1961—2020 年大别山区农业气候资源变化特征分析

伍 琼，陈 曦，曹 强，陈砚涛，岳 伟

（1. 安徽省农业气象中心/安徽省农村综合经济信息中心，安徽 合肥 230031；2. 六安市气象局，安徽 六安237011；3. 石台县气象局，安徽 石台 245100）

受人类活动和自然因素共同影响，全球气候正发生着以变暖为主要特征的显著性变化[1‑7]。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第5 次评估报告指出，过去一百多年来全球地表平均温度已升高0.85 ℃，2006—2015 年全球平均表面温度比工业化前高0.87 ℃，且变暖趋势仍在持续[8]。农业是对气候变暖最为敏感的领域之一，气候变化对农业气候资源、生产布局、种植制度、作物产量及品质等产生了一系列不可忽视的影响。过去几十年，气候变暖背景下长江中下游地区水稻生长期热量资源明显增加，积温有效率和光照资源呈下降趋势，降水量及降水强度呈增加趋势[9]；我国南方地区一年三熟区面积扩大，一年二熟区和一年一熟区面积有所缩小[10]；华北平原冬小麦种植期界限显著北移，播种期显著推迟[11]。此外，气候变化导致茶园土壤有机质和有效养分含量降低，茶树体内矿质营养元素含量降低，从而降低茶叶产量和品质[12]。

大别山区独特的气候资源使农业生产在大别山区县域经济中占有重要地位，除了种植水稻、小麦、玉米等大宗粮食作物外，还盛产茶叶、毛竹、中药材、高山蔬菜、板栗等特色农作物。近年来，气候变暖背景下大别山区气候资源变化特征及其对农业的影响也是众多学者研究的重点。陈海波等[13]分析了大别山区北坡气温、降水、日照的年际、月季变化特征及农业气候资源的垂直分布特征，并根据分析结果，提出了分层开发、发展立体农业的思路；张中平等[14]、张友明[15]、江大纯等[16]、江胜国等[17]分析了大别山区东段反季节蔬菜、茶叶、生姜等作物种植的气候适应性及主要农业气象灾害，并提出应对措施与建议；彭剑峰等[18]指出，大别山区小林海黄山松树轮宽度受9—10 月降水、温度和相对湿度的影响较大；徐建鹏等[19]分析了1961—2019 年皖西大别山区年均气温、太阳总辐射、降水量和降水日数等气候要素的时空变化特征；李远平等[20]分析了皖西大别山区六安市近55 a 平均、最高和最低气温的年、季变化特征及概率分布情况。前人对大别山区气候变化的研究多集中于某一区域，而针对整个区域农业气候变化时空分布特征的研究尚不多见。此外，大别山区相关气候变化的研究资料年限也相对较短，难以反映大别山区气候资源整体变化情况。本研究利用大别山区35 个气象观测站1961—2020年逐日平均气温、日照时数、降水量、相对湿度等资料，分析近60 a 大别山区农业气候资源的时空变化特征，以期为应对大别山区气候变化、保护生态环境、合理利用气候资源提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

大别山位于湖北、河南、安徽三省交界处（N30°10′～32°30′、E112°40′～117°10′），东西绵延约380 km，南北宽约175 km，主要包括金寨、霍山、商城、麻城等35 个市县，海拔500～800 m，山地主要部分海拔约1 500 m，是长江与淮河流域的分水岭[18]。研究区域范围、气象观测站点分布见图1。

图1 研究区域范围及气象观测站点分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological observation stations

1.2 数据资料

选用大别山区35 个气象站1961—2020 年的气象资料，主要包括逐日平均气温（℃）、日照时数（h）、降水量（mm）、相对湿度（%），数据来源于中国气 象 局CIMISS（China Integrated Meteorological Information Sharing System）系统，采用均值插值法对个别缺测数据进行补充。

1.3 研究方法

1.3.1 农业气候资源指标 10 ℃是喜温作物生长的起始温度，也是喜凉作物迅速生长、多年生作物开始以较快速度积累干物质的温度。因此，以稳定通过10 ℃的界限温度持续日数作为大别山区作物温度生长期[21]。分析温度生长期内≥10 ℃积温、日照时数、降水量、相对湿度、干燥度等农业气候资源变化特征。采用五日滑动平均法计算界限温度的起始或终止日期[22]。

1.3.2 干燥度 干燥度指数是表征某个地区干湿程度的指标，本研究采用修正的谢良尼诺夫公式[21]：

式中：K为干燥度指数；0.16为经验系数；∑T为全年≥10 ℃的积温；P为全年≥10 ℃积温期间的降水量。

1.3.3 气候倾向率 气候倾向率是指气候要素多年变化趋势，本研究参考魏凤英[23]提出的一元线性方程，利用最小二乘法拟合计算气候倾向率。

1.3.4 Mann-Kendall 突变检验 Mann-Kendall（M-K）突变检验是用于分析数据序列随时间变化趋势的一种非参数的统计检验方法[24]，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。对于给定的显著水平P=0.05，统计量UF 和UB 对应的临界值u0.05=±1.96。

1.3.5 数据统计分析 采用Excel 2013对气象数据进行计算处理，采用DPS 7.05对数据进行M-K 突变检验，采用ArcGIS 10.0进行地理分布绘图。

2 结果与分析

2.1 1961—2020年大别山区作物温度生长期时空变化特征

气候变暖背景下温度升高，大别山区作物温度生长期发生变化。由图2a可知，1961—2020年大别山区作物温度生长期呈极显著增加趋势（P<0.01），增幅为5.1 d/10 a。近60 a 大别山区作物温度生长期平均为216 d，最大值为246 d（2009 年），最小值为192 d（1965 年）。从空间分布（图3a）看，大别山区作物的温度生长期呈纬向分布，高值区位于大别山区的南部，大部分地区在220 d 以上，浠水、武穴等地温度生长期超过了230 d；中值区位于大别山区的中部，大部分地区为211～220 d；低值区位于大别山区的北部，均少于210 d，其中寿县不足200 d。1961—2020 年，研究区域作物温度生长期均呈增加趋势（图3b），气候倾向率最大值为7.6 d/10 a（蕲春）；最小值为1.6 d/10 a（岳西）。由M-K 检测（图2b）可以看出，1961—2020 年大别山区作物温度生长期日数的UF和UB曲线相交于1997年，表明年作物温度生长期在1997 年发生突变，突变后（226 d）较突变前（208 d）增加了18 d，且UF 曲线在1998 年超过了临界值，增加趋势显著（P<0.05）。

图2 1961—2020年大别山区作物温度生长期变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.2 Variation of temperature growth period for crops（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图3 1961—2020年大别山区作物温度生长期（a）及变化倾向率（b）分布Fig.3 Distribution of temperature growth period for crops（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.2 1961—2020年大别山区热量资源时空变化特征

由图4a 可知，1961—2020 年大别山区年≥10 ℃积温均值为5 397.5 ℃·d，最大值为5 788.7 ℃·d（2018年），最小值为5 055.1 ℃·d（1976年）。近60 a大别山区年≥10 ℃积温呈极显著增加趋势（P<0.01），增幅为70.7（℃·d）/10 a。大别山区年≥10 ℃积温呈现一定的纬向差异，由北向南逐渐增加，南部的浠水、蕲春、黄梅、武穴等地年≥10 ℃积温均在5 700 ℃·d 以上，热量资源较为丰富；低值区位于大别山区北部的息县、罗山、新县、寿县及中部的霍山和岳西，其中岳西不足4 900 ℃·d（图5a）。从变化倾向率（图5b）看，1961—2020 年大别山区各地年≥10 ℃积温均呈增加趋势，但≥10 ℃积温变化倾向率大小分布不均，信阳、麻城、蕲春均在90（℃·d）/10 a以上，其中蕲春达到100（℃·d）/10 a；岳西、桐城两地相对较小，不足40（℃·d）/10 a。由M-K 检测（图4b）可以看出，1961—2020年大别山区年≥10 ℃积温的UF 和UB 曲线相交于2004 年，表明年≥10 ℃积温在2004 年发生突变，突变后（5 611.9 ℃·d）较突变前（5 312.7 ℃·d）增加了299.2 ℃·d，且UF 曲线在2007年超过了临界值，增加趋势显著（P<0.05）。

图4 1961—2020年大别山区≥10 ℃积温变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.4 Variation of ≥10 ℃accumulated temperature（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图5 1961—2020年大别山区≥10 ℃积温（a）及变化倾向率（b）分布Fig.5 Distribution of ≥10 ℃accumulated temperature（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.3 1961—2020年大别山区降水资源时空变化特征

2.3.1 降水量 由图6a 可知，近60 a 大别山区年降水量呈不显著增加趋势（P>0.05），平均增幅为20.2 mm/10 a，不同区域差异明显。南部的黄梅、宿松、安庆等地增幅较大，均在50 mm/10 a 以上；北部的金寨、团风、新县、大悟、信阳、罗山呈减少趋势（图7b）。1961—2020 年大别山区降水量历年均值为1 353.8 mm，年际间差异较大。年降水量最小值为760.4 mm（1978 年），最大值为1 910.8 mm（2020年）。从空间分布（图7a）看，大别山区降水量呈明显的纬向分布，由北向南呈增加趋势。降水丰富区域是位于南部的英山、蕲春、太湖、潜山、怀宁、安庆、武穴等地，年均降水量超过1 400 mm；低值区位于东北部的寿县、淮滨、息县，年均降水量不足1 000 mm。由M-K 检测（图6b）可以看出，1961—2020 年大别山区年降水量的UF 和UB 曲线存在多个交点，且交点均位于临界线内，表明1961—2020年大别山区年降水量没有发生突变。

图6 1961—2020年大别山区降水量变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.6 Variation of precipitation（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图7 1961—2020年大别山区降水量（a）及变化倾向率（b）分布Fig.7 Distribution of precipitation（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.3.2 降水日数 1961—2020 年大别山区年降水日数均值为128.7 d，最大值为154.7 d（1964 年），最小值为102.3 d（2013 年）（图8a）。空间分布与降水量较为相似，即由北向南呈增多趋势。高值区位于大别山区中部的霍山、岳西和南部的太湖、蕲春、武穴，年均降水日数均在140 d 以上，其中岳西的年均降水日数达156 d；低值区位于大别山区北部的寿县、淮滨、息县，年均降水日数不足110 d（图9a）。由图8a 可知，近60 a 大别山区年降水日数呈极显著减少趋势（P<0.01），减幅为2.4 d/10 a；空间分布上各地也均呈减少趋势，变化倾向率分布不均，其中团风、岳西、罗山等地减幅相对明显，均超过6.2 d/10 a（图9b）。由M-K 检测（图8b）可以看出，1961—2020年大别山区年降水日数的UF 和UB 曲线相交于1978 年，表明年降水日数在1978 年发生突变，突变后（125.0 d）较突变前（137.9 d）减少了12.9 d，且UF曲线在1995 年超过了临界值，下降趋势显著（P<0.05）。

图8 1961—2020年大别山区降水日数变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.8 Variation of precipitation days（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图9 1961—2020年大别山区降水日数（a）及变化倾向率（b）分布Fig.9 Distribution of precipitation days（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.3.3 相对湿度 由图10a 可知，近60 a 大别山区相对湿度均值为76.4%，不同年份之间差异明显，最大值为80.0%（1985 年），最小值为70.0%（2011 年）。从空间分布（图11a）看，年均相对湿度区域间差异不大。高值区位于大别山东部的霍山、舒城及南部的武穴，年均相对湿度均在79%以上；低值区位于大别山西北部的信阳、大悟、麻城、金寨等地，年均相对湿度低于75%。1961—2020 年大别山区年均相对湿度呈显著减少趋势（P<0.05），减幅为0.4%/10 a（图10a）。研究区域大部分站点的变化倾向率以减少趋势为主，其中六安减幅相对最大，为1.1%/10 a；而团风、黄冈、寿县、岳西、桐城、望江、武穴等地年均相对湿度变化倾向率呈增加趋势（图11b）。由M-K 检测（图10b）可以看出，1961—2020年大别山区年均相对湿度的UF 和UB 曲线相交于2000 年，表明年均相对湿度在2000 年发生突变，突变后（75.1%）较突变前（77.1%）降低了2.0 个百分点，且这种降低趋势在2011 年达到显著水平（P<0.05）。

图10 1961—2020年大别山区年均相对湿度变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.10 Variation of annual average relative humidity（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图11 1961—2020年大别山区相对湿度（a）及变化倾向率（b）分布Fig.11 Distribution of relative humidity（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.4 1961—2020年大别山区光照资源时空变化特征

从时间变化（图12a）看，近60 a 大别山区年日照时数均值为1 923.7 h，最大值为2 264.3 h（1978年），最小值为1 652.4 h（2020 年）。年日照时数区域间总体差异不明显，高值区位于大别山区东北部的六安、固始、霍邱、寿县及中部的麻城，年均日照时数超过2 000 h；新县、舒城、望江等地年均日照时数相对较少，不足1 850 h（图13a）。1961—2020 年大别山区年均日照时数呈极显著减少趋势（P<0.01），减幅为67.0 h/10 a（图12a），减幅区域间差异显著（P<0.05），北部年日照时数的减幅高于南部，北部的息县、信阳、罗山、淮滨等地减幅均超过100 h/10 a（图13b）。由M-K 检测（图12b）可以看出，1961—2020 年大别山区年日照时数的UF 和UB曲线相交于1991 年，表明年日照时数在1991 年发生突变，突变后（1 826.1 h）较突变前（2 021.4 h）减少了195.3 h，且这种降低趋势在1984 年达到显著水平（P<0.05）。

图12 1961—2020年大别山区日照时数变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.12 Variation of sunshine hours（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图13 1961—2020年大别山区日照时数（a）及变化倾向率（b）分布Fig.13 Distribution of sunshine hours（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

2.5 1961—2020年大别山区作物生长期干燥度时空变化特征

由图14a 可知，1961—2020 年大别山区干燥度指数均值为0.90，年际间差异较大，其中最大值为1.70（2001 年），最小值为0.53（1983 年）。从空间分布（图15a）看，干燥度呈纬向分布。低值区位于大别山区中南部，大部分区域干燥度指数低于0.85，其中岳西最低，为0.65；高值区位于大别山区的北部一带，高于1.00。近60 a 大别山区干燥度指数时间变化趋势不明显，以上下波动为主，但空间分布呈现明显的差异，西部和北部大部分站点以增加趋势为主，而东部和南部大部分站点以减少趋势为主（图15b）。由M-K 检测（图14b）可以看出，1961—2020 年大别山区干燥度指数的UF 和UB 曲线存在多个交点，且交点均位于临界线内，表明1961—2020年大别山区干燥度指数没有发生突变。

图14 1961—2020年大别山区干燥度指数变化（a）及M-K突变检验（b）Fig.14 Variation of dryness index（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

图15 1961—2020年大别山区干燥度指数（a）及变化倾向率（b）分布Fig.15 Distribution of dryness index（a）and variation tendency rate（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

3 结论与讨论

1961—2020 年大别山区作物温度生长期和≥10 ℃积温呈极显著增加趋势（P<0.01），增幅分别为5.1 d/10 a、70.7（℃·d）/10 a。空间分布上，由北向南逐渐增加。随着作物温度生长期延长和≥10 ℃积温增加，大别山区农业生产在品种搭配、种植调整等方面可选择更加趋利的种植方式。例如，水稻种植过程中可将中熟品种换成生育期相对较长、产量相对较高的中晚熟或晚熟品种，以提高水稻单产；玉米可结合茬口和墒情适时播种，选择生育期相对较长、产量相对较高的中晚熟品种[25]。但温度升高不利于作物产量的形成，尤其生育期短的作物，因为发育速度加快会导致生育期缩短，在相同的栽培管理措施下，生育期缩短将导致产量下降[26]。研究表明，当温度升高1.5～2.0 ℃时，我国单季稻的生育期约缩短2%，气温每升高1 ℃，可能导致全球水稻产量平均下降3.2%[27]；长江中游地区，二熟区生育前期（9—11月）和三熟区生育后期（3—5月）平均气温每升高0.1 ℃，油菜分别减产53、40 kg/hm2[28]。

降水是影响农业生产的重要因素，易亮等[29]的研究表明，大别山区桑树生长期降水量的多少与桑叶的产量呈正相关关系。大别山区降水资源较为丰富，大部分区域年均降水量均在1 000 mm 以上，基本满足了农业生产对水分的需求，尤其中南部丰富的降水为优质茶叶生产提供了良好的水分条件。近60 a，大别山区降水量呈不明显增加趋势（P>0.05），增幅为20.2 mm/10 a，降水日数和年均相对湿度呈显著减少趋势（P<0.05），减幅分别为2.4 d/10 a、0.4%/10 a。在降水量增加趋势下，降水日数的减少意味着降水相对集中，从而造成旱涝发生频率增加。光照是植物进行光合作用的必要条件，可使植物正常生长、发育及形成产量[30]。近60 a 大别山区日照时数呈极显著减少趋势（P<0.01），这与全国日照时数变化趋势较为一致[31]，其减少原因与大气污染物、云量、气溶胶、降水量等密切相关[32‑33]。日照时数的长短将直接影响太阳总辐射的高低，进而影响作物的光合作用及光合产物积累。陆昱等[34]的研究表明，随着辐射的减少冬小麦生育期延长，穗、叶和茎等干物质积累也呈减少趋势，且辐射减少条件下，有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量结构指标下降。位于华东区域的山东省，日照时数对冬小麦单产表现为正效应，而对夏玉米表现为负效应，日照时数每增加100 h，冬小麦和夏玉米单产分别增加3.33%和减少3.36%[35]。此外，如果辐射下降10%，中国近7%的玉米种植面积产量出现减少，减少幅度平均为9.1%[36]。大别山区干燥度由北向南呈递减趋势，高值区位于大别山区的北部，从变化趋势上看，大别山区北部和西部干燥度呈增加趋势，干燥度的增加在一定程度上说明该地的干旱程度明显增加，这将给大别山区的农业生产带来更大风险。

大别山区农业生产过程中受高温热害、低温冻害、干旱等农业气象灾害影响较大。本研究分析了大别山区作物温度生长期及热量、日照、降水等农业气候资源变化特征，农业气候资源变化对大别山区农业生产产生的影响尚待研究。在气候变暖背景下，下一步将重点开展农业气候资源变化和农业气象灾害对大别山区农业生产布局、农作物生长发育及产量的影响研究。