許學蓮,雷玉紅,曹雪楓,許清霞,祁棟林,祝存兄,梁志勇,何生錄,李存蓮,李 璠
(1.格爾木市氣象局,青海 格爾木 816099;2.青海省防災減災重點實驗室,西寧 810001;3.都蘭縣氣象局,青海 夏日哈 816100;4.海西州氣象局,青海 德令哈 817000;5.青海省氣象科學研究所,西寧 810001)
全球環(huán)境變化(特別是氣候變化)是當前科學界和決策界的關注熱點[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告中指出,近110年(1901—2012年)全球平均地表溫度上升了0.89℃。全球變暖使水循環(huán)過程變化速度加快,對地表的水熱平衡狀況產(chǎn)生影響,使地表干濕狀況以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生改變[2]。
柴達木盆地地處西北內陸,受夏季風影響較弱,加之青藏高原的隆升阻擋了來自印度洋、孟加拉灣的水汽,使得該地成為青藏高原氣候變化最為敏感的地區(qū),其氣候變化呈暖濕化趨勢,同時亦存在著一定的空間差異性[3-8]。柴達木盆地區(qū)域氣候變化不僅受全球變化、太陽輻射特別是夏季太陽輻射作為驅動力的影響十分顯著[9,10],同時也是青藏高原持續(xù)隆升,使得季風環(huán)流不斷演變的產(chǎn)物[11,12]。農(nóng)業(yè)氣候資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著主導作用,農(nóng)業(yè)對氣候變化非常敏感,任何氣候變化都會帶來潛在的或明顯的影響,是受氣候變化影響最大、最直接的行業(yè)之一[13,14]。
柴達木盆地區(qū)域內太陽輻射強、熱量資源豐富,有利于農(nóng)作物生長和發(fā)育,主要種植春小麥、油菜、青稞、馬鈴薯、豆類、枸杞等農(nóng)作物。近幾年來,柴達木盆地紅枸杞種植已接近飽和,新型經(jīng)濟作物藜麥受到廣大農(nóng)戶和企業(yè)的青睞而被大面積種植,成為柴達木盆地農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的又一支柱。針對柴達木盆地氣候變化及其影響方面的研究較多[15,16],但多偏重于氣溫和降水等氣候變化方面的研究,對農(nóng)業(yè)氣候資源變化的相關研究卻很少[17-20]。因此,在氣候變暖的大背景下,本研究擬運用現(xiàn)代氣候統(tǒng)計與診斷方法對1981—2018年柴達木盆地作物生長季氣象要素變化特征進行分析,對合理利用氣候資源優(yōu)勢,開發(fā)柴達木盆地作物生長資源,減輕和避免不利氣候條件的影響,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定的指導意義。
柴達木盆地是中國著名的內陸干旱盆地之一,地處青海省西北部,位于中緯度西風帶和東亞季風系統(tǒng)的交界地帶。盆地四周被高山環(huán)抱,南部為昆侖山,東北部為祁連山,西北部為阿爾金山和祁漫塔格山,海拔高度為2 675~3 350 m。氣候干燥,降水稀少,太陽輻射強,年日照時數(shù)在3 000 h以上,晝夜溫差大,冬季寒冷漫長、夏季涼爽短促,屬典型的中緯度高寒、干旱大陸性氣候。降水量的地域和年內分布不均,降水由四周向盆地中心遞減,四周山區(qū)年降水量為150~300 mm,盆地中心年降水量小于50 mm,西北部僅為25 mm,降水多集中在夏季,盆地內部年蒸發(fā)能力則高達1 800 mm以上,但地表及地下水資源相對比較豐富。柴達木盆地獨特的沙地土壤和氣候條件,特別適合枸杞、黎麥等特色農(nóng)作物的生長。柴達木盆地小麥、青稞、油菜等作物于3月下旬播種,8月中下旬成熟。枸杞和黎麥作物一般4月底至5月初開始發(fā)芽,8月上旬至下旬進入夏果成熟期,9月為秋果成熟期。故柴達木盆地作物生長季為4—9月[19,20]。
1981—2018年逐日氣溫(平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫)、降水、日照時數(shù)、風速等資料來源于青海省柴達木盆地的德令哈、烏蘭、都蘭和格爾木地面氣象觀測站(圖1)。利用逐日平均氣溫統(tǒng)計≥0℃活動積溫及活動積溫日數(shù),利用逐日最低氣溫結合青海省霜凍發(fā)生等級日最低氣溫指標統(tǒng)計霜凍日數(shù),并計算相對濕潤度指數(shù)。以4個氣象站的算術平均值代表該地區(qū)作物生長季氣象要素變化狀況。
圖1 柴達木盆地氣象觀測站點
2.2.1 相對濕潤度指數(shù)計算 濕潤指數(shù)是表征某時段降水量與蒸發(fā)量之間平衡的指標之一,它能客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況[21]。計算公式為:
式中,K為相對濕潤度指數(shù),某一地區(qū)的相對濕潤度指數(shù)越大,則表明該區(qū)氣候越濕潤,而相對濕潤度指數(shù)越小,則氣候越干燥;P為某時段降水量(mm);P E為某時段可能蒸散量(mm)??赡苷羯⒘坑嬎悴捎脟覙藴剩℅B/T 20481—2006)《氣象干旱等級》[22]推薦的Thornthwaite方法,該方法主要以平均氣溫為主要依據(jù),并考慮緯度因子(日照時長)建立的經(jīng)驗公式,需要的氣象要素少,計算相對簡單。
2.2.2 霜凍災害等級劃分 霜凍是一種以低溫冷害為特征的主要農(nóng)業(yè)自然現(xiàn)象,它與最低氣溫有著密切關系。周秉榮[23]根據(jù)青海省主要農(nóng)作物發(fā)生霜凍時對應的氣象資料、受災程度及《青海省氣象災害標準》(DB63/T 372—2018)指標,同時考慮農(nóng)作物在不同發(fā)育期對最低氣溫敏感性的不同,將主要農(nóng)作物受到霜凍災害的危害程度分為輕度、中度和重度霜凍(表1)。
表1 青海省霜凍發(fā)生等級日最低氣溫指標 (單位:℃)
2.2.3 研究方法 采用線性傾向估計法和Mann-Kendall突變法[24]對柴達木盆地1981—2018年作物生長季平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)、風速、≥0℃活動積溫及活動積溫日數(shù)、霜凍日數(shù)和相對濕潤度指數(shù)進行線性趨勢分析。當線性趨勢系數(shù)為正(負)時,表示氣象要素在統(tǒng)計年份內有上升(下降)趨勢,并進行線性趨勢的顯著性檢驗。當正序列曲線U F的值大于0,表示序列呈上升趨勢,小于0表示呈下降趨勢。當超過臨界值時,表示上升或下降趨勢顯著。按《世界氣象組織》規(guī)定的(1981—2010年)30年平均值為氣候值,分析柴達木盆地作物生長季氣候要素的氣候變化特征。
氣溫是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要指標之一,適宜的溫度與作物產(chǎn)量密切相關。從圖2a可得知,1981—2018年柴達木盆地作物生長季平均氣溫以氣候傾向率0.43℃/10年呈上升趨勢,并通過0.01的極顯著性檢驗。多年氣溫平均值為12.6℃,最大值出現(xiàn)在2016年,為13.9℃,最小值出現(xiàn)在1983年,為11.0℃,表明柴達木盆地作物生長季平均氣溫整體上升趨勢明顯。各站生長季平均氣溫為11.1~14.2℃,以0.32~0.52℃/10年的氣候傾向率呈上升趨勢,相關系數(shù)為0.55~0.83,且通過了0.01的極顯著性檢驗(表2)。20世紀80年代至90年代前期累積距平呈下降趨勢,20世紀90年代中期至21世紀10年代呈緩慢上升趨勢。從平均氣溫年代際距平變化來看,柴達木盆地作物生長季平均氣溫年代際變化趨勢呈明顯增暖趨勢(表3),20世紀80年代平均氣溫為負距平,屬偏冷期,進入20世紀90年代以后轉為正距平,屬偏暖期,且氣溫變暖加速。從9年滑動平均曲線來看,20世紀80年代至21世紀00年代作物生長季平均氣溫為快速上升階段,21世紀00年代至10年代的上升趨勢比前期略有放緩。
柴達木盆地作物生長季平均溫度從1981年開始經(jīng)過短期下降之后均在0℃以上并呈上升趨勢,1995年開始U F超過臨界值,表明1995年之后柴達木盆地氣溫呈明顯上升趨勢,U F和U B曲線交點位于1991—1992年(圖2b),這與累積距平曲線呈V形趨勢相吻合,柴達木盆地作物生長季氣溫由相對偏冷期躍變?yōu)橄鄬ζ凇?/p>
圖2 柴達木盆地1981—2018年作物生長季平均氣溫變化趨勢和突變檢驗
作物生長季降水對作物的生長發(fā)育有至關重要的作用。日照是光合作用的條件之一,光照過少、光合作用時間過短,會導致植物生長緩慢,從而影響作物產(chǎn)量。作物生長季降水量以17.08 mm/10年的速率呈增加趨勢(圖3a),且通過了0.01的極顯著檢驗。降水量多年平均值為152.8 mm,最大值出現(xiàn)在1989年,為220.4 mm,最小值出現(xiàn)在2013年,為99.4 mm。各站平均降水量為42.1~194.2 mm,以3.4~23.4 mm/10年的氣候傾向率呈增加趨勢,其中,德令哈站和烏蘭站通過了0.01的極顯著性檢驗,都蘭站通過了0.05的顯著性檢驗,格爾木站未通過顯著性檢驗(表2)。20世紀80年代至21世紀00年代初期降水量累積距平曲線呈明顯下降趨勢,進入21世紀00年代降水量累積距平曲線呈上升趨勢。從平均降水量年代際距平變化來看,20世紀80年代和90年代為負距平,屬降水偏少時期,前后兩時段降水量相差17.8 mm,21世紀00年代和10年代為正距平,屬降水偏多時期,21世紀00年代比20世紀90年代降水量增加45.1 mm。9年滑動平均曲線表現(xiàn)為20世紀80—90年代降水量呈下降趨勢,進入21世紀00年代降水量呈增加趨勢,10年代后呈緩慢波動趨勢。
作物生長季降水日數(shù)以1.64 d/10年的速率呈增加趨勢(圖3b),未通過0.05顯著性檢驗,多年降水日數(shù)平均值為41.3 d,最多日數(shù)出現(xiàn)在1989年,為60 d,最少日數(shù)出現(xiàn)在2000年,為31.3 d。各站平均降水日數(shù)為23.0~49.3 d,以0.1~3.2 d/10年的氣候傾向率呈增加趨勢,僅德令哈站通過了0.05的顯著性檢驗。20世紀80年代至21世紀00年代初期降水日數(shù)累積距平曲線呈明顯下降趨勢,進入21世紀00年代降水日數(shù)累積距平曲線呈上升趨勢。從平均降水日數(shù)年代際距平變化來看,20世紀90年代為負距平,屬降水日數(shù)偏少時期;21世紀00年代和10年代為正距平,屬降水日數(shù)偏多時期,21世紀00年代比20世紀90年代降水日數(shù)增加8.8 d。降水日數(shù)9年滑動平均曲線與降水量表現(xiàn)一致。
作物生長季日照時數(shù)以-38.77 h/10年的氣候傾向率呈減少趨勢(圖3c),且通過了0.01的極顯著性檢驗。柴達木盆地作物生長季日照時數(shù)多年平均為1 590.6 h,最大值出現(xiàn)在1994年(1 735.8 h),最小值出現(xiàn)在2018年(1 357.2 h)。20世紀80年代至90年代末期,日照時數(shù)累積距平曲線呈上升趨勢,21世紀00年代后累計距平曲線呈下降趨勢。從年代際距平來看,20世紀80—90年代為正距平,且呈增加趨勢;21世紀00年代至10年代為負距平,日照時數(shù)呈減小趨勢,且減小幅度較大,21世紀00年代比20世紀90年代減少了85.8 h。9年滑動平均曲線表現(xiàn)為20世紀90年代中期前日照時數(shù)略有上升,20世紀90年代中后期至21世紀10年代呈下降趨勢。各站 平 均 日 照 時 數(shù) 為1 571.1~1 639.6 h,以-17.8~-55.8 h/10年氣候傾向率呈下降趨勢,德令哈站和都蘭站都通過了0.01的極顯著性檢驗,格爾木站通過了0.05的顯著性檢驗,烏蘭站未通過顯著性檢驗。
圖3 柴達木盆地1981—2018年作物生長季降水、日照、風速及累計距平變化趨勢
作物生長季平均風速以-0.17 m/(s·10年)的氣候傾向率呈減小趨勢(圖3d),且通過了0.01的極顯著性檢驗。多年平均風速為2.4 m/s,最大值出現(xiàn)在1981年(3.0 m/s),最小值出現(xiàn)在2001—2003年和2018年,均為2.0 m/s。各站平均風速為2.1~2.7 m/s,都蘭站以0.19 m/s/10年的氣候傾向率顯著增大,格爾木站、德令哈站和烏蘭站以-0.15~-0.39 m/(s·10年)的氣候傾向率極顯著減?。ū?)。20世紀80年代至90年代中期累積距平曲線呈上升趨勢,20世紀90年代末期至21世紀10年代累積距平曲線呈下降趨勢。從年代際距平來看,20世紀80年代為正距平,20世紀90年代至21世紀10年代為負距平。從9年滑動平均曲線來看,主要表現(xiàn)為2個階段:20世紀80年代至21世紀00年代初期風速呈下降趨勢,21世紀00年代中期至10年代呈緩慢上升趨勢(表3)。
表2 柴達木盆地作物生長季氣溫、降水、日照、風速、相對濕潤度指數(shù)、霜凍日數(shù)、≥0℃活動積溫和≥0℃活動積溫日數(shù)各站變化
表3 柴達木盆地作物生長季氣象要素氣溫年代距平變化
≥0℃活動積溫的數(shù)量反映作物生長發(fā)育對熱量條件的滿足程度,也是評價某地區(qū)熱量資源的重要指標。從圖4得知,1981—2018年柴達木盆地作物生長季≥0℃活動積溫和活動積溫日數(shù)均呈明顯增加趨勢,氣候傾向率分別為77.86℃/10年和0.39 d/10年,均通過了0.01的極顯著性檢驗?!?℃活動積溫和活動積溫日數(shù)多年平均值分別為2 305.4℃和181.6 d,≥0℃活動積溫最大值出現(xiàn)在2016年,為2 550.6℃,最小值出現(xiàn)在1983年,為2 028.1℃,極值出現(xiàn)年份與平均氣溫出現(xiàn)年份一致。而≥0℃活動積溫日數(shù)最大值出現(xiàn)在1992、1997—1998、2002、2012年,均為183.0 d,最小值出現(xiàn)在1989年,為177.8 d。各站≥0℃活動積溫為2 038.6~2 607.4℃,以58.1~95.9℃/10年的氣候傾向率呈上升趨勢,且通過了0.01的極顯著性檢驗(表2)。20世紀80年代至90年代前期累積距平曲線呈下降趨勢,20世紀90年代中期至21世紀10年代呈上升趨勢。從≥0℃活動積溫年代際距平變化來看,柴達木盆地作物生長季≥0℃活動積溫年代際變化趨勢呈明顯增暖趨勢,20世紀80年代為負距平,屬活動積溫偏少期;20世紀90年代之后為正距平,屬活動積溫偏多期,且≥0℃活動積溫增加加速,20世紀90年代比20世紀80年代≥0℃活動積溫增加了165.4℃。9年滑動平均曲線整體表現(xiàn)為20世紀80—90年代呈快速上升趨勢,21世紀00—10年代出現(xiàn)緩慢波動(表3)。
圖4 柴達木盆地1981—2018年作物生長季≥0℃活動積溫和≥0℃活動積溫日數(shù)及累積距平變化趨勢
≥0℃活動積溫日數(shù)平均值為180.0~182.7 d,以-0.11~0.73 d/10年的氣候傾向率呈上升趨勢,都蘭站、烏蘭站均通過了0.05的顯著性檢驗,德令哈站和格爾木站未通過顯著性檢驗(表2)?!?℃活動積溫日數(shù)累積距平曲線波動較大,20世紀80年代至90年代中期呈波動下降趨勢,20世紀90年代末期至21世紀10年代呈波動上升趨勢。從≥0℃活動積溫日數(shù)年代際距平變化來看,20世紀90年代之前為負距平,20世紀90年代之后為正距平。9年滑動平均曲線整體表現(xiàn)為波動上升趨勢(表3)。
從圖5可以得知,1981—2018年柴達木盆地作物生長季相對濕潤度指數(shù)呈明顯增加趨勢,氣候傾向率為0.03/10年,且通過了0.05的顯著性檢驗。相對濕潤度指數(shù)多年平均值為-0.67,最大值出現(xiàn)在2018年,為-0.46,最小值出現(xiàn)在2001年,為-0.82。各站相對濕潤度指數(shù)為-0.55~-0.91,以0~0.04/10年的氣候傾向率呈上升趨勢,除格爾木站外均通過了0.05的顯著性檢驗(表2)。除20世紀80年代后期累積距平曲線短期呈上升趨勢外,20世紀80年代末期至21世紀00年代初期累積距平曲線呈下降趨勢,之后累積距平曲線進入上升趨勢。從相對濕潤度指數(shù)年代際距平變化來看,柴達木盆地作物生長季相對濕潤度指數(shù)年代際變化趨勢呈明顯增濕趨勢,20世紀80年代為正距平,屬相對濕潤期;20世紀90年代為負距平,屬相對干旱期,21世紀00年代之后為正距平,屬相對濕潤期,21世紀10年代比20世紀90年代相對濕潤度指數(shù)增加了0.11。相對濕潤度指數(shù)9年滑動平均曲線整體表現(xiàn)為20世紀80—90年代呈緩慢下降趨勢,21世紀00—10年代呈快速上升趨勢。
圖5 柴達木盆地1981—2018年作物生長季相對濕潤度指數(shù)及累積距平變化趨勢
霜凍是柴達木盆地的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。霜凍是一年中溫暖時期土壤表面和植物表面的溫度下降到0℃或0℃以下,而引起植物損傷乃至死亡的與農(nóng)業(yè)有直接關聯(lián)的氣象災害,它的發(fā)生主要受溫度變化的控制,因而最低氣溫的變化勢必影響到霜凍的時空變化。從圖6可以得知,1981—2018年柴達木盆地作物生長季霜凍日數(shù)呈明顯減少趨勢,氣候傾向率為-0.71 d/10年,且通過了0.05的顯著性檢驗。霜凍日數(shù)多年平均值為4.4 d,最多日數(shù)出現(xiàn)在1985年,為9.8 d,最少日數(shù)出現(xiàn)在2000年,為0.8 d。各站霜凍日數(shù)平均為1.4~7.4 d,以-0.6~-0.9 d/10年的氣候傾向率呈減少趨勢,格爾木站和烏蘭站均通過了0.05的顯著性檢驗(表2)。從霜凍日數(shù)年代際距平變化來看,柴達木盆地作物生長季霜凍日數(shù)年代際變化趨勢呈明顯減少趨勢,20世紀80年代為正距平,屬相對多期,進入20世紀90年代之后為負距平,屬相對少期,21世紀10年代比20世紀80年代霜凍日數(shù)減少了1.7 d。
圖6 柴達木盆地1981—2018年作物生長季霜凍日數(shù)變化趨勢
輕度、中度和重度霜凍日數(shù)分別以-0.49、-0.20、-0.02 d/10年氣候傾向率呈減少趨勢,僅輕度霜凍日數(shù)通過了0.05的顯著性檢驗。從各站霜凍日數(shù)來看,霜凍日數(shù)最多出現(xiàn)在都蘭站,格爾木站出現(xiàn)較少,該站甚至沒有出現(xiàn)過重度霜凍災害。
突變檢驗研究表明,柴達木盆地作物生長季平均氣溫在1991—1992年發(fā)生突變,以往相關的研究側重于氣溫和降水在年、季尺度上突變前后的差異。為凸現(xiàn)氣候因子在氣候突變前后的分布情況,統(tǒng)計了柴達木盆地作物生長季平均氣溫在1991—1992年突變前后降水量、降水日數(shù)、日照時數(shù)、風速、≥0℃活動積溫及日數(shù)、相對濕潤度指數(shù)和霜凍日數(shù)的差值。由表4可以看出,柴達木盆地作物生長季平均氣溫突變前后降水量和≥0℃活動積溫增加明顯,分別增加17.0 mm和190.1℃,日照時數(shù)、風速和霜凍日數(shù)減少明顯,分別減少50.3 h、0.5 m/s和2.3 d,而降水日數(shù)、≥0℃活動積溫日數(shù)和相對濕潤度指數(shù)變化不明顯。
表4 柴達木盆地作物生長季氣溫突變前后各氣候因子的變化
柴達木盆地熱量資源增加(氣溫升高和活動積溫增多)、光照資源和霜凍日數(shù)顯著減少、降水資源(降水量、降水日數(shù)以及相對濕潤度指數(shù))呈顯著增多或增加趨勢,為農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供了比過去更好的條件,致使農(nóng)作物生長季延長,區(qū)域內宜農(nóng)地增加,農(nóng)作物種植面積擴大,對農(nóng)業(yè)種植結構調整、種植面積擴大、農(nóng)作物產(chǎn)量增加和發(fā)展高原特色的設施農(nóng)業(yè)非常有利[14,17]。另一方面氣候變暖,特別是冬季氣溫上升幅度大,有利于農(nóng)作物病蟲害的越冬繁殖,使來年病蟲害增加,加重病蟲害對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的危害程度[16,17]。雖然降水量和降水日數(shù)明顯增加,但相對于盆地干旱(極干旱)的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)而言,不會產(chǎn)生明顯的有利影響。相反由于氣溫升高,熱量增加導致土壤的潛在蒸散增大,加大了土壤水分的無效蒸發(fā),使水的利用率減小,使農(nóng)業(yè)水分供需矛盾加劇,發(fā)生干旱的概率將增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡化[17]。
通過對1981—2018年柴達木盆地作物生長季平均氣溫、降水、日照時數(shù)、風速、相對濕潤度指數(shù)、霜凍日數(shù)、≥0℃積溫及≥0℃積溫日數(shù)進行分析得出以下結論。
1)作物生長季熱量資源增加明顯,平均氣溫、≥0℃活動積溫、≥0℃活動積溫日數(shù)呈明顯上升趨勢,氣候傾向率分別達0.43℃/10年、77.86℃/10年、0.39 d/10年;20世紀90年代之前為負距平,屬偏冷期,20世紀90年代之后為正距平,屬偏暖期。
2)作物生長季降水量和降水日數(shù)分別以17.08 mm/10年和1.6 d/10年的氣候傾向率呈增加趨勢,降水量通過顯著性檢驗。21世紀00年代前屬降水偏少時期,00年代后屬降水偏多時期。
3)作物生長季日照時數(shù)、平均風速和霜凍日數(shù)分別以-38.80 h/10年、-0.18 m/(s·10年)和-0.7 d/10年的氣候傾向率呈顯著減少趨勢。
4)柴達木盆地作物生長季平均氣溫在1991—1992年發(fā)生了突變。氣溫由相對偏冷期轉變?yōu)橄鄬ζ?。氣溫突變前后降水量和?℃活動積溫增加明顯,日照時數(shù)、風速和霜凍日數(shù)減少明顯,而降水日數(shù)、≥0℃活動積溫日數(shù)和相對濕潤度指數(shù)變化不明顯。
5)隨著柴達木盆地作物生長季熱量和降水資源增多、光照資源、風力和霜凍災害減少明顯,對調整農(nóng)業(yè)種植結構,發(fā)展特色設施農(nóng)業(yè)有利。同時也易造成農(nóng)業(yè)水分供需矛盾加劇、農(nóng)作物病蟲害增多等不利影響。