1981—2020年精河县枸杞生长季农业气候资源的变化特征

胡启瑞，孙 蕾，戎 博，张鹏程，李迎春*

(1.新疆维吾尔自治区农业气象台/新疆兴农网信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.精河县气象局，新疆 精河 833300)

0 引言

【研究意义】枸杞是新疆红色产业的重要组成部分，精河县是新疆枸杞种植的集中产区，经多年发展，枸杞现已成为精河县特色优势作物。农业气候资源在一定程度上决定农业生产结构和布局，栽培管理措施、耕作制度以及作物品种最终影响作物产量和品质[1-2]。了解气候变化对农业气候资源的影响，进而分析农业生产中可能发生的各种变化，是气候变化影响农业生产研究的首要问题[3]。因此，探明精河县农业气候资源变化特征，对当地枸杞产业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】近年来，气候变化及其对气候资源的影响越来越受到关注，刘敬强等[4-5]就新疆特色林果种植对气候变化的响应研究表明，1961—2010年热量资源明显增多，水资源有所改善，但日照时数略少，气候变化总体对新疆特色林果种植有利。张山清等[6-8]研究发现，气候变化背景下，新疆农业热量资源明显改善，杏、核桃和苹果适宜种植区有所扩大。吉春容等[9]利用40 a资料分析哈密瓜生长气象条件发现，哈密瓜生长季热量资源呈显著增加趋势，6—7月的高温对哈密瓜产量有不利影响。胡启瑞等[10]分析新疆伽师瓜生长季气候变化特征得出，生长季平均气温和积温明显增加，但光照资源减少影响伽师瓜品质。李香芳等[11]分析宁夏枸杞近57 a生长气象条件发现，气候变化有利于宁夏枸杞单产提高，同时气候变暖增加了冬季农田土壤水分蒸发，病虫害发生有增加趋势。【研究切入点】目前，对新疆枸杞的研究主要集中在品种选育、种植气候资源区划、病虫害发生气象条件分析、气象灾害研究等方面[12-16]，气候变化对枸杞生长发育影响的研究相对较少。因此，有必要分析精河县枸杞生长季农业气候资源的变化特征，并研究气候变化对枸杞生长的影响。【拟解决的关键问题】利用精河县气象站40 a逐日气象资料，分析枸杞生长季农业气候资源的变化特征，为枸杞生产合理利用气候资源、趋利避害、高产稳产提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用精河县气象站1981—2020年逐日气象资料，包括平均气温、最低气温、最高气温、降水量、日照时数等。气象数据来源于新疆气象信息中心，经过人工质量审核。

1.2 研究方法

1.2.1 枸杞生长季的确定 影响枸杞生长的界限温度为10℃左右，≥10℃的日数增加，可为枸杞提供更长的生长时间[17]。因此，研究以稳定通过10℃的持续日数作为枸杞生长季，≥10℃的初日与终日之间的天数即为生长季。采用5日滑动平均法计算≥10℃界限温度的起止日期。

1.2.2 Mann-Kendall(M-K)方法检验 Mann-Kendall方法是非参数突变统计检验，其优点是所选序列数据无需遵从某种分布特征，不受少数异常值干扰，在原假设气候序列没有变化情况下，定义1个统计量，进行方差检验。其中，UF为要素序列数据M-K检测顺序统计曲线；UB为要素序列数据M-K检测逆序统计曲线，若顺序统计曲线超过信度临界线，即表示存在显著趋势变化，如果顺序统计曲线与逆序统计曲线的交叉点位于信度临界线之间，该交叉点即为突变的开始点[18]。

1.2.3 气候倾向率 采用最小二乘法对40 a的气象要素数据与时间进行一元线性回归。

y=a+bx

式中，y为气象要素值，x为时间，a为回归常数；b为回归系数，表示气象要素随时间的变化速率[19]。以b的10倍作为气候要素气候倾向率。

2 结果与分析

2.1 1981—2020精河县枸杞生长季热量资源的变化特征

2.1.1 平均气温 在1981—2020年，随时间推移精河枸杞生长季平均气温呈极显著增加趋势(P≤0.01)，气候倾向率为0.4℃/10 a，生长季平均气温最大值和最小值分别出现在2017年(23.5℃)和1993年(19.7℃)，枸杞生长季40 a平均气温为21.5℃(图1a)。

M-K突变检测结果显示，精河县枸杞生长季平均气温从20世纪90年代后期开始呈上升趋势，特别是2000年以后上升显著，2014年UF曲线通过显著性检验(P≤0.05)。UF和UB曲线相交于2004年，表明枸杞生长季平均气温在2004年发生突变，2005—2020年与1981—2004年相比平均气温升高0.81℃(图1b)。

图1 1981—2020年精河县枸杞生长季平均气温的变化(a)和M-K突变检验(b)Fig.1 Average temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.2 ≥10℃积温 一定界限温度以上的积温及其持续日数是评价某一地区热量资源的重要指标之一。枸杞从展叶、新稍生长到开花结实所需要的温度都在10℃以上，≥10℃积温反映枸杞生长期内的热量状况[20]。精河县枸杞生长期间≥10℃积温在3 062～4 400℃·d，多年平均积温为3 845.6℃·d。≥10℃积温整体呈增加趋势，气候倾向率为162.6℃·d/10a，通过极显著水平检验(P≤0.01)。年际间≥10℃积温变化差异明显，最高年(1997年)和最低年 (1992年)相差1 368.6℃·d(图2a)。

图2 1981—2020年精河县枸杞生长季≥10℃积温的变化(a)和M-K突变检验(b)Fig.2 ≥10℃ accumulated temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

M-K突变检测结果显示，枸杞生长季≥10℃积温从20世纪90年代开始呈明显增加趋势，≥10℃积温UF曲线在2008年通过信度检验(P≤0.05)。UF和UB曲线均相交于2004年，表明枸杞生长季≥10℃积温在2004年发生突变，由2004年之前的缓慢增加转为之后的明显增加趋势(图2b)。

2.1.3 ≥10℃积温日数 日平均气温≥10℃日数代表枸杞有效生长季。近40 a精河县枸杞生长季≥10℃日数在146～215 d，平均日数180 d。≥10℃积温日数整体呈增加趋势，气候倾向率为4.6 d/10a(图3a)。

M-K突变检测结果显示，≥10℃积温日数从20世纪90年代末呈增加趋势，≥10℃积温日数UF曲线在2010年通过信度检验(P≤0.05)。UF和UB曲线均相交于2004年，表明枸杞生长季≥10℃积温日数在2004年产生突变，2005—2020年与1981—2004年相比，≥10℃积温日数增10.7 d(图3b)。

图3 1981—2020年精河县枸杞生长季≥10℃积温日数变化(a)和M-K突变检验(b)Fig.3 Variation of ≥10℃ accumulated temperature days (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.4 初终霜日变化 精河县40 a初霜期大多出现在10月中下旬，最早为10月2日，最晚为11月14日。初霜日呈推迟趋势，气候倾向率为为2.8 d/10a。M-K检测结果得出，初霜日变化的突变点为2004年，突变前初霜日的距平平均值为-1.8 d，即此阶段初霜日比多年平均偏早1.8 d；而突变后初霜日的距平平均值为5.0 d，即此阶段初霜日比多年平均偏晚5.0 d(图4a)。

终霜日大多出现在4月中下旬，最早为3月17日，最晚为4月26日。终霜日呈提前趋势，其变化速率为3.0 d/10 a。M-K检测结果得出，终霜日变化的突变点为2010年，突变前终霜日的距平平均值为2.6 d，即此阶段终霜日比多年平均偏迟2.6 d；突变后终霜日的距平平均值为-6.3 d，即此阶段终霜日比多年平均偏早6.3 d(图4b)。

图4 1981—2020年精河县初霜日距平(a)、终霜日距平(b)年际变化趋势Fig.4 Interannual variation trend of first frost day anomaly (a) and final frost day anomaly (b) in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.5 气温日较差及高温日数 6—7月是枸杞幼果生长和成熟期，昼夜温差大，果实有效积累多，容易获得优质果实。精河县6月气温日较差在12.2～15.1℃，平均为13.9℃，气候倾向率为-0.3 d/10a。7月气温日较差在11.3～15.7℃，平均为14.0℃，气候倾向率为-0.5 d/10a(图5a)。枸杞幼果生长期不耐高温，高温会缩短幼果生长时间，加速成熟，单果营养获取减少，导致果实变小，产量降低[21]。

精河县≥35℃高温天气主要发生在6—7月。6月高温天气平均6.7 d，气候倾向率为1.1 d/10a。7月是精河县高温天气的集中发生期，最大值和最小值分别出现在2015年(19 d)和2003年(1 d)，高温天气平均9.7 d，气候倾向率为0.5 d/10a(图5b)。

图5 1981—2020年精河县6、7月份气温日较差(a)及高温日数(b)年际变化趋势Fig.5 Interannual variation trend of daily temperature range (a) and high temperature days (b) in June and July in Jinghe County from 1981 to 2020

2.2 1981—2020年精河县枸杞生长季降水量的变化特征

枸杞较耐旱，灌溉条件下，降水量不是限制枸杞产量的主要因素，但枸杞果熟期的连阴雨会造成枸杞裂果，诱发霜霉病和黑果病，从而降低果实产量和品质[21]。1981—2020年精河枸杞生长季降水量变化趋势不明显，但波动较大。降水量在39～177 mm，多年平均80.0 mm(图6a)。M-K检测结果显示，枸杞生长季降水量不存在突变，UF与UB有多个交叉点，说明降水不稳定(图6b)。

图6 1981—2020年精河枸杞生长季降水量年际变化(a)和M-K突变检验(b) Fig.6 Interannual variation of precipitation(a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

精河县枸杞生长季降水主要集中在6月和7月，气候倾向率分别为-0.4 d/10a和2 d/10a。6—7月降水量平均15 mm，占全年降水量的40%。1981—2020年≥100 mm的降水量出现9年，其余年份降水量均不足100 mm(图7)。

图7 1981—2020年精河枸杞6月(a)和7月(b)降水量变化趋势 Fig.7 Variation trend of precipitation in June (a) and July (b) of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.3 1981—2020年精河县枸杞生长季日照时数的变化特征

枸杞全生育期适宜生长的日照时数为1 500～1 800 h[22]。精河县枸杞生长季日照时数为1 320～1 936 h，多年平均为1 652 h，整体呈增多趋势，气候倾向率为52.1 h/10a，通过极显著水平检验(P≤0.01)。年际变化差异明显，日照时数最高年(1997年)和最低年(1992年)相差615.9 h(图8a)。

M-K突变检验结果显示，UF曲线从20世纪90年代初期开始出现波动上升趋势，2009年通过信度检验(P≤0.05)，呈显著上升趋势。根据UF和UB曲线交点的位置，确定突变年为1999年左右，2000—2020年与1981—1999年相比，日照时数增加229.7 h(图8b)。

图8 1981—2020年精河县枸杞生长季日照时数的年际变化(a)和M-K突变检验(b) Fig.8 Interannual variation of sunshine hours (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

3 讨论

1981—2020年精河县枸杞生长季热量资源呈增加趋势，与新疆热量气候资源的变化趋势相一致[23-24]。精河枸杞生长发育期间，≥10℃积温及日数增加，使枸杞有效生长期延长，对提高枸杞单产有促进作用。精河县地处准噶尔盆地西南缘，春秋两季冷空气活动频繁，气温波动剧烈，春季霜冻是精河县的主要气象灾害之一[25]。气候变化背景下，精河县春季气温回升加快，枸杞枝条萌芽期提前，萌芽展叶期遭遇春季霜冻的风险也加大。4月需做好枸杞防御霜冻灾害准备，加强防范因终霜过晚对枸杞萌芽展叶造成的影响。

枸杞耐旱能力强，在年降水量不足250 mm的干旱、半干旱地区仍能正常开花结实。因新疆枸杞种植采用滴灌方式，枸杞产量受降水的影响较小。1981—2020年精河县枸杞生长季降水量在39～177 mm，6—7月果熟期降水量呈增加趋势。果熟期连阴雨会造成过期裂果，诱发炭疽病、黑果病，降低果实品质[26-27]，因此，6—7月应重点关注降水预报，提前做好用工调度，及时采收成熟枸杞。

枸杞生长季当日照时数高于1 800 h，往往与高温干旱相联系，高温会加速夏果发育，延长夏眠期，产量也会下降[21]。气候变化背景下，20世纪90年代后期至今，新疆高温日数异常偏多，高温天气过程日趋频繁[28-29]。枸杞生长季日照时数呈增加趋势，1981—2020年精河县枸杞生长季高温天气增加虽然不显著，但是极端高温天气发生日趋频繁，夏季发生枸杞热害的风险加大。建议高温天要及时灌溉，改善枸杞田间小气候，但要避免在午后高温时段灌水，以免出现“腾死”现象。

4 结论

利用精河县1981—2020年40 a逐日气象资料，采用Mann-Kendall突变检测和气候倾向率方法，分析精河县枸杞生长季农业气候资源的变化趋势。结果表明：1) 精河枸杞生长季热量资源呈增加趋势。40 a枸杞生长季气温19.7～23.5℃，平均21.5℃；≥10℃积温3 062～4 400℃·d，平均3 845.6℃·d；≥10℃积温日数146～215 d，平均180 d。枸杞生长季平均气温、≥10℃积温及其日数均在2004年发生由少到多的突变，突变后平均气温增加0.81℃、≥10℃积温增加378.5℃、≥10℃日数增加10.7 d。2) 精河县初霜日大多发生在10月中下旬，最早10月2日，最晚11月14日，初霜日呈推迟趋势，气候倾向率为2.8 d/10a。终霜日大多出现在4月中下旬，最早3月17日，最晚4月26日，终霜日呈提前趋势，气候倾向率为-3.0 d/10a。3) 精河枸杞生长季6—7月气温日较差呈减小趋势，6月日较差平均为13.9℃，7月为14.0℃。≥35℃高温天气主要发生在6月和7月，其中7月是高温天气的集中发生期，高温天气平均9.7 d，气候倾向率为0.5 d/10a。4) 枸杞生长季降水量平均为80.0 mm，降水量主要集中在6—7月，降水呈微弱增加趋势，年际波动较大。日照时数呈增加趋势，多年平均为1 652 h，年际变化差异明显，1999年发生突变，突变后日照时数增加229.7 h。

总体看，精河枸杞生长季热量资源的增加有利于提高枸杞产量，但枸杞萌芽展叶期遭遇霜冻风险增大，4月需加强霜冻灾害防范。夏果成熟期间高温日数增加，需关注高温对枸杞幼果生长发育造成的不利影响。7月降水量增加，对枸杞产量形成有一定影响。