寧德市熱量資源變化及其對茶葉生長的影響

陳小英，余會康，黃文霖，阮翠冰

(寧德市氣象局，福建 寧德 352100)

熱量資源是指一個地區可供農作物生產利用的熱量，是一種主要的農業氣候資源，對區域農業種植制度和農業產量質量有著非常重要的影響。隨著全球氣候變暖的趨勢不斷加劇，熱量資源的時空分布也隨之發生改變，進而對各地農業結構布局、農作物生長發育和產量形成產生廣泛而深刻的影響[1-6]。如孫華等[7]在氣候變暖對中國農業生產的影響研究中發現，伴隨著溫度升高、積溫增加，我國一年兩熟制、一年三熟制的種植北界較1950—1980年不同程度北移；趙錦等[8]在中國南方地區種植制度一級區界限的研究中發現，受積溫增加影響，多熟種植區域向北向西推進較大，但同時高溫熱害的出現頻率增加；戴聲佩等[9]研究指出，華南地區≥10 ℃積溫帶向北移動了0.15～0.40個緯距，有利于熱帶作物的生產種植，但也帶來熱帶作物抗旱能力下降、寒害致災風險增加的問題；田月等[10]在氣候變暖對茶樹生長影響的分析中指出，春茶季、夏茶季、秋茶季熱量資源的地區間差異減小，給茶葉的種植帶來了更大的區域優勢，同時溫度持續走高，夏旱頻率加大，對茶葉的生長發育也是極其不利；李柏貞等[11]則在江南茶葉農業氣象災害風險區劃研究中明確指出隨著氣候變暖和現代農業發展，茶葉生產布局、栽培品種等已發生顯著變化。從檢索的文獻資料看，目前國內有關農業熱量資源的研究主要集中在大區域的時空分布及對糧食作物的影響上，但是我國地域廣闊，自然地理環境和氣候類型復雜多樣，不同作物對氣候變化的敏感度和適應性也不一樣，鑒于此，本文擬在前人研究的基礎上, 通過對寧德市熱量資源時空變化特征的分析，研究其對當地茶葉生長的影響，并運用小波理論對熱量資源變化趨勢做出預測，為今后有效評價和規避氣候變化對茶葉種植帶來的致災風險提供科學參考。

寧德市地處東南沿海，屬亞熱帶季風氣候區，境內地理環境復雜，兼有海洋氣候、山地氣候、盆地氣候等多種氣候特點。獨特的地理氣候環境在一定程度上影響并決定了當地農業基礎和農業經濟，據寧德市統計年鑒，2019年農業總產值達到224.82億元，其中茶葉總產值近40億元，茶產量占全省的比重為23.7%。因此，研究該區域熱量資源變化及其對當地茶葉生長的影響，對因地制宜發展茶葉生產促進農業增收具有現實意義。

日平均氣溫≥10 ℃是一般喜溫作物播種與開始生長的界限溫度[1,12]，≥10 ℃積溫及日數的多少與分布情況是研究區域熱量資源的一個主要著眼點和重要指標,而在茶樹的生長過程中，形成茶葉產量的重要熱量指標也正是以此來表達[12-14]。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本研究所用數據采自寧德市9個國家級氣象觀測站(蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田、壽寧、周寧、柘榮、屏南)提供的1969—2019年日平均氣溫，數據經過質量控制，具有代表性、準確性和比較性，并有完整的序列。按地理位置及氣候特點將蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田劃為沿海地區，壽寧、周寧、柘榮、屏南劃為山區。

1.2 主要研究方法

利用滑動平均法計算1969—2019年寧德市9個氣象觀測站日平均氣溫穩定通過(5天滑動平均值≥臨界值)10 ℃的初終間日數和積溫數據[15-16]，通過線性傾向估計[16]、Mann-kendall(M-K)非參數檢驗[16]、EOF經驗正交函數分解[16]、Morlet小波分析[16-17]等4種氣候統計診斷方法，對寧德市≥10 ℃積溫、初終間日數的線性變化趨勢、突變區域、空間分布、周期變化等方面進行分析研究，以揭示該區域熱量資源的時空變化特征，并通過茶葉積溫隸屬度[18-22]的計算，分析其對茶葉生長適應性的影響。

1.2.1 顯著性檢驗

通過EOF經驗正交函數分解出的特征值和特征向量是否具有物理意義，需進行顯著性檢驗，本研究選用North檢驗法[16]。

(1)

式中，n為樣本數，λ為特征值，ei為誤差值。當相鄰的兩個特征值滿足λi-λi+1≥ei，就認為這兩個特征值所對應的自然正交函數是有價值的信號。

1.2.2 茶葉積溫隸屬度

茶樹的生長必然要受到多種氣候條件的綜合影響，采用模糊數學法可對這些影響進行數學描述和定量化分析。有學者根據茶樹生長發育的農業氣候指標及受農業氣候要素影響變化的柯西型分布模式,確定了符合茶樹生長實際的隸屬函數[18-22]，其中的積溫隸屬度公式為：

(2)

其中，μ∑T為≥10 ℃積溫隸屬度函數，∑T為≥10 ℃積溫。

2 結果與分析

2.1 積溫、初終日數變化趨勢及突變特征

寧德市1969—2019年≥10 ℃積溫變化趨勢見圖1：全市平均積溫在6 081.2～4 867.6 ℃波動，均值為5 482.4 ℃，20世紀90年代中前期的年積溫多在平均值下，90年代后期開始則多在平均值上，10 a氣候傾向率為111.5 ℃(通過a=0.01顯著性檢驗)。以年代際為區分，80年代是最少期，90年代開始快速增多，10 a間增加了將近167 ℃；進入21世紀，增多勢頭減緩，2001—2010、2011—2019年增加幅度分別為144 ℃和156 ℃。從M-K統計曲線圖(圖2)看，UF與UB的交點位置位于1997年前后，此點即為突變點，突變點之后積溫呈快速上升趨勢，并從2002年開始超過顯著性水平0.05臨界線，2004年后甚至超過0.001顯著性水平(u0.001=2.56)，不過2005—2012年上升速度略有停滯，2013年起積溫再呈加速上升勢頭。

圖1 1969—2019年≥10 ℃積溫平均值

圖2 寧德市≥10 ℃積溫M-K統計曲線

全市≥10 ℃的初終日數平均為260.6 d(圖3)，圍繞平均線上下波動的頻率高于積溫，但波幅較小，氣候傾向率為3.7 d/10 a(通過a=0.01顯著性檢驗)。從年代變化上看，與積溫變化相類似，80年代積溫低谷期對應的≥10 ℃初終日數也是最少，為253.7 d，不同的是初終日數在90年代和近10 a存在2個快速增多期，10 a增率分別為6.5 和7.7 d。從圖4的M-K統計曲線圖看，≥10 ℃的初終日數有2個突變年，分別出現在1997和2011年。

圖3 1969—2019年≥10 ℃初終日數

圖4 寧德市≥10 ℃初終日數M-K統計曲線

比較沿海和山區在積溫上的變化，沿海地區10 a積溫氣候傾向率在154.1～110.3 ℃(通過a=0.01顯著性檢驗，下同)，平均為124.1 ℃，而山區的積溫氣候傾向率則在103.9～88.8 ℃，平均為95.9 ℃，去除基數大小不一的影響，山區的積溫升高態勢略大于沿海。從年代上看，沿海在80年代處于最冷期，90年代以10 a增幅250 ℃快速升溫，之后的20 a幅度收窄，分別為180 ℃、110 ℃；而山區最冷期則是在70年代，80年代積溫未減反增，每10 a以70 ℃左右的增率持續到90年代末，之后的10 a增幅加大，近10 a增率更是達到210 ℃。具體到年際間的變化上也有不同，如沿海最低積溫值均出現在1976年，而山區均出現在2010年；1973年所有沿海縣市的積溫均高于平均值，山區均偏低；1990年則相反，沿海偏低，山區偏高；1978、1985、1998、2010、2012、2014年等年份，沿海與山區在變化方向上雖較為一致，但在幅度上卻有較大程度差異。從M-K統計曲線圖上看，沿海與山區積溫變化的突變年均在1997年，突變前寧德全市的積溫曲線基本上是依從沿海的走勢，突變后則是依從山區的走勢。從10 a氣候傾向率看，突變年前全市、沿海、山區分別為-0.6、-21.6、25.7 ℃，在突變年后則分別為61.8、58.4、66.2 ℃，進一步說明突變年前沿海的影響大于山區，突變年后則是山區的影響大于沿海。至于初終日數的變化，總體變化與積溫相似，不同之處在于沿海山區均有兩個突變點，沿海出現在1999及2003年，山區則在1994及1997年；山區的波動頻率大于沿海，且多數年份影響著全市積溫日數的走勢。

從近百年中國氣溫及近50 a華東沿海區域氣溫的演變情況[23-25]來看，寧德市的氣溫變化趨勢與大環境變化相近，摘取同時段數據比較，1980—2007年寧德市的升溫速率為0.46 ℃/10 a，略低于整個華東區域0.55 ℃/10 a的水平[25]，2007年之后的10 a寧德市的升溫速度加快，升溫率達到0.9 ℃/10 a。氣溫的變化勢必然影響到積溫及其初終日數的變化，用皮爾遜法[18]統計積溫、初終日數與氣溫三者之間的相關系數，寧德市近51 a日均氣溫≥10 ℃日數、≥10 ℃積溫、穩定通過10 ℃初終日數與日平均氣溫的相關系數分別為0.85、0.8、0.59，積溫與初終日數的相關性則達到0.9，表明積溫的升高與日平均氣溫的升高關系密切，但對積溫影響更大的是≥10 ℃的初終日數，這與邱新法等[26]對中國≥10 ℃積溫時空變化主導因素的研究結論是一致的。

2.2 積溫及初終日數空間分布特征

對近51 a來寧德9縣市日平均氣溫≥10 ℃積溫及初終日數的2個原始場數值標準化后做EOF分解，并根據公式(1)進行特征值顯著性檢驗，計算結果見表1、2，2個變量場的前2個特征向量的特征值均>1，累積貢獻率分別占總方差貢獻的88.24%、82.59%，且特征值的誤差范圍均通過North檢驗，由此認為這2個特征值所對應的經驗正交函數是有價值的信號，且在很大程度上概括了≥10 ℃積溫及初終日數的分布特征。

表1 近51 a寧德≥10 ℃積溫場EOF分解結果

表2 近51 a寧德≥10 ℃初終日數場EOF分解結果

2.2.1 第一模態

由表1、2可見，≥10 ℃積溫和初終日數的EOF1分別占總方差的76.70%、60.93%，分解出各分量的符號相同，說明第一模態下，積溫及初終間日數在空間分布上都具有較好的一致性，顯然這是受全球氣候變暖及大尺度天氣系統影響的緣故。

用ArcGIS內嵌的反距離權重法(下同)對第一特征向量進行插值訂正，繪制出空間分布圖5～6。可以看出，2個變量場的高低值區分布類似，高值區大致在壽寧、周寧、蕉城等中北部一帶，相對低值區在古田、霞浦，為寧德市東西兩端。這個特征場占有很大的權重，實際上反映的是全市近51 a不低于10 ℃積溫及初終日數空間分布的平均狀態，即寧德市全域范圍在積溫及初終間日數的增減變化上呈現較好的一致性，但中北部地區變化幅度相對較大，其余地區相對較小。比較各縣市51 a的氣候傾向率數值也可看出類似情況，如處在變量場高值區的蕉城、周寧、壽寧的積溫傾向率在所有縣市中同屬較大點。究其原因，應與快速發展的城市化效應、土地利用改變、下墊面性質改變等[23-25]有關。對應EOF1的時間系數(圖7～8)，反映的是積溫和初終日數的年際趨勢變化，數值為正值的年份表示此年積溫偏高，反之則偏低，絕對值越大說明此種分布類型越典型。可以看出，從70—90年代中前期，大多數年份數值均為負值，90年代后期開始數值基本為正值，絕對值較大的年份有2018、2016、2002、1998、1976、1987、1996和2010年，反映了這些年各縣市積溫和初終日數的升高或降低都呈現相對顯著的一致性。

圖5 寧德市≥10 ℃積溫第一模態特征向量

圖6 寧德市≥10 ℃初終日數第一模態特征向量

圖7 寧德市≥10 ℃積溫第一模態時間系數

圖8 寧德市≥10 ℃初終日數第一模態時間系數

2.2.2 第二模態

≥10 ℃積溫和初終日數的第二模態EOF2分別占總方差的11.54%、21.66%，特征分量正負相間。從圖9～10可看出：沿海顯示均為負值，山區縣市均為正值，說明積溫及初終日數變化趨勢沿海與山區呈反相位的分布形式。當沿海積溫及初終日數增高時，山區則降低，當沿海積溫降低時，山區則增高，或者雖然未有相反變化，但沿海與山區之間有顯著差異。從圖11～12的時間系數上看，最為典型的有1976、1985、2011、2012、2014、1973、2010、2019年等。其中的1976、2010年分別是沿海、山區的積溫極低年，雖然同為大幅降溫，但沿海與山區的幅度相差較大。之所以出現這種情況，主要是由于山區與沿海間存在著較大的地形地貌差異、熱力差異、海陸差異，對天氣影響系統的響應速度和響應程度也就有所不同，以致山區和沿海在積溫與初終日數的分布上存在反相的地域差異。由此可以得出,寧德市積溫及初終日數空間分布主要的2種類型為：總體一致型和山海差異型。

圖9 寧德市≥10 ℃積溫第二模態特征向量

圖10 寧德市≥10 ℃初終日數第二模態特征向量

圖11 寧德市≥10 ℃積溫第二模態時間系數

圖12 寧德市≥10 ℃初終日數第二模態時間系數

2.3 積溫及初終日數周期變化

2.3.1 寧德市≥10 ℃積溫

圖13為積溫數據經過小波變換后得到的小波系數實部等值線圖。當小波系數實部值為正時，代表積溫增多期；為負時，代表積溫減少期；小波系數為零處則對應著氣候要素突變點。從圖中可以清楚地看出，寧德市≥10 ℃積溫變化過程存在多個時間尺度周期變化特征，其中最為明顯的有25 a的時間尺度，出現3次降低和升高的交替，在整個51 a的分析時段內表現穩定。在25 a長周期變化下重疊著相對短尺度的周期變化規律，表現明顯的較長周期有16～18 a、10～15 a、5～10 a3種尺度，其中16～18 a尺度在1977—2007年內表現穩定；10～15 a尺度在1969—1982年、2004—2019年2個時間段內表現穩定；5～10 a的周期變化在1987—2003年間表現穩定。而5 a以下尺度的短周期變化只有在1973—1979年表現最為突出，但從2010年前后開始周期變化有加強趨勢。圖中還可以分辨出波動的奇異點，如位于3 a周期處的1976年前后、8 a處的1996年前后、12 a處的2011年前后，此3處等值線最為密集，其間正負系數的轉換點即為轉折點，存在前后年的積溫突變。從圖14的寧德市≥10 ℃積溫小波全譜圖也可看出，25 a周期的小波功率最大，其次為12 a周期，但只有12 a以下周期的變化通過或接近0.05水平顯著性檢驗線。

圖13 寧德市≥10 ℃積溫小波系數實部等值線

圖14 寧德市≥10 ℃積溫小波功率全譜圖

對比沿海、山區的小波系數實部等值線圖，在25 a時間尺度的變化上是高度一致的，在更短尺度的變化上則有所不同。如在10～15 a的時間尺度上，沿海在1969—1986、2005—2019年2個時間段內表現穩定，而山區則只是在2004—2019年表現穩定。在5～10 a的時間尺度上，沿海在1990—2000年內表現穩定，山區則從1987年起一直到2003年都表現穩定。在更短的2～4 a的時間尺度里，山區從2003—2017年均有較明顯的高低周期交替，但沿海在變化程度上稍顯平緩。周期變化通過0.05水平顯著性檢驗的，沿海是2～7 a，山區則為2～12 a。

2.3.2 寧德市≥10 ℃初終日數

從第2.1部分對積溫與初終日數變化的線性趨勢分析中得出的≥10 ℃初終日數的年際間變化相比積溫值的波動會更顯頻繁的結論，同樣在小波系數實部等值線分布上也有所體現。如圖15，與積溫的變化相類似，初終日數的周期變化也是在25 a長周期變化下重疊著相對短尺度的周期變化，10～15、5～10 a時間尺度所處的時間段與積溫的總體較為相似，但是高低值區的交替更明顯，波動相對激烈；5 a以下短尺度的波動頻率也明顯高于積溫，基本貫穿于整個分析時間段。圖16小波全譜圖中，25、13、30、2 a處的小波功率較大，通過0.05水平的顯著性檢驗的周期為2～14 a。

圖15 寧德市≥10 ℃初終日數小波系數實部等值線

圖16 寧德市≥10 ℃初終日數小波功率全譜圖

至于山區、沿海初終日數的變化差異，從小波系數實部等值線圖中可以看出，全市初終日數存在的30 a左右周期的變化特征主要是受沿海影響，而相對短尺度的周期變化更多的是受山區的影響，如5～10 a尺度在1983—2003年時間段內的表現及5 a以下短周期在2007—2019時間段內的表現。小波全譜圖中功率較大的周期范圍山區明顯高于沿海，通過0.05水平顯著性檢驗的周期范圍，沿海是2～7 a和11～14 a，山區為2～14 a。

從以上小波系數等值線圖還可看出，25 a、10～15 a周期尺度變化下的高值區在2019年前后基本已完成新的閉合，預示未來積溫升高態勢將減緩并逐漸向相對低值區演變，從圖17～18小波系數時序圖進一步可推斷出全市未來≥10 ℃積溫及初終日數的周期變化趨勢：25 a時間尺度上，≥10 ℃積溫及日數變化周期基本穩定在17 a左右，未來6～8 a將由高值區逐漸向低值區過渡；12 a的時間尺度上其變化周期基本穩定在6 a左右，未來4～5 a也將由高值區逐漸向低值區過渡；而在更短的時間尺度下，間或有年際間的高低波動，但波幅將弱于較長尺度的周期波幅，且總體趨勢也是波動向下的。

圖17 寧德市≥10 ℃積溫小波系數實部時序圖

圖18 寧德市≥10 ℃初終日數小波系數實部時序圖

2.4 茶葉積溫隸屬度

≥10 ℃積溫值的大小及日平均氣溫≥10 ℃的延續天數，既影響著茶樹一年內大致可以萌發的輪數及產量，還影響到茶葉品質，如鮮葉中茶多酚、氨基酸的含量，皆與茶樹生長期間≥10 ℃氣溫狀況存在著密切的線性相關[13,27]。因此，非常有必要對影響茶樹生育的這一重要氣象條件用數值量化的形式來衡量和比較是否適宜茶葉的種植生長[18-22]。

根據公式(2)，由于沿海縣市積溫都在5 000 ℃以上，對應的積溫隸屬度數值都為1，表明積溫條件對沿海地區而言是十分有利的；但山區的積溫基本都在5 000 ℃以下，隸屬度平均為0.93，極端年份可低至0.74，是茶葉生長的一個制約因素。圖19～20是山區的積溫隸屬度變化趨勢和突變特征，從圖中可看出，近51 a來，山區茶葉積溫隸屬度隨時間的演變特點與積溫的變化特點是高度契合的,總體趨勢呈波動式上升，說明積溫對茶葉生長的制約條件趨于好轉，且向好趨勢在突變年1997年后更為顯著；但從圖21～22也可看出，較短時間尺度的周期波動頻率和強度均較大，表明積溫變化對茶葉生長的影響并不穩定，山區茶葉出現寒凍害及沿海茶葉出現高溫熱害的風險概率增大。另外，從小波周期變化趨勢來看，未來6～8 a山區積溫隸屬度的變化將從高值區向低值區過渡。

圖19 山區茶葉積溫隸屬度線性趨勢圖

圖20 山區茶葉積溫隸屬度小波全譜圖

圖21 山區茶葉積溫隸屬度小波系數實部等值線

圖22 山區茶葉積溫隸屬度M-K統計曲線

從以上分析可看出，寧德茶葉種植由于山區與沿海熱量條件的差異較大其適宜度也有較大不同，沿海地區熱量條件基本能滿足除大葉茶種外的中、小葉茶種的生長需求，但在山區，耐寒性較強的中、小葉品種生長仍會受到一定制約，較易因熱量不足導致茶葉生長緩慢、產量不高，并且容易受到凍害等[12,14]。據陳家金等[28]對福建省茶葉氣象災害致災危險性的區劃與評估，茶葉萌芽至展葉期寒凍害危險性歸一化指數大于0.5的縣市就有寧德的4個山區縣：壽寧、周寧、屏南及柘榮，中度寒凍害年平均發生頻次在2 次以上，重度以上的年平均發生頻次在1 次以上；茶樹越冬期凍害相對較輕，凍害危險性指數在0.1以上。雖然在氣候變暖的背景下，寧德市的熱量條件有了明顯的提高，山區茶葉種植受積溫條件制約的情況總體趨于好轉，茶葉的適宜分布區具有向北、向高海拔山區移動的趨勢，但熱量資源增加并不代表熱量能均勻分布于茶葉生長的各個階段，且氣候變化使得氣候資源在時空分布上變得不穩定，極端天氣氣候事件增多、增強[12]，這也將導致山區茶葉低溫凍害及沿海高溫熱害風險增大。如2010年2月下旬寧德氣溫出現異常偏高，使得春茶發芽早不耐低溫，到3月上旬，在強冷空氣影響之下，春茶嫩梢普遍受凍，尤其是中高海拔茶區，第一輪茶葉幾乎絕收[12]。因此，熱量資源增加帶來的影響有利有弊，且茶葉的種植除了受熱量的影響，光照、濕度條件也是極為重要[12,14]，應綜合考慮多種氣候條件及農業氣象指標來合理規劃茶葉種植區域，優化種植品種。

3 小結與討論

1969—2019年寧德市熱量資源呈普遍增加趨勢，90年代中期起升速加快，主要突變點在1997年前后；熱量資源的增加與日平均氣溫升高、≥10 ℃初終日數增多關系密切。

空間分布上，沿海縣市的熱量資源好于山區，但近51 a山區的熱量資源增幅略大于沿海；突變年前沿海積溫和初終日數的變化大于山區，突變年后則山區大于沿海；山區和沿海在積溫與初終日數的時間變化總趨勢上雖然表現一致，但地域差異較為顯著，部分年份呈現反相位變化特點。

寧德市≥10 ℃積溫、初終間日數及山區茶葉積溫隸屬度共同存在25、10～15、5～10、5 a以下等多個時間尺度的變化周期，其中最為穩定的是25 a長周期變化。在相對短尺度的周期變化上，初終日數的變化強度大于積溫，山區的波動頻率和強度甚于沿海。

熱量資源條件對沿海地區茶葉生長較為有利，山區茶葉種植受積溫條件制約的情況隨著熱量資源增加得以改善，但積溫變化對茶葉生長的影響并不穩定，山區茶葉出現寒凍害及沿海茶葉出現高溫熱害的風險概率增大。

根據小波周期演變規律，可推測未來6～8 a寧德市沿海與山區≥10 ℃積溫及其初終間日數、茶葉積溫隸屬度增多或升高的態勢減緩，將由相對高值區向低值區過渡。

本研究以作物播種與開始生長的界限溫度10 ℃為分析對象，從積溫強度和作用時間兩個方面對寧德市的熱量資源分布做了時空分布上的分析，并以對氣候變化敏感的重要經濟作物茶葉為例[13-14,27]，分析寧德市熱量資源變化對茶葉生長適宜性的影響，但數據采用的基本氣象觀測站為縣級觀測站，而基于區域站更小尺度的熱量資源評價及在不同季節下的變化特征規律有待在以后的工作中進一步探索，從而使評價結果更具精細化和客觀性。