張維敏, 王景紅

(陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái), 西安710014)

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黃土高原紅棗種植區(qū)積溫變化特征分析

張維敏, 王景紅

(陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái), 西安710014)

為了揭示黃土高原紅棗種植區(qū)積溫的變化特征，為紅棗產(chǎn)業(yè)的布局和科學(xué)管理提供依據(jù)。利用1971—2010年12個(gè)氣象站日平均氣溫資料，運(yùn)用線性傾向估計(jì)、M-K及小波分析等方法，對(duì)≥0℃，5℃，10℃積溫及負(fù)積溫的變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，40年來≥0℃，5℃，10℃積溫呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為64.557℃/10 a，66.235℃/10 a，48.023℃/10 a。負(fù)積溫呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-33.759℃/10 a。持續(xù)日數(shù)呈增加趨勢(shì)，各界限溫度初日呈提前趨勢(shì)，終日除10℃外均呈推后趨勢(shì)。各界限溫度積溫均發(fā)生突變現(xiàn)象，負(fù)積溫突變出現(xiàn)最早1986年，其次為≥0℃積溫1995年，≥5℃、≥10℃積溫1996年；各界限溫度積溫變化存在多時(shí)間尺度的周期變化特征，具有2～4，9～11，32～33 a左右的周期振蕩，其中32～33 a左右的周期最為明顯。黃土高原紅棗種植區(qū)近40 a來0℃以上各界限溫度積溫和持續(xù)時(shí)間呈增加趨勢(shì)，熱量資源明顯改善，適宜種植紅棗的區(qū)域擴(kuò)大；但需采取有效措施防御可能發(fā)生的干旱災(zāi)害及紅棗病蟲害。

積溫; 變化趨勢(shì); 突變; Morlet小波分析

積溫是表征農(nóng)業(yè)熱量資源的重要指標(biāo)，能夠反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可利用的溫度條件及其持續(xù)時(shí)間。界限溫度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，標(biāo)志著某些物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動(dòng)的開始、轉(zhuǎn)折或終止的日平均溫，界限內(nèi)積溫反映了積溫在各個(gè)溫度范圍內(nèi)的分布狀況。界限溫度以上的累積積溫及持續(xù)日數(shù)是評(píng)價(jià)地區(qū)熱量資源的重要指標(biāo)之一。通過分析積溫多少、季節(jié)分配及保證率，可以判定熱量資源狀況，為規(guī)劃種植制度、發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效作物提供重要依據(jù)[1-4]。全球氣候變暖已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，氣候變化將改變熱量資源的時(shí)空分布，對(duì)各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)布局、作物種類品種、作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成以及耕作制度等將產(chǎn)生影響[5]。黃土高原地處半濕潤向半干旱和干旱氣候變化的過渡帶，是我國氣候變化與環(huán)境的敏感脆弱區(qū)之一。棗樹原產(chǎn)于我國，是我國特有的經(jīng)濟(jì)樹種之一，退耕還林政策實(shí)施以來，棗樹已成為黃土高原區(qū)退耕還林的主要樹種[6-7]。

近年來，紅棗產(chǎn)業(yè)已成為黃土高原地區(qū)主導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，在改善生態(tài)、增加收入方面發(fā)揮了重要作用，實(shí)現(xiàn)了兼顧生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益的目的。

許多學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)氣候變化特點(diǎn)進(jìn)行研究并取得成果，該區(qū)域氣溫上升降水減少，正積溫波動(dòng)上升負(fù)積溫減少，氣候呈干暖化趨勢(shì)[8-10]。但是關(guān)于陜西山西黃土高原紅棗種植區(qū)不同界限溫度初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫變化的研究目前較為少見。因此，本文全面分析近40 a來黃土高原紅棗種植區(qū)不同界限溫度初終日、持續(xù)時(shí)間以及積溫變化特征，初步探討其變化對(duì)該區(qū)域紅棗產(chǎn)業(yè)的影響，為紅棗的生產(chǎn)布局、科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 資料和方法

本研究選取陜西、山西12個(gè)紅棗種植縣地面氣象站1971—2010年逐日平均氣溫資料，資料來源于陜西省氣象信息中心和山西氣候中心。采用5日滑動(dòng)平均法得到日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃，5℃和10℃的初終日期，然后分別計(jì)算始終日期間的持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫[11-15]。通過線性傾向估計(jì)方法分析氣象要素的年際變化趨勢(shì)，用最小二乘法計(jì)算線性函數(shù)的斜率，斜率為正表示序列呈上升趨勢(shì)，反正呈下降趨勢(shì)，斜率的10倍作為各要素的氣候傾向率，單位為℃/10 a，使用SPSS軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，判斷變化趨勢(shì)是否顯著。利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(M-K檢驗(yàn))和滑動(dòng)T檢驗(yàn)(MTT)法對(duì)各要素進(jìn)行突變檢驗(yàn)；同時(shí)采用Morlet小波變化方法分析≥0℃，5℃和10℃積溫及負(fù)積溫的周期變化特征[16-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥0℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日

0℃是高等生物生命活動(dòng)的起始溫度，農(nóng)業(yè)上通常將日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃之間的日期作為適宜農(nóng)耕期，期間的活動(dòng)積溫、持續(xù)日數(shù)表示該地區(qū)熱量資源狀況[19-21]。近40 a黃土高原丘陵紅棗種植區(qū)≥0℃積溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，氣候傾向率64.557℃/10 a，通過0.01顯著性檢驗(yàn),增溫顯著。最大值4513.1℃出現(xiàn)在1999年，最小值3798.5℃出現(xiàn)在1976年。1971—1996年距平多為負(fù)值比例為73%，1997—2010年距平多為正值比例為86%；20世紀(jì)70，80年代偏低63.0℃，93.6℃，90年代和21世紀(jì)10年代分別偏高52.1℃，104.6℃。1995年前后發(fā)生了低到高的突變，2005年以后這種增暖趨勢(shì)更為顯著，突變前后差值為198.9℃(圖1)。小波分析顯示，≥0℃積溫距平存在33 a，9 a，2～4 a的振蕩周期，長周期又包含短周期。33 a左右的長周期具有全域性，經(jīng)歷了2個(gè)偏多和1個(gè)偏少的循環(huán)；9 a左右的周期存在偏少和偏多的4個(gè)循環(huán)，20世紀(jì)80年代以后較為明顯；2～4 a左右的周期偏多偏少交替頻繁，2000年以前表現(xiàn)較為明顯(圖2)。

圖1 紅棗種植區(qū)≥0℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日變化趨勢(shì)

圖2 紅棗種植區(qū)≥0℃積溫小波變換系數(shù)、小波方差

≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)均值為259 d，呈線性增加趨勢(shì)，傾向率為1.2 d/10 a未通過顯著性檢驗(yàn)。2002年持續(xù)日數(shù)最長為287 d，1976年和1985年最短為242 d。從各年代來看，21世紀(jì)10年代最長263 d，其次分別為20世紀(jì)70年代和90年代259 d，80年代最短為256 d。M-K突變檢驗(yàn)顯示持續(xù)日數(shù)UF，UB曲線交點(diǎn)較多，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)(MTT)方法再判斷，結(jié)果表明持續(xù)日數(shù)未發(fā)生突變?！?℃積溫初日及終日日期序列變化分析顯示，1971—2010年初日呈提前趨勢(shì)，終日呈弱推后趨勢(shì)，氣候傾向率分別為：-1.0 d/10 a和1.6 d/10 a，均未通過顯著性檢驗(yàn)，初終日變化趨勢(shì)不顯著。平均初日出現(xiàn)在3月5日，最早出現(xiàn)在2月11日(2002年)，最晚出現(xiàn)在3月18日(1994年)。平均終日出現(xiàn)在11月19日，最早出現(xiàn)在11月7日(1981年)，最晚出現(xiàn)在12月3日(1994年)。從年代際來看，初日年代距平20世紀(jì)70，80年代為正，90年代和21世紀(jì)初為負(fù)；終日年代距平20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)10年代為正，80年代和90年代為負(fù)。使用M-K突變檢驗(yàn)方法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)(MTT)方法對(duì)初終日進(jìn)行突變分析，初終日期序列未發(fā)生突變現(xiàn)象。

2.2 ≥5℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日

5℃多數(shù)樹木開始生長，期間的持續(xù)日數(shù)為全生長期，40 a間紅棗種植區(qū)≥5℃積溫呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為66.235℃/10 a，且達(dá)到0.01顯著性水平。最大值4 513.1℃出現(xiàn)在1999年，最小值3 798.5℃出現(xiàn)在1976年。1996年以前除1975年、1978年、1982年、1989年外，其余年份距平均為負(fù)值；1997—2010年除2010年外，其余距平均為正值。20世紀(jì)70，80年代≥5℃積溫分別偏低77.0℃，68.3℃，90年代和21世紀(jì)10年代分別偏高42.1℃，103.2℃。1996年發(fā)生從低到高的突變，2005年以后增溫趨勢(shì)更加顯著，突變前后差值為236.9℃?！?℃積溫序列主要存在33 a，9 a，2～4 a左右的振蕩周期。33 a的振蕩周期變化非常明顯，具有全域性，存在2個(gè)偏多和1個(gè)偏少的循環(huán)，為第一主周期；9 a振蕩周期從80年代開始較為明顯，經(jīng)歷了偏多偏少4個(gè)循環(huán)，20世紀(jì)90年代以后等值線較之前密集，說明90年代以后變化比之前劇烈；2～4 a振蕩周期波數(shù)多、頻率高，偏多偏少交替頻繁(圖3)。

圖3 紅棗種植區(qū)≥5℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日變化趨勢(shì)

≥5℃積溫持續(xù)日數(shù)呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為2.5 d/10 a，通過0.05顯著性檢驗(yàn)。40 a平均持續(xù)日數(shù)為206 d，2006年最長為240 d，1972年最短為201 d。21世紀(jì)10年代持續(xù)日數(shù)最長為226 d偏多4 d,其次分別為20世紀(jì)80，90年代221 d均偏少1 d，20世紀(jì)70年代最短218 d偏少3 d。根據(jù)M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)T檢驗(yàn)，≥5℃積溫持續(xù)日數(shù)在1995年發(fā)生了由少到多的突變，2004年以后增多更加顯著?！?℃積溫初日及終日日期序列分析可知，初日呈提前趨勢(shì)，終日呈弱推后趨勢(shì)，傾向率分別為-1.7 d/10 a，0.8 d/10 a均未通過顯著性檢驗(yàn)，初日提前終日推后趨勢(shì)不顯著。平均初日出現(xiàn)在3月26日，最早出現(xiàn)在3月7日(1997年)，最晚出現(xiàn)在4月6日(2010年)。平均終日出現(xiàn)在11月1日，最早出現(xiàn)在10月19日(1981年)，最晚出現(xiàn)在11月15日(1998年)。20世紀(jì)70，80年代初日距平為正，出現(xiàn)日期較晚，90年代和21世紀(jì)10年代距平為負(fù)，出現(xiàn)日期較早。終日年代際距平20世紀(jì)70，80年代為0，年代均值與參考值持平；90年代距平為負(fù)，相對(duì)較早；21世紀(jì)10年代則為正，相對(duì)較晚?！?℃積溫初日和終日M-K分析結(jié)果UF和UB曲線交點(diǎn)較多，經(jīng)過滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)行判斷，結(jié)果表明初終日未發(fā)生突變(圖4)。

2.3 ≥10℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日

10℃是喜溫植物適宜生長的起始溫度和氣候區(qū)劃中的主要指標(biāo)，≥10℃積溫反映喜溫作物的熱量狀況。黃土高原丘陵區(qū)以木棗為主，據(jù)研究木棗生長所需≥10℃積溫為3 000～3 200℃[22]，近40 a來該區(qū)域≥10℃積溫最大值3 985.8℃(1998年)，最小值3 348.0(1986年)，能夠滿足紅棗所需熱量資源?！?0℃積溫呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為48.023℃/10 a，達(dá)到0.05顯著性水平。1996年以前大部分年份距平為負(fù)值，比例為73%；1997—2010年大部分年份距平為正值，比例為86%。20世紀(jì)70，80年代≥10℃積溫偏低32.3℃，59.8℃，90年代和21世紀(jì)10年代分別偏高23.2℃，79.6℃。M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示≥10℃積溫在1996年發(fā)生了由低到高的突變，突變后比突變前增加了195.9℃?！?0℃積溫序列主要存在31 a，9 a，3 a左右的振蕩周期。31 a的振蕩周期變化非常明顯，具有全域性，存在2個(gè)偏多1個(gè)偏少的循環(huán)，為近40 a的主周期；9 a振蕩周期有明顯冷暖交替特征，經(jīng)歷了5個(gè)偏多4個(gè)偏少的循環(huán)，20世紀(jì)80年代以后等值線較之前密集積溫變化比之前劇烈；4 a振蕩周期波數(shù)多、頻率高，冷暖交替頻繁(圖5)。

圖4 紅棗種植區(qū)≥5℃積溫小波變換系數(shù)、小波方差

圖5 紅棗種植區(qū)≥10℃積溫、持續(xù)日數(shù)及初終日變化趨勢(shì)

≥10℃積溫40 a平均持續(xù)日數(shù)為181 d，呈線性增加趨勢(shì)，傾向率為0.5 d/10 a未通過顯著性檢驗(yàn)。1998年最長為199 d，2010年最短為169 d。21世紀(jì)10年代持續(xù)日數(shù)最長為183 d偏多2 d,其次分別為20世紀(jì)70年代182 d偏多1 d，80年代180 d均偏少1 d，90年代最短179 d偏少2 d。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果交點(diǎn)較多，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)行判斷，結(jié)果表明≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)沒有突變點(diǎn)?！?0℃積溫初日及終日日期序列分析可知，初日終日均呈弱提前趨勢(shì)，傾向率分別為-0.7 d/10 a，-0.3 d/10 a均未通過顯著性檢驗(yàn)，初日終日提前趨勢(shì)不顯著。平均初日出現(xiàn)在4月15日，最早出現(xiàn)在3月30日(1989年)，最晚出現(xiàn)在4月28日(2010年)。平均終日出現(xiàn)在10月12日，最早出現(xiàn)在10月4日(1997年)，最晚出現(xiàn)在10月29日(2001年)。從年代來看，20世紀(jì)70年代、21世紀(jì)10年代初日距平為正，出現(xiàn)較晚；20世紀(jì)80，90年代距平為負(fù)，出現(xiàn)較早。終日年代際距平20世紀(jì)70年代為正，出現(xiàn)較晚；80年代距平為0與參考均值持平；90年代和21世紀(jì)10年代距平為正，出現(xiàn)相對(duì)較晚?！?0℃積溫初日和終日M-K分析結(jié)果UF和UB曲線交點(diǎn)較多，經(jīng)過滑動(dòng)T檢驗(yàn)再進(jìn)行判斷，結(jié)果表明初終日未發(fā)生突變(圖6)。

2.4 負(fù)積溫

負(fù)積溫是日平均氣溫小于等于0℃的累積值，是表示冬季的寒冷程度的重要參數(shù)，作為重要的農(nóng)業(yè)氣候生態(tài)指標(biāo)，其高低是鑒定作物、果樹安全越冬和影響病蟲害發(fā)生蔓延的基本熱量條件之一，同時(shí)也與農(nóng)作物種植格局變化有關(guān)[23-26]。紅棗種植區(qū)負(fù)積溫呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-33.759℃/10 a，且達(dá)到0.05顯著性水平。最大值733.9℃出現(xiàn)在1984年，最小值324.0℃出現(xiàn)在2002年。1971—1986年多正距平比例為81%，負(fù)積溫相對(duì)較多；1987—2010年多負(fù)距平比例為83%，負(fù)積溫相對(duì)較少。20世紀(jì)70，80年代負(fù)積溫相對(duì)偏多46.8，22.7℃，90年代和21世紀(jì)10年代分別偏少46.8℃，22.7℃，90年代偏少明顯。結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)以及全國負(fù)積溫突變情況，最終確定負(fù)積溫在1986年發(fā)生突變，突變后比突變前減少了98.6℃。負(fù)積溫序列主要存在32 a，11 a，2～4 a左右的振蕩周期。32 a的周期振蕩變化具有全域性，經(jīng)歷了2個(gè)偏多1個(gè)偏少的循環(huán)；11 a周期振蕩時(shí)序上具有全域性，為負(fù)積溫的第一主周期,80年代中后期和90年代等值線較為密集負(fù)積溫變化劇烈，主要經(jīng)歷了4個(gè)偏多3個(gè)偏的循環(huán)；4 a周期振蕩分布較為復(fù)雜，冷暖交替頻繁(圖7)。

圖6 紅棗種植區(qū)≥10℃積溫小波變換系數(shù)、小波方差

圖7 紅棗種植區(qū)負(fù)積溫小波變換系數(shù)、小波方差

3 結(jié)論與討論

近40 a來，黃土高原丘陵紅棗種植區(qū)≥0℃，5℃，10℃積溫呈顯著增加趨勢(shì)，其中≥5℃積溫增溫最顯著，每10 a增加66.2℃，其次為≥0℃，10℃氣候傾向率分別為64.6℃/10 a，48℃/10 a；負(fù)積溫呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率為33.8℃/10 a；并分別于1995年、1996年、1996年、1986年發(fā)生了突變，且存在32～33 a左右的主周期?！?℃，5℃，10℃持續(xù)日數(shù)呈增加趨勢(shì)，分別以1.2 d/10 a，2.5 d/10 a，0.5 d/10 a的速率增加，初日呈提前趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.0 d/10 a，-1.7 d/10 a和-0.7 d/10 a；終日≥0℃，5℃積溫呈推后趨勢(shì)1.6 d/10 a，0.8 d/10 a，≥10℃呈提前趨勢(shì)-0.3 d/10 a；各界限溫度持續(xù)日數(shù)和初終日變化趨勢(shì)均不顯著。

在全球氣候變暖的背景下，黃土高原丘陵紅棗種植區(qū)近40 a來各界限溫度積溫均表現(xiàn)出不同程度的增加，熱量資源得到改善，這種變化對(duì)紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生一些影響。積溫逐和持續(xù)日數(shù)增加，使紅棗生長期延長，生長期內(nèi)熱量充足，可種植適宜區(qū)面積擴(kuò)大，對(duì)紅棗的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有利。負(fù)積溫減少能夠降低棗樹越冬凍害的幾率，但也使棗樹越冬期變短，棗園無效失墑增大加劇了干旱風(fēng)險(xiǎn)；各種病蟲進(jìn)入越冬階段推遲，病蟲基數(shù)增加，加劇紅棗病蟲害發(fā)生和流行，影響紅棗的產(chǎn)量和品質(zhì)。由此可見，熱量資源變化對(duì)黃土高原丘陵紅棗種植區(qū)的影響利弊皆有，仍存在諸多不確定因素。因此，應(yīng)綜合考慮光熱水等氣候資源變化趨勢(shì)及共同影響，合理利用氣候資源，調(diào)整品種和布局，促進(jìn)紅棗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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Variation Characteristics of the Accumulated Temperature of Jujube Planting Zones in the Hilly Region of the Loess Plateau over the Past 40 Years

ZHANG Weimin, WANG Jinghong

(ShaanxiMeteorologicalServiceObservatoryforEconomicalCrops,Xi′an710014,China)

In order to understand the variation characteristics of accumulated temperature of jujube planting zones in the hilly region of the Loess Plateau and provide decision basis for distribution and scientific management of jujube, based on the daily temperature in twelve weather stations of the jujube planting zones in the hilly region of the Loess Plateau from 1971 to 2010, we analyzed the variation characteristics of ≥0℃,≥5℃,≥10℃accumulated temperatures and negative accumulated temperature change by means of linear trend estimates, M-K test and Morlet wavelet analysis. The results indicated that the ≥0℃,≥5℃,≥10℃ accumulated temperatures showed an increasing trend over 40 years and they are increasing significantly by 64.557℃/decade, 66.235℃/decaced and 48.023℃/decade, respectively. The negative accumulated temperatures decreased by 33.759℃/decade. The lasting days of accumulated temperature have increased too, the trend of beginning dates of accumulated temperatures appeared ahead. On the other hand, the ending dates were delayed except ≥10℃ accumulated temperature. The main boundary temperature had an obvious warming mutation, the negative accumulated temperature changed at the earliest abruptly in 1986, followed by ≥0℃ accumulated temperature(1995), ≥5℃,≥10℃ accumulated temperatures(1996). The main boundary temperature was fluctuating periodically with the variation of temporal scale, with 2～4，9～11，32～33 years fluctuation. The accumulated temperature of the main boundary and the lasting days had increasing trend and the heat resources improved significantly, the suitability areas for jujube expanded, but effective measures need to be taken for preventing the drought disaster and insect pests and diseases.

accumulated temperature; variation tendency; mutation; Morlet wavelet analysis

2015-11-27

2015-12-12

中國氣象局氣候變化專項(xiàng)“氣候變化對(duì)黃土高原丘陵區(qū)紅棗產(chǎn)業(yè)的影響研究”(CCSF201319)

張維敏(1985—),女,陜西大荔人,碩士,工程師,從事農(nóng)業(yè)氣象研究和相關(guān)業(yè)務(wù)工作。E-mail：404312067@qq.com

P467

A

1005-3409(2016)06-0232-06