1981—2018年柴达木盆地作物生长季气象要素时空变化特征分析

2021-10-23许学莲雷玉红曹雪枫许清霞祁栋林祝存兄梁志勇何生录李存莲

湖北农业科学 2021年18期

许学莲，雷玉红，曹雪枫，许清霞，祁栋林，祝存兄，梁志勇，何生录，李存莲，李璠

（1.格尔木市气象局，青海格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，西宁 810001；3.都兰县气象局，青海夏日哈 816100；4.海西州气象局，青海德令哈 817000；5.青海省气象科学研究所，西宁 810001）

全球环境变化（特别是气候变化）是当前科学界和决策界的关注热点［1］。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告中指出，近110年（1901—2012年）全球平均地表温度上升了0.89℃。全球变暖使水循环过程变化速度加快，对地表的水热平衡状况产生影响，使地表干湿状况以及生态环境系统发生改变［2］。

柴达木盆地地处西北内陆，受夏季风影响较弱，加之青藏高原的隆升阻挡了来自印度洋、孟加拉湾的水汽，使得该地成为青藏高原气候变化最为敏感的地区，其气候变化呈暖湿化趋势，同时亦存在着一定的空间差异性［3-8］。柴达木盆地区域气候变化不仅受全球变化、太阳辐射特别是夏季太阳辐射作为驱动力的影响十分显著［9，10］，同时也是青藏高原持续隆升，使得季风环流不断演变的产物［11，12］。农业气候资源在农业生产中起着主导作用，农业对气候变化非常敏感，任何气候变化都会带来潜在的或明显的影响，是受气候变化影响最大、最直接的行业之一［13，14］。

柴达木盆地区域内太阳辐射强、热量资源丰富，有利于农作物生长和发育，主要种植春小麦、油菜、青稞、马铃薯、豆类、枸杞等农作物。近几年来，柴达木盆地红枸杞种植已接近饱和，新型经济作物藜麦受到广大农户和企业的青睐而被大面积种植，成为柴达木盆地农业经济发展的又一支柱。针对柴达木盆地气候变化及其影响方面的研究较多［15，16］，但多偏重于气温和降水等气候变化方面的研究，对农业气候资源变化的相关研究却很少［17-20］。因此，在气候变暖的大背景下，本研究拟运用现代气候统计与诊断方法对1981—2018年柴达木盆地作物生长季气象要素变化特征进行分析，对合理利用气候资源优势，开发柴达木盆地作物生长资源，减轻和避免不利气候条件的影响，促进农业可持续发展具有一定的指导意义。

1 研究区域概况

柴达木盆地是中国著名的内陆干旱盆地之一，地处青海省西北部，位于中纬度西风带和东亚季风系统的交界地带。盆地四周被高山环抱，南部为昆仑山，东北部为祁连山，西北部为阿尔金山和祁漫塔格山，海拔高度为2 675～3 350 m。气候干燥，降水稀少，太阳辐射强，年日照时数在3 000 h以上，昼夜温差大，冬季寒冷漫长、夏季凉爽短促，属典型的中纬度高寒、干旱大陆性气候。降水量的地域和年内分布不均，降水由四周向盆地中心递减，四周山区年降水量为150～300 mm，盆地中心年降水量小于50 mm，西北部仅为25 mm，降水多集中在夏季，盆地内部年蒸发能力则高达1 800 mm以上，但地表及地下水资源相对比较丰富。柴达木盆地独特的沙地土壤和气候条件，特别适合枸杞、黎麦等特色农作物的生长。柴达木盆地小麦、青稞、油菜等作物于3月下旬播种，8月中下旬成熟。枸杞和黎麦作物一般4月底至5月初开始发芽，8月上旬至下旬进入夏果成熟期，9月为秋果成熟期。故柴达木盆地作物生长季为4—9月［19，20］。

2 资料与方法

2.1 资料来源

1981—2018年逐日气温（平均气温、最高气温、最低气温）、降水、日照时数、风速等资料来源于青海省柴达木盆地的德令哈、乌兰、都兰和格尔木地面气象观测站（图1）。利用逐日平均气温统计≥0℃活动积温及活动积温日数，利用逐日最低气温结合青海省霜冻发生等级日最低气温指标统计霜冻日数，并计算相对湿润度指数。以4个气象站的算术平均值代表该地区作物生长季气象要素变化状况。

图1 柴达木盆地气象观测站点

2.2 方法

2.2.1 相对湿润度指数计算湿润指数是表征某时段降水量与蒸发量之间平衡的指标之一，它能客观地反映某一地区的水热平衡状况［21］。计算公式为：

式中，K为相对湿润度指数，某一地区的相对湿润度指数越大，则表明该区气候越湿润，而相对湿润度指数越小，则气候越干燥；P为某时段降水量（mm）；P E为某时段可能蒸散量（mm）。可能蒸散量计算采用国家标准（GB/T 20481—2006）《气象干旱等级》［22］推荐的Thornthwaite方法，该方法主要以平均气温为主要依据，并考虑纬度因子（日照时长）建立的经验公式，需要的气象要素少，计算相对简单。

2.2.2 霜冻灾害等级划分霜冻是一种以低温冷害为特征的主要农业自然现象，它与最低气温有着密切关系。周秉荣［23］根据青海省主要农作物发生霜冻时对应的气象资料、受灾程度及《青海省气象灾害标准》（DB63/T 372—2018）指标，同时考虑农作物在不同发育期对最低气温敏感性的不同，将主要农作物受到霜冻灾害的危害程度分为轻度、中度和重度霜冻（表1）。

表1 青海省霜冻发生等级日最低气温指标（单位：℃）

2.2.3 研究方法采用线性倾向估计法和Mann-Kendall突变法［24］对柴达木盆地1981—2018年作物生长季平均气温、降雨量、日照时数、风速、≥0℃活动积温及活动积温日数、霜冻日数和相对湿润度指数进行线性趋势分析。当线性趋势系数为正（负）时，表示气象要素在统计年份内有上升（下降）趋势，并进行线性趋势的显著性检验。当正序列曲线U F的值大于0，表示序列呈上升趋势，小于0表示呈下降趋势。当超过临界值时，表示上升或下降趋势显著。按《世界气象组织》规定的（1981—2010年）30年平均值为气候值，分析柴达木盆地作物生长季气候要素的气候变化特征。

3 结果与分析

3.1 生长季平均气温变化趋势

气温是农作物生长发育的重要指标之一，适宜的温度与作物产量密切相关。从图2a可得知，1981—2018年柴达木盆地作物生长季平均气温以气候倾向率0.43℃/10年呈上升趋势，并通过0.01的极显著性检验。多年气温平均值为12.6℃，最大值出现在2016年，为13.9℃，最小值出现在1983年，为11.0℃，表明柴达木盆地作物生长季平均气温整体上升趋势明显。各站生长季平均气温为11.1～14.2℃，以0.32～0.52℃/10年的气候倾向率呈上升趋势，相关系数为0.55～0.83，且通过了0.01的极显著性检验（表2）。20世纪80年代至90年代前期累积距平呈下降趋势，20世纪90年代中期至21世纪10年代呈缓慢上升趋势。从平均气温年代际距平变化来看，柴达木盆地作物生长季平均气温年代际变化趋势呈明显增暖趋势（表3），20世纪80年代平均气温为负距平，属偏冷期，进入20世纪90年代以后转为正距平，属偏暖期，且气温变暖加速。从9年滑动平均曲线来看，20世纪80年代至21世纪00年代作物生长季平均气温为快速上升阶段，21世纪00年代至10年代的上升趋势比前期略有放缓。

柴达木盆地作物生长季平均温度从1981年开始经过短期下降之后均在0℃以上并呈上升趋势，1995年开始U F超过临界值，表明1995年之后柴达木盆地气温呈明显上升趋势，U F和U B曲线交点位于1991—1992年（图2b），这与累积距平曲线呈V形趋势相吻合，柴达木盆地作物生长季气温由相对偏冷期跃变为相对偏暖期。

图2 柴达木盆地1981—2018年作物生长季平均气温变化趋势和突变检验

3.2 生长季降水、日照、风速变化趋势

作物生长季降水对作物的生长发育有至关重要的作用。日照是光合作用的条件之一，光照过少、光合作用时间过短，会导致植物生长缓慢，从而影响作物产量。作物生长季降水量以17.08 mm/10年的速率呈增加趋势（图3a），且通过了0.01的极显著检验。降水量多年平均值为152.8 mm，最大值出现在1989年，为220.4 mm，最小值出现在2013年，为99.4 mm。各站平均降水量为42.1～194.2 mm，以3.4～23.4 mm/10年的气候倾向率呈增加趋势，其中，德令哈站和乌兰站通过了0.01的极显著性检验，都兰站通过了0.05的显著性检验，格尔木站未通过显著性检验（表2）。20世纪80年代至21世纪00年代初期降水量累积距平曲线呈明显下降趋势，进入21世纪00年代降水量累积距平曲线呈上升趋势。从平均降水量年代际距平变化来看，20世纪80年代和90年代为负距平，属降水偏少时期，前后两时段降水量相差17.8 mm，21世纪00年代和10年代为正距平，属降水偏多时期，21世纪00年代比20世纪90年代降水量增加45.1 mm。9年滑动平均曲线表现为20世纪80—90年代降水量呈下降趋势，进入21世纪00年代降水量呈增加趋势，10年代后呈缓慢波动趋势。

作物生长季降水日数以1.64 d/10年的速率呈增加趋势（图3b），未通过0.05显著性检验，多年降水日数平均值为41.3 d，最多日数出现在1989年，为60 d，最少日数出现在2000年，为31.3 d。各站平均降水日数为23.0～49.3 d，以0.1～3.2 d/10年的气候倾向率呈增加趋势，仅德令哈站通过了0.05的显著性检验。20世纪80年代至21世纪00年代初期降水日数累积距平曲线呈明显下降趋势，进入21世纪00年代降水日数累积距平曲线呈上升趋势。从平均降水日数年代际距平变化来看，20世纪90年代为负距平，属降水日数偏少时期；21世纪00年代和10年代为正距平，属降水日数偏多时期，21世纪00年代比20世纪90年代降水日数增加8.8 d。降水日数9年滑动平均曲线与降水量表现一致。

作物生长季日照时数以-38.77 h/10年的气候倾向率呈减少趋势（图3c），且通过了0.01的极显著性检验。柴达木盆地作物生长季日照时数多年平均为1 590.6 h，最大值出现在1994年（1 735.8 h），最小值出现在2018年（1 357.2 h）。20世纪80年代至90年代末期，日照时数累积距平曲线呈上升趋势，21世纪00年代后累计距平曲线呈下降趋势。从年代际距平来看，20世纪80—90年代为正距平，且呈增加趋势；21世纪00年代至10年代为负距平，日照时数呈减小趋势，且减小幅度较大，21世纪00年代比20世纪90年代减少了85.8 h。9年滑动平均曲线表现为20世纪90年代中期前日照时数略有上升，20世纪90年代中后期至21世纪10年代呈下降趋势。各站平均日照时数为1 571.1～1 639.6 h，以-17.8～-55.8 h/10年气候倾向率呈下降趋势，德令哈站和都兰站都通过了0.01的极显著性检验，格尔木站通过了0.05的显著性检验，乌兰站未通过显著性检验。

图3 柴达木盆地1981—2018年作物生长季降水、日照、风速及累计距平变化趋势

作物生长季平均风速以-0.17 m/（s·10年）的气候倾向率呈减小趋势（图3d），且通过了0.01的极显著性检验。多年平均风速为2.4 m/s，最大值出现在1981年（3.0 m/s），最小值出现在2001—2003年和2018年，均为2.0 m/s。各站平均风速为2.1～2.7 m/s，都兰站以0.19 m/s/10年的气候倾向率显著增大，格尔木站、德令哈站和乌兰站以-0.15～-0.39 m/（s·10年）的气候倾向率极显著减小（表2）。20世纪80年代至90年代中期累积距平曲线呈上升趋势，20世纪90年代末期至21世纪10年代累积距平曲线呈下降趋势。从年代际距平来看，20世纪80年代为正距平，20世纪90年代至21世纪10年代为负距平。从9年滑动平均曲线来看，主要表现为2个阶段：20世纪80年代至21世纪00年代初期风速呈下降趋势，21世纪00年代中期至10年代呈缓慢上升趋势（表3）。

表2 柴达木盆地作物生长季气温、降水、日照、风速、相对湿润度指数、霜冻日数、≥0℃活动积温和≥0℃活动积温日数各站变化

表3 柴达木盆地作物生长季气象要素气温年代距平变化

3.3 作物生长季≥0℃活动积温及日数变化趋势

≥0℃活动积温的数量反映作物生长发育对热量条件的满足程度，也是评价某地区热量资源的重要指标。从图4得知，1981—2018年柴达木盆地作物生长季≥0℃活动积温和活动积温日数均呈明显增加趋势，气候倾向率分别为77.86℃/10年和0.39 d/10年，均通过了0.01的极显著性检验。≥0℃活动积温和活动积温日数多年平均值分别为2 305.4℃和181.6 d，≥0℃活动积温最大值出现在2016年，为2 550.6℃，最小值出现在1983年，为2 028.1℃，极值出现年份与平均气温出现年份一致。而≥0℃活动积温日数最大值出现在1992、1997—1998、2002、2012年，均为183.0 d，最小值出现在1989年，为177.8 d。各站≥0℃活动积温为2 038.6～2 607.4℃，以58.1～95.9℃/10年的气候倾向率呈上升趋势，且通过了0.01的极显著性检验（表2）。20世纪80年代至90年代前期累积距平曲线呈下降趋势，20世纪90年代中期至21世纪10年代呈上升趋势。从≥0℃活动积温年代际距平变化来看，柴达木盆地作物生长季≥0℃活动积温年代际变化趋势呈明显增暖趋势，20世纪80年代为负距平，属活动积温偏少期；20世纪90年代之后为正距平，属活动积温偏多期，且≥0℃活动积温增加加速，20世纪90年代比20世纪80年代≥0℃活动积温增加了165.4℃。9年滑动平均曲线整体表现为20世纪80—90年代呈快速上升趋势，21世纪00—10年代出现缓慢波动（表3）。

图4 柴达木盆地1981—2018年作物生长季≥0℃活动积温和≥0℃活动积温日数及累积距平变化趋势

≥0℃活动积温日数平均值为180.0～182.7 d，以-0.11～0.73 d/10年的气候倾向率呈上升趋势，都兰站、乌兰站均通过了0.05的显著性检验，德令哈站和格尔木站未通过显著性检验（表2）。≥0℃活动积温日数累积距平曲线波动较大，20世纪80年代至90年代中期呈波动下降趋势，20世纪90年代末期至21世纪10年代呈波动上升趋势。从≥0℃活动积温日数年代际距平变化来看，20世纪90年代之前为负距平，20世纪90年代之后为正距平。9年滑动平均曲线整体表现为波动上升趋势（表3）。

3.4 生长季相对湿润度指数变化特征

从图5可以得知，1981—2018年柴达木盆地作物生长季相对湿润度指数呈明显增加趋势，气候倾向率为0.03/10年，且通过了0.05的显著性检验。相对湿润度指数多年平均值为-0.67，最大值出现在2018年，为-0.46，最小值出现在2001年，为-0.82。各站相对湿润度指数为-0.55～-0.91，以0～0.04/10年的气候倾向率呈上升趋势，除格尔木站外均通过了0.05的显著性检验（表2）。除20世纪80年代后期累积距平曲线短期呈上升趋势外，20世纪80年代末期至21世纪00年代初期累积距平曲线呈下降趋势，之后累积距平曲线进入上升趋势。从相对湿润度指数年代际距平变化来看，柴达木盆地作物生长季相对湿润度指数年代际变化趋势呈明显增湿趋势，20世纪80年代为正距平，属相对湿润期；20世纪90年代为负距平，属相对干旱期，21世纪00年代之后为正距平，属相对湿润期，21世纪10年代比20世纪90年代相对湿润度指数增加了0.11。相对湿润度指数9年滑动平均曲线整体表现为20世纪80—90年代呈缓慢下降趋势，21世纪00—10年代呈快速上升趋势。

图5 柴达木盆地1981—2018年作物生长季相对湿润度指数及累积距平变化趋势

3.5 生长季相对霜冻日数变化特征

霜冻是柴达木盆地的主要农业气象灾害。霜冻是一年中温暖时期土壤表面和植物表面的温度下降到0℃或0℃以下，而引起植物损伤乃至死亡的与农业有直接关联的气象灾害，它的发生主要受温度变化的控制，因而最低气温的变化势必影响到霜冻的时空变化。从图6可以得知，1981—2018年柴达木盆地作物生长季霜冻日数呈明显减少趋势，气候倾向率为-0.71 d/10年，且通过了0.05的显著性检验。霜冻日数多年平均值为4.4 d，最多日数出现在1985年，为9.8 d，最少日数出现在2000年，为0.8 d。各站霜冻日数平均为1.4～7.4 d，以-0.6～-0.9 d/10年的气候倾向率呈减少趋势，格尔木站和乌兰站均通过了0.05的显著性检验（表2）。从霜冻日数年代际距平变化来看，柴达木盆地作物生长季霜冻日数年代际变化趋势呈明显减少趋势，20世纪80年代为正距平，属相对多期，进入20世纪90年代之后为负距平，属相对少期，21世纪10年代比20世纪80年代霜冻日数减少了1.7 d。

图6 柴达木盆地1981—2018年作物生长季霜冻日数变化趋势

轻度、中度和重度霜冻日数分别以-0.49、-0.20、-0.02 d/10年气候倾向率呈减少趋势，仅轻度霜冻日数通过了0.05的显著性检验。从各站霜冻日数来看，霜冻日数最多出现在都兰站，格尔木站出现较少，该站甚至没有出现过重度霜冻灾害。

3.6 气温突变前后的气候因子

突变检验研究表明，柴达木盆地作物生长季平均气温在1991—1992年发生突变，以往相关的研究侧重于气温和降水在年、季尺度上突变前后的差异。为凸现气候因子在气候突变前后的分布情况，统计了柴达木盆地作物生长季平均气温在1991—1992年突变前后降水量、降水日数、日照时数、风速、≥0℃活动积温及日数、相对湿润度指数和霜冻日数的差值。由表4可以看出，柴达木盆地作物生长季平均气温突变前后降水量和≥0℃活动积温增加明显，分别增加17.0 mm和190.1℃，日照时数、风速和霜冻日数减少明显，分别减少50.3 h、0.5 m/s和2.3 d，而降水日数、≥0℃活动积温日数和相对湿润度指数变化不明显。

表4 柴达木盆地作物生长季气温突变前后各气候因子的变化

3.7 柴达木盆地气候资源变化对农业的影响

柴达木盆地热量资源增加（气温升高和活动积温增多）、光照资源和霜冻日数显著减少、降水资源（降水量、降水日数以及相对湿润度指数）呈显著增多或增加趋势，为农牧业生产提供了比过去更好的条件，致使农作物生长季延长，区域内宜农地增加，农作物种植面积扩大，对农业种植结构调整、种植面积扩大、农作物产量增加和发展高原特色的设施农业非常有利［14，17］。另一方面气候变暖，特别是冬季气温上升幅度大，有利于农作物病虫害的越冬繁殖，使来年病虫害增加，加重病虫害对农牧业生产的危害程度［16，17］。虽然降水量和降水日数明显增加，但相对于盆地干旱（极干旱）的绿洲农业区而言，不会产生明显的有利影响。相反由于气温升高，热量增加导致土壤的潜在蒸散增大，加大了土壤水分的无效蒸发，使水的利用率减小，使农业水分供需矛盾加剧，发生干旱的概率将增加，农业生产环境恶化［17］。