辽宁省农业界限温度时空变化特征及其对农业生态环境的影响

张家悦　金思敏　刘明涵　李颖

摘要：【目的】探討气候变化背景下辽宁省农业界限温度变化对全省农业生产的影响，为农业生产合理规划布局及充分利用农业生态资源进而提高农作物产量提供科学依据。【方法】基于当前全球普遍升温的气候变化，利用1960～2014年辽宁省22个气象站点的逐日气温资料，在Matlab和ArcGIS等技术支持下，分析辽宁省农业界限温度初日、终日、持续天数和积温的时空变化特征、农业界限温度的时空变化特征及其对农业生产的影响。【结果】辽宁省10 ℃农业界限温度初日气候倾向率为-0.445 d/10年，终日气候倾向率为1.757 d/10年，持续天数气候倾向率为2.202 d/10年，积温气候倾向率为53.73 ℃·d/10年；1960～2014年辽宁省农业界限温度初日提前、终日延后、持续天数增加、积温增加，变化幅度与纬度和地理位置密切相关。从空间变化来看，农业界限温度初日由西南向东北推迟、终日由东北向西南延后、积温由西南向东北递减。【结论】未来辽宁省种植趋势应以辽西山地丘陵区为核心，向中部平原区和辽东低山丘陵区扩展；在农业生产过程中应合理使用化肥、农药，从而推动农业生态环境的可持续发展。

关键词： 农业界限温度；积温；时空变化；农业生态环境；辽宁省

中图分类号： S162 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）06-1147-09

Abstract：【Objective】This paper discussed the influence of agricultural critical temperature variation on agricultural production in the whole Liaoning Province under climate change background， which provided scientific basis for rational planning of agricultural production layout and full utilization of agricultural ecological resources to improve crop yield.【Method】Based on the current climate change featuring global warming， daily temperature data of 22 meteorological stations in Liaoning Province from 1960 to 2014 were used. Supported by Matlab and ArcGIS technologies，the analysis was carried by focusing on the temporal and spatial variation characteristics of agricultural boundary temperature in Liaoning province， which covered beginning day， ending day， average duration days and accumulated temperature， as well as its influence on agricultural production. 【Result】In terms of 10 ℃ agricultural critical temperature in Liaoning，The climatic tendency rate of beginning day was -0.445 d/10 years， and the climate tendency rate of ending day was 1.757 d/10 years， and the climate tendency rate of average duration days was 2.202 d/10 years， and the temperature tendency rate of the accumulate temperature was 53.73 ℃·d/10 years. The beginning day of agriculture critical temperatures shifted earlier while the ending day postponed， the duration days became longer and accumulate temperature gradually increased from 1960 to 2014 in Liaoning Province， the variation range was closely related to latitude and geographical location. As for the spatial changes， the beginning day of agricultural boundary temperature was postponed from southwest to northeast， and the en-ding day was postponed from northeast to southwest， accumulate temperature was descended from southwest to northeast. 【Conclusion】In the future， the planting trend in Liaoning Province should be based on the mountainous hilly region of western Liaoning， and it should be extended to the central plain areas and the lowland and hilly areas of eastern Liaoning. In the agricultural production process， chemical fertilizers and pesticides should be reasonably used to promote the sustainable development of the agricultural ecological environment.

Key words： agricultural critical temperature； accumulate temperature； temporal and spatial variation； agriculture eco-environment； Liaoning Province

0 引言

【研究意义】农业生态系统是生态系统的最基本组分，其承载力在很大程度上决定了生态经济系统的容量（蔡承智等，2010）。20世纪以来，随着工业化的不断发展，石油工业和煤炭工业逐渐兴起，CH4和CO2等温室气体的大量排放使得温室效应加剧。2016年11月17日联合国马拉喀什气候大会上预计21世纪末全球气温将上升2.9～3.4 ℃。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出近130年地球表面平均温度上升0.85 ℃。全球气候变暖改变了农业生态环境，对农业生产具有显著影响。联合国粮农组织（FAO）指出气候变暖对农业生产的影响既有正效应也有负效应；一方面气候变暖导致作物生长期延长进而对提高农作物产量有积极意义；另一方面气候变暖导致病虫害范围扩大。据统计，2016年我国农业产值因病虫害造成的损失约为农业总产值的20%～25%（矯梅燕，2017），而农业界限温度是衡量一个地区温度变化对农业生态环境影响的重要指标之一，该项指标对农业生态资源的合理利用和农业种植规划具有重要的指导意义。【前人研究进展】气候变暖对农作物产量变化具有重大影响。气候变暖使我国东北地区作物生长季节延长，从而使得引进中晚熟高产大豆和玉米等品种成为可能（孙华等，2015）；西北地区东部大面积干旱频繁发生，导致部分地区粮食作物大幅减产（刘德祥等，2005）。因此，如何合理利用农业资源、保护农业生态平衡已成为当今社会的热点话题。目前，国内外学者对农业界限温度的研究较多并取得一定成果。Araya等（2010）对埃塞俄比亚北部Giba流域的农业气候资源进行评估，将生育期作物的适宜性区划概念引入基于温度和海拔的传统气候分类方法中，以确定画眉草和大麦生长的适宜性区划条件。Sacks和Kucharik（2011）对美国地区农业气候资源进行研究，记录并分析了近25年来美国玉米和大豆的种植日期、营养生长和生殖生长周期长度及成熟至收获期的时间长度等趋势，为当地农作物的种植规划提供了重要参考。我国学者通过农业界限温度将气象指标和热量资源的研究与农业生产相结合，并取得了诸多成果。华北地区丰富的热量资源使≥0 ℃积温增加，空间分布呈北移东扩的变化特征（马洁华等，2010）；青藏高原地区≥0 ℃界限温度变化明显，持续时间和积温明显增加，种植作物的空间分布呈向北部和高海拔地区迁移的趋势（马鹏飞等，2016）。气候变暖使我国热量资源增加，持续天数和积温呈明显的递增趋势，空间上表现为自西南向西北递减（郭芬芬等，2016）；我国温带地区≥10 ℃农业界限温度呈初日提前、终日延后、持续天数和积温增加的趋势，导致冬小麦和春小麦可种植区北扩（张煦庭等，2017）。成林等（2017）对不同生育期气候变化对冬小麦生长及产量的影响进行探究，提出相关理论性建议。近年来，对辽宁省地区农业界限温度探究也有了一定进展。赵春雨等（2009）研究表明，辽宁省作物生长季≥10 ℃界限温度的积温值在近50年明显增加；赵俊芳等（2015）研究表明，辽宁省热量资源最丰富的地区是西部和南部，且≥10 ℃界限温度呈初日先推迟再提前、终日推迟、持续天数先减少后增加及积温持续增多趋势。辽宁省是我国重要的粮食生产基地，玉米和水稻等喜温作物是该省重要的农作物。辽宁省属于温带大陆性季风气候，位于气候敏感区，气候变化对玉米等粮食作物的影响明显。辽宁省近57年来稳定通过0和10 ℃积温和持续时间均呈递增趋势，其中10 ℃递增趋势更明显（张运福等，2009）。有研究表明，1981～2012年辽宁省玉米气象产量波动幅度较大，达3201 kg/ha，最大减产量为1857 kg/ha，玉米灾损量达1550万t，仅次于吉林省（矫梅燕，2017）。【本研究切入点】在气候变暖大背景下，已有部分学者对辽宁省农业界限温度对农业生产的影响进行了相关探究，但针对农业生态环境的研究仍缺乏详细、系统分析。【拟解决的关键问题】以辽宁省1960～2014年22个气象站点的气象数据为依据，以喜温作物开始生长的温度（10 ℃）作为农业界限温度研究对象，提取初日、终日、持续天数和积温等各生长要素，分析农业界限温度的时空变化特征及其对农业生产的影响，以探讨气候变化背景下辽宁省农业界限温度变化对全省农业生产的影响，为农业生产合理规划布局及充分利用农业生态资源进而提高农作物产量提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 数据来源

气温基础数据来源于辽宁省22个气象站点1960～2014年逐日气温，所选取的22个气象站点基本均匀分布在辽宁省各地，可充分体现辽宁省气候变化情况（图1）。

1. 2 基础数据处理方法

1. 2. 1 研究要素确定 农业界限温度（10 ℃）的初日、终日、持续天数和积温计算需结合5日滑动平均法。初日的确定：从春季日平均气温第一次出现高于10 ℃起，按日序依次计算每连续5 d平均气温，从中选出第一个≥10 ℃的日期，且在其后不再出现5 d平均气温低于10 ℃的连续5 d，此5 d中第一个日平均气温≥10 ℃的日期即为初日。终日的确定：从秋季日平均气温第一次出现低于10 ℃之日起，向前推4 d，按日序依次计算每连续5 d的平均气温，从中选出第一个小于10 ℃的前一个连续5 d，此5 d中的最后一个日平均气温≥10 ℃的日期即为终日。持续天数即为某地区初日到终日之间的天数。在农业气象中，积温可分为活动积温和有效积温，本研究采用活动积温进行分析。一年内日平均气温≥10 ℃持续期间日平均气温的总和即为活动积温。

1. 2. 2 时间变化分析方法 采用线性趋势分析法探究辽宁省22个气象站点54年间10 ℃界限温度的初日、终日、持续时间和积温的变化趋势。各要素的变化可用一次线性方程表示，公式如下：

y=ax+b

式中，y为农业界限温度要素，x为时间，b为常数，a为线性趋势项。

运用Matlab对辽宁省54年间平均初日、终日、持续天数和积温年际变化进行Mann-Kendall趋势检验。

1. 2. 3 空间变化分析方法 采用ArcGIS技术，将辽宁省底图和所得基础数据导入。运用克里金插值技术使区域化变量存在空间相关性；利用掩膜提取分析法将数据进行图像化，从而直观分析辽宁省10 ℃农业界限温度初日、终日、持续天数和积温的空间分布特征。

2 结果与分析

2. 1 时间变化

1960～2014年，辽宁省农耕期初日平均在4月19日，最早在4月5日（1998年），最晚在5月8日（2005年），两者相差33 d。初日有提前趋势（图2-A），气候倾向率为-0.445 d/10年。从初日年代际变化（表1）可看出，20世纪60年代农耕期开始最晚（4月21日），其次是20世纪70年代（4月20日）和21世纪初（4月20日），最早出现在20世纪90年代（4月14日），较20世纪60年代提前了7 d。

辽宁省农耕期终日平均在10月12日，最早在9月23日（1957年），最晚在10月29日（1995年），两者相差36 d。终日有推迟趋势（图2-B），气候倾向率为1.757 d/10年。从终日年代际变化（表1）可看出，20世纪60年代农耕期结束最早（10月7日），21世纪初结束最晚（10月16日），比20世纪60年代推迟了9 d。

辽宁省平均农耕期持续天数为177 d，最短为157 d（1976年），最长为202 d（1998年），两者相差45 d。农耕期呈延长趋势（图3-A），气候倾向率为2.202 d/10年。从表1可看出，20世纪60年代的农耕期最短（170 d），其次为20世纪70年代（174 d），20世纪90年代初农耕期最长（181 d），比20世纪60年代延长11 d。

辽宁省农耕期年平均积温为3441.4 ℃·d，最少2999.36 ℃·d（1976年），最长3987.79 ℃·d（2012年），两者相差988.43 ℃·d。农耕期积温呈增长趋势（图3-B），气候倾向率为53.73 ℃·d/10年。从表1可看出，20世纪60年代农耕期积温最少（3346.26 ℃·d），其次為20世纪70年代（3351.36 ℃·d），21世纪初农耕期积温最多（3576.27 ℃·d），比20世纪60年代多230.01 ℃·d。

运用Matlab对辽宁省1960～2014年平均初日、终日、持续天数和积温年际变化进行Mann-Kendall趋势检验，结果表明，在显著性水平0.01下，终日、持续天数和积温年代Z统计量分别为2.9448、2.6228和3.3406，均大于2.3200，上升趋势显著（P<0.01）；而初日Z统计量为-0.65067，小于临界值，未达显著性水平（P>0.01），说明1957～2014年初日随时间的变化无明显趋势，与线性回归分析结果所显示的初日、终日、持续天数和积温随时间的变化趋势一致。

2. 2 空间变化

为更直观地体现辽宁省农业界限温度的空间变化特征，根据年代整理农业界限温度初日、终日、持续天数和积温变化情况。

2. 2. 1 农业界限温度初日时空变化特征 辽宁省农业界限温度初日出现日期的基本分布特征是自西南向东北推迟，起始日期最早在辽西的建平、朝阳、锦州、兴城、绥中及环渤海的熊岳、瓦房店、大连等地区，最晚起始日期在开原至宽甸一线以东北方向，辽西地区界限温度提前趋势比东部地区明显（图4-F）。20世纪60年代，辽宁省阜新—沈阳—瓦房店—大连一线以西地区初日大致在4月17日前后，辽宁省整体上初日出现的时间相近，东西部初日出现的时间仅差6 d（图4-A）；20世纪70年代，营口周边地区初日出现的日期稍有推迟但不明显，而辽宁省最东部的城市如开原、抚顺和清原初日出现的日期有明显推迟（图4-B）；20世纪80年代，辽西的绥中，辽中的沈阳、鞍山、本溪及辽东的开原、清原、宽甸、恒仁地区初日出现的时间有明显提前（图4-C）；20世纪90年代，辽中及部分辽西城市彰武—沈阳—熊岳—大连一线以西的城市初日出现的日期提前3 d左右，其他地区与20世纪80年代情况相近（图4-D）；到了21世纪初，辽西沿渤海地区初日出现的日期明显推迟3 d ，而辽东城市初日出现的日期与90年代相比变化不明显，仅提前1 d左右（图4-E）。

2. 2. 2 农业界限温度终日时空变化特征 辽宁省农业界限温度终日出现日期的基本分布特征是由东北向西南呈延后趋势，辽东半岛地区的终日日期推迟较明显，辽中地区延后趋势不明显，其中终日出现的日期最早在辽东地区开原至清原一带，最晚终日出现的日期在大连（图5-F）。20世纪60年代，辽东半岛如大连、瓦房店、熊岳、庄河等地区终日出现的日期自南向北有提前趋势，且变化较明显，而辽中及辽东10月中上旬即出现终日，等值线疏松，说明地区间变化不明显（图5-A）；20世纪70年代，辽西丘陵区终日出现的时间有推迟趋势，约推迟3 d左右，而辽东开原以北地区终日出现的日期推迟1 d左右（图5-B）；20世纪80年代，辽中终日出现的日期与70年代相比变化较明显，沈阳和鞍山的终日出现日期推迟明显，而辽东的开原—抚顺—宽甸一线以东地区终日出现的日期有明显提前趋势，地区间变化较突出（图5-C）；20世纪90年代，辽宁省整体终日出现日期有推迟趋势，而辽东半岛终日出现日期与80年代相比推迟最显著，其中变化最大的大连地区推迟了近半个月（图5-D）；到了21世纪，辽西仅建平市附近地区终日稍有推迟的趋势，而辽中4/5的地区终日出现日期提前了3 d左右，等值线密集，说明地区间变化较明显，辽东地区则与20世纪90年代情况相似（图5-E）。

2. 2. 3 农业界限温度积温时空变化特征 辽宁省农业界限温度积温的基本分布特征是由西南向东北呈递减趋势，其中积温在锦州—阜新—营口—熊岳一线附近不断降低，且辽西的建宁市周边积温变化较明显，自西向东逐渐降低，等积温线逐渐密集，地区间变化差异增大（图6-F）。20世纪60年代，辽西阜新—黑山—鞍山—庄河一线以西的积温最高且积温值相差不明显，而此界限以东地区的积温逐渐减少且等积温线较稀疏，说明地区间变化差异不明显（图6-A）；20世纪70年代，位于辽西的建平市及环渤海地区的大连市周边地区积温开始减少，且辽东外围城市如宽甸和彰武附近积温也明显减少（图6-B）；20世纪80年代，辽西等积温线密集，说明地区间温度差异明显，而辽东与中部地区积温较接近（图6-C）；20世纪90年代，辽宁全省积温出现降低，变化幅度一致（图6-D）；21世纪初，辽宁中部彰武—沈阳—岫岩—庄河一线以东地区积温普遍增大约200 ℃·d，而辽西仅有锦州出现积温增加的趋势（图6-E）。

3 界限温度对农业生态环境的影响

根据以上分析可知，1960～2014年间辽宁省10 ℃农业界限温度总体上具有初日提前、终日延后的趨势，从而表现为持续天数的延长和积温的增加，表征了辽宁省热量资源的增加。纵观辽宁省整体空间格局，表现出由西南向东北持续天数和积温逐渐减少的趋势，可进一步推断出初日、终日、持续天数和积温的变化幅度由高纬向低纬逐渐变大。这对于辽宁省农业生态资源的合理利用及农作物的合理布局、种植结构调整及病虫害防治等提出了新课题。

3. 1 对农作物的合理规划

辽宁省种植的农作物主要有玉米、水稻和小麦。10 ℃为喜温作物开始生长的温度，也是农作物种植最适宜的温度。10 ℃初日的提前将导致农作物提前播种，因此对种植作物及品种的适当调整，充分利用热量资源，提高农作物产量显得尤为重要。对于玉米作物的种植选择，生育期较长的品种且种植面积由西南向东北依次递减是未来玉米种植的发展趋势。总的来说，在辽宁省种植晚熟玉米是对热量资源合理利用和促进玉米高产的重要举措。对于水稻作物，低温是制约水稻生长的最重要因素，而热量资源的增加对水稻的生长起着正向推动作用，因此种植对热量需求较高的中晚熟和晚熟水稻从而提高单产是未来水稻生产的重要举措。对于小麦，辽宁省主要种植春小麦，界限温度的北移使春小麦种植范围扩大，初日的提前促使春小麦生长期提前，因此提前春小麦种植时间以提高产量成为辽宁省小麦生产的未来趋势。

3. 2 病虫害对农作物的影响

农作物病虫害的发生与流行取决于病源、寄生作物和环境条件，其中环境条件起着关键作用。孙连庆（1998）研究表明，冬季温度高会使农作物越冬病虫卵蛹死亡率降低、病菌菌丝存活数量增多，从而导致春夏季农作物病虫害大面积发生。俞学惠等（2009）对平罗县病虫害对农业生产的影响进行探究，结果表明，气候变暖导致叶螨兴盛，玉米年灾损失量达52.92万kg。辽宁省10 ℃持续期延长，气温升高，加快了病虫害生长、发育和繁殖的速度。冬季的缩短、界限温度北移，将导致病虫害在辽宁省内分布范围逐年扩大，使得农业病虫害越来越严重，而病虫害的发生导致农业生态环境遭受破坏，最终导致粮食减产，对辽宁省农业可持续发展起阻碍作用。

3. 3 对农业生态环境的影响

农业生态环境的改善既有利于农业可持续发展，又是农民增收和农村环境改善的必然选择。辽宁省农业生态环境分为3个主要类型区：辽东低山丘陵区、辽西山地丘陵区和中部平原区。由于气候变化导致农耕期天数和积温自西南向东北缩短，因此在未来辽宁省农作物种植过程中应主要以辽西山地丘陵区为核心，向中部平原区和辽东低山丘陵区扩展从而提高农作物产量。随着农业现代化战略的兴起，为提高农作物产量，防治病虫害，对农作物施加化肥和农药已成为普遍现象，化肥和农药的大范围使用对农业生态环境造成严重污染，因此未来需严格控制化学肥料的施用，合理使用化肥、农药增加农田承载力，同时确保粮食生产安全，以使农业生态环境可持续发展。

4 讨论

本研究表明，辽宁省10 ℃农业界限温度初日气候倾向率为-0.445 d/10年，终日气候倾向率为1.757 d/10年，持续天数气候倾向率为2.202 d/10年，积温气候倾向率为53.7 ℃·d/10年，表现为初日提前、终日延后、持续天数增加和积温增加，与赵冬艳和谷萍（2011）对大连地区、张黎（2016）对辽西地区的研究结果一致，但气候倾向率仍存在一定差异，可能是由于站点和资料年代不同导致。10 ℃界限温度初日提前、终日延后重新分割了喜温作物的活跃期，因此种植晚熟玉米、中晚熟和晚熟水稻及提前春种小麦是未来农作物种植的发展趋势。此外，辽宁省10 ℃农业界限温度在空间上呈初日由西南向东北推迟、终日由东北向西南延后、积温由西南向东北递减的趋势，与张运福等（2009）的研究结果一致。

基于全球气候变暖趋势下如何利用现有的气候资源，防治病虫害发生，进而提高农业产量是现阶段辽宁省农业生产应关注的重点问题。农业作为对气候变化反应最敏感的产业，对光照、温度和水资源等气候资源的合理利用是谋求某一区域最大生态效益的基础（肖风劲等，2006）。随着全球气候升温及热量资源的增加，晚熟品种对现今气候变化的适应性更强，更具有生态经济价值，有利于农业总产量提高。此外，加强病虫害防治，有针对性地制定区域防治策略也是需要解决的一个重点问题。气候变暖增加了农业病虫基数和越冬的可能性，因此，合理的防治措施对地方农业生态环境尤为重要。

5 结论

在时间上，辽宁省农业界限温度起始日期呈提前趋势，≥10 ℃终日期呈推迟趋势，≥10 ℃持续天数呈延长趋势，≥10 ℃积温呈增多趋势。在空间上，≥10 ℃初日自西南向东北推迟，且西部地区推迟趋势大于东部；≥10 ℃终日自东北向西南延后，其中以辽东半岛地区最显著；≥10 ℃积温自西南向东北递减，其中西部地区变化更明显。对于农业生态环境，未来辽宁省种植趋势应以辽西山地丘陵区为核心，向中部平原区和辽东低山丘陵区扩展；在农业生产过程中应合理使用化肥、农药，从而推动农业生态环境的可持续发展。

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（責任编辑 麻小燕）