瓦房店地区农业气候资源变化特征

2012-12-23张艳

山西农业科学 2012年6期

张艳

（瓦房店市气象局，辽宁瓦房店116300）

瓦房店地区位于辽宁南部、中国辽东半岛南端，东濒黄海，西临渤海，属暖温带亚湿润季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明。

近百年来，我国年平均地表温度明显增加，升温幅度为0.5～0.8 ℃，略高于全球气温的平均升幅[1-2]。预计21 世纪末，全球平均地表温度平均增温可能达1.1～6.4 ℃[3]。在全球气候变暖的背景下，瓦房店地区农业气候资源也在发生变化。研究表明，气候变暖将会缩短农作物的生育期，气温每升高1 ℃，水稻、小麦的产量将减少10%～17%；寒冷的北部地区，气候变暖对农业生产的影响则利大于弊[4-5]。孙继洲等[6]研究表明，冬季气温偏高，对小麦、大麦生长发育有不利影响；张旭晖等[7]研究发现，江苏省在全球气候变暖的环境下，农业干旱频率在冬季减少、秋季增加；张国林等[8-10]研究认为，气候变暖，特别是冬季温度的升高，使越冬害虫的存活率上升，越冬界限北移，给农业生产带来了不利影响；曹巧莲等[11]研究了临汾市近40 a 日照时数变化及其对农业生产的影响；李国强等[12]分析了临汾市冬小麦生育期降水对产量的影响。诸多研究表明，气候变暖存在着区域性，并对农作物有着不同的反应。

本研究应用气候倾向率、有序聚类分析等数理统计方法，针对瓦房店地区近50 a 的气温、降水、日照等资料进行分析，阐述了气候变暖对瓦房店地区农业气候资源的影响，旨在为合理利用农业气候资源、提高农业产量及作物品质提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 资料来源

资料来自大连市瓦房店气象观测站1961—2010 年（50 a）的资料。其包括：月、年平均气温，月、年降水量及月、年日照时数。四季尺度划分以3—5 月为春季、6—8 月为夏季、9—11 月为秋季、12 月到第2 年2 月为冬季。

1.2 分析方法

1.2.1 气候倾向率[13]气象要素y 序列的长期趋势用一元线性函数表示，表达式为：y＝ax＋b。

式中，x 为年序列号（x＝1961，1962，1963，…，2010 年），b 为常数项，a 为线性倾向值。倾向值a 的符号表示气候变量的趋势倾向性，a 值的大小反映上升或下降的速率。a＞0 表示y 随时间呈上升趋势；a＜0 表示呈下降趋势。倾向值乘以10 为气候倾向率。

1.2.2 突变点分析有序聚类分析法[14]是一种推求时间序列发生可能性突变点的方法，推求最优分割点，使得同类之间的离差平方和最小，而类与类之间的离差平方和相对较大。

2 结果与分析

2.1 热量资源特征

瓦房店地区大田作物品种主要有玉米、水稻、小麦等。因热量资源限制，其一般为一年一熟栽培制度。该地区热量资源较辽中、辽东地区丰富，1 茬有余2 茬不足。

2.1.1 气温变化特征瓦房店地区1961—2010 年年平均气温为9.6 ℃，最高为11.1 ℃（2007 年），最低为8.2 ℃（1969 年）。近50 a 年平均气温有明显的上升趋势（图1），平均每10 a 升高0.201 ℃，序列相关达极显著水平（P＜0.01）。近20 a（1991—2010 年）平均每10 a 升高0.113 ℃；前20 a（1961—1980 年）平均每10 a 下降0.214 ℃。按30 a 样本滑动计算，1961—1990 年平均每10 a升高0.036 ℃；1971—2000 年平均每10 a 升高0.343℃；1981—2010 年平均每10a 升高0.291 ℃。20 世纪70 年代至21 世纪初气温上升最明显。

四季平均气温存在不同程度升温特征，春季（y＝0.020 5x－31.129）气候倾向率0.205 ℃/10 a（相关系数为0.356 1）；夏季（y＝-0.001 2x＋25.302）气候倾向率为-0.012 ℃/10 a（相关系数为0.025 1）；秋季（y＝0.017 8x－23.971）气候倾向率为0.178 ℃/10 a（相关系数为0.308 2）；冬季（y＝0.044 3x－93.219）气候倾向率0.443 ℃/10 a（相关系数为0.479 0）。冬季增温最明显，其次是春季和秋季，冬、春、秋季升温趋势通过显著性检验（P＜0.01）；夏季气温变化趋势稳定。

经有序聚类分析，瓦房店地区近50 a 年平均气温存在2 个突变点，分别在1969，1985 年。从20 世纪60 年代初较高气温，经过1969 年的突变，经历了1970—1985 年较低气温变化平稳的过程，于1985 年突变后又迅速上升，2007 年到达顶点，2008—2010 年气温又有所回落。在1986—2007 年的22 a 间，平均气温每10 a 增加0.448 ℃。1961—1985 年突变前年平均气温为9.3 ℃，1986—2010 年突变后年平均气温上升至10.0 ℃，突变后气温增加0.7 ℃。

2.1.2 稳定通过0，10 ℃积温农业上把日均气温稳定通过0 ℃的时期作为适宜农耕期，该时段的活动积温是农作物可利用的热量资源；日平均气温稳定通过10 ℃的时期是越冬作物生长活跃期和喜温作物播种期，初、终日则决定了喜温作物开始播种的日期，并影响到作物成熟和品质。

瓦房店地区气温稳定通过0，10 ℃的活动积温平均分别为4 037.3，3 603.2 ℃·d，且二者增加趋势明显（图2），序列相关通过显著性检验（P＜0.01），平均每10 a 分别增加32.2，26.9 ℃·d。近20 a（1991—2010 年），气温稳定通过0，10 ℃的活动积温平均每10 a 分别增加76.7，18.8 ℃·d；前20 a（1961—1980 年）平均每10 a 分别减少77.7，64.7 ℃·d。按30 a 样本滑动计算，1961—1990 年平均每10 a 分别增加6.3，2.4 ℃·d；1971—2000 年平均每10 a 分别增加49.9，66.7 ℃·d；1981—2010 年平均每10 a 分别增加了58.3，28.5 ℃·d。20 世纪70 年代至21 世纪初积温增加最显著。

经有序聚类分析，瓦房店地区近50 a 年稳定通过0 ℃积温突变点在1976 年，突变之前（1961—1976 年）呈下降趋势，平均每10 a 减少122.9 ℃·d，平均值为3 990.4 ℃·d；突变之后（1977—2010 年）呈增加趋势，平均每10 a 增加57.5 ℃·d，平均值为4 061.3 ℃·d；突变后稳定通过0 ℃积温平均增加70.9 ℃·d。稳定通过10 ℃积温突变点在1988 年，突变之前（1961—1988 年）呈下降趋势，平均每10 a 减少19.2 ℃·d，平均值为3 561.1 ℃·d；突变之后（1989—2010 年）呈增加趋势，平均每10 a 增加6.3 ℃·d，平均值为3 660.5 ℃·d；突变后稳定通过10 ℃积温平均增加99.4 ℃·d。

日平均气温稳定通过0 ℃的初日平均为3 月12 日，终日平均为11 月20 日，初终间日数平均为255 d；初日平均每10 a 提前1.445 d，终日平均每10 a 推后0.19 d，初终间日数每10 a 延长1.799 d；初日、终日、初终间日数的线性趋势均未通过显著性检验。日平均气温稳定通过10 ℃的初日平均为4 月19 日，终日平均为10 月19 日，初终间日数平均为184 d；初日平均每10 a 提前0.251 d，终日平均每10 a 推后0.19 d，初终间日数每10 a 延长1.136 d；初日、终日、初终间日数的线性趋势均未通过显著性检验。

日平均气温稳定通过0，10 ℃活动积温的增加及初终间日数的延长，均有利于农作物生长，为干物质积累、产量形成提供充足的热量资源。

2.2 降水资源特征

大气降水是水分资源的重要组成部分，降水量的多少决定一个地区的干湿程度。在相同的光照、热量条件下，降水量的丰歉程度对作物的生长发育及产量的形成起重要作用。瓦房店处于副热带季风区域，降水集中在汛期6—9 月，年内各月降水差异较大，7 月最多，1 月最少，且降水量年变化呈正态分布。7，8 月份降水量较多，平均为165.3，159.2 mm，7—8 月降水占全年降水量的51.6%；1，2 月份降水量较少，平均为4.8，5.7 mm，1—2 月降水占全年降水量的1.7%。

春季（3—5 月）平均降水量为90.5 mm，占年降水量的14.4%，平均每10 a 增加4.5 mm。夏季（6—8 月）平均降水量为407.8 mm，占年降水量的64.8%，平均每10 a 减少6.6 mm。秋季（9—11月）平均降水量为113.0 mm，占年降水量的18.0%，平均每10 a 减少6.2 mm。冬季（12 月至第2 年2 月）平均降水量为17.7 mm，占年降水量的2.8%，平均每10 a 减少1.3 mm。春季降水量增加对春播十分有利。夏秋季降水量减少在多雨年对农业影响较小；在少雨年易发生干旱，则对农业影响较大。

汛期（6—9 月）近50 a 最多降水量是1986 年，为767.8 mm；最少出现在1989 年，为158.3 mm，极差为609.5 mm，极比达到4.85，说明瓦房店地区汛期降水不稳定极端事件严重。通过Poisson平均值分析，平均值为470.0 mm，当α＝0.05 时，决策限在410～530 mm 之间，决策限范围内发生21 a，频率为42.0%；决策限以下（＜410 mm）发生14 a，频率为28.0%；决策限以上（＞530 mm）发生15 a，频率为30.0%。决策限范围之外占58.0%，突发性降水和干旱年景发生率较高。经一元线性倾向性分析，汛期（6—9 月）历年降水量呈下降趋势（图3-a），平均每10 a 减少9.8 mm。

瓦房店地区年降水量近50 a 最多出现在1964 年，为977.6 mm；最少出现在1989 年，为289.6 mm，极差为688.0 mm，极比为3.38。年平均降水量为629.1 mm，决策限在549～709 mm 之间，决策限范围内发生27 a，频率为54.0%；决策限以下（＜549 mm）发生14 a，频率为28.0%；决策限以上（＞709 mm）发生9 a，频率为18.0%。决策限范围之外占46.0%，极端性降水和干旱年景发生频率低于汛期。经一元线性倾向性分析，年降水量呈减少趋势（图3-b），平均每10 a 减少9.5 mm。经降水距平值计算，20 世纪60 年代降水量多正距平；70 年代在平均值附近波动，1978—1984 年、1988—1993 年、1997—2003 年出现连续降水负距平，致使1961—2003 年降水量呈减少趋势，序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少31.617 mm，从2004 年开始降水量又有所回升。

2.3 光照资源特征

太阳辐射是地球上一切生命的能量源泉，绿色植物90%～95%的干物质由叶绿素吸收太阳辐射能量、同化CO2和水制成。日照时数是光照资源的基本要素，是评价一地区光能资源多寡的重要指标，其长短对于作物的生长发育作用重大。

2.3.1 月、季日照特征从图4 可以看出，瓦房店日照时数在全年里出现2 个峰值，第1 个峰值在5 月，第2 个峰值在9 月。日照时数最多时段在4—6 月，为776.5 h，占全年日照时数的28.9%；11—12 月为全年最少（370.7 h），占全年日照时数的13.7%。各月日照时数减少趋势明显，5，6，7 月平均每10 a 减少10～14 h；8，9 月减少7～8 h；1，2，3，4，10，11，12 月减少4～6 h。

春季日照时数平均为773.2 h，占全年日照时数的28.7%，最多为926.2 h（1965 年），最少为645.0 h（1990 年），极差为281.2 h，极比为1.44。春季（y ＝-2.145x＋5 032.1）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少21.5 h。夏季平均为673.4 h，占全年日照时数的25.0%，最多为866.4 h（1968 年），最少为488.0 h（2010 年），极差为378.4 h，极比为1.78。夏季（y＝-3.954 1x＋8 524.3）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少39.5 h。

秋季平均为652.4 h，占全年日照时数的24.2%，最多为754.8 h（1963 年），最少为508.4 h（2007 年），极差为246.4 h，极比为1.48。秋季（y＝-1.520 2x+3 670.7）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少15.2 h。冬季平均为597.6 h，占全年日照时数的22.2%，最多为697.6 h（1963 年），最少为496.4 h（2006 年），极差为201.2 h，极比为1.41。冬季（y＝-1.777x＋4 125.9）日照时数减少趋势明显，序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少17.8 h。

2.3.2 年日照特征瓦房店地区1961—2010 年日照时数年平均为2 696.6 h，1978 年最多，为3 095.6 h，1985 年最少，为2 327.2 h，极差为768.4 h，极比为1.33。瓦房店地区近50 a 日照时数呈明显的下降趋势（图5），序列相关达到显著水平（P＜0.01），平均每10 a 减少94.0 h。近20 a（1991—2010 年），平均每10 a 减少56.6 h；前20 a（1961—1980 年）平均每10 a 增加10.7 h。按30 a 样本滑动计算，1961—1990 年平均每10 a 减少97.8 h；1971—2000 年平均每10 a 减少115.4 h；1981—2010 年平均每10 a 减少76.6 h。20 世纪70 年代至21 世纪初日照时数减少最明显。

经有序聚类分析，瓦房店地区近50 a 年日照时数突变点在1984 年。从20 世纪六七十年代较高日照时数，经过1984 年的突变之后，日照时数迅速减少。1961—1984 年突变之前的24 a 日照时数平均值为2 842.9 h，平均每10 a 减少33.0 h。1985—2010 年突变后的26 a 平均值为2 561.7 h，平均每10 a 减少43.0 h。突变前后日照时数平均减少281.2 h。

日照时数减少无疑是光能资源在下降，对喜光植物影响较大，尤其使光合作用及干物质形成受到影响，并对植物产量和质量构成威胁。

3 结论

（1）在全球气候变暖的大背景下，瓦房店地区热量资源明显增加，日平均气温稳定通过0，10 ℃活动积温平均每10 a 分别增加32.2，26.9 ℃·d，比姜晓艳等[15]研究的沈阳地区农作物生长季热量资源增加的量偏少，各个地区或区域热量资源增加趋势存在较大的差异[16]。瓦房店地区冬季和春季温度的增加较为明显，夏季气温没有趋势性变化。冬季热量的增加有利于植物越冬、设施农业生产；同时也有利于病虫害越冬和界限北移。热量资源增加利弊条件同时存在，所以，调整作物结构时要注意。

（2）瓦房店地区的水分资源较丰富，降水主要集中在6—9 月，与农作物需水期相匹配。春季降水有增加的趋势，对小麦生长和大田春播有利。夏季、秋季降水减少使少雨年易发生干旱。冬季降水减少对冬季交通安全和设施农业有利。

（3）瓦房店地区年日照时数减少明显，年总量平均每10 a 减少94.0 h。年内各月都存在不同程度的减少趋势。日照时数减少同样也使总辐射量下降。瓦房店地区光能资源的这些变化特征可能与人类活动引起的温室气体和硫化物等气溶胶排放增加有关[17]。从目前光能资源的总量看，基本能满足该地区作物、果树等生长发育的需求。

（4）在气候变暖背景下，如何能更好地开发利用气候资源、调整耕作制度、合理引进优良的品种，还需要进一步研究。

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