包頭地區近46年農業熱量資源的時空變化特征

李宏偉 李秀華 王林海 麻旭東 胡雪 王玉靜 烏蘭

摘要?依據1970—2015年包頭地區7個氣象臺站年均氣溫、≥10 ℃年活動積溫和無霜期的數據，采用氣候傾向率法和IDW插值法，研究包頭地區近46年氣溫、積溫和無霜期的時空變化特征。結果表明：包頭地區近46年年均氣溫、≥10 ℃活動積溫和無霜期年代際變化為大致隨年代的增加而增加，增溫幅度為0.46 ℃/10 a，年平均氣溫46年升高約2.12 ℃;≥10 ℃年活動積溫以99.38 ℃·d/10 a的傾向率升高，46年增加約457.2 ℃·d;年均無霜期以4.76 d/10 a的傾向率延長，46年延長約22 d;平均氣溫、≥10 ℃年活動積溫和無霜期的空間特征為包頭市區和土默特右旗明顯高于達茂旗和固陽縣，年代間變化特征大致為低值區范圍在逐漸縮小，高值區范圍在逐漸擴大，年代間增暖的空間特征明顯。

關鍵詞?農業熱量資源;時空變化;包頭地區

中圖分類號?S161.2文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2018）35-0149-06

氣溫、積溫和霜凍期的長短等指標常用來衡量某地區熱量資源的多少，熱量資源與農業生產密切相關。在氣候變暖的背景下[1]，我國熱量資源也發生了變化[2-6]，這在一定程度上影響了農業生產[7-11]。近50年，全國熱量資源（平均、最高、最低溫度和積溫）呈增加趨勢，且最低溫度變化幅度高于最高溫度，對氣候增暖起主要作用[2]。中國80%以上區域呈現初霜日退后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢[6]。近10年來，東北水稻向北擴張，種植北界北移了4個緯度;東北地區水稻生長期內光熱水同步，且晝夜溫差大，東北水稻生產可能是對氣候變化的良好適應[12]。氣候變暖將改善區域的熱量資源，積溫增多，我國長江以北特別是中緯度和高原地區的作物生長季節延長，低溫冷害有所減輕，喜溫作物界限北移，晚熟作物品種種植面積增加，促進了種植結構的調整[13]。

包頭地區屬于典型的中溫帶半干旱大陸性季風氣候，相關部門近年來加大對農牧業的投入力度，結合各區域農牧業資源稟賦，初步形成北部草原畜牧發展帶、中部旱作節水農業發展帶和南部現代農牧業發展帶的新格局，菜、薯、乳、肉 四大主導產業比重達到70%以上。筆者以包頭地區為例，分析了近46年來農業熱量資源的時空變化特征，以期在氣候變暖的大背景下充分利用農業熱量資源，為當地農業生產提供理論依據。

1?資料與方法

1.1?研究地區概況

包頭地區位于109°15′～111°25′E，40°15′～42°45′N，面積為27 768 km2，該區域屬半干旱中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.9 ℃，晝夜溫差大。由于陰山山脈大青山段橫貫中部，形成北部高原、中部山地、南部平原3個地形區域。

1.2?資料與方法

利用包頭市7個氣象臺站1970—2015年的年平均氣溫、≥10 ℃年活動積溫、無霜期的觀測資料，研究分析此期間包頭地區農業熱量資源的時空變化特征。氣候傾向率采用一元線性回歸方程擬合：y=ax+b，a為趨勢傾向率或變化率，絕對值大小反映氣候要素的變化程度[14-15]。

氣候空間分布模擬基于Arcgis10.1的反距離插值法（IDW）形成氣候要素的空間分布模擬。

2?結果與分析

2.1?包頭地區近46年農業熱量資源的年代際變化特征

2.1.1?年平均氣溫。

由表1可見，自20世紀70年代以來，年代間平均氣溫在逐步升高。20世紀70年代年平均氣溫為4.42 ℃，80年代4.62 ℃，90年代升高到5.58 ℃，年平均氣溫較70年代升高了1.16 ℃。進入21世紀，年代間平均氣溫繼續保持升高態勢，2000—2009年平均氣溫5.79 ℃，2010—2015年平均氣溫為5.84 ℃ 。1970—2015年包頭市年平均氣溫為5.20 ℃。近46年來，包頭地區年平均氣溫在波動中升高，增溫幅度為0.46 ℃/10 a，年平均氣溫46年升高約2.12 ℃，增溫幅度達極顯著水平（R=0.729 1）。

2.1.2?≥10 ℃年活動積溫。

當日平均氣溫穩定上升到10 ℃以上時，大多數農作物才能活躍生長，所以常用≥10 ℃年活動積溫衡量大多數農作物生長所需的熱量狀況[16]。表1表明，1970—2009年，年代間≥10 ℃年活動積溫在逐步升高。20世紀70年代≥10 ℃年活動積溫為2 679 ℃·d，80年

代2 749 ℃·d，90年代2 850 ℃·d，2000—2009年≥10 ℃年活動積溫增幅最大，較過去10年增加了165 ℃·d，為3 015 ℃·d，2010—2015年略有降低。1970—2015年包頭市≥10 ℃年活動積溫平均值為2 846 ℃·d。≥10 ℃年活動積溫的變化趨勢。近46年來，包頭地區≥10 ℃年活動積溫在波動中升高，以99.38 ℃·d/10 a（r=0.74）的傾向率呈現升高趨勢，46年升高約457.2 ℃·d。

2.1.3?無霜期。

無霜期是指一年中終霜后至初霜前的一整段時間，無霜期與農作物生長期有密切關系，是農業上重要的熱量指標[17]。從表1可以看出，1970—2009年年代間無霜期在逐步延長，2010—2015年平均無霜期略有縮短。20世紀70年代年均無霜期為115 d;80年代延長至128 d，10年間年均無霜期延長13 d;90年代為130 d。21世紀頭10年年均無霜期緩慢延長至135 d，2010—2015年為134 d。近46年來，包頭地區年均無霜期表現為明顯的延長趨勢，其傾向率為4.76 d/10 a（r=0.61），46年延長約22 d。

2.2?包頭地區近46年農業熱量資源年代間空間變化特征

2.2.1?年平均氣溫。

年平均氣溫包頭市區和土默特右旗明顯高于達茂旗和固陽縣，年平均氣溫年代間變化特征大體為低值區范圍在逐漸縮小，高值區范圍在逐漸擴大，且7個氣象站點年代間平均氣溫也在逐漸升高，年代間增暖的空間特征明顯。20世紀70年代，年平均氣溫3 ℃分布區西部集中在達茂旗的巴音花鎮、明安鎮、白云礦區及固陽縣西北部西斗鋪鎮大部和興順西的局部區域，東部則位于希拉穆仁鎮和石寶鎮的局部，自此之后3 ℃分布區的面積在年代間表現出縮小的特點，截止2015年，3 ℃分布區西部縮小為明安鎮的局部，東部縮小為希拉穆仁鎮和石寶鎮的小部分區域。20世紀70年代，年平均氣溫7 ℃以上位于土默特右旗的南部和包頭市區的小部分區域，此后，年平均氣溫7 ℃分布區的面積年代間逐漸北移，截止2015年最北端已進入固陽縣范圍，而且北部的滿都拉鎮局部出現了6～7 ℃高溫度區。

2.2.2?≥10 ℃年活動積溫。

≥10 ℃年活動積溫包頭市區和土默特右旗明顯高于固陽縣和達茂旗，年代間變化特征大致為低值區范圍在逐漸縮小，高值區范圍在逐漸擴大，且7個氣象站點≥10 ℃年活動積溫值也在逐漸升高，年代間積溫升高的空間特征明顯。20世紀70年代，2 200 ℃·d以下分布區西部集中在達茂旗的巴音花鎮、明安鎮、白云礦區及固陽縣西北部西斗鋪鎮大部和興順西的局部區域，東部則位于希拉穆仁鎮、石寶鎮的局部及達爾罕蘇木的小部分地區;自此之后，2 200 ℃·d以下分布區的面積年代間表現出縮小的特點，截止2009年，2 200 ℃·d以下分布區西部縮小為明安鎮大部和巴音花鎮的小部分地區，東部縮小為希拉穆仁鎮和石寶鎮的小部分地區。20世紀70年代，3 000 ℃·d以上分布區位于土默特右旗的南部和包頭市區的小部分區域，此后3 000 ℃·d以上分布區的面積年代間逐漸北移，截止2015年最北端已進入固陽縣范圍，而且北部的滿都拉鎮局部出現了3 000 ℃·d以上高值區。

2.2.3?無霜期。

包頭市區和土默特右旗無霜期明顯長于固陽縣和達茂旗，年代間變化特征大致為低值區范圍在逐漸縮小，高值區范圍在逐漸擴大，年代間無霜期延長的空間特征明顯。1970—1979年無霜期110 d以下分布區集中于達茂旗東部和固陽縣北部，20世紀80年代迅速縮小，僅分布于希拉穆仁鎮、石寶鎮大部以及達爾罕蘇木的小部分地區，90年代這一區域繼續縮小，2000—2009年和2010—2015年2個時段變化不大。20世紀70年代，無霜期長達140～150 d，僅分布在土默特右旗南部;80年代，150 d以上分布區出現于土默特右旗南部的明沙淖鄉、海子鄉、將軍堯鎮和包頭市區的小部分區域;90年代這一區域北移，占據土默特右旗大部和包頭市區的小部分區域，2000—2009年，該區域北移到除九峰山生態管理委員會和美岱召鎮局部外的整個土默特右旗和包頭市區南部;2010—2015年，土默特右旗150 d以上無霜期范圍繼續擴大至九峰山生態管理委員會的南部，包頭市區這一區域較過去10年南移縮小。

3?結論與討論

近46年，包頭地區年均氣溫、≥10℃年活動積溫和無霜期均表現出增加特點，表明該區域農業熱量資源逐漸增加，無疑為該區域馬鈴薯、玉米等作物品種的選擇提供了更大的空間。包頭地區的固陽縣和達茂旗作為我國馬鈴薯的主產區和種薯生產基地，曾經主栽品種多為中早熟，比如費烏瑞它和克新一號，近幾年一些產量和品質俱佳的中晚熟品種占相當面積，例如冀張薯8號、青薯9號。這些在一定程度上提高了熱量資源的利用效率，保障了該區域的糧食安全。水是干旱、半干旱區域農業發展的制約因素，在全球氣候變暖的大背景下，吳普特等[18]分析了1949—2005 年中國氣候變化特征，表明 20 世紀 90 年代以前，干旱趨勢相對緩和，90 年代以后，干旱變化趨勢進一步加劇。由于氣候變化引起中國農田灌溉用水增加量平均超過 1 000 億 m3，單位面積糧食減產量平均超過1 000 kg/hm2。氣候變化將改變區域降水量和降水格局，北方江河徑流量減少、南方徑流量增加，各流域年均蒸發量增大，其中黃河及內陸河地區的蒸發量增加約15%，導致流域流量下降乃至斷流[19]。該研究區的包頭市區和土默特右旗屬于引黃灌溉區，黃河蒸發量的增大將進一步加劇該區域的用水緊張問題。近31年來，固陽縣土壤水分呈顯著下降趨勢，以秋季下降速度最快;土壤水分與溫度呈負相關，與降水量呈正相關，其中夏季溫度和降水量對土壤水分的影響最為顯著[20]。

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