包头地区近46年农业热量资源的时空变化特征

李宏伟 李秀华 王林海 麻旭东 胡雪 王玉静 乌兰

摘要 依据1970—2015年包头地区7个气象台站年均气温、≥10 ℃年活动积温和无霜期的数据，采用气候倾向率法和IDW插值法，研究包头地区近46年气温、积温和无霜期的时空变化特征。结果表明：包头地区近46年年均气温、≥10 ℃活动积温和无霜期年代际变化为大致随年代的增加而增加，增温幅度为0.46 ℃/10 a，年平均气温46年升高约2.12 ℃;≥10 ℃年活动积温以99.38 ℃·d/10 a的倾向率升高，46年增加约457.2 ℃·d;年均无霜期以4.76 d/10 a的倾向率延长，46年延长约22 d;平均气温、≥10 ℃年活动积温和无霜期的空间特征为包头市区和土默特右旗明显高于达茂旗和固阳县，年代间变化特征大致为低值区范围在逐渐缩小，高值区范围在逐渐扩大，年代间增暖的空间特征明显。

关键词 农业热量资源;时空变化;包头地区

中图分类号 S161.2文献標识码 A文章编号 0517-6611（2018）35-0149-06

气温、积温和霜冻期的长短等指标常用来衡量某地区热量资源的多少，热量资源与农业生产密切相关。在气候变暖的背景下[1]，我国热量资源也发生了变化[2-6]，这在一定程度上影响了农业生产[7-11]。近50年，全国热量资源（平均、最高、最低温度和积温）呈增加趋势，且最低温度变化幅度高于最高温度，对气候增暖起主要作用[2]。中国80%以上区域呈现初霜日退后、终霜日提前和无霜期延长的趋势[6]。近10年来，东北水稻向北扩张，种植北界北移了4个纬度;东北地区水稻生长期内光热水同步，且昼夜温差大，东北水稻生产可能是对气候变化的良好适应[12]。气候变暖将改善区域的热量资源，积温增多，我国长江以北特别是中纬度和高原地区的作物生长季节延长，低温冷害有所减轻，喜温作物界限北移，晚熟作物品种种植面积增加，促进了种植结构的调整[13]。

包头地区属于典型的中温带半干旱大陆性季风气候，相关部门近年来加大对农牧业的投入力度，结合各区域农牧业资源禀赋，初步形成北部草原畜牧发展带、中部旱作节水农业发展带和南部现代农牧业发展带的新格局，菜、薯、乳、肉 四大主导产业比重达到70%以上。笔者以包头地区为例，分析了近46年来农业热量资源的时空变化特征，以期在气候变暖的大背景下充分利用农业热量资源，为当地农业生产提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究地区概况

包头地区位于109°15′～111°25′E，40°15′～42°45′N，面积为27 768 km2，该区域属半干旱中温带大陆性季风气候，年平均气温5.9 ℃，昼夜温差大。由于阴山山脉大青山段横贯中部，形成北部高原、中部山地、南部平原3个地形区域。

1.2 资料与方法

利用包头市7个气象台站1970—2015年的年平均气温、≥10 ℃年活动积温、无霜期的观测资料，研究分析此期间包头地区农业热量资源的时空变化特征。气候倾向率采用一元线性回归方程拟合：y=ax+b，a为趋势倾向率或变化率，绝对值大小反映气候要素的变化程度[14-15]。

气候空间分布模拟基于Arcgis10.1的反距离插值法（IDW）形成气候要素的空间分布模拟。

2 结果与分析

2.1 包头地区近46年农业热量资源的年代际变化特征

2.1.1 年平均气温。

由表1可见，自20世纪70年代以来，年代间平均气温在逐步升高。20世纪70年代年平均气温为4.42 ℃，80年代4.62 ℃，90年代升高到5.58 ℃，年平均气温较70年代升高了1.16 ℃。进入21世纪，年代间平均气温继续保持升高态势，2000—2009年平均气温5.79 ℃，2010—2015年平均气温为5.84 ℃ 。1970—2015年包头市年平均气温为5.20 ℃。近46年来，包头地区年平均气温在波动中升高，增温幅度为0.46 ℃/10 a，年平均气温46年升高约2.12 ℃，增温幅度达极显著水平（R=0.729 1）。

2.1.2 ≥10 ℃年活动积温。

当日平均气温稳定上升到10 ℃以上时，大多数农作物才能活跃生长，所以常用≥10 ℃年活动积温衡量大多数农作物生长所需的热量状况[16]。表1表明，1970—2009年，年代间≥10 ℃年活动积温在逐步升高。20世纪70年代≥10 ℃年活动积温为2 679 ℃·d，80年

代2 749 ℃·d，90年代2 850 ℃·d，2000—2009年≥10 ℃年活动积温增幅最大，较过去10年增加了165 ℃·d，为3 015 ℃·d，2010—2015年略有降低。1970—2015年包头市≥10 ℃年活动积温平均值为2 846 ℃·d。≥10 ℃年活动积温的变化趋势。近46年来，包头地区≥10 ℃年活动积温在波动中升高，以99.38 ℃·d/10 a（r=0.74）的倾向率呈现升高趋势，46年升高约457.2 ℃·d。

2.1.3 无霜期。

无霜期是指一年中终霜后至初霜前的一整段时间，无霜期与农作物生长期有密切关系，是农业上重要的热量指标[17]。从表1可以看出，1970—2009年年代间无霜期在逐步延长，2010—2015年平均无霜期略有缩短。20世纪70年代年均无霜期为115 d;80年代延长至128 d，10年间年均无霜期延长13 d;90年代为130 d。21世纪头10年年均无霜期缓慢延长至135 d，2010—2015年为134 d。近46年来，包头地区年均无霜期表现为明显的延长趋势，其倾向率为4.76 d/10 a（r=0.61），46年延长约22 d。

2.2 包头地区近46年农业热量资源年代间空间变化特征

2.2.1 年平均气温。

年平均气温包头市区和土默特右旗明显高于达茂旗和固阳县，年平均气温年代间变化特征大体为低值区范围在逐渐缩小，高值区范围在逐渐扩大，且7个气象站点年代间平均气温也在逐渐升高，年代间增暖的空间特征明显。20世纪70年代，年平均气温3 ℃分布区西部集中在达茂旗的巴音花镇、明安镇、白云矿区及固阳县西北部西斗铺镇大部和兴顺西的局部区域，东部则位于希拉穆仁镇和石宝镇的局部，自此之后3 ℃分布区的面积在年代间表现出缩小的特点，截止2015年，3 ℃分布区西部缩小为明安镇的局部，东部缩小为希拉穆仁镇和石宝镇的小部分区域。20世纪70年代，年平均气温7 ℃以上位于土默特右旗的南部和包头市区的小部分区域，此后，年平均气温7 ℃分布区的面积年代间逐渐北移，截止2015年最北端已进入固阳县范围，而且北部的满都拉镇局部出现了6～7 ℃高温度区。

2.2.2 ≥10 ℃年活动积温。

≥10 ℃年活动积温包头市区和土默特右旗明显高于固阳县和达茂旗，年代间变化特征大致为低值区范围在逐渐缩小，高值区范围在逐渐扩大，且7个气象站点≥10 ℃年活动积温值也在逐渐升高，年代间积温升高的空间特征明显。20世纪70年代，2 200 ℃·d以下分布区西部集中在达茂旗的巴音花镇、明安镇、白云矿区及固阳县西北部西斗铺镇大部和兴顺西的局部区域，东部则位于希拉穆仁镇、石宝镇的局部及达尔罕苏木的小部分地区;自此之后，2 200 ℃·d以下分布区的面积年代间表现出缩小的特点，截止2009年，2 200 ℃·d以下分布区西部缩小为明安镇大部和巴音花镇的小部分地区，东部缩小为希拉穆仁镇和石宝镇的小部分地区。20世纪70年代，3 000 ℃·d以上分布区位于土默特右旗的南部和包头市区的小部分区域，此后3 000 ℃·d以上分布区的面积年代间逐渐北移，截止2015年最北端已进入固阳县范围，而且北部的满都拉镇局部出现了3 000 ℃·d以上高值区。

2.2.3 无霜期。

包头市区和土默特右旗无霜期明显长于固阳县和达茂旗，年代间变化特征大致为低值区范围在逐渐缩小，高值区范围在逐渐扩大，年代间无霜期延长的空间特征明显。1970—1979年无霜期110 d以下分布区集中于达茂旗东部和固阳县北部，20世纪80年代迅速缩小，仅分布于希拉穆仁镇、石宝镇大部以及达尔罕苏木的小部分地区，90年代这一区域继续缩小，2000—2009年和2010—2015年2个时段变化不大。20世纪70年代，无霜期长达140～150 d，仅分布在土默特右旗南部;80年代，150 d以上分布区出现于土默特右旗南部的明沙淖乡、海子乡、将军尧镇和包头市区的小部分区域;90年代这一区域北移，占据土默特右旗大部和包头市区的小部分区域，2000—2009年，该区域北移到除九峰山生态管理委员会和美岱召镇局部外的整个土默特右旗和包头市区南部;2010—2015年，土默特右旗150 d以上无霜期范围继续扩大至九峰山生态管理委员会的南部，包头市区这一区域较过去10年南移缩小。

3 结论与讨论

近46年，包头地区年均气温、≥10℃年活动积温和无霜期均表现出增加特点，表明该区域农业热量资源逐渐增加，无疑为该区域马铃薯、玉米等作物品种的选择提供了更大的空间。包头地区的固阳县和达茂旗作为我国马铃薯的主产区和种薯生产基地，曾经主栽品种多为中早熟，比如费乌瑞它和克新一号，近几年一些产量和品质俱佳的中晚熟品种占相当面积，例如冀张薯8号、青薯9号。这些在一定程度上提高了热量资源的利用效率，保障了该区域的粮食安全。水是干旱、半干旱区域农业发展的制约因素，在全球气候变暖的大背景下，吴普特等[18]分析了1949—2005 年中国气候变化特征，表明 20 世纪 90 年代以前，干旱趋势相对缓和，90 年代以后，干旱变化趋势进一步加剧。由于气候变化引起中国农田灌溉用水增加量平均超过 1 000 亿 m3，单位面积粮食减产量平均超过1 000 kg/hm2。气候变化将改变区域降水量和降水格局，北方江河径流量减少、南方径流量增加，各流域年均蒸发量增大，其中黄河及内陆河地区的蒸发量增加约15%，导致流域流量下降乃至断流[19]。该研究区的包头市区和土默特右旗属于引黄灌溉区，黄河蒸发量的增大将进一步加剧该区域的用水紧张问题。近31年来，固阳县土壤水分呈显著下降趋势，以秋季下降速度最快;土壤水分与温度呈负相关，与降水量呈正相关，其中夏季温度和降水量对土壤水分的影响最为显著[20]。

参考文献

[1] IPCC.Working group I contribution to the IPCC fifth assessment report（AR5），climate change 2013：The physical science basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2013.

[2] 胡琦，潘学标，邵长秀，等.1961—2010年中国农业热量资源分布和变化特征[J].中国农业气象，2014，35（2）：119-127.

[3] 李硕，沈彦俊.气候变暖对西北干旱区农业热量资源变化的影响[J].中国生态农业学报，2013，21（2）：227-235.

[4] 普宗朝，张山清，李景林，等.近50年新疆冬季热量资源时空变化[J].干旱地区农业研究，2014，32（2）：40-46.

[5] 刘实，王勇，缪启龙，等.近50年东北地区热量资源变化特征[J].应用气象学报，2010，21（3）：266-278.

[6] 宁晓菊，张丽君，杨群涛，等.1951年以来中国无霜期的变化趋势[J].地理学报，2015，70（11）：1811-1822.

[7] 贾建英，郭建平.东北地区近46年玉米气候资源变化研究[J].中国农业气象，2009，30（3）：302-307.

[8] 赖纯佳，千怀遂，段海来，等.淮河流域小麦-水稻种植制度的气候适宜性[J].中国农业科学，2011，44（14）：2868-2875.

[9] 郑冰婵.气候变化对中国种植制度影响的研究进展[J].中国农学通报，2012，28（2）：308-311.

[10] 冶明珠，郭建平，袁彬，等.气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度[J].应用生态学报，2012，23（10）：2786-2794.

[11] 李祎君，王春乙.气候变化對我国农作物种植结构的影响[J].气候变化研究进展，2010，6（2）：123-129.

[12] 潘根兴，高民，胡国华，等.气候变化对中国农业生产的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（9）：1698-1706.

[13] 刘彦随，刘玉，郭丽英，等.气候变化对中国农业生产的影响及应对策略[J].中国生态农业学报，2010，18（4）：905-910.

[14] 魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京：气象出版社，1999：43-47.

[15] 普宗朝，张山清，杨琳.1961-2008年新疆克拉玛依市气候变化分析[J].新疆农业大学学报，2009，32（4）：55-60.

[16] 王立祥，李军.农作学[M].北京：科学出版社，2003.

[17] 钱锦霞，张霞，张建新，等.近40年山西省初终霜日的变化特征[J].地理学报，2010，65（7）：801-808.

[18] 吴普特，赵西宁.气候变化对中国农业用水和粮食生产的影响[J].农业工程学报，2010，26（2）：1-6.

[19] 林而达，许吟隆，蒋金荷，等.气候变化国家评估报告（Ⅱ）：气候变化的影响与适应[J].气候变化研究进展，2006，2（2）：51-56.

[20] 李宏伟，李秀华，夏雪莲，等.包头市固阳县近 50 余年气候变化及其对土壤水分的影响[J].北方农业学报，2016，44（4）：90-93.