值集中表现在几个主要年份，其余分布较为均匀，但无论正距平抑或负距平差值都很明显，且整体高于夏季的距平值.而在49a间，秋季的负距平绝对值较高的集中分布程度也成规律性:接近于每隔几年会出现一个最高值，然后就是相对较低值，正距平也近似有这种特点.这说明温度的表现在几年间呈现波动性变化，在20世纪的所有年代中几乎都有这样的变化情形.局部温差的出现恰恰说明了多年来秋季温度的高温和低温现象分布的状况，这为从温度变化角度解释农作物种植及产量状况提供了很好的参考价值.从5a滑动平均变化来看，冬季的变化最为显著.可以看出，冬季温度距平值则呈“之”字型变化，变化幅度较大.在20世纪80年代初出现了拐点，此时距平值接近于零，而之前多以负距平为主，仅在20世纪50年代末和60年代初出现过连续几年的正距平值，说明当时温度较高，随后多以低温为主.20世纪80年代以后，继续以正距平占多数位置，且逐年增高，暖冬的出现较为频繁.增温率也为四季之首，达到了3.663℃／（10a）.这从整体上可以说明温度变化的年际性，特别是20世纪末及21世纪初的几年间，温度增加较为均衡.

图1 1957年－2005年万荣县四季气温距平图

3.1.2 气温年际变化

图2 1957年－2005年气温距平图

图3 1957年－2005年年均温趋势变化

表1 1957年－2005年万荣县气温10年平均值 ℃

图4 1957年－2005年万荣县气温M－K检验计算图

气温差值较大的年份集中表现在20世纪70、80年代，21世纪后保持增长趋势不变（图2）.年均温也呈现1.555℃／（10a）的气温增长率（图3），表现较为显著.常年年均温变化中，春季和冬季增温值分别达到了1.3℃和1.2℃，与IPCC报告中提到的变化值接近.说明在全球气温变暖的大气候影响下，局部地区的温度也在小范围内增长.冬季温度的变化与袁素芬的研究结果较为一致.从图4中可以看出，高于检验值（显著性水平临界值α0.05＝±1.96）的时间段集中在20世纪50年代末到60年代初、20世纪70年代末开始至20世纪90年代末，后者在较长时间里气温突变更加显著，即出现了2个突变点，突变点之间有间断性的缓和，如在20世纪80年代出现了温度的下降趋势，这与图3多年变化值的研究结果相符.在拐点之间，小于水平临界值的部分，差值也很小，说明气温下降的趋势不明显，49a间整体呈现出增长趋势.在第2个突变点后亦即21世纪初气温突变不明显，没有超出临界值，但是可以看到，气温的走向仍然保持上升趋势，温度仍保持在较高的水平.

温度适当的增加可以促进作物生长期提前，可以提高复种指数，增加作物产量，进而带来一定的经济效益.但是，大面积的温度变化可以抑制大部分作物的生长.特别是万荣县以干旱著称，干旱是制约粮食生产的主要因素[15].气候变暖会通过改变生产条件带来农业生产力的变化.如过度干旱会引发病虫害，破坏作物正常生长.根据蔡运龙、Barry Smit的研究，中纬度地区的农作物在全球变暖的作用下将减产[16].运城市处于北纬34°35′～34°49′，万荣县农作物生长就会面临减产的危险.所以应该在农业生产实际中积极结合农业科学技术，提高复种指数，保障产量.

3.2 降水量变化

3.2.1 降水量的季节分布

从图5可以看出春季距平降水量最大值在1982年的372.22mm，最小值出现在2001年的－267.44 mm.降水量在20世纪末到21世纪初的几年间减少较快.49a间从距平波动曲线的变化规律看出中间出现了几个大的变化，在20世纪50～60年代之间、80～90年代也出现了降水量的异常变化.距平值的较高值和较低值交替出现.夏季的最高值及最低值分别为1958年的1 217.74mm及1997年的－817.93mm，中间呈现出规则的变化，距平曲线的走向具有平稳的周期性.秋季出现了2003年的624.70mm，这与万荣县的气候特点相吻合.境内地势高低走向及雨水的枯竭，距平值变化幅度较小常年雨量持平，说明夏季万荣县的降水量常年趋于稳定，处于丰水期.冬季的变化幅度较大，而且较高值多于较低值，且较高值和较低值的绝对值都较大，说明冬季各个月之间降水量表现出较大的差异，但由于降水量值域较小，所以冬季处于枯水期.

图5 1957年－2005年万荣县四季降水量距平图

3.2.2 降水量的年际变化

表2 万荣县1957年－2005年降水量相邻10年平均值变化比较 mm

降水量分布在各个年代、季节之间表现出明显差异.如表2所示，每10a为一个阶段，对降水量四季分布及年均降水量计算，看到春、夏、秋3个季节降水量较冬季更为均匀，且呈现夏季＞秋季＞春季＞冬季的特征，这与上段从距平图中观测的结果保持一致.49a的平均降水量在四季的比较中居于夏季和秋季之间，较接近于秋季的水平.20世纪90年代到21世纪初的春季和夏季降水量明显低于其他年代，秋季和冬季的最低值分别出现在20世纪末和20世纪70年代末至80年代初.但各个季节之间降水量整体波动不大，年均降水量更是趋于稳定.

3.2.3降水量的多年特征分析

多年降水量通过上述年际间的年均降水量的比较可知:降水量在多年间尚未出现较大的波动，气候变化率也不显著（图6）.但是通过距平值（图7）观察，还是可以看出在20世纪60年代初至20世纪70年代末、90年代出现了较小的变动，特别是90年代末更为显著，说明降水量曾出现过持平的状况，但纵观49a的变化，正距平最高值在20世纪末至21世纪初出现较少而在20世纪50、60年代出现较多，20世纪末至21世纪初出现了绝对值较大的负距平值，这说明降水量有减少的倾向.

图6 1957年－2005年万荣县年均降水量变化图

图7 1957年－2005年万荣县年均降水量距平图

春季降水量的减少会造成干旱气候，干旱在一定程度上会缩短棉花的生长期，降低产量.根据数据资料，1957年－2005年棉花的产量骤减，水分减少是影响棉花产量的因素之一[17].小麦种植耗水较多，小麦和玉米都需要大量灌溉水[18].万荣县处于汾河流域下游，灌溉农业的发展需要非常充沛的降水，河流供水的同时也需要一定的水源补给，所以，降水量的变化会在生长时水分供应的角度抑制这些农作物的生长.

4 结论与建议

通过对万荣县气温和降水量的分析可知，在49a间，其变化呈现出以下特点:

1）气温在四季的变化中呈现出冬季增温速度较快，春季次之，秋季和夏季居于三、四位的分布状况.秋季高温和低温有明显的年代性分布特点，夏季温度则持平.从多年均温变化值来看，从20世纪末到21世纪初，均有增温现象出现，其中以冬季尤为显著.气温在多年总体变化中则整体具有增暖趋势，当然，期间也表现出温度的波动性变化.

2）降水在多年的变化中也具有季节性和年代性.季节方面，每个季节都有明显的上升和下降趋势，即在多年的季节观测中，几乎每一年或每隔几年都会有一定的降水量波动.从数据的分析中还可以看出，春季和夏季明显存在着降水量减少的趋势，而秋冬两季却并不明显.多年的降水量数据统计显示:万荣县在近49a降水量集中在400mm～600mm之间，整体降水量减少.

3）气温的高低和降水量的多少都具有交替变化的现象.高温和低温以及丰水期和枯水期的出现没有局限于某一个年代持续不变，而是有一种近似周期性的变化.这说明多年来万荣县气候中温度增加和降水量减少并没有成直线上升或者直线下降的趋势，而是在小范围变化的同时整体推进.

气温和降水量在农业气候资源中是影响农作物生长的关键点，气候的多年变化与农业收成息息相关.温度的增高和降低及降水量的变化，无论在哪个季节发生，都会对农作物产生一定的影响.而这种影响可以在多年的累积中会改变与农作物生长有关的各种因子，如改变生长周期、破坏生长环境等.

基于上述变化特征，结合万荣县农业生产实际，提出以下几点措施，力图把农作物生长受环境的影响降到最低，以期促进农业生产.1）根据气候变化适时改变作物布局，保证农作物在生长过程中最大效率的利用农业气候资源，实现高产高效.2）在逐年的农业生产过程中注重人工施肥、灌溉、提高农业科技等环节.例如，有效施肥可以避免由于温度升高酿成病虫滋生速度加快，破坏庄稼.灌溉则是配合每年的降水量情况，在雨量不充沛的情况下人工灌溉则是很好的缓解干旱的有利措施.同时，在每项农业生产中都注重提高农业的科技化水平，逐步实现农业生产的现代化.3）在气候资源发生变动的情况下，气温升高和降水量降低宏观上讲对农作物生长的前景都不乐观，但是，可以通过扩大种植面积、提高设施农业、生态农业等现代农业耕作的方法来改变耕作方式，同样达到农作物不减产的效果.万荣县地处汾河流域，有天然的发展农业的条件，如再能提高农业机械化程度，则不仅可以促进流域范围内农业生产方式的转变，还能提高农作物产量.

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