近50年來山東省作物有效生育期時(shí)空變化研究

商令杰　劉金然　劉小萍

摘 要：作物有效生育期是指作物從播種到收獲的整個(gè)生長(zhǎng)周期，是研究作物生長(zhǎng)規(guī)律的重要手段，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。該文以1951—2011年山東境內(nèi)的23個(gè)氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用擬合趨勢(shì)線與反距離權(quán)重空間插值法，分析了山東省及其分區(qū)的作物有效生育期空間格局和時(shí)空變化，并通過回歸分析研究了作物有效生育期與日照時(shí)數(shù)、活動(dòng)積溫和降水的關(guān)系。結(jié)果表明：1951—2011年，山東省全境與魯東、魯中和魯西地區(qū)的作物有效生育期均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，魯中最長(zhǎng)。在空間上，山東省從東向西作物有效生育期天數(shù)不斷增加，區(qū)域差異明顯。在山東省境內(nèi)日照時(shí)數(shù)越短，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)；積溫越高，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)；作物有效生育期內(nèi)降水越多，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)。通過分析作物有效生育期的時(shí)空變化規(guī)律，可以對(duì)將來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)管理提供理論和實(shí)踐的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：作物有效生育期；時(shí)空變化；山東省

中圖分類號(hào) S512.11；S423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）02-0108-03

1 引言

作物有效生育期是指作物從播種到收獲的整個(gè)生長(zhǎng)周期[1]，是研究作物生長(zhǎng)發(fā)育一般規(guī)律的重要手段。深入研究作物生育期對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)管理有著重要意義。氣候因素是影響作物有效生育期變化的重要因素，可以通過改變作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的光照、熱量、水分等條件影響作物生長(zhǎng)。山東省是我國(guó)受氣候變化影響最重要的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)之一，氣候的變化對(duì)山東地區(qū)作物種植及生長(zhǎng)都產(chǎn)生了一定的影響。因此，分析山東省作物生育期的變化趨勢(shì)及其與氣候變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，了解其對(duì)作物發(fā)育的影響，對(duì)于趨利避害、充分合理利用氣候資源、評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響等均具有重要意義[2]。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況 山東省是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)大省之一，其西部和北部位于華北平原的魯西北平原區(qū)，中部為魯中南山地丘陵區(qū)，東部半島地區(qū)多是起伏和緩的山東丘陵區(qū)。山東省氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，降水集中，有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。2014年，山東農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值位居全國(guó)第1位，糧食產(chǎn)量4596.6萬t，居全國(guó)第3位[3]。

2.2 數(shù)據(jù)來源 本文選用的氣象數(shù)據(jù)均來自中國(guó)氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)[4]，研究時(shí)段為1959—2011年，氣象因子包括有效生育期總天數(shù)、降水量、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)共4個(gè)參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和完整性，對(duì)存在變遷及缺測(cè)率大于5%的氣象站點(diǎn)進(jìn)行剔除，對(duì)存在部分時(shí)段缺測(cè)的，取周邊氣象臺(tái)站的平均值作為替換。最終選用山東地區(qū)23個(gè)氣象臺(tái)站點(diǎn)，包括德州站、惠民站、東營(yíng)站、莘縣站、兗州站、菏澤站、濟(jì)南站、泰安站、淄博站、沂源站、濰坊站、莒縣站、臨沂站、龍口站、長(zhǎng)島站、煙臺(tái)站、威海站、成山頭站、萊陽站、海陽站、石島站、青島站和日照站，其中魯西6個(gè)，魯中7個(gè)，魯東10個(gè)。

3 研究方法

3.1 趨勢(shì)線法 通過擬合適當(dāng)?shù)内厔?shì)線可以概括地反映長(zhǎng)時(shí)間序列的長(zhǎng)期變化態(tài)勢(shì)，趨勢(shì)線有直線和曲線2種，本文主要用直線型趨勢(shì)線擬合得到一元線性回歸方程：

3.2 回歸分析法 回歸分析法是研究要素之間具體數(shù)量關(guān)系的一種強(qiáng)有力的工具，運(yùn)用這種方法能夠建立反應(yīng)地理要素之間具體數(shù)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即回歸模型。本文選用一元線性回歸模型描述要素之間的線性關(guān)系：

3.3 反距離權(quán)重插值法 反距離權(quán)重插值法是一種簡(jiǎn)單常用的插值方法，其原理是距離越近兩點(diǎn)之間的相關(guān)性就越大。根據(jù)這個(gè)原理，以2點(diǎn)之間的距離要素計(jì)算插值權(quán)重通過已知點(diǎn)來求解位置點(diǎn)的相關(guān)屬性，計(jì)算公式：

4 山東省作物有效生育期時(shí)空變化

4.1 山東省作物有效生育期時(shí)間變化 山東省1959—2011年平均作物有效生育期為275.17d，最高值出現(xiàn)在2005年為292d，最低值出現(xiàn)在2010年為257d。通過作物有效生育期折線圖（圖1）可以看出，山東省近50年作物有效生育期天數(shù)波動(dòng)明顯，總體呈上升趨勢(shì)。其中1961年與2009年前后波動(dòng)最為顯著，總體上從262d上升到282d，上升比例為7%。由于山東省復(fù)雜的地形地貌條件對(duì)區(qū)域氣候和作物有效生育期天數(shù)影響較大，為深入研究不同地區(qū)作物有效生育期天數(shù)的差異，將山東省劃分為魯東、魯中和魯西3個(gè)區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)近50年魯東、魯中和魯西地區(qū)作物有效生育期平均天數(shù)分別為203.10d、210.47d、210.33d，魯中最高，魯東最短。

4.2 山東省作物有效生育期空間變化特征 為了研究山東省作物有效生育期空間變化特征，通過反距離權(quán)重插值方法對(duì)23個(gè)氣象臺(tái)站的作物有效生育期數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間插值運(yùn)算，得出山東省內(nèi)有效生育期空間分布圖（圖 2）。從圖2可以看出：山東省內(nèi)作物有效生育期天數(shù)總體上從東北向西南方向遞增，從195d遞增到215d；濟(jì)南及周邊地區(qū)作物有效生育期時(shí)長(zhǎng)最高，在216～218d；作物有效生育期天數(shù)最短地區(qū)在萊陽、海陽地區(qū)天數(shù)范圍在195～198d。

從山東省各地市作物有效生育期統(tǒng)計(jì)圖（圖3）可以看出，省內(nèi)東北部地區(qū)的地市有效生育期偏短，西南部地市的有效生育期偏長(zhǎng)，呈現(xiàn)出從東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)。具體來說：煙臺(tái)、威海有效生育期天數(shù)最短201d；濟(jì)南、泰安、萊蕪、聊城4個(gè)城市的作物有效生育期天數(shù)最長(zhǎng)210d以上；濰坊、日照、東營(yíng)、濱州、青島、臨沂、濟(jì)寧、德州、棗莊、菏澤10個(gè)地級(jí)市的作物有效生育期天數(shù)居中，天數(shù)在201～210d。

5 作物生育期影響因子分析

為進(jìn)一步研究作物有效生育期天數(shù)的影響因子，本文對(duì)于山東省23個(gè)氣象臺(tái)站的作物有效生育期與日照時(shí)數(shù)、積溫和降水3個(gè)氣候因素做了回歸分析[5-7]。

5.1 作物有效生育期對(duì)日照時(shí)數(shù)的響應(yīng) 太陽輻射是自然界一切綠色植物進(jìn)行光合作用的能量來源，與作物的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系重大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)山東省近50年日照時(shí)數(shù)總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，從1959年的1620h減少到2011年的1342h。將作物有效生育期與作物有效生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行回歸分析（圖4），得到回歸方程為y=-5.6141x+3097.3，R2=0.1306。因此可知，由于山東省近50年日照時(shí)數(shù)減少使得作物有效生育期天數(shù)增加。

5.2 作物有效生育期對(duì)溫度的響應(yīng) 合適的溫度條件是作物能生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件之一，積溫是指作物生長(zhǎng)發(fā)育階段內(nèi)逐日平均氣溫的總和，與作物種植制度和布局的關(guān)系極為密切，在各種積溫中活動(dòng)積溫（平均氣溫≥10℃積溫）是衡量該地區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程熱量條件的標(biāo)尺。將活動(dòng)積溫與作物有效生育期擬合回歸分析（圖5），1959—2011年山東省近50年活動(dòng)積溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，在1961年時(shí)積溫高達(dá)4568.164℃，之后有所下降，但是近10年，全省的積溫一直維持在4500℃左右，居高不下。回歸方程為y=12.926x+824.73，R2=0.4579，作物有效生育期天數(shù)與積溫呈正相關(guān)關(guān)系，積溫越高，有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)。

5.3 水分對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響 水分條件對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起著決定性的作用，作物生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段對(duì)水分的需求也是不同的，研究水分對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。為研究山東省變化趨勢(shì)，將山東省23個(gè)氣象臺(tái)站收集到的近50年作物生育期期間降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖6），得知近50年有效生育期內(nèi)降水量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，在2003年時(shí)降水量高達(dá)811mm，2004年以后降水有所下降，但維持在576mm以上?；貧w方程為y=4.2259x-598.09，R2=0.0836，作物有效生育期天數(shù)與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，降水量越高，有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)。

6 結(jié)語

本研究選取1951—2011年山東省境內(nèi)23個(gè)氣象臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)線法與空間差值的方法研究了山東省及其分區(qū)的作物有效生育期的時(shí)空格局及變化，并通過回歸分析法研究了作物有效生育期與日照時(shí)數(shù)、活動(dòng)積溫和降水的關(guān)系，結(jié)果表明：1951—2011年，山東省全境與魯東、魯中和魯西地區(qū)的作物有效生育期均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，其中魯中地區(qū)的作物有效生育期天數(shù)最長(zhǎng)，魯東最短。在空間上，山東省從東向西作物有效生育期天數(shù)不斷增加，區(qū)域差異明顯；其中濟(jì)南市、萊蕪市、泰安市和濟(jì)寧市作物有效生育期天數(shù)最長(zhǎng)，煙臺(tái)市和威海市作物有效生育期天數(shù)最短。在山東省境內(nèi)日照時(shí)數(shù)越短，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)；積溫越高，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)；作物有效生育期內(nèi)降水越多，作物有效生育期天數(shù)越長(zhǎng)。

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（責(zé)編：張宏民）