和驊蕓，胡 琦,2**，唐書玥，趙金媛，潘學(xué)標(biāo),2，潘志華,2，王 靖,2

基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析中國大陸區(qū)域喜涼/溫作物界限溫度的時空演變*

和驊蕓1，胡 琦1,2**，唐書玥1，趙金媛1，潘學(xué)標(biāo)1,2，潘志華1,2，王 靖1,2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 2. 中國氣象局?中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

喜涼/溫作物界限溫度的時空分布能夠影響作物物候和種植區(qū)域。利用全國585個氣象站點(diǎn)1961?2020年地面氣象觀測資料，以喜涼/溫作物界限溫度（0℃和10℃）的積溫、初日、終日作為農(nóng)業(yè)熱量資源研究指標(biāo)，基于ANUSPLIN氣象插值軟件，從年際和年代際時間尺度分析1961?2020年喜涼/溫作物界限溫度的時空演變特征，并探討熱量資源變化對全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局的影響。結(jié)果表明：受緯度和地形影響，全國熱量資源變化幅度較大，東部地區(qū)≥0℃、≥10℃積溫隨緯度變化呈階梯狀分布，而在西部地區(qū)主要受海拔影響，總體表現(xiàn)為由南向北逐漸遞減。各地≥0℃和≥10℃積溫范圍分別為700.0～8960.0℃·d和46.3～8960.0℃·d，≥0℃和≥10℃積溫氣候傾向率平均為72.8℃·d·10a?1和73.7℃·d·10a?1。60a內(nèi)，界限溫度0℃、10℃初日分別提前9.6d和8.4d，終日分別推遲4.8d和7.8d。界限溫度初日的提前和終日推遲使60a內(nèi)日平均氣溫≥0℃和≥10℃的持續(xù)日數(shù)分別增加14.4d和16.2d。2011?2020年是研究時段內(nèi)最溫暖10a，與P1時段（1961?1970年）相比，P6時段（2011?2020年）≥0℃和≥10℃積溫平均值分別增加了6.3%和8.2%。P6時段≥0℃積溫為6000～7000℃·d的區(qū)域面積增加了2.11×105km2；≥10℃積溫為5000～6000℃·d的區(qū)域面積增加了3.37×105km2。氣候變暖背景下，活動積溫增加對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局以及種植制度應(yīng)及時做出調(diào)整，充分適應(yīng)氣候變化。

氣候變化；熱量資源；界限溫度；活動積溫

近百年來氣候系統(tǒng)正在發(fā)生廣泛而迅速的變化，人類活動已使得大氣、海洋和陸地變暖。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報(bào)告（AR6）表明，相對于1850?1900 年，2010?2019 年全球平均表面氣溫（GSAT）升高0. 9～1.2℃，其中人為變暖貢獻(xiàn)了0.8～1.3℃[1]。1900?2017年，中國氣溫平均升高1.3～1.7℃[2]。氣候變暖將對人類社會造成多方面的影響，包括生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等，尤以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為敏感，糧食安全問題更是不容忽視。熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必需的氣候資源之一，決定一個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、植被分布、作物種類和作物生產(chǎn)等[3?6]，是劃分自然區(qū)域和自然帶的重要依據(jù)。氣候變化背景下，熱量資源的時空分布必然會發(fā)生改變[7?8]，從而對各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響[9]。因此，研究氣候變化背景下熱量資源時空演變特征對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)對氣候變化具有重大的意義。

農(nóng)業(yè)熱量資源研究通常采用穩(wěn)定通過一定界限溫度（0℃和10℃）的積溫、初日、終日等作為指標(biāo)，評估某地區(qū)熱量資源的豐富程度[10]?！?℃期間是喜涼作物生長期，≥10℃期間是喜溫作物生長期[11]。目前氣候變化對不同地區(qū)界限溫度時空變化特征的影響已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，并取得了許多進(jìn)展。楊曉光等[11]利用中國558個氣象站點(diǎn)的地面氣象觀測數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)相比1961?1980年，1981?2007年≥0℃積溫和≥10℃積溫均增加100℃·d以上。李帥等[12]選用格點(diǎn)數(shù)據(jù)對1961?2016年中國農(nóng)業(yè)熱量資源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)≥5℃、≥10℃有效積溫整體呈上升趨勢，且≥5℃整體升幅更為顯著。白磊等[13]使用1961?2018年長時間序列的高分辨率格點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)，得出全國≥0℃、≥5℃、≥10℃和≥15℃積溫均顯著增加，尤其以內(nèi)蒙古和東北地區(qū)趨勢顯著。關(guān)于局部地區(qū)熱量資源分析的研究更多，東北地區(qū)各季節(jié)平均氣溫均明顯升高[14]，冬季增溫幅度最大，活動積溫等值線界限明顯北移；西北干旱區(qū)年平均氣溫氣候傾向率為0.35℃·10a?1[15]，喜涼作物和喜溫作物生長期內(nèi)活動積溫升高；華北平原無霜期延長[16]；2001?2012年藏北高原地表溫度緩慢上升，尤以冬季升溫明顯[17]。

在根據(jù)熱量資源進(jìn)行作物種植區(qū)劃時，應(yīng)根據(jù)作物種類、品種特性等劃分積溫區(qū)間，更有利于作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。然而目前研究多數(shù)是針對農(nóng)業(yè)氣候資源的變化對種植制度、作物適宜度、種植界限、作物產(chǎn)量的影響，且存在站點(diǎn)數(shù)量較少、空間分布不均勻、缺乏時效性以及研究年限較短等問題，鮮有對氣候變暖背景下全國喜涼/溫作物活動積溫的變化情況與分布特征研究。本文擬利用全國585個氣象站點(diǎn)1961?2020年的地面觀測氣象資料，選擇日平均氣溫≥0℃、≥10℃積溫作為研究指標(biāo)，利用ANUSPLIN氣象插值軟件，系統(tǒng)全面地分析了1961?1970年（P1）、1971?1980年（P2）、1981?1990年（P3）、1991?2000年（P4）、2001?2010年（P5）和2011?2020年（P6）六個時段喜涼/溫作物界限溫度的時空演變特征，以期為中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)對氣候變化、充分利用氣候資源、合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

選取全國具有1961?2020年完整時間序列逐日氣象資料的臺站，共計(jì)585個，分布于30個省、自治區(qū)和直轄市（圖1）。氣象數(shù)據(jù)源自中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載，所用數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制和檢查，缺測率約1‰，缺測的氣象要素采用Matlab 編程進(jìn)行訂正：若缺測序列小于5d，缺測值采用線性插值方法代替；若缺測序列≥5d，則采用同一日值的多年平均值代替。DEM250m數(shù)據(jù)下載自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=123），基于最新的SRTM V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣生成。

圖1 研究區(qū)域和585個氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率計(jì)算

用X表示樣本量為n的某一氣候要素，用t表示對應(yīng)的年序，采用最小二乘法擬合得到一元線性回歸方程，即

式中，氣象要素的氣候傾向率為回歸系數(shù)a的10倍， a值為正表示增加趨勢，為負(fù)表示減少趨勢。擬合的回歸方程采用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

1.2.2 界限溫度的起止日期和活動積溫

熱量條件對農(nóng)作物生長、發(fā)育、產(chǎn)量形成有至關(guān)重要的作用，穩(wěn)定通過0℃期間為喜涼作物生長期，穩(wěn)定通過10℃期間為喜溫作物生長期[15]。選用國家氣象局規(guī)定的各氣象臺站計(jì)算界限溫度起止日期的統(tǒng)一方法（五日滑動平均法）計(jì)算0℃和10℃界限溫度的起止日期，從起始日期到終止日期間，大于等于界限溫度的日平均氣溫之和為活動積溫，即

式中，A為活動積溫，tmi為大于等于界限溫度的日平均溫度。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

氣象插值軟件ANUSPLIN采用局部薄盤光滑樣條函數(shù)統(tǒng)計(jì)模型，可以引進(jìn)多元協(xié)變量線性子模型，模型可以根據(jù)數(shù)據(jù)自動確定參數(shù)，能夠平穩(wěn)處理二維以上的樣條，插值結(jié)果誤差小，適用于時間序列的氣象要素插值。利用ANUSPLIN氣象插值軟件，以經(jīng)緯度為自變量，以海拔高度為協(xié)變量，以DEM柵格為基準(zhǔn)，對大陸585個氣象站點(diǎn)60a逐日溫度資料進(jìn)行空間插值。為便于比較60a來全國熱量資源的時空變化特征，將1961?2020年劃分為6個時段，時段1（P1）：1961?1970年；時段2（P2）：1971?1980年；時段3（P3）：1981?1990年；時段4（P4）：1991?2000年；時段5（P5）：2001?2010年；時段6（P6）：2011?2020年。數(shù)據(jù)處理均利用Matlab2019軟件實(shí)現(xiàn)，箱型圖和折線圖采用Origin2018制作。部分沒有穩(wěn)定的≥10℃積溫的站點(diǎn)插值時已被剔除。

2 結(jié)果與分析

2.1 界限溫度(0℃和10℃)平均態(tài)空間分布

2.1.1 起止日期

由圖2可見，1961?2020年各站≥0℃、≥10℃初日平均值呈現(xiàn)由南向北逐漸推遲的特征，終日平均值均呈現(xiàn)由南向北逐漸提前的特征。≥0℃初日分布范圍在第1?121天（以1月1日為1，下同），30°N以南各省由于全年溫度較高，1月起日平均溫度已經(jīng)高于0℃，因此其初日日序小于20?！?0℃初日日序分布在第1?201天，海南島、兩廣地區(qū)南部、云南省西南部日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃日序小于40。內(nèi)蒙古東部、黑龍江省和吉林省是東部日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃最晚的地區(qū)，為第120?140天。

圖2 1961?2020年≥0℃和≥10℃初/終日日序平均值空間分布

注：日序以1月1日為1。下同。

Note:The ordinal day from Jan.1. The same as below.

≥0℃終日分布差異明顯，范圍在第278?365天，四川省西北部?陜西省北部?山東省一線以南終日在第345?365天，向北逐漸提前?！?0℃終日分布范圍較大，在第185?365天，空間分布特征與≥10℃初日大體一致。

2.1.2 活動積溫

由圖3可見，東部地區(qū)≥0℃、≥10℃積溫隨緯度變化呈階梯狀分布，而在西部地區(qū)主要受海拔影響。1961?2020年各站≥0℃積溫范圍為790.2～9207.2℃·d（圖3a）。東部和東南部廣大區(qū)域≥0℃積溫區(qū)間的界限大體上與緯圈平行；四川盆地、青藏高原分別形成了積溫的高值、低值區(qū)。青藏高原地勢高，大部分地區(qū)≥0℃積溫不足1000℃·d。西北地區(qū)≥0℃積溫大多在3000～5000℃·d，南疆熱量條件較好，可達(dá)4000℃·d以上。位于東北地區(qū)的大、小興安嶺是東部熱量資源最少的地區(qū)，≥0℃積溫少于3000℃·d。東北地區(qū)積溫由北向南逐漸增加，吉林、遼寧省大部積溫為3000～4000℃·d。華北平原、華中、華東地區(qū)積溫為5000～6000℃·d；四川盆地大多在6000～7000℃·d；兩廣沿海地區(qū)、海南島地處熱帶，常年高溫，熱量資源最為豐富，大于7000℃·d。云貴高原北部海拔較高，熱量條件比同緯度的東部地區(qū)差，日平均氣溫≥0℃積溫小于6000℃·d。

1961?2020年研究區(qū)各站≥10℃積溫在84.8～9207.2℃·d（圖3b）。東北大、小興安嶺是東部≥10℃積溫最少的地區(qū)，大興安嶺中北部不足2000℃·d，熱量資源匱乏，東北其余地區(qū)≥10℃積溫不足3000℃·d。30°N以北冬季嚴(yán)寒，但夏季溫度仍然較高，大部分地區(qū)≥10℃積溫為1500～3000℃·d，小部分地區(qū)大于3000℃·d。新疆≥10℃積溫高于同緯度東部地區(qū)，南疆積溫大于3000℃·d。華北平原為4000～5000℃·d。受地形影響，四川盆地積溫（6000℃·d）比東部同緯度地區(qū)高500℃·d左右。福建、江西、湖南東部≥10℃積溫在5000℃·d以上，兩廣地區(qū)積溫大于7000℃·d，海南島大于8000℃·d。云貴高原海拔較高，≥10℃積溫大多不足6000℃·d。青藏高原熱量資源嚴(yán)重不足，部分站點(diǎn)甚至沒有穩(wěn)定的≥10℃積溫。

圖3 ≥0℃和≥10℃積溫空間分布

2.2 界限溫度（0℃和10℃）年際尺度時空變化

2.2.1 起止日期

界限溫度初日的提前、終日的推遲是導(dǎo)致≥0℃、≥10℃積溫增加的主要原因。由圖4可見，界限溫度0℃、10℃初日的氣候傾向率為負(fù)值，分別為?1.6d·10a?1和?1.4d·10a?1，60a內(nèi)初日分別提前了9.6d和8.4d。界限溫度0℃、10℃終日的氣候傾向率為正值，分別為0.8d·10a?1和1.3 d·10a?1，60a內(nèi)終日分別推遲了4.8d和7.8d。界限溫度初日的提前和終日的推遲使得60a內(nèi)日平均氣溫≥0℃和≥10℃的持續(xù)日數(shù)分別增加14.4d和16.2d。

圖4 1961?2020年≥0℃和≥10℃初/終日的線性變化趨勢

2.2.2 活動積溫

由圖5a可見，1961?2020年各站≥0℃積溫氣候傾向率范圍?3.9～269.1℃·d·10a?1，平均變化幅度為72.8℃·d·10a?1，95.4%的站點(diǎn)（n=558）通過了置信度為95%（α=0.05）的顯著水平。東部≥0℃積溫的上升趨勢大于西部。西部地區(qū)大部分站點(diǎn)≥0℃積溫氣候傾向率小于60℃·d·10a?1，且有極個別站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)。東部地區(qū)，華北平原、華東、華中升高趨勢較大，大部分站點(diǎn)氣候傾向率大于70℃·d·10a?1，東部沿海地區(qū)上升趨勢甚至可達(dá)120℃·d·10a?1及以上。華南地區(qū)≥0℃積溫增加趨勢稍緩。

由圖5b可見，1961?2020年各站≥10℃積溫氣候傾向率在?71.4～313.3℃·d·10a?1，平均變化幅度73.7℃·d·10a?1，91.1%的站點(diǎn)（n=533）達(dá)到置信度為95%（α=0.05）的顯著水平。與≥0℃積溫空間分布類似，東部≥10℃積溫的上升趨勢仍然大于西部。東北地區(qū)≥10℃積溫氣候傾向率為50～80℃·d·10a?1，東南沿海各省升高趨勢較大，氣候傾向率大于80℃·d·10a?1，其中以廣東省上升趨勢最為顯著，大部分站點(diǎn)氣候傾向率大于90℃·d 10a?1，甚至 >120℃·d·10a?1。

圖5 1961?2020年≥0℃積溫、≥10℃積溫氣候傾向率

2.3 界限溫度（0℃和10℃）年代際尺度時空變化

2.3.1 起止日期

由圖6可見，≥0℃、≥10℃初日整體呈逐漸提前的趨勢，而終日逐漸推遲；但P1?P3時段變化趨勢較為平緩，從P4時段起提前/推遲趨勢更為顯著。P6時段≥0℃、≥10℃積溫初日平均日序分別為43d、93d，分別較P1時段提前7d、8d；P6時段≥0℃、≥10℃積溫終日平均日序分別為339d、303d，分別較P1時段推遲4d、5d。

2.3.2 活動積溫

由圖7可見，P1?P3時段≥0℃、≥10℃積溫平均值無明顯變化，P4?P6時段加速上升。P1時段≥0℃、≥10℃積溫平均值分別為4679.9℃·d和4079.3℃·d；P6時段積溫平均值達(dá)到4976.5℃·d和4413.9℃·d，較P1時段平均值分別升高6.3%和8.2%，是研究時段內(nèi)最溫暖的10a。

P6時段≥0℃、≥10℃積溫分布特征較P1變化明顯，整體呈上升趨勢（圖8）。由圖8a、8b可見，東部地區(qū)≥0℃積溫界限均有不同程度的北移。根據(jù)柵格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，積溫為6000～7000℃·d的區(qū)域面積增加了2.11×105km2；積溫為7000～8000℃·d、8000～9000℃·d的區(qū)域面積分別增加了4.43×104km2、5.85×104km2。P6時段東北大部分地區(qū)≥0℃積溫高于3000℃·d。

圖6 各年代≥0℃、≥10℃初/終日日序統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：箱體表示25%～75%四分位；Ⅰ表示1.5倍四分位范圍；—表示中位線；□表示均值；×表示異常值。各時段分別為，P1：1961?1970年；P2：1971?1980年；P3：1981?1990年；P4：1991?2000年；P5：2001?2010年；P6：2011?2020年。下同。

Note: Box is 25%?75% interquartile range;Ⅰis 1.5 times of IQR; — is median; □ is average; × is outliers. P1 is 1961?1970, P2 is 1971?1980, P3 is 1981?1990, P4 is 1991?2000, P5 is 2001?2010, and P6 is 2011?2020. The same as below.

圖7 各年代≥0℃和≥10℃活動積溫值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖8c、8d可見，P6時段≥10℃積溫與≥0℃積溫變化趨勢大致相同?！?0℃積溫在6000℃·d以上的區(qū)域面積增加了1.97×105km2，積溫為5000～6000℃·d的區(qū)域面積增加了3.37×105km2；北方地區(qū)以內(nèi)蒙古和東北地區(qū)積溫變化較大，其中積溫為3000～4000℃·d的區(qū)域面積增加了3.01×105km2。

圖8 研究期第一個10a（P1, 1961?1970年）和最后10a（P6，2011?2020年）≥0℃、≥10℃積溫空間分布

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）1961?2020年各站≥0℃、≥10℃初日由南向北逐漸推遲，終日由南向北逐漸提前。界限溫度0℃、10℃初日的氣候傾向率分別為?1.6d·10a?1和?1.4d·10a?1，60a內(nèi)初日分別提前了9.6d和8.4d；界限溫度0℃、10℃終日的氣候傾向率分別為0.8d·10a?1和1.3d·10a?1，60a內(nèi)終日分別推遲了4.8d和7.8d。界限溫度初日的提前和終日的推遲使得60a內(nèi)日平均氣溫≥0℃和≥10℃的持續(xù)日數(shù)分別增加14.4d和16.2d。

（2）1961?2020年各站≥0℃、≥10℃積溫范圍分別為790.2～9207.2℃·d，84.8～9207.2℃·d。60a來，≥0℃和≥10℃積溫平均上升幅度分別為72.8℃·d·10a?1和73.7℃·d·10a?1。P6時段≥0℃、≥10℃積溫較P1時段分別升高6.3%和8.2%，2011?2020年是研究時段內(nèi)最溫暖的10a。

（3）從空間分布圖來看，P6時段≥0℃、≥10℃積溫分布特征較P1變化明顯，整體呈上升趨勢。相比P1時段，P6時段≥0℃積溫為6000～7000℃·d的區(qū)域面積增加了2.11×105km2；東北大部分地區(qū)≥0℃積溫高于3000℃·d?！?0℃積溫在6000℃·d以上的區(qū)域面積增加了1.97×105km2；北方地區(qū)以內(nèi)蒙古和東北地區(qū)積溫變化較大，其中積溫為3000～4000℃·d的區(qū)域面積增加了3.01×105km2。

3.2 討論

氣候變化背景下，熱量資源的變化已經(jīng)對中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要的影響，關(guān)于作物生長條件、生育期、作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局以及種植制度對氣候變化響應(yīng)的研究已發(fā)表了諸多文獻(xiàn)[18?22]，但區(qū)域間仍存在較大的不確定性?？偨Y(jié)而言，熱量資源的增加對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和種植制度具有積極的影響，如過去60a間，東北地區(qū)≥10℃有效積溫普遍增加200～400℃·d，喜溫作物種植界限北移[25?29]，玉米總產(chǎn)、播種面積每10a分別增加967×104t和72×104hm2；西北干旱區(qū)熱量資源的增加有利于發(fā)展喜溫的優(yōu)質(zhì)特色農(nóng)業(yè)，喜涼作物冬播期推遲，喜溫作物春播期提前，多數(shù)種植界限向北移動，提高了復(fù)種指數(shù)[30]。本研究表明，東北除大、小興安嶺地區(qū)以外，≥10℃積溫高于3000℃·d的區(qū)域面積增加，東北地區(qū)熱量條件可以滿足相對晚熟品種正常生長的區(qū)域仍在逐步擴(kuò)大；西北地區(qū)≥0℃、≥10℃積溫的氣候傾向率均高于60℃·d 10a?1；華北平原≥10℃積溫界限北移東擴(kuò)[16]，P6時段華北平原南部≥10℃積溫已高于5000℃·d，一年兩熟制可實(shí)行面積擴(kuò)大，從而提高了周年糧食產(chǎn)量。

同時，氣候變暖導(dǎo)致極端溫度事件頻發(fā)，加上種植界限和作物布局的改變，極大增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。研究表明，自20世紀(jì)90年代中期之后華北地區(qū)高溫日數(shù)及熱浪事件均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢[31]，90%的高溫?zé)崂颂鞖獬霈F(xiàn)在6、7月[32]，此時夏玉米正值抽雄吐絲期，高溫?zé)岷斐捎衩罪@著減產(chǎn)[33]。東北地區(qū)玉米晚熟化仍然面臨一定的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，晚熟品種越區(qū)種植會人為增大低溫冷害對玉米生長發(fā)育的威脅，如倒春寒會影響春播，生長中期的延遲性冷害以及生長后期的初霜凍均會影響玉米的正常成熟[29]。對于西北地區(qū)，復(fù)種面積增加也可能會使作物生育后期遭受冷害。中國北方冬季熱量資源顯著增加是中國大陸氣候變暖的突出特征[34?36]，1961?2010年北方冬季平均溫度、最高溫度和最低溫度的變化率分別為0.27、0.21和0.37℃·10a?1[7]，顯著大于其他季節(jié)。冬季溫度升高對作物安全越冬有積極的影響，例如處于越冬期的小麥光合功能受到低溫的抑制，增溫會緩解低溫對光合系統(tǒng)的脅迫，提高光合速率和有機(jī)質(zhì)積累[37]。但同時冬季溫度升高會使越冬病蟲卵蛹死亡率降低，原本受熱量限制的病蟲害逐漸向高緯度擴(kuò)散，造成病蟲害發(fā)生的地理范圍擴(kuò)大、危害等級上升[10]，增加農(nóng)業(yè)投資成本。

本研究僅以≥0℃、≥10℃積溫作為喜涼/溫作物界限溫度指標(biāo)研究全國尺度的熱量資源時空分布和變化特征，未針對特定區(qū)域、特定作物和生育時期分析其溫度、極端天氣事件和災(zāi)害的變化情況。實(shí)際生產(chǎn)中，氣候變化對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響存在極大的復(fù)雜性，如研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和種植制度北界變化時，除本文涉及的熱量資源總量外，還應(yīng)考慮水分條件、品種特性、極端災(zāi)害氣候等因素，以及國際形勢、社會政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等政治因素的影響。因此，未來需要多學(xué)科和專業(yè)交叉進(jìn)行更深入的研究，從而使中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)更科學(xué)的應(yīng)對氣候變化。

[1] IPCC.Climate change 2021:the physical science basis[R]. Cambridge and New York:Cambridge University Press, 2021.

[2] 嚴(yán)中偉,丁一匯,翟盤茂,等.近百年中國氣候變暖趨勢之再評估[J].氣象學(xué)報(bào),2020,78(3):370-378.

Yan Z W,Ding Y H,Zhai P M,et al.Re-assessing climatic warming in China since the last century[J].Acta Meteorologica Sinica,2020,78(3):370-378.(in Chinese)

[3] 李克南,楊曉光,劉志娟,等.全球氣候變化對中國種植制度可能影響分析Ⅲ.中國北方地區(qū)氣候資源變化特征及其對種植制度界限的可能影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010, 43(10):2088-2097.

Li K N,Yang X G,Liu Z J,et al.Analysis of the potential influence of global climate change on cropping systems in China Ⅲ.the change characteristics of climatic resources in northern China and its potential influence on cropping systems[J].Scientia Agricultura Sinica,2010,43(10):2088- 2097.(in Chinese)

[4] 劉志娟,楊曉光,王文峰,等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅳ.未來氣候變暖對東北三省春玉米種植北界的可能影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(11):2280-2291.

Liu Z J,Yang X G,Wang W F,et al.The possible effects of global warming on cropping systems in China Ⅳ.possible effects of future climate change on northern limits of cropping system in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2010,43 (11):2280-2291.(in Chinese)

[5] 郭建平.氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究進(jìn)展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2015,26(1):1-11.

Guo J P.Advances in impacts of climate change on agricultural production in China[J].Journal of Applied Meteorological Science,2015,26 (1):1-11.(in Chinese)

[6] 趙俊芳,穆佳,郭建平.近50年東北地區(qū)≥10℃農(nóng)業(yè)熱量資源對氣候變化的響應(yīng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2015,24(3): 190-198.

Zhao J F,Mu J,Guo J P.Response of agricultural thermal resources equal to and more than 10℃ to climate change over the past 50 years in northeast China[J].Journal of Natural Disasters, 2015,24(3):190-198.(in Chinese)

[7] 胡琦,潘學(xué)標(biāo),邵長秀,等.1961-2010年中國農(nóng)業(yè)熱量資源分布和變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(2):119-127.

Hu Q,Pan X B,Shao C X,et al.Distribution and variation of China agricultural heat resources in 1961-2010[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(2):119-127.(in Chinese)

[8] 寧曉菊,張麗君,楊群濤,等.1951年以來中國無霜期的變化趨勢[J].地理學(xué)報(bào),2015,70(11):1811-1822.

Ning X J,Zhang L J,Yang Q T,et al.Trends in the frost-free period in China from 1951 to 2012[J].Acta Geographica Sinica,2015,70(11):1811-1822.(in Chinese)

[9] 賴純佳,千懷遂,段海來,等.淮河流域小麥-水稻種植制度的氣候適宜性[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(14):2868-2875.

Lai C J,Qian H S,Duan H L,et al.Climate suitability of wheat-rice double cropping system in Huaihe Watershed[J]. Scientia Agricultura Sinica,2011,44(14):2868-2875.(in Chinese)

[10] 郭芬芬,肖晶晶,張蕾,等.1961-2013年中國農(nóng)業(yè)界限溫度的時空變化特征[J].生態(tài)學(xué)雜志,2016,35(2):489-498.

Guo F F,Xiao J J,Zhang L,et al. Spatiotemporal variation of agriculture critical temperature of China from 1961 to 2013. Chinese Journal of Ecology, 2016,35(2):489-498. (in Chinese)

[11] 楊曉光,李勇,代姝瑋,等.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化Ⅸ.中國農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(12):94-105.

Yang X G,Li Y,Dai S W,et al.Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change Ⅸ.spatiotemporal change characteristics of China agricultural climate resources[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(12):94-105.(in Chinese)

[12] 李帥,張勃,馬彬,等.基于格點(diǎn)數(shù)據(jù)的中國1961-2016年≥5℃、≥10℃有效積溫時空演變[J].自然資源學(xué)報(bào), 2020,35(5):1216-1227.

Li S,Zhang B,Ma B,et al.Spatiotemporal evolution of effective accumulated temperatures of ≥5℃ and ≥10℃ based on grid data in China from 1961 to 2016[J].Journal of Natural Resources,2020,35(5):1216-1227.(in Chinese)

[13] 白磊,張帆,尚明,等.基于格點(diǎn)數(shù)據(jù)的1961-2018年中國多種積溫時空變化研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2021, 23(8):1446-1460.

Bai L,Zhang F,Shang M,et al.Evolution of the multiple accumulated temperature across mainland China in 1961-2018 with the gridded meteorological dataset[J]. Journal of Geo-information Science,2021,23(8):1446-1460. (in Chinese)

[14] 劉洋,王占海,姜文來,等.1956-2009年東北地區(qū)熱量資源時空變化特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2013,34(2): 13-20.

Liu Y,Wang Z H,Jiang W L,et al.Spatio-temporal characteristics of thermal resources in Northeast China during 1956-2009[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2013,34(2):13-20.(in Chinese)

[15] 徐超,楊曉光,李勇,等.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化Ⅲ.西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(3):763-772.

Xu C,Yang X G,Li Y,et al.Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change Ⅲ.spatiotemporal change characteristics of agricultural climate resources in Northwest Arid Area[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(3):763-772.(in Chinese)

[16] 楊鵬宇,胡琦,馬雪晴,等.1961-2015年華北平原夏玉米生長季光熱資源變化及其影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象2018,39(7): 431-441.

Yang P Y,Hu Q,Ma X Q,et al.Spatiotemporal variation of heat and solar resources and its impact on summer maize in the North China Plain over the period 1961-2015[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(7):431-441. (in Chinese)

[17] 黃芳芳,馬偉強(qiáng),李茂善,等.藏北高原地表溫度對氣候變化響應(yīng)的初步分析[J].高原氣象,2016,35(1):55-63.

Huang F F,Ma W Q,Li M S,et al.Analysis on responses of land surface temperature on the Northern Tibetan Plateau to climate change[J].Plateau Meteorology,2016,35(1): 55-63.(in Chinese)

[18] 李袆君,王春乙.氣候變化對我國農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響[J].氣候變化研究進(jìn)展,2010,6(2):123-129.

Li Y J,Wang C Y.Impacts of climate change on crop planting structure in China[J].Advances in Climate Change Research,2010,6(2):123-129.(in Chinese)

[19] 張煦庭,潘學(xué)標(biāo),徐琳,等.中國溫帶地區(qū)不同界限溫度下農(nóng)業(yè)熱量資源的時空演變[J].資源科學(xué),2017,39(11): 2104-2115.

Zhang X T,Pan X B,Xu L,et al.Spatio-temporal variation of agricultural thermal resources at different critical temperatures in China's temperate zone[J].Resources Science,2017,39(11):2104-2115.(in Chinese)

[20] 王柳,熊偉,溫小樂,等.溫度降水等氣候因子變化對中國玉米產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(21):138-146.

Wang L,Xiong W,Wen X L,et al.Effect of climatic factors such as temperature, precipitation on maize production in China[J].Transactions of the CSAE,2014,30(21):138-146. (in Chinese)

[21] 李克南,楊曉光,慕臣英,等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅷ.氣候變化對中國冬小麥冬春性品種種植界限的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,46(8):1583-1594.

Li K N,Yang X G,Mu C Y,et al.The possible effects of global warming on cropping systems in China Ⅷ.the effects of climate change on planting boundaries of different winter-spring varieties of winter wheat in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2013,46(8):1583-1594. (in Chinese)

[22] 趙錦,楊曉光,劉志娟,等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅱ.南方地區(qū)氣候要素變化特征及對種植制度界限可能影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(9):1860-1867.

Zhao J,Yang X G,Liu Z J,et al.The possible effect of global climate changes on cropping systems boundary in China Ⅱ.the characteristics of climatic variables and the possible effect on northern limits of cropping systems in South China[J].Scientia Agricultura Sinica,2010,43(9):1860-1867. (in Chinese)

[23] 劉志娟,楊曉光,王文峰,等.氣候變化背景下我國東北三省農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2009, 20(9):2199-2206.

Liu Z J,Yang X G,Wang W F,et al.Characteristics of agricultural climate resources in three provinces of Northeast China under global climate change[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2009,20(9):2199-2206.(in Chinese)

[24] 賈建英,郭建平.東北地區(qū)近46年玉米氣候資源變化研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(3):302-307.

Jia J Y,Guo J P.Studies on climatic resources change for maize over last 46 years in Northeast China[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2009,30(3):302-307.(in Chinese)

[25] 紀(jì)瑞鵬,張玉書,姜麗霞,等.氣候變化對東北地區(qū)玉米生產(chǎn)的影響[J].地理研究,2012,31(2):290-298.

Ji R P,Zhang Y S,Jiang L X,et al.Effect of climate change on maize production in Northeast China[J].Geographical Research,2012,31(2):290-298.(in Chinese)

[26] 冶明珠,郭建平,袁彬,等.氣候變化背景下東北地區(qū)熱量資源及玉米溫度適宜度[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23 (10):2786-2794.

Ye M Z,Guo J P,Yuan B,et al.Thermal resources and maize temperature suitability in Northeast China under climate change[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23 (10):2786-2794.(in Chinese)

[27] Li Z,Yang X,Chen F,et al.The effects of past climate change on the northern limits of maize planting in Northeast China[J].Climatic Change,2013,117(4):891-902.

[28] 劉實(shí),王勇,繆啟龍,等.近50年東北地區(qū)熱量資源變化特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2010,21(3):266-278.

Liu S,Wang Y,Miu Q L,et al.Variation characteristics of thermal resources in northeast China in recent 50 years[J]. Journal of Applied Meteorological Science,2010,21(3): 266-278.(in Chinese)

[29] 王賀然,劉東明,陳鵬獅,等.基于積溫帶重新劃分的東北玉米熟型分布研究[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2022,43(5): 102-112.

Wang H R,Liu D M,Chen P S,et al.Distribution of maturity types of maize on accumulated temperature rezone in Northeastern China[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2022, 43(5):102-112. (in Chinese)

[30] 張強(qiáng),鄧振鏞,趙映東,等.全球氣候變化對我國西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008(3):1210-1218.

Zhang Q,Deng Z Y,Zhao Y D,et al.The impacts of global climatic change on the agriculture in northwest China[J]. Acta Ecologica Sinica,2008,28(3):1210-1218.(in Chinese)

[31] 邢佩,楊若子,杜吳鵬,等.1961-2017年華北地區(qū)高溫日數(shù)及高溫?zé)崂藭r空變化特征[J].地理科學(xué),2020,40(8):1365-1376.

Xing P,Yang R Z,Du W P,et al.Spatiotemporal variation of high temperature day and heat wave in North China during 1961-2017[J]. Scientia Geographica Sinica,2020,40(8): 1365-1376. (in Chinese)

[32] Hu L, Huang G, Hu K.The performance of multiple datasets in characterizing the changes of extreme air temperature over China during 1979 to 2012[J].Theoretical and Applied Climatology,2018,133,619-632.

[33] 張吉旺,董樹亭,王空軍,等.大田增溫對夏玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(1):52-56.

Zhang J W,Dong S T,Wang K J,et al.Effects of high field temperature on summer maize grain yield and quality[J]. Journal of Applied Meteorological Science,2007, 18(1):52- 56.(in Chinese)

[34] 丁一匯,任國玉,石廣玉,等.氣候變化國家評估報(bào)告Ⅰ:中國氣候變化的歷史和未來趨勢[J].氣候變化研究進(jìn)展, 2006,2(1):3-8.

Ding Y H,Ren G Y,Shi G Y,et al.National assessment report of climate change Ⅰ:climate change in China and its future trend[J].Advances in Climate Change Research, 2006,2(1):3-8.(in Chinese)

[35] 王石立,莊立偉,王馥棠.近20年氣候變暖對東北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水熱條件影響的研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2003(2): 152-164.

Wang S L,Zhuang L W,Wang F T.Impacts of climate warming on thermal and moisture conditions in Northeast China in recent 20 years[J].Journal of Applied Meteorological Science,2003(2):152-164.(in Chinese)

[36] 李碩,沈彥俊.氣候變暖對西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源變化的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,21(2):227-235.

Li S,Shen Y J.Impact of climate warming on temperature and heat resource in arid Northwest China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21(2):227-235.(in Chinese)

[37] 石姣姣,江曉東,史宏斌,等.冬季增溫對田間小麥光合作用及產(chǎn)量的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào),2015,35(3):352-356.

Shi J J,Jiang X D,Shi H B,et al.Effect of winter warming treatments on photosynthesis and yield of wheat[J].Journal of Triticeae Crop,2015,35(3):352-356.(in Chinese)

Analysis of Spatio-Temporal Evolution of the Boundary Temperature of Chimonophilous/Thermophilic Crops in Chinese Mainland Based on Site Data

HE Hua-yun1, HU Qi1,2, TANG Shu-yue1, ZHAO Jin-yuan1, PAN Xue-biao1,2, PAN Zhi-huan1,2, WANG Jing1,2

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. CMA-CAU Jointly Laboratory of Agriculture Addressing Climate Change, Beijing 100193)

The temporal and spatial distribution of the boundary temperature of chimonophilous/ thermophilic crops affect the crop phenology and planting area. Based on the surface meteorological observation data of 585 meteorological stations in Chinese from 1961 to 2020, taking the ≥0℃ and ≥10℃ thermal time, the initial and terminate days of thermal time as research indices of agricultural heat resources, based on ANUSPLIN meteorological interpolation software, the spatio-temporal evolution of boundary temperature of chimonophilous/ thermophilic crops in China were analyzed from interannual and interdecadal time scales. The influence of heat resource change on agricultural production pattern in Chinese Mainland was also discussed. The results showed that: affected by latitude and topography, the heat resources changed greatly in China. The thermal time ≥0℃ and ≥10℃ in the eastern region presented a ladder distribution with latitude, while in the western region, it was mainlyaffected by altitude, which decreased gradually from south to north. The thermal time ≥0℃ and ≥10℃ ranged of 700.0?8960.0℃·d and 46.3?8960.0℃·d respectively, with the average climate trend of 72.8℃·d·10y?1and 73.7℃·d·10y?1. Within 60 years, the initial ordinal number of 0℃ and 10℃ was advanced by 9.6d and 8.4d respectively, and the terminate ordinal number was postponed by 4.8d and 7.8d, respectively. The advance of the initial day and the delay of the final day increased the number of continuous days with daily average temperature ≥0℃ and ≥10℃ by 14.4d and 16.2d in 60 years, respectively. 2011?2020（P6 period）was the warmest 10 years in the study period, that of the thermal time ≥0℃ and ≥10℃ increased by 6.3% and 8.2% respectively compared with P1 period (1961?1970). In P6 period, the area with thermal time ≥0℃ of 6000?7000℃·d increased by 2.11×105km2, the area with thermal time ≥10℃ of 5000?6000℃·d increased by 3.37×105km2. Under the background of climate warming, the increase of accumulated temperature has had an important impact on China's agricultural system. The layout of agricultural production and planting system should be adjusted in time to fully adapt to climate change.

Climate change; Heat resources; Boundary temperature; Thermal time

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.02.001

和驊蕓,胡琦,唐書玥,等.基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析中國大陸區(qū)域喜涼/溫作物界限溫度的時空演變[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(2):85-95

收稿日期：2022?03?16

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)（2020ZD0005?0101）

通訊作者：胡琦，博士，副教授，主要從事氣候變化影響評價(jià)，E-mail:huq@cau.edu.cn

和驊蕓，E-mail:hehuayun0715@163.com