2. 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室 银川 750002;
3. 宁夏气象防灾减灾重点实验室 银川 750002;
4. 宁夏气象服务中心 银川 750002;
5. 内蒙古生态与农业气象中心 呼和浩特 010051
2. Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions, China Meteorological Administration, Yinchuan 750002, China;
3. Ningxia Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction, Yinchuan 750002, China;
4. Ningxia Meteorological Service Centre, Yinchuan 750002, China;
5. Ecological and Agricultural Meteorological Center, Hohhot 010051, China
在全球气候变暖背景下, 近百年来中国年平均地表气温明显上升, 气候呈暖干化趋势[1-2]。政府间气候变化专业委员会(IPCC)第5次评估报告中指出, 20世纪至今, 全球气候正经历一场以变暖为主要特征的显著变化, 全球气候变暖的事实是毋庸置疑的。1983—2012年, 每10 a地表温度增暖幅度高于1850年以来的任何时期[3]。宁夏位于中国西北地区东部, 地处内陆, 是温带大陆性半干旱气候。近50 a来, 年平均气温处于逐年增高趋势。
枸杞(Lycium barbarum L.)产业是宁夏的地域符号、特色产业、“红色名片”。经过多年发展, 截至2017年底, 全区枸杞种植面积6.7万hm2, 枸杞干果总产量18万t, 年综合产值150亿元。2017年全区枸杞产品出口量与出口额分别达7 305.5 t和6 105.6万美元, 产品远销40多个国家和地区。在气候变暖背景下, 宁夏农业气候资源变化对枸杞种植布局[4-5]、产量[6]、外观品质形成[7-9]和生长发育[10-11]均有很大影响。因此, 有必要进一步分析宁夏气候变化的新特征, 并研究气候变化对枸杞的影响, 为枸杞生产和决策部门提供科学依据。
近年来, 前人针对气候变化背景下农作物的研究做了大量工作[12-15], 主要以小麦(Tritiucm aestivum L.)、水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays L.)等大宗作物为主。学者们对宁夏枸杞的研究, 主要集中在气象条件分析[16]、种植气候资源区划[17]、枸杞病虫害[18-20]、枸杞糖分积累[21-22]、气象灾害[23]等方面, 气候变化对枸杞生长发育影响的研究相对较少。邓振镛等[24]曾对西北地区特色作物对气候变化响应及应对技术方面进行研究, 结果表明, 气候暖干化使多年生特色作物萌芽或返青提早, 生长发育速度提前加快, 并提出相应的应对措施, 适应气候变化。本文拟用宁夏1961—2017年17个气象站最新逐日气象资料, 分析宁夏枸杞生育期气候变化的特征及其对枸杞生长的影响, 以期为决策部门合理利用农业气候资源、制定适应气候变化的对策等提供有力的科技支撑; 为气象业务部门开展有效的枸杞预测业务服务提供科学数据; 并为科研和教学部门研究提供基础理论依据。
1 资料与方法 1.1 研究区概况及数据来源宁夏回族自治区位于中国西北地区东部(35°14′~ 39°23′N, 104°17′~107°39′E), 呈南北长、东西短, 面积6.64×104 km2。全区年平均气温5.4~9.9 ℃, 呈北高南低分布, 中北部地区在9.0 ℃左右, 南部阴湿地区在6.0 ℃以下。平均年降水量180~600 mm, 北少南多, 地区差异明显。年日照时数为2 203.3~3 092.8 h。基本气候特征是冬季漫长寒冷, 春暖快、夏短凉爽、秋凉早, 气温年较差、日较差大, 日照充足, 降水少、多集中在夏季且分布不均, 蒸发量大。比较频繁的气象灾害有干旱、冰雹、大风、沙尘暴、霜冻、局地暴雨洪涝等[25]。
宁夏深居大陆腹地, 水资源严重短缺。全区90%的水用于农业灌溉。枸杞作为宁夏重要的经济作物, 不但具有很高的药用价值, 还有很高的商品价值。枸杞在有灌溉条件下才能保证一定的产量和品质, 用水主要依靠黄河水。
本文选用1961—2017年宁夏17个常规气象站枸杞生育期(4月上旬至10月上旬)逐日气象资料, 包括平均气温、降水量、日照时数等, 以及各个气象站的经度、纬度等地理属性数据。气象资料和枸杞发育期资料来源于宁夏气象局, 经过人工审核质量控制。中宁枸杞产量资料来源于宁夏回族自治区统计局。
1.2 研究方法 1.2.1 枸杞生长季的确定研究表明, 影响枸杞生长发育和产量的界限温度为10 ℃左右。随着≥10 ℃期间日数增加, 为枸杞生长提供了更长的时间。由于枸杞是无限花序的连续花果植物, 随着生长期延长开花批次和收果批次增多, 产量增加[26]。本文以稳定通过10 ℃的持续日数作为枸杞生长季, 稳定的起始日期消除了日平均气温逐日变化的波动性, ≥10 ℃的初日与终日之间的天数即为生长季。稳定通过界限温度采用5 d滑动平均法计算。
1.2.2 气候倾向率用Xi表示样本量为n的某一气候变量, 用t表示Xi所对应的时间,建立Xi与t之间的一元线性回归方程[27]:
$ X_{i}=a+b t_{i} \quad(i=1, 2, \cdots, n) $ | (1) |
式中: a为回归常数; a和b可用最小二乘法进行估计。以b的10倍作为气候要素气候倾向率。
1.2.3 曼-肯德尔(Mann-kendall)法曼-肯德尔(简称M-K检验)法[27]是一种非参数统计检验方法。表示气候从一种稳定态跳跃式地转变到另一种稳定态的现象, 它不受是否为线性趋势影响, 也不受少数异常值的干扰, 更适用于类型变量和顺序变量。其优点是计算简便, 可以明确突变开始时间, 并指出突变区域。利用M-K检测1961—2017年宁夏枸杞生育期平均气温、积温、日照时数、降水量序列的突变。给出显著性水平α=0.05, 即u0.05=±1.96。
1.3 数据处理运用数理统计法整理分析宁夏17个站点1961—2017年气象数据、农业数据, 并进一步计算≥10 ℃初日和终日之间的平均气温、降水量、日照时数、积温及各要素之间的气候倾向率等。基于Surfer软件的空间分析功能, 输出气候资源的时空分布图。定性分析气候变化对枸杞发育、生长、品质、病害及分布范围等的影响; 定量分析0 ℃、5 ℃及10 ℃积温与中宁县枸杞产量的关系,采用定性与定量相结合的方法确定了气候变化对枸杞的影响, 并借助相关系数检验法进行显著性检验。1961—2017年平均气温、降水量、日照时数取全区17站平均值。
2 结果与分析 2.1 气候变化特征 2.1.1 气温从图 1看出, 宁夏17站枸杞生长季年平均气温在17~20 ℃, 其中, 同心以北地区平均气温较高, 在19 ℃以上, 石嘴山地区最高, 达到19.7 ℃以上。年平均气温空间分布呈现由南向北递增的分布特征。
枸杞生育期平均气温的年际升温趋势比较明显, 从图 2a看出, 近57 a气温虽有波动, 但整体呈增加趋势, 气候倾向率为0.19 ℃·(10a)-1, 通过了0.001显著性水平检验。年际变化差异明显, 最高年(2005年)和最低年(1964年)相差2.5 ℃。从图 2b看出, 宁夏枸杞生育期平均气温M-K突变检验结果中UF曲线从20世纪70年代开始都大于0, 说明从20世纪70年代开始, 年平均气温呈上升趋势, 且20世纪90年代末以来, 这种增暖趋势均大大超过显著性水平0.05临界线(u0.05=±1.96), 甚至超过0.001显著性水平(u0.001=±2.56), 表明气温上升趋势十分显著。根据UF和UB曲线交点位置, 确定宁夏枸杞生育期平均气温20世纪90年代增温是一突变现象, 突变年是1990年, 1991—2017年与1961—1990年相比, 平均气温升高0.69 ℃, 其增温速度明显高于全国年平均增幅水平[28]。
图 3显示, 宁夏枸杞生育期≥10 ℃积温在2 300~ 3 600 ℃。≥10 ℃积温在空间上的分布规律与平均气温相似, 呈自南向北递增的分布特征。固原、海原、兴仁3个站≥10 ℃积温在3 000 ℃以下, 这些地区枸杞的夏果成熟批次少, 夏果采摘延迟, 产量低。其他站均在3 200 ℃以上, 其中石嘴山最高, 为3 618.7 ℃。
宁夏枸杞生育期≥10 ℃积温年际变化特征比较明显, 从图 4a看出, 1961—2017年枸杞生长期间≥10 ℃积温波动明显, 整体呈增加趋势, 气候倾向率为95.4 ℃·(10a)-1, 通过0.001显著性水平检验。年际间变化差异明显, 最高年(2016年)和最低年(1970年)相差827.0 ℃。
从宁夏枸杞生育期≥10 ℃积温的M-K突变检验结果看出(图 4b), UF曲线从20世纪90年代中后期呈上升趋势, 进入21世纪, 尤其从2005年以来, 这种增暖趋势均大大超过显著性水平0.05临界线, 甚至超过0.001显著性水平, 表明≥10 ℃积温上升趋势十分显著。根据UF和UB曲线交点的位置, 确定≥10 ℃积温在2000年代有增温突变现象, 突变年是2003年, 2004—2017年与1961—2003年相比, ≥10 ℃积温平均升高370.6 ℃。
2.1.3 日照时数由于宁夏枸杞生育期受极地大陆气团控制时间较长, 雨雪稀少, 云雾较少, 加上较为有利的地理位置, 多晴朗干燥天气, 所以大部分地区日照比较充足。图 5显示, 各地枸杞生育期的日照时数为1 000~1 600 h, 在空间上呈自南向北递增的分布特征。同心及以北地区日照时数在1 500 h以上, 其中, 平罗、吴忠、青铜峡、中宁及灵武日照时数在1 600 h以上, 以平罗最多为1 627.0 h。
从图 6a看出, 宁夏枸杞生育期日照时数整体呈增多趋势, 气候倾向率为26.8 h·(10a)-1, 通过了0.001显著性水平检验。年际变化差异明显, 日照时数最高年(2016年)和最低年(1977年)相差408.1 h。
宁夏枸杞生育期日照时数M-K突变检验结果得出(图 6b), UF曲线从20世纪90年代中后期开始出现波动上升趋势, 2009年超过0.05临界线, 2014年以后甚至超过0.001显著性水平, 根据UF和UB曲线交点的位置, 确定突变年为2005年左右, 2006—2017年与1961—2005年相比, 日照时数增多93.9 h。
2.1.4 降水量从图 7看出, 宁夏枸杞生育期多年平均降水量为189.4 mm, 各地降水量在150~350 mm, 北少南多, 自南向北递减, 地区差异明显。同心及以南地区在200 mm以上, 以北在200 mm以下, 银川平原大部为150~170 mm, 南部固原最多, 为343.3 mm。
从图 8a看出, 近57 a来, 枸杞生育期降水量增减趋势不显著, 年际变化比较明显, 降水量最多年(1964年)和最少年(1982年)相差245.3 mm。
从图 8b看出, UF曲线基本小于0, UF、UB有多个交叉点, 且未通过显著性水平0.05临界线, 因此无法确定突变年份。
2.2 气候变化对枸杞生长和产量的影响当春季气温回升至10 ℃左右时, 枸杞开始萌芽, 9月中下旬秋果成熟。整个生育期持续170 d左右。在宁夏, 全生育期≥10 ℃积温为3 450 ℃, 在3 200~ 3 600 ℃范围内, 能获得正常产量; 在3 200 ℃以下, 热量不足引起减产。在灌溉条件下, 全生育期降水量在100~170 mm, 气象产量不受降水量影响; 降水量小于100 mm, 对产量有不利影响。全生育期最适日照时数为1 650 h, 低于1 500 h时, 全生育期日数短积温少, 产量下降[29]。
2.2.1 气候变化对枸杞生长的影响通过对宁夏枸杞生长季气候变化特征的分析可知, 气温、积温、日照时数均呈增加趋势,积温增加,春季气温回升较快, 使宁夏各地枸杞萌芽时间提前。由表 1可以看出, 全区大部分站点枸杞萌芽期在4月中旬, 相较于积温突变前(1961—2003年), 2004—2017年全区枸杞萌芽期提早4~19 d, 平均提早8 d; 秋季气温下降缓慢, 秋果成熟期推迟0~8 d, 平均推迟6 d。全区全生育期在144~182 d, 平均生育期在171 d。单位面积产量提高, 一定程度上有利于农业生产。同时, 气候变暖增加冬季农田土壤水分蒸发, 使病虫害发展有增加趋势。
枸杞是无限花序, 边开花边结果。夏秋热量增加, 生育期延长, 使得花序不断产生, 果实不断生长、不断成熟, 从而提高总产量。夏季高温天气增多, 夏果生长与高温相伴, 加速了夏果发育, 一定程度上延长了夏眠期, 对产量形成不利。夏季降水相对集中, 枸杞夏果成熟期在6月13日前后, 当降水量超过240 mm时, 日照偏少, 黑果率较高, 产量受到影响, 品质变差, 总糖、多糖含量偏低。
气候暖干化趋势使宁夏枸杞适宜种植区域扩大。银川以北贺兰山前阳坡地带及银川灌区、卫宁灌区东部地区, 热量资源丰富, ≥10 ℃积温一般在3 300~3 600 ℃, 期间持续天数一般在170 d以上。降雨日数少, 有黄河水灌溉, 气象条件有利于产量形成, 夏秋果产量均较高, 是最适宜和适宜种植区, 应扩大种植面积。同心中东部、固原北部是次适宜种植区, ≥10 ℃积温一般在3 000~3 300 ℃, 期间持续天数一般在140 d以上, 可适当扩大种植, 以优化农业产业结构, 增加农民收入。固原南部地区, ≥10 ℃积温一般在2 500 ℃以下, 期间持续天数一般在140 d以下, 光热条件较差, 因夏秋多雨而发生黑果病, 产量和品质年际间不稳定, 不宜种植枸杞。
2.2.2 气候变化对枸杞产量的影响经统计, 影响枸杞产量的气象因子中, ≥10 ℃期间的持续日数与枸杞产量呈极显著正相关, ≥10 ℃积温与枸杞产量正相关也很显著。气候变暖, 生育期延长, ≥10 ℃积温增加, 有利于产量提高。
中宁县地处宁夏中部干旱带, 是宁夏枸杞的核心产区。中宁县枸杞种植面积大, 产量历史观测记录年代长、详细。利用中宁县产量资料, 结合历年逐日气象资料, 计算宁夏枸杞产量与各种气象条件的关系, 研究分析气候变化对枸杞产量的影响。
由2006—2018年中宁县稳定通过0 ℃、5 ℃、10 ℃到枸杞萌芽期的积温与产量的关系分析得出, 这3个时段的积温与产量均呈正相关关系, 尤其, 稳定通过5 ℃到枸杞萌芽期的积温与产量呈显著正相关, 并通过α=0.01显著性水平检验(图 9a)。
通过1984—2018年中宁县枸杞全生育期≥10 ℃积温与产量相关分析(图 9b)可以看出, 中宁县枸杞全生育期的积温与产量呈正相关关系, 通过α=0.001显著性水平检验。在枸杞全生育期时段内, 枸杞产量随积温的增加呈现增产趋势, 即积温每增加100 ℃, 枸杞增产367.5 kg。
3 结论气候变暖提高了研究区的农业气候资源与优势, 光照资源十分丰富, 为枸杞的生长发育提供充足的条件, 气温的升高对枸杞生长发育十分有利, 不仅可以使枸杞顺利开花, 也有利于为结果期提供充足的热量。降水偏少, 且不均匀, 果熟期降水对产量影响较大。气候变化导致农业生产不稳定性增加, 引起农业生产布局及结构发生变动, 使种植制度发生改变。如何适应气候变化新环境是宁夏枸杞生产可持续发展需要关注的重点。一方面要加强气候变化对枸杞生长影响机理的研究, 另一方面提高防灾减灾和综合生产能力, 加强枸杞全生育期农业气象条件产前产中产后系列预测服务工作, 减轻气候变化对枸杞生产带来的不利影响, 充分利用气候资源, 促进枸杞生产的可持续发展。
采取切实有效的技术措施适应气候变化。充分利用优势气候生态种植带建立稳定的主栽品种生产加工基地。春季气温回升较快, 应加强枸杞早期管理, 充分利用早春热量资源。加强用水科学管理, 科学栽培, 提高产量, 确保质量。
本研究表明, 气候暖干化是宁夏枸杞生育期气候变化的主要特征。枸杞生育期平均气温整体呈上升趋势, 气候倾向率为0.2 ℃·(10a)-1。1990年前后发生突变, 突变后平均气温升高0.7 ℃; ≥10 ℃积温整体呈增加趋势, 气候倾向率为95.4 ℃(10a)-1, 在2003年前后发生突变, 突变后比突变前增加了370.6 ℃; 日照时数整体呈增加趋势, 增长速率为169.4 h(10a)-1, 2005年前后发生突变, 突变后增加93.9 h; 降水量年际间波动幅度大, 但增减趋势不明显。
宁夏枸杞主产区中宁县稳定通过5 ℃到枸杞萌芽期的积温以及全生育期≥10 ℃积温与单产量之间有显著的正相关关系, 在黄河灌区水分条件满足的情况下, 热量条件是影响宁夏枸杞产量最重要的气候条件。因此, 气候暖干对枸杞生产利多弊少。气候变暖使最适宜和适宜种植区域扩大; 枸杞生育期延长, ≥10 ℃积温增加, 秋果可采摘批次增多, 产量增加; 夏果成熟期间, 气温升高, 结果批次、采摘批次减少, 产量受到影响; 降水量减少, 枸杞炭疽病、黑果病发病机率减少, 利于产量增加。
本文对宁夏枸杞生育期气候变化的特征及影响进行了初步的研究, 未考虑极端气候事件对枸杞生产的影响, 对枸杞产量影响中未考虑化肥使用量、灌溉等客观条件, 这也是以后研究的热点。此外枸杞生长如何适应气候变化, 有待进一步深入的研究。
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