阿克苏河流域气候变化特征及其对农业生产的影响*

阿曼妮萨·库尔班，满苏尔·沙比提，赵景啟，艾克旦·依萨克

新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054

近年来气候变化研究渐渐成为生态学的一个热点，从20 世纪80 年代以来，有许多气候学家对全球气候变化做了不少研究［1］，IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会）第5 次报告指出，全球气候变化依然是一个世界性的问题（IPCC，2013），1951—2012 年全球平均地表温度的升温速率为0.12 ℃/10a，其中2000—2010 年为最温暖的10 a［2-3］。在全球气候变化背景下，我国在水资源领域、林业和生态环境、海岸带、海域、城市领域，特别对农业结构、布局和生产带来很大影响［4］。我国大部分干旱、半干旱地区分布在西北地区，施雅风等在西北气候变化研究中指出，西北地区的气候可能由暖干向暖湿转型［5］。新疆是受气候变化影响最严重的区域之一，最近几年来许多研究者对新疆气候的变化特征及其带来的影响进行了大量研究［6-12］。研究表明，气候变暖对干旱半干旱区农业的农业气候资源和农业生产条件带来影响，主要表现为积温增加、生育期延长，像棉花、小麦等喜温性农作物适宜区面积扩大、产量增加等［13］。张雪琪等在叶尔羌河平原绿洲的研究中，同样提出气候变化对农作物生育期、化肥施用量和产量的影响［14］。阿克苏河流域是一个独立的生态系统，姜海波等提出阿克苏河流气温呈上升趋势［15］。该流域是新疆主要的灌溉绿洲农业区和重要的粮食、瓜果生产基地之一，也是中国重要的棉花生产区，气候变暖不仅会导致阿克苏河流域农作物产量的增加，也会促进棉花、小麦等喜温作物适宜区面积的扩大［15］。本文以阿克苏河流域为研究区，分析近50 多年来气候变化特征及其对农业生产的影响，为研究区未来的农业发展和农业结构优质化、多样化提供科学参考依据，并对未来气候预测与评价提供科学依据。

1 研究区概况

阿克苏河流域位于新疆维吾尔自治区西部、塔里木盆地西北部，地处塔里木河上游平原地区，地理位置为75°35'～80°59'E，40°17'～42°27'N。流域面积5.0 万km2。阿克苏河由发源于吉尔吉斯斯坦境内昆马力克河和托什干河两大干流汇流而成［16］。流域气候属温带大陆性干旱气候，气候干燥、少雨，多年平均降水量约45 mm，20 m2水面蒸发量1 500 mm，流域多年平均气温9.2～11.5 ℃，流域地形是西北高、东南低［17］。受地形影响，阿克苏河流域垂直地带性规律非常显著，托木尔峰和汗腾格里附近高山区的年降水量在900 mm 以上，而海拔约1 000 m 的区域年降水量仅50 mm左右，年降水量随高程的递增率约16.8 mm/(100 m)，终年降水较稀少［18］。据统计年鉴数据显示，2017年该流域常住人口为141百万人，农作物播种面积为37.5 万hm2，农业产值为11.3×104万元，主要以种植小麦、玉米、棉花为主（图1）。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the research area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

气象资料来源于中国气象数据网（http：//data.cma. cn/），选取1967—2019 年阿克苏河流域阿克苏站（41°07'E，80°23'N，海拔1 107 m）和柯坪站（40°30'E，79°03'N，海拔1 162 m）逐日气象实测数据按月、季节、年进行统计整理。研究中划分四季，以3～5 月为春季，6～8 月为夏季，9～11月为秋季，12 月和次年1 月、2 月为冬季［19-20］。数据经极值、最大值检验、时间一致性检验、手动抽查均无误。1967—2018 年的农作物播种面积、单产、施肥量等农业数据来源于《阿克苏辉煌50年》［21］与新疆2000—2019年统计年鉴［22］。

2.2 研究方法

本文利用计算的气象要素时间序列，建立一元回归方程，得出研究区气温、日照时数演变趋势与变化倾向率。运用SPSS 对气温、日照时数与棉花单产量进行相关性分析，得出气象要素变化与棉花单产量之间的相关性关系。

为研究气象要素y在气候变化中的长期变化趋势，一般采用一元回归方程来描述，公式为

其中y为时间序列（年）；b为回归系数，反映变化趋势，正为增加，负为减少，通常用×10 来表示气象要素的变化速率，即气候倾向率［23］。

气象要素的突变检验采用Mann-Kendall 趋势检验分析法，借助累计距平法确定突变年份，选择研究区内2 个气象站检测1967—2019 年的年平均气温、日照时数进行突变分析，借助累计距平法确定突变年份。其原理是对于时间序，构造一个秩序列以反映第个样本的累计数，定义统计量

组成一个UF 曲线，通过信度检验可得出其是否有明显的变化趋势。式中，Sk是第i个时刻数值大于j个时刻时，数值个数的累加；E(Sk)和Var(Sk)分别是Sk的均值和方差。把研究区1967—2019 年的气温和日照时数数据运用到反序列当中，计算得到另一条曲线UB，则这两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。当UF 或UB 的值大于0，表示序列呈上升趋势，反之，序列则呈下降趋势［24］。

累积距平是判断气候变化的一种方法，对研究区的突变点进行分析时可用累积距平法。对于序列x，某一时刻t的累积距平表示为

式中xi为第i年的气候要素，-x为多年的气候要素平均值，算出各个时刻的累计距平值，即可绘出累积距平曲线进行分析。累积距平曲线呈上升趋势，表示增加，反之减小。

3 结果与分析

3.1 气候变化特征分析

3.1.1 气温变化

1）趋势分析。从阿克苏站、柯坪站气温变化图（图2 a）可知，在1967—2019 年间阿克苏站的气温以0.515 ℃/10a的倾向率增加，近50多年平均气温为10.7 ℃，年平均气温1967 年为9.1℃，2019 年为12 ℃；年平均气温最高值出现在2016年，为12.3 ℃，年平均最低气温出现在1974 年，为9 ℃，最高值与最低值相差3.3 ℃。柯坪站在研究期间平均气温为11.6 ℃，倾向率为0.023 ℃/10a，年平均气温从1967 年的10.6 ℃增加到2019年的11.4 ℃，只增加了0.8 ℃；年平均气温最高值出现在1990 年，为12.6 ℃；年平均最低气温出现在2012 年，为10.2 ℃，最高值与最低值相差2.4 ℃。阿克苏站、柯坪站日最高气温出现在2017年和1983年，分别为39.7和42.7 ℃，日最低气温都出现在1967 年，即-26.8 和-29.3 ℃。阿克苏站将1997 年作为一个转折点，1996—1997 年平均气温从9.7 ℃直接增加到11.1 ℃；1997—2019 年共23 年间，年平均气温为11.6 ℃；1967—1996 年平均气温增加了1.6 ℃，而柯坪站气温变化呈不显著增长趋势。

图2 阿克苏、柯坪站气温年际变化（a）和累计距平图（b）Fig.2 Annual temperature variation(a)and cumulative anomaly(b)of Aksu and Keping stations

表1 和表2 分别为两个气象站的季际、年代际变化表。从表1可以看出，阿克苏站年代际气温变化趋势与年际变化趋势基本一致，即增加趋势（图略）。春季至冬季平均气温分别为14.0、23.3、10.5 和-5 ℃，从20 世纪70 年代的13.3、22.6、9.7 和-6.2 ℃增加到2010—2019 年的15.5、24.4、11.6 和-4.8 ℃，1967—2019 年以0.543、0.455、0.544 和0.39 ℃/10a 的倾向率增加。而柯坪站春、夏、秋、冬季平均气温分别为14.9、24.7、11.4和-4.8 ℃，从1967 年的14.6、25.4、10.4 和-5.2 ℃依次增加到2019 年的15.3、24、11 和-4.8 ℃。春季和冬季气温表现出以0.159 和0.234 ℃/10a 的倾向率增加，夏季和秋季气温分别以-0.234和-0.412 ℃/10a 的倾向率减少；柯坪站近50 多年来的平均气温，20 世纪70 年代和2000 年代均为11.4 ℃，20 世纪90 年代则为11.8 ℃。70 年代的春、冬季气温从14.7 和-5.6 ℃升高到2011—2019年的15.3 和-4.4 ℃，而夏、秋季气温从25.1 和11.7 ℃减少到23.2和10 ℃。

表1 1967—2019年阿克苏站年代际、季际气温T（℃）、日照时数Sd（h）变化表Table 1 Interseasonal temperature&sunshine hours of Aksu station during 1967-2019

表2 1967—2019年柯坪站年代际、季际气温T（℃）、日照时数Sd（h）变化表Table 2 Interseasonal temperature T（℃），sunshine hours Sd（h）of Keping station during 1967-2019

2）突变分析。从图3 中可以看出，阿克苏站平均气温UF 曲线在1967—2019 年间表现出增加趋势，UF 和UB 曲线在1997 年附近相交，相交点在信度线以外，之后UF 持续上升，并远远超过信度线，而且累计距平值最大值也出现在1997 年，为20℃（图2 b），从1998 年开始累计距平值逐渐减少，因此，可以认为阿克苏站气温在1997 年发生一次突变。从柯坪站UF 曲线变化趋势来看，从1967—1990 年UF 曲线呈增加趋势，1991—1996 年呈减少趋势，1997—2002 年有呈增加趋势，2003年开始逐渐减少，并且没有超过信度线；UF、UB曲线在1974 年和2018 年附近相交，柯坪站年平均气温最小值出现在2012 年，累计距平最小值出现在2012 年，因此可以认为柯坪站气温变化趋势不明显，而且没有发生突变。

图3 阿克苏和柯坪站气温突变检验Fig.3 Abrupt temperature change test at Aksu(a)and Keping(b)stations

3.1.2 日照时数变化

1）趋势分析。从阿克苏、柯坪气象站1967—2019 年间年际变化趋势可知（图4a），年年平均日照时数分别为2 853.9 和2 727.4 h，总体呈减少趋势，倾向率分别为3.806 和-32.916 h/10a。阿克苏站1967 年日照时数为3 035 h，2019 年日照时数为2 728.9 h，年总日照时数呈减少趋势，减少了306.1 h，1970 年代日照时数总体上呈增加趋势，到了1980 年代后呈减少趋势，1995 年出现了日照时数峰值，为3 136.6 h；1995—2008 年阿克苏站日照时数呈减少趋势，出现了日照时数最小值，即为2 504.6 h；柯坪站日照时数从1967 年的2 736.4 h减少到2019年的2 596 h，1998年的日照时数最少，为2 217.6 h，2014 年的最多，为3 168.3 h；从1967 年开始一直到90 年代初，变化波动比较小，但是1990—2019 年日照时数变化趋势呈波动式变化。从5年移动平均法来看，研究期间内阿克苏站和柯坪站日照时数都在2010 年和2015年附近变化比较明显。

图4 阿克苏、柯坪站日照时数年际变化和累计距平图Fig.4 Annual variation(a)and cumulative anomaly(b)of sunshine hours at Aksu and Keping stations

从四季变化趋势来看（表1和表2），研究区日照时数总体上呈增加趋势，阿克苏站、春、秋季日照时数以4.032、0.838 h/10a 的倾向率增加，夏、冬季日照时数以-6.946 和-3.619 h/10a 减少，春、秋季日照时数从70 年代的724.1 h 和736 h 增加到2010～2019年的736.7和739 h，夏、冬季日照时数从70 年代的891.3 和567 h 减少到2010—2019年的883.4 和532.2 h。柯坪站四季日照时数以-3.15、-18.489、-9.931和-8.712 h/10a倾向率减少。总体来说，阿克苏河平原绿洲年代际、季际总体变化趋势是平均气温增加、日照时数减少，而气候的季节性变化直接影响到农业生产条件和农业气候资源条件，从而导致农业生产的变化。

2）突变分析。如图5 所示，阿克苏站日照时数UF、UB 曲线在信度线内发生变化，说明阿克苏站日照时数变化趋势不显著，累计距平最小值-864.4 h 出现在1988 年，1967—2019 年间，平均日照时数最小值出现在2008 年，为2 504.6 h；为此，从阿克苏站的日照时数趋势变化和突变检验、累计距平值（图4b）相结合分析，可以认为未发生突变。从柯坪站日照时数突变检验中可以看出，UF 曲线在1967—198 年间呈上升趋势，从1989 年开始逐渐下降趋势，而且UF、UB 曲线在1990 年相交，从1989 年开始发生了一次转折，累计距平值也在1990 年出现最小值，即2 198.3 h，因此基本上可以认为柯坪站日照时数在1990 年发生了一次突变。

图5 阿克苏站和柯坪站日照时数突变检验Fig.5 Abrupt change of sunshine hours at Aksu(a)and Keping(b)stations

3.2 气候变化对农业生产的影响

3.2.1 农业气候资源的变化从研究区≥10 ℃积温在近50 多年的空间分布图（图6）与变化曲线图（图7 a）得知，阿克苏、柯坪站≥10 ℃积温与年平均气温表现出明显的趋同性，即随着气温的升高≥10 ℃积温及其持续时间亦不断增大。从研究区1967—2019年间的≥10 ℃积温变化趋势（图7a）可以发现，阿克苏、柯坪站≥10 ℃积温的多年平均值为4 240.1 ℃/d，多年平均持续日数为210.6 d；1997 年发生突变之前的30 年内，有22 年的≥10 ℃积温小于平均值，只有8 年的≥10 ℃积温大于平均值；1997年之后的23年内只有3年的≥10 ℃积温小于平均值，20年的≥10 ℃积温大于平均值。研究区≥10 ℃积温的持续日数在突变年份之前的20年小于平均值210.6 d，只有6 年大于平均值；1997 年之后的23 年内有18 年的≥10 ℃积温持续日数大于平均值，6 年的≥10 ℃积温持续日数小于平均值。可以说明，研究区气温的增加导致≥10 ℃积温与持续日数的不断增大，也会推进同期负积温的减少，尤其是在1996年气温发生突变之后，≥10 ℃积温明显增加（图6），从而给农作物的生长具备良好的生长环境和越冬环境的同时，提前了农作物播种期和生育期。

图6 1967—1996年和1997—2019年研究区≥10 ℃积温空间分布Fig.6 Spatial distribution of accumulated temperature≥10 ℃during 1967-2019

图7 阿克苏河流域≥10 ℃积温变化趋势及其与棉花单产关系图Fig.7 Variation trend of accumulated temperature≥10 ℃(a)in Aksu River Basin and its relation to cotton yield per unit area(b)

3.2.2 农业生产条件的变化

1）化肥施用量的变化。研究区的主要生产方式和生产活动以农业为主，该区粮食性农作物和经济性农作物的生产质量和速度对经济发展有直接的影响。气候变暖，土壤有机质的微生物分解加快，肥效保持时间缩短，尤其是氮肥，温度每升高1 ℃，释放周期缩短3.6 d［25］。从研究区最近30 年来化肥施用量变化情况来看，化肥施用量从1978 年约9 900 t 迅速增加到2018 年的41 万t，单位面积化肥施用量从1978 年的63.8 kg/hm2增加到2018 年的1 367.8 kg/hm2。化肥使用量的增加促进土壤有机质含量的减少、提高农业成本，进而导致产量和农业产值，对流域生态环境也带来破坏。

2）生长发育期变化。阿克苏河流域是我国著名的棉花生产基地，因此，在气候变化对生长发育期的影响分析中，以棉花的春季播种期和秋季停止生长期及其与研究区气候变化的关系为例，探讨近50 年来研究区气温增长对棉花生育期的影响。研究期间内，阿克苏、柯坪站春秋季平均气温在不断升高，春季气温从13.3 和14.6 ℃升高到15.9 和15.6 ℃，秋季气温从8.7 和10.4 ℃升高到12 和11 ℃，从而导致研究区春季农作物播种期提前和秋季早霜期推迟，致使棉花的生长发育期延长。阿克苏河流域棉花播种期从20 世纪60 年代的4 月17 日提前到2010—2018 年的4 月8 日，停止生长期从9 月7 日推迟到9 月10 日，生育期从175 d延长到191 d。生育期的延长为棉花生长和发育提供了更多的热量资源和生长条件，有利于棉花的生产速度和质量。

3）单产的变化。气温、日照时数等气候因素的变化直接影响农作物的生长和生产，气温的增加对棉花等喜温作物提供良好的生长条件，进而提高质量和产量，日照时数的减少会影响农作物的光合作用，从而对不同的作物带来不同程度的影响。研究区气温不断增加，日照时数呈减少趋势，由图6 可以发现，≥10 ℃积温与棉花单产呈正相关关系。研究期间阿克苏、柯坪站平均≥10 ℃积温以65.7 ℃/10a 的倾向率在增长，1967—1996 年研究区≥10 ℃积温增长速度缓慢，同期棉花单产量增长速度也慢，而从1997 年开始，即气温发生一次突变之后随着≥10℃的增长棉花单产量都快速增加，棉花单产量从1967 年的287.8 kg/hm2增加到2018年的1 218 kg/hm2，以262.18 kg/10a的倾向率增加；多年平均单产量为726.2 kg/hm2，1992年以前的棉花单产量均小于平均值，之后的26 年棉花单产量均大于平均值。因此，20 世纪90 年代以来研究区气温不断增长，给农作物提供了良好的农业气候资源，从而提高产量。

4 结 论

通过采用一元线性回归、M-K 检验和突变分析等方法，对阿克苏河近50 多年来气温、日照时数等气候因素变化对农业生产的影响进行分析和研究，得出以下结论：

1）研究区1967—2019 年气候变化趋势明显，即气温升高、日照时数减少。阿克苏站、柯坪站增温倾向率分别为0.515、0.023 ℃/10a，年平均气温为10.7 和11.6 ℃；阿克苏站春、秋季增温趋势明显，为0.543 和0.544 ℃/10a，柯坪站春、冬季气温变化明显，表现出以0.159 和0.234 ℃/10a的倾向率增加。阿克苏、柯坪站日照时数呈减少趋势，倾向率分别为3.806 和-32.916 h/10a，平均日照时数为2 853.9 和2 727.4 h；阿克苏站秋季日照时数变化明显，增加幅度表现为0.838 h/10a，柯坪站夏季变化幅度最大，为-18.489 h/10a 减少。阿克苏站气温在1997 年发生突变，柯坪站日照时数在1990年发生一次突变。

2） 气候变暖对农业气候资源影响明显。1967～2019 年间研究区≥10 ℃积温的平均值为4240.2 ℃/d，平均持续时间为210.6 d；1997 年发生突变后，≥10 ℃积温的平均值增加到4 368.8 ℃/d，持续日数增加到214.9 d。

3）气候变化对农业生产条件的影响明显。研究区化肥施用量从1978 年的63.8 kg/hm2增加到2018 年的1 368.8 kg/hm2，近40 年增加了1 304 kg/hm2，棉花单产量从1967 年的287.8 kg/hm2增加到2018年的1 218 kg/hm2，以262.18 kg/10a的倾向率增加，提高了930.2 kg/hm2。棉花播种期提前了9 d、停止生长期推迟了3 d、生育期延长了6 d，为植物的营养吸收和更多资源营造了机会。