華北設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)氣候資源分布及季節(jié)變化特征

樂章燕，魏瑞江，石茗化，高建華，趙 超，吳瑞芬，王志偉

（1.河北省廊坊市氣象局，河北廊坊06500；2.河北省氣象科學研究所，河北石家莊050021；3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北石家莊050021；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；5.山西省氣候中心，山西太原030000）

目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)。設(shè)施內(nèi)的小氣候受設(shè)施外溫度、光照、降水等氣象因子影響［1］，這些因子的數(shù)量或強度及其組合構(gòu)成了農(nóng)業(yè)氣候資源。農(nóng)業(yè)氣候資源狀況關(guān)系到設(shè)施農(nóng)業(yè)種植時間、茬口安排實踐、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等，因此研究設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候資源非常重要。國內(nèi)學者在農(nóng)業(yè)氣候資源方面進行了大量研究［2－14］。

何永坤等研究了東北三省穩(wěn)定農(nóng)耕期、生長期及積溫、降水量、日照時數(shù)等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征［15］。陳懷亮等以河南省鄭州市小麥、玉米為例，分析農(nóng)業(yè)氣候資源周期變化規(guī)律和趨勢［16］。葉彩華等分析了北京市農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征［17］。陳海等分析了北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)氣候資源空間特征［18］。紀瑞鵬等以遼寧省為例，研究農(nóng)業(yè)氣候資源綜合評價方法［19］。代立芹等研究河北省冬小麥、夏玉米的氣候適宜度及其時空變化特征［20］。上述研究針對大田作物的農(nóng)業(yè)氣候資源進行了探討［21］，目前針對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段農(nóng)業(yè)氣候資源的研究比較少，張永紅等研究了關(guān)中東部設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候資源分布及變化特征［22］。李春等研究了天津市12個農(nóng)業(yè)區(qū)縣氣象站近30年的逐日歷史觀測數(shù)據(jù)，分析了影響各區(qū)縣日光溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候資源條件［23］，但這些研究未與設(shè)施內(nèi)的小氣候相結(jié)合。本研究從設(shè)施的增溫幅度及設(shè)施內(nèi)小氣候與設(shè)施外的氣溫、日照等因子的關(guān)系入手，確定華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候指標，并對其時空分布狀況和變化趨勢進行研究，旨在為提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

采用1980—2010年河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省102個農(nóng)業(yè)氣象觀測站設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季節(jié)（當年10月至次年5月）和冬季（當年12月至次年2月）的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)等數(shù)據(jù)。華北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測站站點分布見圖1。

1.2 研究方法

采用時間序列分析（氣候傾向率、概率）和反距離權(quán)重法對各要素進行空間插值，生成空間化數(shù)據(jù)，分析其時空分布特征。

1.2.1 氣候傾向率 在計算變化趨勢時，采用最小二乘法，計算樣本 x＾t時間t的線性回歸系數(shù)（α），用一次線性方程表示要素的變化：

以線性回歸系數(shù)a的10倍作為氣候傾向率。

1.2.2 反距離權(quán)重法（IDW） 反距離加權(quán)插值法（IDW）是基于相近相似的原理，即距離越接近的2個事物具有越相近的屬性，反之這種相似性隨著距離的增大而減小［24］，認為與插值點距離最近的樣本點對插值點值的貢獻最大，其貢獻與距離成反比，通過計算以插值點為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)樣本點的加權(quán)平均值來確定插值。其公式如下：

式中：Z為估計值；Zi為第 i（i＝1，…，n）個樣本值；di是距離；n為用于插值的氣象站點數(shù)量；p是距離的冪，它的選擇標準是最小平均絕對誤差，默認p＝2。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源時空分布特征

熱量資源是影響設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因，尤其是極端最低氣溫是決定設(shè)施類型、運行成本及其設(shè)施作物能否良好生長發(fā)育乃至生產(chǎn)成功的基本條件［25］，而冬季又是熱量相對匱乏的時期，因此分析設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季和冬季極端最低氣溫及其空間分布具有重要意義。

前人研究表明，晴天時設(shè)施內(nèi)外溫差能達到20℃以上，云量較多時內(nèi)外溫差能達到10～15℃，寒潮或持續(xù)低溫寡照時內(nèi)外溫差在10℃以下［26－27］。可見若保證設(shè)施內(nèi)溫度不低于0℃，則設(shè)施外最低溫度不能低于－20℃；若要保證棚室內(nèi)作物不受凍害，則設(shè)施外最低氣溫不能低于－15℃。從生長季內(nèi)平均溫度、生長季和冬季極端最低氣溫≤－20℃和≤－15℃天數(shù)、傾向率及冬季占生長季概率等分析整個生長季內(nèi)熱量資源空間分布狀況。

2.1.1 平均溫度時空分布特征 由圖2可見，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季平均氣溫在－5.6～8.8℃之間變化，其中，平均氣溫在2.5℃以上的區(qū)域主要分布在山西省中南部及河北省中南部，平均氣溫在0～2.5℃的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、山西省北部和河北省北部，平均氣溫在－2.5～0℃的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部及河北省的西北部，平均氣溫低于－2.5℃的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)的東北部。整體上，山西、河北兩省的中南部氣溫較高，熱量資源相對豐富；山西、河北兩省的北部及內(nèi)蒙古自治區(qū)氣溫較低，熱量資源相對匱乏。

由圖3可見，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季平均氣溫整體處于上升趨勢，傾向率最大的地方呈散點分布，其中心主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)的中西部、山西省南部和河北省中南部，其值在0.6℃／10年以上；上升趨勢最小的區(qū)域也呈散點分布，主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部靠近河北省的區(qū)域，河北省的中部和北部，山西省的局部，傾向率為0.3℃／10年以下。

2.1.2 極端最低氣溫≤－20℃天數(shù)空間分布 由圖4可知，不論是生長季還是冬季，山西省大部、河北省大部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部和中東部日極端最低氣溫≤－20℃的天數(shù)在0～20 d，占整個生長季長度（243 d）的8%以內(nèi)，只有山西省北部、河北省西北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和東北部在20 d以上，并且大部分地區(qū)在20～40 d。可見華北大部分地區(qū)利于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

從圖5可見，≤－20℃的天數(shù)76%以上出現(xiàn)在冬季，綜合圖4來看，內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，河北省北部，山西省北部地區(qū)冬季不適合發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

圖6為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季和冬季日極端最低氣溫≤－20℃傾向率。由圖6可知，日極端最低氣溫≤－20℃的天數(shù)基本上呈減少趨勢。

2.1.3 極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)時空分布特征 圖7為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季和冬季日極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)的空間分布。由圖7可知，生長季和冬季日極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)的分布趨勢一致，其中山西省中南部、河北省中南部0～20 d，占整個生長季天數(shù)的10%以下，適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。而內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和東北部、河北省北部和山西省北部超過60 d，冬季不利于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

圖8為華北地區(qū)冬季日極端最低氣溫≤－15℃的天數(shù)發(fā)生概率。由圖8可見，華北地區(qū)冬季日極端最低氣溫≤－15℃的天數(shù)76%以上出現(xiàn)在冬季，綜合圖7來看，內(nèi)蒙古自治區(qū)北部和中部的局部，河北省張家口市張北縣≤－15℃的天數(shù)超過60 d，冬季不利于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

圖9為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季和冬季日極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)傾向率。由圖9可見，日極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)基本上呈減少趨勢，其中生長季內(nèi)內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部、山西省北部、河北省張家口市西北部極端最低氣溫≤－15℃減少天數(shù)較多；冬季山西省大同市、朔州市、河北省張家口市蔚縣、承德市灤平縣一帶減少天數(shù)較多，冬季應(yīng)選擇保溫性能較好的日光溫室發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

2.2 光照資源時空分布特征

光照是作物進行光合作用不可缺少的條件之一，外界光照條件對設(shè)施內(nèi)溫度有很大影響，只有太陽光不斷照射，設(shè)施內(nèi)才能達到作物生長所需溫度。若寡照時間較長，設(shè)施內(nèi)不能得到有效的熱量補給，作物正常生長所需的光溫條件得不到補充，易導致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。研究表明，冬季連續(xù)陰天并不斷伴有寒潮時，連續(xù)3 d逐日日照時數(shù)≤3 h時，設(shè)施內(nèi)溫度可能下降到5℃以下，不利于果菜類蔬菜生長發(fā)育［28－29］，所以逐日日照時數(shù)≤3 h是影響設(shè)施農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)的一個指標。

2.2.1 總?cè)照諘r數(shù)時空分布特征 由圖10可見，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季內(nèi)日照時數(shù)空間分布特征為北多南少，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省張家口市、山西省北部日照時數(shù)達1 800～2 000 h，光照充足；山西省南部為1 307～1 500 h，光照相對匱乏。

圖11為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季內(nèi)總?cè)照諘r數(shù)的氣候傾向率。由圖11可知，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季內(nèi)總?cè)照諘r數(shù)基本呈下降趨勢。其中內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、山西省南部、河北省東部呈上升趨勢，河北省南部及中部的局部、山西省中部的局部呈下降趨勢，最大值達209 h／10年。

2.2.2 日照時數(shù)≤3 h天數(shù)時空分布特征 圖12為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)逐日日照時數(shù)≤3 h天數(shù)的空間分布狀況。由圖12可見，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季和冬季日照時數(shù)≤3 h的天數(shù)區(qū)域主要集中在山西省中南部和河北省中南部，其中生長季最多79 d，冬季最多35 d，其他地區(qū)出現(xiàn)的天數(shù)較少。從冬季日照時數(shù)≤3 h天數(shù)占生長季的概率（圖13）來看，高值區(qū)也主要集中在山西省中南部和河北省中南部，其概率高達40%以上。

圖14為華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季、冬季日照時數(shù)≤3 h天數(shù)的傾向率，逐日日照時數(shù)≤3 h的天數(shù)呈增加趨勢，其中高值區(qū)主要集中在河北省南部、山西省南部的中部，生長季、冬季內(nèi)值分別達15 d／10年和9 d／10年。

2.2.3 日照時數(shù)連續(xù)3 d≤3 h持續(xù)過程時空分布特征 圖15為華北設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季、冬季連續(xù)3 d逐日日照時數(shù)≤3 h的次數(shù)。由圖15可見，華北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生長季和冬季逐日日照時數(shù)連續(xù)≤3 h連續(xù)3 d的過程主要集中在山西省南部和河北省南部，過程分別為10次和5次。

由圖16可見，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部和東北部、河北省西北部和中南部、山西省中部冬季連續(xù)3 d逐日日照時數(shù)≤3 h的過程占生長季的60%以上，這些地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植應(yīng)選擇喜陰類的蔬菜。

圖17為華北地區(qū)冬季連續(xù)3 d逐日日照時數(shù)≤3 h持續(xù)過程的傾向率。由圖17可知，不論是生長季還是冬季，其傾向率基本上呈增加趨勢，其中河北省中南部地區(qū)連續(xù)3 d≤3 h的持續(xù)過程增加幅度最大，生長季內(nèi)0.3次／10年，冬季015次／10年；生長季內(nèi)山西省原平市、汾陽市、運城市部分地區(qū)出現(xiàn)過程減少的趨勢，但不明顯，最大為0.1次／10年。

3 結(jié)論與討論

選取了華北地區(qū)102個農(nóng)業(yè)氣象觀測站近30年的氣象資料，分析設(shè)施農(nóng)業(yè)對設(shè)施外氣象條件的依賴特征，光照、溫度是最主要的影響因子，探討華北地區(qū)生長季內(nèi)熱量資源和光照資源的時空分布。結(jié)果表明，研究區(qū)平均氣溫整體處于上升趨勢，河北省、山西省一帶氣溫較高，熱量資源豐富；內(nèi)蒙古自治區(qū)氣溫偏低，熱量資源稍差。不論是生長季還是冬季，山西省南部、河北省中南部日極端最低氣溫一般不會出現(xiàn)小于－20℃的情況；日極端最低氣溫≤－20℃天數(shù)76%以上都出現(xiàn)在冬季；日極端最低氣溫≤－20℃天數(shù)基本上呈減少趨勢。生長季和冬季極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)分布趨勢一致。生長季和冬季內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和東北部，河北省北部和山西省北部日極端最低氣溫≤－15℃的天數(shù)超過60 d，冬季不利于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。日極端最低氣溫≤－15℃的天數(shù)76%以上出現(xiàn)在冬季；日極端最低氣溫≤－15℃天數(shù)基本上呈減少趨勢。總?cè)照諘r數(shù)基本上呈下降趨勢，日照時數(shù)≤3 h的天數(shù)呈上升趨勢，空間分布特征為北少南多；連續(xù)3 d逐日日照時數(shù)≤3 h的過程基本上呈增加趨勢，主要集中在山西省南部，河北省南部持續(xù)過程較多，分別為10次和5次，期間設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)預防低溫寡照。

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