共和地区春小麦生长季热量资源变化特征
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摘要 利用1961—2018年青海省共和县气象局观测的逐日平均气温资料，采用线性趋势、滑动平均、Mann-Kendall法等數理统计方法分析了春小麦生长季平均气温、气温稳定通过0、5、10 ℃积温的变化趋势及突变特征。结果表明，近58年共和地区春小麦生长季平均气温以0.37 ℃/10 a的速率呈极显著升温趋势。春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温也呈极显著增温趋势，近58年气温稳定通过0、5、10 ℃积温分别增加418.0、449.8、568.2 ℃·d，且2000年以后热量资源增加更显著。春小麦生长季平均气温的突变时间从1991年开始，突变后平均气温较突变前升高了1.2 ℃。春小麦生长季气温稳定通过0、5 ℃积温的突变时间分别为1993和1994年，气温稳定通过10 ℃积温的突变时间为1988年。
关键词 春小麦;生长季;热量资源;变化特征;共和地区
中图分类号 S162文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2020）02-0228-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.066
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Variation Characteristics of Heat Resources in Spring Wheat Growing Season in Gonghe Region
LOU Zhong-shan （Gonghe County Meteorological Bureau，Gonghe，Qinghai 813099）
Abstract Using the daily average temperature data observed by the Meteorological Bureau of Gonghe County， Qinghai Province from 1961 to 2018， the linear trend， the moving average， the Mann-Kendall method and other mathematical statistics methods were used to analysis the variation trend and mutation characteristics of the average temperature and the accumulated temperature at 0， 5 and 10 ℃ in spring wheat growing season.The results showed that the average temperature of spring wheat growing season in Gonghe region from 1961 to 2018 showed extremely significant warming trend at a rate of 0.37 ℃/10 a.The temperature stability through 0， 5 and 10 ℃ accumulated temperature also showed extremely significant temperature increase trend in spring wheat growing season. In the past 58 years， the temperature stability through 0， 5 and 10 ℃ accumulated temperature had increased by 418.0， 449.8， 568.2 ℃·d， respectively， and after 2000， the increase in thermal resources was more significant.The sudden change of the average temperature in spring wheat growing season began in 1991， the average temperature after the mutation increased by 1.2 ℃ before the mutation.The mutation time of the temperature stability through 0 and 5 ℃ accumulated temperature was 1993 and 1994， respectively， and the mutation time of the temperature stability through 10 ℃ accumulated temperature was 1988.
Key words Spring wheat;Growing season;Heat resources;Variation characteristics;Gonghe region
气候变暖已经是一个不争的事实，IPCC第五次评估报告指出，过去130年全球平均温度增加了0.85 ℃[1]。作物的生长发育不仅需要在一定的温度条件下进行，而且只有当热量累积到一定程度，才能完成其全生育期过程并获得产量[2-3]。光照资源和热量资源等农业气候资源直接参与农业生产过程，其数量、组成及其分配状况在一定程度上决定了一个地区的农业格局和农业生产潜力[4]。李英年等[5]研究了气候变暖对青海农业生产格局的影响。伏洋等[6]研究了气候变化对青海省种植业的影响及适应对策。刘彩虹等[7]利用1961—2009年青海海东农业区有关气象、农业观测资料，对农业区气候变化特征及气候变化对农业的影响进行了分析，预估了未来气候变化对海东农业产生的可能影响。刘义花等[8]利用湟水河地区9个气象站1961—2012年逐日气温、降水、积温等气象数据以及干旱、暴雨、干热风、霜冻等灾害资料，应用数理统计方法，研究了近52年湟水河流域气候资源的变化趋势。此外，不同学者对全国不同区域农业气候资源的时空变化特征进行了研究[9-13]。 共和县隶属青海省海南藏族自治州，地处青藏高原东北角，平均海拔3 200 m，全县有可利用草场125.08万hm2，耕地资源3.13萬hm2，农作物总播种面积2.96万hm2，其中粮食作物播种面积1.70万hm2，油料作物播种面积9 126.7 hm2。
在全球气候变暖的背景下，共和地区19世纪80年代中期以后气温升高趋势显著，尤其是21世纪以来，变暖趋势更加明显[14]。根据研究，共和地区活动积温、日照时数等农业气候资源均发生了一定的时空变化，将会对共和地区的种植制度和农业布局产生一定的影响[15-16]。因此分析共和地区气候变化状况下热量资源变化特征，对充分利用热量资源、搭配适宜的作物和品种，争取农业的高产和稳产，提高热量资源利用率均具有重要意义。
1 资料与方法
1.1 资料来源
气象资料来源于共和县气象局的观测资料，包括1961—2018年逐月温度、日平均气温稳定通过0、5、10 ℃积温等气象资料。多年平均值采用1981—2010年的平均值，春小麦生长季为4—9月。
1.2 研究方法
1.2.1 线性趋势。
用xi表示样本量为n的某一气候变量，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[17]：
xi=a+bti（i=1，2，3，…，n）（1）
式中，a为回归常数;b为回归系数，b和a用最小二乘法进行估计。以b×10为气候倾向率，b>0表示直线递增，b<0表示直线递减，并对结果分别进行置信度为95%和99%的显著性检验。
1.2.2 日滑动平均法。采用5日滑动平均法确定春小麦生长季内≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃界线温度的起止日期，计算稳定通过0、5 10 ℃的积温[18-20]。
1.2.3 Mannan-Kendall检验法。
Mannan-Kendall检验法（简称M-K法）是世界气象组织推荐的用于提取序列变化趋势的有效工具，其优点在于不受个别异常值的干扰，能够客观反映时间序列趋势[21-22]。目前已广泛用于气候参数和水文序列的分析中[23-24]。M-K法可以根据输出的2个序列（UF和UB）明确突变的时段区域。若UF>0且超过临界直线，表明时间序列呈显著上升趋势（P<0.05），反之，若UF<0且超过临界直线，表明时间序列呈显著下降趋势（P<0.05）。如果UF和UB 2条曲线相交点在临界直线之间，则突变开始的时间即为交点所对应的时刻，具体计算方法及参数说明见参考文献[21-24]。
1.3 数据处理 应用DPS 7.05、Excel 2003软件对数据进行统计处理、分析及绘图。
2 结果与分析
2.1 春小麦生长季光热资源年际变化趋势分析
2.1.1 气温变化。
气温是影响春小麦生长的重要指标之一，春小麦生长季适宜的温度与其产量密切相关。由图1可见，1961—2018年共和地区春小麦生长季平均气温在波动中呈升温趋势，气候倾向率为0.37 ℃/10 a，相关系数为0.807，通过0.001信度显著水平检验，即近58年增温2.2 ℃，增温趋势
极显著，并呈现出阶段性变化。春小麦生长季平均气温年际变化振幅较大，最高值出现在1998和2013年，为13.8 ℃;最低值出现在1976年，为10.6 ℃，生长季平均气温的年极差达3.2 ℃。在1961—1997年的37年间只有6年高于或等于多年值，其他31年平均气温均低于多年值。在1998—2018年的21年中春小麦生长季平均气温均高于多年值。由表1可见，共和地区春小麦生长季多年平均气温为12.2 ℃，20世纪60、70、80年代均低于平均值，属于气温偏低期;从90年代至今气温高于平均值，呈现出气温快速升高趋势。
2.1.2 积温变化趋势。
热量条件与作物的生长、发育和产量形成密切相关，其中积温是作物生长发育的重要指标之一。图2显示，1961—2018年共和地区春小麦生长季稳定通过0、5、10 ℃的积温均呈增加趋势，气候倾向率分别为72.0、77.5、98.0 ℃·d/10 a，春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃的积温与年份之间的线性相关系数分别为0.776、0.775和0.687，均通过0.001信度显著水平检验，即近58年春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃的积温分别增温418.0、449.8、568.2 ℃·d，增温趋势极显著。
由表1可见，1961—2018年共和地区春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温平均值分别为2 252.9、2 165.3、1 706.7 ℃·d，20世纪60、70、80年代均低于平均值，属于积温偏低期;从20世纪90年代至今积温高于平均值，呈现出积温快速增多趋势。春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温的年际变化振幅很大，最高值分别为2 543.3 ℃·d（2016年）、2 497.4 ℃·d（1998年）、2 099.8 ℃·d（2008年），最低值分别为1 947.0 ℃·d（1976年）、1 763.2 ℃·d（1982年）、1 139.0 ℃·d（1967年），春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温的年极差分别达596.3、734.2、960.8 ℃·d。积温的增加将对春小麦生长季的延长生长起到显著的促进作用。
2.2 春小麦生长季热量资源不同时段变化趋势分析
将1961—2018年划分为3个时段（1961—1980、1981—2000、2001—2018年），计算每个时段内共和地区春小麦生长季热量资源平均值。从表2可以看出，共和地区春小麦生长季平均气温在不同时段呈现出升高趋势，P2时段（1981—2000年）比P1时段（1961—1980年）升高了0.5 ℃，P3时段（2001—2018年）较P2时段升高了0.9 ℃。春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温P2时段比P1时段分别增加了90.1、86.7、178.2 ℃·d，P3时段较P2时段分别增加了197.3、197.5、195.0 ℃·d。可见，春小麦生长季平均气温和积温在P2～P3时段的增加值高于P1～P2时段的增加值。 2.3 春小麦生长季光热气象要素的突变分析
2.3.1 平均气温的突变趋势。从图3可以看出，近58年来共和地区春小麦生长季平均气温在1969—1981、1988—2018年呈急剧升高趋势，1961—1968年呈现波动中升降，1982—1987年呈现明显下降趋势， UF线于1979年超过+1.96信度水平线，在0.05信度水平下，UF线和UB线相交于1991年，气温升高趋势显著，可以确定1961—2018年共和地区春小麦生长季平均气温的突变时间为1991年，突变后平均气温较突变前升高了1.2 ℃。
2.3.2 气温稳定通过0、5、10 ℃积温的突变趋势。从图4可以看出，1961—2018年共和地区春小麦生长季气温稳定通过0、5 ℃的积温变化趋势基本一致，在1969—1981、1988—2018年呈急剧升高趋势，1961—1968年呈现波动中下降趋势，1982—1987年呈现明显下降趋势，UF线和UB线分别相交于1993和1994年，0、5 ℃的积温增加趋势显著，可以确定1961—2018年共和地区春小麦生长季气温稳定通过0、5 ℃积温的突变时间分别为1993和1994年。
近58年共和地区春小麦生长季气温稳定通过10 ℃积温变化趋势与0、5 ℃积温不尽相同，在1961—1965年呈急剧下降趋势，1966—1979年波动中持续升高，1981—1987年呈持续下降趋势，从1988年开始积温显著升高。UF和UB曲线相交于1988年，1992年UF曲线突破信度0.05水平线，可以确定1961—2018年共和地区春小麦生长季气温稳定通过10 ℃积温的突变时间为1988年。
3 结论与讨论
（1）1961—2018年共和地区春小麦生长季平均气温以0.37 ℃/10 a的速率呈极显著升温趋势，近58年增温2.2 ℃。春小麦生长季气温稳定通过0、5、10 ℃积温也呈极显著增温趋势，近58年气温稳定通过0、5、10 ℃积温分别增加418.0、449.8、568.2 ℃·d，且2000年以后热量资源增加更显著。春小麦生长季平均气温和积温在P2（1981—2000年）～P3（2001—2018年）时段的增加值高于P1（1961—2000年）～P2时段的增加值。刘义花等[8]研究指出，气候变暖使湟水河流域0、10 ℃的积温总体呈增加趋势，热量资源更加丰富，与该研究结果一致，张晓云等[25]也有类似的研究结果。刘彩虹等[7]研究表明，温度上升加快了春小麦的生理发育速度，营养生长阶段提前，全生育期延长，发育期缩短。积温的增加，使得春播作物播种期提早，低温冷害的不良影响有所缓解。
（2）春小麦生长季平均气温的突变时间为1991年，突变后平均气温较突变前升高了1.2 ℃。春小麦生长季气温稳定通过0、5和10 ℃积温的突变时间分别为1993、1994、1988年。
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