60年来中国农业水热气候条件的时空变化

　　摘要：根据1951-2010年中国824个气象站点逐日观测数据选取与农作物生长密切相关的农业气候指标，按照年代将各指标站点数据空间化，求取前后期数据变化差值，分析中国农业水热气候条件的时空变化；进而对农业水热气候条件进行线性拟合，分析农业气候变化倾向。研究发现：60年来全国年平均气温、0°C积温和最冷月平均气温等值线均在不同程度上向北迁移，三者在全国大部分区域表现为显著增加趋势；全国最热月平均气温分成明显的下降和上升区，显著上升区集中在东北地区、内蒙古高原与东南沿海，黄河与长江中下游地区成为下降区；全国年降水量的增加趋势并没有通过显著检验。虽然对中国农业分布格局至关重要的400mm等降水量线南段和800mm等降水量线在整体上相对稳定，但是黄河与长江中下游地区最热月平均气温的下降趋势和最冷月平均气温等值线尤其是0°C等值线逐渐从秦岭—淮河一带北移到黄河一线，这对中国作物的分布、耕作制度等会产生重要影响。因此，高温、低温与农作物生长期热量供应以及水分的复杂变化对农业的影响将因区域差异与作物种类而变化，后续的研究可以考虑更多因素来分析农作物的适宜种植范围及区域农业对气候变化的适应。

　　关键词：温度；降水；农业水热气候条件；时空变化；中国

　　1引言

　　以温度增加和降水变动为特征的全球气候变化使得自然系统、生物系统、人类健康等多方面发生振荡，严重依赖自然资源的领域如农业生产在气候变化下表现出明显的脆弱性和易损性[1-4]。这源于气候决定着农作物的生产潜力和产量，温度上升将提高全球大部分区域和大多数作物的热胁迫，加之降水变动下水胁迫的不稳定将对农作物生产构成威胁[5]。Edmar等模拟发现在A1B排放情景下受热胁迫变化的影响，2071-2100年全球作物适生区面积均会发生变动，其中玉米和小麦的适生区面积变动会远大于水稻与大豆[6]，但是综合水热胁迫威胁后，未来水稻种植将面临更高风险[5]。在具体区域上，未来40°N~60°N的大陆地区农业种植面临更多风险，高纬度地区农业生产也会受益，如气候变化使北欧作物适生区面积扩大和生长期延长[7-8]，2040-2069年加拿大西部春小麦和冬小麦分别增产37%和70%，东部玉米增产70%[9]。

　　2数据与方法

　　2.1指标介绍

　　本研究考虑与农作物生长密切相关的温度和降水指标分析中国大陆地区农业水热气候条件的时空变化：以年平均气温反映总的温度变化趋势，最热月平均气温和最冷月平均气温反映温度的极端变化。同时最热月平均气温也表征农业生产对高温的需求，0°C积温象征着大田农事活动持续期间热量资源变化，二者共同决定了农作物的生长期和生长期热量供应。最冷月平均气温反映农作物越冬条件的变化，年降水量代表气候变化下降水的变动及农作物生长所需水分根本来源。

　　2.2数据与处理

　　本研究根据中国气象科学数据共享服务网提供的1951-2010年中国国家824个气象站逐日观测资料，根据该数据集的说明文档，使用SQL语言剔除日平均气温、20-20时降水缺测值，将冰雪雾等转换成降水量后，计算出月平均气温与月降水量，进而求得年平均气温、最热月平均气温、最冷月平均气温与年降水量。最后依据日平均气温连续5日≥0°C确定0°C积温起止时间获得年0°C积温值。

　　3结果与分析

　　3.1点数据空间化精度评估

　　根据已有研究对半变异函数模型特点的比较以及对数据进行探索性分析后[28]，采用球状模型对农业水热气候条件进行空间插值，选取预测误差均值（meanerror）和标准均方根预测误差（root-mean-squareerror）对插值精度进行全交叉检验。在进行交叉检验时，如果预测误差均值和标准均方根预测误差分别接近0和1，说明模型较优，插值效果较好[31]。相对于其它时期，1950s农业水热气候条件的插值精度基本上是最差的（表1），这源于1950s中国的气象观测站较少，站点分布较为稀疏。随着时间的推移，气象观测站快速增加，站点分布密度增大，带来插值精度的提高。从指标间精度的差异看，最冷月平均气温六期数据的预测误差均值和标准均方根预测误差均值最接近0和1，插值精度最高。虽然0°C积温和年降水量的标准均方根预测误差与1比较接近，然而二者的预测误差均值却偏离0较多。这一部分源于0°C积温和年降水量值远大于气温值，带来预测误差均值的增大；另外在于积温和降水的空间变化受到地形、植被、坡向等下垫面的影响，积温和降水较气温随位置的空间变化更为复杂。

　　3.2农业水热气候条件时间变化

　　比较农业水热气候条件各年代值与60年平均值的差值发现（图1），年平均气温、最冷月平均气温和0°C积温在1950s-1970s均低于平均值，1980s最冷月平均气温开始高于平均值，1990s三者均大于平均值，最近20年0°C积温增加的速度最快。最热月平均气温呈现两端高、中间低的特征，即1950s先高于平均值，然后逐渐下降并在1970s下降到最低，随之开始上升并再次高于平均值。年降水量则表现出明显的随时间围绕平均值上下波动的趋势。继而分析农业水热气候条件的变动幅度（表3），气温指标中最热月平均气温的标准差和变异系数绝对值最小，年平均气温次之，最冷月平均气温的标准差和变异系数绝对值最大。最热月平均气温与最冷月平均气温标准差的差异源于中国夏季最热月南北温差远小于冬季最冷月平均气温的南北温差，二者变异系数的区别表明最热月平均气温随时间的波动幅度要远小于最冷月平均气温。因0°C积温和年降水量的数值较大及二者分布的区域性特征显著，致使二者的标准差较大，不过0°C积温各年代的变异系数稳定在0.4，年降水量各年代的变异系数也基本稳定在0.6~0.7，表明全国0°C积温和年降水量随年代波动的频率是比较稳定的。

　　4讨论

　　综观60年来农业水热气候条件的时空差异，除最热月平均气温外，全国农业气候热量资源基本是显著增加态势，农业气候降水资源则是不显著增加特征。农业水热气候条件的变化对农业生产的影响会因地理位置、作物特性出现差异：东北地区4个温度指标的显著上升增加了该区域的热量资源，缩小了其低温区范围，使作物生长期内温度适宜程度偏向好转，利于生育期长作物品种的推广种植[32]；除天山西侧迎风坡外，西北地区4个温度指标的上升基本通过显著检验，但是60年来整个西北地区降水增加趋势并不显著，无法验证西部暖湿化、东部暖干化或整个西北地区暖干化的论断[16,33-34]。虽然西北地区增加的光热资源利于部分绿洲地区部分作物的生长[22]，但是该区域位于降水偏少的大陆内部，增加的热量也会加速植物生长过程中的蒸腾作用；60年来华北地区最冷月平均气温的显著上升减少了低温对越冬作物的危害，利于该区域主要作物—冬小麦的顺利越冬与生长，这与胡实等发现冬季升温增加了该区域冬小麦的产量相一致[21]。华北中南部地区最热月平均气温的下降减少了对夏季喜温作物热量资源的供应，不利于满足部分作物对高温的需求，使得该区域夏玉米气候适宜度下降[26]；除最热月平均气温在长江中下游呈下降趋势外，南方其他区域的温度指标基本呈显著增加态势，南方地区光热资源更加丰富，利于降低冬季低温对农作物的破坏、扩大部分喜温作物的适宜种植面积。但是增加的热量也会缩短作物生长期、减少作物累积营养物质的时间等，从而影响部分农产品的质量，给未来农业生产带来风险[35]；在青藏高原热量资源也多是显著上升态势，尤其是河谷地区最热月平均气温和0°C积温的上升更利于喜凉作物的稳定成熟，这与Zhang等认为增温提高了雅鲁藏布江河谷地区种植密度增加、使得种植海拔上界提高从而扩大了种植面积相一致[36]。

　　参考文献(References)

　　[1]BurtonI,HuqS,LimBetal.Fromimpactsassessmenttoadaptationpriorities:Theshapingofadaptationpolicy.ClimatePolicy,2002,2:145-159.

　　[2]RagabR,PrudhommeC.Climatechangeandwaterresourcesmanagementinaridandsemi-aridregions:Prospectiveandchallengesforthe21stcentury.BiosystemsEngineering,2002,81(1):3-34.

　　[3]FernandaMS,MariaLF.Climatechangeanditsmarginalizingeffectonagriculture.EcologicalEconomics,2009,68:896-904。

　　作者宁晓菊，秦耀辰，崔耀平，李旭，陈友民

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