60年來中國農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的時(shí)空變化

　　摘要：根據(jù)1951-2010年中國824個(gè)氣象站點(diǎn)逐日觀測數(shù)據(jù)選取與農(nóng)作物生長密切相關(guān)的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)，按照年代將各指標(biāo)站點(diǎn)數(shù)據(jù)空間化，求取前后期數(shù)據(jù)變化差值，分析中國農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的時(shí)空變化；進(jìn)而對農(nóng)業(yè)水熱氣候條件進(jìn)行線性擬合，分析農(nóng)業(yè)氣候變化傾向。研究發(fā)現(xiàn)：60年來全國年平均氣溫、0°C積溫和最冷月平均氣溫等值線均在不同程度上向北遷移，三者在全國大部分區(qū)域表現(xiàn)為顯著增加趨勢；全國最熱月平均氣溫分成明顯的下降和上升區(qū)，顯著上升區(qū)集中在東北地區(qū)、內(nèi)蒙古高原與東南沿海，黃河與長江中下游地區(qū)成為下降區(qū)；全國年降水量的增加趨勢并沒有通過顯著檢驗(yàn)。雖然對中國農(nóng)業(yè)分布格局至關(guān)重要的400mm等降水量線南段和800mm等降水量線在整體上相對穩(wěn)定，但是黃河與長江中下游地區(qū)最熱月平均氣溫的下降趨勢和最冷月平均氣溫等值線尤其是0°C等值線逐漸從秦嶺—淮河一帶北移到黃河一線，這對中國作物的分布、耕作制度等會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，高溫、低溫與農(nóng)作物生長期熱量供應(yīng)以及水分的復(fù)雜變化對農(nóng)業(yè)的影響將因區(qū)域差異與作物種類而變化，后續(xù)的研究可以考慮更多因素來分析農(nóng)作物的適宜種植范圍及區(qū)域農(nóng)業(yè)對氣候變化的適應(yīng)。

　　關(guān)鍵詞：溫度；降水；農(nóng)業(yè)水熱氣候條件；時(shí)空變化；中國

　　1引言

　　以溫度增加和降水變動(dòng)為特征的全球氣候變化使得自然系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、人類健康等多方面發(fā)生振蕩，嚴(yán)重依賴自然資源的領(lǐng)域如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在氣候變化下表現(xiàn)出明顯的脆弱性和易損性[1-4]。這源于氣候決定著農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量，溫度上升將提高全球大部分區(qū)域和大多數(shù)作物的熱脅迫，加之降水變動(dòng)下水脅迫的不穩(wěn)定將對農(nóng)作物生產(chǎn)構(gòu)成威脅[5]。Edmar等模擬發(fā)現(xiàn)在A1B排放情景下受熱脅迫變化的影響，2071-2100年全球作物適生區(qū)面積均會(huì)發(fā)生變動(dòng)，其中玉米和小麥的適生區(qū)面積變動(dòng)會(huì)遠(yuǎn)大于水稻與大豆[6]，但是綜合水熱脅迫威脅后，未來水稻種植將面臨更高風(fēng)險(xiǎn)[5]。在具體區(qū)域上，未來40°N~60°N的大陸地區(qū)農(nóng)業(yè)種植面臨更多風(fēng)險(xiǎn)，高緯度地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會(huì)受益，如氣候變化使北歐作物適生區(qū)面積擴(kuò)大和生長期延長[7-8]，2040-2069年加拿大西部春小麥和冬小麥分別增產(chǎn)37%和70%，東部玉米增產(chǎn)70%[9]。

　　2數(shù)據(jù)與方法

　　2.1指標(biāo)介紹

　　本研究考慮與農(nóng)作物生長密切相關(guān)的溫度和降水指標(biāo)分析中國大陸地區(qū)農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的時(shí)空變化：以年平均氣溫反映總的溫度變化趨勢，最熱月平均氣溫和最冷月平均氣溫反映溫度的極端變化。同時(shí)最熱月平均氣溫也表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對高溫的需求，0°C積溫象征著大田農(nóng)事活動(dòng)持續(xù)期間熱量資源變化，二者共同決定了農(nóng)作物的生長期和生長期熱量供應(yīng)。最冷月平均氣溫反映農(nóng)作物越冬條件的變化，年降水量代表氣候變化下降水的變動(dòng)及農(nóng)作物生長所需水分根本來源。

　　2.2數(shù)據(jù)與處理

　　本研究根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1951-2010年中國國家824個(gè)氣象站逐日觀測資料，根據(jù)該數(shù)據(jù)集的說明文檔，使用SQL語言剔除日平均氣溫、20-20時(shí)降水缺測值，將冰雪霧等轉(zhuǎn)換成降水量后，計(jì)算出月平均氣溫與月降水量，進(jìn)而求得年平均氣溫、最熱月平均氣溫、最冷月平均氣溫與年降水量。最后依據(jù)日平均氣溫連續(xù)5日≥0°C確定0°C積溫起止時(shí)間獲得年0°C積溫值。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1點(diǎn)數(shù)據(jù)空間化精度評(píng)估

　　根據(jù)已有研究對半變異函數(shù)模型特點(diǎn)的比較以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析后[28]，采用球狀模型對農(nóng)業(yè)水熱氣候條件進(jìn)行空間插值，選取預(yù)測誤差均值（meanerror）和標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差（root-mean-squareerror）對插值精度進(jìn)行全交叉檢驗(yàn)。在進(jìn)行交叉檢驗(yàn)時(shí)，如果預(yù)測誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差分別接近0和1，說明模型較優(yōu)，插值效果較好[31]。相對于其它時(shí)期，1950s農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的插值精度基本上是最差的（表1），這源于1950s中國的氣象觀測站較少，站點(diǎn)分布較為稀疏。隨著時(shí)間的推移，氣象觀測站快速增加，站點(diǎn)分布密度增大，帶來插值精度的提高。從指標(biāo)間精度的差異看，最冷月平均氣溫六期數(shù)據(jù)的預(yù)測誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差均值最接近0和1，插值精度最高。雖然0°C積溫和年降水量的標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差與1比較接近，然而二者的預(yù)測誤差均值卻偏離0較多。這一部分源于0°C積溫和年降水量值遠(yuǎn)大于氣溫值，帶來預(yù)測誤差均值的增大；另外在于積溫和降水的空間變化受到地形、植被、坡向等下墊面的影響，積溫和降水較氣溫隨位置的空間變化更為復(fù)雜。

　　3.2農(nóng)業(yè)水熱氣候條件時(shí)間變化

　　比較農(nóng)業(yè)水熱氣候條件各年代值與60年平均值的差值發(fā)現(xiàn)（圖1），年平均氣溫、最冷月平均氣溫和0°C積溫在1950s-1970s均低于平均值，1980s最冷月平均氣溫開始高于平均值，1990s三者均大于平均值，最近20年0°C積溫增加的速度最快。最熱月平均氣溫呈現(xiàn)兩端高、中間低的特征，即1950s先高于平均值，然后逐漸下降并在1970s下降到最低，隨之開始上升并再次高于平均值。年降水量則表現(xiàn)出明顯的隨時(shí)間圍繞平均值上下波動(dòng)的趨勢。繼而分析農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的變動(dòng)幅度（表3），氣溫指標(biāo)中最熱月平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)絕對值最小，年平均氣溫次之，最冷月平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)絕對值最大。最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的差異源于中國夏季最熱月南北溫差遠(yuǎn)小于冬季最冷月平均氣溫的南北溫差，二者變異系數(shù)的區(qū)別表明最熱月平均氣溫隨時(shí)間的波動(dòng)幅度要遠(yuǎn)小于最冷月平均氣溫。因0°C積溫和年降水量的數(shù)值較大及二者分布的區(qū)域性特征顯著，致使二者的標(biāo)準(zhǔn)差較大，不過0°C積溫各年代的變異系數(shù)穩(wěn)定在0.4，年降水量各年代的變異系數(shù)也基本穩(wěn)定在0.6~0.7，表明全國0°C積溫和年降水量隨年代波動(dòng)的頻率是比較穩(wěn)定的。

　　4討論

　　綜觀60年來農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的時(shí)空差異，除最熱月平均氣溫外，全國農(nóng)業(yè)氣候熱量資源基本是顯著增加態(tài)勢，農(nóng)業(yè)氣候降水資源則是不顯著增加特征。農(nóng)業(yè)水熱氣候條件的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響會(huì)因地理位置、作物特性出現(xiàn)差異：東北地區(qū)4個(gè)溫度指標(biāo)的顯著上升增加了該區(qū)域的熱量資源，縮小了其低溫區(qū)范圍，使作物生長期內(nèi)溫度適宜程度偏向好轉(zhuǎn)，利于生育期長作物品種的推廣種植[32]；除天山西側(cè)迎風(fēng)坡外，西北地區(qū)4個(gè)溫度指標(biāo)的上升基本通過顯著檢驗(yàn)，但是60年來整個(gè)西北地區(qū)降水增加趨勢并不顯著，無法驗(yàn)證西部暖濕化、東部暖干化或整個(gè)西北地區(qū)暖干化的論斷[16,33-34]。雖然西北地區(qū)增加的光熱資源利于部分綠洲地區(qū)部分作物的生長[22]，但是該區(qū)域位于降水偏少的大陸內(nèi)部，增加的熱量也會(huì)加速植物生長過程中的蒸騰作用；60年來華北地區(qū)最冷月平均氣溫的顯著上升減少了低溫對越冬作物的危害，利于該區(qū)域主要作物—冬小麥的順利越冬與生長，這與胡實(shí)等發(fā)現(xiàn)冬季升溫增加了該區(qū)域冬小麥的產(chǎn)量相一致[21]。華北中南部地區(qū)最熱月平均氣溫的下降減少了對夏季喜溫作物熱量資源的供應(yīng)，不利于滿足部分作物對高溫的需求，使得該區(qū)域夏玉米氣候適宜度下降[26]；除最熱月平均氣溫在長江中下游呈下降趨勢外，南方其他區(qū)域的溫度指標(biāo)基本呈顯著增加態(tài)勢，南方地區(qū)光熱資源更加豐富，利于降低冬季低溫對農(nóng)作物的破壞、擴(kuò)大部分喜溫作物的適宜種植面積。但是增加的熱量也會(huì)縮短作物生長期、減少作物累積營養(yǎng)物質(zhì)的時(shí)間等，從而影響部分農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，給未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來風(fēng)險(xiǎn)[35]；在青藏高原熱量資源也多是顯著上升態(tài)勢，尤其是河谷地區(qū)最熱月平均氣溫和0°C積溫的上升更利于喜涼作物的穩(wěn)定成熟，這與Zhang等認(rèn)為增溫提高了雅魯藏布江河谷地區(qū)種植密度增加、使得種植海拔上界提高從而擴(kuò)大了種植面積相一致[36]。

　　參考文獻(xiàn)(References)

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　　[3]FernandaMS,MariaLF.Climatechangeanditsmarginalizingeffectonagriculture.EcologicalEconomics,2009,68:896-904。

　　作者寧曉菊，秦耀辰，崔耀平，李旭，陳友民

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