氣候變化對廣東冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃的影響

沈平，陳榮，杜堯東，張永華，高建秋

（1.廣東省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510640；2.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；3.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510640）

馬鈴薯作為全球第3大糧食作物，中國5大主食之一，具有高產(chǎn)、周期短、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點［1]。廣東省地處熱帶、南亞熱帶地區(qū)，熱量充足，尤其冬季光熱條件好，具備開展冬種馬鈴薯種植條件。近年來冬種馬鈴薯已成為廣東省糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要途經(jīng)［2]。然而，在全球氣候變暖的背景下［3]，局地出現(xiàn)了忽視氣候變化對種植適應(yīng)性的影響，而盲目擴(kuò)大種植范圍的現(xiàn)象。導(dǎo)致種植區(qū)域及耕種時間的不適宜，嚴(yán)重影響了冬種馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。

近年來，在全球氣候變化背景下廣東農(nóng)業(yè)氣候資源變化的研究表明，過去40年，廣東溫度呈增加趨勢［4]，熱量資源明顯增多，光照及降水呈減少趨勢，但減幅較?。?]。因此，學(xué)者就氣候變化對廣東農(nóng)作物種植氣候生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行大量研究，歸納總結(jié)了氣候變化對作物生長發(fā)育的影響和作物種植區(qū)域調(diào)整建議［6-12]，杜堯東等［5]探討了廣東地區(qū)氣候變暖對農(nóng)業(yè)的影響與對策；陳新光等［7]就氣象變化背景下廣東早稻播期調(diào)整方式進(jìn)行研究；黃珍珠等［8]研究氣候變化背景下廣東寒露風(fēng)特征及其對晚稻產(chǎn)量影響的分析；梁敏妍等［11]對長壩沙田柚的氣候適宜性及其變化趨勢進(jìn)行分析。但關(guān)于氣候變化對廣東冬種馬鈴薯種植區(qū)劃的影響研究則鮮有報道。本研究擬利用廣東省86個氣象站臺1961—2016年的氣象要素，參考以往有關(guān)冬種馬鈴薯種植區(qū)劃指標(biāo)的研究成果，結(jié)合廣東種植實際情況，分析近56年來廣東氣候變化對冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃的影響，以期為廣東省持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展冬種馬鈴薯產(chǎn)業(yè)提供理論參考依據(jù)。

1 資料與方法

1）資料來源。

本研究采用廣東省探測數(shù)據(jù)信息中心提供的廣東省86個氣象站點1961—2016年近56年的逐日平均氣溫、極端最低氣溫、降雨量、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)由廣東省氣候中心提供廣東省1∶25萬數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

2）區(qū)劃指標(biāo)。

根據(jù)廣東省11月至翌年2月的氣候特點，結(jié)合馬鈴薯整個生長期和關(guān)鍵生育期對氣候條件的要求，參考以往研究成果［13]與廣東種植實際情況，本研究選擇11月—次年2月的平均氣溫、11月—次年2月80%保證率≥10℃的積溫、11月—次年2月80%保證率的極端最低氣溫、1—2月平均氣溫和霜凍日數(shù)［14]，確定該5個因子作為劃分冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃的指標(biāo)。指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 冬種馬鈴薯種植的農(nóng)業(yè)區(qū)劃指標(biāo)

3）數(shù)據(jù)處理。

（1）氣候要素變化趨勢和突變特征分析方法。

分析1961—2016年廣東冬種馬鈴薯氣候區(qū)劃有關(guān)氣候要素的變化趨勢和特征［15]。鑒于氣候波動對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，≥10℃積溫和極端最低氣溫2個區(qū)劃因子進(jìn)行了80%保證率［16]的運算考慮，根據(jù)正態(tài)分布中保證率與隨機(jī)變量的關(guān)系，使用區(qū)劃因子多年平均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差，計算各站11月—2月80%保證率的≥10℃積溫和極端最低氣溫。

（2）冬種馬鈴薯氣候區(qū)劃方法。

采用86個氣象觀測站的氣象資料，運用回歸分析分別對突變前后2個時間段的5個區(qū)劃因子與經(jīng)緯度、海拔高度、坡度和坡向建模并進(jìn)行小網(wǎng)格推算（表2）。在ArcGIS10.0平臺下，根據(jù)表1對各區(qū)劃因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)進(jìn)行分級處理并獲取區(qū)劃圖，將各區(qū)劃因子按相同權(quán)重迭加處理，獲得廣東冬種馬鈴薯氣候區(qū)劃圖。

表2 區(qū)劃因子推算模型

2 氣候要素變化趨勢

2.1 年平均氣溫

1961—2016年廣東年平均氣溫序列的累積距平在1996年出現(xiàn)最小值（圖1），對1961—1996和1997—2016年廣東年平均氣溫進(jìn)行t檢驗結(jié)果顯示，｜t0｜＝7.485 0＞ta＝0.001，表明，近56年廣東省年平均氣溫于1997年發(fā)生了突變，突變后年平均氣溫升高了0.68℃。

2.2 11月—次年2月平均氣溫

1961—2016年廣東省11月—次年2月平均氣溫序列的累積距平在1986年出現(xiàn)最小值（圖2），對1961—1986和1987—2016年廣東省11月—次年2月平均氣溫進(jìn)行t檢驗結(jié)果顯示，｜t0｜＝3.862 3＞ta＝0.001，表明，近56年廣東省11月—次年2月的平均氣溫于1986年發(fā)生了突變，突變后升高了0.87℃。

2.3 ≥10℃的積溫

1961—2016年廣東省≥10℃積溫序列的累積距平在1986年出現(xiàn)了最小值（圖3），對1961—1986和1986—2016年廣東省≥10℃積溫進(jìn)行t檢驗結(jié)果顯示，｜t0｜＝4.732 3＞ta＝0.001，表明，近56年廣東省≥10℃積溫在1986年前后發(fā)生了突變，突變后廣東省11月—次年2月≥10℃積溫增加了0.82℃。

圖1 1961—2016年廣東省年平均氣溫及其累積距平的變化

圖2 1961—2016年廣東省11月—次年2月平均氣溫及其累積距平的變化

圖3 1961—2016年廣東省11月—次年2月≥10℃積溫及其累積距平的變化

3 區(qū)劃因子空間分布變化

以氣候要素的變化特征為依據(jù)，年平均氣溫的突變點為1997年，這與杜堯東等［17]研究結(jié)果一致。而冬種馬鈴薯生長期的2個區(qū)劃因子11月—次年2月平均氣溫與11月—次年2月氣溫≥10℃積溫突變點均發(fā)生在1987年，但1987—1997年間累積距平變化相對平緩，1997年之后累積距平增幅變大。為了便于分析，以1997年為時間節(jié)點，探討1997年前（1961—1996年）、后（1997—2016）各區(qū)劃因子空間分布的差異。

3.1 11月—次年2月平均氣溫

廣東11月—次年2月平均氣溫空間總體呈現(xiàn)“南部高、北部低，沿海高、山區(qū)低”的分布特點。突變前≥15℃的區(qū)域主要分布在湛江、茂名地區(qū)、珠江口兩側(cè)以及南部沿海一線，大部分地區(qū)11月—次年2月平均氣溫在15℃以下，粵北北部山區(qū)氣溫低于11℃（圖4a）。1997年后≥15℃的區(qū)域面積由39.1%增至47.7%，13～15和11～13℃范圍的區(qū)域面積略有減小，≤11℃的區(qū)域面積變化不大（圖4b）。

3.2 11月—次年2月80%保證率≥10℃積溫

突變前11月—次年2月80%保證率≥10℃積溫≥1 800℃區(qū)域面積占總面積的37.2%，主要分布在粵西西南部、珠江口兩側(cè)以及南部沿海地區(qū)。1 400～1 800℃的區(qū)域向北覆蓋至肇慶、清遠(yuǎn)、河源以南一線，其余地區(qū)≥10℃積溫＜1 400℃（圖5a）。1997年后11月—次年2月80%保證率≥10℃積溫≥1 800℃范圍增至43.5%。1 400～1 800和1 000～1 400℃的區(qū)域略有縮小，≤1 000℃區(qū)域變化較小（圖5b）。

圖4 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）的11月—次年2月平均氣溫分布（單位：℃）

圖5 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）的11月—次年2月≥10℃積溫分布（單位：℃）

3.3 11月—次年2月80%保證率極端最低氣溫

1961—1997年，80%保證率11月—次年2月極端最低氣溫高于3.5℃的區(qū)域在粵西西南、珠江口兩側(cè)以及南部沿海一線區(qū)域，占總面積的41.5%。0.0～3.5℃的區(qū)域向北覆蓋肇慶、清遠(yuǎn)、河源、梅州一帶，占總面積的32.4%，而＜0℃的區(qū)域主要集中在粵北山區(qū)（圖6a）。1997年后，變化較明顯的2個區(qū)域為：0.0～3.5℃的區(qū)域面積縮小至28.2%，≤-3℃的區(qū)域由10.2%增至14.3%（圖6b）。

圖6 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）的11月—次年2月≥10℃極端最低氣溫分布（單位：℃）

3.4 1—2月平均氣溫

1961—1996年1—2月平均氣溫≥14℃主要分布在粵西西南，珠江口以西沿海地區(qū)以及東莞、深圳、汕尾、惠州有零星分布。12～14℃區(qū)域向北覆蓋云浮、佛山、廣州、惠州、揭陽、汕頭、潮州一帶區(qū)域，肇慶、河源、梅州有帶狀分布。其余地區(qū)1—2月平均氣溫＜12℃，清遠(yuǎn)以北地區(qū)低于10℃（圖7a）。1997年之后，除≥14℃區(qū)域由25.2%增至42.9%外，其余3個區(qū)域面積均有縮小，≤10℃區(qū)域由14.6%減至10.9%，10～12℃區(qū)域由24.1%減至16.9%，12～14℃區(qū)域由36.1%減至29.3%（圖7b）。

圖7 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）的1—2月平均氣溫分布（單位：℃）

3.5 霜日

突變前后廣東省霜日數(shù)變化較大，突變后年均霜日≤3 d的區(qū)域擴(kuò)大明顯，占總面積的28.7%?！?0和3～7 d的區(qū)域均呈減小趨勢，分別由46.6% 減至33.0% 和34.0% 減至23.3%；7～10 d的區(qū)域變化較小，霜日數(shù)的減少有利于冬種馬鈴薯安全越冬（圖8）。

圖8 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）的霜日分布（單位：d）

4 冬種馬鈴薯氣候區(qū)劃的變化

結(jié)合對冬種馬鈴薯不同適宜程度的各氣候要素的等級標(biāo)準(zhǔn)，在ArvGis10.0平臺上對1997年前后與馬鈴薯生長發(fā)育相關(guān)性較強(qiáng)的5個氣象要素的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，獲得了1997年前、后廣東冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃（圖9）。

圖9 1961—1996年（a）和1997—2016年（b）廣東冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃圖

1997年前后廣東冬種馬鈴薯種植氣候區(qū)劃除了最適宜區(qū)面積大幅增加外，其余區(qū)域面積均有不同程度縮小，但整體而言，適宜冬種馬鈴薯種植的面積增加，有利于廣東冬種馬鈴薯發(fā)展。

（1）最適宜氣候區(qū)在1997年突變之后有明顯的增大趨勢，1997年之前最適宜種植區(qū)主要分布在粵西西南部、南部沿海一帶和珠江口兩側(cè)地區(qū)，面積為621.77萬hm2。1997年后，冬種馬鈴薯適宜種植區(qū)有明顯向北擴(kuò)張趨勢，珠江口兩側(cè)區(qū)域尤其明顯，面積增至754.75萬hm2，較1997年前增大了132.98萬hm2，面積比例增加7.4%。（2）氣候突變后廣東冬種馬鈴薯適宜種植區(qū)整體北移，但面積變化較小，由突變前的495.93萬hm2減至472.61萬hm2。（3）廣東冬種馬鈴薯種植氣候次適宜區(qū)突變前主要分布在中部偏北地區(qū)，面積為479.81萬hm2，占全省總面積的26.7%。氣候突變后該區(qū)域北界無明顯變化，但受適宜區(qū)整體北移影響，面積減至380.95萬hm2，面積比例減少了5.5%。（4）廣東冬種馬鈴薯不適宜區(qū)突變前后變化較小，面積由突變前的199.49萬hm2，降至188.69萬hm2，面積比例縮小了0.6%。

制約廣東冬種馬鈴薯種植規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大的主要氣候因素是冬季寒害和馬鈴薯生長期的熱量條件不足。本研究結(jié)果表明，在全球變暖背景下，近56年，尤其是1997年以來馬鈴薯生長發(fā)育所需氣候條件改善明顯，使得廣東冬種馬鈴薯的最適宜種植區(qū)向北擴(kuò)大7.4%；適宜區(qū)面積變化不明顯，但整體北移；次適宜、不適宜區(qū)分別縮小了5.5%和0.6%。充分合理利用廣東農(nóng)業(yè)氣候資源朝利于冬種馬鈴薯種植方向發(fā)展這一結(jié)論，適度北推冬種馬鈴薯種植規(guī)模，進(jìn)一步促使廣東冬種馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。