候启，李帅，赵玉洁，崔广署

（1日照市气象局，山东日照 276800；2中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011）

0 引言

以全球变暖为特征的气候变化及其可能对自然生态系统和社会经济系统造成的影响已成为国际社会广泛关注的问题[1]。中国气候变化蓝皮书(2022)指出，全球变暖趋势仍在持续，2021年中国多项气候变化指标打破观测记录，中国升温速率高于同期全球平均水平，是全球气候变化的敏感区[2]。农业是受气候变化影响最直接的脆弱行业，而气候变化对农业生产的影响首先表现为对农业气候资源的影响，并最终影响农业种植制度、品种布局以及生长发育和产量形成[3]。在气候变化背景下，热量资源的变化对地方作物生产布局影响极大。

气候变暖将改善区域的热量资源，一定界限温度以上的积温及持续日数是评价某地区农业热量资源的重要指标[4]。有效积温是气象条件对作物生长影响的主要指标，其反映了作物生育期所需热量的大小。在一定温度范围内，气温和发育速度成正相关，并且要积累到一定的温度总和，才能满足作物生长发育过程的需要。相关研究指出，中国不同地区代表性植物春季物候期均呈提前趋势，秋季物候期年际波动较大，同时气候变暖提高了高寒湿度生态系统植被的光和生产能力[5-6]。≥10℃积温所反映的热量条件显著改善，由积温所反映出的种植制度也发生明显变化，各种植带界限明显北移[7-8]，≥10℃积温等值线北移，有利于发展农业多样性和提高耕地复种指数[9]。中国北方地区温度升高也将使作物温度生长期有所延长，中国的年均气温、喜凉作物生长期≥0℃积温和喜温作物生长期内≥10℃积温总体增加[10]。松嫩平原热量资源显著增加，农业气候资源趋于暖湿变化[11]，南太行地区有效积温增加，作物生长季热量资源增加明显，积温带北移东扩，中熟和中晚熟品种扩张明显，东北地区整体热量条件改善[12]。

山西省处于沿海向内陆过渡、平原向山地高原过渡、半湿润区向半干旱区过渡、森林向草原过渡、农业向牧业过渡地带这样一个众多分界线汇集的区域，气候变化过程与机理复杂，区内农作物地域分布受气候影响，南北差异大，独特的地理位置和地貌格局使山西省气候变化情形更为复杂。研究山西省气候变化条件下有效积温演变特征，对山西省农业生产规避温度异常，进一步提高积温生产效率和利用率，更好的适应气候变化具有重要意义。

1 资料选取与方法介绍

1.1 数据来源

气象数据来自于中国气象局国家气象信息中心的1961—2016 年水平分辨率为0.5°×0.5°的逐日格点气温数据，地图底图来源于中华人民共和国自然资源部标准地图服务(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)，数字高程数据采用中国科学院资源环境科学数据中心发布的全国空间分辨率为250 m 的DEM 数据(www.resdc.cn/DataSearch.aspx)。

1.2 研究方法

1.2.1 有效积温有效积温为作物在某个生育期或全部生育期内有效温度的总和，即作物在某一段时间内日平均气温与生物学零度之差的总和。日平均气温≥5℃的持续期称为生长期，当日平均气温稳定通过5℃时，大致与温带地区越冬作物及大多数林木的返青复苏相结合；当日平均气温开始通过10℃时，大部分农作物开始活跃生长[13]。≥10℃和≥5℃有效积温作为作物生长发育的温度指数，分别表征了喜温作物和喜凉作物生长期的长短和地区热量资源的多寡。有效积温计算方式如式(1)所示。

式中，n为发育时期经历的天数，ti为第i日平均气温，B为该发育时段的生物学零度。

1.2.2 多元线性回归插值气象要素的空间分布受海拔、经纬度、坡度、坡向等地理因子的影响，根据各要素与各地理因子之间的关联关系，运用多元线性回归模型方法，通过建模模拟数值缺失区域[14]。在构建函数关系时判断各宏观因子与气候要素之间的函数关系选取拟合度较高的参数构建气候要素与地理宏观因子之间的函数关系式[15]，如式(2)所示。

式中Y为所求气候要素，x1、x2、x3、x4分别代表经度、纬度、海拔、坡度，a、b、…、n为待定系数，f(ε)为残差。分别将各地理宏观因子构建栅格图层，在ArcGIS栅格计算器中输入函数关系式。

1.2.3 变异系数变异系数(CV，coefficient of variation)

又称“离散系数”，是概率分布离散程度的一个归一化量度，其定义为标准差与平均值之比，变异系数计算方式如式(3)所示。

式中，SD为标准偏差，Mean平均值。

2 结果与分析

2.1 积温变化趋势

对山西省有效积温进行Manner-Kendall 趋势分析，图1显示≥5℃和≥10℃有效积温均呈明显的升高趋势。≥5℃有效积温升温率在汾河谷地和山西省北部的大同市最高，由东北向西南呈带状分布，山西省东南部升温率也较高；升温率较低的地区主要分布在西部吕梁山区。图1b显示≥10℃有效积温升温率相对比≥5℃积温小，升温率高的地区在空间上呈东北—西南走向，但其倾向率小于24(℃·d)/10 a分布的范围更广，主要在西北部的吕梁山和东部太行山区。综合≥5℃和≥10℃有效积温倾向率可知，有效积温升温较快的地区主要分布在地势较低的谷地和盆地地区，此外，山西省北部升温倾向率亦较高，积温倾向率总体表现为中部升温快而两侧升温较慢。

图1 ≥5℃和≥10℃有效积温倾向率空间分布(a：≥5℃；b：≥10℃)

2.2 积温空间分布

利用多元回归插值对山西省≥5℃、≥10℃有效积温进行空间插值。≥5℃有效积温整体表现出自南向北逐渐减少的趋势（图2 a），且其在空间分布上受海拔影响较大。＞3000℃·d积温带集中分布在山西省西南部的运城盆地和临汾盆地，还小范围分布在晋城盆地和黄河沿岸地区；2000～3000℃·d 主要分布在长治盆地、太原盆地、忻定盆地、大同盆地、阳泉盆地和海拔2000 m 以下的黄土丘陵地区，其分布面积较广，占研究区总面积的64.48%；1000～2000℃·d 及温带主要连片分布在西部吕梁山和东北部的恒山和五台山等山区，此积温带最南出现在王屋山；＜1000℃·d积温分布范围较小，集中分布在芦芽山和五台山等海拔较高地区。图2b 显示≥10℃有效积温空间分布与5℃积温相似，在空间分布上主要受纬度和海拔的影响，≥2000℃·d在运城和临汾盆地分布范围最大，此外在山西南部黄河沿岸地区呈条带状分布；1000～2000℃·d积温带分布范围最大，占研究区范围的73.21%；＜1000℃·d 分布在山西省中部和北部山区。≥5℃积温在山西省分布范围更广，尤其是在黄土丘陵范围较大，表明山西省适宜喜凉作物的种植区域大于适宜喜温作物种植的面积（见表1）。

表1 各有效积温区间面积占比 %

表2 突变前后各有效积温范围增减面积百分比

图2 ≥5℃和≥10℃有效积温空间分布(a：≥5℃；b：≥10℃)

2.3 积温突变前后空间变化

对≥5℃、≥10℃有效积温利用Mann-Kendall 突变分析（图3）可知，5℃（图3a）和10℃（图3b）有效积温UF和UB曲线交于信度线±1.96(α=0.05)之间，交点在1996—1997 年之间，认为积温均在1997 年发生突变。由图4a可知，≥5℃有效积温在＞3000℃·d积温带范围增大，积温界限在纬向上北移，范围增加明显的包括山西西部沿黄河区域、太原盆地和晋城盆地，面积增加了4.91%；2000～3000℃·d 积温带范围也呈增大趋势，其中大同盆地西侧增长明显，山区2000℃·d积温界限则向高海拔地区移动；＜2000℃·d积温范围在突变后缩小明显，主要分布在高大山区。≥5℃有效积温在突变后与突变前的积温差值多为正值（图4b），表明突变后积温多呈增加趋势，积温差值大于150℃·d 的区域占全省面积的55.57%，连片分布在汾河谷地、忻定盆地和晋北地区；积温差值在0～150℃·d 的区域主要分布在汾河谷地两侧的山地丘陵地区；积温差值＜0℃·d分布面积较小，且分布零散。

图4 突变前后有效积温均值空间分布及其变化(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

由图4c 可知，≥10℃有效积温在＞2000℃·d 积温范围增大，主要沿谷地两侧延展，面积增长了2%；1000～2000℃·d 积温范围所占面积最大，此积温范围在山区北侧变化较小，在山区南侧则发生了明显北移，即向高海拔地区移动；＜1000℃·d积温面积缩小，太岳山和太行山中段积温突变前后变化最为明显。≥10℃有效积温在积温突变后与突变前的差值在99.76%皆为正值（图4d），绝大多数地区≥10℃积温在突变前后增长明显，差值在0～150℃·d积温范围所占面积最大，差值＞150℃·d的区域分布在临汾盆地、太原盆地、忻定盆地和大同盆地，西部黄河沿岸地区积温差值亦较大，积温差值为负的地区仅占研究区面积的0.24%。综合≥5℃和≥10℃有效积温差值，在海拔较低的盆地和谷地突变后与突变前积温差值较大，而海拔较高的山地和丘陵地区差值较小，甚至为负；此外，山西省北部积温差值较大，表明其积温增长相对较快。

2.4 有效积温开始和结束日期变化

图5 为≥5℃和≥10℃有效积温开始和结束日期多年变化，由图5a 和图5c 可知，1961—2016 年≥5℃和≥10℃有效积温均呈提前趋势。≥5℃积温初始日期的提前趋势在空间分布上大致为由南向北提前日数逐渐减少，提前趋势最明显的区域位于东南部，且提前趋势明显的区域与多年积温倾向率较大的区域分布较为一致。≥10℃积温比≥5℃积温提前日数少，总体分布呈南部提前日数多而北部提前日数较少。≥5℃积温结束日期（图5b）总体呈推后趋势，在空间上推后2～4 d的分布最广；由图5d可知，≥10℃积温结束日期空间分布上呈推迟趋势，推迟日数在4 d以上的地区主要分布在山西省东部，而推迟日数在2 d以内的则多分布在西部。结合有效积温起始日期的提前趋势和结束日期的推迟趋势可知，≥5℃和≥10℃有效积温持续日期增长，这种趋势可能在山西省南部及其他河谷盆地地区更为明显。

图5 有效积温开始和结束日期变化趋势(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

图6为1961—2016年山西省≥5℃和≥10℃有效积温开始和结束日期变异系数空间分布。由图可知，≥5℃（图6a）和≥10℃（图6c）有效积温初始日期变异系数均呈东北向西南逐渐增大的趋势，即越向西北有效积温初始日期越稳定，而西南部的汾河谷地地区有效积温初始日期变率较大；≥5℃有效积温相比≥10℃积温变异系数更大，即≥10℃积温初始日期分布较为稳定。与初始日期不同，有效积温结束日期空间分布则显示出明显的区域差异，≥5℃有效积温结束日期变异系数（图6b）低值区大致沿东北—西南走向分布，并由此向西北和东南两侧变异系数逐渐增大，结合山西地形也可看出在海拔较低的盆地和谷地变异系数较小，两侧山地丘陵区结束日期变异系数较大；≥10℃有效积温结束日期变异系数（图6d）空间分布较为分散，区域差异较大，山西省东南部和北部地区变异系数均较大，结束日期不稳定。结合前文可知，≥5℃和≥10℃积温结束日期变异系数大的地区增温倾向率相对较小，变异系数小的地区积温倾向率相对较高。有效积温结束日期的变异系数比初始日期小，有效积温结束日期分布更为稳定，而有效积温初始日期年际变动较大。

图6 有效积温开始和结束日期变异系数(a、b：≥5℃；c、d：≥10℃)

3 结论

为研究山西省1961—2016 年喜凉作物和喜温作物适种范围边界，对山西省≥5℃和≥10℃有效积温时空分布和变化特征进行分析。山西省有效积温呈明显的升高趋势，有效积温升温较快的地区主要分布在地势较低的谷地和盆地。此外，山西省北部升温倾向率较高，升温率高的地区在空间分布上大致由东北向西南呈带状分布。在空间分布上，山西省有效积温在空间分布上表现出自南向北逐渐减少的趋势，其分布受海拔影响较大。≥5℃有效积温在2000～3000℃·d积温范围内分布范围最大，占研究区范围的64.48%，≥10℃有效积温在1000～2000℃·d 积温范围内分布最大，占研究区范围的73.21%，空间分布表明山西省更适合喜凉作物的种植。

山西省≥5℃和≥10℃有效积温均在1997年发生突变，突变后积温界限北界向高纬和高海拔地区移动，≥5℃积温在≥2000/℃·d 积温范围内面积扩展，＜2000/℃·d 积温范围所占面积减少；≥10℃积温在≥1000/℃·d 积温范围内面积扩展，＜1000/℃·d 积温范围所占面积减少；在海拔较低的盆地和谷地突变后与突变前积温差值较大，而海拔较高的山地和丘陵地区差值较小，甚至为负；此外，山西省北部积温差值较大，表明其积温增长相对较快。有效积温初始日期多呈提前趋势，结束日期多为推后趋势；≥5℃和≥10℃有效积温持续日期增长，这种趋势在山西省南部及河谷、盆地更为明显。有效积温初始日期变异系数均由东北向西南逐渐增大，汾河谷地有效积温初始日期变率较大；有效积温结束日期的变异系数比初始日期小，有效积温结束日期更为稳定。