寧德市熱量資源變化及其對茶葉生長的影響

　　摘要:運用線性傾向估計法、EOF經(jīng)驗正交函數(shù)分解法、Mann-kendall非參數(shù)檢驗法、Morlet小波分析等4種氣候統(tǒng)計診斷方法,對寧德市≥10℃積溫和初終間日數(shù)的時空變化特征進行分析研究,并通過茶葉積溫隸屬度的計算,分析其對茶葉生長適應性的影響。結果表明,1)1969—2019年寧德市熱量資源呈普遍增加趨勢,90年代中期起升速加快,主要突變點在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)的時間變化總趨勢上雖然表現(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。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等多個時間尺度的變化周期。在較短尺度的周期變化上,初終日數(shù)的變化強度大于積溫,山區(qū)強于沿海。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害風險仍較大。5)根據(jù)小波周期演變規(guī)律,可推測未來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)勢將減緩,將由相對高值區(qū)向低值區(qū)過渡。

　　關鍵詞: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,對區(qū)域農(nóng)業(yè)種植制度和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量質量變化有著非常重要的影響。隨著全球氣候變暖的趨勢不斷加劇,熱量資源的時空分布也隨之發(fā)生改變,進而對各地農(nóng)業(yè)結構布局、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)域向北向西推進較大,但同時高溫熱害的出現(xiàn)頻率增加;戴聲佩等[9]研究指出,華南地區(qū)≥10℃積溫帶向北移動了0.15~0.40個緯距,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、寒害致災風險增加的問題;田月等[10]在氣候變暖對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,同時溫度持續(xù)走高,夏旱頻率加大,對茶葉的生長發(fā)育也是極其不利;李柏貞等[11]則在江南茶葉農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(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。

　　從檢索的文獻資料看,目前國內有關農(nóng)業(yè)熱量資源的研究主要集中在大區(qū)域的時空分布及對糧食作物的影響上,但是我國地域廣闊,自然地理環(huán)境和氣候類型復雜多樣,不同作物對氣候變化的敏感度和適應性也不一樣,鑒于此,本文擬在前人研究的基礎上,通過對寧德市熱量資源時空變化特征的分析,研究其對當?shù)夭枞~生長的影響,并運用小波理論對熱量資源變化趨勢做出預測,為今后有效評價和規(guī)避氣候變化對茶葉種植帶來的致災風險提供科學參考。

　　寧德市地處東南沿海,屬亞熱帶季風氣候區(qū),境內地理環(huán)境復雜,兼有海洋氣候、山地氣候、盆地氣候等多種氣候特點。獨特的地理氣候環(huán)境在一定程度上影響并決定了當?shù)剞r(nóng)業(yè)基礎和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟,據(jù)寧德市統(tǒng)計年鑒,2019年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達到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當?shù)夭枞~生長的影響,對因地制宜發(fā)展茶葉生產(chǎn)促進農(nóng)業(yè)增收具有現(xiàn)實意義。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)域熱量資源的一個主要著眼點和重要指標,而在茶樹的生長過程中,形成茶葉產(chǎn)量的重要熱量指標也正是以此來表達[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個國家級氣象觀測站(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)過質量控制,具有代表性、準確性和比較性,并有完整的序列。按地理位置及氣候特點將蕉城、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

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

　　1.2.1　顯著性檢驗

　　通過EOF經(jīng)驗正交函數(shù)分解出的特征值和特征向量是否具有物理意義,需進行顯著性檢驗,本研究選用North檢驗法[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)學法可對這些影響進行數(shù)學描述和定量化分析。有學者根據(jù)茶樹生長發(fā)育的農(nóng)業(yè)氣候指標及受農(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際的隸屬函數(shù)[18-22]。

　　2　結果與分析

　　2.1　積溫、初終日數(shù)變化趨勢及突變特征

　　寧德市1969—2019年≥10℃積溫變化趨勢，全市平均積溫在6081.2~4867.6℃波動,均值為5482.4℃,20世紀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)。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℃,進入21世紀,增多勢頭減緩,2001—2010、2011—2019年增加幅度分別為144℃和156℃。

　　從M-K統(tǒng)計曲線圖看,UF與UB的交點位置位于1997年前后,此點即為突變點,突變點之后積溫呈快速上升趨勢,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)。從年代變化上看,與積溫變化相類似,80年代積溫低谷期對應的≥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,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,突變后則是依從山區(qū)的走勢。

　　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)均有兩個突變點,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。

　　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與大環(huán)境變化相近,摘取同時段數(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,升溫率達到0.9℃/10a。

　　氣溫的變化勢必影響到積溫及其初終日數(shù)的變化,用皮爾遜法[18]統(tǒng)計積溫、初終日數(shù)與氣溫變化三者之間的相關系數(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系數(shù)分別為0.85、0.8、0.59,積溫與初終日數(shù)的相關性則達到0.9,表明積溫的升高與日平均氣溫的升高關系密切,但對積溫影響更大的是≥10℃的初終日數(shù),這與邱新法等[26]對中國≥10℃積溫時空變化主導因素的研究結論是一致的。

　　2.2　積溫及初終日數(shù)空間分布特征

　　對近51a來寧德9縣市日平均氣溫≥10℃積溫及初終日數(shù)的兩個原始場數(shù)值標準化后做EOF分解,并根據(jù)公式(1)進行特征值顯著性檢驗,2個變量場的前2個特征向量的特征值均>1,累積貢獻率分別占總方差貢獻的88.24%、82.59%,且特征值的誤差范圍均通過North檢驗,由此認為這兩個特征值所對應的經(jīng)驗正交函數(shù)是有價值的信號,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內嵌的反距離權重法(下同)對第一特征向量進行插值訂正�？梢钥闯�,2個變量場的高低值區(qū)分布類似,高值區(qū)大致在壽寧、周寧、蕉城等中北部一帶,相對低值區(qū)在古田、霞浦,為寧德市東西兩端。

　　這個特征場占有很大的權重,實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)變化幅度相對較大,其余地區(qū)相對較小。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。究其原因,應與快速發(fā)展的城市化效應、土地利用改變、下墊面性質改變等[23-25]有關。

　　對應EOF1的時間系數(shù),反映的是積溫和初終日數(shù)的年際趨勢變化,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)值均為負值,90年代后期開始數(shù)值基本為正值,絕對值較大的年份有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)相對顯著的一致性。

　　由于沿�？h市積溫都在5000℃以上,對應的積溫隸屬度數(shù)值都為1,表明積溫條件對沿海地區(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,是茶葉生長的一個制約因素。

　　近51a來,山區(qū)茶葉積溫隸屬度隨時間的演變特點與積溫的變化特點是高度契合的,總體趨勢呈震蕩式上升,說明積溫對茶葉生長的制約條件趨于好轉,且向好的趨勢在突變年1997年后更為顯著;較短時間尺度的周期震蕩頻率和強度均較大,表明積溫變化對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)高溫熱害的風險概率增大。

　　另外,從小波周期變化趨勢來看,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),耐寒性較強的中、小葉品種生長仍會受到一定制約,較易因熱量不足導致茶葉生長緩慢、產(chǎn)量不高,并且容易受到凍害等[12,14]。

　　據(jù)陳家金等[28]對福建省茶葉氣象災害致災危險性的區(qū)劃與評估,茶葉萌芽至展葉期寒凍害危險性歸一化指數(shù)大于0.5的縣市就有寧德的4個山區(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較輕,凍害危險性指數(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,茶葉的適宜分布區(qū)具有向北、向高海拔山區(qū)移動的趨勢,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階段,且氣候變化使得氣候資源在時空分布上變得不穩(wěn)定,極端天氣氣候事件增多、增強[12],這也將導致山區(qū)茶葉低溫凍害及沿海高溫熱害風險增大。

　　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],應綜合考慮多種氣候條件及農(nóng)業(yè)氣象指標來合理規(guī)劃茶葉種植區(qū)域,優(yōu)化種植品種。

　　3　小結與討論

　　1969—2019年寧德市熱量資源呈普遍增加趨勢,90年代中期起升速加快,主要突變點在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)的時間變化總趨勢上雖然表現(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。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以下等多個時間尺度的變化周期,其中最為穩(wěn)定的是25a長周期變化。

　　在相對短尺度的周期變化上,初終日數(shù)的變化強度大于積溫,山區(qū)的震蕩頻率和強度甚于沿海。熱量資源條件對沿海地區(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)高溫熱害的風險概率增大。根據(jù)小波周期演變規(guī)律,可推測未來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)勢減緩,將由相對高值區(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℃為分析對象,從積溫強度和作用時間兩個方面對寧德市的熱量資源分布做了時空分布上的分析,并以對氣候變化敏感的重要經(jīng)濟作物茶葉為例[13-14,27],分析寧德市熱量資源變化對茶葉生長適宜性的影響,但數(shù)據(jù)采用的基本氣象觀測站為縣級觀測站,而基于區(qū)域站更小尺度的熱量資源評價及在不同季節(jié)下的變化特征規(guī)律有待在以后的工作中進一步探索,從而使評價結果更具精細化和客觀性。

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　　作者：陳小英,余會康,黃文霖,阮翠冰

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