青海诺木洪近61 a农业热量资源变化特征分析
2022-02-01吴双桂韩廷芳殷春华
吴双桂，韩廷芳，殷春华，陈 芳
(1.青海省诺木洪气象站，青海 诺木洪 816102；2.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099)
引言
气候变化是全球研究热点[1～3]。气候变化不仅改变热量资源等农业气候资源的时空分布[4，5]，也改变了农作物种植制度和作物布局，进而改变作物的生长发育、产量和加重农业生产的脆弱性[6，7]。气候是农业生产最主要的限制因子，特别是热量资源的时空分布及其变化，将会对农业结构、农作物产量和种植制度产生深远的影响[8]。在气候变暖的背景下，农业热量资源也有相应的响应，大量研究表明，热量资源呈现增加趋势[9，10]。积温是衡量作物生长发育过程中所需热量条件的一种指标，同时也是表征地区热量条件的一种重要指标[11]，≥10℃积温反映着喜温作物所需热量资源的多寡，是进行农业区划的重要依据[12]。
中国枸杞之乡诺木洪地处柴达木盆地东南边缘，位于青藏高原腹地，海拔高度2 790 m。其地形是诺木洪河和河西洼洪积地形，是适宜的灌溉农业区。以往，诺木洪的农作物主要以小麦、油菜等为主。近些年由于农业产业结构不断调整，诺木洪加大了枸杞种植，为提高农业经济收入开辟了新的发展方向。近年来，国内不少学者针对≥10℃积温的变化开展研究，杨舒琳等对晋江市农业热量资源变化特征分析的研究表明，晋江市≥10℃积温呈普遍增加的趋势。袁成鑫[13]对近59 a青海湖南部地区≥0℃农业界限温度变化特征的研究表明，农业气候资源主要热量指标气温稳定通过≥0℃的初日、终日、持续日数和积温分别呈极显著提前、推迟、延长和增大趋势。因此，本文利用1961～2021年诺木洪气象站逐日、逐年平均气温资料，对日平均气温≥0℃活动积温及对应的持续日数以及日平均气温≥10℃活动积温及对应的持续日数的热量资源变化特征进行系统分析，以期有效指导和促进诺木洪的农业生产，同时为诺木洪的优质作物枸杞的引种及规避农业气候变化致灾风险等提供科学参考。
1 资料与方法
1.1 资料来源
本文利用诺木洪气象站1961～2021年的逐日、逐年平均气温资料，研究分析这一期间诺木洪地区农业热量资源的变化特征。
1.2 研究方法
1.2.1 活动积温计算 活动积温(℃·d)指某一时期内大于(包括等于)生物学下限温度的日平均温度的总和，即
式中，Ti为时段中第i天的日平均温度，B为生物学下限温度，N为计算时段的天数。
采用5日滑动平均法确定≥0℃(喜凉作物)和≥10℃(喜温作物)界限温度的起止日期，计算稳定通过0℃和10℃的持续日数和活动积温等热量要素。
1.2.2 气候倾向率[14]通常用一次直线方程来描述气候要素的变化趋势：
y(t)=a+bt
式中，t为时间序列，a为经验系数，可通过回归分析方法中的最小二乘法求取，b为趋势变化率，当b为正(负)表示气温要素有增加(减小)趋势，b×10为气候倾向率，表示气温要素10 a的变化速率。
1.2.3 Mann-Kendall 突变检验 M-K法通过构造正序列(UF)和逆序列(UB)进行计算，根据正逆序列统计量的曲线判断气象要素的变化趋势及突变特征。当正序列(UF)的值大于0，表示序列呈上升趋势，小于0表示呈下降趋势。当超过临界值线时，表示上升或下降趋势显著。如果UF和UB两曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。该方法的优点是数据序列不需要遵从一定的分布，也不受少数异常测定值的干扰。一般取显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96。
2 结果与分析
2.1 平均气温年变化特征
图1(a)为诺木洪年平均气温的变化趋势，结果表明：近61 a诺木洪的年平均温度为5.1℃，呈明显的上升趋势，增温幅度为0.39 ℃/10 a，达显著水平(R=0.87)，通过了0.001的显著性检验。
图1(b)用 Mann-Kendall 检验法对近61 a诺木洪年平均气温进行的突变检验分析，结果表明：近61 a诺木洪的年平均温度UF和UB不在临界线内，说明年平均气温没有发生明显的突变。
图1 1961～2021年青海诺木洪年平均气温变化趋势(a)、Mann-Kendall突变检验(b)
2.2 ≥0℃积温变化特征
图2(a)为诺木洪≥0℃积温的变化趋势，从图2(a)可知：近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥0℃积温呈上升的趋势，上升速度为84.20 ℃·d /10 a，达显著水平(R=0.83)，通过了0.001的显著性检验。年平均积温为2 732.4℃·d，最高值出现在2016年(3 140.9℃·d)；最低值出现在1970年(2 428.1℃·d)，最高值与最低值相差712.8 ℃·d，由此也说明诺木洪≥0℃积温的年际变化明显。
图2(b)用 Mann-Kendall 检验法对近61 a诺木洪≥0℃积温进行的突变检验分析，结果表明：近61 a诺木洪≥0℃积温UF线呈明显的上升趋势，但UF和UB不在临界线内，说明≥0℃积温没有发生明显的突变。
2.3 ≥10℃积温变化特征
图3(a)为诺木洪≥10℃积温的变化趋势，从图3(a)可知：近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥10℃积温呈上升的趋势，上升速度为91.0℃·d /10 a，达显著水平(R=0.79)，通过了0.001的显著性检验。年平均积温为2 270.5℃·d，最高值也是出现在2016年(2 713.3℃·d)；最低值出现在1986年(1 952.5℃·d)，最高值与最低值相差760.8℃·d，说明诺木洪≥10℃积温的年际变化幅度较大。
图3(b)用 Mann-Kendall 检验法对近61 a诺木洪≥10℃积温进行的突变检验分析。从图3(b)可见：≥10℃积温UF线呈明显的上升趋势，UF和UB相交于±1.96临界线内，两者的交点是1997年，说明积温的突变年份为1997年，2000年开始UF线超过临界线，说明2000年以后≥10℃积温表现为显著的上升趋势。
图2 1961～2021年青海诺木洪≥0℃积温变化趋势(a)、Mann-Kendall突变检验(b)
2.4 ≥0℃积温持续日数
图4(a)为诺木洪≥0℃积温持续日数的变化趋势，由图4(a)可见，近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥0℃积温持续日数呈上升趋势，上升速度为3.46d /10 a，达显著水平(R=0.66)，通过了0.001的显著性检验。年平均积温持续日数为239 d，最高值出现在2015年(264 d)；最低值出现在1970年(215 d)，最高值与最低值相差49 d。总体来看，诺木洪≥0℃积温持续日数的年际变化与≥0℃积温的年际变化基本相符。
图4(b)用 Mann-Kendall 检验法对近61 a诺木洪≥0℃积温持续日数进行的突变检验分析。结果表明：≥0℃积温持续日数UF线呈明显的上升趋势，UF和UB相交于±1.96临界线内，两者的交点是1996年，即积温持续日数的突变年份为1996年，说明1996年以后≥0℃积温持续日数呈增加趋势，1998年开始UF线超过临界线，说明1998年以后≥0℃积温持续日数上升趋势明显。
图3 1961～2021年青海诺木洪≥10℃积温变化趋势(a)、Mann-Kendall突变检验(b)
2.5 ≥10℃积温持续日数
图5(a)为诺木洪≥10℃积温持续日数的变化趋势，由图5(a)可见，近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥10℃积温持续日数呈上升趋势，上升速度为3.81 d /10 a，达显著水平(R=0.70)，通过了0.001的显著性检验。年平均积温持续日数为147 d，最高值出现在1998年(167 d)；最低值出现在1986年(128 d)，最高值与最低值相差39 d。总体来看，诺木洪≥10℃积温持续日数的年际变化与≥10℃积温的年际变化基本同步。
图5(b)用 Mann-Kendall 检验法对近61 a诺木洪≥10℃积温持续日数进行的突变检验分析。由图5(b)可知，≥10℃积温持续日数UF线呈明显的上升趋势，UF和UB相交于±1.96临界线内，两者的交点也是1996年，即积温持续日数的突变年份为1996年，21世纪开始UF线超过临界线，说明21世纪以后≥10℃积温持续日数呈明显的上升趋势。
图4 1961～2021年青海诺木洪≥0℃积温持续日数变化趋势(a)、Mann-Kendall突变检验(b)
图5 1961～2021年青海诺木洪≥10℃积温持续日数变化趋势(a)、Mann-Kendall突变检验(b)
3 结论与讨论
近61 a诺木洪的年平均温度呈明显的上升趋势，增温幅度为0.39℃/10 a，达显著水平(R=0.87)，通过了0.001的显著性检验，年平均气温没有发生明显的突变。
近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥0℃积温和≥10℃积温均呈上升的趋势，上升速度为84.20℃·d /10 a、91.0℃·d /10 a，通过了0.001的显著性检验，≥0℃积温没有发生明显的突变，≥10℃积温于1997年发生了突变。
近61 a诺木洪的日平均气温稳定通过≥0℃积温持续日数和≥10℃积温持续日数均呈上升趋势，上升速度为3.46 d /10 a、3.81 d /10 a，通过了0.001的显著性检验，两者均在1996年发生了突变。总体来看，诺木洪≥0℃积温持续日数的年际变化与≥0℃积温的年际变化基本相符，≥10℃积温持续日数的年际变化与≥10℃积温的年际变化基本同步。
经济作物枸杞在诺木洪农作物中所占比重很大，日益增加的农业热量资源对枸杞影响较大，也使原本受热量限制的病虫害扩散增大，给枸杞种植户带来了一些病虫害防治的困难。因此，对于近61 a来诺木洪农业热量资源增加的趋势下，需合理评估、开发和利用热量资源，及时有效规避农业气象风险。
