張柳紅， 梁敏妍， 杜堯東

(1.廣東省氣候中心，廣州 510640； 2.江門市氣象局，廣東 江門 529030)

引 言

農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃可為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)區(qū)域化、專業(yè)化、現(xiàn)代化而制定的農(nóng)業(yè)規(guī)劃提供農(nóng)業(yè)氣候的依據(jù)[1]。20世紀50年代起，我國學(xué)者在學(xué)習原蘇聯(lián)等國外農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際情況,開始農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃研究[2]。廣東省已于1964年開展了農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作，在廣東雙季稻、荔枝、龍眼、香蕉、芒果、冬種辣椒、冬種馬鈴薯等作物的種植氣候區(qū)劃方面已有研究[3-10]，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際，對合理利用氣候資源，促進廣東特色農(nóng)業(yè)發(fā)展有著積極作用。近年來，廣東沙田柚的種植面積不斷增加，投入和產(chǎn)值比重越來越大，而廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃尚未成體系，由此會給生產(chǎn)管理帶來偏差，部分地區(qū)甚至忽視氣候條件的適宜性而盲目擴大種植區(qū)域，容易導(dǎo)致沙田柚產(chǎn)量低且不穩(wěn)定、品質(zhì)下降的現(xiàn)象發(fā)生，從而影響到沙田柚的生產(chǎn)效益及其可持續(xù)發(fā)展。

全球氣候變化已經(jīng)并將持續(xù)對全世界的種植制度帶來嚴重影響[11]，中國種植北界、作物產(chǎn)量和災(zāi)害風險有所響應(yīng)[12-14]。廣東自南向北橫跨北熱帶、南亞熱帶和中亞熱帶3個氣候帶，氣候資源豐富，是我國熱帶、亞熱帶經(jīng)濟作物和林果的重要生產(chǎn)基地。但廣東也處于對氣候變化敏感的南海季風區(qū)和全球氣候變化趨勢南北位相相反的交界帶，在全球氣候變化的背景下，廣東的氣候也發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致氣候帶發(fā)生北移，作物氣候適宜性改變[15-17]。因此，研究廣東沙田柚種植的氣候區(qū)劃，明確氣候變化對廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃的影響范圍和程度，從而采取針對性的適應(yīng)措施，是政府部門、科學(xué)技術(shù)研究工作者、廣大種植和擬種植農(nóng)民群眾關(guān)心的重大問題。科學(xué)的廣東沙田柚種植區(qū)劃，一方面可為立足當?shù)貧夂騼?yōu)勢、促進沙田柚的合理規(guī)劃布局和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考，另一方面也可降低氣候變化可能產(chǎn)生的不利影響，為政府制定農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化政策和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供決策支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源和處理

本文選用的廣東省86個國家氣象站的溫度、降水觀測資料來自廣東省氣候中心，起止時間為1961-2019年，根據(jù)氣候統(tǒng)計學(xué)方法計算≥10 ℃年積溫，采用線性趨勢分析法、累積距平和t檢驗研究氣候要素的變化趨勢和突變特征[4,18-20]。地理信息資料采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬廣東省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，運用ArcGIS軟件進行數(shù)據(jù)的空間插值分析并繪制空間柵格圖。

1.2 研究方法

1.2.1 區(qū)劃指標選取和權(quán)重確定

何天富[21]、石健泉[22]、蘇永秀[23]等的研究表明，在氣候條件中，溫度是影響沙田柚果樹分布、生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)鍵因子，年降雨量和日照時數(shù)對沙田柚的產(chǎn)量品質(zhì)也有較大影響。廣東降水季節(jié)分布不均，且年際變化大。4-9月的汛期多大雨、暴雨天氣，容易造成沙田柚幼果脫落，從而導(dǎo)致掛果率低、產(chǎn)量下降；冬春季節(jié)廣東部分地區(qū)易發(fā)生干旱，不利于結(jié)果母枝生長和果實發(fā)育[23]。沙田柚是短日照作物，年日照時數(shù)在1000～2600 h均能滿足其生長發(fā)育[23]。廣東省各地年日照時數(shù)介于1387～2194 h，可滿足沙田柚生長需要，故日照時數(shù)不列入?yún)^(qū)劃指標。因此，本文選取年平均氣溫(T)、1月和7月平均氣溫(T1和T7)、極端最低氣溫(Tmin)、極端最高氣溫(Tmax)、≥10 ℃年積溫(Ta)、年降雨量(R)作為廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃的指標因子，綜合考慮文獻報道、廣東省地方標準《沙田柚生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 DB44/T 133-2003》和《地理標志產(chǎn)品 長壩沙田柚 DB44/T 864-2011》,對區(qū)劃指標進行分級，并利用層次分析法[24]確定上述7個指標因子的權(quán)重值(表1)。

表1 廣東沙田柚種植氣候適宜性區(qū)劃指標

1.2.2 區(qū)劃指標空間分布模型的建立

為客觀描述廣東不同地域的氣候資源狀況，充分反映沙田柚種植的各個區(qū)劃指標在廣東的實際分布，建立氣候區(qū)劃指標與地理屬性(經(jīng)度、緯度和海拔高度)的空間分析模型，表達式如下：

F=f(φ,λ,h)+ε

(1)

式中，F(xiàn)為區(qū)劃指標因子；f(φ,λ,h)為氣候?qū)W方程,φ、λ和h分別代表緯度、經(jīng)度和海拔高度；ε為綜合地理殘差，可視為基于地理因子擬合的氣候?qū)W方程的殘差部分。

通過對廣東省86個地面氣象站的觀測數(shù)據(jù)與對應(yīng)站點經(jīng)緯度和海拔高度的相關(guān)分析，采用多元線性回歸法,建立各個區(qū)劃因子的空間分布模型，再通過殘差訂正[23]，模擬計算出氣象因子在有測站地區(qū)和無測站地區(qū)的分布。經(jīng)檢驗，各氣候態(tài)時段的各項溫度指標氣候?qū)W方程復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0.636～0.980，F(xiàn)值為18.535～653.650，說明方程回歸效果好，且方程均通過了0.01的顯著性檢驗，表明溫度指標與經(jīng)緯度、海拔高度等地理信息相關(guān)性強，故對各項溫度指標擬合值和實測值均作分析；各氣候態(tài)時段年降雨量空間分析模型都未通過檢驗，故下文對年降雨量指標實測值進行分析。

1.2.3 種植氣候區(qū)劃專題圖的制作

在ArcGIS平臺上，輸入經(jīng)度、緯度和海拔高度等柵格化數(shù)據(jù)，利用沙田柚種植氣候區(qū)劃溫度指標的空間分布模型，對相應(yīng)的氣候指標進行運算得到殘差值，采用反距離權(quán)重法將殘差值內(nèi)插到1 km×1 km網(wǎng)格點上，從而分別得到各個溫度指標的千米網(wǎng)格空間分布圖。對于年降雨量，先繪制年降雨量實測值散點圖，再運用反距離權(quán)重法進行插值得到年降雨量空間分布圖。使用RECLASSIFY命令,按照表1對各區(qū)劃指標值進行等級劃分并賦分值(最適宜、適宜、次適宜和不適宜依次為1分、2分、3分和4分)，最后將各區(qū)劃指標分值及其對應(yīng)權(quán)重值的乘積之和作為量化指標,評價沙田柚種植的氣候適宜性。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)劃因子的時間變化特征

1961-2019年，廣東年平均氣溫和7月平均氣溫分別以0.19 ℃·10a-1和0.07 ℃·10a-1的速率呈上升趨勢(圖1a和圖1b)，59年來分別升高了1.12 ℃和0.41 ℃。從年平均氣溫和7月平均氣溫序列的累積距平可以看出，1997年為累積距平的最小值(圖1a和圖1b)。對1961-1997年和1998-2019年廣東年平均氣溫和7月平均氣溫分別進行t檢驗，結(jié)果顯示，|tT|=7.922，大于t0.001(3.470)和|tT7|=2.593，大于t0.05(2.002)，說明近59年廣東年平均氣溫和7月平均氣溫均于1997年發(fā)生了突變，突變后(1998―2019年)較突變前(1961-1997年)分別升高了0.72 ℃和0.36 ℃。

根據(jù)1961-2019年廣東1月平均氣溫及其累積距平變化圖(圖1c)，廣東1月平均氣溫以0.23 ℃·10a-1的速率呈明顯的上升趨勢，59年來升高了1.35 ℃，2012年為累積距平的最小值。對1961-2012年和2013-2019年廣東1月平均氣溫進行t檢驗，結(jié)果表明，|tT1|=2.118，大于t0.05(2.002)，說明廣東1月平均氣溫于2012年發(fā)生了突變，突變后(2013-2019年)較突變前(1961-2012年)顯著升高了1.17 ℃。

從1961-2019年廣東極端最高氣溫及其累積距平變化圖(圖1d)可知，廣東極端最高氣溫以0.19 ℃·10a-1的速率顯著上升，59年來升高了1.12 ℃，2002年為累積距平的最小值。對1961-2002年和2003-2019年廣東極端最高氣溫進行t檢驗，結(jié)果顯示，|tTmax|=5.373，大于t0.001(3.470)，表明近59年廣東極端最高氣溫于2002年發(fā)生了突變，突變前后相差了0.81℃。極端最低氣溫方面(圖1e)，1961-2019年，廣東極端最低氣溫以0.41 ℃·10a-1的速率呈顯著上升趨勢，59年來顯著升高了2.42 ℃，累積距平最小值出現(xiàn)于1993年，故對1961-1993年和1994-2019年廣東極端最低氣溫進行t檢驗，結(jié)果為|tTmin|=4.013，大于t0.001(3.470)，說明廣東極端最低氣溫于1993年發(fā)生突變，突變前后相差1.29 ℃。

由1961-2019年廣東≥10 ℃年積溫及其累積距平變化圖(圖1f)可知，廣東≥10 ℃年積溫以97.78 ℃·d·10a-1的速率增加，59年來上升了576.90 ℃·d，累積距平的最小值出現(xiàn)在1996年。對1961-1996年和1997-2019年廣東≥10 ℃年積溫進行t檢驗，結(jié)果顯示，|tTa|=7.525，大于t0.001(3.470)，表明近59年廣東≥10 ℃年積溫于1996年發(fā)生了突變，突變后較突變前上升了328.19 ℃·d。

1961-2019年，廣東年降雨量年際變化波動較大,但總體呈上升趨勢，上升速率為24.17 mm·10a-1，59年來增加了142.60 mm(圖 1g)。根據(jù)廣東年降雨量序列的累積距平百分率，其最小值出現(xiàn)在1991年。對1961-1991年和1992-2019年廣東年降雨量進行t檢驗，結(jié)果顯示，|tR|=1.361，小于t0.05(2.002)，表明近59年廣東年降雨量差異不顯著，未通過顯著性水平為0.05的檢驗。

根據(jù)1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年氣候平均值(表2)，年平均氣溫和≥10 ℃年積溫在4個氣候態(tài)時段持續(xù)上升且上升幅度大，分別從1961-1990年的21.4 ℃和7644.4 ℃·d升高至1991-2019年的22.1 ℃和7945.1 ℃·d，相當于在每個氣候態(tài)時段年平均氣溫上升幅度為0.2～0.3 ℃，≥10℃年積溫增加近100 ℃·d；1月平均氣溫和極端最低氣溫總體呈上升趨勢，1991-2019年較1981-2010年保持不變或有所回降；7月平均氣溫和極端最高氣溫在1961-1990年和1971-2000年均保持一致，1981-2010年都有所升高，7月平均氣溫上升了0.1 ℃,并在1991-2019年繼續(xù)升高0.1 ℃，極端最高氣溫升高至39.0 ℃,并在1991-2019年保持不變；各氣候態(tài)時段年降雨量雖有波動，但總體呈增加趨勢。

表2 各氣候態(tài)時段廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃指標變化

圖1 廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃指標及其累積距平變化

2.2 氣候區(qū)劃的空間變化特征

1961-1990年廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃最適宜區(qū)主要分布在梅州大部、河源大部、韶關(guān)中部、清遠南部和肇慶北部，云浮、茂名、廣州、惠州、潮州等地零星分布，面積為4.10×106hm2，占全省總面積的22.83%；適宜區(qū)分布面積最廣，達8.02×106hm2，占全省總面積的近一半，其分布地帶與最適宜區(qū)分布地帶大部分重疊，較之增加的地帶主要位于清遠、韶關(guān)、河源和梅州等地市的北部地區(qū)；次適宜區(qū)主要分布在南部地區(qū)，面積為5.36×106hm2，占全省總面積的29.84%；不適宜區(qū)主要在清遠和韶關(guān)兩市的北部高寒山區(qū)，面積最小，為0.49×106hm2，占全省總面積的2.70%(圖2a，表3)。與1961-1990年廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃圖相比，1971-2000年最適宜區(qū)和適宜區(qū)分布比例和面積均有所縮小，比例分別降低至18.24%和40.14%，面積分別減少了0.82×106hm2和0.81×106hm2。其中，最適宜區(qū)整體向北退縮，梅州和河源兩市的最適宜區(qū)面積退減最為顯著，清遠的次之；次適宜區(qū)和不適宜區(qū)分布比例分別增加了8.55%和0.54%，面積分別增至6.90×106hm2和0.58×106hm2，其中次適宜區(qū)向北擴張較為明顯，基本填補了最適宜區(qū)和適宜區(qū)的減少面積(圖2b，表3)。1981-2010年廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃圖中，最適宜區(qū)面積由1961-1990年的4.10×106hm2縮減到3.45×106hm2，面積比例縮減了3.61%，其中，梅州面積縮減最明顯，河源的次之;而較1971-2000年的面積和比例微弱增加，分別增加了0.17×106hm2和0.98%，增加地帶主要分布在韶關(guān)和清遠兩市。適宜區(qū)面積大幅縮減，面積由1971-2000年的7.21×106hm2縮減到1981-2010年的5.53×106hm2，所占比例縮減了9.34%。次適宜區(qū)持續(xù)向北擴張，較1971-2000年的面積和比例分別增加了1.34×106hm2和7.45%。不適宜區(qū)持續(xù)增多，與1971-2000年的相比，面積和比例分別增加了0.16×106hm2和0.90%，主要增加在韶關(guān)西北部地區(qū)(圖2c，表3)。與1981-2010年廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃圖相比，1991-2019年最適宜區(qū)面積和比例保持不變，分別為3.45×106hm2和19.22%；適宜區(qū)面積和比例持續(xù)縮減，分別縮減至5.02×106hm2和27.95%；次適宜區(qū)仍繼續(xù)北擴，面積和比例分別增加至8.84×106hm2和49.19%；不適宜區(qū)面積和比例有所回緩，分別為0.65×106hm2和3.64%(圖2d，表3)。

圖2 不同氣候態(tài)時段廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃圖

總的來說，在1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年這4個氣候態(tài)時段中，廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃最適宜區(qū)和不適宜區(qū)的面積和比例呈波動變化，且變化幅度相對較小。其中，最適宜區(qū)的面積和比例在各個氣候態(tài)時段中，先減后稍微回升，最后保持不變；不適宜區(qū)在前3個氣候態(tài)時段中持續(xù)上升，但在1991-2019年有所回落。1991-2019年較前3個氣候態(tài)時段，年平均氣溫和極端最低氣溫不適宜區(qū)面積持續(xù)增加，≥10 ℃年積溫小幅增加，1月平均氣溫在前兩個氣候態(tài)時段中增幅較大，而后有所回升，7月平均氣溫和年降雨量空間分布變化較小，但極端最高氣溫不適宜區(qū)面積有些許減少，而最適宜區(qū)面積有所增加，說明年平均氣溫、1月平均氣溫、極端溫度對最適宜區(qū)和不適宜區(qū)變化趨勢影響較大。適宜區(qū)面積和比例持續(xù)下降，在1991-2019年下降至最低值，主要是年平均氣溫、極端最低氣溫、≥10 ℃年積溫適宜區(qū)面積持續(xù)縮減所致；次適宜區(qū)與適宜區(qū)相反，呈持續(xù)上升的趨勢，且上升幅度大，面積從1961-1990年的5.36×106hm2上升至1991-2019年的8.84×106hm2，占全省面積的比例上升了近20%(由29.84%上升至49.19%)，這與1991-2019年年平均氣溫和≥10 ℃年積溫的次適宜區(qū)面積較1961-1990年明顯擴大有關(guān)。

表3 不同氣候態(tài)時段廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃各等級面積和比例

3 結(jié)論和討論

確定指標體系是進行氣候區(qū)劃的基礎(chǔ)。根據(jù)沙田柚對氣候條件的要求，本研究選取對沙田柚生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)有重要影響的年平均氣溫、1月和7月平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、≥10 ℃年積溫和年降雨量7個氣候因子作為廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃指標，結(jié)合廣東省地方標準對區(qū)劃指標進行分級，并通過建立區(qū)劃指標與經(jīng)緯度、海拔高度的空間分析模型和殘差訂正，考慮了氣候要素受小地形影響產(chǎn)生的微小波動，克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃以觀測點值代表整個縣域面值的誤差[25]，從而得到更細致、更精確、更符合地方實際的沙田柚氣候區(qū)劃圖。

氣候區(qū)劃因子的變化及其變化幅度的大小對氣候區(qū)劃結(jié)果影響較大，當然與各因子權(quán)重系數(shù)也有關(guān)系。本研究針對各區(qū)劃因子的線性趨勢擬合結(jié)果表明，1961-2019年，廣東年平均氣溫、1月和7月平均氣溫、極端最高和最低氣溫、≥10 ℃年積溫和年降雨量等氣候因子均出現(xiàn)不同程度的上升趨勢，其中年平均氣溫、1月平均氣溫、極端最高和最低氣溫及≥10 ℃年積溫增高趨勢明顯。累積距平和t檢驗結(jié)果顯示，除年降雨量年際波動較大沒有顯著突變外，其余6個因子發(fā)生了由冷變暖的顯著突變，且突變點年份主要集中在20世紀90年代。與1961-1990年相比，1991-2019年各因子的氣候平均值都有所增加，氣溫增幅在0.2～0.7 ℃，≥10 ℃年積溫和年降雨量分別增加了300.7 ℃·d和61.1 mm。值得說明的是，由于各個氣候因子突變年份不一，未對突變前后的沙田柚氣候區(qū)劃圖變化情況進行研究。

廣東沙田柚主產(chǎn)區(qū)主要分布在梅州梅縣、興寧、蕉嶺和平遠等縣(市)，河源龍川縣和東源縣，韶關(guān)曲江區(qū)和仁化縣，清遠連南縣及肇慶懷集縣等地，這些地區(qū)處于廣東南亞熱帶北區(qū)[26]。從1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年和1991-2019年4個氣候態(tài)時段廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃圖可看出，區(qū)劃結(jié)果與實際種植區(qū)域基本吻合，進一步驗證了區(qū)劃指標體系的合理性。隨著氣候變暖的發(fā)生和延續(xù)，廣東沿海地區(qū)氣候變暖速度快于北部山區(qū)的，南北熱量差距進一步擴大，對南亞熱帶向北推進有利[15]。從廣東沙田柚氣候區(qū)劃結(jié)果來看，在氣候變暖趨勢下，各氣候態(tài)時段的氣候平均值不斷增大，導(dǎo)致1991-2019年沙田柚種植氣候最適宜區(qū)和適宜區(qū)面積較1961-1990年的大幅減少的同時，其分布區(qū)域也在往北移動，韶關(guān)地區(qū)表現(xiàn)最明顯，同前人研究中作物種植界限北移的結(jié)果一致[13,14]。

全球氣候變化已有廣泛認同，不同氣候態(tài)時段下的廣東沙田柚種植氣候區(qū)劃結(jié)果驗證了廣東氣候確實發(fā)生了變化，廣東沙田柚種植的氣候最適宜區(qū)和適宜區(qū)面積在減少，建議政府部門適時調(diào)整優(yōu)化沙田柚生產(chǎn)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃布局，合理利用氣候資源，趨利避害，在最適宜區(qū)和適宜區(qū)適當擴大種植區(qū)域，在次適宜區(qū)和不適宜區(qū)改種其他作物或抗旱、抗寒、耐高溫的沙田柚改良品種，以促進農(nóng)村特色產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。另外，隨著氣候變化幅度的增大，極端氣候事件愈發(fā)頻繁，嚴重影響柚子生產(chǎn)，例如極端霜凍天氣會延緩柚子花期，影響產(chǎn)量，極端高溫會加快柚子樹的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致柚果發(fā)育不良等。氣象部門可制作沙田柚專題氣象服務(wù)產(chǎn)品，以科學(xué)指導(dǎo)柚農(nóng)提前采取樹盤覆蓋、適當修剪枝條等措施避免或減輕災(zāi)害影響。