喀什市热量资源对气候变化的响应特征及对农业的影响

郝宏蕾，朱海棠，李 强，郝宏飞

（1.喀什地区气象局，新疆 喀什844000；2哈密地区气象局，新疆 哈密839000；3.阿瓦提县气象局，新疆 阿瓦提843200；4.巴楚县气象局，新疆 巴楚843800）

近年来，随着全球变暖，气候变化已成为社会共同关心的环境问题。IPCC第五次评估报告指出：1880—2012年全球地表平均温度已升高了0.85℃，变暖幅度自20世纪90年代以来明显加速[1]。同时，中国气候也存在着变暖的总趋势，近100 a来中国平均地表温度约上升了0.5～0.8℃[2-3]，略低于全球平均值。新疆的许多研究也表明，过去的40多年新疆的大部分地区气温升高、降水量增多，呈现出“暖湿化”趋势[4-8]。农业是对气候变化反应最为敏感的行业之一。气候变化将对各地农业生产布局、种植制度及作物产量和品质产生重要影响。缪启龙等[9]的研究表明，西北地区≥10℃积温及持续天数增加幅度较大；张立波等[10]研究了华东地区热量资源变化的现状，并指出华东地区气温持续偏高，各项热量资源指标与气温呈显著正相关，≥10℃持续天数为220、240 d的等值线从华北平原南部和长江下游地区向北大幅推进。近年来，新疆的许多学者在热量资源变化对农业生产的影响方面也做了大量的工作，袁春琼等[11]的研究表明，气候变暖，热量资源增加，新疆气候带、农业带向北推移。曹娟等[12]通过对库尔勒热量资源对棉花产量的研究，指出热量资源的变化与棉花产量相关显著，热量资源丰富年份棉花单产较高。郑玉萍等[13]的研究指出，乌鲁木齐冬小麦冬前生长期间和越冬期间气温升高，冬前＞0℃积温增加，适当晚播更有利于冬小麦生长。邹陈等[14]认为，石河子棉区棉花纤维断裂比强度与热量条件相关最为明显。王胜兰等[15]分析了乌鲁木齐地区热量资源时空变化特征。目前，对喀什区热量资源变化现状的研究较少，本文拟研究在全球变暖背景下，喀什市热量资源的基本特征、变化趋势、突变及其对主要农作物的影响，以期为该区农业的可持续发展、有效利用气候资源及制定应对气候变化的对策提供科学依据。

1 资料来源及分析方法

1.1 资料来源

使用喀什国家基本气象站1971—2010年共40 a逐日气象资料。各级农业界限温度的初终日确定采用5日滑动平均法，积温是各级界限温度的初终日之间大于某一界限温度的日平均气温的总和；将每年春季最后一次日最低气温≤0℃的日期定义为终霜冻日，初霜冻日为秋季首次出现日最低气温≤0℃的日期；终、初霜冻日的间隔天数为无霜期。

1.2 研究方法

运用线性趋势分析[16]喀什市热量资源的变化趋势；采用Mann-Kendall方法[17]对喀什市近40 a各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温进行突变检测；利用经验频率法求出相关要素大于80%的保证率，衡量其热量标准，作为指导农业生产的可靠依据。

2 结果与分析

2.1 热量资源变化

2.1.1 年平均气温

喀什市历年年平均气温为12.2℃。图1为近40 a喀什市年平均气温线性趋势，1971—2010年喀什市年平均气温以0.4℃/10 a（P＜0.001）的倾向率呈极显著上升趋势，40 a来已上升了1.6℃。气温的年代际分析表明，20世纪70—90年代年平均气温比气候标准值偏低0.3～0.4℃，至21世纪气温明显升高，2001—2010年偏高了1.0℃。21世纪的前10 a年平均气温较20世纪80年代上升了1.4℃。说明21世纪以来变暖趋势明显。

图1 近40 a喀什市年平均气温变化

对喀什市近40 a年平均气温序列进行M-K突变检验（图2），结果表明，年平均气温序列在2000年发生了增暖性突变，气温从前期较冷的状态跃变成逐年升温的状态。

2.1.2 无霜期

图2 近40 a喀什市年平均气温突变分析

喀什市初、终霜冻日及无霜期多年平均值分别为10月29日、3月17日及219 d，>80%保证率分别为11月12日、3月27日及210 d。由图3a可以看出，1971—2010年喀什市初霜冻日以3.5 d/10 a（P＜0.05）的倾向率呈显著推后趋势；终霜冻日以-2.7 d/10 a的倾向率呈不显著提前趋势，受其综合影响，近 40 a喀什市无霜期以 6.1 d/10 a（P＜0.05）的倾向率呈显著延长趋势（图3b），40 a延长了24.4 d，作物生长季明显延长。就年代际变化来看（表1），与历年平均值相比，20世纪70年代无霜期偏多2 d，80年代和90年代偏少10～12 d，至21世纪前10 a变化幅度最大，较历年平均值偏多了22 d，较80年代延长了34 d。

表1 喀什市各热量要素年代际变化距平值

对喀什市近40 a初、终霜冻日及无霜期序列进行M—K突变检验（图4），结果表明，喀什市初霜冻日在1999年发生了从偏早期到偏晚期的突变，无霜冻期的气候突变也发生在1999年，从一个相对偏短期跃变为一个相对偏长期，终霜冻日未出现气候突变现象。

2.1.3 各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温

图3 近40 a喀什市初、终霜冻日（a）和无霜冻期（b）变化趋势

图4 近40 a喀什市初、终霜冻日（a）、无霜冻期（b）的气候突变分析

≥0℃活动积温代表一个地区农事季节内热量资源的充足程度，春季日平均气温稳定通过0℃的日期代表农耕开始，耐寒作物如小麦等可以播种[18-19]；农业生产一般把≥10℃初日作为喜温作物开始播种和生长的日期，≥10℃积温则反映出玉米等喜温作物生长季内完成全生育期对热量要求的满足程度[20]；日平均气温≥15℃，喜温作物活跃生长，≥15℃持续日数为喜温作物活跃生长期[21]；日平均气温≥20℃，玉米才能安全成熟[22]。综上所述，日平均气温0、10、15℃和20℃具有明确的农业气候意义，对农业生产起到指导作用。这些各级界限温度的初、终日，持续日数及积温是鉴定农业生产热量资源的重要指标。

2.1.3.1 各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的基本特征

各级农业界限温度历年出现日期、持续日数及活动积温见表2。喀什市日平均气温稳定通过0℃的初日始于2月19日，终于11月30日，日平均气温≥0℃的作物生长季历年平均为284 d，0℃以上的活动积温为4 772.0；≥10℃的开始日期为3月28日，结束日期为10月22日，分别较≥0℃的初日推后了36 d、终日提前了38 d，10℃以上的活动积温为4 337.2℃；≥15℃的初日为4月26日，终日为10月4日，喜温作物活跃生长期历年平均为163 d，≥15℃的活动积温为3 663.6℃。≥20℃的初日又较≥15℃的初日推迟了33 d，稳定出现于5月29日。终日又较≥15℃的终日提早了29 d，于9月6日结束，≥20℃的喜温作物安全成熟期历年平均为99 d，20℃以上的活动积温为2 488.0℃。

表2 近40 a喀什市年各农业界限温度历年出现日期、持续日数及活动积温统计

各级农业界限温度的初日最早年与最晚年相差38～62 d，终日极差30～41 d，持续日数最多年和最少年相差63～100 d，各级活动积温最多年和最少年相差932.9～2 456.3℃。由此可见，喀什市各种热量指标相当不稳，年际间的变化很大。

喀什市为一年一熟或一年两熟制，农业生产的周期比较长，所以仅知道热量资源的多年平均值不足以科学指导生产，还必须知道各热量指标的变化情况，通常以80%保证率来衡量该地的热量标准。因此，统计了近40 a喀什市各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的80%保证率（表3）。

2.1.3.2 各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的变化特征

由近40 a喀什市各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的气候倾向率分析（表4）可见，仅20℃的终日和0℃的积温变化趋势为显著（P20＜0.05、P0＜0.01），其它各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的变化趋势均不显著。10℃初日以0.1 d/10 a的速率呈推迟趋势，其它界限温度的初日均为提前趋势，平均每10 a提前1.7～3.6 d；20℃终日以-1.2 d/10 a的速率呈提前趋势，其它界限温度的终日以0.1～3.6℃/10 a的速率呈推迟趋势；受初、终日的综合影响，各级界限温度的持续日数和活动积温分别以0.5～5.4 d/10 a和51.1～130.5℃/10 a的速率呈增多趋势。由此可见，喀什市近40 a各界限温度整体而言，初日提前、终日推迟，持续日数和活动积温增多，热量条件得到了很大改善，对农业生产有利。

2.1.3.3 各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的突变分析

表3 近40 a喀什市各农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温80%保证率统计

表4 近40 a喀什市各农业界限温度初、终日，持续日数，积温变化倾向率和显著性检验结果

计算喀什市各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温气候突变，结果表明，仅20℃初、终日，持续天数，积温及0℃积温发生了突变，其它各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温未出现气候突变现象（图5）。

0℃积温在2004年发生了由少到多的突变，从2004年开始0℃积温明显升高并持续发生，突变后比突变前偏多了314.2℃（图5e）。其它界限温度突变时间较一致，均发生在1999年，20℃初日发生了从推迟到提前的突变（图5a），而终日却是从提早到延后的突变（图5b），其持续日数相应从一个相对偏短期跃变为一个相对偏长期（图5c），活动积温从一个相对偏少期突变为一个相对偏多期（图5d）。

2.2 热量资源变化对农业的影响

喀什市春季气温由0℃上升至20℃一般需99 d，平均每5 d升高1℃，春季升温迅速。喀什市春季各界限温度的间隔日数与小穗分化关系密切，当日平均气温≥3℃时，冬小麦开始返青，返青期的长短影响冬麦春季分蘖数量及成穗率的高低，返青期持续时间长，春季分蘖数就多，分孽成穗率也高，反之则少。返青后至拔节始期，植株体内进行小穗分化，要求适宜温度为6～8℃，低于10℃以下利于长大穗，此期间在适宜温度指标范围内，温度偏低一些，间隔日数拉长一些，能促进幼穗分化，穗子增长，有利于增产，这与农民群众的“春寒收麦”或“春长收麦”的经验是一致的[23]。春季气温迅速回升，虽然对冬小麦弱苗升级转化有利，但却会使生育期提前，生长期缩短，不利于小穗分化，对冬小麦增产不利。但春季过快的升温对春耕春种如棉花的播种工作有利，可促进春播作物早发形成壮苗，打好丰产基础。

秋季气温由20℃下降到0℃比春季升温稍快，需85 d，平均每4.3 d下降1℃，同样秋季降温迅速，季节很短。对棉花的吐絮采摘及秋粮籽粒灌浆成熟不利，玉米等秋粮作物，在日平均气温＞20℃，才能正常灌浆成熟。喀什日平均气温≥20℃的80%保证率终日为9月19日，历年夏玉米成熟期一般在9月下旬末至10月上旬，所以喀什市9月中旬后热量显著不足，秋季气温不能满足夏玉米灌浆成熟期的要求，对光合产物的积累产生不利影响，最终将影响产量的提高。

图5 近40 a喀什市≥20 ℃初日（a）、终日（b）、持续日数（c）、积温（d）、及≥0℃积温（e）突变分析

初霜冻历年出现日期为10月29日，此时，玉米等秋粮作物已经成熟，所以，初霜冻对正常播种的秋粮作物基本没有影响。但初霜冻对棉花的影响却较大，10月下旬，喀什市棉花正处在吐絮采摘期，常因初霜冻提早来临，迫使棉花停止生长，造成霜前花百分率下降，棉花品质不高。终霜冻＞80%保证率日期为3月27日，此时棉花等春播作物正处在始播期，尚未出苗，所以，从终霜冻日结束时间及春季气温上升情况来看，本市棉花正常播种可以不用考虑终霜冻的危害。

喀什市目前推广的冬小麦品种，全生育期≥0℃积温需为2100℃左右，夏播早熟玉米≥10℃积温需为2150℃左右，麦收后复播玉米一年两熟制≥0℃积温冬小麦—夏玉米需为4250℃，中早熟棉花≥10℃积温需为3300～3500℃。喀什市历年≥0℃积温为4 772.0℃，＞80%保证率为4 562.2℃，从积温上来看，冬麦收获后复种夏玉米早熟品种及棉花的中早熟品种热量条件是充足的。

3 结论

（1）近40 a喀什市年平均气温以0.4℃/10 a（P＜0.001）的倾向率呈极显著上升趋势，高与全国气温平均上升趋势（0.2℃/10 a）[24]，21世纪以来变暖趋势明显。

（2）近40 a喀什市初霜冻日呈显著推后趋势，终霜冻日呈不显著提前趋势，受其综合影响，无霜期呈显著延长趋势，作物生长季明显延长。初霜冻推迟、无霜冻期延长对玉米、棉花等大秋作物将产生积极的作用，有利于夏玉米安全灌浆成熟及棉花干物质的积累，提高农作物产量及品质；终霜冻日提前则有利于春季冷害的减少或减轻，对冬小麦及春播作物的苗期生长有利，受霜冻袭击机会大大减少。

（3）近40a喀什市仅20℃的终日和0℃的积温变化趋势为显著，其它各级农业界限温度出现日期、持续日数及活动积温的变化趋势均不显著。10℃初日表现为推迟，其它界限温度的初日均为提前趋势。20℃终日表现为提前，其它界限温度的终日均呈推迟趋势。受初、终日的综合影响，各级界限温度的持续日数和活动积温均呈增多趋势。各界限积温增加、初日提前、终日推迟、持续日数增加，喀什市作物生长季农业热量资源得到了一定改善，这对农业生产是极为有利的，实现作物适期早播，有效的延长作物生育期，增加了作物全生育期可利用的积温，对夺取作物丰产有着极为重要的意义。

在全球气候变暖的大背景下，虽然喀什市热量资源状况总体上明显改善，但各种热量指标相当不稳，年际间的变化很大，在给农业生产带来机遇的同时，也带来了挑战。因此，更不能忽视可能出现的极端严寒天气及积温偏少年份，尤其在农作物引种、种植结构调整时，要加以重视。