华北设施农业区气候资源分布及季节变化特征

2018-05-18乐章燕魏瑞江石茗化高建华吴瑞芬王志伟

江苏农业科学 2018年8期

乐章燕，魏瑞江，石茗化，高建华，赵超，吴瑞芬，王志伟

（1.河北省廊坊市气象局，河北廊坊06500；2.河北省气象科学研究所，河北石家庄050021；3.河北省气象与生态环境重点实验室，河北石家庄050021；4.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特010051；5.山西省气候中心，山西太原030000）

目前，设施农业已经成为农业增产、农民增收的支柱产业。设施内的小气候受设施外温度、光照、降水等气象因子影响［1］，这些因子的数量或强度及其组合构成了农业气候资源。农业气候资源状况关系到设施农业种植时间、茬口安排实践、农产品品质等，因此研究设施农业气候资源非常重要。国内学者在农业气候资源方面进行了大量研究［2－14］。

何永坤等研究了东北三省稳定农耕期、生长期及积温、降水量、日照时数等农业气候资源的变化特征［15］。陈怀亮等以河南省郑州市小麦、玉米为例，分析农业气候资源周期变化规律和趋势［16］。叶彩华等分析了北京市农业气候资源变化特征［17］。陈海等分析了北方农牧交错带农业气候资源空间特征［18］。纪瑞鹏等以辽宁省为例，研究农业气候资源综合评价方法［19］。代立芹等研究河北省冬小麦、夏玉米的气候适宜度及其时空变化特征［20］。上述研究针对大田作物的农业气候资源进行了探讨［21］，目前针对设施农业生产阶段农业气候资源的研究比较少，张永红等研究了关中东部设施农业气候资源分布及变化特征［22］。李春等研究了天津市12个农业区县气象站近30年的逐日历史观测数据，分析了影响各区县日光温室农业生产的气候资源条件［23］，但这些研究未与设施内的小气候相结合。本研究从设施的增温幅度及设施内小气候与设施外的气温、日照等因子的关系入手，确定华北地区设施农业气候指标，并对其时空分布状况和变化趋势进行研究，旨在为提高农业气候资源利用率提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

采用1980—2010年河北省、内蒙古自治区、山西省102个农业气象观测站设施农业生长季节（当年10月至次年5月）和冬季（当年12月至次年2月）的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数等数据。华北地区农业气象观测站站点分布见图1。

1.2 研究方法

采用时间序列分析（气候倾向率、概率）和反距离权重法对各要素进行空间插值，生成空间化数据，分析其时空分布特征。

1.2.1 气候倾向率在计算变化趋势时，采用最小二乘法，计算样本 x＾t时间t的线性回归系数（α），用一次线性方程表示要素的变化：

以线性回归系数a的10倍作为气候倾向率。

1.2.2 反距离权重法（IDW）反距离加权插值法（IDW）是基于相近相似的原理，即距离越接近的2个事物具有越相近的属性，反之这种相似性随着距离的增大而减小［24］，认为与插值点距离最近的样本点对插值点值的贡献最大，其贡献与距离成反比，通过计算以插值点为圆心，以R为半径的圆内样本点的加权平均值来确定插值。其公式如下：

式中：Z为估计值；Zi为第 i（i＝1，…，n）个样本值；di是距离；n为用于插值的气象站点数量；p是距离的幂，它的选择标准是最小平均绝对误差，默认p＝2。

2 结果与分析

2.1 热量资源时空分布特征

热量资源是影响设施农业发展的主要原因，尤其是极端最低气温是决定设施类型、运行成本及其设施作物能否良好生长发育乃至生产成功的基本条件［25］，而冬季又是热量相对匮乏的时期，因此分析设施农业生长季和冬季极端最低气温及其空间分布具有重要意义。

前人研究表明，晴天时设施内外温差能达到20℃以上，云量较多时内外温差能达到10～15℃，寒潮或持续低温寡照时内外温差在10℃以下［26－27］。可见若保证设施内温度不低于0℃，则设施外最低温度不能低于－20℃；若要保证棚室内作物不受冻害，则设施外最低气温不能低于－15℃。从生长季内平均温度、生长季和冬季极端最低气温≤－20℃和≤－15℃天数、倾向率及冬季占生长季概率等分析整个生长季内热量资源空间分布状况。

2.1.1 平均温度时空分布特征由图2可见，华北地区设施农业生长季平均气温在－5.6～8.8℃之间变化，其中，平均气温在2.5℃以上的区域主要分布在山西省中南部及河北省中南部，平均气温在0～2.5℃的区域主要分布在内蒙古自治区西部、山西省北部和河北省北部，平均气温在－2.5～0℃的区域主要分布在内蒙古自治区中部及河北省的西北部，平均气温低于－2.5℃的区域主要分布在内蒙古自治区的东北部。整体上，山西、河北两省的中南部气温较高，热量资源相对丰富；山西、河北两省的北部及内蒙古自治区气温较低，热量资源相对匮乏。

由图3可见，华北地区设施农业生长季平均气温整体处于上升趋势，倾向率最大的地方呈散点分布，其中心主要分布在内蒙古自治区的中西部、山西省南部和河北省中南部，其值在0.6℃／10年以上；上升趋势最小的区域也呈散点分布，主要分布在内蒙古自治区中东部靠近河北省的区域，河北省的中部和北部，山西省的局部，倾向率为0.3℃／10年以下。

2.1.2 极端最低气温≤－20℃天数空间分布由图4可知，不论是生长季还是冬季，山西省大部、河北省大部、内蒙古自治区西部和中东部日极端最低气温≤－20℃的天数在0～20 d，占整个生长季长度（243 d）的8%以内，只有山西省北部、河北省西北部、内蒙古自治区中部和东北部在20 d以上，并且大部分地区在20～40 d。可见华北大部分地区利于设施农业生产。

从图5可见，≤－20℃的天数76%以上出现在冬季，综合图4来看，内蒙古自治区中北部，河北省北部，山西省北部地区冬季不适合发展设施农业。

图6为华北地区设施农业生产季和冬季日极端最低气温≤－20℃倾向率。由图6可知，日极端最低气温≤－20℃的天数基本上呈减少趋势。

2.1.3 极端最低气温≤－15℃天数时空分布特征图7为华北地区设施农业生长季和冬季日极端最低气温≤－15℃天数的空间分布。由图7可知，生长季和冬季日极端最低气温≤－15℃天数的分布趋势一致，其中山西省中南部、河北省中南部0～20 d，占整个生长季天数的10%以下，适宜发展设施农业。而内蒙古自治区中部和东北部、河北省北部和山西省北部超过60 d，冬季不利于发展设施农业。

图8为华北地区冬季日极端最低气温≤－15℃的天数发生概率。由图8可见，华北地区冬季日极端最低气温≤－15℃的天数76%以上出现在冬季，综合图7来看，内蒙古自治区北部和中部的局部，河北省张家口市张北县≤－15℃的天数超过60 d，冬季不利于发展设施农业。

图9为华北地区设施农业生长季和冬季日极端最低气温≤－15℃天数倾向率。由图9可见，日极端最低气温≤－15℃天数基本上呈减少趋势，其中生长季内内蒙古自治区中西部、山西省北部、河北省张家口市西北部极端最低气温≤－15℃减少天数较多；冬季山西省大同市、朔州市、河北省张家口市蔚县、承德市滦平县一带减少天数较多，冬季应选择保温性能较好的日光温室发展设施农业。

2.2 光照资源时空分布特征

光照是作物进行光合作用不可缺少的条件之一，外界光照条件对设施内温度有很大影响，只有太阳光不断照射，设施内才能达到作物生长所需温度。若寡照时间较长，设施内不能得到有效的热量补给，作物正常生长所需的光温条件得不到补充，易导致作物产量和品质下降。研究表明，冬季连续阴天并不断伴有寒潮时，连续3 d逐日日照时数≤3 h时，设施内温度可能下降到5℃以下，不利于果菜类蔬菜生长发育［28－29］，所以逐日日照时数≤3 h是影响设施农业正常生产的一个指标。

2.2.1 总日照时数时空分布特征由图10可见，华北地区设施农业生长季内日照时数空间分布特征为北多南少，其中内蒙古自治区、河北省张家口市、山西省北部日照时数达1 800～2 000 h，光照充足；山西省南部为1 307～1 500 h，光照相对匮乏。

图11为华北地区设施农业生长季内总日照时数的气候倾向率。由图11可知，华北地区设施农业生长季内总日照时数基本呈下降趋势。其中内蒙古自治区中部、山西省南部、河北省东部呈上升趋势，河北省南部及中部的局部、山西省中部的局部呈下降趋势，最大值达209 h／10年。

2.2.2 日照时数≤3 h天数时空分布特征图12为华北地区设施农业逐日日照时数≤3 h天数的空间分布状况。由图12可见，华北地区设施农业生长季和冬季日照时数≤3 h的天数区域主要集中在山西省中南部和河北省中南部，其中生长季最多79 d，冬季最多35 d，其他地区出现的天数较少。从冬季日照时数≤3 h天数占生长季的概率（图13）来看，高值区也主要集中在山西省中南部和河北省中南部，其概率高达40%以上。

图14为华北地区设施农业生长季、冬季日照时数≤3 h天数的倾向率，逐日日照时数≤3 h的天数呈增加趋势，其中高值区主要集中在河北省南部、山西省南部的中部，生长季、冬季内值分别达15 d／10年和9 d／10年。

2.2.3 日照时数连续3 d≤3 h持续过程时空分布特征图15为华北设施农业生长季、冬季连续3 d逐日日照时数≤3 h的次数。由图15可见，华北地区设施农业生长季和冬季逐日日照时数连续≤3 h连续3 d的过程主要集中在山西省南部和河北省南部，过程分别为10次和5次。

由图16可见，内蒙古自治区西部和东北部、河北省西北部和中南部、山西省中部冬季连续3 d逐日日照时数≤3 h的过程占生长季的60%以上，这些地区设施农业种植应选择喜阴类的蔬菜。

图17为华北地区冬季连续3 d逐日日照时数≤3 h持续过程的倾向率。由图17可知，不论是生长季还是冬季，其倾向率基本上呈增加趋势，其中河北省中南部地区连续3 d≤3 h的持续过程增加幅度最大，生长季内0.3次／10年，冬季015次／10年；生长季内山西省原平市、汾阳市、运城市部分地区出现过程减少的趋势，但不明显，最大为0.1次／10年。

3 结论与讨论

选取了华北地区102个农业气象观测站近30年的气象资料，分析设施农业对设施外气象条件的依赖特征，光照、温度是最主要的影响因子，探讨华北地区生长季内热量资源和光照资源的时空分布。结果表明，研究区平均气温整体处于上升趋势，河北省、山西省一带气温较高，热量资源丰富；内蒙古自治区气温偏低，热量资源稍差。不论是生长季还是冬季，山西省南部、河北省中南部日极端最低气温一般不会出现小于－20℃的情况；日极端最低气温≤－20℃天数76%以上都出现在冬季；日极端最低气温≤－20℃天数基本上呈减少趋势。生长季和冬季极端最低气温≤－15℃天数分布趋势一致。生长季和冬季内蒙古自治区中部和东北部，河北省北部和山西省北部日极端最低气温≤－15℃的天数超过60 d，冬季不利于发展设施农业。日极端最低气温≤－15℃的天数76%以上出现在冬季；日极端最低气温≤－15℃天数基本上呈减少趋势。总日照时数基本上呈下降趋势，日照时数≤3 h的天数呈上升趋势，空间分布特征为北少南多；连续3 d逐日日照时数≤3 h的过程基本上呈增加趋势，主要集中在山西省南部，河北省南部持续过程较多，分别为10次和5次，期间设施农业生产应预防低温寡照。