基于站点数据分析中国大陆区域喜凉/温作物界限温度的时空演变*

和骅芸，胡 琦,2**，唐书玥，赵金媛，潘学标,2，潘志华,2，王 靖,2

基于站点数据分析中国大陆区域喜凉/温作物界限温度的时空演变*

和骅芸1，胡 琦1,2**，唐书玥1，赵金媛1，潘学标1,2，潘志华1,2，王 靖1,2

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193; 2. 中国气象局−中国农业大学农业应对气候变化联合实验室，北京 100193）

喜凉/温作物界限温度的时空分布能够影响作物物候和种植区域。利用全国585个气象站点1961−2020年地面气象观测资料，以喜凉/温作物界限温度（0℃和10℃）的积温、初日、终日作为农业热量资源研究指标，基于ANUSPLIN气象插值软件，从年际和年代际时间尺度分析1961−2020年喜凉/温作物界限温度的时空演变特征，并探讨热量资源变化对全国农业生产格局的影响。结果表明：受纬度和地形影响，全国热量资源变化幅度较大，东部地区≥0℃、≥10℃积温随纬度变化呈阶梯状分布，而在西部地区主要受海拔影响，总体表现为由南向北逐渐递减。各地≥0℃和≥10℃积温范围分别为700.0～8960.0℃·d和46.3～8960.0℃·d，≥0℃和≥10℃积温气候倾向率平均为72.8℃·d·10a−1和73.7℃·d·10a−1。60a内，界限温度0℃、10℃初日分别提前9.6d和8.4d，终日分别推迟4.8d和7.8d。界限温度初日的提前和终日推迟使60a内日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数分别增加14.4d和16.2d。2011−2020年是研究时段内最温暖10a，与P1时段（1961−1970年）相比，P6时段（2011−2020年）≥0℃和≥10℃积温平均值分别增加了6.3%和8.2%。P6时段≥0℃积温为6000～7000℃·d的区域面积增加了2.11×105km2；≥10℃积温为5000～6000℃·d的区域面积增加了3.37×105km2。气候变暖背景下，活动积温增加对农业系统产生了重要影响，农业生产布局以及种植制度应及时做出调整，充分适应气候变化。

气候变化；热量资源；界限温度；活动积温

近百年来气候系统正在发生广泛而迅速的变化，人类活动已使得大气、海洋和陆地变暖。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）表明，相对于1850−1900 年，2010−2019 年全球平均表面气温（GSAT）升高0. 9～1.2℃，其中人为变暖贡献了0.8～1.3℃[1]。1900−2017年，中国气温平均升高1.3～1.7℃[2]。气候变暖将对人类社会造成多方面的影响，包括生态环境、生产生活、经济发展等，尤以农业生产最为敏感，粮食安全问题更是不容忽视。热量资源是农业生产必需的气候资源之一，决定一个地区的生态环境、植被分布、作物种类和作物生产等[3−6]，是划分自然区域和自然带的重要依据。气候变化背景下，热量资源的时空分布必然会发生改变[7−8]，从而对各地区农业生产造成影响[9]。因此，研究气候变化背景下热量资源时空演变特征对中国农业生产系统科学应对气候变化具有重大的意义。

农业热量资源研究通常采用稳定通过一定界限温度（0℃和10℃）的积温、初日、终日等作为指标，评估某地区热量资源的丰富程度[10]。≥0℃期间是喜凉作物生长期，≥10℃期间是喜温作物生长期[11]。目前气候变化对不同地区界限温度时空变化特征的影响已经引起了国内外学者的普遍关注，并取得了许多进展。杨晓光等[11]利用中国558个气象站点的地面气象观测数据，研究发现相比1961−1980年，1981−2007年≥0℃积温和≥10℃积温均增加100℃·d以上。李帅等[12]选用格点数据对1961−2016年中国农业热量资源进行分析，发现≥5℃、≥10℃有效积温整体呈上升趋势，且≥5℃整体升幅更为显著。白磊等[13]使用1961−2018年长时间序列的高分辨率格点气温数据，得出全国≥0℃、≥5℃、≥10℃和≥15℃积温均显著增加，尤其以内蒙古和东北地区趋势显著。关于局部地区热量资源分析的研究更多，东北地区各季节平均气温均明显升高[14]，冬季增温幅度最大，活动积温等值线界限明显北移；西北干旱区年平均气温气候倾向率为0.35℃·10a−1[15]，喜凉作物和喜温作物生长期内活动积温升高；华北平原无霜期延长[16]；2001−2012年藏北高原地表温度缓慢上升，尤以冬季升温明显[17]。

在根据热量资源进行作物种植区划时，应根据作物种类、品种特性等划分积温区间，更有利于作物的高产稳产。然而目前研究多数是针对农业气候资源的变化对种植制度、作物适宜度、种植界限、作物产量的影响，且存在站点数量较少、空间分布不均匀、缺乏时效性以及研究年限较短等问题，鲜有对气候变暖背景下全国喜凉/温作物活动积温的变化情况与分布特征研究。本文拟利用全国585个气象站点1961−2020年的地面观测气象资料，选择日平均气温≥0℃、≥10℃积温作为研究指标，利用ANUSPLIN气象插值软件，系统全面地分析了1961−1970年（P1）、1971−1980年（P2）、1981−1990年（P3）、1991−2000年（P4）、2001−2010年（P5）和2011−2020年（P6）六个时段喜凉/温作物界限温度的时空演变特征，以期为中国农业系统科学应对气候变化、充分利用气候资源、合理进行农业区划研究提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源与预处理

选取全国具有1961−2020年完整时间序列逐日气象资料的台站，共计585个，分布于30个省、自治区和直辖市（图1）。气象数据源自中国地面气候资料日值数据集（V3.0），在中国气象科学数据共享服务网下载，所用数据集经过严格质量控制和检查，缺测率约1‰，缺测的气象要素采用Matlab 编程进行订正：若缺测序列小于5d，缺测值采用线性插值方法代替；若缺测序列≥5d，则采用同一日值的多年平均值代替。DEM250m数据下载自中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=123），基于最新的SRTM V4.1数据经重采样生成。

图1 研究区域和585个气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率计算

用X表示样本量为n的某一气候要素，用t表示对应的年序，采用最小二乘法拟合得到一元线性回归方程，即

式中，气象要素的气候倾向率为回归系数a的10倍， a值为正表示增加趋势，为负表示减少趋势。拟合的回归方程采用F检验法进行显著性检验（P<0.05）。

1.2.2 界限温度的起止日期和活动积温

热量条件对农作物生长、发育、产量形成有至关重要的作用，稳定通过0℃期间为喜凉作物生长期，稳定通过10℃期间为喜温作物生长期[15]。选用国家气象局规定的各气象台站计算界限温度起止日期的统一方法（五日滑动平均法）计算0℃和10℃界限温度的起止日期，从起始日期到终止日期间，大于等于界限温度的日平均气温之和为活动积温，即

式中，A为活动积温，tmi为大于等于界限温度的日平均温度。

1.2.3 数据处理

气象插值软件ANUSPLIN采用局部薄盘光滑样条函数统计模型，可以引进多元协变量线性子模型，模型可以根据数据自动确定参数，能够平稳处理二维以上的样条，插值结果误差小，适用于时间序列的气象要素插值。利用ANUSPLIN气象插值软件，以经纬度为自变量，以海拔高度为协变量，以DEM栅格为基准，对大陆585个气象站点60a逐日温度资料进行空间插值。为便于比较60a来全国热量资源的时空变化特征，将1961−2020年划分为6个时段，时段1（P1）：1961−1970年；时段2（P2）：1971−1980年；时段3（P3）：1981−1990年；时段4（P4）：1991−2000年；时段5（P5）：2001−2010年；时段6（P6）：2011−2020年。数据处理均利用Matlab2019软件实现，箱型图和折线图采用Origin2018制作。部分没有稳定的≥10℃积温的站点插值时已被剔除。

2 结果与分析

2.1 界限温度(0℃和10℃)平均态空间分布

2.1.1 起止日期

由图2可见，1961−2020年各站≥0℃、≥10℃初日平均值呈现由南向北逐渐推迟的特征，终日平均值均呈现由南向北逐渐提前的特征。≥0℃初日分布范围在第1−121天（以1月1日为1，下同），30°N以南各省由于全年温度较高，1月起日平均温度已经高于0℃，因此其初日日序小于20。≥10℃初日日序分布在第1−201天，海南岛、两广地区南部、云南省西南部日平均气温稳定通过10℃日序小于40。内蒙古东部、黑龙江省和吉林省是东部日平均气温稳定通过10℃最晚的地区，为第120−140天。

图2 1961−2020年≥0℃和≥10℃初/终日日序平均值空间分布

注：日序以1月1日为1。下同。

Note:The ordinal day from Jan.1. The same as below.

≥0℃终日分布差异明显，范围在第278−365天，四川省西北部−陕西省北部−山东省一线以南终日在第345−365天，向北逐渐提前。≥10℃终日分布范围较大，在第185−365天，空间分布特征与≥10℃初日大体一致。

2.1.2 活动积温

由图3可见，东部地区≥0℃、≥10℃积温随纬度变化呈阶梯状分布，而在西部地区主要受海拔影响。1961−2020年各站≥0℃积温范围为790.2～9207.2℃·d（图3a）。东部和东南部广大区域≥0℃积温区间的界限大体上与纬圈平行；四川盆地、青藏高原分别形成了积温的高值、低值区。青藏高原地势高，大部分地区≥0℃积温不足1000℃·d。西北地区≥0℃积温大多在3000～5000℃·d，南疆热量条件较好，可达4000℃·d以上。位于东北地区的大、小兴安岭是东部热量资源最少的地区，≥0℃积温少于3000℃·d。东北地区积温由北向南逐渐增加，吉林、辽宁省大部积温为3000～4000℃·d。华北平原、华中、华东地区积温为5000～6000℃·d；四川盆地大多在6000～7000℃·d；两广沿海地区、海南岛地处热带，常年高温，热量资源最为丰富，大于7000℃·d。云贵高原北部海拔较高，热量条件比同纬度的东部地区差，日平均气温≥0℃积温小于6000℃·d。

1961−2020年研究区各站≥10℃积温在84.8～9207.2℃·d（图3b）。东北大、小兴安岭是东部≥10℃积温最少的地区，大兴安岭中北部不足2000℃·d，热量资源匮乏，东北其余地区≥10℃积温不足3000℃·d。30°N以北冬季严寒，但夏季温度仍然较高，大部分地区≥10℃积温为1500～3000℃·d，小部分地区大于3000℃·d。新疆≥10℃积温高于同纬度东部地区，南疆积温大于3000℃·d。华北平原为4000～5000℃·d。受地形影响，四川盆地积温（6000℃·d）比东部同纬度地区高500℃·d左右。福建、江西、湖南东部≥10℃积温在5000℃·d以上，两广地区积温大于7000℃·d，海南岛大于8000℃·d。云贵高原海拔较高，≥10℃积温大多不足6000℃·d。青藏高原热量资源严重不足，部分站点甚至没有稳定的≥10℃积温。

图3 ≥0℃和≥10℃积温空间分布

2.2 界限温度（0℃和10℃）年际尺度时空变化

2.2.1 起止日期

界限温度初日的提前、终日的推迟是导致≥0℃、≥10℃积温增加的主要原因。由图4可见，界限温度0℃、10℃初日的气候倾向率为负值，分别为−1.6d·10a−1和−1.4d·10a−1，60a内初日分别提前了9.6d和8.4d。界限温度0℃、10℃终日的气候倾向率为正值，分别为0.8d·10a−1和1.3 d·10a−1，60a内终日分别推迟了4.8d和7.8d。界限温度初日的提前和终日的推迟使得60a内日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数分别增加14.4d和16.2d。

图4 1961−2020年≥0℃和≥10℃初/终日的线性变化趋势

2.2.2 活动积温

由图5a可见，1961−2020年各站≥0℃积温气候倾向率范围−3.9～269.1℃·d·10a−1，平均变化幅度为72.8℃·d·10a−1，95.4%的站点（n=558）通过了置信度为95%（α=0.05）的显著水平。东部≥0℃积温的上升趋势大于西部。西部地区大部分站点≥0℃积温气候倾向率小于60℃·d·10a−1，且有极个别站点气候倾向率为负。东部地区，华北平原、华东、华中升高趋势较大，大部分站点气候倾向率大于70℃·d·10a−1，东部沿海地区上升趋势甚至可达120℃·d·10a−1及以上。华南地区≥0℃积温增加趋势稍缓。

由图5b可见，1961−2020年各站≥10℃积温气候倾向率在−71.4～313.3℃·d·10a−1，平均变化幅度73.7℃·d·10a−1，91.1%的站点（n=533）达到置信度为95%（α=0.05）的显著水平。与≥0℃积温空间分布类似，东部≥10℃积温的上升趋势仍然大于西部。东北地区≥10℃积温气候倾向率为50～80℃·d·10a−1，东南沿海各省升高趋势较大，气候倾向率大于80℃·d·10a−1，其中以广东省上升趋势最为显著，大部分站点气候倾向率大于90℃·d 10a−1，甚至 >120℃·d·10a−1。

图5 1961−2020年≥0℃积温、≥10℃积温气候倾向率

2.3 界限温度（0℃和10℃）年代际尺度时空变化

2.3.1 起止日期

由图6可见，≥0℃、≥10℃初日整体呈逐渐提前的趋势，而终日逐渐推迟；但P1−P3时段变化趋势较为平缓，从P4时段起提前/推迟趋势更为显著。P6时段≥0℃、≥10℃积温初日平均日序分别为43d、93d，分别较P1时段提前7d、8d；P6时段≥0℃、≥10℃积温终日平均日序分别为339d、303d，分别较P1时段推迟4d、5d。

2.3.2 活动积温

由图7可见，P1−P3时段≥0℃、≥10℃积温平均值无明显变化，P4−P6时段加速上升。P1时段≥0℃、≥10℃积温平均值分别为4679.9℃·d和4079.3℃·d；P6时段积温平均值达到4976.5℃·d和4413.9℃·d，较P1时段平均值分别升高6.3%和8.2%，是研究时段内最温暖的10a。

P6时段≥0℃、≥10℃积温分布特征较P1变化明显，整体呈上升趋势（图8）。由图8a、8b可见，东部地区≥0℃积温界限均有不同程度的北移。根据栅格统计数据，积温为6000～7000℃·d的区域面积增加了2.11×105km2；积温为7000～8000℃·d、8000～9000℃·d的区域面积分别增加了4.43×104km2、5.85×104km2。P6时段东北大部分地区≥0℃积温高于3000℃·d。

图6 各年代≥0℃、≥10℃初/终日日序统计结果

注：箱体表示25%～75%四分位；Ⅰ表示1.5倍四分位范围；—表示中位线；□表示均值；×表示异常值。各时段分别为，P1：1961−1970年；P2：1971−1980年；P3：1981−1990年；P4：1991−2000年；P5：2001−2010年；P6：2011−2020年。下同。

Note: Box is 25%−75% interquartile range;Ⅰis 1.5 times of IQR; — is median; □ is average; × is outliers. P1 is 1961−1970, P2 is 1971−1980, P3 is 1981−1990, P4 is 1991−2000, P5 is 2001−2010, and P6 is 2011−2020. The same as below.

图7 各年代≥0℃和≥10℃活动积温值统计结果

由图8c、8d可见，P6时段≥10℃积温与≥0℃积温变化趋势大致相同。≥10℃积温在6000℃·d以上的区域面积增加了1.97×105km2，积温为5000～6000℃·d的区域面积增加了3.37×105km2；北方地区以内蒙古和东北地区积温变化较大，其中积温为3000～4000℃·d的区域面积增加了3.01×105km2。

图8 研究期第一个10a（P1, 1961−1970年）和最后10a（P6，2011−2020年）≥0℃、≥10℃积温空间分布

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1961−2020年各站≥0℃、≥10℃初日由南向北逐渐推迟，终日由南向北逐渐提前。界限温度0℃、10℃初日的气候倾向率分别为−1.6d·10a−1和−1.4d·10a−1，60a内初日分别提前了9.6d和8.4d；界限温度0℃、10℃终日的气候倾向率分别为0.8d·10a−1和1.3d·10a−1，60a内终日分别推迟了4.8d和7.8d。界限温度初日的提前和终日的推迟使得60a内日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数分别增加14.4d和16.2d。

（2）1961−2020年各站≥0℃、≥10℃积温范围分别为790.2～9207.2℃·d，84.8～9207.2℃·d。60a来，≥0℃和≥10℃积温平均上升幅度分别为72.8℃·d·10a−1和73.7℃·d·10a−1。P6时段≥0℃、≥10℃积温较P1时段分别升高6.3%和8.2%，2011−2020年是研究时段内最温暖的10a。

（3）从空间分布图来看，P6时段≥0℃、≥10℃积温分布特征较P1变化明显，整体呈上升趋势。相比P1时段，P6时段≥0℃积温为6000～7000℃·d的区域面积增加了2.11×105km2；东北大部分地区≥0℃积温高于3000℃·d。≥10℃积温在6000℃·d以上的区域面积增加了1.97×105km2；北方地区以内蒙古和东北地区积温变化较大，其中积温为3000～4000℃·d的区域面积增加了3.01×105km2。

3.2 讨论

气候变化背景下，热量资源的变化已经对中国农业系统产生了重要的影响，关于作物生长条件、生育期、作物产量、农业生产布局以及种植制度对气候变化响应的研究已发表了诸多文献[18−22]，但区域间仍存在较大的不确定性。总结而言，热量资源的增加对农业生产布局和种植制度具有积极的影响，如过去60a间，东北地区≥10℃有效积温普遍增加200～400℃·d，喜温作物种植界限北移[25−29]，玉米总产、播种面积每10a分别增加967×104t和72×104hm2；西北干旱区热量资源的增加有利于发展喜温的优质特色农业，喜凉作物冬播期推迟，喜温作物春播期提前，多数种植界限向北移动，提高了复种指数[30]。本研究表明，东北除大、小兴安岭地区以外，≥10℃积温高于3000℃·d的区域面积增加，东北地区热量条件可以满足相对晚熟品种正常生长的区域仍在逐步扩大；西北地区≥0℃、≥10℃积温的气候倾向率均高于60℃·d 10a−1；华北平原≥10℃积温界限北移东扩[16]，P6时段华北平原南部≥10℃积温已高于5000℃·d，一年两熟制可实行面积扩大，从而提高了周年粮食产量。

同时，气候变暖导致极端温度事件频发，加上种植界限和作物布局的改变，极大增加了农业生产的不稳定性。研究表明，自20世纪90年代中期之后华北地区高温日数及热浪事件均呈现逐渐增加的趋势[31]，90%的高温热浪天气出现在6、7月[32]，此时夏玉米正值抽雄吐丝期，高温热害会造成玉米显著减产[33]。东北地区玉米晚熟化仍然面临一定的气象灾害风险，晚熟品种越区种植会人为增大低温冷害对玉米生长发育的威胁，如倒春寒会影响春播，生长中期的延迟性冷害以及生长后期的初霜冻均会影响玉米的正常成熟[29]。对于西北地区，复种面积增加也可能会使作物生育后期遭受冷害。中国北方冬季热量资源显著增加是中国大陆气候变暖的突出特征[34−36]，1961−2010年北方冬季平均温度、最高温度和最低温度的变化率分别为0.27、0.21和0.37℃·10a−1[7]，显著大于其他季节。冬季温度升高对作物安全越冬有积极的影响，例如处于越冬期的小麦光合功能受到低温的抑制，增温会缓解低温对光合系统的胁迫，提高光合速率和有机质积累[37]。但同时冬季温度升高会使越冬病虫卵蛹死亡率降低，原本受热量限制的病虫害逐渐向高纬度扩散，造成病虫害发生的地理范围扩大、危害等级上升[10]，增加农业投资成本。

本研究仅以≥0℃、≥10℃积温作为喜凉/温作物界限温度指标研究全国尺度的热量资源时空分布和变化特征，未针对特定区域、特定作物和生育时期分析其温度、极端天气事件和灾害的变化情况。实际生产中，气候变化对农业系统的影响存在极大的复杂性，如研究农业生产布局和种植制度北界变化时，除本文涉及的热量资源总量外，还应考虑水分条件、品种特性、极端灾害气候等因素，以及国际形势、社会政策、经济发展等政治因素的影响。因此，未来需要多学科和专业交叉进行更深入的研究，从而使中国农业生产系统更科学的应对气候变化。

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Analysis of Spatio-Temporal Evolution of the Boundary Temperature of Chimonophilous/Thermophilic Crops in Chinese Mainland Based on Site Data

HE Hua-yun1, HU Qi1,2, TANG Shu-yue1, ZHAO Jin-yuan1, PAN Xue-biao1,2, PAN Zhi-huan1,2, WANG Jing1,2

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. CMA-CAU Jointly Laboratory of Agriculture Addressing Climate Change, Beijing 100193)

The temporal and spatial distribution of the boundary temperature of chimonophilous/ thermophilic crops affect the crop phenology and planting area. Based on the surface meteorological observation data of 585 meteorological stations in Chinese from 1961 to 2020, taking the ≥0℃ and ≥10℃ thermal time, the initial and terminate days of thermal time as research indices of agricultural heat resources, based on ANUSPLIN meteorological interpolation software, the spatio-temporal evolution of boundary temperature of chimonophilous/ thermophilic crops in China were analyzed from interannual and interdecadal time scales. The influence of heat resource change on agricultural production pattern in Chinese Mainland was also discussed. The results showed that: affected by latitude and topography, the heat resources changed greatly in China. The thermal time ≥0℃ and ≥10℃ in the eastern region presented a ladder distribution with latitude, while in the western region, it was mainlyaffected by altitude, which decreased gradually from south to north. The thermal time ≥0℃ and ≥10℃ ranged of 700.0−8960.0℃·d and 46.3−8960.0℃·d respectively, with the average climate trend of 72.8℃·d·10y−1and 73.7℃·d·10y−1. Within 60 years, the initial ordinal number of 0℃ and 10℃ was advanced by 9.6d and 8.4d respectively, and the terminate ordinal number was postponed by 4.8d and 7.8d, respectively. The advance of the initial day and the delay of the final day increased the number of continuous days with daily average temperature ≥0℃ and ≥10℃ by 14.4d and 16.2d in 60 years, respectively. 2011−2020（P6 period）was the warmest 10 years in the study period, that of the thermal time ≥0℃ and ≥10℃ increased by 6.3% and 8.2% respectively compared with P1 period (1961−1970). In P6 period, the area with thermal time ≥0℃ of 6000−7000℃·d increased by 2.11×105km2, the area with thermal time ≥10℃ of 5000−6000℃·d increased by 3.37×105km2. Under the background of climate warming, the increase of accumulated temperature has had an important impact on China's agricultural system. The layout of agricultural production and planting system should be adjusted in time to fully adapt to climate change.

Climate change; Heat resources; Boundary temperature; Thermal time

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.02.001

和骅芸,胡琦,唐书玥,等.基于站点数据分析中国大陆区域喜凉/温作物界限温度的时空演变[J].中国农业气象,2023,44(2):85-95

收稿日期：2022−03−16

内蒙古自治区科技重大专项（2020ZD0005−0101）

通讯作者：胡琦，博士，副教授，主要从事气候变化影响评价，E-mail:huq@cau.edu.cn

和骅芸，E-mail:hehuayun0715@163.com