全球气候变暖背景下华南地区农业气候资源时空变化特征*

戴声佩，李海亮，刘海清，刘恩平

(1．中国热带农业科学院科技信息研究所，海南儋州 571737;2．中国热带农业科学院热带农业经济研究中心，海南儋州 571737;3．海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室，儋州 571737)

全球气候变化不仅影响人类生存环境，也将影响世界经济发展和社会进步［1］，气候变暖是全球气候变化的主要特征，已成为国内外学者普遍关注的热点问题之一［2-3］。政府间气候变化委员会 (IPCC)分别于1990、1996、2001和2007年相继完成了四次评估报告。第四次报告指出［4］:近100年 (1906～2005年)全球平均气温上升了0．74℃，比2001年第三次评估报告给出的100年 (1901～2000年)上升0．6(±0．2)℃有所提高，我国是全球气候变暖最为显著的国家之一;近100年来平均地表气温增加0．5～0．8℃，其增温幅度比全球同期平均值0．6(±0．2)℃略高［1，5］。

农业气候资源是农业自然资源的重要组成部分，是农业生产的基本环境条件和物质能源，直接影响农业生产过程，并在一定程度上影响一个地区农业生产结构和布局、作物种类、种植方式和耕作制度等，最终影响农业产量的高低和农产品质量的优越［6-9］。在全球气候变化的背景下，我国华南地区气候资源和农业气候资源也发生了相应的改变。近年来，国内许多学者对我国华南地区的气候变化做了相应的研究［10-12］，任崇［10］利用华南沿海6个有代表性的气象观测站气温和降水资料分析了华南沿海地区的气候变化情况，指出华南沿海地区气温呈上升趋势，特别是20世纪90年代增温尤为明显;华南地区年降水量的变化存在一定的阶段性和周期性，50年代和70年代及90年代前期降水相对偏多，60年代和80年代降水相对偏少;顾骏强［11］利用长时间序列气候数据分析了华南地区的气候变化特征及其环境效益，提出了针对气候变化的主要对策;肖伟军等［12］指出华南地区秋季蒸散量呈下降趋势，太阳辐射是其主要制约因子。在农业气候资源方面，国内外学者对我国不同区域农业气候资源做了大量的研究工作［12-19］，在农业气候资源空间分布特征、分析评价和利用方面取得了丰硕的成果。但受资料的限制，部分研究多集中在省和地区的变化特征上，未能全面反映华南地区在全球气候变暖的背景下农业气候资源的变化情况。

华南地区不仅是我国重要的粮食生产基地，还是我国重要热带作物的生产基地。该区属热带、亚热带季风气候，气候温暖湿润，雨热同季。区内植物生长茂盛，种类繁多，热带性森林动物丰富多样，同时，华南沿海拥有广阔的热带海洋。因此，充分利用该区丰富的热量和水分资源，发展农业生产以及热带经济作物，合理利用和保护热带性植物和动物资源，开发热带海洋资源等，对于我国自然资源的开发利用具有重要意义。因此，该研究拟选取华南地区101个资料序列较长的气象台站的1960～2011年地面观测资料，以1981年为界，比较分析了1960～1980(时段I)和1981～2011年 (时段II)两个时段华南地区光能、热量和水分等农业气候资源的变化特征，以期为制定农业生产应对气候变化的策略提供科学参考，同时为该区自然资源的开发利用提供依据。

1 研究区域

华南地区位于欧亚大陆南端 (3°58＇N ～26°23＇N，104°29＇E ～117°50＇E)，包括广东省、广西壮族自治区、福建省、云南省和海南省，总陆地面积为96．99万km2(图1)，属热带、亚热带季风气候，气候温暖湿润，雨热同季。年均气温21．4℃，降水量1 900．2mm。华南地区大部分属于我国的晚三熟和热三熟区域，农业生产水平相对较高，珠江三角洲、潮汕平原和厦门、漳州、泉州一带是我国双季稻高产地区［20］。研究区主要种植作物有水稻、旱稻、小麦、番薯、木薯、玉米、高粱等，经济作物主要有橡胶、甘蔗、麻类、花生、芝麻、茶等;该区的热带林木、热带水果、热带水产在我国农业生产中占有突出地位。

2 数据来源及处理

该文选用华南地区101个资料序列较长的气象站1960～2011年近52年逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、气象辐射量实测数据，资料来源于中国气象科学数据共享服务网 (http://cdc．cma．gov．cn/)和中国气象局。个别缺测年份，采用临近站相关分析进行插补，以保证数据的完整性和连续性。

图1 研究区概况

3 研究方法

3.1 界限温度的确定

10℃是喜温作物生长的起始温度，也是喜凉作物迅速生长多年生作物开始以较快速度积累干物质的温度。该文将稳定通过10℃界限温度的持

续日数定义为喜温作物温度生长期 (以下简称温度生长期)，即某地区一年内作物可能生长的时期［21］。

3.2 气候倾向率法

用xi表示样本量为n的某一气象变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程［22］:

式中:a为回归常数，b为回归系数，a和b可用最小二乘法进行估计。

对观测数据xi及相应的时间ti，回归系数a和常数b的最小二乘法估计为:

3.3 累积距平法

累积距平也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法［22］。对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为:

3.4 反距离权重插值法

反距离权重 (Inverse Distance Weighted，IDW)插值法是一种常见、原理简单，且易于操作的、较优的空间插值方法，属于精确性插值，是基于相近相似原理——两个物体离得越近，它们的性质就越相似，反之，离得越远则相似性就越小。它是以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。该研究在ArcGIS 10．0环境下，利用软件中的地统计 (Geostatistical Analysis)模块，通过IDW插值法绘制出华南气候要素空间分布图。

4 结果与分析

4.1 光能资源

4．1．1 总辐射量变化特征

1961年以来，华南地区年总辐射量呈现“U”字型变化趋势 (图2)，1961～1986年华南地区年总辐射量呈减少趋势，1986年以后呈增加趋势。从3年滑动平均曲线可见，华南地区年总辐射量变化可分为以下几个阶段:1961～1972年为偏多期，年总辐射量高于多年平均值;1972～1993年为偏少期，年总辐射量少于多年平均值;1993年以后又为偏多期。52年来华南地区年总辐射量多年平均值为5 104．31 MJ/m2，最大值为 1963 年的 5 631．82 MJ/m2，最小值为1976年的4 531．82 MJ/m2，两者相差达1 100MJ/m2，说明年总辐射量变化幅度大。由图3可知，华南地区年总辐射量丰富的地区主要集中在云南省、海南岛以及南海地区，其次是福建地区，广西省和广东省年总辐射量较低。

图2 研究区年总辐射量年际变化

4．1．2 日照时数变化特征

近52年来，华南地区日照时数呈减少趋势 (图4)，其变化倾向率为-4．02小时/年，通过α=0．05显著性水平检验。从3年滑动平均曲线可见，华南地区日照时数变化可分为以下几个阶段:1960～1987年为偏多期，日照时数多于多年平均值，1987～2011年为偏少期，日照时数少于多年平均值。52年来华南地区年日照时数多年平均值为1 894．47小时，最小值为1997年的1 687．97小时，最大值为1963年的2 245．93小时，两者相差达555．96小时，说明年日照时数变化幅度大。

1960～2011年，华南地区年日照时数呈现由东南向西北分布且逐步递减，年日照时数比较丰富的地区主要集中在云贵高原和海南省的东南部 (图5)，广东西部的日照时数较少，时段I和时段II，华南地区年日照时数分别在1 308．3～2 884．1小时和1 241．3～2 736．3小时，最高、低值分别降低了147．8小时和67小时。研究期间，华南地区年日照时数呈现总体的下降趋势，仅云南西南部部分地区呈现增加趋势。同时发现，华南地区研究时段内日照时数高值区 (≥1 800小时)缩小，低值区 (≤1 600小时)扩大。

图3 研究区年总辐射量空间分布

图4 华南地区日照年际变化

图5 不同时段内华南地区年日照时数及倾向率变化特征

4.2 热量资源

4．2．1 温度变化特征

图6是近52年来华南地区年平均气温、最高气温、最低气温变化趋势和3年滑动平均曲线图，由图6可见，在全球变暖的背景下，近52年华南地区年平均气温、最高气温、最低气温也发生了明显的上升趋势，年气温倾向率分别为0．19℃/10年、0．13℃/10年和0．23℃/10年，最低气温上升幅度明显高于年平均气温和最高气温，即夜间温度增温强度高于白天，昼夜温差减小。年平均气温在1984年之前偏低，以负距平为主，20世纪90年代以来气温明显升高，基本都为正距平。通过3年滑动平均分析，主要发生5次比较明显的波动:在1960、1970、1984、1988和 2011年达到波谷，最冷年出现在 1960年，为18．83℃;1966、1971、1980、1987和1998年达到了波峰，最暖年份出现在1998年，为20．65℃，表明华南地区近52年气温经历了冷暖交替的变化。

图6 华南地区年均、最高和最低气温年际变化

图7 不同时段华南地区年平均、最高及最低气温及气候倾向率变化特征

由图7可以看出，华南地区年平均气温的纬向特征明显，呈现出由南向北逐渐降低的趋势。海南、广东年均气温较高，平均在20℃以上，云南北部、西部年均气温较低，主要是受地形的影响 (云贵高原)。在时段I和时段II，研究区年均气温分别在4．70～26．50℃和6．00～27．00℃之间。与时段I相比，时段II年均气温平均上升0．34℃，且高海拔地区上升速度较快。年均气温变化趋势也存在空间差异 (图7III)，全区1960～2011年气温倾向率在-0．18～0．46℃/10年之间，平均每10年上升0．19℃，表明年均气温呈升高趋势。由于受地形的影响，广东西部、云南北部等地气温呈略微减少趋势，其倾向率变化由东南向西北递减，广东省西北部增温不明显，海南省和福建省中东部增温趋势较为明显。

华南地区年均最高气温、最低气温与年均气温一致也呈现纬向分布的特征。在时段I和时段II，年最高气温分别为10．8～30．5℃和12．1～30．7℃，时段II多年平均最高气温比时段I高0．13℃，其中最低温升高了1．3℃，1961～2011全区年最高气温倾向率在-0．30～0．57℃/10年，平均增温速率为0．13℃/10年，70%的站点呈增温趋势;年最低气温分别为-1．0～24．6℃和0．8～25．2℃，时段II多年平均最低气温比时段I高0．34℃，其中最低温升高了1．8℃，年最低气温倾向率在-0．23～2．77℃/10年，以福建东南部和云南中部增温最为明显。全区年平均增温速率为0．23℃/10年，高于年均气温和年均最高气温的增温速率，可见最低气温的升温对全区年均气温升温的贡献率最大。

4．2．2 温度生长期内≥10℃积温变化特征

图8 不同时段华南地区积温及气候倾向率变化特征

从图8可以看出，1960～2011年，华南地区稳定通过10℃持续生长期间，≥10℃积温与年平均气温的空间分布特征基本相同，纬向特征明显，呈现出由南向北逐渐降低的趋势。华南地区持续生长期内≥10℃积温在时段I和时段II分别为842．1～9 671．9℃和1 411．2～9 854．7℃，后一时段比前一时段增加了185～569．1℃。其中最低值出现在云南省西北部和广东省的北部一带，最高值出现在海南省及广东南部一带，华南地区≥10℃积温的气候倾向率为-6．30～19．20℃/年，平均为7．67℃/年，从≥10℃积温变化倾向率看出，年变化幅度整体呈增加趋势，表现出由南逐渐向北递减，云南西南部积温增温幅度最为明显，而云南的中北部呈下降趋势。

图9 不同时段华南地区积温空间变化

1981～2011年较1960～1980年相比，华南地区≥10℃积温高于8 000℃以上的积温约向北移动了0．40个纬度，高于7 500～8 000℃积温约向北移动了0．25个纬度，高于6 500～7 500℃积温约向北移动了0．15个纬度 (图9)，相应的面积也有所增加，这与李勇［23］等研究基本一致。≥10℃积温的增加对热量要求较高的热带作物生产种植提供了有利条件，该地区热带作物适宜种植区域将增加，对农业产业结构调整和农民增收带来新的机遇。但需要注意的是，随着气候的增暖，极端天气事件发生的强度和频率也随之发生变化［24］。因此，农业科研和管理部门应加强做好相应的热带作物种植区划，以应对热带作物种植北界北移、未来的气候变化以及极端天气事件的发生情况。

4.3 降水量变化特征

华南地区近52年年均降水量和三年滑动平局降水量时间序列如图10所示。从图中可以看出，近52来年均降水量呈微弱增加趋势，线性倾向率为0．38mm/年，全区多年平均降水量为1 481．72mm，平均降水量最低值为 1963年的 1 193．49mm，比多年平均值低288．23mm，最高值为1973年的1 800．86mm，比多年平均值高 319．14mm，最高值与最低值相差达607．37mm，可见区域内降水差异显著。

图10 华南地区降水量年际变化

1960～2011年，华南地区年降水量的空间分布特征较为明显，由东南向西北逐渐减少 (图11)，与全国降水量分布呈一致性，时段I和时段II研究区降水量分别在613．8～2 885．9mm和634．2～2 643．4mm之间，平均值分别为1 470mm和1 489mm，与时段I相比平均值增加了19mm，其中最低值增加了20．4mm，最高值减少了242．5mm，说明近52年来华南地区降水多的地区降水量呈减少趋势。华南地区1960～2011年降水量倾向率为-4．90～8．80mm/年，多年平均降水量变化倾向率为0．38mm/年，总体呈现微弱的增加趋势，增加较明显的是广东省的东南部和海南省东部沿海地区，但部分地区呈现下降趋势，广东西部、云南东北部降水量下降趋势较为明显，其次是云南西南部。研究区1960～1980年和1981～2011年不同量级降水量的区域分布特征基本一致，但两者不同量级降水量所占区域面积还有所差异。

图11 不同时段内华南地区年降水量及倾向率变化特征

5 讨论与结论

该研究选取华南地区101个资料序列较长的气象台站的1960～2011年地面观测资料，以1981年为界，比较分析了1960～1980(时段I)和1981～2011年 (时段II)两个时段华南地区光能、热量和水分等农业气候资源的变化特征，得出结论如下:

(1)1961年以来，华南地区年总辐射量呈现“U”字型变化趋势，1961～1986年华南地区年总辐射量呈减少趋势，1986年以后呈增加趋势。华南地区年总辐射量丰富的地区主要集中在云南省、海南岛以及南海地区，其次是福建地区，广西省和广东省年总辐射量较低。华南地区近52年日照时数呈减少趋势。

(2)1960～2011年，华南地区年均气温、最高气温、最低气温都呈增加趋势，其倾向率变化为0．19℃/10年、0．13℃/10年和0．23℃/10年，最低气温增温率对年平均气温增温率贡献率最大，且空间上都呈现纬向分布的特征，与时段I相比，时段II年均气温平均上升0．34℃，且高海拔地区上升速度较快。温度生长期内≥10℃积温的气候倾向率为7．67℃/年，总体呈上升趋势，表现出由南逐渐向北递减，云南西南部积温增温幅度最为明显。与1960～1980年相比，1981～2011年华南地区≥10℃积温高于8 000℃以上的积温约向北移动了0．40个纬度，高于7 500～8 000℃积温约向北移动了0．25个纬度，高于6 500～7 500℃积温约向北移动了0．15个纬度。

(3)近52来年均降水量呈微弱增加趋势，线性倾向率为0．38/年，降水量的空间分布特征较为明显，由东南向西北逐渐减少，与全国降水量分布呈一致性，1960～1980年和1981～2011年不同量级降水量的区域分布特征基本一致，但两者不同量级降水量所占区域面积还有所差异。

(4)1960～2011年，华南地区光能、热量和水分等农业气候资源都发生了明显的变化，对农业会造成一定的影响。如作物生长期延长，生长季热量增加，种植界限向北、向高海拔扩展。≥10℃积温1981～2011年与1960～1980年相比，积温等值线呈现向北移动趋势，这有利于该区域热带作物的种植，同时农作物晚三熟二熟与三熟区北界也向北移动，区域有所扩大［25］。气候变暖，特别是冬季温度升高，将导致热带作物抗旱能力下降，使华南地区的寒害致灾风险增加［26］，降水量呈微弱增加趋势，将有利于满足作物的需水，日照时数的减少，将对该区热带水果果实膨大、蔗麻等茎秆伸长增粗、甘薯等块根膨大、糖分积累以及晚稻结实率提高等高产稳产因素产生负面影响［27］。

［1］丁一汇，任国玉，石广玉，等．气候变化国家评估报告 (I):中国气候变化的历史和未来趋势．气候变化研究进展，2006，2(1):3～8

［2］陈邦柱，秦大河．气候变化和生态环境研讨会文集．北京:中国气象出版社，2004

［3］尤飞，汤松，李文娟．气候变化影响下东北花生业发展潜力与对策分析．中国农业资源与区划，2011，32(3):71～74，80

［4］气候变化国家评估报告编写委员会．气候变化国家评估报告．北京:科学出版社，2007

［5］张勃，康淑媛，刘艳艳，等．甘肃张掖市冬季气温变化的时空特征．地理研究，2010，29(1):137～144

［6］林孝松．农业气候资源研究进展．海南师范学院学报，2003，16(4):87～91

［7］骆继宾．我国农业气候资源的开发利用与农业区域开发．农业区划，1990，11(5):44～47

［8］张钛仁，柴秀梅，李自珍．气候资源管理与可持续发展．中国农业资源与区划，2007，28(6):26～30

［9］代姝玮，杨晓光，赵孟，等．气候变化背景下中国农业气候资源变化II:西南地区农业气候资源时空变化特征．应用生态学报，2011，22(2):442～452

［10］任崇．华南沿海近42年来的气候变化．气象，2002，28(6):52～55

［11］顾骏强，杨军．中国华南地区气候和环境变化特征及其对策．资源科学，2005，27(1):128～135

［12］肖伟军，简茂球，叶爱芬，等．华南秋季蒸发量的时空演变特征．热带气象学报，2008，24(4):385～390

［13］刘志娟，杨晓光，王文峰，等．气候变化背景下我国东北三省农业气候资源变化特征．应用生态学报，2009，20(9):2199～2206

［14］杨晓光，李勇，代姝玮，等．气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅸ:中国农业气候资源时空变化特征．应用生态学报，2011，22(12):2177～3188

［15］纪瑞鹏，张玉书，冯锐，等．辽宁省农业气候资源变化特征分析．资源科学，2007，29(2):74～82

［16］周伟东，朱洁华，李军，等．华东地区热量资源的气候变化特征．资源科学，2009，30(5):642～647

［17］冯晓云，王建源，基于GIS的山东农业气候资源及区划研究．中国农业资源与区划，2005，26(2):60～62

［18］Thomas A．Spatial and temporal characteristics of potential evaporation trends over China．International Journal of Climatology，2000，20:381～396

［19］Han W．D．Present status and conservation strategies of mangrove resource in Guandong，P．R．China．Journal of Forestry，2003，14(2):151～154

［20］程纯枢．中国的气候与农业．北京:气象出版社，1991

［21］韩湘玲．农业气候学．山西:山西科技出版社，1999

［22］魏凤英．现代气候统计诊断与预测技术．北京:气象出版社，1999

［23］李勇，杨晓光，王文峰，等．气候变化背景下中国农业气候资源变化I:华南地区农业气候资源时空变化特征．应用生态学报，2010，21(10):2605～2614

［24］Zhai P M，Zhang X B，Wang H．Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China．Journal of Climate，2005，18:1096～1107

［25］赵锦，杨晓光，刘志娟，等．全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅱ:南方地区气候要素变化特征及对种植制度界限可能影响．中国农业科学，2010，43(9):1860～1867

［26］李娜，霍治国，贺楠，等．华南地区香蕉、荔枝寒害的气候风险区划．应用生态学报，2010，21(5):1244～1215

［27］李文，蔡文华．福建农业气候资源变化与农业生产．福建农业科技，1998，28(5):21～23