川滇交界干热河谷地区农业气候资源特征

2018-05-14戴声佩李茂芬罗红霞刘海清

热带作物学报 2018年6期

戴声佩李茂芬罗红霞刘海清

摘要利用四川攀枝花和云南华坪、元谋等3个时间序列较长的气象站地面观测资料，运用线性趋势法、气候倾向率法、Mann-Kendall非参数统计检验法等方法分析了川滇交界干热河谷地区光能、热量、水分和风能等农业气候资源特征。结果表明：川滇干热河谷地区光能资源丰富，热量资源充足，风能资源良好，但水分资源结构不平衡，易出现干旱。并且在全球气候变化背景下，光能、热量、水分和风能等农业气候资源都发生了明显的变化，对农业会造成一定的影响，如温度升高导致作物生长期延长，生长季热量增加，适宜种植范围扩大。≥10 ℃积温的增加为热量要求较高的热带经济作物种植提供了有利条件，川滇干热河谷地区适宜热带经济作物种植区域将增加。此外，农业气候资源的变化也会带来一定的负面影响，如冬季温度升高，将导致热带作物抗旱能力下降等。

关键词干热河谷；农业气候资源；变化特征；四川；云南

中图分类号 S162.3 文献标识码 A

The Characteristics of Agricultural Climate Resources in the Dry-Hot Valley Area of Sichuan Province and Yunnan Province

DAI Shengpei1，2，3， LI Maofen1，2，3， LUO Hongxia1，2，3， LIU Haiqing4

1 Institute of Scientific and Technical Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

2 Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China

3 Key Laboratory of Practical Research on Tropical Crops Information Technology in Hainan Provinve， Haikou， Hainan 571101， China

4 Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract The variation characteristics of light， heat， moisture and wind were analyzed using the linear trend method and Mann-Kendall non-parametric statistical test based on the daily meteorological observation data from three meteorological stations in the dry-hot valley areas of Sichuan Province and Yunnan Province. The results showed that the dry-hot valley areas was rich in solar energy， heat， and wind energy resources， but the water resources structure was uneven and prone to drought. In the context of global change， the agricultural climate resources such as light energy， heat， moisture and wind energy have changed obviously， which would cause some influences on agriculture. For example， the increase of temperature leads to the extension of crop growth period. The increase of ≥10 ℃ accumulated temperature provides favorable conditions for the cultivation of tropical economic crops. The suitable area for tropical economic crops in the dry-hot valley areas should be increased. In addition， changes in agricultural climate resources would also have a negative impact on agriculture， such as increased winter temperatures would result in decreased drought resistance in tropical crops.

Key words dry-hot valley； agricultural climate resources； variation characteristics； Sichuan province； Yunnan province

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.06.028

農业气候资源既是农业自然资源十分重要的组成部分，也是农业生产的基本环境条件和能源物质[1]，直接影响农业生产过程[2]以及一个地区农业生产结构和布局、作物种类、种植耕作制度等[3]。在全球气候变化背景下，中国不同区域的农业气候资源都发生了一定程度变化[4]。华南沿海地区气温呈上升趋势，20世纪90年代以来增温更加明显；降水呈阶段性和周期性变化，50、70、90年代偏多，60、80年代偏少[5-8]；秋季蒸散量呈下降趋势[9]，太阳辐射是其主要制约因子[10]；≥10℃积温呈增加趋势，并向高纬度、高海拔扩展[11]，这为热量要求较高的热带作物生产种植提供了有利条件[12-13]。其他地区农业气候资源也同样发生了不同程度的变化[14]，如东北地区[15]、华东地区[16]等。

位于四川省和云南省交界的山地峡谷区域存在大量热量偏高、降雨量偏少的河谷盆地，这些地区气候炎热、干燥，植被稀少，被当地人称为“干坝子”、“干热坝子”或“干热河谷”[17-18]，由于其特殊气候环境下所形成的独特植被景观和土壤类型，以及在农业气候资源、土地资源、经济作物资源等方面的重要价值[19-20]，特别是气候资源对于决定农业生产的布局、结构以及产量的高低和品质的优劣具有重要作用。因此，充分利用该区域丰富的农业气候资源，发展农业生产以及相关热带经济作物，合理利用和保护生态环境资源，对于该地区农业生产、农民增收、农村发展具有重要意义。

近年来，干热河谷农业资源、生态环境、植被恢复等问题[21-22]，受到了越来越多的地理学、气象学、生态学、植物学以及农学等领域专家学者的高度关注[23-25]，也取得了众多研究成果。但受资料、条件等限制，部分研究未能全面反映该地区在全球气候变化背景下的农业气候资源特征。因此，本研究拟选取该地区典型气象台站地面观测资料，研究该地区光能、热量、水分和风能等农业气候资源的变化特征，以期为该地区农业自然资源的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究区域为川滇交界处干热河谷地区（25°31′N～27°2′N，100°24′E～102°7′E）（图1），主要范围包括四川省攀枝花市、盐边县、米易县、会理县和云南省华坪县、元谋县、永胜县、武定县等市县，属于非地带性干热河谷，包括金沙江干流及泡江、雅砻江、安宁河、龙川江、普渡河、小江、黑水河等支流，河谷河流深切，岭谷高差悬殊，多数地带呈“V”字型狭谷，阶地不发育，立体型强。谷地、盆地、山地、丘陵、坝子、土林、泥石流、河漫滩等各种地形地貌交织，峡谷景观呈多样化特征[17]。其基本气候特点是降水干湿季分明、水热组合失衡、热量高、降水少、蒸发强烈[22]。该地区植物和作物种质资源丰富，其中热带经济作物资源多达600多种[19]，是中国重要热带经济作物种植生产基地。

1.2 数据来源

选用1988～2016年四川省攀枝花气象站、1957～2016年云南省华坪气象站、1956～2016年云南省元谋县气象站逐日太阳辐射、日照时数、平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度、平均风速地面实测数据，资料来源于国家气象科学数据共享服务平台（http：//data.cma.cn/），并对各气象要素进行数据质量控制，剔除不合理数据，保证数据的质量。经过质量控制后，3个站点有效数据完整率均在90%以上。

图1 研究站点示意图

Fig. 1 The study area and the distribution of the meteorological stations

1.3 研究方法

1.3.1 气候倾向率法采用气候倾向率法分析某一气候要素的时间变化趋势，即对某一气候变量与对应的时间建立一元线性回归方程，并采用最小二乘法进行参数估计，获得气象倾向率，当气象倾向率大于零时，则表示该气候要素序列随时间递增呈上升趋势，反之递减呈下降趋势[26]，方法具体如下：

用xi表示样本量为n的某一气象变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程[22]：

xi=a+bti，i=1，2，…..，n （1）

式中：a为回归常数，b为回归系数，a和b可用最小二乘法进行估计。

对观测数据xi及相应的时间ti，回归系数a和常数b的最小二乘法估计为：

（2）

其中：，，b×10为气候倾向率。

1.3.2 Mann-Kendall非参数统计检验法采用Mann-Kendall非参数统计检验法从不同时间尺度不同气候要素进行时间序列突变检验[26]。Mann-Kendall非参数检验是目前理论基础较强且应用最为广泛的一种检验气候突变的方法，该方法以气候要素平稳为前提，并且序列是随机独立的，其概率分布等同[27]，方法具体如下：

在原假设H0，气候序列没有变化的情况下，设此序列为（x1，x2，…，xn），设mi表示第i个样本xi>xj（1≤j≤i）的累积数，定义统计量dk：定义统计量dk：

（2≤k≤N）（3）

在原序列的随机独立假设下，dk的均值、方差分别为：

（4）

（2≤k≤N）（5）

再将dk标准化，得到UFk：

（6）

式中，UFk为标准分布，其（率可以通过计算或查表获得。给定显著性水平α0，当α0>α1，接受原假设H0；当α0<α1時，则拒绝原假设，表示此序列将存在一个强的增长或减少趋势，所有UFk（1≤k≤N）组成一条曲线UF，通过信度检验可知其是否有变化趋势，把此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线UB。给定显著性水平0.05，则统计量UF和UB的临界值为±1.96。如果UF>0，表示序列呈上升趋势；反之，表明呈下降趋势，大于或小于±1.96，表示上升或下降趋势明显；如果曲线UF和UB在置信区间内存在交叉点，则这点便是突变的开始点。

2 结果与分析

2.1 光能资源

太阳辐射是农业生产的能量来源，植物体利用太阳能通过光合作用合成干物质。因此本研究利用总辐射量、日照时数来分析研究区域光能资源的变化特征。

2.1.1 总辐射量变化特征由于研究区域只有攀枝花气象站从1992年开始观测太阳辐射，因此以攀枝花站作为代表分析研究区域太阳辐射的变化情况。攀枝花站总辐射量年际变化和M-K检验曲线如图2所示，1992年以来，攀枝花总辐射量年际变化呈现波动增加趋势（图2-a），其气候倾向率为146.8 MJ.m-2.10a-1，

相关系数为0.2，未通过0.05的显著性水平检验。从3年滑动平均曲线可见，攀枝花站总辐射量变化可分为以下2个阶段：1992～2007年呈下降趋势，即“变暗”的过程，2008～2016年呈增加趋势，即“变亮”的过程。总体来看，总辐射量多年平均值为5 909.1 MJ/m2，最小值为2007年的4 621.5 MJ/m2，

最大值为2009年的7 280.6 MJ/m2，两者相差达

2 659.1 MJ/m2，说明年总辐射量变化幅度大。由图2-b可知，UF和UB曲线相交于2009年，并且交点位于临界线（U=±1.96）之间，表明2009年为突变年份。

2.1.2 日照时数变化特征攀枝花、元谋、华坪日照时数年际变化及其M-K检验曲线如图3所示。3个站点日照时数呈现不同变化趋势（图3-a），其中，攀枝花站日照时数呈增加趋势，元谋和华坪站则呈减少趋势，其气候倾向率分别为66.7、-30.6和-73.7 h/10a，相关系数分别为0.3、0.4和0.1，元谋站通过0.05的显著性水平检验，攀枝花站和华坪站未达到0.05的显著性水平。攀枝花、元谋、华坪日照时数多年平均值分别为2 687.6、2 608.8、2 525.9 h，最大值分别为2 939.1、2 890.7、2 801.6 h ，最小值分别为2 293.9、2 322.6、2 242.7 h。由图3-b～d可知，攀枝花站日照时数变化波动较大，存在多个突变年份，分别为1993、1997、2006、2010年；元谋站减少趋势明显，1976年为突变年份；华坪站呈现缓慢减少趋势，其突变年份为1988年。

2.2 热量资源

温度也是动植物生长发育的重要条件，在一定适温范围内，在满足光照、水分和肥料条件下，许多植物的生长速率与环境温度成正相关。本研究利用平均气温、最高气温、最低气温和≥10℃积温来分析研究区域热量资源的变化特征。

2.2.1 气温变化特征图4～6分别是攀枝花、元谋、华坪气象站平均气温、最高气温、最低气温年际变化趋势和M-K检验曲线。由图4-a、图5-a、图6-a可见，在全球气候变化背景下，攀枝花平均气温、最高气温、最低气温具有显著的升高趋势，并且最低气温上升幅度明显高于年平均气温和最高气温，即夜间温度增温强度高于白天，昼夜温差减小，其倾向率分别为0.2、0.3、0.3 ℃/10a，相关系数分别为0.3、0.4和0.6，均通过0.05的显著性水平检验。由图4-b、图5-b、图6-b可见，攀枝花站平均气温、最高气温、最低气温变化存在突变，其突变年份分别为2007、2004、2008年。元谋和华坪站平均气温、最高气温、最低气温的总体变化趋势不明显，大致可分为2个阶段，2000年之前呈下降趋势，在2000年之后存在明显的增温趋势（图4-a、c、d，图5 a、c、d，图6 a、c、d）。

2.2.2 ≥10 ℃积温变化特征攀枝花、元谋、华坪≥10 ℃积温年际变化及其M-K检验曲线如图7所示。3个站点≥10 ℃积温呈现不同变化趋势（图7-a），其中，攀枝花站≥10 ℃积温呈明显趋势，元谋站呈减少趋势，华坪站变化不明显，其气候倾向率分别为99.4、-36.4、2.7 ℃/10a，相关系数分别为0.2、0.3和0.01，攀枝花站和华坪站未通过0.05的显著性水平检验，元谋站达到0.05的显著性水平。攀枝花、元谋、华坪≥10℃积温多年平均值分别为7 516.2、7 904.0、7 083.0 ℃，最大值分别为8 067.1、8 471.0、7 523.0 ℃，最小值分别为6 499.7、7 159.0、6 351.0 ℃。由图7-b～d可知，攀枝花站≥10 ℃积温呈显著增加趋势，2008年为其突变年份；元谋站减少趋势明显，突变年份为1970年；华坪站变化趋势不显著。

2.3 水分资源

水既是植物光合作用合成有机物的原料，也是一切生命活动的必需条件；陆地上的水主要来自自然降水。本研究利用降水量和平均相对湿度来分析研究区水分资源的变化特征。

2.3.1 降水量变化特征攀枝花、元谋、华坪降水量年际变化及其M-K检验曲线如图8所示。3个站点降水量变化基本一致（图8-a），其变化趋势均较小。其中，攀枝花站降水量呈微弱减少趋势，元谋和华坪站则呈微弱增加趋势，其气候倾向率分别为-18.6、7.9、8.2 mm/10a，相关系数均小于0.1，均未通过0.05的显著性水平检验。攀枝花、元谋、华坪降水量多年平均值分别为826.2、630.0、1 061.0mm，最大值分别为1 165.5、916.3、1 526.0 mm，最小值分别为537.7、287.4、628.9 mm。由图8-b～d可知，攀枝花站、元谋站、华坪站降水量变化存在多个突变年份，其总体变化趋势均不明显。

2.3.2 相对湿度变化特征攀枝花、元谋、华坪平均相对湿度年际变化及其M-K检验曲线如图9所示。3个站点平均相对湿度呈现不同变化趋势（图9-a），其中，攀枝花站平均相对湿度呈减少趋势，元谋和华坪站则呈增加趋势，其气候倾向率分别为-2.0%/10a、1.4%/10a、0.3%/10a，相关系数分别为0.5、0.7、0.3，攀枝花站和元谋站通过0.05的显著性水平检验，华坪站未达到0.05的显著性水平。攀枝花、元谋、华坪平均相对湿度多年平均值分别为57.2%、56.2%和61.3%，最大值分别为63%、64%和68%，最小值分别为49%、46%和57%。由图9-b～d可知，攀枝花站平均相对湿度呈显著减少趋势，其突变年份为2004年；元谋站增加趋势明显，1981年为突变年份；华坪站呈现缓慢增加趋势，存在多个突变时间点，分别为1982和2014年。

2.4 风能资源

风能资源是太陽能的一种转化形式，是一种清洁的可再生能源，通过影响其他气象要素间接影响农业生产，因此本研究利用平均风速来分析研究区风能资源变化特征。

攀枝花、元谋、华坪平均风速年际变化及其M-K检验曲线如图10所示。3个站点平均风速呈现不同变化趋势（图10-a），其中，攀枝花站日照时数呈增加趋势，元谋和华坪站则呈减少趋势，其气候倾向率分别为0.1、-0.1、-0.02 m.s-1.10a-1，相关系数分别为0.4、0.7和0.1，攀枝花站和元谋站通过0.05的显著性水平检验，华坪站未达到0.05的显著性水平。攀枝花、元谋、华坪平均风速多年平均值分别为1.4、2.2、1.7 m/s，最大值分别为1.8、2.8、2.2 m/s，最小值分别为1.1、1.3、1.2 m/s。由图10-b～d可知，攀枝花站平均风速呈显著增加趋势，其突变年份为2014年；元谋站减少趋势明显，1979年为突变年份；华坪站呈现波动缓慢减少趋势，存在多个突变时间点，分别为1970、1980和2011年。

3 讨论

本研究利用四川攀枝花和云南华坪、元谋等3个时间序列较长的气象站地面观测资料，运用线性趋势法、Mann-Kendall非参数统计检验法等方法分析了川滇交界干热河谷地区光能、热量、水分和风能等农业气候资源变化特征，得出结论如下：

攀枝花总辐射量年际变化呈现波动增加趋势；3个站点日照时数呈现不同变化趋势，其中攀枝花站日照时数呈增加趋势，元谋和华坪站则呈减少趋势。攀枝花平均气温、最高气温、最低气温具有显著的升高趋势，并且最低气温上升幅度明显高于年平均气温和最高气温，即夜间温度增温强度高于白天，昼夜温差减小；元谋和华坪站平均气温、最高气温、最低气温的总体变化趋势不明显，但在2000年之后存在明显的增温趋势。10 ℃是喜温作物生长的起始温度，也是喜凉作物迅速生长、多年生作物开始以较快速度积累干物质的温度[12]。本研究计算稳定通过10 ℃界限温度的持续日数定义为温度生长期，计算出温度生长期内的积温，并分析其变化特征。3个站点≥10℃积温呈现不同变化趋势，其中，攀枝花站≥10℃积温呈明显趋势，元谋站呈减少趋势，华坪站变化不明显。攀枝花、元谋、华坪站降水量变化基本一致，其变化趋势均较小，存在较多突变；攀枝花站平均相对湿度呈减少趋势，元谋和华坪站则呈增加趋势。攀枝花、元谋、华坪站平均风速呈现不同变化趋势，其中攀枝花站日照时数呈增加趋势，元谋和华坪站则呈减少趋势。

通过与其他相关研究比较表明，攀枝花总辐射量、日照时数、平均气温、最高气温、最低气温、≥10 ℃积温均呈现增加趋势，与陈超等[28]研究一致，而降水量、相对湿度呈下降趋势，这与全球气候变化的大背景相一致。元谋、华坪日照时数、平均气温、最高气温、最低气温、≥10 ℃积温呈减少趋势，而降水量、相对湿度呈增加趋势，这些变化趋势与全球变暖的趋势不一致，可能是由于当地特殊地形条件下，下垫面性质和状态改变影响的结果，主要是由于兴修水利设施，蓄水量激增，导致灌溉设施改善，水田面积的不断增加和复种指数的不断提高，以及植树造林和退耕还林的共同影响的结果[21]。

总体来看，川滇干热河谷地区光能资源丰富，热量资源充足，风能资源良好，但水分资源结构不平衡，易出现干旱。并且在全球气候变化背景下，光能、热量、水分和风能等农业气候资源都发生了明显的变化，其对农业会造成一定的影响，如温度升高导致作物生长期延长，生长季热量增加，适宜种植范围扩大。≥10 ℃积温的增加对热量要求较高的热带经济作物种植提供了有利条件，川滇干热河谷地区适宜热带经济作物种植区域将增加。此外，农业气候资源的变化也会带来一定的负面影响，如冬季温度升高，将导致热带作物抗旱能力下降等。

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