胡啟瑞，孫 蕾，戎 博，張鵬程，李迎春*

(1.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺/新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.精河縣氣象局，新疆 精河 833300)

0 引言

【研究意義】枸杞是新疆紅色產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，精河縣是新疆枸杞種植的集中產(chǎn)區(qū)，經(jīng)多年發(fā)展，枸杞現(xiàn)已成為精河縣特色優(yōu)勢作物。農(nóng)業(yè)氣候資源在一定程度上決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和布局，栽培管理措施、耕作制度以及作物品種最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。了解氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，進而分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可能發(fā)生的各種變化，是氣候變化影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究的首要問題[3]。因此，探明精河縣農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征，對當?shù)罔坭疆a(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進展】近年來，氣候變化及其對氣候資源的影響越來越受到關(guān)注，劉敬強等[4-5]就新疆特色林果種植對氣候變化的響應研究表明，1961—2010年熱量資源明顯增多，水資源有所改善，但日照時數(shù)略少，氣候變化總體對新疆特色林果種植有利。張山清等[6-8]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化背景下，新疆農(nóng)業(yè)熱量資源明顯改善，杏、核桃和蘋果適宜種植區(qū)有所擴大。吉春容等[9]利用40 a資料分析哈密瓜生長氣象條件發(fā)現(xiàn)，哈密瓜生長季熱量資源呈顯著增加趨勢，6—7月的高溫對哈密瓜產(chǎn)量有不利影響。胡啟瑞等[10]分析新疆伽師瓜生長季氣候變化特征得出，生長季平均氣溫和積溫明顯增加，但光照資源減少影響伽師瓜品質(zhì)。李香芳等[11]分析寧夏枸杞近57 a生長氣象條件發(fā)現(xiàn)，氣候變化有利于寧夏枸杞單產(chǎn)提高，同時氣候變暖增加了冬季農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)，病蟲害發(fā)生有增加趨勢?！狙芯壳腥朦c】目前，對新疆枸杞的研究主要集中在品種選育、種植氣候資源區(qū)劃、病蟲害發(fā)生氣象條件分析、氣象災害研究等方面[12-16]，氣候變化對枸杞生長發(fā)育影響的研究相對較少。因此，有必要分析精河縣枸杞生長季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，并研究氣候變化對枸杞生長的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用精河縣氣象站40 a逐日氣象資料，分析枸杞生長季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，為枸杞生產(chǎn)合理利用氣候資源、趨利避害、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用精河縣氣象站1981—2020年逐日氣象資料，包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降水量、日照時數(shù)等。氣象數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心，經(jīng)過人工質(zhì)量審核。

1.2 研究方法

1.2.1 枸杞生長季的確定 影響枸杞生長的界限溫度為10℃左右，≥10℃的日數(shù)增加，可為枸杞提供更長的生長時間[17]。因此，研究以穩(wěn)定通過10℃的持續(xù)日數(shù)作為枸杞生長季，≥10℃的初日與終日之間的天數(shù)即為生長季。采用5日滑動平均法計算≥10℃界限溫度的起止日期。

1.2.2 Mann-Kendall(M-K)方法檢驗 Mann-Kendall方法是非參數(shù)突變統(tǒng)計檢驗，其優(yōu)點是所選序列數(shù)據(jù)無需遵從某種分布特征，不受少數(shù)異常值干擾，在原假設(shè)氣候序列沒有變化情況下，定義1個統(tǒng)計量，進行方差檢驗。其中，UF為要素序列數(shù)據(jù)M-K檢測順序統(tǒng)計曲線；UB為要素序列數(shù)據(jù)M-K檢測逆序統(tǒng)計曲線，若順序統(tǒng)計曲線超過信度臨界線，即表示存在顯著趨勢變化，如果順序統(tǒng)計曲線與逆序統(tǒng)計曲線的交叉點位于信度臨界線之間，該交叉點即為突變的開始點[18]。

1.2.3 氣候傾向率 采用最小二乘法對40 a的氣象要素數(shù)據(jù)與時間進行一元線性回歸。

y=a+bx

式中，y為氣象要素值，x為時間，a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)，表示氣象要素隨時間的變化速率[19]。以b的10倍作為氣候要素氣候傾向率。

2 結(jié)果與分析

2.1 1981—2020精河縣枸杞生長季熱量資源的變化特征

2.1.1 平均氣溫 在1981—2020年，隨時間推移精河枸杞生長季平均氣溫呈極顯著增加趨勢(P≤0.01)，氣候傾向率為0.4℃/10 a，生長季平均氣溫最大值和最小值分別出現(xiàn)在2017年(23.5℃)和1993年(19.7℃)，枸杞生長季40 a平均氣溫為21.5℃(圖1a)。

M-K突變檢測結(jié)果顯示，精河縣枸杞生長季平均氣溫從20世紀90年代后期開始呈上升趨勢，特別是2000年以后上升顯著，2014年UF曲線通過顯著性檢驗(P≤0.05)。UF和UB曲線相交于2004年，表明枸杞生長季平均氣溫在2004年發(fā)生突變，2005—2020年與1981—2004年相比平均氣溫升高0.81℃(圖1b)。

圖1 1981—2020年精河縣枸杞生長季平均氣溫的變化(a)和M-K突變檢驗(b)Fig.1 Average temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.2 ≥10℃積溫 一定界限溫度以上的積溫及其持續(xù)日數(shù)是評價某一地區(qū)熱量資源的重要指標之一。枸杞從展葉、新稍生長到開花結(jié)實所需要的溫度都在10℃以上，≥10℃積溫反映枸杞生長期內(nèi)的熱量狀況[20]。精河縣枸杞生長期間≥10℃積溫在3 062～4 400℃·d，多年平均積溫為3 845.6℃·d?！?0℃積溫整體呈增加趨勢，氣候傾向率為162.6℃·d/10a，通過極顯著水平檢驗(P≤0.01)。年際間≥10℃積溫變化差異明顯，最高年(1997年)和最低年 (1992年)相差1 368.6℃·d(圖2a)。

圖2 1981—2020年精河縣枸杞生長季≥10℃積溫的變化(a)和M-K突變檢驗(b)Fig.2 ≥10℃ accumulated temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

M-K突變檢測結(jié)果顯示，枸杞生長季≥10℃積溫從20世紀90年代開始呈明顯增加趨勢，≥10℃積溫UF曲線在2008年通過信度檢驗(P≤0.05)。UF和UB曲線均相交于2004年，表明枸杞生長季≥10℃積溫在2004年發(fā)生突變，由2004年之前的緩慢增加轉(zhuǎn)為之后的明顯增加趨勢(圖2b)。

2.1.3 ≥10℃積溫日數(shù) 日平均氣溫≥10℃日數(shù)代表枸杞有效生長季。近40 a精河縣枸杞生長季≥10℃日數(shù)在146～215 d，平均日數(shù)180 d。≥10℃積溫日數(shù)整體呈增加趨勢，氣候傾向率為4.6 d/10a(圖3a)。

M-K突變檢測結(jié)果顯示，≥10℃積溫日數(shù)從20世紀90年代末呈增加趨勢，≥10℃積溫日數(shù)UF曲線在2010年通過信度檢驗(P≤0.05)。UF和UB曲線均相交于2004年，表明枸杞生長季≥10℃積溫日數(shù)在2004年產(chǎn)生突變，2005—2020年與1981—2004年相比，≥10℃積溫日數(shù)增10.7 d(圖3b)。

圖3 1981—2020年精河縣枸杞生長季≥10℃積溫日數(shù)變化(a)和M-K突變檢驗(b)Fig.3 Variation of ≥10℃ accumulated temperature days (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.4 初終霜日變化 精河縣40 a初霜期大多出現(xiàn)在10月中下旬，最早為10月2日，最晚為11月14日。初霜日呈推遲趨勢，氣候傾向率為為2.8 d/10a。M-K檢測結(jié)果得出，初霜日變化的突變點為2004年，突變前初霜日的距平平均值為-1.8 d，即此階段初霜日比多年平均偏早1.8 d；而突變后初霜日的距平平均值為5.0 d，即此階段初霜日比多年平均偏晚5.0 d(圖4a)。

終霜日大多出現(xiàn)在4月中下旬，最早為3月17日，最晚為4月26日。終霜日呈提前趨勢，其變化速率為3.0 d/10 a。M-K檢測結(jié)果得出，終霜日變化的突變點為2010年，突變前終霜日的距平平均值為2.6 d，即此階段終霜日比多年平均偏遲2.6 d；突變后終霜日的距平平均值為-6.3 d，即此階段終霜日比多年平均偏早6.3 d(圖4b)。

圖4 1981—2020年精河縣初霜日距平(a)、終霜日距平(b)年際變化趨勢Fig.4 Interannual variation trend of first frost day anomaly (a) and final frost day anomaly (b) in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.5 氣溫日較差及高溫日數(shù) 6—7月是枸杞幼果生長和成熟期，晝夜溫差大，果實有效積累多，容易獲得優(yōu)質(zhì)果實。精河縣6月氣溫日較差在12.2～15.1℃，平均為13.9℃，氣候傾向率為-0.3 d/10a。7月氣溫日較差在11.3～15.7℃，平均為14.0℃，氣候傾向率為-0.5 d/10a(圖5a)。枸杞幼果生長期不耐高溫，高溫會縮短幼果生長時間，加速成熟，單果營養(yǎng)獲取減少，導致果實變小，產(chǎn)量降低[21]。

精河縣≥35℃高溫天氣主要發(fā)生在6—7月。6月高溫天氣平均6.7 d，氣候傾向率為1.1 d/10a。7月是精河縣高溫天氣的集中發(fā)生期，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2015年(19 d)和2003年(1 d)，高溫天氣平均9.7 d，氣候傾向率為0.5 d/10a(圖5b)。

圖5 1981—2020年精河縣6、7月份氣溫日較差(a)及高溫日數(shù)(b)年際變化趨勢Fig.5 Interannual variation trend of daily temperature range (a) and high temperature days (b) in June and July in Jinghe County from 1981 to 2020

2.2 1981—2020年精河縣枸杞生長季降水量的變化特征

枸杞較耐旱，灌溉條件下，降水量不是限制枸杞產(chǎn)量的主要因素，但枸杞果熟期的連陰雨會造成枸杞裂果，誘發(fā)霜霉病和黑果病，從而降低果實產(chǎn)量和品質(zhì)[21]。1981—2020年精河枸杞生長季降水量變化趨勢不明顯，但波動較大。降水量在39～177 mm，多年平均80.0 mm(圖6a)。M-K檢測結(jié)果顯示，枸杞生長季降水量不存在突變，UF與UB有多個交叉點，說明降水不穩(wěn)定(圖6b)。

圖6 1981—2020年精河枸杞生長季降水量年際變化(a)和M-K突變檢驗(b) Fig.6 Interannual variation of precipitation(a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

精河縣枸杞生長季降水主要集中在6月和7月，氣候傾向率分別為-0.4 d/10a和2 d/10a。6—7月降水量平均15 mm，占全年降水量的40%。1981—2020年≥100 mm的降水量出現(xiàn)9年，其余年份降水量均不足100 mm(圖7)。

圖7 1981—2020年精河枸杞6月(a)和7月(b)降水量變化趨勢 Fig.7 Variation trend of precipitation in June (a) and July (b) of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.3 1981—2020年精河縣枸杞生長季日照時數(shù)的變化特征

枸杞全生育期適宜生長的日照時數(shù)為1 500～1 800 h[22]。精河縣枸杞生長季日照時數(shù)為1 320～1 936 h，多年平均為1 652 h，整體呈增多趨勢，氣候傾向率為52.1 h/10a，通過極顯著水平檢驗(P≤0.01)。年際變化差異明顯，日照時數(shù)最高年(1997年)和最低年(1992年)相差615.9 h(圖8a)。

M-K突變檢驗結(jié)果顯示，UF曲線從20世紀90年代初期開始出現(xiàn)波動上升趨勢，2009年通過信度檢驗(P≤0.05)，呈顯著上升趨勢。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定突變年為1999年左右，2000—2020年與1981—1999年相比，日照時數(shù)增加229.7 h(圖8b)。

圖8 1981—2020年精河縣枸杞生長季日照時數(shù)的年際變化(a)和M-K突變檢驗(b) Fig.8 Interannual variation of sunshine hours (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

3 討論

1981—2020年精河縣枸杞生長季熱量資源呈增加趨勢，與新疆熱量氣候資源的變化趨勢相一致[23-24]。精河枸杞生長發(fā)育期間，≥10℃積溫及日數(shù)增加，使枸杞有效生長期延長，對提高枸杞單產(chǎn)有促進作用。精河縣地處準噶爾盆地西南緣，春秋兩季冷空氣活動頻繁，氣溫波動劇烈，春季霜凍是精河縣的主要氣象災害之一[25]。氣候變化背景下，精河縣春季氣溫回升加快，枸杞枝條萌芽期提前，萌芽展葉期遭遇春季霜凍的風險也加大。4月需做好枸杞防御霜凍災害準備，加強防范因終霜過晚對枸杞萌芽展葉造成的影響。

枸杞耐旱能力強，在年降水量不足250 mm的干旱、半干旱地區(qū)仍能正常開花結(jié)實。因新疆枸杞種植采用滴灌方式，枸杞產(chǎn)量受降水的影響較小。1981—2020年精河縣枸杞生長季降水量在39～177 mm，6—7月果熟期降水量呈增加趨勢。果熟期連陰雨會造成過期裂果，誘發(fā)炭疽病、黑果病，降低果實品質(zhì)[26-27]，因此，6—7月應重點關(guān)注降水預報，提前做好用工調(diào)度，及時采收成熟枸杞。

枸杞生長季當日照時數(shù)高于1 800 h，往往與高溫干旱相聯(lián)系，高溫會加速夏果發(fā)育，延長夏眠期，產(chǎn)量也會下降[21]。氣候變化背景下，20世紀90年代后期至今，新疆高溫日數(shù)異常偏多，高溫天氣過程日趨頻繁[28-29]。枸杞生長季日照時數(shù)呈增加趨勢，1981—2020年精河縣枸杞生長季高溫天氣增加雖然不顯著，但是極端高溫天氣發(fā)生日趨頻繁，夏季發(fā)生枸杞熱害的風險加大。建議高溫天要及時灌溉，改善枸杞田間小氣候，但要避免在午后高溫時段灌水，以免出現(xiàn)“騰死”現(xiàn)象。

4 結(jié)論

利用精河縣1981—2020年40 a逐日氣象資料，采用Mann-Kendall突變檢測和氣候傾向率方法，分析精河縣枸杞生長季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化趨勢。結(jié)果表明：1) 精河枸杞生長季熱量資源呈增加趨勢。40 a枸杞生長季氣溫19.7～23.5℃，平均21.5℃；≥10℃積溫3 062～4 400℃·d，平均3 845.6℃·d；≥10℃積溫日數(shù)146～215 d，平均180 d。枸杞生長季平均氣溫、≥10℃積溫及其日數(shù)均在2004年發(fā)生由少到多的突變，突變后平均氣溫增加0.81℃、≥10℃積溫增加378.5℃、≥10℃日數(shù)增加10.7 d。2) 精河縣初霜日大多發(fā)生在10月中下旬，最早10月2日，最晚11月14日，初霜日呈推遲趨勢，氣候傾向率為2.8 d/10a。終霜日大多出現(xiàn)在4月中下旬，最早3月17日，最晚4月26日，終霜日呈提前趨勢，氣候傾向率為-3.0 d/10a。3) 精河枸杞生長季6—7月氣溫日較差呈減小趨勢，6月日較差平均為13.9℃，7月為14.0℃?！?5℃高溫天氣主要發(fā)生在6月和7月，其中7月是高溫天氣的集中發(fā)生期，高溫天氣平均9.7 d，氣候傾向率為0.5 d/10a。4) 枸杞生長季降水量平均為80.0 mm，降水量主要集中在6—7月，降水呈微弱增加趨勢，年際波動較大。日照時數(shù)呈增加趨勢，多年平均為1 652 h，年際變化差異明顯，1999年發(fā)生突變，突變后日照時數(shù)增加229.7 h。

總體看，精河枸杞生長季熱量資源的增加有利于提高枸杞產(chǎn)量，但枸杞萌芽展葉期遭遇霜凍風險增大，4月需加強霜凍災害防范。夏果成熟期間高溫日數(shù)增加，需關(guān)注高溫對枸杞幼果生長發(fā)育造成的不利影響。7月降水量增加，對枸杞產(chǎn)量形成有一定影響。