近60 a来秦岭山地≥10 ℃积温时空演变及亚热带-暖温带界线问题

张善红，白 怡，宋连环，展晓玮，屈 妍，梁 佳

(1.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；2.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000；3.山东省济宁市汶上县第一中学，山东 济宁 272500；4.商洛市气象局，陕西 商洛 726000；5.陕西省气象服务中心，陕西 西安 710014)

IPCC第六次报告指出，在过去的40 a里，每10 a都热于该时段之前1850年以来的任意10 a，21世纪初的前20 a(2001—2020年)全球地表温度比1850—1900年高0.99 ℃[1]。全球变暖引起热量资源的变化[2]、气候变暖对农业生产及植被生长的影响已成为国内外学者研究的热点[3-4]。

目前国内学者针对不同地区的积温开展了大量的研究。基于全国尺度的≥10 ℃活动积温表明，近50 a中国≥10 ℃积温呈上升趋势，以20世纪90年代上升最为明显[5]；≥5 ℃、≥10 ℃有效积温初始日整体呈提前现象，结束日呈推迟现象[6]；农作物的种植界北移[7]。也有一些学者基于小区域尺度对黄河流域[8]、长江流域[9]、西北地区[10-11]、华南地区[12]、新疆地区[13]、东北地区[14]等地区的积温进行研究，研究内容主要包括气候变暖的影响、积温的时空变化、农业气候资源的改变、对农作物物候和种植界限的影响等。

秦岭山地是中国中部重要的地理生态分界线，是南水北调中线水源区[15]，地处暖温带和北亚热带过渡区，是我国南北气候、生物区系的交汇地带。随着气候变暖，秦岭山地≥10 ℃积温有没有发生变化？秦岭亚热带暖温带分界线有没有发生变化？学术界关于秦岭亚热带暖温带分界线的具体位置一直存在争议。近几年，有很多学者通过植被-气候指标对暖温带和北亚热带的分界进行了研究，也得出了不同结论。如赵芳等[16]对秦巴山地植被垂直带谱结构的空间分异特征进行分析，认为大巴山比秦岭更适合作为暖温带和北亚热带的分界线；赵芳等[17]通过植被净初级生产力(net primary productivity，NPP)与气温和降水的相关性分析，得出汉江作为暖温带和北亚热带的分界线更合适；姚永慧等[18]分析了马尾松林和油松林这2类植被在秦巴山区的空间分布及两者分界线处的气候条件，认为这2类植被的分界线及相应位置的气候指标可以作为亚热带与暖温带的界线；张兴航等[19]基于中国南北过渡带主体(秦岭—大巴山)植物群落实地调查数据，从植物物种、群落结构和物种多样性3个层面，对区域气候分界问题进行研究，认为东秦岭南麓更适合作为北亚热带-暖温带的分界线。

综上可以看出，前人在关于秦岭亚热带-暖温带分界问题上做了大量的工作，取得了大量研究成果，但由于研究认识问题的角度和划分的具体依据存在差异，使得秦岭北亚热带北界的界线研究存在一定差异，但均为以后的研究提供了重要的科学依据。笔者采用最新的气候资料，以广义秦岭为研究区，分析我国秦岭山地积温的时空变化，探讨气候变化背景下，亚热带-暖温带的分界线如何发生位移以及亚热带-暖温带的分界线是否会跨越秦岭等科学问题，以期为应对气候变化、及时调整林业管理措施和农林生产格局提供科学依据，以保障秦岭山地生态环境安全、资源及服务功能的可持续利用。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

秦岭西起甘肃省东南部，向东经天水南部的麦积山进入陕西，东至河南伏牛山，北临渭河，南接汉水，地势西高东低，海拔高度悬殊，是我国南北地理主要分界线[20]。全区受季风气候影响，兼有暖温带和亚热带特征，水资源丰富，是汉江、嘉陵江、丹江等主要河流的发源地，年均降水量为450～1 300 mm，年均温为12～16 ℃，是我国人文、地理、气候、生物等南北过渡区，也是气候变化敏感区和生态环境脆弱区[21]。秦岭山地气象站点分布见图1。

图1 研究区气象站点分布图

1.2 数据来源

选取研究区及周边共74个气象站点1960—2019年逐日平均气温实测数据，来源于中国气象科学数据共享服务网、中国气象局和陕西省气象局。对于部分站点数据缺测，通过站点已有数据与临近站点数据，采用回归方法进行一致性检验后插补，保证研究数据的完整性、一致性、连续性。数字高程(DEM)数据分辨率为30 m，来源于国家基础地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1日均温稳定≥10 ℃起止日期

将界限温度确定为10 ℃，使用5 d滑动平均法确定日平均气温稳定≥10 ℃起止日期，其初日定义为5 d滑动平均气温≥10 ℃的日期，终日定义为5 d滑动平均气温<10 ℃的日期[22]。对于某年某一站点而言，确定界限的起止日期后，计算该起止日期之间的日平均气温总和，即为日平均气温稳定≥10 ℃期间的积温。初日和终日之间的日数为日均温稳定≥10 ℃日数。

1.3.2Anusplin插值方法

Anusplin是基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论，它除通常的样条自变量外，允许引入线性协变量子模型，如海岸线距离、海拔等多个地理因子作为线性协变[23]。Anusplin在独立变量、协变量和样条次数方面有多种组合，共有18种模型[24]。因积温具有水平地带性和垂直地带性分布特征[25]，建立≥10 ℃积温插值的最优空间插值模型，采用以经度、纬度为自变量，海拔为协变量的三变量局部薄盘光滑样条函数，样条次数设置为2。

1.3.3插值精度评价方法

采用交叉验证方法对≥10 ℃积温、≥10 ℃持续天数、1月平均气温的插值结果进行检验。交叉验证是预留一个或多个观测站点作为验证站点，然后对验证站点做插值预测，比较这些站点的实测值和预测值，从而评价插值精度水平[23-24]。从74个站点每次随机选15个站点作为验证点，共取3次，得到45个验证点。针对验证点，运用平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)和均方根误差(RMSE)3个参数指标评估实际观测值与空间插值的精度差异。由表1可知，研究区域≥10 ℃积温、≥10 ℃持续天数、1月平均气温的空间插值精度较高，误差较小，满足研究需求。

表1 插值交叉验证结果

1.3.4基于R/S分析法的Hurst指数

基于重标极差法(R/S分析)的Hurst指数是由英国水文学家HURST[26]提出的一种定量描述时间序列信息长期依赖性的有效方法[27]，无论时间序列是正态还是非正态分布，R/S分析结果的稳定性均不受影响[28]，其基本原理和计算过程见文献[29]。通过该方法计算的Hurst指数(H)的取值范围为[0,1]，0.5

选用Kendall秩相关系数来检验≥10 ℃积温是否表现出明显的变化趋势，Kendall秩相关系数的基本原理和计算公式参见文献[30]。

1.3.5M-K突变检验

采用M-K突变检验对60 a来秦岭山地≥10 ℃积温的突变特征进行检验。M-K检验是一种非参数统计检验方法，此方法的变量可以不具备正态分布的特征，有个别离群值不会影响分析结果。一般取显著性水平α=0.05，在正序列(UFk)超过临界值信度线的前提下，若正反序列2个统计量仅有1个交叉点，且位于信度线之间，则该点为突变点，且统计上显著[31]。具体计算方法见文献[32]。

1.3.6暖温带—亚热带分界指标

暖温带和亚热带的划分指标参考郑景云等[33]的区划原则，各指标分类见表2，其中各温度带的分带指标由专家通过全国各地不同站点≥10 ℃天数、≥10 ℃积温和1月平均气温随海拔的变化关系并结合自然景观制定。以日均温稳定≥10 ℃期间的积温划分气候带，对于地势高差悬殊的地区有一定局限性，但以日均温稳定≥10 ℃持续日数作为指标，能够更准确地表征山地起伏较大地区温度条件的地域分异[25,34-35]。选用日均温≥10 ℃持续日220 d和1月0 ℃等温线作为主要指标，以日均温稳定≥10 ℃期间的积温为参考指标，探讨在全球变暖的大背景下，北亚热带北界的变化以及北亚热带北界是否突破秦岭。

表2 秦岭南北温度带划分指标

2 结果与分析

2.1 秦岭山地≥10 ℃积温均值的空间分布特征

由图2可以看出，秦岭山地1960—2019年≥10 ℃积温整体呈现出中间低周边高、东多西少、南多北少，表现出自山脊线向南向北随海拔高度变化的地带性阶梯状分布特征，即随着高度的增加而减少。积温≤1 000 ℃温度带主要分布在秦岭西北部、太白山等海拔较高处；>2 000～3 000和>3 000～4 000 ℃温度带主要分布在秦岭大部分地区；>4 000℃ 温度带主要分布在秦岭南北坡海拔较低处。

图2 秦岭山地近60 a≥10 ℃积温空间分布Fig.2 Spatial distribution of ATT10 cumulative temperature in the Qinling Mountains in the past 60 years

为了解秦岭山地积温与海拔高程的关系，以秦岭山地200 m高程为间隔，统计秦岭山地不同高程带≥10 ℃积温均值，因3 800 m以上≥10 ℃积温基本等于0，所以只统计0～3 800 m高程带上的积温，秦岭山地≥10 ℃积温随海拔的变化情况见图3。由图3可知，海拔每升高100 m，≥10℃积温降低136.8 ℃。由以上分析可知，秦岭山地≥10 ℃积温空间分布呈现由南向北、由低海拔向高海拔逐渐减少的规律，可见研究区内积温空间分布表现出明显的纬度地带性和垂直地带性。

图3 秦岭山地≥10 ℃积温与高程的关系Fig.3 Mean temperature in the Qinling Mountains in the past 60 years

2.2 秦岭山地≥10 ℃积温的变化趋势及突变特征

图4为1960—2019年秦岭山地≥10 ℃积温的年际变化图。由图4(a)可知，研究区多年积温平均值为4 295.21 ℃，最大值为2013年的4 766.39 ℃，最小值为1993年的3 973.81 ℃，最大值与最小值相差792.58 ℃，说明秦岭山地≥10 ℃积温的年际变化幅度较大。自1960年以来，研究区日平均气温稳定≥10 ℃积温总体呈现增加趋势，其变化率为68.01 ℃·(10 a)-1，且通过0.01水平的显著性检验。

图4 1960—2019年秦岭山地≥10 ℃积温的年际变化及M-K突变检验

由表3可知，1960—2019年Kendall秩相关系数M=7.05，说明近60 a秦岭山地≥10 ℃积温呈增加趋势，且增加趋势较强；1993—2019年的积温秩相关系数M=10.15，通过0.01水平的显著性检验。通过R/S分析法来预测秦岭山地日平均气温稳定≥10 ℃积温的未来变化趋势，计算后得到1960—2019和1993—2019年积温的Hurst指数分别为0.957 6和0.730 4，均大于0.5，说明秦岭山地未来≥10 ℃积温与过去保持相同的变化态势，即持续递增。结合M值和Hurst指数综合分析，若秦岭山地的气候变化与人类活动保持现有的状态，其≥10 ℃积温将继续呈显著递增的变化趋势。

表3 秦岭山地≥10 ℃积温变化趋势

M值>2.576表示在α=0.01水平极显著。

图4(b)为秦岭山地1960—2019年≥10 ℃积温的M-K检测曲线，在0.05置信水平下，由UF曲线可知，1960—1993年秦岭山地≥10 ℃积温呈波动变化趋势，在1993年后呈迅速增加趋势，并于1997年发生突变，且该突变为上升突变。

2.3 秦岭山地≥10 ℃积温的空间变化

由图5可以看出，秦岭山地≥10 ℃积温均呈增加趋势，所有站点积温倾向率均大于0。其中有68个站点(站点总数的91.89%)通过了显著性检验，仅有6个站点未通过显著性检验。秦岭北坡所有站点均通过0.01水平的显著性检验；秦岭南坡41个站点通过0.01水平的显著性检验，11个站点通过0.05水平的显著性检验，6个站点增加趋势不显著。总体看来，秦岭山地≥10 ℃积温增加趋势明显，且秦岭北坡增加更为显著。

图5 1960—2019年研究区≥10 ℃积温的空间变化

从图6～7可以看出，1960—2019年秦岭山地≥10 ℃ 积温基本呈现由低纬向高纬、由低海拔向高海拔递减的趋势。

图6 秦岭山地不同年代≥10 ℃积温带空间分布图

秦岭山地≥10 ℃积温以>3 000～4 000 ℃段为主，>2 000～3 000和>4 000 ℃次之，>1 000～2 000和≤1 000 ℃积温带面积所占比例最少； >1 000～2 000 ℃和>2 000～3 000 ℃积温段面积占比逐年减少，>3 000～4 000、>4 000 ℃积温段面积占比则逐年增加(1980年代除外)；≤1 000 ℃积温段基本呈减少趋势。1980—1989年≥10 ℃积温与其他年代差别较大，>1 000～2 000、>2 000～3 000 ℃积温段分别占总面积的13.81%和35.14%，远大于其他年份；>4 000 ℃积温段所占比例为6.41%，远小于其他年代该积温段占比的平均值25.79%。总体来说，研究区≥10 ℃积温呈增加趋势，且积温高值区面积增加，积温低值区面积减少。

图7 不同年代秦岭山地≥10 ℃积温带面积占比

2.4 暖温带—亚热带分界线问题

2.4.1秦岭山地暖温带—亚热带分界线问题

气候是一个长期的概念，通常30 a为一个气候变化周期，因此按照1960—1989年(阶段Ⅰ)和1990—2019年(阶段Ⅱ)2个阶段分析温度带界线的变化。以郑景云的暖温带和亚热带的划分指标，选用日均温≥10 ℃持续日220 d和1月0 ℃等温线作为主要指标，2个指标共同作用的下限作为亚热带-暖温带的分界线，对比阶段Ⅰ和阶段Ⅱ秦岭暖温带-亚热带分界线的变化。

图8为秦岭阶段Ⅰ和阶段Ⅱ亚热带-暖温带分界线的变化，其中图8(a)为2个阶段亚热带-暖温带分界线的平面图，图8(b)～(c)为从秦岭以南、以北2个方向看2个阶段亚热带-暖温带分界线在ArcScene软件中依托DEM的三维立体显示结果。

由图8可以看出，由于海拔、地形以及纬度等因素的共同影响，秦岭亚热带-暖温带分界线主体是一条沿秦岭南坡东西向分布至秦岭东部并向北延伸的蜿蜒曲折的线。在界线以北以西为暖温带，在界线以南以东为亚热带。另外在秦岭以北，阶段Ⅱ出现“飞地”亚热带，在“飞地”亚热带外为暖温带。阶段Ⅰ，秦岭亚热带-暖温带分界线止于河南汝阳；阶段Ⅱ，分界线沿秦岭南坡东西向延伸到秦岭以东，并向北推进至35° N左右的黄河河谷，折回向东而去，且在秦岭以北出现“飞地”亚热带。对比阶段Ⅰ和阶段Ⅱ亚热带-暖温带界线的位移变化可知，阶段Ⅱ较阶段Ⅰ，亚热带-暖温带分界线整体向高海拔攀升和向高纬度北移；秦岭南坡、秦岭东部边界已经成为秦岭亚热带-暖温带的分界线，秦岭以北跨越式地进入了亚热带，秦岭南坡作为分界线的作用有所减弱，但随着气候的变暖，加之秦岭山地的阻挡作用[36]，秦岭南坡亚热带-暖温带分界线将继续向高海拔攀升，秦岭南坡的分界作用依然明显。

图8 1960—1989年(阶段Ⅰ)和1990—2019年(阶段Ⅱ)秦岭亚热带-暖温带界线的变化

2.4.2≥10 ℃积温4 500 ℃等值线与220 d等值线关系

由图9可以看出，阶段Ⅰ≥10 ℃积温4 500 ℃等值线从秦岭东南部穿过并向东而去；阶段Ⅱ≥10 ℃积温4 500 ℃等值线基本和Ⅱ阶段≥10 ℃持续日220 d等值线重合。

图9 1960—1989年(阶段Ⅰ)和1990—2019年(阶段Ⅱ)≥10 ℃积温4 500 ℃等值线和持续日220 d等值线的关系

由此可以说明，在阶段Ⅰ，由于秦岭山地海拔高差的缘故，≥10 ℃积温4 500 ℃等值线反映秦岭暖温带-亚热带分界有一定局限性，但随着气候的变暖，秦岭山地≥10 ℃积温增加迅速，在阶段Ⅱ，≥10 ℃ 积温4 500 ℃等值线基本消除了秦岭山地地势高差的影响。在以后的研究中，可以利用≥10 ℃积温4 500 ℃等值线和≥10 ℃持续日220 d这2个指标共同对秦岭山地的温度带进行划分。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1亚热带跨越秦岭问题

经过前面的分析得知，近些年来秦岭山地≥10 ℃积温呈持续增加趋势，尤其是在20世纪90年代增加比较明显，且秦岭北坡的增加幅度大于秦岭南坡。那么随着热量资源的增加，亚热带-暖温带的分界线是否会跨越秦岭？在什么情况下亚热带会跨越秦岭呢？

在阶段Ⅱ，秦岭以北出现“飞地”亚热带，秦岭以北跨越式地进入了“亚热带”。是亚热带跨越了秦岭吗？气候是一个长期的概念，在较短时间内出现“飞地”亚热带不算跨越。对阶段Ⅱ的每一年提取亚热带-暖温带分界线，发现1997—2019年间，除1999、2008、2010、2011和2018年外，其余年份均出现飞地“亚热带”。23 a中有18 a在秦岭以北出现飞地“亚热带”，说明秦岭以北出现“飞地”亚热带的格局已经形成。

根据气候区划的原则空间分布连续性与取大去小，要求气候区划结果中的各个气候区必须保持完整连续而不出现“飞地”。所以，只是出现“飞地”亚热带并不能代表亚热带已经跨越秦岭。即在目前的状况下，亚热带没有跨越秦岭。什么情况下亚热带跨越了秦岭呢？定义如下：在某一时间段内，亚热带从秦岭南坡到秦岭北坡呈连续带状分布格局，此时亚热带便跨越了秦岭。图10为未来某一阶段亚热带在秦岭的分布示意图，亚热带从秦岭南坡到秦岭北坡呈连续带状分布格局，此时秦岭周边的亚热带同我国东部的亚热带连成一个整体，则亚热带跨越了秦岭。

图10 亚热带在秦岭的分布示意图

通过图8～9可以看出，如果以秦岭山地≥10 ℃积温4 500 ℃和持续日220 d为指标划分亚热带和暖温带，则亚热带已经从秦岭南坡到秦岭北坡呈连续带状分布格局，此时秦岭周边的亚热带同中国东部的亚热带连成一个整体，亚热带基本跨越了秦岭。但亚热带-暖温带指标之一1月0 ℃等温线必须满足要求，如果1月0 ℃等温线也能和≥10 ℃积温4 500 ℃等值线、持续日220 d等值线一样从秦岭南坡到秦岭北坡，进入关中平原并向东，与中国1月0 ℃等温线主体汇合，则亚热带跨越秦岭。随着气候的变暖，秦岭亚热带北界在未来的某个时间会跨越秦岭山脉。

3.1.2积温变化对植被的影响

在全球变暖的大背景下，积温的增加会对植被和农作物的生长产生一定影响。一方面，体现在植被物候的变化上。有学者研究了欧洲4种常见的暖温带树种，结果表明，气候变暖延长了温带树木从出叶到开花的时间间隔[37]。有学者对近60 a来秦岭地区森林树种的物候进行研究，发现突变前(1984年)，物候始期呈现推迟趋势，末期物候呈提前趋势；突变后，物候始期呈提前趋势，末期呈现显著推迟[38]。这与秦岭气候带界线向高海拔地区波动上升表现一致。另一方面，气候带界限的北移，将使植被带上线上升，各植被带植物适生区扩大，农作物向高海拔地区移动，同时晚熟的农作物种植范围也将扩大[39]，对农业产业结构调整和农民增收带来新的机遇[40]。另外，积温的增加可能会导致气候趋于暖干化，加剧土壤干旱，进而导致植被和农作物生产力降低[41]。

在全球变暖的大背景下，秦岭山地≥10 ℃积温呈增加趋势，且积温高值区面积增加，低值区面积减少，秦岭山地积温线整体沿着山谷走势向高海拔地区攀移，秦岭地区的积温上升明显。秦岭山地热量资源的改变对植被变化的影响可能存在多种不确定性，具体如何影响该地区的植被，需要收集植被、气候、土壤、物候、水文等最新资料，持续研究跟进，并加强实地考察和野外研究，以便根据秦岭南北麓地区的实际情况确定气候条件与农、林业生产种植之间的影响机制，及时调整农林生产格局和林业管理措施，以保障秦岭生态环境安全。

3.2 结论

利用研究区及周边74个气象站点的逐日气温实测数据，采用5日滑动平均法、气候倾向率、M-K检验及Anusplin方法，模拟了研究区1960—2019年≥10 ℃积温的时空演变，并探讨了在全球变暖大背景下亚热带-暖温带的界线变化，得到如下结论：

(1)从时间尺度上看，秦岭山地1960—2019年日平均气温≥10 ℃积温呈现显著递增的变化趋势，其变化率为71.72 ℃·(10 a)-1。秦岭山地≥10 ℃积温除20世纪80年代下降明显外，其余年代际均呈增加趋势，尤其是20世纪90年代后积温增加明显。总体来说，研究区≥10 ℃积温呈增加趋势，且积温高值区面积增加，积温低值区面积减少。

(2)从空间尺度上看，秦岭山地1960—2019年≥10 ℃积温整体呈现出南多北少、东多西少的分布特征，并随着海拔高度的增加而减少。但在秦岭北坡地势平坦海拔较低的地方出现了>4 000 ℃的温度带，以宝鸡、眉县、户县、周至、长安、华县、华阴、灵宝为代表。研究区所有站点积温倾向率均大于0，且绝大多数站点通过了显著性检验，表明秦岭山地≥10 ℃积温增加趋势显著，其中秦岭北坡增加最为显著。

(3)对比阶段Ⅰ(1960—1989年)和阶段Ⅱ(1990—2019年)，亚热带-暖温带分界线呈现出整体向高海拔攀升和向高纬度北移的趋势，秦岭以北“跨越式”进入了亚热带气候格局；随着气候的变暖，秦岭亚热带北界可能会跨越秦岭山脉。