伍 瓊，陳 曦，曹 強，陳硯濤，岳 偉

（1. 安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心/安徽省農(nóng)村綜合經(jīng)濟信息中心，安徽 合肥 230031；2. 六安市氣象局，安徽 六安237011；3. 石臺縣氣象局，安徽 石臺 245100）

受人類活動和自然因素共同影響，全球氣候正發(fā)生著以變暖為主要特征的顯著性變化[1?7]。政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第5 次評估報告指出，過去一百多年來全球地表平均溫度已升高0.85 ℃，2006—2015 年全球平均表面溫度比工業(yè)化前高0.87 ℃，且變暖趨勢仍在持續(xù)[8]。農(nóng)業(yè)是對氣候變暖最為敏感的領(lǐng)域之一，氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候資源、生產(chǎn)布局、種植制度、作物產(chǎn)量及品質(zhì)等產(chǎn)生了一系列不可忽視的影響。過去幾十年，氣候變暖背景下長江中下游地區(qū)水稻生長期熱量資源明顯增加，積溫有效率和光照資源呈下降趨勢，降水量及降水強度呈增加趨勢[9]；我國南方地區(qū)一年三熟區(qū)面積擴大，一年二熟區(qū)和一年一熟區(qū)面積有所縮小[10]；華北平原冬小麥種植期界限顯著北移，播種期顯著推遲[11]。此外，氣候變化導(dǎo)致茶園土壤有機質(zhì)和有效養(yǎng)分含量降低，茶樹體內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量降低，從而降低茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。

大別山區(qū)獨特的氣候資源使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在大別山區(qū)縣域經(jīng)濟中占有重要地位，除了種植水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物外，還盛產(chǎn)茶葉、毛竹、中藥材、高山蔬菜、板栗等特色農(nóng)作物。近年來，氣候變暖背景下大別山區(qū)氣候資源變化特征及其對農(nóng)業(yè)的影響也是眾多學(xué)者研究的重點。陳海波等[13]分析了大別山區(qū)北坡氣溫、降水、日照的年際、月季變化特征及農(nóng)業(yè)氣候資源的垂直分布特征，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了分層開發(fā)、發(fā)展立體農(nóng)業(yè)的思路；張中平等[14]、張友明[15]、江大純等[16]、江勝國等[17]分析了大別山區(qū)東段反季節(jié)蔬菜、茶葉、生姜等作物種植的氣候適應(yīng)性及主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，并提出應(yīng)對措施與建議；彭劍峰等[18]指出，大別山區(qū)小林海黃山松樹輪寬度受9—10 月降水、溫度和相對濕度的影響較大；徐建鵬等[19]分析了1961—2019 年皖西大別山區(qū)年均氣溫、太陽總輻射、降水量和降水日數(shù)等氣候要素的時空變化特征；李遠平等[20]分析了皖西大別山區(qū)六安市近55 a 平均、最高和最低氣溫的年、季變化特征及概率分布情況。前人對大別山區(qū)氣候變化的研究多集中于某一區(qū)域，而針對整個區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候變化時空分布特征的研究尚不多見。此外，大別山區(qū)相關(guān)氣候變化的研究資料年限也相對較短，難以反映大別山區(qū)氣候資源整體變化情況。本研究利用大別山區(qū)35 個氣象觀測站1961—2020年逐日平均氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度等資料，分析近60 a 大別山區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空變化特征，以期為應(yīng)對大別山區(qū)氣候變化、保護生態(tài)環(huán)境、合理利用氣候資源提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

大別山位于湖北、河南、安徽三省交界處（N30°10′～32°30′、E112°40′～117°10′），東西綿延約380 km，南北寬約175 km，主要包括金寨、霍山、商城、麻城等35 個市縣，海拔500～800 m，山地主要部分海拔約1 500 m，是長江與淮河流域的分水嶺[18]。研究區(qū)域范圍、氣象觀測站點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域范圍及氣象觀測站點分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological observation stations

1.2 數(shù)據(jù)資料

選用大別山區(qū)35 個氣象站1961—2020 年的氣象資料，主要包括逐日平均氣溫（℃）、日照時數(shù)（h）、降水量（mm）、相對濕度（%），數(shù)據(jù)來源于中國氣 象 局CIMISS（China Integrated Meteorological Information Sharing System）系統(tǒng)，采用均值插值法對個別缺測數(shù)據(jù)進行補充。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)氣候資源指標(biāo) 10 ℃是喜溫作物生長的起始溫度，也是喜涼作物迅速生長、多年生作物開始以較快速度積累干物質(zhì)的溫度。因此，以穩(wěn)定通過10 ℃的界限溫度持續(xù)日數(shù)作為大別山區(qū)作物溫度生長期[21]。分析溫度生長期內(nèi)≥10 ℃積溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度、干燥度等農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征。采用五日滑動平均法計算界限溫度的起始或終止日期[22]。

1.3.2 干燥度 干燥度指數(shù)是表征某個地區(qū)干濕程度的指標(biāo)，本研究采用修正的謝良尼諾夫公式[21]：

式中：K為干燥度指數(shù)；0.16為經(jīng)驗系數(shù)；∑T為全年≥10 ℃的積溫；P為全年≥10 ℃積溫期間的降水量。

1.3.3 氣候傾向率 氣候傾向率是指氣候要素多年變化趨勢，本研究參考魏鳳英[23]提出的一元線性方程，利用最小二乘法擬合計算氣候傾向率。

1.3.4 Mann-Kendall 突變檢驗 Mann-Kendall（M-K）突變檢驗是用于分析數(shù)據(jù)序列隨時間變化趨勢的一種非參數(shù)的統(tǒng)計檢驗方法[24]，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。對于給定的顯著水平P=0.05，統(tǒng)計量UF 和UB 對應(yīng)的臨界值u0.05=±1.96。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 采用Excel 2013對氣象數(shù)據(jù)進行計算處理，采用DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行M-K 突變檢驗，采用ArcGIS 10.0進行地理分布繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 1961—2020年大別山區(qū)作物溫度生長期時空變化特征

氣候變暖背景下溫度升高，大別山區(qū)作物溫度生長期發(fā)生變化。由圖2a可知，1961—2020年大別山區(qū)作物溫度生長期呈極顯著增加趨勢（P<0.01），增幅為5.1 d/10 a。近60 a 大別山區(qū)作物溫度生長期平均為216 d，最大值為246 d（2009 年），最小值為192 d（1965 年）。從空間分布（圖3a）看，大別山區(qū)作物的溫度生長期呈緯向分布，高值區(qū)位于大別山區(qū)的南部，大部分地區(qū)在220 d 以上，浠水、武穴等地溫度生長期超過了230 d；中值區(qū)位于大別山區(qū)的中部，大部分地區(qū)為211～220 d；低值區(qū)位于大別山區(qū)的北部，均少于210 d，其中壽縣不足200 d。1961—2020 年，研究區(qū)域作物溫度生長期均呈增加趨勢（圖3b），氣候傾向率最大值為7.6 d/10 a（蘄春）；最小值為1.6 d/10 a（岳西）。由M-K 檢測（圖2b）可以看出，1961—2020 年大別山區(qū)作物溫度生長期日數(shù)的UF和UB曲線相交于1997年，表明年作物溫度生長期在1997 年發(fā)生突變，突變后（226 d）較突變前（208 d）增加了18 d，且UF 曲線在1998 年超過了臨界值，增加趨勢顯著（P<0.05）。

圖2 1961—2020年大別山區(qū)作物溫度生長期變化（a）及M-K突變檢驗（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

圖3 1961—2020年大別山區(qū)作物溫度生長期（a）及變化傾向率（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年大別山區(qū)熱量資源時空變化特征

由圖4a 可知，1961—2020 年大別山區(qū)年≥10 ℃積溫均值為5 397.5 ℃·d，最大值為5 788.7 ℃·d（2018年），最小值為5 055.1 ℃·d（1976年）。近60 a大別山區(qū)年≥10 ℃積溫呈極顯著增加趨勢（P<0.01），增幅為70.7（℃·d）/10 a。大別山區(qū)年≥10 ℃積溫呈現(xiàn)一定的緯向差異，由北向南逐漸增加，南部的浠水、蘄春、黃梅、武穴等地年≥10 ℃積溫均在5 700 ℃·d 以上，熱量資源較為豐富；低值區(qū)位于大別山區(qū)北部的息縣、羅山、新縣、壽縣及中部的霍山和岳西，其中岳西不足4 900 ℃·d（圖5a）。從變化傾向率（圖5b）看，1961—2020 年大別山區(qū)各地年≥10 ℃積溫均呈增加趨勢，但≥10 ℃積溫變化傾向率大小分布不均，信陽、麻城、蘄春均在90（℃·d）/10 a以上，其中蘄春達到100（℃·d）/10 a；岳西、桐城兩地相對較小，不足40（℃·d）/10 a。由M-K 檢測（圖4b）可以看出，1961—2020年大別山區(qū)年≥10 ℃積溫的UF 和UB 曲線相交于2004 年，表明年≥10 ℃積溫在2004 年發(fā)生突變，突變后（5 611.9 ℃·d）較突變前（5 312.7 ℃·d）增加了299.2 ℃·d，且UF 曲線在2007年超過了臨界值，增加趨勢顯著（P<0.05）。

圖4 1961—2020年大別山區(qū)≥10 ℃積溫變化（a）及M-K突變檢驗（b）Fig.4 Variation of ≥10 ℃accumulated temperature（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

圖5 1961—2020年大別山區(qū)≥10 ℃積溫（a）及變化傾向率（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年大別山區(qū)降水資源時空變化特征

2.3.1 降水量 由圖6a 可知，近60 a 大別山區(qū)年降水量呈不顯著增加趨勢（P>0.05），平均增幅為20.2 mm/10 a，不同區(qū)域差異明顯。南部的黃梅、宿松、安慶等地增幅較大，均在50 mm/10 a 以上；北部的金寨、團風(fēng)、新縣、大悟、信陽、羅山呈減少趨勢（圖7b）。1961—2020 年大別山區(qū)降水量歷年均值為1 353.8 mm，年際間差異較大。年降水量最小值為760.4 mm（1978 年），最大值為1 910.8 mm（2020年）。從空間分布（圖7a）看，大別山區(qū)降水量呈明顯的緯向分布，由北向南呈增加趨勢。降水豐富區(qū)域是位于南部的英山、蘄春、太湖、潛山、懷寧、安慶、武穴等地，年均降水量超過1 400 mm；低值區(qū)位于東北部的壽縣、淮濱、息縣，年均降水量不足1 000 mm。由M-K 檢測（圖6b）可以看出，1961—2020 年大別山區(qū)年降水量的UF 和UB 曲線存在多個交點，且交點均位于臨界線內(nèi)，表明1961—2020年大別山區(qū)年降水量沒有發(fā)生突變。

圖6 1961—2020年大別山區(qū)降水量變化（a）及M-K突變檢驗（b）Fig.6 Variation of precipitation（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

圖7 1961—2020年大別山區(qū)降水量（a）及變化傾向率（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 降水日數(shù) 1961—2020 年大別山區(qū)年降水日數(shù)均值為128.7 d，最大值為154.7 d（1964 年），最小值為102.3 d（2013 年）（圖8a）?？臻g分布與降水量較為相似，即由北向南呈增多趨勢。高值區(qū)位于大別山區(qū)中部的霍山、岳西和南部的太湖、蘄春、武穴，年均降水日數(shù)均在140 d 以上，其中岳西的年均降水日數(shù)達156 d；低值區(qū)位于大別山區(qū)北部的壽縣、淮濱、息縣，年均降水日數(shù)不足110 d（圖9a）。由圖8a 可知，近60 a 大別山區(qū)年降水日數(shù)呈極顯著減少趨勢（P<0.01），減幅為2.4 d/10 a；空間分布上各地也均呈減少趨勢，變化傾向率分布不均，其中團風(fēng)、岳西、羅山等地減幅相對明顯，均超過6.2 d/10 a（圖9b）。由M-K 檢測（圖8b）可以看出，1961—2020年大別山區(qū)年降水日數(shù)的UF 和UB 曲線相交于1978 年，表明年降水日數(shù)在1978 年發(fā)生突變，突變后（125.0 d）較突變前（137.9 d）減少了12.9 d，且UF曲線在1995 年超過了臨界值，下降趨勢顯著（P<0.05）。

圖8 1961—2020年大別山區(qū)降水日數(shù)變化（a）及M-K突變檢驗（b）Fig.8 Variation of precipitation days（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

圖9 1961—2020年大別山區(qū)降水日數(shù)（a）及變化傾向率（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 相對濕度 由圖10a 可知，近60 a 大別山區(qū)相對濕度均值為76.4%，不同年份之間差異明顯，最大值為80.0%（1985 年），最小值為70.0%（2011 年）。從空間分布（圖11a）看，年均相對濕度區(qū)域間差異不大。高值區(qū)位于大別山東部的霍山、舒城及南部的武穴，年均相對濕度均在79%以上；低值區(qū)位于大別山西北部的信陽、大悟、麻城、金寨等地，年均相對濕度低于75%。1961—2020 年大別山區(qū)年均相對濕度呈顯著減少趨勢（P<0.05），減幅為0.4%/10 a（圖10a）。研究區(qū)域大部分站點的變化傾向率以減少趨勢為主，其中六安減幅相對最大，為1.1%/10 a；而團風(fēng)、黃岡、壽縣、岳西、桐城、望江、武穴等地年均相對濕度變化傾向率呈增加趨勢（圖11b）。由M-K 檢測（圖10b）可以看出，1961—2020年大別山區(qū)年均相對濕度的UF 和UB 曲線相交于2000 年，表明年均相對濕度在2000 年發(fā)生突變，突變后（75.1%）較突變前（77.1%）降低了2.0 個百分點，且這種降低趨勢在2011 年達到顯著水平（P<0.05）。

圖10 1961—2020年大別山區(qū)年均相對濕度變化（a）及M-K突變檢驗（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

圖11 1961—2020年大別山區(qū)相對濕度（a）及變化傾向率（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年大別山區(qū)光照資源時空變化特征

從時間變化（圖12a）看，近60 a 大別山區(qū)年日照時數(shù)均值為1 923.7 h，最大值為2 264.3 h（1978年），最小值為1 652.4 h（2020 年）。年日照時數(shù)區(qū)域間總體差異不明顯，高值區(qū)位于大別山區(qū)東北部的六安、固始、霍邱、壽縣及中部的麻城，年均日照時數(shù)超過2 000 h；新縣、舒城、望江等地年均日照時數(shù)相對較少，不足1 850 h（圖13a）。1961—2020 年大別山區(qū)年均日照時數(shù)呈極顯著減少趨勢（P<0.01），減幅為67.0 h/10 a（圖12a），減幅區(qū)域間差異顯著（P<0.05），北部年日照時數(shù)的減幅高于南部，北部的息縣、信陽、羅山、淮濱等地減幅均超過100 h/10 a（圖13b）。由M-K 檢測（圖12b）可以看出，1961—2020 年大別山區(qū)年日照時數(shù)的UF 和UB曲線相交于1991 年，表明年日照時數(shù)在1991 年發(fā)生突變，突變后（1 826.1 h）較突變前（2 021.4 h）減少了195.3 h，且這種降低趨勢在1984 年達到顯著水平（P<0.05）。

圖12 1961—2020年大別山區(qū)日照時數(shù)變化（a）及M-K突變檢驗（b）Fig.12 Variation of sunshine hours（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

圖13 1961—2020年大別山區(qū)日照時數(shù)（a）及變化傾向率（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年大別山區(qū)作物生長期干燥度時空變化特征

由圖14a 可知，1961—2020 年大別山區(qū)干燥度指數(shù)均值為0.90，年際間差異較大，其中最大值為1.70（2001 年），最小值為0.53（1983 年）。從空間分布（圖15a）看，干燥度呈緯向分布。低值區(qū)位于大別山區(qū)中南部，大部分區(qū)域干燥度指數(shù)低于0.85，其中岳西最低，為0.65；高值區(qū)位于大別山區(qū)的北部一帶，高于1.00。近60 a 大別山區(qū)干燥度指數(shù)時間變化趨勢不明顯，以上下波動為主，但空間分布呈現(xiàn)明顯的差異，西部和北部大部分站點以增加趨勢為主，而東部和南部大部分站點以減少趨勢為主（圖15b）。由M-K 檢測（圖14b）可以看出，1961—2020 年大別山區(qū)干燥度指數(shù)的UF 和UB 曲線存在多個交點，且交點均位于臨界線內(nèi)，表明1961—2020年大別山區(qū)干燥度指數(shù)沒有發(fā)生突變。

圖14 1961—2020年大別山區(qū)干燥度指數(shù)變化（a）及M-K突變檢驗（b）Fig.14 Variation of dryness index（a）and M-K mutation test（b）in area of Dabie Mountains from 1961 to 2020

圖15 1961—2020年大別山區(qū)干燥度指數(shù)（a）及變化傾向率（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 結(jié)論與討論

1961—2020 年大別山區(qū)作物溫度生長期和≥10 ℃積溫呈極顯著增加趨勢（P<0.01），增幅分別為5.1 d/10 a、70.7（℃·d）/10 a?？臻g分布上，由北向南逐漸增加。隨著作物溫度生長期延長和≥10 ℃積溫增加，大別山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在品種搭配、種植調(diào)整等方面可選擇更加趨利的種植方式。例如，水稻種植過程中可將中熟品種換成生育期相對較長、產(chǎn)量相對較高的中晚熟或晚熟品種，以提高水稻單產(chǎn)；玉米可結(jié)合茬口和墑情適時播種，選擇生育期相對較長、產(chǎn)量相對較高的中晚熟品種[25]。但溫度升高不利于作物產(chǎn)量的形成，尤其生育期短的作物，因為發(fā)育速度加快會導(dǎo)致生育期縮短，在相同的栽培管理措施下，生育期縮短將導(dǎo)致產(chǎn)量下降[26]。研究表明，當(dāng)溫度升高1.5～2.0 ℃時，我國單季稻的生育期約縮短2%，氣溫每升高1 ℃，可能導(dǎo)致全球水稻產(chǎn)量平均下降3.2%[27]；長江中游地區(qū)，二熟區(qū)生育前期（9—11月）和三熟區(qū)生育后期（3—5月）平均氣溫每升高0.1 ℃，油菜分別減產(chǎn)53、40 kg/hm2[28]。

降水是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，易亮等[29]的研究表明，大別山區(qū)桑樹生長期降水量的多少與桑葉的產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。大別山區(qū)降水資源較為豐富，大部分區(qū)域年均降水量均在1 000 mm 以上，基本滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水分的需求，尤其中南部豐富的降水為優(yōu)質(zhì)茶葉生產(chǎn)提供了良好的水分條件。近60 a，大別山區(qū)降水量呈不明顯增加趨勢（P>0.05），增幅為20.2 mm/10 a，降水日數(shù)和年均相對濕度呈顯著減少趨勢（P<0.05），減幅分別為2.4 d/10 a、0.4%/10 a。在降水量增加趨勢下，降水日數(shù)的減少意味著降水相對集中，從而造成旱澇發(fā)生頻率增加。光照是植物進行光合作用的必要條件，可使植物正常生長、發(fā)育及形成產(chǎn)量[30]。近60 a 大別山區(qū)日照時數(shù)呈極顯著減少趨勢（P<0.01），這與全國日照時數(shù)變化趨勢較為一致[31]，其減少原因與大氣污染物、云量、氣溶膠、降水量等密切相關(guān)[32?33]。日照時數(shù)的長短將直接影響太陽總輻射的高低，進而影響作物的光合作用及光合產(chǎn)物積累。陸昱等[34]的研究表明，隨著輻射的減少冬小麥生育期延長，穗、葉和莖等干物質(zhì)積累也呈減少趨勢，且輻射減少條件下，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量結(jié)構(gòu)指標(biāo)下降。位于華東區(qū)域的山東省，日照時數(shù)對冬小麥單產(chǎn)表現(xiàn)為正效應(yīng)，而對夏玉米表現(xiàn)為負效應(yīng)，日照時數(shù)每增加100 h，冬小麥和夏玉米單產(chǎn)分別增加3.33%和減少3.36%[35]。此外，如果輻射下降10%，中國近7%的玉米種植面積產(chǎn)量出現(xiàn)減少，減少幅度平均為9.1%[36]。大別山區(qū)干燥度由北向南呈遞減趨勢，高值區(qū)位于大別山區(qū)的北部，從變化趨勢上看，大別山區(qū)北部和西部干燥度呈增加趨勢，干燥度的增加在一定程度上說明該地的干旱程度明顯增加，這將給大別山區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大風(fēng)險。

大別山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中受高溫?zé)岷?、低溫凍害、干旱等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響較大。本研究分析了大別山區(qū)作物溫度生長期及熱量、日照、降水等農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征，農(nóng)業(yè)氣候資源變化對大別山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響尚待研究。在氣候變暖背景下，下一步將重點開展農(nóng)業(yè)氣候資源變化和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對大別山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響研究。