近58年柴达木盆地枸杞生长季热量资源变化及对产量的影响

2021-07-01许学莲雷玉红许圆圆祝存兄祁栋林李存莲王发科

江苏农业科学 2021年10期

许学莲雷玉红许圆圆祝存兄祁栋林李存莲王发科

摘要：利用柴达木盆地1961―2018年国家地面气象观测站枸杞生长季（5―10月）的逐日平均气温、最高气温和最低气温资料，统计≥0 ℃积温、积温日数和高（低）温日数，采用线性趋势和M-K突变检验法进行分析。结果表明，近58年来柴达木盆地枸杞生长季气温整体变暖趋势明显，且夜间增温速率高于白天增温速率，存在着非对称性变化。平均气温、最高气温、最低气温分别以0.37、0.33、0.54 ℃/10年的速率呈显著上升趋势，气温日较差以 -0.21 ℃/10年的速率呈显著下降趋势。平均气温、最高气温、最低气温负异常次数均出现在20世纪60年代至80年代，正异常次数均出现在21世纪00年代至01年代。枸杞生长季高温日数整体以气候倾向率1.1 d/10年呈现显著上升趋势，而低温日数以1.7 d/10年呈显著减少趋势。枸杞生长季≥0 ℃积温及积温日数的增加趋势明显，≥0 ℃积温和积温日数气候倾向率分别为66.6 ℃/10年和 0.7 d/10年。柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温、气温日较差分别于1994、1995、2000年发生突变，最低气温没有发生突变。1991―2017年柴达木盆地枸杞产量和种植面积的增加趋势明显，气候倾向率分别为331.5 kg/（hm2·10年）和12 254.0 hm2/10年，气温日较差对枸杞产量和种植面积的变化影响最大，其他气温因子对产量的影响相对较小，影响种植面积的次要因子为高温日数和≥0 ℃积温日数。

关键词：柴达木盆地;气温;枸杞;生长季

中图分类号： S162.5+4 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）10-0113-09

据政府间气候变化专门委员会（IPCC）调查，近50年我国的变暖更加明显，约为0.62～0.94 ℃，已引起了全社会的高度重视[1]，全球气候变暖已成为不争的事实。屠其璞等用近100年的资料研究发现全国平均气温的升温趋势为0.76 ℃/100年，高于全球平均状况[2];于淑秋在对近50年我国日平均气温的气候变化分析中得出，近50年来，我国北方夏季最高日平均温度有较明显的上升趋势，而在冬季最高日平均温度和最低日平均温度变化趋势均以上升为主，尤其在北方特别明显[3];吴成启等对近50年来全球变暖背景下青藏高原气温变化特征研究发现，青海高原年平均气温以0.02 ℃/10年的速率增加，南部区域年平均气温较高，中部区域年平均气温较低[4]。還有很多学者对其他区域的气温气候变化特征进行了分析[5-9]。

近年来很多学者对柴达木盆地的气候变化和枸杞种植影响做了一定的研究，从已有的研究结果来看，柴达木盆地[10-15]以及周边地区[16]气温及地表温度均呈显著增温趋势且降水增加明显，表明柴达木盆地向暖湿化方向转型。近年来，随着政府的大力扶持，“柴杞”已成为柴达木盆地的一张名片，柴达木盆地枸杞产业已达规模，枸杞产业已成为柴达木盆地农业特色优势产业。柴达木盆地是枸杞主要种植区，对柴达木枸杞的研究主要集中在气象条件分析[17]、种植气候资源区划[18]和气象灾害[19]等方面，对枸杞生长季（5―10月）气温变化特征研究较少。邓振镛等对西北地区特色作物对气候变化响应进行研究，结果表明，气候暖干化使多年生特色作物返青期提早，生长发育速度提前加快[20]。在气候变暖背景下，柴达木盆地农业气候资源变化对枸杞种植布局、产量、外观品质形成和生长发育均有很大影响，因此，有必要进一步分析柴达木盆地气候变化的新特征，并研究气候变化对枸杞产量和种植面积的影响。本研究利用柴达木盆地5个国家地面气象观测站1961—2018年逐日平均气温、最高气温、最低气温及气温日较差等资料和1991—2018年柴达木盆地枸杞产量和种植面积数据，统计≥ 0 ℃积温及积温日数和高（低）温日数，运用线性倾向估计法对近58年柴达木盆地枸杞生长季的气温、枸杞产量和种植面积变化特征进行分析，采用相对贡献率分析气温因子对枸杞产量和种植面积的影响，从而了解柴达木盆地枸杞生长季气温变化情况，为枸杞生产、种植结构、深加工和决策部门合理利用农业气候资源、制定适应气候变化的对策等提供有力的科技支撑，为开展有效的枸杞预测气象业务服务提供科学数据。

1 研究区与分析方法

1.1 研究区和资料来源

柴达木盆地是我国著名的内陆干旱盆地之一，位于青海省西北部，素有聚宝盆之称。平均海拨 2 980 m，属典型的中纬度高寒、干旱大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，无霜期时间长达115～136 d，冬季寒冷漫长、夏季凉爽短促，终年干燥少雨，降水年际变化大，多集中在夏季且分布不均，蒸发量大，但地表及地下水资源相对比较丰富。柴达木盆地独特的沙地土壤和气候条件，特别适合枸杞的生长。柴达木盆地枸杞生长期较短，一般5月初开始发芽，8月上旬至下旬进入夏果成熟期，9—10月为秋果成熟期，柴达木盆地枸杞生长季为5—10月[17-18]。

1961—2018年逐日平均气温、最高气温、最低气温及气温日较差数据资料来源于青海省柴达木盆地的德令哈、格尔木、都兰、小灶火、诺木洪5个国家地面气象观测站（图1）。以5个气象站的算术平均值代表该地区枸杞生长季气温变化状况。以1980—2010年平均值作为气候平均值。1991—2018年枸杞产量和种植面积数据来源于青海省海西州统计局。

1.2 高（低）温日数统计

在农作物生长季节，生育期的重要阶段气温比

要求的偏低（但仍在0 ℃以上），会引起农作物生育期延迟或使生理机能受到损害，造成农业减产的低温灾害。

依据青海省地方标准《气象灾害分级指标》[21]（DB63/T 372—2018）高温热害指标，以日最高气温≥ 30 ℃ 和日最低气温 ≤-20 ℃分别统计高、低温日数。

1.3 研究方法

采用线性倾向估计法[22]对柴达木盆地1961—2018年枸杞生长季（5—10月）气温的变化趋势进行分析，当线性趋势指数为正（负）时，表示气温在统计年份内有上升（下降）趋势。线性变化趋势采用最小二乘法进行估计，其变化趋势的显著性利用相关系数r进行t检验。

采用 Mann-Kendall突变法[22]和滑动t检验[22]相结合对气象要素序列长期变化趋势进行突变检验，M-K 检验是一种非参数统计检验方法，不受少数异常值的干扰，有着比较好的结果和适用性。当正序列（UF）的值大于0，表示序列呈上升趋势，小于0表示呈下降趋势。当超过临界值线时，表示上升或下降趋势显著。如果UF和UB 两曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

参照世界气象组织对气候异常的定义[22]，以距平的绝对值≥标准差的1.0倍为异常来分析气温的异常特征。

2 结果与分析

2.1 枸杞生长季气温变化趋势

从图2可知，在全球变暖的大背景下，近58年来柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温、最低气温均以气候倾向率0.37、0.33、0.54 ℃/10年呈上升趋势，而气温日较差以0.21 ℃/10年呈下降趋势，均通过0.01的显著性检验，最低气温上升幅度明显高于平均气温和最高气温，即夜间温度增温强度高于白天，从而导致昼夜温差减小。说明柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温和最低气温变暖趋势极显著，气温日较差表现为极显著的降温趋势。58年来柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温和最低气温分别增加了2.1、1.9、3.1 ℃，气温日较差减小了1.2 ℃。平均气温、最高气温和最低气温多年平均值分别为12.4、20.0、5.8 ℃，最大值均出现在2016年，分别为14.1、21.5、7.7 ℃，平均气温、最高气温最小值出现在1967年，为11.1、18.3 ℃，而最低气温最小值出现在1968年，为 3.8 ℃，气温日较差多年平均值为14.2 ℃，最大值出现在1961年，为15.7 ℃，最小值出现在2017年和2012年（13.3 ℃）。从累积距平曲线和年代距平来看，平均气温、最高气温和最低气温累积距平曲线均在1993年前呈下降趋势，1994年以后转入上升趋势，20世纪60年代至80年代平均气温、最高气温和最低气温年代距平为负，90年代与气候平均值基本持平，21世纪00年代和10年代距平为正，气温日较差累积距平曲线在1972年前为上升趋势，以后转为下降趋势，表明柴达木盆地枸杞生长季20世纪80年代前为偏冷期，90年代后为偏暖期。从9点滑动曲线来看，平均气温和最低气温阶段变化基本一致，表现为上升-下降-上升-上升趋缓4个阶段，最高气温和气温日较差表现为3个阶段变化，平均气温和最低气温在20世纪60年代到70年末为快速增温，进入80年代初转入缓慢波动降温阶段，90年代中期进入快速增温阶段，21世纪00年代开始增温趋势略有减缓。最高气温在20世纪60年代至80年代末呈现缓慢波动增温，90年代为快速增温阶段，21世纪00年代开始增温趋势略有减缓。气温日较差在20世纪60年代至70年代为快速降温阶段，80年代至90年代末为缓慢上升阶段，进入21世纪00年代后再次进入快速的降温阶段。

从各站气温和变化趋势（表1）来看，柴达木盆地枸杞生长季平均气温在10.7～13.5 ℃，最高气温在17.5～21.3 ℃，最低气温在4.5～7.1 ℃，气温日较差在13.1～16.4 ℃，而其气候倾向率在0.19～0.59、0.14～0.52、0.15～0.72、-0.46～0.07 ℃/10年，各站平均气温、最高气温和最低气温的增温趋势均通过了0.05以上显著性检验，平均气温和最低气温上升速率最快均在西部的小灶火站，上升速率最小在东部的都兰站，最高气温升温速率最快和最慢分别在诺木洪和德令哈，气温日较差各站变化趋势差异明显，格尔木、都兰和小灶火3个站呈下降趋势，均通过0.05以上的显著性检验，其中，格尔木下降最明显，都兰和诺木洪呈上升趋势，诺木洪站未通过0.05的显著性检验。

從柴达木盆地枸杞生长季各月平均气温、最高气温、最低气温和气温日较差的变化趋势（表2）来看，各月平均气温、最高气温、最低气温均呈现显著的增温趋势，气温日较差为显著的降温趋势。各月平均气温、最高气温、最低气温最大增温速率和气温日较差最大降温速率出现月份不一致，平均气温、最高气温、最低气温最大增温速率分别出现在10、9、8月，气温日较差最大降温速率出现在6月。

正负异常次数用来判断气温偏高、偏低出现阶段。从表3看出，20世纪60年代至80年代平均气温、最高气温、最低气温正异常次数偏少，20世纪90年代至21世纪10年代偏多;平均气温、最高气温、最低气温负异常次数在20世纪60年代至80年代分别出现12、10、11次，其中，60年代出现最多，分别为8、4、10次，气温日较差正异常次数20世纪60年代至80年代出现9次，负异常次数出现4次，20世纪90年代至21世纪10年代没有出现正异常，负异常次数为6次。

综合上述，柴达木盆地枸杞生长季整体及各月气温整体变暖趋势明显，而且最高气温的增温率均低于平均最低气温的增温率，表明柴达木盆地枸杞生长季最高气温和最低气温存在着非对称性变化的特点[25-26]，这与全国[2-3]、青藏高原[4]和柴达木盆地及周边[9-16]的增暖现象一致，但增暖速率明显大于全国，与青藏高原和柴达木盆地及周边地区大致相同。

气候突变是普遍存在于气候变化中的一个重要现象，是气候预测与模拟要考虑的重要因素。图3为1961―2018年柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温、最低气温和气温日较差M-K突变检验曲线。由图3可知，柴达木盆地平均温度从1970年后持续上升，1972年之后气温均在0 ℃以上，1961―1970年呈减—增—减—增的趋势，1989年开始UF超过3.29（0.001信度检验）临界值，表明1989年之后柴达木盆地气温呈明显上升趋势，UF和UB 曲线交点位于1986―1987年（图3-a）。最高气温呈减—增—减—增的趋势，1986年开始上升趋势，1994年开始UF超过1.96（0.05信度检验）临界值，表明1994年开始气温呈明显上升趋势，UF和UB曲线在1990―1991年相交，表明最高气温在1991年发生了突变现象（图3-b），平均气温和最高气温发生了由冷向暖的突变。最低气温在1970年前大多数年份在0 ℃以下，1974年开始UF大于3.29，超过了临界值，气温呈明显上升趋势，UF和UB 曲线交点均位于临界线范围外，利用滑动t检验再次进行突变检测（图略），没有检测到突变点，表明最低气温没有发生突变，表明近58年来枸杞生长季最低气温上升趋势显著，但没有出现突变（图3-c）。气温日较差UF线基本上呈下降趋势，1976年UF超过-2.58（0.01信度检验）临界值，UF和UB曲线在2003和2004年相交，表明最低气温在2003―2004年发生了由高到低的突变现象（图3-d）。

2.2 高温和低温日数变化趋势

夏季高温天气增多，果实生长与高温相伴，加速了夏果发育，在一定程度上延长了夏眠期，对果实产量形成不利，早期低温日数对枸杞发芽有延缓，后期低温日数造成果实提前脱落，影响产量[27]。图4给出了柴达木盆地枸杞生长季高温日数和低温日数的变化。从图4、表1和表4可以看出，柴达木盆地枸杞生长季高温日数整体均呈现增多趋势，而低温日数呈减少趋势，气候倾向率分别为1.1、-1.7 d/10年，均通过信度0.01显著性检验，低温日数变化速率是高温日数的1.5倍，表明柴达木盆地枸杞生长季高温日数极显著增多趋势，低温日数极显著减小趋势。58年来柴达木盆地枸杞生长季高温日数增加近7 d、低温日数减少了近10 d。高温日数多年平均值为 3.6 d，最大值出现在 2010 年（15 d），1968、1974年未出现高温日数，低温日数多年平均值为8.7 d，最大值出现在1967年（17.8 d），最小值出现在2014年（1.6 d）。从9点滑动曲线来看，高温日数在20世纪60年代至90年代中期缓慢上升，90年代末呈现快速增多趋势，而低温日数在20世纪60年代至80年代呈现快速减少，80年代至90年代在多年平均值附近缓慢波动，进入21世纪00年代后低温日数再次呈现下降趋势。从累积距平曲线来看，高温日数累积距平曲线在20世纪60年代至90年代末呈下降趋势，为高温日数偏少期，之后转入上升趋势，为高温日数偏多期，低温日数累积距平曲线在20世纪60年代至70年代初呈上升趋势，为低温日数偏多期，70年代中期到90年代初期为缓慢波动阶段，为低温日数持续期，进入90年代中期进入下降趋势，为低温日数偏少期。从高温日数和低温日数的距平（表4）来看，高温日数和低温日数距平20世纪90年代比60年代分别偏多2.2 d和偏少6.2 d，高温日数和低温日数21世纪10年代比00年代偏多2.1 d和偏少1.7 d，整体表现出高温日数（低温日数）逐渐增多（减少）趋势。

从柴达木盆地枸杞生长季各月高温日数和低温日数来看，高温日数出现在6―9月，主要为7月（2.1 d），而低温日数出现在5、9、10月，主要在10月（8.3 d），高低温日数变化最明显的月份与出现月份相一致，分别为0.68 d/10年和-1.49 d/10年。

从柴达木盆地枸杞生长季各站高温日数在 0.6～6.8 d，气候倾向率在0.14～2.5 d/10年，最多和增多最明显均为诺木洪站，最少和减少不明显出现在都兰。低温日数在5.8～16.5 d，最多出现在小灶火站，最少出现在格尔木站，气候倾向率在 -0.3～-2.6 d/10年，低温日数减少最多和最小分别为格尔木站和都兰站。

2.3 ≥ 0 ℃积温及积温日数变化

图5给出了柴达木盆地枸杞生长季 ≥ 0 ℃积温及积温日数变化趋势。表5给出了各站≥0 ℃积温及积温日数变化趋势。可以看出，≥0 ℃积温及积温日数均呈现增加趋势，≥0 ℃积温、积温日数气候倾向率分别为66.6 ℃/10年和 0.7 d/10年，均通过信度0.01显著性检验，表明柴达木盆地枸杞生长季≥0 ℃积温及积温日数增加趋势明显。≥0 ℃积温多年平均值为2 292.7 ℃，最大值均出现在2016年（2 598.0 ℃），最小值均出现在1967年（2 041.7 ℃），≥0 ℃积温日数多年平均值为180 d，最大值分别出现在1979年（184 d），最小值分别出现在1972年（174 d），从9点滑动曲线来看，≥0 ℃积温及积温日数的阶段变化基本一致，在20世纪60年代至70年代快速上升，80年代缓慢下降，90年代后再次进入快速上升階段，21世纪00年代上升趋势有所减缓。从累积距平曲线来看，≥0 ℃积温和积温日数累积距平曲线在20世纪60年代至90年代初期呈下降趋势，90年代中期累积距平曲线转入上升趋势，表明 ≥ 0 ℃积温和积温日数在80年代以前为偏冷偏少期，90年代后为偏暖偏多期。从≥0 ℃积温及积温日数的距平（表4）来看，≥0 ℃积温及积温日数随年代增加而增加，特别是20世纪90年代增加明显，≥0 ℃积温比80年代增加了110.2 ℃，≥0 ℃积温日数增加了1.1 d。

从各站（表5）来看，≥0 ℃积温多年平均在1975.4～2492.8 ℃，气候倾向率在34.3～106.6 ℃/10年，≥0 ℃积温最多均在格尔木站，最少在都兰站，积温增多最明显均为小灶火站，增多最少在都兰，≥ 0 ℃积温日数多年平均在178.2～182.2 d，气候倾向率在0.3～1.4 d/10年，≥0 ℃积温日数最多均在格尔木站，≥0 ℃积温日数最少在小灶火站，≥0 ℃积温日数增多最明显均为小灶火站，≥0 ℃积温日数增多最少在都兰站。

2.4 柴达木盆地枸杞产量和面积变化

图6给出了柴达木盆地1991―2017年枸杞产量和种植面积的变化趋势。1991―2018年柴达木盆地枸杞产量和种植面积均呈增加趋势，产量变化在1 492.5～2 244.4 kg/hm2，种植面积变化在80.0～34 398.6 hm2，产量和种植面积气候倾向率分别为331.5 kg/（hm2·10年）、12 254.0 hm2/10年，通过0.01的显著性检验，增加趋势明显。

2.5 枸杞产业对气温变化的响应

为了分析气温对柴达木盆地枸杞产量和种植面积变化的成因，同时考虑气温因子之间存在共线性，主要选择了气温日较差、高温日数、低温日数、≥0 ℃积温和积温日数5个气温因子，根据相对贡献率公式计算出柴达木盆地各气温因子对枸杞产量和种植面积的相对贡献率（表6），结果表明柴达木盆地枸杞产量复相关系数较大（0.86），其贡献率在73%以上，枸杞种植面积复相关系数较大（0.677），其贡献率在46%以上，这主要是产量受气象因子的影响为住，而种植面积不仅受气象因子的影响，而且受市场行情的调节。气温日较差对枸杞产量和种植面积的变化影响最大，贡献率分别为57.6%和26.4%，其他气温因子对产量的影响相对较小，影响种植面积的次要因子为高温日数（23.1%）和≥0 ℃积温日数（24.4%），表明柴达木盆地受气温升高影响，区域内宜增加农地，在一定程度上有利于枸杞面积的增加和产量的提高。

3 结论和讨论

通过对1961―2018年柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温、最低气温、气温日较差、高低温日数、≥0 ℃积温及积温日数进行分析得出以下结论：（1）近58年来柴达木盆地枸杞生长季气温整体变暖趋势明显，而且夜间增温速率高于白天的增温速率，存在着非对称性变化。平均气温、最高气温、最低气温分别以0.37、0.33、0.54 ℃/10年的速率呈显著上升趋势，气温日较差以-0.21 ℃/10年的速率呈显著下降趋势。平均气温、最高气温、最低气温负异常次数均出现在20世纪60年代至80年代，正异常次数均出现在21世纪00年代至10年代。（2）柴达木盆地枸杞生长季高温日数整体以气候倾向率1.1 d/10年呈现增多趋势，而低温日数以 1.7 d/10年呈减少趋势。生长季≥0 ℃积温、积温日数的增加趋势明显，气候倾向率分别为66.6 ℃/10年和 0.7 d/10年。（3）柴达木盆地枸杞生长季平均气温、最高气温和气温日较差分别于1994、1995、2000年发生突变。最低气温没有发生突变。（4）柴达木盆地1991―2017年枸杞产量和种植面积的增加趋势明显，气候倾向率分别为 331.5 kg/（hm2·10年）和12 254.0 hm2/10年，气温日较差对枸杞产量和种植面积的变化影响最大，其他气温因子对产量的影响相对较小，影响种植面积的次要因子为高温日数和≥0 ℃积温日数。（5）气候变暖提高了柴达木盆地的农业气候资源与优势。光照资源十分丰富，为枸杞的生长发育提供充足的条件，气温的升高对枸杞生长发育十分有利，使枸杞顺利开花，为结果期提供充足的热量。但降水偏少，且相對集中，枸杞果熟期降水会对产量影响较大。本研究仅对柴达木盆地枸杞生长季的气温、积温及积温日数和高（低）温日数的特征及长期变化趋势进行了初步分析，这对于指导柴达木盆地生态特色农业发展规划布局，合理开发和利用当地气温资源具有一定的参考作用。气温升高，蒸腾量加大，气候变化导致农业生产不稳定性增加，引起农业生产布局及结构发生变动，使种植制度发生改变，成为枸杞特色农业生产的主要威胁。因此，在农业生产中应采取节水措施，兴修水利，合理开发及使用水资源，保证特色枸杞农业可持续发展。气候变化因子包括的气象要素很多，为彻底了解该研究区域的气候变化特点，今后还需要在气候因子（如日照、风速、蒸发等）、极端气候事件（如高温、暴雨、干旱）对枸杞生长发育和产量的影响等方面进一步深入研究。

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