1980—2021 年甘南高原农牧业热量资源的时空变化分析

张东琴，贲有生，金满慧，廖倩倩，王殿国

1.甘肃省夏河县气象局，甘肃夏河 747100；2.甘肃省甘南藏族自治州气象局，甘肃甘南 74700；3.甘肃省临潭县气象局，甘肃临潭 747500；4.甘肃省碌曲县气象局，甘肃碌曲 747200

近年来，全球气候变化引起了广泛关注，其对生态环境、社会经济和人类健康等方面的影响已经成为全球面临的最重要的环境问题之一。高原地区作为全球最敏感的生态系统之一，其气候变化特征表现出了高原变暖放大效应[1]。《中国气候变化蓝皮书(2020)》指出，1961—2019年，青藏高原地表气温升温速率为0.37℃/10年，而同期全球增温速率为0.16 ℃/10年。在此背景下，气候变化对农牧业生产的影响引起了广泛关注[2]。IPCC第五次评估报告指出，气候变化将影响作物生长，威胁粮食系统的稳定。郭佳等[3]归纳总结了国内学者关于气候变化对中国农业气候资源和农业影响的研究成果，发现北方地区热量资源的增幅明显大于南方地区。有学者研究了1979—2018年中国积温的时空变化特征，发现积温带呈向北移和向高海拔地区移动的趋势，高积温带的面积逐年增加，低积温带的面积缩小。同时，根据CMIP6预测未来积温这种变化趋势持续。赵彦茜等[4]分析了气候变暖背景下，中国物候变化规律特征，结果表明作物物候变化的主导驱动因子是气候变化，对作物物候变化起到决定作用，其次是农业管理措施，农业管理措施可以在一定程度上减轻气候变化对作物的不利影响。

甘南高原位于甘肃省西南部，地处青藏高原东部边缘，青海、甘肃和四川3省的交界处。该地区地形复杂，海拔差大，由于地势西北部高，东南部低，导致了不同地区气候差异较大。甘南高原海拔为1 100～4 900 m，大部分地区海拔高于3 000 m。自然类型区可分为南部岷迭山区、东部丘陵山带、西北部广阔的草甸草原。根据农业生产条件，甘南高原可分为纯牧区、半农半牧区与农区[5]。受地理环境的限制，甘南高原以农业和畜牧业发展为主，近年来，甘南在发展经济的同时注重农牧民生产生活方式的创新改革，大力培育和发展特色产业，由农牧业发展带动周边产业的发展。因此，深入分析1980—2021年甘南高原农牧业热量资源的时空分布变化，明确甘南高原农牧业热量资源的资源分布特征，为甘南农牧业发展、优化农牧业产业结构及其应对气候变化的决策提供重要的理论依据。研究选取≥0 ℃积温和≥10 ℃积温及其持续日数代表热量指标，从平均值的年际变化、突变分析、空间分析和年代际变化等研究1980—2021年甘南高原热量资源的时空变化。

1 资料和方法

1.1 气象数据资料

所用气象数据来自甘南藏族自治州8个气象站(图1)。1980—2021年逐日气象观测资料及经度、纬度、海拔资料。

图1 甘南气象站点分布

1.2 基础地理信息资料

所用基础地理信息资料采用国家基础地理信息中心提供的1:250 000的基础地理信息，数字高程数据DEM来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)，根据DEM获取经纬度、海拔等地理信息。

1.3 方法

1.3.1 农牧业热量资源检测指标用≥0 ℃积温和≥10 ℃活动积温及其持续日数代表热量指标，运用8个气象站的要素平均值代替该要素甘南整体情况。资料统计应用Excel、MATLAB等软件。

1.3.2 分析方法采用气候倾向率法分析气象要素的趋势变化,气候倾向率法是采用最小二乘法对气候趋势进行分析，利用时间系数衡量农牧业气候资源的变化趋势和幅度，并对其进行显著性检验。用Mann-Kendall检验(简称M-K检验)和滑动t检验2种检验方法交互检验和验证要素的突变点。M-K检验是一种非参数统计检验方法，其优点在于样本不需要遵守一定的分布，也不受少数异常值的影响；滑动t检验通过考查2组样本平均值的差异检验突变是否显著[6]。

在空间分析方面，使用ArcGIS普通克里金法对气候要素进行空间插值。该插值方法是区域化变量的线性估计，它假设数据变化呈正态分布，认为区域化变量Z的期望值是未知的常量，插值过程类似加权滑动平均，权总值的确定来自空间数据分析[7]。

2 结果与分析

热量是农业环境的重要因子，也是生物体生活的重要条件。热量通过其强度、持续时间和变化规律等方面对农牧业产生影响。热量的变化主要来源于温度。积温是常用的热量资源评判指标，日平均气温≥0 ℃积温一般被认为评估植物冻害风险的重要指标，日平均气温≥10 ℃积温一般用来判定喜凉和喜温作物生长情况的重要指标[8]。

2.1 热量资源的时间分布和趋势变化

由图2可见，≥0 ℃积温和≥10 ℃积温和天数呈现出波动式上升的趋势，且两者的演变特征相似。≥0 ℃积温整体以98.5 ℃·d/10年的倾向率显著上升，其中，最高值出现在2010年，达到了2 676.4 ℃·d，而最低值出现在1986年，为2 143 ℃·d，这表明该地区的积温逐渐增加，也相应延长了暖季的时长[9-12]。

图2 甘南1980—2021年≥0 ℃(a)和 ≥10 ℃(b)积温天数及平均值的年际变化

同样，≥10 ℃积温气候倾斜率为104.7 ℃·d/10，相关系数0.808，也通过了极显著性检验(α=0.001)。≥10 ℃积温的最高值出现在1998年，达到了2 042 ℃·d，而最低值出现在1982年，为1 458.3 ℃·d。进一步表明该地区的温度逐渐升高，暖季的温暖程度也在增加。

2种积温的年代际变化特征相似(表1)，20世纪80、90年代为负距平，进入21世纪以来，转为正距平。尤其是20世纪90年代以后积温增长显著。

表1 积温平均值的年代际距平 ℃·d

2.2 热量资源的突变分析

(1)根据所给的M-K检验和滑动t检验结果显示(图2a、图2b)，1997年UF和UB2条曲线出现交点，交点在临界线之外，1989年之后的每年UF值呈现上升趋势，即超过0 ℃积温逐年增加。滑动t检验结果进一步支持了这一结论，统计量均为正值，且峰值出现在1997年，超过了0.01的显著性水平。综合考虑M-K检验和滑动t检验的结果，可以确定≥0 ℃积温的突变点发生在1997年[13-15]。

(2)在M-K检验中(图2c)，≥10 ℃积温在1988年之后的UF值逐年呈现上升趋势，UF和UB 2条曲线在1996年附近出现交点，交点在临界线之外。在滑动t检验中(图2d)，统计量在2010年前为正值，之后为负值。此外，滑动t检验还显示出2个显著的峰值，分别在1993年和1997年，且均超过了0.01显著性水平。综合考虑，≥10 ℃积温的突变点出现在1997年，这意味着从1997年开始，气温变化的趋势经历了显著的变化，呈现出更加明显的上升趋势。

2.3 热量资源的空间分析

积温对农牧业来说非常重要，分析其空间分布特征，可用于指导农业生产、保护生态环境，为不同地区气候特点的农牧业生产提供依据。积温受到地理经纬度、海拔、地形等因素的影响。利用甘南8个气象台站1980—2021年的积温资料和根据DEM获取经纬度、海拔等地理信息，建立积温和地形要素的多元线性回归方程，并通过了α=0.001极显著性检验，说明回归结果拟合度高。然后用ArcGIS普通克里金法对要素进行空间插值，得到了积温的空间分布图[16-17]。

从活动积温多年平均空间分布来看(图略)，≥0 ℃积温和≥10 ℃积温空间分布相似，积温表现为空间上的分布不均匀，不同地区的积温存在明显差距。东部地区出现了较高的积温值，而西部地区的积温值相对低很多，这可能与东部地区更加适宜作物生产有关。

根据年代际演变可以看出，≥0 ℃积温空间分布在时间上也存在一定的变化(图略)，≥0 ℃积温整体随时间推移变大。20世纪80年代高值区在舟曲，≥0 ℃积温在3 500～4 000 ℃·d，甘南西部高值区在夏河县东北部，≥0 ℃积温为2 000～2 500 ℃·d，甘南中部高值区在临潭县和卓尼县交界处，此时全州大部≥0 ℃积温在1 500 ℃·d以下。至20世纪90年代，低值区面积缩小，高值区面积扩大，在迭部县东部出现了3 000～3 500 ℃·d的中心。至21世纪00年代，舟曲县出现了4 000 ℃·d以上的高值中心，此时，甘南州大部分地方的≥0 ℃积温在1 500 ℃·d以上。

3 结论

系统分析了甘南高原1980—2021年农业热量资源的时空变化。研究表明：≥0 ℃积温和≥10 ℃积温和天数呈现出波动式上升的趋势，≥0 ℃积温上升速率为98.5 ℃·d/10年，≥10 ℃为104.7 ℃·d/10年，说明甘南高原暖季的时长和强度都在不同程度地增长，尤其是20世纪90年代以后积温显著增长，同时都在1997年发生了明显突变。活动积温的持续日数上也表现出高值区(舟曲)≥0 ℃活动积温持续日数以≥10 ℃为主，而低值区(玛曲)≥0 ℃活动积温持续日数以0～10 ℃为主。从空间分布来看，差异显著，高值中心位于甘南东部迭部、舟曲，低值中心在甘南西部，呈现出东高西低的特点。