近50年來山東省農業熱量資源時空變化分析

高燕軍，韓榮青，趙明華，李曉彤，王曉東，張艷紅

（山東師范大學 地理與環境學院，山東濟南250014）

近50年來山東省農業熱量資源時空變化分析

高燕軍，韓榮青*，趙明華，李曉彤，王曉東，張艷紅

（山東師范大學 地理與環境學院，山東濟南250014）

高燕軍,韓榮青,趙明華,李曉彤,王曉東,張艷紅.近50年來山東省農業熱量資源時空變化分析[J/OL].大麥與谷類科學,2017,34(2): 10-19[2017-03-28].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170328.1642.004.html

以1961—2010年山東省境內23個中國地面國際交換站逐日氣象數據為基礎，運用GIS技術、氣候傾向率分析法、Mann -Kendall突變分析法、Morlet小波分析法等方法，研究≥0℃、≥10℃界限下積溫和持續日數4種要素的時空變化特征。結果表明：各界限積溫、持續日數均表現出顯著增多趨勢；除≥10℃界限下持續日數在1970年代發生突變，其他要素均在1980年代后期發生突變；各要素呈現不同的周期性。在空間上，各要素均呈現東北低、西南高的特點，存在地帶性和非地帶性的空間分異規律；年代際均值大致從魯西北至半島地區逐步提高，除≥10℃持續日數從1970年代變化明顯，其他要素從1990年代變化明顯。

農業熱量資源；積溫；持續日數；時空變化

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告指出，過去 100多年來（1880—2012年），全球地表平均溫度升高大約0.85℃，2003—2012年平均溫度比1850—1900年平均溫度上升0.78℃[1]。溫度的上升會造成相應熱量資源要素的變化[2]，而熱量資源要素變化會進一步使農業種植制度和種植方式發生改變[3-4]，同時誘發極端氣候事件，對農業生產影響嚴重[5]，危及糧食產量及糧食安全。

農業熱量資源是農業生產的重要基礎資源之一，包括積溫、初日終日、持續日數等要素。農業熱量資源的各氣象要素變化組合形成了不同的熱量資源類型，決定了農業生產的結構和布局、農作物的種植制度和種植方式、糧食生產潛力的大小、水利工程設施的建設等方面[6]。目前，國內外學者對農業熱量資源在不同空間尺度上的變化做了大量研究[7-8]。空間尺度上有針對我國的華北[9]、華南[10]、東北[11]、青藏高原[12]等地理大區的分析，以及從各省市角度的研究[13-14]，均得到熱量增加的結論，同時表明北方地區增溫趨勢較南方明顯。

山東省地處我國東部沿海地區，是我國的農業大省，是重要的糧食產區，屬暖溫帶季風氣候區。夏季炎熱多雨，降水集中，冬季寒冷干燥。以往多對單氣象要素，如氣溫[15]、日照時數[16]、降水[17]等進行一系列研究，或從整個氣候資源[18-19]的角度進行研究，缺乏對農業熱量資源角度的系統分析，也缺少內部縣市級區域層次的微觀研究。本研究利用山東省23個交換站1961—2010年逐日氣象觀測數據，選取穩定通過≥0℃、≥10℃的初日、終日及對應的持續日數、積溫作為熱量指標，從年際平均值、年代際平均值、突變分析、周期分析、空間分析等幾個角度，研究近50年內農業熱量資源時空變化，旨在全球氣候變化背景下，明確山東省的農業熱量資源時空分布規律，為該區域應對氣候變化、合理利用農業熱量資源、指導農業生產提供理論依據。

1 數據來源與方法

1.1 研究數據

本研究所用的逐日氣象數據來自中國氣象局科學數據共享服務網——中國地面國際交換站氣候資料日值數據集，以1961—2010年為研究時段。為保證數據的統一性和完整性，剔除缺測率相對較大、突變率相對較大和存在變遷的交換站。部分時段缺測的數據，取周邊交換站的平均值進行替換。最終確定了23個交換站作為主要數據源（圖1）。考慮到周邊區域對山東省的影響，同時選取了研究區界外的河北省、河南省和江蘇省的10個鄰近交換站數據作為輔助研究數據。

1.2 研究方法

對于農業熱量要素的趨勢變化分析，采用氣候傾向率法，并采用F檢驗法對所擬合的回歸方程進行顯著性檢驗；年際突變分析采用對氣候要素具有良好適用性的Mann-Kendall（M-K）法[20-21]；對周期提取，采用在氣候要素分析方面廣泛使用的Morlet小波變換分析方法[22-23]。

圖1 研究區位置和交換站分布

在空間分析方面，使用空間插值進行擬合，采用交叉驗證法（cross-validation）[24]對適用于山東省的不同插值方法的誤差進行驗證，確定張力樣條插值法是最優的插值方法，并在Arc GIS軟件平臺下分析各要素空間分布的特點[25]。

圖2 山東省1961—2010年積溫平均值年際變化

2 結果與分析

2.1 ≥0℃和≥10℃積溫的時間變化

2.1.1 趨勢變化分析。從≥0℃和≥10℃積溫平均值的年際變化曲線（圖2）來看，兩者均呈波動上升趨勢。其中，≥0℃積溫多年平均增速為6.75℃/年，通過顯著性水平檢驗（α=0.05，下同），低于全國同期平均速率[26]。1961—1976年呈減少趨勢，1976—2010年呈增長趨勢。近50年平均值為4 775.56℃，最低值和最高值分別出現在1976年（4 428.24℃）和2007年（5089.95℃），兩者相差約660℃。≥10℃積溫多年平均增速為6.05℃/年，通過顯著性水平檢驗，低于全國同期平均速率[26]。1961—1980年呈減少趨勢，1980—2010年呈增長趨勢。近50年平均值為4 262.11℃，最低值和最高值分別出現在1980年（3 900.19℃）和1998年（4 591.75℃），兩者相差約690℃。

山東省在50年里，≥0℃和≥10℃積溫分別增加約260℃和230℃（表1）。2種界限溫度積溫的各年代趨勢相同，1960、1970、1980年代的平均氣溫相對較低，低于50年平均值。1990、2000年代的平均氣溫相對較高。

2.1.2 突變檢驗分析。≥0℃積溫在1989年左右發生突變，積溫增溫速率開始加快（圖3）。到1998年后顯著增多，超過0.05臨界線，年際≥0℃積溫增長趨勢十分明顯。≥10℃積溫在1987年左右發生突變，較≥0℃積溫的突變時間有一定的提前。同樣在1998年后顯著增多，超過0.05臨界線。

表1 山東省1961—2010年≥0℃和≥10℃下積溫和持續日數年代際變化

圖3 山東省1961—2010年際平均積溫Mann-Kendall突變檢驗

圖4 山東省1961—2010年年際積溫Morlet小波變換系數實部等值線圖

2.1.3 周期提取分析。根據小波分析的結果（圖4、圖5），≥0℃積溫和≥10℃積溫均存在7～10年、11～14年共2個震蕩周期，在8年、12年左右的周期變化上震蕩強烈，其中8年左右的振蕩周期為主周期。8年、12年左右的周期都從1990年代開始比較顯著，而8年左右的周期≥0℃積溫是在1960年代后期開始比較顯著，≥10℃積溫則在1970年代后期開始比較顯著。

圖5 山東省1961—2010年年際積溫Morlet小波方差圖

2.2 ≥0℃和≥10℃初日、終日和持續日數的時間變化

2.2.1 趨勢變化分析。≥0℃初日年際變化曲線呈顯著下降水平（圖6），說明近50年初日不斷提前，提前幅度約0.31 d/年。終日年際變化曲線緩慢上升，但趨勢不明顯，未通過檢驗。在持續日數上，年際變化曲線呈顯著增加趨勢，增幅約0.40 d/年。近50年平均值為291 d，最長出現在2007年，為329 d，最短出現在1971年，為265 d，兩者相差64 d。≥10℃初日年際變化曲線呈現顯著下降趨勢，在近60年間初日約以0.16 d/年的幅度不斷提前。終日年際變化曲線呈現平緩上升，同樣延后趨勢不明顯。持續日數呈現顯著上升趨勢，以0.06 d/年的幅度上升。近50年平均值為207 d，最長出現在2005年，為223 d，最短在2010年，為190 d，兩者相差33 d。

圖6 山東省1961—2010年初日、終日和持續日數年平均變化

表2 山東省1961—2010年≥0℃和≥10℃下初日和終日年代際變化d

平年下的初日、終日和持續日數的年代際變化見表1和表2。≥0℃初日在1961—2000年呈提前趨勢，2000—2010年小幅延后。50年平均值為日序第53天，約在2月22日開始。終日呈波動延后趨勢，1961—1980年延后，1980—1990年小幅提前，1991—2010年再次延后。50年平均值在第344天，約在12月10日結束。持續日數在1961—1980年開始增大，1981—1990年小幅回落，1991—2000年再次增大，2001—2010年再次回落。≥10℃初日近50年不斷提前，平均值為第100天，約在4月10日開始。終日持續延后，平均值為第306天，約在11月2日結束。持續時間持續增大。

2.2.2 突變檢驗分析。由統計量正序列和反序列曲線的交點位置（圖7）可知，≥0℃初日在1990年出現突變，1997年后顯著提前；持續日數同樣在1990年出現突變，1998年顯著增多；終日無突變特征。≥10℃初日在1960年代波動較大，1973年出現突變，2000年后顯著提前。持續時間在1978年左右出現突變，1995年左右后顯著增多。

圖7 山東省1961—2010年初日和持續日數Mann-Kendall突變檢驗

圖8 山東省1961—2010年年際持續日數Morlet小波變換系數實部等值線圖

2.2.3 周期提取分析。根據小波分析的結果（圖8、圖9），≥0℃持續日數存在6～9年的震蕩周期，在6年左右的周期變化上震蕩強烈，為主周期。6年左右的周期在1990年代后期開始比較顯著。≥10℃持續日數與≥0℃持續日數的周期差異較大，存在7～10年、11～14年共2個震蕩周期，在8年、13年左右的周期變化上震蕩強烈，其中13年左右的振蕩周期為主周期。8年左右的周期從1960年代中期開始比較顯著，13年左右的周期在1980年代后期開始比較顯著。

2.3 ≥0℃和≥10℃積溫的空間變化

2.3.1 多年平均空間分布。山東省近50年≥0℃平均積溫和≥10℃平均積溫的空間分布規律相似（圖10）。南部積溫比北部高，西部積溫比東部高。高值中心在濟南市轄區、齊河等地，低值中心在榮成、萊陽、萊西、海陽等地。類似于氣溫的空間分異規律，同時呈現了地帶性和非地帶性規律。

≥0℃平均積溫介于4 214.54～5 387.22℃，最高出現在濟南市轄區（5 303.82℃），最低在榮成市（4 448.34℃）；≥10℃平均積溫介于3 623.32～4 855.93℃，最高出現在濟南市轄區（4 778.40℃），最低在榮成市（3 890.55℃）。

圖9 山東省1961—2010年際持續日Morlet小波方差圖

圖10 山東省1961—2010年多年平均積溫空間分布及其分區統計結果

2.3.2 年代際空間分布。年代際≥0℃平均積溫在1960年代至1980年代空間變化總體不大（圖11），高值中心在濟南、聊城、菏澤、濟寧、棗莊等魯西南地區，積溫在5 000℃以上；低值中心在青島、煙臺、威海等半島地區，積溫在4 600℃以下。1990年代，泰安、濱州、威海等地增長明顯，上升約 200℃，＜4 600℃區域幾乎消失。2000年代，濱州、東營、濰坊上升約200℃。總體高值區域從西南至東北方向不斷擴大。

圖11 山東省1961—2010年≥0℃年代際積溫空間分布

年代際≥10℃平均積溫同樣在1960年代至1980年代空間變化不大（圖12），高值區域在魯蘇邊界和濟南地區，積溫在4 000℃以上；低值中心在煙臺、威海等半島地區，積溫在4 000℃以下。1990年代，濱州、東營、威海、煙臺等地區上升約200℃，＜4 000℃區域幾乎消失。2000年代，全省基本上升200℃，＜4 200℃區域幾乎消失。

2.4 ≥0℃和≥10℃持續日數的空間變化

2.4.1 多年平均空間分布。山東省近50年≥0℃持續日數和≥10℃持續日數在空間上的分布規律基本一致（圖13）。空間上都從魯西北到半島地區遞減，高值中心在魯蘇邊界和濟南地區，低值中心在東營、濰坊、煙臺等環萊州灣周邊地區。

≥0℃持續日數介于277～313 d，最高出現在菏澤市單縣（309 d），最低在淄博市沂源縣（279 d）。≥10℃持續日數介于194～220 d，菏澤市的持續日數最長，最大值出現在曹縣，達到218 d；最小值出現在煙臺市萊陽市，為200 d。

2.4.2 年代際空間分布。≥0℃持續日數在1960年代至1980年代總體變化不大（圖14），高值分布在魯蘇邊界，低值分布在北部環萊州灣周邊地區，全省基本在295 d以下。1990年代上升明顯，全省都上升了5 d以上，其中濟南、東部沿海地區上升了約20 d。2000年代，濰坊等地上升了約5 d，濟南等地約下降了5 d，全省基本在290 d以上。

圖13 山東省1961—2010年多年平均持續日數空間分布及其分區統計結果

圖14 山東省1961—2010年≥0℃年代際持續時間空間分布

圖15 山東省1961—2010年≥10℃年代際持續時間空間分布

≥10℃持續日數從總體上看，50年間各地約上升10 d（圖15）。1960年代高值主要分布在魯蘇邊界，向東北方向逐漸減少，最低值在半島地區，在200 d以下。1970年代高于205 d的區域擴展至魯中地區，200 d以下的區域萎縮至煙臺市的部分地區。1980年代魯西地區達到210 d以上，魯中地區在205 d以上，半島地區在195～205 d。1990年代半島地區上升明顯，提高5 d左右，其他地區變化不大。2000年代全省持續日數上升明顯，普遍上升5 d左右，高值在魯西南地區，達到220 d以上，低值在半島地區，絕大多數在200 d以上。

3 結論與討論

本研究利用山東省及其周邊地區23個交換站的1961—2010年逐日氣象記錄數據，系統地分析了山東省農業熱量資源的時空變化。研究表明：≥0℃和≥10℃積溫均呈上升趨勢，在1980年代后期顯著加快。變化周期為8年。空間上，高值中心在濟南和魯南地區，低值中心在半島地區，呈現東北低西南高的特點。可見山東省從事農業生產所需的熱量資源增加，同時存在著內部區域差異性。

≥0℃和≥10℃持續日數呈增長趨勢，≥10℃持續日數在1970年代后期開始增長顯著，較≥0℃持續日數約提前10年。變化周期分別為6年和13年。空間上，高值中心都在濟南和魯南地區，低值中心在魯中和半島地區，呈現東北短西南長的特點。表明利于農作物生長的周期變長，同時研究區內部各地有差異。各地應采取相應的措施來適應農業熱量資源的變化。

本研究所使用的氣象數據來自山東省境內的23個中國地面國際交換站，因山東的臺站密度不高，且在早期記錄中，缺測較多，客觀上導致原始數據存在一定誤差。若有更精確、連續的數據源將有助于更精細地反映出山東省農業熱量資源的時空特征。

在本研究中，部分熱量要素表現出以濟南為中心的極端高值中心，推測其受到了城市熱島效應增強的影響。為了消除熱島效應對氣溫序列的影響，較好的方法是利用周圍鄉村站序列對目標城市站序列進行訂正[27]。但在本研究的基礎數據中，缺少足夠多的鄉村臺站的數據支持。在臺站密度不大、缺少鄉村臺站訂正的情況下，引入合理的數學模型，消除原始數據中熱島效應增強的影響，將是一個較好的解決思路。

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Temporal and Spatial Patterns of Variations of Agricultural Heat Resources in Shandong Province During Recent 50 Years

GAO Yan-jun，HAN Rong-qing，ZHAO Ming-hua，LI Xiao-tong，WANG Xiao-dong，ZHANG Yan-hong
(College ofGeographyand Environment,ShandongNormalUniversity,Jinan 250014,China)

The current research aimed to determine temporal and spatial patterns of temperature accumulation in Shandong Province during recent 50 years(1961-2010).Based on the daily meteorological data from Chinese international exchange of ground stations, four variables (≥0℃ temperature accumulation,≥10℃ temperature accumulation,≥0℃ duration,and≥10℃ duration)were analyzed by using GIS technique,climatic trend rate,Mann-Kendall abrupt change analysis methods,and Morlet wavelet methods. Results demonstrated that temperature accumulation and its duration increased significantly over the 50-year period.While≥10℃duration showed abrupt changes in the 1970s,the other variables had abrupt changes in the late 1980s.Each variable exhibited distinct periodicity.In terms of the spatial pattern of temperature accumulation,each variable obeyed zonality law as well as non-zonality law, reaching high values in the south-western areas but low values in the north-eastern areas.The interdecadal mean values of these variables increased gradually from south-western Shandong to Shandong peninsula.While≥10℃ duration varied obviously in the 1970s,the other variables had noticeable changes in the 1990s.

Agricultural heat resources;Temperature accumulation;Duration;Temporal and spatial pattern of variations

S162.3

：A

：1673-6486-20160276

2016-10-31

國家級大學生創新創業訓練計劃立項項目（201510445171）。

高燕軍（1994—），男，本科，主要從事地理信息系統及應用研究。E-mail：gaoyanjunsd@163.com。

*通訊作者：韓榮青（1971—），女，博士，講師，主要從事自然地理綜合研究。E-mail：hrqsd@126.com。