1980—2021 年甘南高原農牧業熱量資源的時空變化分析

張東琴，賁有生，金滿慧，廖倩倩，王殿國

1.甘肅省夏河縣氣象局，甘肅夏河 747100；2.甘肅省甘南藏族自治州氣象局，甘肅甘南 74700；3.甘肅省臨潭縣氣象局，甘肅臨潭 747500；4.甘肅省碌曲縣氣象局，甘肅碌曲 747200

近年來，全球氣候變化引起了廣泛關注，其對生態環境、社會經濟和人類健康等方面的影響已經成為全球面臨的最重要的環境問題之一。高原地區作為全球最敏感的生態系統之一，其氣候變化特征表現出了高原變暖放大效應[1]。《中國氣候變化藍皮書(2020)》指出，1961—2019年，青藏高原地表氣溫升溫速率為0.37℃/10年，而同期全球增溫速率為0.16 ℃/10年。在此背景下，氣候變化對農牧業生產的影響引起了廣泛關注[2]。IPCC第五次評估報告指出，氣候變化將影響作物生長，威脅糧食系統的穩定。郭佳等[3]歸納總結了國內學者關于氣候變化對中國農業氣候資源和農業影響的研究成果，發現北方地區熱量資源的增幅明顯大于南方地區。有學者研究了1979—2018年中國積溫的時空變化特征，發現積溫帶呈向北移和向高海拔地區移動的趨勢，高積溫帶的面積逐年增加，低積溫帶的面積縮小。同時，根據CMIP6預測未來積溫這種變化趨勢持續。趙彥茜等[4]分析了氣候變暖背景下，中國物候變化規律特征，結果表明作物物候變化的主導驅動因子是氣候變化，對作物物候變化起到決定作用，其次是農業管理措施，農業管理措施可以在一定程度上減輕氣候變化對作物的不利影響。

甘南高原位于甘肅省西南部，地處青藏高原東部邊緣，青海、甘肅和四川3省的交界處。該地區地形復雜，海拔差大，由于地勢西北部高，東南部低，導致了不同地區氣候差異較大。甘南高原海拔為1 100～4 900 m，大部分地區海拔高于3 000 m。自然類型區可分為南部岷迭山區、東部丘陵山帶、西北部廣闊的草甸草原。根據農業生產條件，甘南高原可分為純牧區、半農半牧區與農區[5]。受地理環境的限制，甘南高原以農業和畜牧業發展為主，近年來，甘南在發展經濟的同時注重農牧民生產生活方式的創新改革，大力培育和發展特色產業，由農牧業發展帶動周邊產業的發展。因此，深入分析1980—2021年甘南高原農牧業熱量資源的時空分布變化，明確甘南高原農牧業熱量資源的資源分布特征，為甘南農牧業發展、優化農牧業產業結構及其應對氣候變化的決策提供重要的理論依據。研究選取≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫及其持續日數代表熱量指標，從平均值的年際變化、突變分析、空間分析和年代際變化等研究1980—2021年甘南高原熱量資源的時空變化。

1 資料和方法

1.1 氣象數據資料

所用氣象數據來自甘南藏族自治州8個氣象站(圖1)。1980—2021年逐日氣象觀測資料及經度、緯度、海拔資料。

圖1 甘南氣象站點分布

1.2 基礎地理信息資料

所用基礎地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的1:250 000的基礎地理信息，數字高程數據DEM來源于地理空間數據云(https://www.gscloud.cn/)，根據DEM獲取經緯度、海拔等地理信息。

1.3 方法

1.3.1 農牧業熱量資源檢測指標用≥0 ℃積溫和≥10 ℃活動積溫及其持續日數代表熱量指標，運用8個氣象站的要素平均值代替該要素甘南整體情況。資料統計應用Excel、MATLAB等軟件。

1.3.2 分析方法采用氣候傾向率法分析氣象要素的趨勢變化,氣候傾向率法是采用最小二乘法對氣候趨勢進行分析，利用時間系數衡量農牧業氣候資源的變化趨勢和幅度，并對其進行顯著性檢驗。用Mann-Kendall檢驗(簡稱M-K檢驗)和滑動t檢驗2種檢驗方法交互檢驗和驗證要素的突變點。M-K檢驗是一種非參數統計檢驗方法，其優點在于樣本不需要遵守一定的分布，也不受少數異常值的影響；滑動t檢驗通過考查2組樣本平均值的差異檢驗突變是否顯著[6]。

在空間分析方面，使用ArcGIS普通克里金法對氣候要素進行空間插值。該插值方法是區域化變量的線性估計，它假設數據變化呈正態分布，認為區域化變量Z的期望值是未知的常量，插值過程類似加權滑動平均，權總值的確定來自空間數據分析[7]。

2 結果與分析

熱量是農業環境的重要因子，也是生物體生活的重要條件。熱量通過其強度、持續時間和變化規律等方面對農牧業產生影響。熱量的變化主要來源于溫度。積溫是常用的熱量資源評判指標，日平均氣溫≥0 ℃積溫一般被認為評估植物凍害風險的重要指標，日平均氣溫≥10 ℃積溫一般用來判定喜涼和喜溫作物生長情況的重要指標[8]。

2.1 熱量資源的時間分布和趨勢變化

由圖2可見，≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫和天數呈現出波動式上升的趨勢，且兩者的演變特征相似。≥0 ℃積溫整體以98.5 ℃·d/10年的傾向率顯著上升，其中，最高值出現在2010年，達到了2 676.4 ℃·d，而最低值出現在1986年，為2 143 ℃·d，這表明該地區的積溫逐漸增加，也相應延長了暖季的時長[9-12]。

圖2 甘南1980—2021年≥0 ℃(a)和 ≥10 ℃(b)積溫天數及平均值的年際變化

同樣，≥10 ℃積溫氣候傾斜率為104.7 ℃·d/10，相關系數0.808，也通過了極顯著性檢驗(α=0.001)。≥10 ℃積溫的最高值出現在1998年，達到了2 042 ℃·d，而最低值出現在1982年，為1 458.3 ℃·d。進一步表明該地區的溫度逐漸升高，暖季的溫暖程度也在增加。

2種積溫的年代際變化特征相似(表1)，20世紀80、90年代為負距平，進入21世紀以來，轉為正距平。尤其是20世紀90年代以后積溫增長顯著。

表1 積溫平均值的年代際距平 ℃·d

2.2 熱量資源的突變分析

(1)根據所給的M-K檢驗和滑動t檢驗結果顯示(圖2a、圖2b)，1997年UF和UB2條曲線出現交點，交點在臨界線之外，1989年之后的每年UF值呈現上升趨勢，即超過0 ℃積溫逐年增加。滑動t檢驗結果進一步支持了這一結論，統計量均為正值，且峰值出現在1997年，超過了0.01的顯著性水平。綜合考慮M-K檢驗和滑動t檢驗的結果，可以確定≥0 ℃積溫的突變點發生在1997年[13-15]。

(2)在M-K檢驗中(圖2c)，≥10 ℃積溫在1988年之后的UF值逐年呈現上升趨勢，UF和UB 2條曲線在1996年附近出現交點，交點在臨界線之外。在滑動t檢驗中(圖2d)，統計量在2010年前為正值，之后為負值。此外，滑動t檢驗還顯示出2個顯著的峰值，分別在1993年和1997年，且均超過了0.01顯著性水平。綜合考慮，≥10 ℃積溫的突變點出現在1997年，這意味著從1997年開始，氣溫變化的趨勢經歷了顯著的變化，呈現出更加明顯的上升趨勢。

2.3 熱量資源的空間分析

積溫對農牧業來說非常重要，分析其空間分布特征，可用于指導農業生產、保護生態環境，為不同地區氣候特點的農牧業生產提供依據。積溫受到地理經緯度、海拔、地形等因素的影響。利用甘南8個氣象臺站1980—2021年的積溫資料和根據DEM獲取經緯度、海拔等地理信息，建立積溫和地形要素的多元線性回歸方程，并通過了α=0.001極顯著性檢驗，說明回歸結果擬合度高。然后用ArcGIS普通克里金法對要素進行空間插值，得到了積溫的空間分布圖[16-17]。

從活動積溫多年平均空間分布來看(圖略)，≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫空間分布相似，積溫表現為空間上的分布不均勻，不同地區的積溫存在明顯差距。東部地區出現了較高的積溫值，而西部地區的積溫值相對低很多，這可能與東部地區更加適宜作物生產有關。

根據年代際演變可以看出，≥0 ℃積溫空間分布在時間上也存在一定的變化(圖略)，≥0 ℃積溫整體隨時間推移變大。20世紀80年代高值區在舟曲，≥0 ℃積溫在3 500～4 000 ℃·d，甘南西部高值區在夏河縣東北部，≥0 ℃積溫為2 000～2 500 ℃·d，甘南中部高值區在臨潭縣和卓尼縣交界處，此時全州大部≥0 ℃積溫在1 500 ℃·d以下。至20世紀90年代，低值區面積縮小，高值區面積擴大，在迭部縣東部出現了3 000～3 500 ℃·d的中心。至21世紀00年代，舟曲縣出現了4 000 ℃·d以上的高值中心，此時，甘南州大部分地方的≥0 ℃積溫在1 500 ℃·d以上。

3 結論

系統分析了甘南高原1980—2021年農業熱量資源的時空變化。研究表明：≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫和天數呈現出波動式上升的趨勢，≥0 ℃積溫上升速率為98.5 ℃·d/10年，≥10 ℃為104.7 ℃·d/10年，說明甘南高原暖季的時長和強度都在不同程度地增長，尤其是20世紀90年代以后積溫顯著增長，同時都在1997年發生了明顯突變。活動積溫的持續日數上也表現出高值區(舟曲)≥0 ℃活動積溫持續日數以≥10 ℃為主，而低值區(瑪曲)≥0 ℃活動積溫持續日數以0～10 ℃為主。從空間分布來看，差異顯著，高值中心位于甘南東部迭部、舟曲，低值中心在甘南西部，呈現出東高西低的特點。