滇中地区作物生长期时空变化特征及影响因子分析

摘要：为了探究气候变化对作物生长期的影响，根据1964—2013年滇中地区49个气象站点逐日的最高气温、最低气温和降水数据，采用M-K检验和小波分析，研究了滇中地区作物生长期的时空变化特征及其影响因素。结果表明，①滇中地区多年平均作物生长期（GSL）为362.58 d，1964—2013年GSL、无霜日和Tmin均呈显著上升趋势，其中GSL增幅约为0.371 d/10 a，Tmax呈微上升趋势，降水量则呈显著减少趋势，而通过M-K检验得知滇中平均GSL突变时间约为1988年，1999年后呈显著上升趋势，并具有9 a和25 a的周期变化；②滇中地区作物生长期空间上表现出中部高，东西低的分布特征，且GSL上升趋势从中南部向东西部越来越明显，尤其是东北部和西北部均呈现出显著上升的趋势；③GSL与无霜日和Tmin表现出极显著正相关性关系，且GSL变化受Tmin影响最为显著。

0 引言

随着全球平均气温的不断升高[1]，气候变暖对农业生产的影响越来越显著。作物的生长发育均需在一定的温度条件下进行，当日平均气温持续大于5℃时，牧草、树木开始发芽，并能进行光合作用，且春季或秋季日平均气温持续大于5℃的时期与农作物及多数果树恢复或停止生长的时期相符，因此，日平均气温5℃以上的持续时期可作为生长期长短的标志，该时期称为作物生长期[2-3]。由此可见，气温的变化能够改变作物生长期的开始时间、结束时间以及长度[4-5]。气温上升直接增加地区积温，直接影响作物生长期，能够使得一些地区作物产量提高，但温度的升高一方面加速了地区变干的趋势，加剧水资源供需矛盾，另一方面增加了作物生长期内病虫害发生的概率。因此，正确认识作物生长期的变化趋势，对地区水资源合理分配、保证农作物产量具有重要的意义。

目前国内外学者已从不同角度对作物生长期的变化进行了研究。Donat等[6]研究表明，随着全球气温升高，作物生长期GSL呈1.01 d/10 a的上升速率。李双双等[7]基于北京1960—2014年逐日最高温、最低温和平均气温实测数据，分析得到近55 a北京作物生长期呈上升趋势，且GSL上升速率明显高于全球上升速率。王亚平[8]利用东北三省1960—2005年的逐日最高、最低和平均气温等气象资料，分析得出东北三省3种主要农作物（玉米、大豆、水稻）的气候生长期自20世纪80年代中期以来均表现出明显的延长趋势。霍金兰等[2]利用江苏省1961—2010年35个气象站的日平均气温资料，得出了持续大于5℃积温普遍呈显著上升趋势，及其持续时间增加主要受起始日期提前和终止日期延后的影响。杨晓静等[9]根据云南省1958—2013年28个气象站点逐日最高和最低气温数据，分析得到云南省作物生长期整体呈上升趋势，且滇东北和滇西北地区自1980s以来GSL增长趋势较为明显。滇中地区由于其独特的自然地理和气候条件，成为云南省粮食产量最高的区域[10]，近年来云南省极端气温事件呈上升趋势，最高气温和最低气温的变化均呈明显的增温趋势，且滇中存在明显的干旱化趋势[11-13]，严重影响了该地区水资源平衡和农业的发展。因此，基于滇中地区1964—2013年49个气象站点逐日的最高气温、最低气温和降水数据，分析作物生长期的时空变化特征及其主要影响因子，不仅有助于了解作物生长期的空间分布特征及其变化趋势，也能够为当地农业持续稳定发展提供一定气候依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇中地区位于东经99°33'—103°40'，北纬24°23'—27°05'，包括昆明、玉溪、红河、大理、曲靖、楚雄和丽江等（图1）地区。研究区属于亚热带气候，日照充足，四季如春，位置偏北地区有短暂的冬季，偏南地区有短暂的夏季，干湿季分明。年降水量约为955.0 mm，其中85%以上的降水量集中在5—10月，尤其是主汛期（6—8月）降水占全年降水的40%以上，11月至次年4月的降水量仅占全年的15%左右。土壤类型以山原红壤、棕壤和水稻土等为主。地形以山地和山间盆地为主，地势起伏和缓。植被类型多样，多为次生植被和人工植被。

1.2 数据资料

采用中国气象科学数据共享服务网提供的1964—2013年云南省滇中地区49个气象站点逐日的最高气温、最低气温和降水数据，其气象站点具体分布如图1。同时对各站点数据进行一致性检验和质量控制。

1.3 研究方法

根据1964—2013年云南省滇中地区49个气象站点逐日的最高气温、最低气温、降水数据，采用加拿大气候研究中心开发的RClimDex1.0软件计算由世界气象组织委员会推荐的27个核心气候极端指数，并从中选取作物生长期（GSL）和霜日（FD0）[14-16]，其中GSL表示从1 a内首次出现日平均气温至少连续6 d大于5℃与首次出现日平均气温至少连续6 d小于5℃（7月1日以后）的间隔日数；霜日表示1 a内最低温度小于0℃的日数，其余时段则为无霜日，单位均为d。并采用Mann-Kendal检验[17]和小波分析[18]对作物生长期的序列进行趋势分析、突变分析和周期分析。

2 结果与分析

2.1 作物生长期时间变化特征

通过统计滇中各站点GSL值，采用M-K法、5 a滑动平均和线性趋势分析GSL的时间变化特征。从图2（a）可以看出，1964—2013年滇中GSL整体呈显著上升趋势（Z=2.576），上升幅度约为0.371 d/10 a，变幅为8.8 d，其多年平均值为362.58 d，GSL最小值出现在1975年，仅为356.24 d，GSL最大值出现在2004年，达到365 d。

为了能够准确地分析近50 a来滇中地区作物生长期的变化规律，对GSL进行突变检验（图2（b））和小波周期分析（图2（c）），结果表明，GSL存在明显的周期性变化特征，具有25 a主周期，9 a的第二周期；GSL在突变检验结果中的UB和UF均超过了临界值y=±1.96（显著水平0.05），2条突变曲线在临界线之间存在1个交点，GSL可能发生突变年份为1988年，在1964—1988年GSL呈减小趋势，1988年后GSL呈上升趋势，1999年后呈显著上升趋势。

2.2 作物生长期空间变化特征

从滇中地区49个站点GSL多年平均值的空间分布特征（图3（a））可以看出，GSL整体表现出中部高，东西部低的分布特征，且与滇中地区最高气温和最低气温的分布特征一致。GSL高值区主要集中分布在中部的元谋、姚安、宾川、东川、弥渡、南涧站等17个站点，其多年平均GSL均为364.5 d，而低值区主要集中分布在东西部的永胜、鹤庆、马龙、曲靖等站，其中永胜站多年平均GSL仅为345.5 d。其主要是由于滇中中部偏西的宾川-祥云、元谋、蒙自-个旧等平坝、干热河谷地区降雨少、温度高且蒸发大，而滇中东北部和西部、西北山地地区降雨相对多且蒸发小[19-20]，ET0、最高气温和最低气温均呈现出中部高、东西低的特点[12,21]。

根据M-K法计算各气象站点作物生长期的变化倾斜度β，分析GSL在空间上的变化趋势（图3（b）），结果表明滇中地区GSL整体呈上升趋势，且从中南部向东西部上升趋势越来越明显。其中73.46%的站点呈上升趋势，永胜、曲靖和鹤庆站呈显著上升趋势，其上升幅度分别达到4.57、2.28、1.27 d/10 a，而安宁、华宁、通海、玉溪和元谋等13个站点呈减少趋势，其中安宁和华宁站减少幅度最大，达到-0.42 d/10 a和-0.28 d/10 a。

图2 滇中地区作物生长期年际变化、突变检验和周期分析

2.3 作物生长期影响因子分析

作物生长期受局部气候条件影响显著，不同气候区作物生长期长短不同。通过统计滇中降水量、无霜日、最高气温和最低气温4个影响因子的平均值，分析其与GSL的响应关系。从图4可以看出，降水量与GSL呈相反变化趋势，表现出显著减少的趋势（Z=-3.010），减少幅度为38.889 mm/10 a，变化范围为600.3～1 174.5 mm，变幅为574.2 mm。而无霜日、Tmax和Tmin与GSL变化趋势一致，且无霜日和Tmin逐年波动变化的趋势与GSL基本一致，其中无霜日（Z=6.583）和Tmin（Z=4.233）呈显著上升趋势，无霜日变化范围为330.9～358.3 d，变幅为27.4 d，上升幅度为3.639 d/10 a;Tmin变化范围-5.8～-0.3℃，变幅为5.5℃，上升幅度为0.438℃/10 a；Tmax呈微弱上升趋势（Z=1.589），变化范围为29.9～33.2℃，变幅为3.3℃，上升幅度为0.118℃/10 a，明显小于Tmin的上升幅度。

图4 作物生长期、降水量、无霜日、最高和最低气温的年际变化

从相关性方面看（表1），GSL也与无霜日和Tmin关系最为密切，均通过了0.01水平的显著性检验，表现为极显著正相关关系，其相关系数分别为0.438和0.546，Tmin与无霜日之间表现出极显著正相关关系，且通过了0.01水平的显著性检验，其相关系数达到0.701，而与降水量、Tmax相关性较差，无霜日则与降水量呈较显著负相关关系，且通过0.05水平的显著性检验，相关系数为0.336，降水量却又与Tmax呈较显著负相关性关系，通过0.05水平的显著性检验，相关系数位0.357。由此可以看出，滇中GSL的变化受最低气温的影响最为显著，GSL显著上升趋势与滇中地区自1980年起气温大致以0.42℃/10 a上升的趋势相一致[22]，GSL显著上升的地区，如永胜、曲靖和鹤庆最低温度上升趋势较为明显，其增幅分别达到0.48、0.53和0.41℃/10 a，而GSL减少趋势较为明显地区，如金沙江、南盘江河谷地区的华宁、通海和元谋等地降温速度相对较大[12]。未来随着我国极低气温显著上升，无霜日将会明显延长[23]，云南省乃至滇中地区气温的不断升高[24-25]，GSL仍将呈现上升的趋势。

表1 GSL、降水量、无霜日、Tmax和Tmin相关性分析结果

注 *表示通过0.05的显著水平，**表示通过0.01的显著水平。

2.4 作物生长期影响因子突变检验

通过对降水量、无霜日、Tmax和Tmin进行突变检验（图5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）），分析其与GSL之间的关系。结果表明，降水量、无霜日和Tmin突变检验结果中的UB和UF均超过了临界值y=±2.58（显著水平0.01），其中降水量在2条临界值（显著水平0.01）之间存在2个交点，其可能发生突变年份为1979年和2005年，且2009年以后呈显著下降趋势；无霜日和Tmin在2个临界值（显著水平0.01）之间均存在1个交点，其突变的年份均为1994年，且1994年以后无霜日呈极显著上升趋势，2002年以后Tmin呈极显著上升趋势；Tmax在临界值y=±1.96（显著水平0.01）之间存在1个交点，其突变的年份为2009年，且2009年以后上升趋势较为明显。相对于GSL的突变年份，无霜日、Tmin与GSL的突变年份和9、25 a的周期变化较为接近，其突变主要集中发生在20世纪90年代前后，这也与云南省20世纪90年代后增温最为显著，尤其是1998年以后的现状相一致[26]。

图5 滇中地区降水量、无霜日、最高气温和最低气温突变检验结果

3 结论

1）1964—2013年滇中地区平均GSL为362.58 d，其中GSL、无霜日和Tmin呈显著上升趋势，Tmax呈微上升趋势，其上升幅度约为0.371 d/10 a、3.6 d/10 a、0.4℃/10 a和0.1℃/10 a，降水量则呈显著减少趋势，其减少幅度为38.9 mm/10 a，表明滇中地区有变暖的趋势。而GSL在空间分布上表现出中部高，东西低的分布特征，且GSL上升趋势从中南部向东西部越来越明显，尤其是东北部和西北部均呈现出显著上升的趋势。

2）滇中地区GSL变化存在明显9 a和25 a周期，而通过M-K检验得知滇中地区平均GSL突变时间约为1988年，1964—1988年GSL呈减小趋势，从1988年后GSL呈上升趋势，1999年后呈显著上升趋势。

3）GSL与无霜日、Tmin变化趋势一致，且表现出极显著正相关关系，其中Tmin对GSL的变化影响最为显著。

通过计算滇中地区GSL，得出GSL时空变化特征与以往的研究结果[9,27-28]基本一致，其变化主要受地区增温影响，尤其是受最低气温变化的影响。但气温变化不能够完全反映出GSL的变化特征，因此，需进一步探讨其他因子（如光照、土壤和地形等）对GSL的影响分析，从而更加客观地揭示滇中地区GSL的演变特征。

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Spatio-temporal Variation of Crop Growth and Its Impacting Factors in Central Yunnan Province

WANG Jie,CAO Yan,HUANG Ying,ZHANG Lei,QI Na
(Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research,Kunming 650228,China)

Abstract:This paper analyzed the spatio-temporal variation of crop growth in central Yuannan Province under different climate changes based on the maximum and minimum temperature and other factors measured at 49 stations from 1964 to 2013 in this region,using the Mann-kendall rank test and the wave-let analysis method.The results showed that:①The mean annual growing-season-length(GSL)was 362.58 d,and the GSL,frost-free days and minimum temperature(Tmin)all significantly increased from 1964 to 2013,with the rate of GSL increasing by 0.371 d/10 a.In the meantime,the maximum temperature increased slightly,while the precipitation decreased. The GSL dropped in 1988,followed by a significant increase in 1999.There were a 9 a and a 25 a periods.②The GSL was higher in the central regions than at the east and the west,and it increased from the central south to the east and the west,especially in the northeast and northwest.③There was a significant positive correlation between GSL and the frost-free day,as well as Tmin.The change in GSL was mostly affected by Tmin.

Key words:GSL;temporal and spatial variation;temperature;central area of Yunnan province

王杰，曹言，黄英，等.滇中地区作物生长期时空变化特征及影响因子分析[J].灌溉排水学报，2017，36（8）：83-88.

基金项目：云南省社会发展科技计划项目（2012CA021）；云南省科技计划项目（2015BB019）；云南省省级分成水资源费项目（201203）

作者简介：王杰（1979-），男，甘肃静宁人。高级工程师，主要从事水文水资源研究。E-mail:wangjie@lzb.ac.cn

通信作者：曹言（1987-），男，陕西户县人。工程师，主要从事水文水资源研究。E-mail:359851137@qq.com