姚 平，寇衛(wèi)利，王秋華,韓永濤

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

工業(yè)革命以來，人類改造環(huán)境的能力日益增強，土地覆被的改變對氣候產(chǎn)生巨大影響，是全球變化研究的重要領(lǐng)域[1-2]。西雙版納州位于我國西南部邊陲，是全球生物物種的高富集區(qū)和世界級的生物基因庫之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]。由于該區(qū)域較豐富的氣候資源和適宜的地形條件，成為我國主要的橡膠生產(chǎn)基地，而大范圍的橡膠種植對氣候和生態(tài)環(huán)境造成重要的影響[4-6]。近年來西雙版納地區(qū)橡膠林面積和局地氣候特征均出現(xiàn)了新的變化[7-12]。為此，針對西雙版納橡膠種植面積較大的勐臘縣[7]，開展近60年來多氣候要素及其與橡膠種植面積之間關(guān)系的研究，以期為人類活動影響氣候，以及西雙版納橡膠經(jīng)濟林合理開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的有效保護提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

采用國家氣象信息中心提供的西雙版納州國家基準(zhǔn)氣候站勐臘站1957—2018年逐月氣象觀測數(shù)據(jù)，主要包括平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均相對濕度、20—20時降水量和日降水量≥0.1 mm日數(shù)，計算年平均氣溫(氣溫)、年平均最高氣溫(最高氣溫)、年平均最低氣溫(最低氣溫)、年平均相對濕度(相對濕度)、20—20時年降水量(降水量)和日降水量≥0.1 mm年總?cè)諗?shù)(降水日數(shù))。

本研究中橡膠種植數(shù)據(jù)來自《云南統(tǒng)計年鑒》[8]及近年來公開發(fā)表的數(shù)據(jù)信息[9-10]。

1.2 研究方法

主要采用氣候要素趨勢分析、滑動t檢驗和皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計學(xué)方法進行分析[11]。

1.2.1氣候要素趨勢分析

1.2.2滑動t檢驗

采用滑動t檢驗[13]，分析近60多年來氣候要素的突變特征?；瑒觮檢驗是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變，對于具有n個樣本量的時間序列x，設(shè)置某一時刻為基準(zhǔn)點，基準(zhǔn)點前后兩段子序列x1和x2的樣本分別為n1和n2，則定義統(tǒng)計量

(1)

1.2.3Pearson相關(guān)系數(shù)

采用Pearson相關(guān)分析[13]，探討近年來氣候變化與橡膠樹種植之間的關(guān)系。Pearson相關(guān)系數(shù)是描述兩個隨機變量線性相關(guān)的統(tǒng)計量，利用檢驗方法對Pearson相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗，并采用Matlab 2014a軟件進行計算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

近60年來西雙版納州勐臘縣多年平均氣溫為21.5℃，多年平均最高氣溫和多年平均最低氣溫分別為29.0℃和17.6℃，多年平均相對濕度為83.7%，多年平均年降水量為 1 528.78 mm，多年平均日降水量≥0.1 mm日數(shù)平均為160.7 d。

對各氣候要素的時間序列進行趨勢分析(表1)，由表1可知，氣溫、最高氣溫、最低氣溫的一次線性回歸方程均通過α=0.05的F顯著性檢驗，其氣候傾向率分別為0.26℃/10 a、0.19℃/10 a、0.22℃/10 a，表明1957—2017年來氣溫、最高氣溫、最低氣溫隨時間變化呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，近60年來氣溫、最高氣溫和最低氣溫平均分別上升1.58℃、1.16℃和1.34℃，與全國[11]和云南省[12]升溫趨勢基本一致，全國近60多年來氣溫傾向率為0.26℃/10 a，云南省近50年來最高氣溫和最低氣溫的傾向率為分別為0.17℃/10 a和0.27℃/10 a；相對濕度和降水日數(shù)則呈現(xiàn)顯著的減小趨勢(通過α=0.05的F顯著性檢驗)，氣候傾向率分別為-0.94%/10 a和-0.55 d/10 a，近60多年來相對濕度下降了約5.73%，降水日數(shù)減少了3.36 d；降水量稍有增加，但增加不顯著。

表1 1957—2017年各氣候要素的氣候傾向率

注：其中*表示通過α=0.05的F顯著檢驗。

采用滑動t檢驗方法對各氣候要素的突變特征進行檢驗。滑動t檢驗子序列長度取9年，結(jié)果如圖1所示。

(a)氣溫；(b)最高氣溫；(c)最低氣溫；(d)相對濕度；(e)降水量；(f)降水日數(shù)

1958—2017年以來氣溫在1979年和1998年的滑動統(tǒng)計量超過了α=0.01顯著水平，表明氣溫分別在這兩年出現(xiàn)顯著的突變；最低氣溫的滑動統(tǒng)計量在1981年超過了α=0.01，表明最低氣溫在這一年發(fā)生了顯著的突變；而最高氣溫和降水日數(shù)均在2004年發(fā)生了顯著突變;相對濕度在1980年和2004年出現(xiàn)兩次顯著的突變。降水量突變特征不明顯。

根據(jù)滑動t檢驗的突變年份，計算1958—2017年來突變前后氣候要素的平均值(圖2)。氣溫在1979年和1998年發(fā)生的突變均為明顯的增暖突變，其中1957—1978年氣溫平均值為20.95℃，1979—1998年氣溫平均值為21.61℃，1998—2017年氣溫平均值為22.04℃；最高氣溫出現(xiàn)了一次顯著的增暖突變，突變前后最高氣溫平均值分別為28.76℃和 29.63℃；最低氣溫出現(xiàn)了一次顯著的增暖突變，突變前后最低氣溫平均值分別為17.19℃和17.90℃；相對濕度出現(xiàn)兩次顯著的減小突變，突變前后平均值分別為85.66%、82.17%和80.9%；降水日數(shù)出現(xiàn)一次顯著的減小突變，突變前后平均值分別為165.13 d和145.71 d。

綜上，1958—2017年勐臘縣氣溫、最高溫度和最低溫度均呈現(xiàn)顯著的增暖趨勢，而水分條件(相對濕度和降水日數(shù))均呈現(xiàn)顯著的減小趨勢，表明近60年來西雙版納地區(qū)呈現(xiàn)顯著的干熱化變化趨勢。特別地，氣溫和最低溫度在1979—1981年間出現(xiàn)一次顯著的增暖突變，氣溫1998年發(fā)生了第二次顯著的增暖突變，最高氣溫則在2004年出現(xiàn)顯著的增暖突變，相對濕度在1980年出現(xiàn)一次顯著的減小突變，在2004年相對濕度和降水日數(shù)均出現(xiàn)顯著的減小突變，表明西雙版納地區(qū)在1980年代初期出現(xiàn)的顯著的干熱化突變特征，在1990年代后期繼續(xù)突變增暖，在2000年代中期以后干熱化突變特征顯著增強。

2.2 西雙版納橡膠林大面積種植與氣候變化的關(guān)系

近年來西雙版納橡膠種植面積擴大，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大的影響，引發(fā)很多學(xué)者對其變化特征相關(guān)的研究。然而，采用的研究方法不同，所獲取的橡膠種植面積也有所差異[7,9-10,14]。本研究采用云南統(tǒng)計年鑒[8]及廖諶婳等[9]和劉曉娜等[10]研究獲取的勐臘縣和西雙版納橡膠種植面積為依據(jù)進行研究(圖3)。

從圖3中可以看出，不同方法提取的面積雖在數(shù)值上稍有差異，但是其隨時間的變化趨勢大致相同，即1980—2017年橡膠種植面積均呈現(xiàn)增加趨勢，且不同年代橡膠種植面積增加幅度不同，在1980—1990年間緩慢增加(3個文獻中橡膠種植面積平均增加率為0.527萬 hm2/a)，在1990—2000年間增加較快(0.789萬 hm2/a)，2000—2010年間增加最快(1.766萬 hm2/a)。2010年以后橡膠種植面積繼續(xù)增加，但增加趨勢逐漸減弱；值得注意的是，勐臘縣橡膠種植面積隨時間的變化規(guī)律與西雙版納州橡膠種植面積的變化規(guī)律大體一致。

(a)氣溫；(b)最高氣溫；(c)最低氣溫；(d)相對濕度；

改變下墊面覆被是人類活動對氣候變化影響的重要方式之一。為了探討西雙版納橡膠種植與當(dāng)?shù)貧夂蜃兓年P(guān)系，并且考慮到下墊面覆被對氣候變化影響的滯后性，采用圖3中橡膠種植面積數(shù)據(jù)，與同期和后期1年的氣候要素平均值進行相關(guān)分析，獲得四組橡膠種植面積與氣候要素的Pearson相關(guān)系數(shù)(表2)。

數(shù)據(jù)引用：(a)廖諶婳等[9]；(b)劉曉娜等[10]；(c)云南統(tǒng)計年鑒[8]

表2 橡膠種植面積與氣候要素的相關(guān)系數(shù)

注：其中*,**,***分別通過α=0.1，0.05，0.01的顯著t檢驗。

從表2中可見，勐臘縣橡膠種植面積與氣候要素的相關(guān)系數(shù)，與西雙版納州橡膠種植面積與氣候要素的相關(guān)系數(shù)大致相同；四組橡膠種植面積與局地氣候要素的相關(guān)系數(shù)符號一致，也即變化趨勢是一致的。因此，以統(tǒng)計時間年限最長的云南統(tǒng)計年鑒中的橡膠種植面積與氣候要素的相關(guān)系數(shù)為代表進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近年來西雙版納橡膠種植面積與局地氣候要素均具有顯著的相關(guān)關(guān)系：橡膠種植面積與氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明當(dāng)橡膠種植面積增加(減小)時，局地氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈現(xiàn)明顯的增加(減小)趨勢；橡膠種植面積與相對濕度、水汽壓、降水量和降水日數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明當(dāng)橡膠種植面積增加(減小)時，局地相對濕度、水氣壓、降水量和降水日數(shù)呈現(xiàn)明顯的減小(增加)趨勢。

綜上所述，1980年以來，西雙版納州橡膠樹種植面積總體為增加趨勢，與勐臘縣氣溫、最高氣溫和最低氣溫的上升趨勢，相對濕度和降水日數(shù)減小趨勢是一致的。此外，西雙版納州橡膠樹種植面積的增加速率，即1990—2000年間橡膠種植面積增加較快，2000—2010年間增加最快的這種變化趨勢，大體上也與氣候要素顯著突變的時間相對應(yīng)，即氣溫在1998年發(fā)生顯著的突變，最高氣溫、相對濕度和降水日數(shù)均在2004年均出現(xiàn)了突變。以上結(jié)論都充分說明，橡膠種植面積與氣候要素的總體變化趨勢，以及階段性增加(突變)趨勢均具有顯著關(guān)聯(lián)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

從20世紀(jì)60年代初期開始，西雙版納地區(qū)進行了大規(guī)模橡膠種植工作，至1980年以后有林地(包括熱帶雨林和熱帶季雨林等自然林)面積持續(xù)下降，而橡膠面積則不斷增加[5,15]。大范圍下墊面的植被類型改變必然導(dǎo)致局地氣候的改變。

目前雖尚未有直接研究證明西雙版納大范圍橡膠種植對當(dāng)?shù)貧鉁仫@著上升造成重要的影響，但是下墊面植被類型的改變會導(dǎo)致反照率、冠層導(dǎo)度、能量收支平衡等變化，從而導(dǎo)致氣溫的變化[1]。橡膠林的反照率比熱帶雨林更小，能吸收更多的太陽輻射。觀測結(jié)果表明，橡膠林月平均溫度較熱帶雨林高[16]。橡膠的種植必然經(jīng)歷裸地的階段，而裸土的增加也會改變地表反照率，使生物物理機制發(fā)生改變，導(dǎo)致地表及近地表溫度的增高。在40年的更新周期中，對比同期熱帶雨林(固碳量為6720 g/cm2)而言，橡膠林是一個弱碳匯(固碳量為1835 g/cm2)[17]，即橡膠林通過減弱森林固碳功能，間接加熱大氣。此外，Wang等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，橡膠樹是強烈的光線依賴性單萜化合物的釋放源，該化合物能吸收大量光輻射，影響氣溫變化。綜合以上分析表明，1980年以來西雙版納區(qū)域大面積的橡膠林種植對局地氣溫的升高具有重要作用。

研究表明，近60年來西雙版納降水量稍有增加但變化不顯著。易燕明等[19]采用Pielke模式研究得出，森林對降水有一定的增值作用，但增加的數(shù)量甚小。森林作為“水源林”，主要是以其截留大氣水分，使其成為“樹雨”，補充于土壤，成為增加局地水資源的重要部分。西雙版納橡膠種植面積的大幅增加，而當(dāng)?shù)亟邓孔兓幻黠@，表明橡膠種植面積對降水量的影響較小。大范圍橡膠種植對空氣濕度的影響，主要與大氣降水量、植被冠層截留量和森林蒸散等有關(guān)。研究表明，西雙版納橡膠林冠截留量(393.5 mm/a)遠低于季節(jié)雨林(660.6 mm/a)[20]，橡膠林的多年平均年蒸散量(774.54 mm/a)也低于熱帶雨林(795.68 mm/a)[21]。西雙版納下墊面的水分主要來源于大氣降水量，在降水量變化不大，且降水日數(shù)顯著減少的情況下，橡膠大面積的種植，會使蒸散到大氣中的水量相對減小。而氣溫的顯著升高會使空氣中的飽和水氣壓劇烈增大，從而導(dǎo)致空氣相對濕度顯著減小。也即橡膠種植面積的增大，會使局地空氣相對濕度顯著減小，加劇大氣的干燥程度。

綜上，1980年以來西雙版納大范圍的橡膠種植是當(dāng)?shù)貧夂蜃兓囊粋€重要影響因素，對局地氣溫升高和空氣濕度減小有顯著的影響，也即對氣候干熱化的趨勢具有顯著作用。

3.2 結(jié)論

1)1957—2017年西雙版納勐臘縣呈現(xiàn)顯著的干熱化變化趨勢。氣溫、最高氣溫、最低氣溫隨時間變化呈現(xiàn)顯著升高的趨勢，氣溫升高速率高于云南和全國水平。相對濕度和降水日數(shù)則呈現(xiàn)顯著的減小趨勢，降水量稍有增加，但增加不明顯。氣溫、最低溫度(相對濕度)在1979—1981年間出現(xiàn)了一次顯著增暖(減小)突變；氣溫在1998年發(fā)生了第二次顯著的增暖突變；最高氣溫(相對濕度和降水日數(shù))均在2004年均出現(xiàn)了顯著的增暖(減小)突變。

2)1980年以來，西雙版納州橡膠種植面積總體上呈增大的趨勢，橡膠種植面積與當(dāng)?shù)貧夂蛞鼐哂酗@著的相關(guān)關(guān)系，且兩者的變化趨勢一致。分析表明，西雙版納橡膠種植面積的增大對當(dāng)?shù)貧夂蚋蔁峄淖兓厔菥哂兄匾挠绊憽?/p>

3)橡膠種植會改變下墊面植被冠層導(dǎo)度、地表反照率、表面粗糙度、土壤溫濕度等下墊面屬性，影響地表與大氣間的水、熱交換過程，進而影響氣候變化。因此，大范圍橡膠種植對局地氣候影響的具體過程是值得繼續(xù)研究的內(nèi)容。此外，影響氣候的因素較多，除人為因素外，還包括地球物理因子、太陽輻射、大氣環(huán)流、下墊面性質(zhì)等。據(jù)IPCC第五次評估報告[22]，與1986—2005年相比，2016—2035年全球平均地表溫度將升高0.3～0.7℃。據(jù)此，西雙版納的背景氣候?qū)⒗^續(xù)變暖。如何從眾多影響氣候變化的因素中，分離出人為活動(橡膠種植)對氣候變化的影響程度，也是需要深入研究的內(nèi)容。