辽西作物生长季光热资源变化对农业生产的影响

2013-12-23周广学张国林戴海燕

山西农业科学 2013年9期

周广学，张国林，戴海燕，李继

（朝阳市气象局，辽宁朝阳122000）

近年来，全球气候变暖[1-2]使各地气候资源发生不同程度的变化，作为热力资源的光照和气温变化最大[3-6]。而大田作物生长季气温、光照的变化对农业布局、农作物调整以及农作物生长发育等均产生明显的影响。因此，探讨大田作物生长期的光照资源和热量资源变化对农作物合理布局和农业经济发展具有重要意义。近年来，诸多学者对不同区域内光照、热量资源等气候变化进行了研究[7-9]，结果不一，说明气候变化具有明显的区域性。杨飞等[10]研究认为，松嫩平原主要旱作物生育期气温升高、≥10℃积温增加、降水量减少，日照时数呈南减北增的变化趋势，并对作物发育速度产生影响。刘德祥等[11]研究西北地区气候变暖及其对农业生产的影响，结果表明，西北地区气温升高对农业的负面影响大于正面影响。罗宪力等[12]研究认为，辽西地区无霜期延长趋势不明显，提出延长作物生育期需谨慎。

辽宁西部地处北温带亚干旱气候区，西北南三面被内蒙古赤峰市和河北省承德市环绕，境内有松岭山山脉和努鲁尔虎山山脉，构成南北天然屏障，形成U字型地貌，由此削弱了南北冷暖空气的入侵，造成辽西特殊地理位置的低山丘陵易干旱区。该研究区域内年平均气温6.3～9.3℃，年降水量460 mm左右，年太阳总辐射174.84 MJ/m2，年日照时数为2 301～3 242 h。初霜日平均在9月30日，终霜日平均在4月20日，无霜期130～170d。4—10月为辽西地区农作物主要生产时期。有研究曾对辽宁西部地区的年平均气温、年降水量、年日照时数等做了相应的气候变化研究分析[13-15]。本研究针对辽西地区农作物生长季光照、热量资源变化进行研究，以揭示其气候变化特征，为农业调整合理布局适应气候变化、为地方农业经济发展提供气候依据。

1 材料和方法

1.1 资料来源

资料选自1961—2010年辽宁西部的阜新、建昌、叶百寿、北票、建平、凌源、羊山、喀左和朝阳9个气象站，包括日照时数、日照百分率和日平均气温。采用5日滑动平均方法统计≥10℃积温。太阳总辐射利用公式Q＝Q0（a＋bS）（Q 为地表受到的太阳总辐射，Q0为天文辐射，S 为日照百分率，a 和b 为订正系数，Q0，b，a 取值参照李凤翼等[16]的研究成果）计算获得[16-17]。

1.2 分析方法

在Excel应用程序支持下，通过一元线性回归方程的回归系数，计算得出气候倾向率[18]，从而分析气候要素的变化趋势。总辐射倾向率单位为MJ/（m2·10 a），日照时数倾向率单位为h/10 a，气温倾向率单位为℃/10 a，积温倾向率单位为（℃·d）/10 a。

采用标准偏差方法[19]分析异常年。标准偏差是量度数据分布分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度，可确定极端事件发生几率。标准偏差公式为S＝[∑（yi－y）2/N]1/2（S 为标准偏差，yi－y 为历年值减总体平均数，N 为样本数）。

2 结果与分析

2.1 农作物生长季光照资源变化特征

2.1.1 太阳总辐射辽宁西部地区农作物生长季在4—10月，太阳总辐射平均122.61 MJ/m2，占全年70.2%。在近50 a里，2008年最少，为115.08 MJ/m2；1970年最多，为129.45MJ/m2，标准偏差±3.18MJ/m2，正常年景作物生长季太阳总辐射在119.43～125.79 MJ/m2之间。异常偏多有7 a（1965，1968，1971，1972，1975，1981，1997年），几率为14%，其中前30a（1961—1990年）几率为20%，后30a（1981—2010年）几率为6.7%。异常偏少有6 a（1985，2003，2005，2006，2007，2008年）几率为12%，近30 a几率达到20%，其中，近10 a（2001—2010年）异常偏少几率为50%。

由图1可知，1961—1981年为太阳总辐射丰富期，经过1982—2000年调整后，2001年进入总辐射偏少期。太阳总辐射线性方程为y＝-0.132 7x＋386.11（r＝0.602 9，P＜0.01），呈明显下降减少趋势，气候倾向率为-1.327 MJ/（m2·10 a），近50 a减少6.64 MJ/m2。从年代尺度分析结果（表1）看，辽宁西部农作物生长季太阳总辐射呈逐年代减少，21世纪10年代比20世纪60年代平均减少5.94 MJ/m2，占总平均值的4.8%。

表1 不同年代农作物生长季光照、热量资源

2.1.2 日照时数辽西地区农作物生长季日照时数历年平均为1 601 h，占全年的57.2%。在近50 a里，2010年最少，仅1412h；1966年最多，为1778h，标准偏差为±88 h，正常年景农作物生长季日照时数在1 513～1 689 h之间。异常偏多有8 a（1962，1963，1964，1965，1966，1969，1971，1972年），几率16%，异常偏多均出现在20世纪60，70年代。异常偏少有6 a（1986，2006，2007，2008，2009，2010年），几率12%，异常偏少20世纪80年代仅有1 a，其余均发生在21世纪初，近10 a（2001—2010年）异常偏少发生几率为50%。

从图2可以看出，20世纪60，70年代日照时数偏多，80，90年代日照时数正常，进入21世纪日照时数急剧减少，并进入光照资源匮乏时期。农作物生长季日照时数线性方程为y＝-5.125 1x+11 781（r＝0.836 9，P＜0.01），呈明显下降趋势，倾向率为-51.251 h/10 a，近50 a减少256 h。表1年代尺度分析结果显示，辽宁西部农作物生长季日照时数呈逐年代减少趋势，其中，20世纪60年代最多，21世纪10年代最少，平均减少212 h，占总平均值的13.2%。

2.2 农作物生长季热量资源变化特征

2.2.1 平均气温近50 a辽西地区年平均气温为8.1℃，农作物生长季平均气温18.5℃，2000年达到最高，为19.8℃，1976年最低，为17.1℃，极差为2.7℃，标准偏差为±0.6℃，正常年平均气温在17.9～19.1℃之间。异常偏低有8 a（1964，1969，1974，1976，1979，1980，1986，2010年），几率16%，前30 a几率为23.3%，后30 a几率为3.3%。异常偏高有8 a（1981，1982，1983，1994，1997，1998，2000，2001年），几率16%，均发生在20世纪80年代之后，后30 a几率为26.7%。

由图3可知，20世纪60，70年代气温在正常偏低水平上波动，80年代初和2000年左右气温偏高，2002年之后气温处于正常状态，2010年气温异常偏低。农作物生长季平均气温的线性呈上升趋势，其线性方程为y＝0.010 8x-2.903 3，（r＝0.250 4，P＞0.05），气候倾向率为0.108℃/10 a，近50 a年平均气温升高0.5℃。表1年代尺度分析结果显示，辽宁西部作物生长季平均气温年代变化不稳定，以20世纪70年代最低，为18.0℃，20世纪90年代最高，为18.8℃，平均相差0.8℃。

2.2.2 ≥10℃积温近50 a辽西地区≥10℃积温初日平均在4月18日，终日平均在10月5日，历年积温平均为3428（℃·d），1998年最多，为3790（℃·d），1967年最少，为3 056（℃·d），极差为734（℃·d），标准偏差为±173（℃·d），正常年≥10℃积温在3 255～3 601（℃·d）之间。异常偏少有7 a（1964，1969，1970，1974，1976，1985，1986年），几率14.0%，前30 a几率为20%，后30 a几率为3.3%。异常偏多有8 a（1975，1981，1983，1994，1998，2000，2001，2004年），几率16%，前30 a几率为10%，后30 a几率为16.7%。

由图4可知，20世纪60年代≥10℃积温在正常偏低水平上波动，70—80年代在平均水平线上徘徊，1994—2004年≥10℃积温增加迅速，2005年之后≥10℃积温有所回落。≥10℃积温总体变化呈明显上升趋势，其线性方程为y＝4.499x－5 504.5（r＝0.375 5，P＜0.05），气候倾向率为44.990（℃·d）/10 a，近50 a年平均增加225（℃·d）。表1年代尺度分析结果显示，辽宁西部农作物生长季≥10℃积温从20世纪70年代开始逐年代增加，其中，21世纪10年代最多，20世纪70年代最少，平均增加227（℃·d），占总平均值的6.6%。

3 结论

辽宁西部地区大田农业生产期主要在4—10月，此时期光能资源呈明显的减少趋势，太阳总辐射近50 a气候倾向率为-1.327 MJ/（m2·10 a）。近10 a（2001—2010年）比前10 a（1961—1970年）平均减少5.94 MJ/m2，占总量的4.8%。异常偏少的6 a中有5 a发生在近10 a，占总频数的83.3%。农作物生产期日照时数明显减少，气候倾向率为-51.251h/10 a。近10 a（2001—2010年）比前10 a（1961—1970年）平均减少212 h，占总平均值的13.2%。

近50 a在全球变暖的大环境下，辽宁西部地区作物生长季平均气温气候倾向率为0.108℃/10 a。近50 a升高0.5℃，但升高的趋势不明显，年代变化不稳定，最大相差0.8℃。≥10℃积温明显增加，气候倾向率为44.990（℃·d）/10 a。21世纪初比20世纪70年代平均增加227（℃·d），占总平均值的6.6%。

4 讨论

（1）于华深等[20]研究表明，辽西地区光照资源属于丰富区，由于近年来太阳总辐射、日照时数的持续减少，已经下落到较丰富区。尤其2006—2010年连续出现异常偏少，给农作物、果树开花授粉带来影响，直接影响作物生长发育。据调查，由于寡照，玉米授粉受到影响，秃尖严重，影响了产量；由于日照时数的减少，使2006—2010年蜜源植物出蜜少，蜂蜜产量下降，蜂农生产受挫。

（2）热量资源增加对气候资源和气象灾害存在不同的响应，对农业的影响利弊共存。一方面，气候变暖将使主要农作物适宜种植范围扩大，对农作物种植格局产生直接影响。积温量增多，可延长农作物生长期，为大农业生产提供比过去更加良好的热量条件，对提高复种指数、延长农作物生育期、增加生物产量十分有利。另一方面，气候变暖只是趋势性，并没有达到相对稳定的程度，随波逐流盲目跟进势必会造成严重损失。气候变暖的不稳定性，早春植物提前萌动和返青，延长生育期的农作物，易受到早、晚霜冻的威胁。气候变暖也使病虫害加剧，病虫害的发育速度和繁殖代数加快，病菌、虫源基数增加，越冬界限北移。气候变暖还突出了农业用水的矛盾，气温升高，植物呼吸加快，蒸腾量加大，导致水资源短缺，使农业生产环境进一步恶化。

（3）随着气候的变暖，辽宁西部地区光照资源明显减少，气温升高，为弱光短日照喜温的植物提升了发挥空间，而对强光长日照植物造成一定的影响。因此，适应气候变化培育新的栽培品种，调整农业布局，改革农业管理形式势在必行。在气候变暖的环境下，热量资源增加并非稳定，阶段性低温寡照等气象灾害时有发生，盲目开发和跟进定会造成损失。应掌握气候变暖所带来的利弊关系，认识气候变暖的实质，增强风险防控意识。2010年的低温和早霜造成了多种作物受灾，给农业生产敲醒了警钟。所以，在人声鼎沸开发利用热量资源的形势下，要清醒地掌握气候变化及气象灾害的存在，才能实现农业稳产丰收。

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