浑善达克沙地1953—2018年热量资源变化特征分析

李佳燕，杨舒畅

（1.沈阳农业大学 土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；2.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019）

IPCC第六次评估报告指出，2010—2019年全球平均表面温度较1850—1900年变暖0.9~1.2 ℃，全球气候变化再次受到国际社会的高度关注［1］.热量资源是直接参与农业生产和植物生长的主要资源之一，其数量和分配状况在一定程度上决定一个地区的农业格局和农业生产潜力［2］.气温升高引起热量资源的增加，对植物的生长发育造成明显的影响，利用好热量资源可以提高农业生产力和激发植物生长潜力［3-6］.浑善达克沙地是我国沙漠化最严重的沙地之一，同时也是我国北方春季沙尘暴的主要源地和距离北京最近的沙地［7］，沙地属于温带季风半干旱和干旱气候区，年平均气温0~3 ℃［8］，受东南季风影响，区域降雨量由东南向西北递减［9］，沙地风力强大且大风多发，每年大风日数在50~70 d［7］，该区域生态环境脆弱，受气候变化和人为活动的影响敏感［10］.因此，研究分析浑善达克沙地热量资源变化，对于修复区域生态环境、合理利用热量资源和更新防沙固沙植物新品种等具有重要科学意义.

张宝林等［11］研究了1953—2014年浑善达克沙地气候变化，结果表明，浑善达克沙地年平均气温整体上呈现波动性上升趋势，在空间上的变化表现为由西南向东北逐渐降低.刘美萍等［12］研究结果也表明，1956—2016年浑善达克沙地平均每10 a气温上升0.43 ℃，极端最高气温沙地西部比沙地东部出现得早，而极端最低气温则相反，沙地西部比沙地东部出现得晚.白美兰等［13］研究了1961—2003年浑善达克沙地气候变化，研究表明，2000年以后浑善达克沙地气温逐年升高，且降雨量减少、蒸发量增大，不利于区域生态环境恢复.前人对浑善达克沙地的研究大多集中在气温和降雨等气候因素的变化趋势上，对农业界限温度起止日期、持续日数及对应活动积温等的变化缺乏系统研究.笔者采用浑善达克沙地四周的8个气象站1953—2018年的日平均气温、日最高气温、日最低气温等观测数据，采用5 d滑动平均法计算稳定通过各界限温度起始日期、终止日期、持续日数和活动积温等指标和气候倾向率指标，研究分析近66 a浑善达克沙地各项热量资源的变化规律，以期全面认识区域热量变化特点，为生态治理和农牧业生产提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域范围浑善达克沙地位于内蒙古锡林郭勒高原中部，东起大兴安岭南段西麓达来诺尔，向西一直延伸到苏尼特右旗集二铁路沿线，东西跨度约400 km，南北跨度约30~100 km.沙地面积约2.1万~3.8万km2，面积在中国沙漠、沙地中位列第七［7，14］.

1.2 数据来源选取阿巴嘎旗、朱日和、苏尼特左旗、多伦、克什克腾旗、正镶白旗及正蓝旗、锡林浩特市8个气象站1953—2018年连续66 a逐日平均气温、日最高温度、日最低温度等资料进行分析，数据来自中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）.其中，阿巴嘎旗、朱日和、锡林浩特市、多伦4 个气象站数据为1953—2018年数据，苏尼特左旗数据为1956—2018年数据，克什克腾旗、正镶白旗、正蓝旗3个气象站数据为1960—2018年数据.

1.3 研究方法用浑善达克沙地四周8 个气象站数据的算术平均值代表平均状况；利用逐日最高、最低气温计算平均温度日较差；采用5 d滑动平均法确定日平均气温稳定通过0、5、10、15 ℃界限温度起、止日期，计算界限温度的持续日数和对应的活动积温；用最小二乘法计算气候倾向率，用t检验的方法检验变化趋势显著性.

气候倾向率：建立温度y与时间t线性方程，表达式为y（t）=a+bt，公式中，t为时间序列，a为经验系数，可通过回归分析方法中的最小二乘法求取，b为趋势变化率，把b×（10 a）称为气候倾向率.

2 结果与分析

2.1 浑善达克沙地年均温度变化特征1953—2018年浑善达克沙地四周8个代表性站点年平均气温变化见图1.由图1可知，浑善达克沙地年平均气温呈波动上升趋势，通过了α=0.01水平显著性检验，气候倾向率为0.42 ℃·（10 a）-1，远远高于全球0.07 ℃·（10 a）-1，历年气温平均值为2.8 ℃.从气温年代平均值来看，20世纪50年代气温最低，年代气温平均值为1.4 ℃，21世纪初期年平均气温相对较高，年代气温平均值达到3.8 ℃，较20世纪50年代和历年气温平均值分别高出2.4 ℃和1.0 ℃，气温变暖趋势十分明显.年代间气温变化幅度相对较低，其中，20世纪90年代气温升高幅度较大，较80年代升温0.9 ℃.21世纪10年代年平均气温变化幅度较大，气温呈现下降—升高—下降的冷暖交替变化现象，气温的不稳定性增加明显.

2.2 浑善达克沙地四季温度变化特征以3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12月和次年1、2月为冬季，对浑善达克沙地1953—2018年连续66 a四季温度变化特征进行分析.

浑善达克沙地春季年平均气温呈波动性上升趋势，气候倾向率为0.50 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验，历年春季平均气温值为4.3 ℃.从年代气温平均值变化幅度来看，20世纪90年代气温增温幅度较大，较80年代增温0.8 ℃；从年代气温平均值来看，20世纪50年代，浑善达克沙地春季平均气温最低，其值为2.5 ℃，21世纪10年代春季平均气温最大值为5.6 ℃，分别较20世纪50年代和历年平均值增加3.1 ℃和1.3 ℃，春季变暖趋势较为明显（图2-a）.

浑善达克沙地夏季年平均气温呈波动性上升趋势，气候倾向率为0.33 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验，历年夏季平均气温值达到19.2 ℃.从年代气温平均值来看，21世纪初期升温幅度较大，较20世纪90年代增加1.0 ℃，21世纪10年代夏季平均气温最大值为20.4 ℃，分别较20世纪50年代和历年气温平均值增加1.9 ℃和1.2 ℃，夏季也有明显的变暖趋势（图2-b）.

浑善达克沙地秋季年平均气温呈波动性上升趋势，气候倾向率为0.32 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验，历年秋季平均气温值达到3.2 ℃.从年代气温平均值来看，20世纪90年代升温幅度较大，较20世纪80年代增加0.9 ℃，2000—2009年2010—2018年秋季平均气温相同，且达到最大值4.0 ℃，分别较20世纪50年代和历年气温平均值增加1.7 ℃和0.8 ℃，这表明，近年来秋季气温呈变暖趋势（图2-c）.

浑善达克沙地冬季年平均气温呈波动性上升趋势，气候倾向率为0.53 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验，历年冬季平均气温值达到-15.7 ℃.从年代气温平均值来看，20世纪90年代升温幅度较大，较20世纪80年代增加1.8 ℃，20世纪50年代浑善达克沙地冬季平均气温最低为-18.2 ℃，20世纪90年代冬季平均气温达到最大值为-14.3 ℃，较20世纪50年代和历年平均气温增加3.9 ℃和1.4 ℃，冬季变暖趋势明显（图2-d）.

图2 1953—2018年浑善达克沙地四季气温变化Fig. 2 Changes of the four seasons temperature in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

2.3 浑善达克沙地日平均最高、最低及日较差变化特征图3为1953—2018年浑善达克沙地日均最高气温、日均最低气温和日较差变化.由图3可知，浑善达克沙地近66 a日均最高气温呈波动上升趋势，气候倾向率为0.31 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验；66 a浑善达克沙地日均最低气温呈增加趋势，气候倾向率为0.50 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验，日均最低气温变暖趋势明显.1953—2018年浑善达克沙地日较差呈缩小趋势，气候倾向率为-0.19 ℃·（10 a）-1，通过了α=0.01水平显著性检验.这表明，浑善达克沙地近66 a日均最低气温变暖速率大于日均最高气温变暖速率.

图3 1953—2018年浑善达克沙地日平均最高气温、日平均最低气温、日较差年变化Fig. 3 Annual variation of daily average maximum temperature，daily average minimum temperature，and daily range in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

2.4 浑善达克沙地稳定通过0、5、10、15 ℃的起止日期、持续日数及积温变化特征近66 a浑善达克沙地各界限温度活动积温均呈现增加趋势.与20世纪50年代相比，21世纪10年代≥15 ℃积温增幅最大，达482 ℃·d；其次为≥10 ℃积温，增加442 ℃·d；≥0 ℃积温，增加438 ℃·d；增幅最小的是≥5 ℃积温，增加436 ℃·d.从积温增加变化趋势来看，进入21世纪10年代以后积温增加趋势有所放缓.就积温增加的原因而言，≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃积温增加主要通过各界限温度持续日数延长和平均气温的增加而增加.从统计上来看，各年代≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的持续日数均呈现延长趋势.在全球气候变暖的趋势下，浑善达克沙地稳定通过≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的初始日期呈提前的趋势，终止日期呈延后趋势，≥0 ℃和≥5 ℃终止日期延后明显，≥10 ℃和≥15 ℃初始日期提前更加明显（表1）.

表1 1953—2018年浑善达克沙地各年代稳定通过0、5、10、15 ℃的初日、终日、持续日数及对应积温Tab. 1 The first，the last，the number of continuous days and the corresponding accumulated temperature of the Hunshandake Sandy Land that passed 0，5，10，15 ℃stably in each period from 1953 to 2018

浑善达克沙地1953—2018 年稳定通过0、5、10、15 ℃持续日数的气候倾向率均为正值，各界限温度持续日数呈增加趋势，平均每10 a增加2~3 d，持续日数增加趋势显著，通过了α=0.01水平显著性检验；稳定通过0、5、10、15 ℃的活动积温的气候倾向率在78.38~86.91 ℃·d·（10 a）-1之间，各界限温度活动积温平均每10 a增加78~87 ℃·d·（10 a）-1，各界限温度活动积温增加显著，通过了α=0.01水平显著性检验.可见，近66 a浑善达克沙地热量资源整体呈现显著增加趋势（表2）.

表2 1953—2018年浑善达克沙地各项热量资源距平气候倾向性及显著性Tab. 2 The climate tendency and significance of the anomalies of various heat resources in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

3 讨论与结论

近66 a浑善达克沙地年平均气温呈升高趋势，气候倾向率为0.42 ℃·（10 a）-1.四季平均气温均有所上升，其中，冬季上升趋势最为明显，其气候倾向率为0.53 ℃·（10 a）-1；春季次之，为0.50 ℃·（10 a）-1；夏季和秋季再次，分别为0.33 ℃·（10 a）-1和0.32 ℃·（10 a）-1.日均最高气温气候倾向率为0.31 ℃·（10 a）-1，日均最低气温气候倾向率为0.50 ℃·（10 a）-1，平均日较差气候倾向率为-0.19 ℃·（10 a）-1，日最低温度升幅高于日最高温度，温度日较差呈下降趋势.稳定通过各界限温度的起始日期均呈现提前趋势，终止日期均呈现延后趋势，≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃持续日数气候倾向率分别为2.23、2.15、2.50、2.62 d·（10 a）-1.高于各界限温度的活动积温均有所增加，其气候倾向率分别为78.38、78.64、80.85、86.91 ℃·d·（10 a）-1.

在全球变暖背景下，浑善达克沙地热量资源增加明显，年平均温度、四季温度、最高温度、最低温度、稳定通过界限温度的持续日数及时段内活动积温均呈上升趋势，这与前人［15-16］研究结论基本一致，但研究区各热量指标的增幅较高.浑善达克沙地年平均温度气候倾向率为0.42 ℃·（10 a）-1，高于同期华北平原的0.25 ℃·（10 a）-1和全国的0.25 ℃·（10 a）-1［17-18］；除秋季外，沙地内的增温幅度远高于1951—2001年全国四季增温幅度［19］.浑善达克沙地通过各界限温度的持续日数和活动积温的增幅也明显高于同温度带内的平均水平［20-21］.究其原因，应与研究时段选取及沙地特殊属性有关，研究区内农田、草地、沙丘交错分布，属于典型的生态环境脆弱带，具有对气候变化响应敏感的特性，温度变化更为显著.

近66 a浑善达克沙地日平均最高气温增加幅度小于日平均最低气温变暖幅度，日较差呈减小趋势，对作物光合物质积累不利.稳定通过≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的起始日期提前和终止日期延后，各界限温度持续日数延长，活动积温增加，这对植物生长和农业生产具有积极作用.浑善达克沙地气候变暖显著，生态建设和农牧业生产必须充分考虑热量增加带来的影响，调整生产方式，主动适应气候变化，趋利避害，实现生态建设与农牧业发展的双赢.