气候变化背景下四川省设施农业气候资源特征分析

2019-11-13郑昊王明田张菡

江苏农业科学 2019年17期

郑昊王明田张菡

摘要：为了探讨气候变化背景下四川地区设施农业气候资源变化，利用四川省134个气象站近40年逐日气温、降水及日照时数资料，通过多元回归、滑动t检验、气候倾向等数学统计方法，分析四川地区适宜期、加热期和通风期等几个生产期主要农业气候资源的空间变化趋势及其代际变化差异。结果表明，（1）四川盆地、川西高原以及攀西地区设施农业气候资源的空间分布特征差异明显。（2）适宜期、加热期和通风期设施农业气候资源主要因子的长期变化趋势各有不同。（3）年代际变化来看，20世纪70年代与20世纪90年代是四川地区适宜期热量及水分资源相对贫乏时期，在20世纪80年代与21世纪前11年适宜期热量资源均呈增加趋势;20世纪80年代和21世纪前11年四川区域加热期设施农业气候资源表现出一致的减少趋势;20世纪80年代是四川区域通风期气候资源匮乏时段，但从20世纪90年代开始通风期气候资源大体呈现持续增加的趋势。

关键词：设施农业;气候资源;变化特征

中图分类号： S162.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）17-0292-09

设施农业是指利用人工建造的设施为农业生产提供良好的环境条件，使农作物在有效生长空间内获得优质高产的农业管理方式。它是我国现代化农业的重要组成部分，具有显著提高产量、节约人力资源等优势[1-4]。四川地区的设施农业起步于20世纪80年代初期，经过数10年的蓬勃发展，其在质量和规模方面均已取得长足进展。至2015年，四川省各类设施农业总面积已达15亿m2左右。

农业生产的发展与气候条件息息相关。气候条件特别是光热资源，不仅影响设施农业作物的生长发育、产量和品质，还直接影响作物生产的能耗，进而影响作物生产的经济效益。如何充分利用生产地的光热资源，合理布局不同类型的设施农业，是当前四川省农业发展中需要解决的关键问题之一[5]。20世纪80年代中期以来，国内一些学者先后针对设施农业作物生产的气候条件与温室气候区划开展了一些研究。20世纪90年代初以来，先后有一些关于区域性日光温室分区与气候区划的研究报道[6-8]。陈端生初步探讨了中国加温温室蔬菜生产的合理布局[9]。张亚红等对中国南方和全国连栋温室进行了气候区划，并对全国各个连栋温室气候区的气候资源以及温室采暖期和采暖能耗量进行了研究[10]。上述研究为不同类型温室的合理布局提供了气候资源方面的参考依据和决策支持。

近年来，在气候变化的大背景下，气温、降水等气候要素变化的频率及强度明显增强，极端天气气候事件（如暴雨雪、低温冷害等）也多呈增加趋势[11-15]，给四川地区包括设施农业在内的农业生产带来较大损失。随着人们对区域性气候变化关注度的增强，设施农业对气象为农服务的需求不断提升[9，16-18]。本研究拟利用四川地区各气象站逐日观测资料，在地理信息系统（GIS）技术基础上，通过多元回归、滑动t检验、气候倾向分析等数学统计方法，探讨气候变化背景下四川地区设施农业气候资源的变化特征，为后期系统开展四川地区区域设施农业气候资源的评估与利用奠定研究基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

四川省位于我国西南腹地（97°22′～110°10′E，26°03′～34°20′N），地处长江上游，地形以山地和高原为主（约占总面积的79%），川西为高原，川东为四川盆地，川南为攀西地区，其中盆地地区是主要的农业生产区。四川省地形、地貌复杂，东、西气候殊异。川西高原气候垂直分布明显，空气洁净，多晴少雨，1月平均气温为-8～0 ℃，7月为12～20 ℃，年均降水量不足700 mm，年均日照时数在 2 200 h 以上;盆地地区则为亚热带湿润气候，四季分明，多云雾、少日照，1月平均气温为3～8 ℃，7月为25～29 ℃，年均降水量1 000 mm左右，年均日照时数低于1 400 h;攀西地区属于中亚热带半湿润气候，受显著的气候垂直差异影响，四季不明显但干湿季分明，1月平均气温为2～12 ℃，7月为18～24 ℃，年均降水量不足 1 000 mm，年均日照时数普遍在2 000 h以上[19-21]。

1.2 数据来源和研究方法

1.2.1 数据来源本研究所用的气象资料来源于四川省气象探测数据中心提供的四川省所有气象站1971—2011年逐日气温、降水观测资料，在其中选出134个资料完备、缺测较少的站点序列进行分析，并对其中少量缺测值进行插补，并根据设施农业的生产特点，结合作物生长发育对气象条件的要求，将1年划分为适宜期、加热期和通风期[22]3个时段，在此基础上计算获得各站点的适宜期时间、适宜期降水量、适宜期有效积温等設施农业气候要素。地理信息资料则采用国家基础地理信息中心提供的1 ∶ 25万四川省基础地理信息数据，主要包括四川省数字高程模型（DEM）以及省、市、县各级行政边界矢量信息等。

1.2.2 研究方法农业气候资源中的热量条件用1年中适宜期、加热期、通风期的持续天数和相应时期的有效积温或积温来表示;水分条件则以前述3个时期的总降水量来表示;由于直接的太阳辐射观测资料稀少，而日照时数是常规的气象观测要素，又能够在很大程度上表征太阳辐射，因此光照条件以3个时期的总日照时数表示。此外，考虑到加热期的低温以及通风期高温对作物生长和加热/散热能量消耗具有显著影响，本研究将加热期的负积温（即加热期内

此外，适宜期、加热期及通风期的起止时间采用5日滑动平均法来确定。以5日滑动平均气温稳定高于10 ℃并低于25 ℃为依据，确定四川省各地1年中设施农业生产的适宜期;以5日滑动平均气温稳定低于10 ℃为依据，确定1年中设施农业生产的加热期;以5日滑动平均气温稳定高于25 ℃为依据，确定1年中设施农业生产的通风期（表1）。

在上述定义的基础上，计算四川省各地的设施农业气候资源指标，即利用四川地区历年气候观测资料和站点地理信息资料，采用多元回归的方法，建立设施农业适宜期时间、适宜期降水期、适宜期有效积温等设施农业气候资源的 100 m×100 m小网格推算模型（表2），并在GIS支持下，对模型进行计算及残差订正，得到最终的设施农业气候资源空间分布情况，借此分析四川地区设施农业各个生产期内光、温、水等农业气候资源的时空变化特征。

2 结果与分析

2.1 四川省设施农业气候资源分布特征

2.1.1 适宜期设施农业气候资源分布特征根据表2的推算模型，利用GIS得到四川省各设施农业气候资源要素分布情况。从图1可以看出，适宜期时间（图1-a）、适宜期有效积温（图1-b）的空间分布特征十分相似，高值区均位于攀西地区的河谷地带，低值区则均出现在海拔较高的川西高原地区，甚至一些地区全年无适宜期。作为四川省农业生产的主要区域，盆地地区适宜期明显长于其他地区，一般为200～250 d，有效积温可达2 000～2 500 ℃。适宜期日照时数（图1-c）则表现为单高值中心，高值區主要位于攀西地区南部，高值中心日照时数达1 600 h以上，其他地区日照时数较少。需要指出的是，尽管川西高原是四川省、甚至全国日照相对丰富的地区，但是由于该区域海拔高，温度低，适宜期时间少，导致适宜期日照数成为一个低值区。适宜期降水量（图1-d）表现为攀西和四川盆地多，川西高原少。

2.1.2 加热期设施农业气候资源分布特征加热期设施农业气候资源分布见图2，可以看出，加热期时间（图2-a）表现为1高2低的分布态势，高值区位于川西高原，2个低值中心分别位于四川盆地南部以及攀西地区南部，一般不足 100 d，甚至攀西的一些河谷地带加热期不足50 d。相应的加热期积温（图2-b）也总体呈现攀西、四川盆地少，川西高原多的分布情况。但是由于川西高原部分地区（如西北部的石渠县附近）海拔高，气温低，导致其尽管加热期持续时间长，但加热期热量仍处于相对低值区。加热期热量条件的另一个指标——加热期负积温（图2-c）也呈现攀西、四川盆地少，川西高原多的分布情况。加热期日照时数（图2-d）则表现为盆地最少，攀西次之，川西高原最多。加热期降水量（图2-e）总体呈现川西高原最多，盆地最少的分布特征。

2.1.3 通风期设施农业气候资源分布特征通风期设施农业气候资源分布见图3。四川省通风期时间（图3-a）总体不高，呈单高值中心分布，高值中心位于盆地东部，中心区域也仅达到40 d以上，而川西高原及攀西大部均无需要通风降温的时期。反映热量条件的指标——通风期有效积温（图3-b）和通风期热积温（图3-c）的分布特征与时间大致相同。而通风期日照时数（图3-d）及通风期降水量（图3-e）的分布则略有不同，尽管二者也总体呈盆地高、高原低的分布特征，但日照时数的高值中心位于盆地的东北部，而降水量的高值中心则位于盆地南部。

2.2 四川省设施农业气候资源长期变化趋势

2.2.1 适宜期设施农业气候资源长期变化趋势利用气候倾向方法对适宜期各气候资源长期变化趋势进行分析可知，适宜期各气候资源长期变化趋势差异明显。适宜期时间盆地地区除盆中、盆东北及盆南部分区域呈略减趋势外，其他地区大多呈上升趋势，上升速率介于0～5 d/10年;攀西地区及川西高原则大多呈上升趋势，且上升速率高于盆地区。适宜期有效积温除个别站点呈略减趋势外，绝大多数站点呈上升趋势。适宜期降水量则有明显的区域差异，其中盆地地区以下降趋势为主，且以盆地西部下降趋势最为明显，可达50～100 mm/10年;攀西地区多表现为略上升趋势;而川西高原也以上升趋势为主，但上升速率较大，多为30～70 mm/10年。适宜期日照时数变化局部特征明显，整体呈下降趋势，下降趋势较明显且集中分布的区域主要在盆地西部、川西高原南部等地。

2.2.2 加热期设施农业气候资源长期变化趋势从加热期各设施农业气候资源的长期变化趋势来看，加热期时间四川地区整体呈下降趋势，特别是成都平原地区，加热期减少趋势最为明显，减少速率多为5～15 d/10年。加热期积温减少趋势最为明显的区域同样位于成都平原地区，减少速率多为 30～75 ℃/10年，此外，盆东北大部及盆西南也表现为减少趋势，而盆中及盆南及川西大部则以上升趋势为主。加热期负积温四川地区表现为比较一致的下降趋势。加热期降水量盆地西部呈下降趋势，盆东北、盆中、盆南及攀西地区大部则为上升趋势;而川西高原整体呈现北降南升的变化趋势。加热期日照时数全省大多数站点表现为下降趋势，其中盆地及攀西地区下降速率多为0～50 h/10年，川西高原下降趋势较明显，多为50～160 h/10年。

2.2.3 通风期设施农业气候资源长期变化趋势由“2.1.3”节可知，通风期内四川地区农业气候资源主要集中在盆地区域。其中通风期时间盆中、盆西北及盆西南主要表现为上升趋势，特别是成都平原地区上升趋势最明显，可达 2～4 d/10年，盆东北部分地区及盆南则主要表现为下降趋势。通风期有效积温的变化趋势与时间表现出比较一致的分布特征，呈上升趋势的地区主要分布在盆西北、盆西南、盆中及盆东北部分地区，上升速率为0～75 ℃/10年，呈下降趋势的地区则主要分布在盆南及盆东北部分。通风期热积温四川地区大部分站点表现为上升趋势。降水量则主要表现为盆东北-盆西北及盆西南以上升趋势为主，盆中及盆南以下降趋势为主。而通风期日照时数四川地区普遍表现为下降趋势，其中下降趋势最为显著的地区位于盆东北、盆中、盆南地区，可达30～55 h/10年。

综上所述，从各时期设施农业气候资源的长期变化趋势来看，四川省大多数站点适宜期时间和有效积温呈上升趋势，但适宜期降水量变化有明显的区域差异，同时适宜期日照时数整体呈下降趋势;加热期时间、日照时数、积温及负积温几个要素在四川地区大部呈现下降的趋势，但降水条件大部地方表现出上升的趋势;通风期时间、有效积温、热积温四川盆地区域大体表现为上升趋势，盆地区域降水量呈现出南减北增的反位相变化趋势，通风期日照时数盆地区普遍表现为下降趋势。

2.3 四川省设施农业气候资源年代际变化特征

2.3.1 适宜期各要素代际变化分析适宜期各要素的年代际变化（图4～图7），对比20世纪80年代与20世纪70年代，四川地区适宜期时间出现增加的区域大部分集中在盆地地区，且盆地地区大部有效积温明显增加;适宜期降水量全省仅有盆西边缘山区地带出现了减少趋势，其余大部分地区降水量增加;适宜期日照时数四川地区大部减少。对比20世纪90年代与20世纪80年代，四川地区大部分区域适宜期时间减少，其中盆地减少较为明显;适宜期有效积温和降水量减少区域主要集中在盆地农区，且盆东北减少最为明显;适宜期日照时数全省大部分区域均减少。对比21世纪前11年与20世纪90年代可知，适宜期时间、有效积温、日照时数全省普遍增加;适宜期降水量盆地大部出现增加趋势，其他地方明显减少。

2.3.2 加热期各要素代际变化分析图8至图12可知，对比20世纪80年代与20世纪70年代，加热期时间、积温、负积温及日照时数等要素四川地区大部表现为减少，仅加热期降水量省内整体以增多为主。对比20世纪90年代与20世纪80年代可知，加热期时间、积温、降水量四川地区大部表现出较为明显的增加趋势;加热期负积温省内大部减少;加热期日照时数四川省大部区域减少。对比21世纪前11年与20世纪90年代，加热期时间、10 ℃以上积温、负积温、降水量及日照时数全省仅个别地区增加，其余大部分地区均为减少。

2.3.3 通风期各要素代际变化分析图13至图17可知，对比20世纪80年代与20世纪70年代可知，总体而言，通风期时间、有效积温、热积温盆地地区普遍呈减少状态，且表现为自西向东减少趋势增大;通风期降水量与日照时数盆地内表现为一致的减少态势。对比20世纪90年代与20世纪80年代，通风期时间、有效积温、热积温与日照时数表现为比较一致的增加状态;通风期降水量盆东北、盆西北大部、盆西南表现为增加状态，增值大多在0～75 mm范围内，盆南及盆西北部分地区呈减少状态。对比21世纪前11年与20世纪90年代，通风期盆地农区各要素大体呈增加状态，但日照条件盆地东部和南部减少。

综上可知，20世纪80年代与20世纪70年代对比，适宜期内盆地区设施农业气候资源中的时间、降水量和积温要素表现出增加态势，日照时数表现为减少;加热期及通风期各要素以减少为主。20世纪90年代与20世纪80年代对比，适宜期各要素均表现为减少;加热期和通风期各要素以增加为主。对比21世纪前11年与20世纪90年代，适宜期和通风期盆地区各要素大体上呈增加的趋势;加热期各要素表现出一致的减少态势。说明20世纪70年代与90年代是盆地地区适宜期热量及水资源相对匮乏的时期，80年代是通风期气候资源匮乏时期，之后呈上升趋势。

3 结论和讨论

本研究通过构建四川省设施农业气候资源的小网格推算模型，得到四川省设施农业气候资源气候空间分布特征，并讨论各要素的长期变化趋势及代际变化特征，可为科学认识四川省设施农业气候资源变化提供科学依据。研究结论：（1）四川盆地、川西高原以及攀西地区的设施农业气候资源空间分布特征差异明显。（2）适宜期、加热期和通风期设施农业气候资源主要因子的长期变化趋势各有不同。全省大部适宜期时间和积温呈上升趋势，适宜期日照时数整体表现为下降趋势，适宜期降水量变化区域差异明显;加热期除降水条件省

内大部分区域表现出上升趋势外，其余要素大多呈下降趋势;通风期时间、有效积温和热积温盆地区域大体表现为上升趋势，降水呈现出南减北增的反位相变化趋势，日照普遍表现为下降趋势。（3）从代际变化来看，20世纪70年代与20世纪90年代是盆地区域适宜期热量及水分资源相对贫乏时期，在20世纪80年代与21世纪前11年适宜期热量资源分别较20世纪70年代和20世纪90年代呈增加趋势，盆地区域加热期设施农业气候资源表现出一致的减少趋势;20世纪80年代是通风期气候资源匮乏时段，但自20世纪90年代以来，通风期气候资源大体呈现持续增加的趋势。

近40年四川地区适宜期、加热期及通风期设施农业气候资源的不均匀变化，将导致四川省设施农业生产的不稳定性增加，需要调整相应的防灾减灾措施、种植结构及农产品布局，以提高设施农业对气候变化的适应能力和抗灾能力，从而规避极端气象灾害事件增多导致的不利影响[26-27]。

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