氣候變化對廣東沙田柚種植氣候區劃的影響

張柳紅， 梁敏妍， 杜堯東

(1.廣東省氣候中心，廣州 510640； 2.江門市氣象局，廣東 江門 529030)

引 言

農業氣候區劃可為實現農業區域化、專業化、現代化而制定的農業規劃提供農業氣候的依據[1]。20世紀50年代起，我國學者在學習原蘇聯等國外農業氣候區劃經驗的基礎上，結合我國實際情況,開始農業氣候區劃研究[2]。廣東省已于1964年開展了農業氣候區劃工作，在廣東雙季稻、荔枝、龍眼、香蕉、芒果、冬種辣椒、冬種馬鈴薯等作物的種植氣候區劃方面已有研究[3-10]，并應用于生產實際，對合理利用氣候資源，促進廣東特色農業發展有著積極作用。近年來，廣東沙田柚的種植面積不斷增加，投入和產值比重越來越大，而廣東沙田柚種植氣候區劃尚未成體系，由此會給生產管理帶來偏差，部分地區甚至忽視氣候條件的適宜性而盲目擴大種植區域，容易導致沙田柚產量低且不穩定、品質下降的現象發生，從而影響到沙田柚的生產效益及其可持續發展。

全球氣候變化已經并將持續對全世界的種植制度帶來嚴重影響[11]，中國種植北界、作物產量和災害風險有所響應[12-14]。廣東自南向北橫跨北熱帶、南亞熱帶和中亞熱帶3個氣候帶，氣候資源豐富，是我國熱帶、亞熱帶經濟作物和林果的重要生產基地。但廣東也處于對氣候變化敏感的南海季風區和全球氣候變化趨勢南北位相相反的交界帶，在全球氣候變化的背景下，廣東的氣候也發生了顯著變化，導致氣候帶發生北移，作物氣候適宜性改變[15-17]。因此，研究廣東沙田柚種植的氣候區劃，明確氣候變化對廣東沙田柚種植氣候區劃的影響范圍和程度，從而采取針對性的適應措施，是政府部門、科學技術研究工作者、廣大種植和擬種植農民群眾關心的重大問題?？茖W的廣東沙田柚種植區劃，一方面可為立足當地氣候優勢、促進沙田柚的合理規劃布局和相關產業的可持續發展提供科學參考，另一方面也可降低氣候變化可能產生的不利影響，為政府制定農業適應氣候變化政策和農業結構調整提供決策支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源和處理

本文選用的廣東省86個國家氣象站的溫度、降水觀測資料來自廣東省氣候中心，起止時間為1961-2019年，根據氣候統計學方法計算≥10 ℃年積溫，采用線性趨勢分析法、累積距平和t檢驗研究氣候要素的變化趨勢和突變特征[4,18-20]。地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的1∶25萬廣東省基礎地理信息數據，運用ArcGIS軟件進行數據的空間插值分析并繪制空間柵格圖。

1.2 研究方法

1.2.1 區劃指標選取和權重確定

何天富[21]、石健泉[22]、蘇永秀[23]等的研究表明，在氣候條件中，溫度是影響沙田柚果樹分布、生長發育和產量品質的關鍵因子，年降雨量和日照時數對沙田柚的產量品質也有較大影響。廣東降水季節分布不均，且年際變化大。4-9月的汛期多大雨、暴雨天氣，容易造成沙田柚幼果脫落，從而導致掛果率低、產量下降；冬春季節廣東部分地區易發生干旱，不利于結果母枝生長和果實發育[23]。沙田柚是短日照作物，年日照時數在1000～2600 h均能滿足其生長發育[23]。廣東省各地年日照時數介于1387～2194 h，可滿足沙田柚生長需要，故日照時數不列入區劃指標。因此，本文選取年平均氣溫(T)、1月和7月平均氣溫(T1和T7)、極端最低氣溫(Tmin)、極端最高氣溫(Tmax)、≥10 ℃年積溫(Ta)、年降雨量(R)作為廣東沙田柚種植氣候區劃的指標因子，綜合考慮文獻報道、廣東省地方標準《沙田柚生產技術規程 DB44/T 133-2003》和《地理標志產品 長壩沙田柚 DB44/T 864-2011》,對區劃指標進行分級，并利用層次分析法[24]確定上述7個指標因子的權重值(表1)。

表1 廣東沙田柚種植氣候適宜性區劃指標

1.2.2 區劃指標空間分布模型的建立

為客觀描述廣東不同地域的氣候資源狀況，充分反映沙田柚種植的各個區劃指標在廣東的實際分布，建立氣候區劃指標與地理屬性(經度、緯度和海拔高度)的空間分析模型，表達式如下：

F=f(φ,λ,h)+ε

(1)

式中，F為區劃指標因子；f(φ,λ,h)為氣候學方程,φ、λ和h分別代表緯度、經度和海拔高度；ε為綜合地理殘差，可視為基于地理因子擬合的氣候學方程的殘差部分。

通過對廣東省86個地面氣象站的觀測數據與對應站點經緯度和海拔高度的相關分析，采用多元線性回歸法,建立各個區劃因子的空間分布模型，再通過殘差訂正[23]，模擬計算出氣象因子在有測站地區和無測站地區的分布。經檢驗，各氣候態時段的各項溫度指標氣候學方程復相關系數介于0.636～0.980，F值為18.535～653.650，說明方程回歸效果好，且方程均通過了0.01的顯著性檢驗，表明溫度指標與經緯度、海拔高度等地理信息相關性強，故對各項溫度指標擬合值和實測值均作分析；各氣候態時段年降雨量空間分析模型都未通過檢驗，故下文對年降雨量指標實測值進行分析。

1.2.3 種植氣候區劃專題圖的制作

在ArcGIS平臺上，輸入經度、緯度和海拔高度等柵格化數據，利用沙田柚種植氣候區劃溫度指標的空間分布模型，對相應的氣候指標進行運算得到殘差值，采用反距離權重法將殘差值內插到1 km×1 km網格點上，從而分別得到各個溫度指標的千米網格空間分布圖。對于年降雨量，先繪制年降雨量實測值散點圖，再運用反距離權重法進行插值得到年降雨量空間分布圖。使用RECLASSIFY命令,按照表1對各區劃指標值進行等級劃分并賦分值(最適宜、適宜、次適宜和不適宜依次為1分、2分、3分和4分)，最后將各區劃指標分值及其對應權重值的乘積之和作為量化指標,評價沙田柚種植的氣候適宜性。

2 結果與分析

2.1 區劃因子的時間變化特征

1961-2019年，廣東年平均氣溫和7月平均氣溫分別以0.19 ℃·10a-1和0.07 ℃·10a-1的速率呈上升趨勢(圖1a和圖1b)，59年來分別升高了1.12 ℃和0.41 ℃。從年平均氣溫和7月平均氣溫序列的累積距平可以看出，1997年為累積距平的最小值(圖1a和圖1b)。對1961-1997年和1998-2019年廣東年平均氣溫和7月平均氣溫分別進行t檢驗，結果顯示，|tT|=7.922，大于t0.001(3.470)和|tT7|=2.593，大于t0.05(2.002)，說明近59年廣東年平均氣溫和7月平均氣溫均于1997年發生了突變，突變后(1998―2019年)較突變前(1961-1997年)分別升高了0.72 ℃和0.36 ℃。

根據1961-2019年廣東1月平均氣溫及其累積距平變化圖(圖1c)，廣東1月平均氣溫以0.23 ℃·10a-1的速率呈明顯的上升趨勢，59年來升高了1.35 ℃，2012年為累積距平的最小值。對1961-2012年和2013-2019年廣東1月平均氣溫進行t檢驗，結果表明，|tT1|=2.118，大于t0.05(2.002)，說明廣東1月平均氣溫于2012年發生了突變，突變后(2013-2019年)較突變前(1961-2012年)顯著升高了1.17 ℃。

從1961-2019年廣東極端最高氣溫及其累積距平變化圖(圖1d)可知，廣東極端最高氣溫以0.19 ℃·10a-1的速率顯著上升，59年來升高了1.12 ℃，2002年為累積距平的最小值。對1961-2002年和2003-2019年廣東極端最高氣溫進行t檢驗，結果顯示，|tTmax|=5.373，大于t0.001(3.470)，表明近59年廣東極端最高氣溫于2002年發生了突變，突變前后相差了0.81℃。極端最低氣溫方面(圖1e)，1961-2019年，廣東極端最低氣溫以0.41 ℃·10a-1的速率呈顯著上升趨勢，59年來顯著升高了2.42 ℃，累積距平最小值出現于1993年，故對1961-1993年和1994-2019年廣東極端最低氣溫進行t檢驗，結果為|tTmin|=4.013，大于t0.001(3.470)，說明廣東極端最低氣溫于1993年發生突變，突變前后相差1.29 ℃。

由1961-2019年廣東≥10 ℃年積溫及其累積距平變化圖(圖1f)可知，廣東≥10 ℃年積溫以97.78 ℃·d·10a-1的速率增加，59年來上升了576.90 ℃·d，累積距平的最小值出現在1996年。對1961-1996年和1997-2019年廣東≥10 ℃年積溫進行t檢驗，結果顯示，|tTa|=7.525，大于t0.001(3.470)，表明近59年廣東≥10 ℃年積溫于1996年發生了突變，突變后較突變前上升了328.19 ℃·d。

1961-2019年，廣東年降雨量年際變化波動較大,但總體呈上升趨勢，上升速率為24.17 mm·10a-1，59年來增加了142.60 mm(圖 1g)。根據廣東年降雨量序列的累積距平百分率，其最小值出現在1991年。對1961-1991年和1992-2019年廣東年降雨量進行t檢驗，結果顯示，|tR|=1.361，小于t0.05(2.002)，表明近59年廣東年降雨量差異不顯著，未通過顯著性水平為0.05的檢驗。

根據1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年氣候平均值(表2)，年平均氣溫和≥10 ℃年積溫在4個氣候態時段持續上升且上升幅度大，分別從1961-1990年的21.4 ℃和7644.4 ℃·d升高至1991-2019年的22.1 ℃和7945.1 ℃·d，相當于在每個氣候態時段年平均氣溫上升幅度為0.2～0.3 ℃，≥10℃年積溫增加近100 ℃·d；1月平均氣溫和極端最低氣溫總體呈上升趨勢，1991-2019年較1981-2010年保持不變或有所回降；7月平均氣溫和極端最高氣溫在1961-1990年和1971-2000年均保持一致，1981-2010年都有所升高，7月平均氣溫上升了0.1 ℃,并在1991-2019年繼續升高0.1 ℃，極端最高氣溫升高至39.0 ℃,并在1991-2019年保持不變；各氣候態時段年降雨量雖有波動，但總體呈增加趨勢。

表2 各氣候態時段廣東沙田柚種植氣候區劃指標變化

圖1 廣東沙田柚種植氣候區劃指標及其累積距平變化

2.2 氣候區劃的空間變化特征

1961-1990年廣東沙田柚種植氣候區劃最適宜區主要分布在梅州大部、河源大部、韶關中部、清遠南部和肇慶北部，云浮、茂名、廣州、惠州、潮州等地零星分布，面積為4.10×106hm2，占全省總面積的22.83%；適宜區分布面積最廣，達8.02×106hm2，占全省總面積的近一半，其分布地帶與最適宜區分布地帶大部分重疊，較之增加的地帶主要位于清遠、韶關、河源和梅州等地市的北部地區；次適宜區主要分布在南部地區，面積為5.36×106hm2，占全省總面積的29.84%；不適宜區主要在清遠和韶關兩市的北部高寒山區，面積最小，為0.49×106hm2，占全省總面積的2.70%(圖2a，表3)。與1961-1990年廣東沙田柚種植氣候區劃圖相比，1971-2000年最適宜區和適宜區分布比例和面積均有所縮小，比例分別降低至18.24%和40.14%，面積分別減少了0.82×106hm2和0.81×106hm2。其中，最適宜區整體向北退縮，梅州和河源兩市的最適宜區面積退減最為顯著，清遠的次之；次適宜區和不適宜區分布比例分別增加了8.55%和0.54%，面積分別增至6.90×106hm2和0.58×106hm2，其中次適宜區向北擴張較為明顯，基本填補了最適宜區和適宜區的減少面積(圖2b，表3)。1981-2010年廣東沙田柚種植氣候區劃圖中，最適宜區面積由1961-1990年的4.10×106hm2縮減到3.45×106hm2，面積比例縮減了3.61%，其中，梅州面積縮減最明顯，河源的次之;而較1971-2000年的面積和比例微弱增加，分別增加了0.17×106hm2和0.98%，增加地帶主要分布在韶關和清遠兩市。適宜區面積大幅縮減，面積由1971-2000年的7.21×106hm2縮減到1981-2010年的5.53×106hm2，所占比例縮減了9.34%。次適宜區持續向北擴張，較1971-2000年的面積和比例分別增加了1.34×106hm2和7.45%。不適宜區持續增多，與1971-2000年的相比，面積和比例分別增加了0.16×106hm2和0.90%，主要增加在韶關西北部地區(圖2c，表3)。與1981-2010年廣東沙田柚種植氣候區劃圖相比，1991-2019年最適宜區面積和比例保持不變，分別為3.45×106hm2和19.22%；適宜區面積和比例持續縮減，分別縮減至5.02×106hm2和27.95%；次適宜區仍繼續北擴，面積和比例分別增加至8.84×106hm2和49.19%；不適宜區面積和比例有所回緩，分別為0.65×106hm2和3.64%(圖2d，表3)。

圖2 不同氣候態時段廣東沙田柚種植氣候區劃圖

總的來說，在1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年這4個氣候態時段中，廣東沙田柚種植氣候區劃最適宜區和不適宜區的面積和比例呈波動變化，且變化幅度相對較小。其中，最適宜區的面積和比例在各個氣候態時段中，先減后稍微回升，最后保持不變；不適宜區在前3個氣候態時段中持續上升，但在1991-2019年有所回落。1991-2019年較前3個氣候態時段，年平均氣溫和極端最低氣溫不適宜區面積持續增加，≥10 ℃年積溫小幅增加，1月平均氣溫在前兩個氣候態時段中增幅較大，而后有所回升，7月平均氣溫和年降雨量空間分布變化較小，但極端最高氣溫不適宜區面積有些許減少，而最適宜區面積有所增加，說明年平均氣溫、1月平均氣溫、極端溫度對最適宜區和不適宜區變化趨勢影響較大。適宜區面積和比例持續下降，在1991-2019年下降至最低值，主要是年平均氣溫、極端最低氣溫、≥10 ℃年積溫適宜區面積持續縮減所致；次適宜區與適宜區相反，呈持續上升的趨勢，且上升幅度大，面積從1961-1990年的5.36×106hm2上升至1991-2019年的8.84×106hm2，占全省面積的比例上升了近20%(由29.84%上升至49.19%)，這與1991-2019年年平均氣溫和≥10 ℃年積溫的次適宜區面積較1961-1990年明顯擴大有關。

表3 不同氣候態時段廣東沙田柚種植氣候區劃各等級面積和比例

3 結論和討論

確定指標體系是進行氣候區劃的基礎。根據沙田柚對氣候條件的要求，本研究選取對沙田柚生長發育和產量品質有重要影響的年平均氣溫、1月和7月平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、≥10 ℃年積溫和年降雨量7個氣候因子作為廣東沙田柚種植氣候區劃指標，結合廣東省地方標準對區劃指標進行分級，并通過建立區劃指標與經緯度、海拔高度的空間分析模型和殘差訂正，考慮了氣候要素受小地形影響產生的微小波動，克服了傳統農業氣候區劃以觀測點值代表整個縣域面值的誤差[25]，從而得到更細致、更精確、更符合地方實際的沙田柚氣候區劃圖。

氣候區劃因子的變化及其變化幅度的大小對氣候區劃結果影響較大，當然與各因子權重系數也有關系。本研究針對各區劃因子的線性趨勢擬合結果表明，1961-2019年，廣東年平均氣溫、1月和7月平均氣溫、極端最高和最低氣溫、≥10 ℃年積溫和年降雨量等氣候因子均出現不同程度的上升趨勢，其中年平均氣溫、1月平均氣溫、極端最高和最低氣溫及≥10 ℃年積溫增高趨勢明顯。累積距平和t檢驗結果顯示，除年降雨量年際波動較大沒有顯著突變外，其余6個因子發生了由冷變暖的顯著突變，且突變點年份主要集中在20世紀90年代。與1961-1990年相比，1991-2019年各因子的氣候平均值都有所增加，氣溫增幅在0.2～0.7 ℃，≥10 ℃年積溫和年降雨量分別增加了300.7 ℃·d和61.1 mm。值得說明的是，由于各個氣候因子突變年份不一，未對突變前后的沙田柚氣候區劃圖變化情況進行研究。

廣東沙田柚主產區主要分布在梅州梅縣、興寧、蕉嶺和平遠等縣(市)，河源龍川縣和東源縣，韶關曲江區和仁化縣，清遠連南縣及肇慶懷集縣等地，這些地區處于廣東南亞熱帶北區[26]。從1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年4個氣候態時段廣東沙田柚種植氣候區劃圖可看出，區劃結果與實際種植區域基本吻合，進一步驗證了區劃指標體系的合理性。隨著氣候變暖的發生和延續，廣東沿海地區氣候變暖速度快于北部山區的，南北熱量差距進一步擴大，對南亞熱帶向北推進有利[15]。從廣東沙田柚氣候區劃結果來看，在氣候變暖趨勢下，各氣候態時段的氣候平均值不斷增大，導致1991-2019年沙田柚種植氣候最適宜區和適宜區面積較1961-1990年的大幅減少的同時，其分布區域也在往北移動，韶關地區表現最明顯，同前人研究中作物種植界限北移的結果一致[13,14]。

全球氣候變化已有廣泛認同，不同氣候態時段下的廣東沙田柚種植氣候區劃結果驗證了廣東氣候確實發生了變化，廣東沙田柚種植的氣候最適宜區和適宜區面積在減少，建議政府部門適時調整優化沙田柚生產及其相關產業的規劃布局，合理利用氣候資源，趨利避害，在最適宜區和適宜區適當擴大種植區域，在次適宜區和不適宜區改種其他作物或抗旱、抗寒、耐高溫的沙田柚改良品種，以促進農村特色產業的高質量發展。另外，隨著氣候變化幅度的增大，極端氣候事件愈發頻繁，嚴重影響柚子生產，例如極端霜凍天氣會延緩柚子花期，影響產量，極端高溫會加快柚子樹的水分蒸發，導致柚果發育不良等。氣象部門可制作沙田柚專題氣象服務產品，以科學指導柚農提前采取樹盤覆蓋、適當修剪枝條等措施避免或減輕災害影響。