黃河金三角地區(qū)近45 a 氣溫變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

裴秀苗，王志偉，范志宣，周運麗，裴昭萌

（1.山西省運城市氣象局，山西運城044000；2.山西省氣候中心，山西太原030006；3.山西省鹽湖區(qū)氣象局，山西運城044000）

隨著大氣中CO2等溫室氣體濃度的不斷增加，全球氣候變暖已成為國際社會關(guān)注的重大問題[1-5]。據(jù)世界氣象組織宣布，2000—2010 年溫度變化是有氣象記錄以來歷史上最溫暖的10 a，全球變暖已成不爭的事實[6]。氣候變暖不僅直接導(dǎo)致農(nóng)作物的生長環(huán)境發(fā)生變化，同時也會間接導(dǎo)致其他類型的氣候變化，從而影響農(nóng)作物的生長[7-8]。氣候變暖給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響是多方位、多尺度、多層次的，氣候系統(tǒng)帶來的負(fù)面效應(yīng)更加受到社會和科學(xué)界廣泛的關(guān)注[9]，國內(nèi)外眾多學(xué)者就氣候變暖以及由此給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響展開了大量研究，并取得了卓越的成績[10-28]。李曉鶴等[29]分析了天水市1964—2013 年熱量資源變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，指出氣候變暖對農(nóng)作物生長發(fā)育產(chǎn)生了較大影響，喜溫作物和越冬作物種植面積擴大，種植區(qū)北界向北擴展；春播作物玉米播種期提前，生殖生長期延長；越冬作物冬小麥推遲播種，春季提前返青，全生育期縮短；馬榮[30]研究了和田市近30 a 來氣溫的變化及其對農(nóng)業(yè)的影響，指出氣候變暖使作物生長期延長，冬季氣候變暖，溫度偏高，有利于作物的越冬，但秋季溫度較低，影響棉花生長。同時由于氣溫升高，降低了病蟲的死亡率,使病蟲數(shù)量上升，容易造成病蟲害，增大了病蟲害防治難度；盧冬梅等[31]分析了江西近40 a 溫度變化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，指出夏季降溫減少了高溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，而冬季升溫則有利于冬季作物及果樹的生長和安全越冬。但在冬季增溫和夏季變涼的背景下,冬季凍害和夏季高溫仍有發(fā)生；劉云鵬[32]對宜昌近40 a 來溫度變化分析指出，積溫減少，夏季低溫冷害日漸突出，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前已有的研究結(jié)果表明，氣候變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利弊并存，但負(fù)面影響大于正面影響。

黃河金三角地區(qū)位于黃河中游，覆蓋晉、陜、豫三地，處于我國中、西部地區(qū)結(jié)合帶的省際交匯區(qū)，通華北、連西北、接中原，承東啟西、貫通南北，通過20 余年來不間斷的經(jīng)濟合作與社會、資源整合，正在形成一個日臻成熟的經(jīng)濟社會發(fā)展平臺，它所展示的區(qū)域互動效應(yīng)和區(qū)域焊接功能為我國現(xiàn)階段“以東帶西、東中西共同發(fā)展”的戰(zhàn)略布局提供了極具可操作性的現(xiàn)實價值，那么這個地區(qū)的氣溫變化有什么特點呢？氣溫的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響又是怎樣的呢？由于受行政邊界分割的影響，關(guān)于這個地區(qū)氣候方面的研究還未見報道，因此，很有必要對該地區(qū)的氣溫變化進行分析。

本研究利用氣候傾向率、距平及累積距平等方法，對黃河金三角地區(qū)1971—2015 年氣溫資料進行分析，并用Mann-Kendall 突變檢驗法和累積距平檢驗氣溫突變，研究其變化規(guī)律及由此而引起的對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，以期能夠為該地區(qū)農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展起到參考作用。

1 材料和方法

1.1 資料來源

本研究基于黃河金三角地區(qū)4 個市45 個代表氣象站點1971—2015 年的日平均氣溫、最高（低）溫度資料，包括山西臨汾17 個站、山西運城13 個站、陜西渭南11 個站、河南三門峽4 個站（三門峽的湖濱區(qū)和義馬市沒有氣象站點），資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：春季 3—5 月、夏季 6—8 月、秋季 9—11 月、冬季為12 月至第2 年2 月。

1.2 研究方法

本研究以日資料為基礎(chǔ)，計算月、四季和年平均氣溫、最高（低）溫度序列，然后進行距平化處理，得到年、季距平和累積距平序列。采用氣候傾向率和距平法分析春季、夏季、秋季、冬季以及年氣溫、最高（低）溫度變化趨勢，用Mann-Kendall 突變檢驗法檢驗各季和年氣溫的突變，判斷可能發(fā)生突變的年份，結(jié)合累積距平法判斷氣溫突變點。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化分析

2.1.1 年、季平均氣溫變化特征 1971—2015 年黃河金三角地區(qū)年平均氣溫為12.4 ℃，范圍在11.1～13.7 ℃，從圖1 的線性擬合趨勢可以看出，該地區(qū)年平均氣溫呈增溫趨勢，氣候傾向率為0.286 ℃/10 a。1971—1993 年年氣溫距平整體為負(fù)，1994 年以后年氣溫距平整體為正，期間僅在2003、2011、2012 年出現(xiàn)負(fù)距平?？梢姡?0 世紀(jì)80 年代至90 年代前期是該地區(qū)偏冷期，之后進入偏暖期。

從表1 可以看出，各季氣溫變化趨勢與年一致，呈增溫趨勢，春季增溫最明顯，氣候傾向率為0.44 ℃/10 a，其次是冬季，氣候傾向率為 0.36 ℃/10 a，夏季增溫最不明顯，氣候傾向率為0.11 ℃/10 a，秋季氣候傾向率為0.22 ℃/10 a。春、夏、秋季在20 世紀(jì)80 年代氣溫最低，春、秋季在90 年代之后持續(xù)增溫，90 年代增溫明顯；夏季在90 年代之后氣溫在波動中穩(wěn)定，各年代際平均值穩(wěn)定在24.7 ℃；而冬季氣溫呈持續(xù)增溫趨勢，90 年代增溫最明顯（圖 2）。

表1 黃河金三角近45 a 氣溫年代際變化 ℃

21 世紀(jì)以來，年、春、夏、冬季的平均氣溫穩(wěn)定，秋季繼續(xù)增高?？偟膩碚f，氣溫呈增溫趨勢，與其他地區(qū)不同的是，在氣候變暖中春季氣溫的變暖貢獻最大（多數(shù)地區(qū)是冬季貢獻最大）。

2.1.2 最冷月（1 月）和最熱月（7 月）平均氣溫變化特征 1971—2015 年黃河金三角地區(qū)最冷月平均氣溫呈增溫趨勢，氣候傾向率為0.24 ℃/10 a，年代際間持續(xù)增高；最熱月平均氣溫呈波動增溫趨勢，氣候傾向率為0.21 ℃/10 a。最熱月平均氣溫20 世紀(jì)90 年代增溫非常明顯，比80 年代升高了1.0 ℃，2010—2011 年略有下降，2011 年以后再次增高（圖 3）。

2.1.3 年平均最高（低）氣溫變化特征 從圖4 和表2、3 可以看出，年平均最高、最低氣溫均呈增溫趨勢，氣候傾向率分別為0.366、0.372 ℃/10 a，增溫幅度均大于年平均氣溫；20 世紀(jì)80 年代最高氣溫最低，90 年代增溫明顯，2011 年以后，年最高平均氣溫有所下降；而最低氣溫呈穩(wěn)步增溫趨勢。

表2 黃河金三角近45 a 平均最高氣溫年代際變化℃

表3 黃河金三角近45 a 最低氣溫年代際變化 ℃

2.2 氣溫突變分析

采用Mann-Kendall 檢驗和累積距平法對黃河金三角地區(qū)近45 a 各季和年平均氣溫時間序列進行突變檢驗，分析結(jié)果見圖5。由圖5-a 可知，年平均氣溫的UF 曲線在1973—1982 年和1995—2015 年整體上為正，表明氣溫呈增溫趨勢，且在2001—2015 年超過α＝0.05 顯著水平線，表明呈顯著增溫趨勢；1983—1994 年整體為負(fù)，表明該階段氣溫呈下降趨勢。在臨界線（給定顯著水平α＝0.05，則U0.05＝±1.96）內(nèi) UF 和 UK 在 1996 年相交。由累積距平分析結(jié)果（圖5-b）可知，1993 年之前累積距平呈下降趨勢，1996 年之后呈上升趨勢，說明年平均氣溫經(jīng)歷了從下降到上升的過程，突變發(fā)生在1993—1996 年。綜合2 種檢驗方法判斷黃河金三角年平均氣溫在1996 年發(fā)生了突變。

根據(jù)Mann-Kendall 檢驗和累積距平法，春季氣溫在1996 年發(fā)生了突變，夏季氣溫突變點在1993 年，秋季氣溫在1997—1998 年發(fā)生了突變，冬季突變點在1986 年前后。

2.3 氣溫地域分布特征

從各地氣溫變化趨勢可以看出，黃河金三角地區(qū)內(nèi)4 個市年平均氣溫都呈增溫趨勢，但增溫趨勢各不相同，由南到北增溫趨勢逐漸增加，其中，臨汾市增溫最明顯，氣候傾向率為0.352 ℃/10 a，其次是渭南，氣候傾向率為0.207 ℃/10 a，運城和三門峽接近，氣候傾向率分別為0.128、0.127 ℃/10 a。

從各縣（市、區(qū)）氣候傾向率（圖6）來看，臨猗和芮城為負(fù)，其余各地均為正，表明1971—2015 年黃河金三角地區(qū)內(nèi)除臨猗和芮城氣溫呈降溫趨勢外，其余各縣（市、區(qū)）的氣溫均呈增溫趨勢。氣候傾向率較大的區(qū)域在臨汾市，堯都區(qū)、鄉(xiāng)寧和吉縣的氣候傾向率＞0.4 ℃/10 a，分別為 0.452、0.443、0.401 ℃/10 a，臨汾市的永和、隰縣、汾西、古縣、翼城、襄汾、曲沃以及運城市北部的新絳、稷山、萬榮氣候傾向率在0.3～0.4 ℃/10 a。另外，運城南部的平陸和渭南南部的臨潼區(qū)氣候傾向率也在0.3～0.4 ℃/10 a，其余各地氣候傾向率在0.3 ℃/10 a以下。

2.4 氣溫變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

黃河金三角地區(qū)是一個農(nóng)業(yè)大區(qū)，主產(chǎn)冬小麥、玉米、大豆、經(jīng)濟林果、藥材等，農(nóng)產(chǎn)品豐富，但這里是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還未擺脫靠天吃飯的命運。隨著氣候變暖，干旱、雨澇等極端氣候事件頻發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到很大影響。氣溫增暖，無霜期延長，農(nóng)作物生育期延長；冬末春初氣溫回升快，農(nóng)作物生育期提前，增大了后期遭遇晚霜凍的風(fēng)險；氣候變暖使雜草大量蔓延，并加快了病蟲害生長發(fā)育的速度，增加農(nóng)藥用量，提高農(nóng)業(yè)成本；氣候變暖使得高溫日數(shù)增多，增大了蘋果高溫灼傷的風(fēng)險，降低了果品品質(zhì)。

2.4.1 冬末早春氣溫回升快 黃河金三角地區(qū)4 月份平均氣溫為13.9 ℃，比3 月份的7.0 ℃升高了6.9 ℃，比2 月份的1.3 ℃升高了12.6 ℃。冬末早春氣溫回升快，作物生育期提前，后期抗寒能力減弱，春季晚霜凍風(fēng)險提高。2007 年3 月下旬，運城市持續(xù)回暖，氣溫偏高。然而4 月2、3 日該市氣溫驟降，最大降溫幅度達15 ℃，最低地表溫度降至-6 ℃，出現(xiàn)了罕見的霜凍災(zāi)害，致使全市13 個縣、市、區(qū)農(nóng)作物不同程度受凍，林果業(yè)損失慘重。在受災(zāi)的農(nóng)作物中，桃、杏、李、梨等正處于開花授粉期，損失最為嚴(yán)重。2018 年3 月份，黃河金三角地區(qū)平均氣溫為11.4 ℃，比歷年同期偏高3.7～4.2 ℃，氣溫異常偏高導(dǎo)致作物生育期提前，大部分地區(qū)小麥拔節(jié)期提前6～8 d，各種果類的花期均較往年提前4～10 d，至4 月上旬，杏、桃、梨已過盛花期，蘋果處于盛花期。4 月7 日，我國北方地區(qū)出現(xiàn)大范圍霜凍天氣，黃河金三角地區(qū)處于此次霜凍受災(zāi)區(qū)內(nèi)，已經(jīng)拔節(jié)的冬小麥和各種果類普遍受凍，損失非常嚴(yán)重。

2.4.2 夏季氣溫升高，伏旱頻繁發(fā)生 夏季氣溫呈增溫趨勢，氣候傾向率為0.11 ℃/10 a，降水則呈減少趨勢，有利于夏糧的收獲、晾曬，但也使得伏旱發(fā)生頻率提高，嚴(yán)重影響秋糧生長發(fā)育。近年來，由于惠農(nóng)政策的落實和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的不斷提高，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體水平也在不斷提高，但糧食和經(jīng)濟林果的產(chǎn)量常常出現(xiàn)明顯的波動，這與氣候因子的變化密切相關(guān)。夏季高溫不利于經(jīng)濟林果的生長發(fā)育和幼果膨大，對蘋果著色也有一定的負(fù)面影響。7 月份氣溫呈現(xiàn)增暖趨勢，高溫日數(shù)增多，受其影響蘋果果面灼傷概率增大,影響果品品質(zhì)。1997 年6—7 月，華北地區(qū)出現(xiàn)了新中國成立以來罕見的特大干旱酷熱天氣，黃河金三角地區(qū)6 月平均氣溫25.1 ℃，比歷年同期（24.0 ℃）偏高 1.1 ℃；7 月平均氣溫 27.2 ℃，比歷年同期（25.5 ℃）偏高 1.7 ℃，是1971—2015 年最高值，對農(nóng)林業(yè)造成嚴(yán)重的損失。2018 年7 月16 日至8 月20 日，該地區(qū)持續(xù)無有效降水，伏旱嚴(yán)重，≥35 ℃高溫日數(shù)（一天中有一縣達35 ℃則記為一個高溫日）達30～50 d，其中，運城市多達50 d，從秋季田間調(diào)查情況來看，該地區(qū)各地蘋果都有灼傷現(xiàn)象，以運城市果面灼傷最為嚴(yán)重。

2.4.3 冬季氣溫升高，蟲卵安全越冬 黃河金三角地區(qū)冬季氣溫變暖，為冬季種植反季節(jié)蔬菜提供了充足的熱量條件，但也給病菌存活和害蟲越冬提供了有利條件，大量蟲卵蛹、病菌越冬死亡率降低，病蟲數(shù)量增加，容易引發(fā)來年病蟲害蔓延，增大了病蟲害防治難度，增加了農(nóng)業(yè)投入。據(jù)調(diào)查，冬季偏暖的年份，來年春季遇雨，病蟲害往往高發(fā)。

3 結(jié)論與討論

黃河金三角地區(qū)年平均氣溫呈顯著增溫趨勢，氣候傾向率為0.286 ℃/10 a，各季平均氣溫也呈增溫趨勢，春季增溫最明顯，其次是冬季，夏季增溫最少。最冷月（1 月）的月平均氣溫持續(xù)增高，最熱月（7 月）平均氣溫20 世紀(jì)80 年代較低，90 年代比80 年代增高了 1.0 ℃，2010—2011 年略有下降，2011 年以后再次增高。

與全球的氣溫變化趨勢不同的是，20 世紀(jì)80 年代是全球性氣候變暖最顯著的10 a，而該地區(qū)則是相對較冷的時期，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫都處于低值區(qū)，90 年代增溫明顯，2011 年以后氣溫相對穩(wěn)定在較高水平。

1971—2015 年黃河金三角地區(qū)各季和年平均氣溫均發(fā)生了增溫突變，年和春季氣溫的突變點出現(xiàn)在1996 年，夏季出現(xiàn)在1993 年，秋季在1997—1998 年，冬季在 1986 年。

黃河金三角地區(qū)內(nèi)4 個市年平均氣溫都呈增溫趨勢，但增溫幅度各不相同，其中，臨汾市增溫最明顯，其次是渭南，運城和三門峽接近。研究區(qū)內(nèi)臨猗和芮城縣氣溫呈下降趨勢，其余各縣（市、區(qū)）均呈增溫趨勢，但增溫程度不同，增溫幅度較大的縣（市、區(qū)）集中在臨汾和運城市北部。

由于全球氣候變暖，未來氣候?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響利弊并存。冬季增溫，有利于反季節(jié)蔬菜的種植，但也給病蟲卵蛹的越冬提供了有利條件；夏季增溫雖然有利于夏糧的收獲和晾曬，但使得夏旱發(fā)生概率增大，同時也給秋糧和經(jīng)濟林果的生長帶來不利；冬末初春氣溫回升快，導(dǎo)致農(nóng)作物生育期提前，抵御晚霜凍的能力減弱。