寧德市熱量資源變化及其對(duì)茶葉生長的影響

　　摘要:運(yùn)用線性傾向估計(jì)法、EOF經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法、Mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法、Morlet小波分析等4種氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法,對(duì)寧德市≥10℃積溫和初終間日數(shù)的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析研究,并通過茶葉積溫隸屬度的計(jì)算,分析其對(duì)茶葉生長適應(yīng)性的影響。結(jié)果表明,1)1969—2019年寧德市熱量資源呈普遍增加趨勢(shì),90年代中期起升速加快,主要突變點(diǎn)在1997年前后;熱量資源的增加與日平均氣溫升高、≥10℃初終日數(shù)增多關(guān)系密切。2)空間分布上,沿海縣市的熱量資源好于山區(qū),但近51a山區(qū)的熱量資源增幅略大于沿海;突變年前沿海積溫和日數(shù)的變化大于山區(qū),突變年后則山區(qū)大于沿海;山區(qū)和沿海在積溫與初終日數(shù)的時(shí)間變化總趨勢(shì)上雖然表現(xiàn)一致,但地域差異較為顯著,部分年份呈現(xiàn)反相位變化特點(diǎn)。3)寧德市≥10℃積溫、初終間日數(shù)及山區(qū)茶葉積溫隸屬度共同存在25、10~15、5~10、<5a等多個(gè)時(shí)間尺度的變化周期。在較短尺度的周期變化上,初終日數(shù)的變化強(qiáng)度大于積溫,山區(qū)強(qiáng)于沿海。4)山區(qū)縣茶葉種植受積溫條件制約的情況隨著熱量資源增加得以改善,但極端天氣氣候影響帶來的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)仍較大。5)根據(jù)小波周期演變規(guī)律,可推測(cè)未來6~8a寧德市沿海與山區(qū)≥10℃積溫及其初終間日數(shù)、茶葉積溫隸屬度增多或上升的態(tài)勢(shì)將減緩,將由相對(duì)高值區(qū)向低值區(qū)過渡。

　　關(guān)鍵詞:熱量資源;積溫;初終日數(shù);茶葉;小波分析;隸屬度

　　熱量資源是指一個(gè)地區(qū)可供農(nóng)作物生產(chǎn)利用的熱量,是一種主要的農(nóng)業(yè)氣候資源,對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)種植制度和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量質(zhì)量變化有著非常重要的影響。隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)不斷加劇,熱量資源的時(shí)空分布也隨之發(fā)生改變,進(jìn)而對(duì)各地農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成產(chǎn)生廣泛而深刻的影響[1-6]。

　　如孫華等[7]在氣候變暖對(duì)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究中發(fā)現(xiàn),伴隨著溫度升高、積溫增加,我國一年兩熟制、一年三熟制的種植北界較1950—1980年不同程度北移;趙錦等[8]在中國南方地區(qū)種植制度一級(jí)區(qū)界限的研究中發(fā)現(xiàn),受積溫增加影響,多熟種植區(qū)域向北向西推進(jìn)較大,但同時(shí)高溫?zé)岷Φ某霈F(xiàn)頻率增加;戴聲佩等[9]研究指出,華南地區(qū)≥10℃積溫帶向北移動(dòng)了0.15~0.40個(gè)緯距,有利于熱帶作物的生產(chǎn)種植。

　　但也帶來熱帶作物抗旱能力下降、寒害致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)增加的問題;田月等[10]在氣候變暖對(duì)茶樹生長影響的分析中指出,春茶季、夏茶季、秋茶季熱量資源的地區(qū)間差異減小,給茶葉的種植帶來了更大的區(qū)域優(yōu)勢(shì),同時(shí)溫度持續(xù)走高,夏旱頻率加大,對(duì)茶葉的生長發(fā)育也是極其不利;李柏貞等[11]則在江南茶葉農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究中明確指出隨著氣候變暖和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,茶葉生產(chǎn)布局、栽培品種等已發(fā)生顯著變化。

　　從檢索的文獻(xiàn)資料看,目前國內(nèi)有關(guān)農(nóng)業(yè)熱量資源的研究主要集中在大區(qū)域的時(shí)空分布及對(duì)糧食作物的影響上,但是我國地域廣闊,自然地理環(huán)境和氣候類型復(fù)雜多樣,不同作物對(duì)氣候變化的敏感度和適應(yīng)性也不一樣,鑒于此,本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上,通過對(duì)寧德市熱量資源時(shí)空變化特征的分析,研究其對(duì)當(dāng)?shù)夭枞~生長的影響,并運(yùn)用小波理論對(duì)熱量資源變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè),為今后有效評(píng)價(jià)和規(guī)避氣候變化對(duì)茶葉種植帶來的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)參考。

　　寧德市地處東南沿海,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),境內(nèi)地理環(huán)境復(fù)雜,兼有海洋氣候、山地氣候、盆地氣候等多種氣候特點(diǎn)。獨(dú)特的地理氣候環(huán)境在一定程度上影響并決定了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì),據(jù)寧德市統(tǒng)計(jì)年鑒,2019年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到224.82億元,其中茶葉總產(chǎn)值近40億元,茶產(chǎn)量占全省的比重為23.7%。

　　因此,研究該區(qū)域熱量資源變化及其對(duì)當(dāng)?shù)夭枞~生長的影響,對(duì)因地制宜發(fā)展茶葉生產(chǎn)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收具有現(xiàn)實(shí)意義。日平均氣溫≥10℃是一般喜溫作物播種與開始生長的界限溫度[1,12],≥10℃積溫及日數(shù)的多少與分布情況是研究區(qū)域熱量資源的一個(gè)主要著眼點(diǎn)和重要指標(biāo),而在茶樹的生長過程中,形成茶葉產(chǎn)量的重要熱量指標(biāo)也正是以此來表達(dá)[12-14]。

　　1　材料與方法

　　1.1　資料來源

　　本研究所用數(shù)據(jù)采自寧德市9個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站(蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田、壽寧、周寧、柘榮、屏南)提供的1969—2019年日平均氣溫,數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制,具有代表性、準(zhǔn)確性和比較性,并有完整的序列。按地理位置及氣候特點(diǎn)將蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田劃歸為沿海地區(qū),壽寧、周寧、柘榮、屏南劃為山區(qū)。

　　1.2　主要研究方法

　　利用滑動(dòng)平均法計(jì)算1969—2019年寧德市9個(gè)氣象觀測(cè)站日平均氣溫穩(wěn)定通過(5天滑動(dòng)平均值≥臨界值)10℃的初終間日數(shù)和積溫?cái)?shù)據(jù)[15-16],通過線性傾向估計(jì)[16]、Mann-kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)[16]、EOF經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解[16]、Morlet小波分析[16-17]等4種氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法,對(duì)寧德市≥10℃積溫、初終間日數(shù)的線性變化趨勢(shì)、突變區(qū)域、空間分布、周期變化等方面進(jìn)行分析研究,以揭示該區(qū)域熱量資源的時(shí)空變化特征,并通過茶葉積溫隸屬度[18-22]的計(jì)算,分析其對(duì)茶葉生長適應(yīng)性的影響。

　　1.2.1　顯著性檢驗(yàn)

　　通過EOF經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解出的特征值和特征向量是否具有物理意義,需進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),本研究選用North檢驗(yàn)法[16]。

　　1.2.2　茶葉積溫隸屬度

　　茶樹的生長必然要受到多種氣候條件的綜合影響,采用模糊數(shù)學(xué)法可對(duì)這些影響進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和定量化分析。有學(xué)者根據(jù)茶樹生長發(fā)育的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)及受農(nóng)業(yè)氣候要素影響變化的柯西型分布模式,確定了符合茶樹生長實(shí)際的隸屬函數(shù)[18-22]。

　　2　結(jié)果與分析

　　2.1　積溫、初終日數(shù)變化趨勢(shì)及突變特征

　　寧德市1969—2019年≥10℃積溫變化趨勢(shì)，全市平均積溫在6081.2~4867.6℃波動(dòng),均值為5482.4℃,20世紀(jì)90年代中前期的年積溫多在平均值下,90年代后期開始則多在平均值上,10a氣候傾向率為111.5℃(通過a=0.01顯著性檢驗(yàn))。以年代際為區(qū)分,80年代是最少期,90年代開始快速增多,10a間增加了將近167℃,進(jìn)入21世紀(jì),增多勢(shì)頭減緩,2001—2010、2011—2019年增加幅度分別為144℃和156℃。

　　從M-K統(tǒng)計(jì)曲線圖看,UF與UB的交點(diǎn)位置位于1997年前后,此點(diǎn)即為突變點(diǎn),突變點(diǎn)之后積溫呈快速上升趨勢(shì),并從2002年開始超過顯著性水平0.05臨界線,2004年后甚至超過0.001顯著性水平(u0.001=2.56),不過2005—2012年上升速度略有停滯,2013年起積溫再呈加速上升勢(shì)頭。

　　全市≥10℃的初終日數(shù)平均為260.6d ,圍繞平均線上下振蕩的頻率高于積溫,但振幅較小,氣候傾向率為3.7d/10a(通過a=0.01顯著性檢驗(yàn))。從年代變化上看,與積溫變化相類似,80年代積溫低谷期對(duì)應(yīng)的≥10℃初終日數(shù)也是最少,為253.7d,不同的是初終日數(shù)在90年代和近10a存在2個(gè)快速增多期,10a增率分別為6.5和7.7d。≥10℃的初終日數(shù)有2個(gè)突變年,分別出現(xiàn)在1997和2011年。

　　比較沿海和山區(qū)在積溫上的變化,沿海地區(qū)10a積溫氣候傾向率在154.1~110.3℃(通過a=0.01顯著性檢驗(yàn),下同),平均為124.1℃,而山區(qū)的積溫氣候傾向率則在103.9~88.8℃,平均為95.9℃,去除基數(shù)大小不一的影響,山區(qū)的積溫升高態(tài)勢(shì)略大于沿海。從年代上看,沿海在80年代處于最冷期,90年代,以10a增幅250℃快速升溫,之后的20a幅度收窄,分別為180℃、110℃;而山區(qū)最冷期則是在70年代,80年代積溫未減反增,每10a以70℃左右的增率持續(xù)到90年代末,之后的10a增幅加大,近10a增率更是達(dá)到210℃。

　　具體到年際間的變化上也有不同,如沿海最低積溫值均出現(xiàn)在1976年,而山區(qū)均出現(xiàn)在2010年;1973年所有沿海縣市的積溫均高于平均值,山區(qū)均偏低;1990年則相反,沿海偏低,山區(qū)偏高;1978、1985、1998、2010、2012、2014年等年份,沿海與山區(qū)在變化方向上雖較為一致,但在幅度上卻有較大程度差異。沿海與山區(qū)積溫變化的突變年均在1997年,突變前寧德全市的積溫曲線基本上是依從沿海的走勢(shì),突變后則是依從山區(qū)的走勢(shì)。

　　從10a氣候傾向率看,突變年前全市、沿海、山區(qū)分別為-0.6、-21.6、25.7℃,在突變年后則分別為61.8℃、58.4℃、66.2℃,進(jìn)一步說明突變年前沿海的影響大于山區(qū),突變年后則是山區(qū)影響大于沿海。至于初終日數(shù)的變化,總體變化與積溫相似,不同之處在于沿海山區(qū)均有兩個(gè)突變點(diǎn),沿海出現(xiàn)在1999及2003年,山區(qū)則在1994及1997年;山區(qū)的震動(dòng)頻率大于沿海,且多數(shù)年份影響著全市積溫日數(shù)的走勢(shì)。

　　從近百年中國氣溫及近50a華東沿海區(qū)域氣溫的演變情況[23-25]來看,寧德市的氣溫變化趨勢(shì)與大環(huán)境變化相近,摘取同時(shí)段數(shù)據(jù)比較,1980—2007年寧德市的升溫速率為0.46℃/10a,略低于整個(gè)華東區(qū)域0.55℃/10a的水平[25],不過2007年之后的10a寧德市的升溫速度加快,升溫率達(dá)到0.9℃/10a。

　　氣溫的變化勢(shì)必影響到積溫及其初終日數(shù)的變化,用皮爾遜法[18]統(tǒng)計(jì)積溫、初終日數(shù)與氣溫變化三者之間的相關(guān)系數(shù),寧德市近51a日均氣溫≥10℃日數(shù)、≥10℃積溫、穩(wěn)定通過10℃初終日數(shù)與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.85、0.8、0.59,積溫與初終日數(shù)的相關(guān)性則達(dá)到0.9,表明積溫的升高與日平均氣溫的升高關(guān)系密切,但對(duì)積溫影響更大的是≥10℃的初終日數(shù),這與邱新法等[26]對(duì)中國≥10℃積溫時(shí)空變化主導(dǎo)因素的研究結(jié)論是一致的。

　　2.2　積溫及初終日數(shù)空間分布特征

　　對(duì)近51a來寧德9縣市日平均氣溫≥10℃積溫及初終日數(shù)的兩個(gè)原始場數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后做EOF分解,并根據(jù)公式(1)進(jìn)行特征值顯著性檢驗(yàn),2個(gè)變量場的前2個(gè)特征向量的特征值均>1,累積貢獻(xiàn)率分別占總方差貢獻(xiàn)的88.24%、82.59%,且特征值的誤差范圍均通過North檢驗(yàn),由此認(rèn)為這兩個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是有價(jià)值的信號(hào),且在很大程度上概括了≥10℃積溫及初終日數(shù)的分布特征。

　　2.2.1　第一模態(tài)

　　≥10℃積溫和初終日數(shù)的EOF1分別占總方差的76.70%、60.93%,分解出各分量的符號(hào)相同,說明第一模態(tài)下,積溫及初終間日數(shù)在空間分布上都具有較好的一致性,顯然這是受全球氣候變暖及大尺度天氣系統(tǒng)影響的緣故。用ArcGIS內(nèi)嵌的反距離權(quán)重法(下同)對(duì)第一特征向量進(jìn)行插值訂正。可以看出,2個(gè)變量場的高低值區(qū)分布類似,高值區(qū)大致在壽寧、周寧、蕉城等中北部一帶,相對(duì)低值區(qū)在古田、霞浦,為寧德市東西兩端。

　　這個(gè)特征場占有很大的權(quán)重,實(shí)際上反映的是全市近51a不低于10℃積溫及初終日數(shù)空間分布的平均狀態(tài),即寧德市全域范圍在積溫及初終間日數(shù)的增減變化上呈現(xiàn)較好的一致性,但中北部地區(qū)變化幅度相對(duì)較大,其余地區(qū)相對(duì)較小。比較各縣市51a的氣候傾向率數(shù)值也可看出類似情況,如處在變量場高值區(qū)的蕉城、周寧、壽寧的積溫傾向率在所有縣市中同屬較大點(diǎn)。究其原因,應(yīng)與快速發(fā)展的城市化效應(yīng)、土地利用改變、下墊面性質(zhì)改變等[23-25]有關(guān)。

　　對(duì)應(yīng)EOF1的時(shí)間系數(shù),反映的是積溫和初終日數(shù)的年際趨勢(shì)變化,數(shù)值為正值的年份表示此年積溫偏高,反之則偏低,絕對(duì)值越大說明此種分布類型越典型。可以看出,從70—90年代中前期,大多數(shù)年份數(shù)值均為負(fù)值,90年代后期開始數(shù)值基本為正值,絕對(duì)值較大的年份有2018、2016、2002、1998、1976、1987、1996和2010年,反映了這些年各縣市積溫和初終日數(shù)的升高或降低都呈現(xiàn)相對(duì)顯著的一致性。

　　由于沿�？h市積溫都在5000℃以上,對(duì)應(yīng)的積溫隸屬度數(shù)值都為1,表明積溫條件對(duì)沿海地區(qū)而言是十分有利的;但山區(qū)的積溫基本都在5000℃以下,隸屬度平均為0.93,極端年份可低至0.74,是茶葉生長的一個(gè)制約因素。

　　近51a來,山區(qū)茶葉積溫隸屬度隨時(shí)間的演變特點(diǎn)與積溫的變化特點(diǎn)是高度契合的,總體趨勢(shì)呈震蕩式上升,說明積溫對(duì)茶葉生長的制約條件趨于好轉(zhuǎn),且向好的趨勢(shì)在突變年1997年后更為顯著;較短時(shí)間尺度的周期震蕩頻率和強(qiáng)度均較大,表明積溫變化對(duì)茶葉生長的影響并不穩(wěn)定,山區(qū)茶葉出現(xiàn)寒凍害及沿海茶葉出現(xiàn)高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)概率增大。

　　另外,從小波周期變化趨勢(shì)來看,未來6~8a山區(qū)積溫隸屬度的變化將從高值區(qū)向低值區(qū)過渡。從以上分析可看出,寧德茶葉種植由于山區(qū)與沿海熱量條件的差異較大其適宜度也有較大不同,沿海地區(qū)熱量條件基本能滿足除大葉茶種外的中、小葉茶種的生長需求,但在山區(qū),耐寒性較強(qiáng)的中、小葉品種生長仍會(huì)受到一定制約,較易因熱量不足導(dǎo)致茶葉生長緩慢、產(chǎn)量不高,并且容易受到凍害等[12,14]。

　　據(jù)陳家金等[28]對(duì)福建省茶葉氣象災(zāi)害致災(zāi)危險(xiǎn)性的區(qū)劃與評(píng)估,茶葉萌芽至展葉期寒凍害危險(xiǎn)性歸一化指數(shù)大于0.5的縣市就有寧德的4個(gè)山區(qū)縣:壽寧、周寧、屏南及柘榮,中度寒凍害年平均發(fā)生頻次在2次以上,重度以上的年平均發(fā)生頻次在1次以上;茶樹越冬期凍害相對(duì)較輕,凍害危險(xiǎn)性指數(shù)在0.1以上。雖然在氣候變暖的背景下,寧德市的熱量條件有了明顯的提高,山區(qū)茶葉種植受積溫條件制約的情況總體趨于好轉(zhuǎn),茶葉的適宜分布區(qū)具有向北、向高海拔山區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì),但熱量資源增加并不代表熱量能均勻分布于茶葉生長的各個(gè)階段,且氣候變化使得氣候資源在時(shí)空分布上變得不穩(wěn)定,極端天氣氣候事件增多、增強(qiáng)[12],這也將導(dǎo)致山區(qū)茶葉低溫凍害及沿海高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)增大。

　　如2010年2月下旬寧德氣溫出現(xiàn)異常偏高,使得春茶發(fā)芽早不耐低溫,到3月上旬,在強(qiáng)冷空氣影響之下,春茶嫩梢普遍受凍,尤其是中高海拔茶區(qū),第一輪茶葉幾乎絕收[12]。因此,熱量資源增加帶來的影響有利有弊,且茶葉的種植除了受熱量的影響,光照、濕度條件也是極為重要[12,14],應(yīng)綜合考慮多種氣候條件及農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)來合理規(guī)劃茶葉種植區(qū)域,優(yōu)化種植品種。

　　3　小結(jié)與討論

　　1969—2019年寧德市熱量資源呈普遍增加趨勢(shì),90年代中期起升速加快,主要突變點(diǎn)在1997年前后;熱量資源的增加與日平均氣溫升高、≥10℃初終日數(shù)增多關(guān)系密切。空間分布上,沿�？h市的熱量資源好于山區(qū),但近51a山區(qū)的熱量資源增幅略大于沿海;突變年前沿海積溫和日數(shù)的變化大于山區(qū),突變年后則山區(qū)大于沿海;山區(qū)和沿海在積溫與初終日數(shù)的時(shí)間變化總趨勢(shì)上雖然表現(xiàn)一致,但地域差異較為顯著,部分年份呈現(xiàn)反相位變化特點(diǎn)。寧德市≥10℃積溫、初終間日數(shù)及山區(qū)茶葉積溫隸屬度共同存在25、10~15、5~10、5a以下等多個(gè)時(shí)間尺度的變化周期,其中最為穩(wěn)定的是25a長周期變化。

　　在相對(duì)短尺度的周期變化上,初終日數(shù)的變化強(qiáng)度大于積溫,山區(qū)的震蕩頻率和強(qiáng)度甚于沿海。熱量資源條件對(duì)沿海地區(qū)茶葉生長較為有利,山區(qū)茶葉種植受積溫條件制約的情況隨著熱量資源增加得以改善,但積溫變化對(duì)茶葉生長的影響并不穩(wěn)定,山區(qū)茶葉出現(xiàn)寒凍害及沿海茶葉出現(xiàn)高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)概率增大。根據(jù)小波周期演變規(guī)律,可推測(cè)未來6~8a寧德市沿海與山區(qū)≥10℃積溫及其初終間日數(shù)、茶葉積溫隸屬度增多或升高的態(tài)勢(shì)減緩,將由相對(duì)高值區(qū)向低值區(qū)過渡。

　　本研究以作物播種與開始生長的界限溫度10℃為分析對(duì)象,從積溫強(qiáng)度和作用時(shí)間兩個(gè)方面對(duì)寧德市的熱量資源分布做了時(shí)空分布上的分析,并以對(duì)氣候變化敏感的重要經(jīng)濟(jì)作物茶葉為例[13-14,27],分析寧德市熱量資源變化對(duì)茶葉生長適宜性的影響,但數(shù)據(jù)采用的基本氣象觀測(cè)站為縣級(jí)觀測(cè)站,而基于區(qū)域站更小尺度的熱量資源評(píng)價(jià)及在不同季節(jié)下的變化特征規(guī)律有待在以后的工作中進(jìn)一步探索,從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更具精細(xì)化和客觀性。

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　　作者：陳小英,余會(huì)康,黃文霖,阮翠冰

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