格爾木地區氣候資源變化特征及對農業生產的影響

雷玉紅 王發科 侯岳 許學蓮 梁志勇 顏亮東

摘要：利用柴達木盆地格爾木及小灶火2個氣象臺（站）1961—2015年氣溫、積溫、日照及降水等主要農業氣象資料，結合青海省氣象臺2 km×2 km格點化的非站點資料，應用氣候傾向率、氣候趨勢系數等數理統計方法對格爾木地區的光、熱、水等主要氣候資源的變化特征及其對農業生產的影響進行分析。結果表明，55年來格爾木地區年降水量呈波動略增多趨勢，年平均氣溫和≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃年積溫呈顯著的增加趨勢，而年日照時數整體呈明顯的減少趨勢。對農業而言，氣候變化使格爾木地區農作物生長季延長，區域內宜農地海拔高度上升，農作物種植面積擴大，有利于農業種植結構調整，有利于區域內蔬菜、經濟類等作物大面積種植或推廣。這對實時開展格爾木地區農業結構調整，合理利用氣候資源，減輕和避免不利氣候條件的影響，促進農牧業可持續發展具有一定的指導意義。

關鍵詞：農業氣候資源;變化特征;農業生產影響;格爾木地區

中圖分類號： S162.3? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0221-07

收稿日期：2020-12-22

基金項目：國家自然科學基金（編號：41765008 ）;浙江省氣象局一般項目（編號：2019YB21）。

作者簡介：雷玉紅（1976—）女，青海西寧人，高級工程師，主要從事農業氣象與生態環境方向研究。E-mail：284134262@qq.com。

通信作者：顏亮東，正高級工程師，主要從事農業氣候資源方向研究。 E-mail：314844226@qq.com。

農業氣候資源是指一個地區氣候對農業生產所能提供的自然物質和自然能量，它主要包括作物生長發育所必需的光、熱、水等資源，在數量、程度上決定一個地區農業生產結構和布局、作物種類和品種、種植方式和栽培管理措施等，最終體現為氣候條件對農業生產發展的潛在能力[1]。農業氣候資源在地理分布上具有不平衡性，而對一定地區來說又具有相對穩定性和有限性，在時間上具有季節性和年際變異性[2]。氣候變化對農業影響的最直接表現就是在對農業氣候資源的影響方面[3]。

格爾木地區位于青藏高原東北部，地處 91°25′～95°12′E、35°10′～37°45′N之間，總面積約8.1萬km2，海拔2 780～3 200 m，擁有3個副縣級行政委員會，共有5個街道、2個鎮、2個鄉。由于海拔高度差異較大，造成不同地區的氣候差異明顯，其中大格勒鄉、郭勒木德鎮和烏圖美仁鄉以綠洲農業種植為主，牧業為輔，唐古拉山鎮為純牧業區。格爾木地區屬高原大陸性氣候，氣候干燥、日照時間長、晝夜溫差大，光熱條件有利于農作物生長發育和有機物質的積累，主要種植春小麥、油菜、青稞、馬鈴薯、豆類、枸杞等農作物[4]。隨著氣候變暖，區域內農作物生長季延長，春小麥等農作物播種期提前，農作物種植區域自東向西由高經度向低經度地區延伸，農作物播種總面積擴大幅度達32%[5-6]。尤其對枸杞的種植影響很大，種植面積由2011年的2 560 hm2擴大到2017年的5 800 hm2。因此，研究氣候變化背景下格爾木地區氣候資源變化特征及對農業生產影響，對實時開展當地農業結構調整、合理利用氣候資源優勢、減輕和避免不利氣候條件的影響、促進農業可持續發展具有一定的指導意義。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料來源于1961—2015年格爾木市氣象臺及小灶火氣象站日照時數、積溫、氣溫及降水量等主要農業氣象資料，氣候基準值采用青海省氣候中心整編的《青海省1981年01月至2010年12月氣候整編》資料;不同海拔高度非站點氣候資源資料，采用青海省氣象臺2 km×2 km格點化的資料;農業產量、面積等來源于2008—2018年《青海省統計年鑒》;牧草產量資料來源于清水河生態監測站點2003—2015年測定的各年最高月產量（7月底）數據;以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

1.2 方法

本研究主要引入氣候傾向率和氣候趨勢系數判別分析時間序列的趨勢變化。

1.2.1 氣候傾向率

對序列的趨勢變化用一次線性方程表示，如式（1）所示。

y（t）=a0+a1t。（1）

式中：y（t）為農業氣象要素;t為時間;a0為常數項，a1為線性趨勢項，把a1×10作為農業氣象要素氣候傾向率。a1<0表示在計算時段內呈下降趨勢，a1>0 表示呈上升趨勢，a1絕對值的大小可以度量其演變趨勢上升、下降的程度。

1.2.2 氣候趨勢系數

n個時刻的氣候要素序列與自然數列{1，2，3，…，n}的相關系數，如式（2）所示。

r=∑ni=1（xi-x）（i-t）∑ni=1（xi-x）2∑ni=1（i-t）2。（2）

式中：r為氣候要素序列趨勢相關系數，可以使用通常的相關系數統計檢驗方法，檢驗氣候趨勢是否顯著r0.01=0.339，相關系數檢驗臨界值。n為年數（本研究n=55年）;xi為第i年的氣候要素值;x 為氣候要素平均值;t-（n+1）/2，r值為正（負）時表示該要素在所計算的n年內有增加（減少）的趨勢。

2 結果與分析

2.1 熱量資源變化特征

2.1.1 氣溫

由圖1可知，1961—2015年格爾木種植區年平均氣溫為4.7 ℃，年平均最低值出現在1967年，只有2.7 ℃，最高值出現在2006年，達到6.7 ℃。1997年是一個節點，1961—1996年的36年里只有3年平均氣溫高于5 ℃，其余年份均低于5 ℃，1997—2015年年平均氣溫均高于5.2 ℃，這說明1997年之前為冷期階段，1997年之后處在暖期階段。從圖1可以看出，年代平均氣溫曲線呈上升趨勢，且21世紀10年代增加最大，表明氣溫顯著升高，這種持續性的變化還可以診斷出氣溫發生突變的大致時間在20世紀90年代，與1997—2015年年平均氣溫均高于5.2 ℃相對應，說明1997年格爾木種植區年平均氣溫發生了突變。

格爾木種植區平均氣溫年際變化呈升高趨勢，傾向率為0.58 ℃/10年，明顯高于全省0.25 ℃/10年的氣溫平均傾向率[7-8]，通過0.01的顯著檢驗。分析其年代變化，平均氣溫呈階梯式上升趨勢，階段變化明顯，20世紀60年代升溫幅度最小，70年代至80年代初期升溫幅度較緩慢，20世紀80年代后期至21世紀以來升溫明顯，21世紀以來較60年代年平均氣溫升高2.1 ℃。

由表1可知，格爾木種植區2站年平均氣溫均呈升高趨勢，傾向率為0.59～0.64 ℃/10年，增溫明顯，均通過0.01的顯著檢驗。進一步分析四季平均氣溫變化，2站春季傾向率為0.55～0.59 ℃/10年，夏季傾向率為0.044～0.048 ℃/10年，秋季傾向率為0.64～0.68 ℃/10年，冬季傾向率為0.68～0.80 ℃/10年，其中冬季增溫幅度最明顯，秋季次之，夏季最小，四季均通過0.01的顯著檢驗。

2.1.2 積溫

由圖2可以看出，≥0 ℃ 年積溫在2 159.4～2 950.3 ℃·d之間，多年平均積溫為 2 597.9 ℃·d，積溫年際變化呈增加趨勢，平均每10年增加125.6 ℃·d;小灶火、格爾木≥0 ℃積溫平均每10年分別增加141.7、109.6 ℃·d，均通過0.01顯著檢驗?！? ℃年積溫在2 022.5～2 846.2 ℃·d 之間，多年平均積溫為2 443.5 ℃·d，積溫年際變化呈增加趨勢，平均每10年增加137.6 ℃。

小灶火、格爾木≥5 ℃積溫平均每10年分別增加164.1、111.1 ℃·d，均通過0.01顯著性檢驗?！?0 ℃ 年積溫在1 568.5～2 521.0 ℃·d之間，多年平均積溫為2 018.0 ℃·d，積溫年際變化也呈現增加的趨勢，平均每10年增加167.8 ℃·d，小灶火、格爾木≥10 ℃積溫平均每10年分別增加157.6、178.1 ℃·d，均通過0.01顯著檢驗。分析其年代變化可知，≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃的年積溫，在20世紀60年代增加不明顯，70—80年代增加比較緩慢，90年代以來增加明顯。21世紀以來與20世紀60年代相比年積溫分別增加569.1、604.2、416.3 ℃·d。

2.2 降水資源變化

格爾木地區屬于極干旱區，土地含鹽堿度較高，農業屬于灌溉農業。由圖3可知，近55年來降水量年際變化呈波動略增多趨勢，增多傾向率為1.7 mm/10年。降水主要集中在夏季的6—8月，占全年降水量的80%。20世紀60年代至80年代中期、90年代為少雨期，20世紀80年代末期、21世紀以來為多雨期，21世紀以來與20世紀60年代相比年降水量增加5.7 mm。

由表2和表3可知，春季平均降水量為 5.9 mm，占全年降水量的16%，最小的年份為 0.2 mm，最多的年份19.9 mm，50%以上的年份降水量在5.0 mm以上。夏季平均降水量 23.1 mm，占全年降水量的65%，最少年份為 3.8 mm，最多年份達46.5 mm，均出現在20世紀60年代。秋季降水量相比春夏季要偏少一些，秋季平均降水量為5.3 mm，占全年降水的15%，最少年份只有 0.0 mm，最多年份達22.1 mm，降水天氣較少有利于農作物成熟收獲及柴達木枸杞的采摘。冬季平均降水量為1.4 mm，占全年降水的4%，冬季降水少，故本地區作物秋季收獲后要進行冬灌，確保來年農作物播種及發芽等?？傊?，夏季降水量增多較為明顯，傾向率為0.8 mm/10年，春季次之，秋季和冬季增加不明顯，傾向率分別為0.5 mm/10年、0.3 mm/10年，季節變化均未通過0.01顯著性檢驗。

2.3 光照資源變化特征

日照時間是衡量一個地區光能資源的主要技術指標[9]。從圖4可以看出，1961—2015年格爾木種植區年實際日照時數整體呈減少趨勢，減少傾向率為-26.3 h/10年， 通過0.01顯著性檢驗。年平均實際日照時數為3 143.8 h，最多平均實際日照時數為3 309.2 h（1990年），最少平均實際日照時數為2 924.9 h（2008年）。其年實際日照時數整體呈減少的趨勢，主要是由于降水波動式增加[10]，云量增多，導致實際日照時數減少;而夜間云量的增加，阻礙了地面長波輻射，減緩了地面熱量的散失，導致該地區年實際日照時數雖然減少，但年平均氣溫顯著升高。實際上高原年平均氣溫較低，熱量條件較差;同時，氣溫年較差較小，日較差較大，主要原因是海拔較高，大氣層薄，白天通過吸收太陽直接輻射升溫快，夜間通過長波輻射，降溫也快，尤其是大氣層較薄的情況下，長波輻射導致的降溫效果較同緯度的內陸地區明顯;而云量增加能夠使較多的長波輻射反射回地面，減緩夜間的降溫。

分析其年代變化，20世紀60年代至90年代末期，日照時數呈略偏多趨勢，21世紀以來日照時數呈持續偏少趨勢。格爾木種植區四季平均日照時數均呈減少趨勢，2站春季傾向率為-7.7～6.2 h/10年，夏季傾向率為-17.4～-7.9 h/10年，秋季傾向率為-9.5～-5.1 h/10年，冬季傾向率為-6.6～-4.7 h/10年，其中夏季減少較為明顯，秋季次之，春季減少最小，夏季、秋季通過0.01顯著性檢驗（表4）。

2.4 格爾木地區農業氣候資源變化對農業生產的影響分析

2.4.1 農業氣候資源與農業生產的關系

氣候對農業生產的影響包括單個氣候要素影響和綜合氣候要素影響2個方面，單個氣候因素主要影響一個地區的耕作制度及種植作物種類，從熱量條件來說，≥0 ℃的年積溫大于3 000 ℃·d的地區可種植冬小麥，≥0 ℃的年積溫小于1 500 ℃·d的地區只能從事畜牧業等;綜合氣候要素主要影響一個地區農業生產的產量和質量，如“風調雨順”就是各氣候要素綜合配置較好的一種形象比喻[11]。各氣候要素在適宜范圍內，相互間的組合狀況和匹配程度隨著各氣候要素數量的增加而變好，相應地，有利于農業生產及其發展，如溫度升高、降水量增加等;某一氣候要素的數量超出一定的域值范圍，就會造成農業氣象災害（如溫度過高超出作物生育適宜范圍，造成高溫危害;溫度過低會造成低溫冷害、霜凍，持續無降水造成干旱等），各氣候要素之間的組合狀況和匹配程度就會變差，從而限制農業生產的數量和質量[12-13]。從格爾木地區各地的單個氣候要素和綜合氣候要素的變化來看，均朝適宜方向發展，其資源的變化對農牧業生產是有利的。

2.4.2 格爾木地區農業氣候資源變化對農業生產的影響分析

分析青海省主要州（市）與格爾木地區的多年年平均氣溫、年降水量和年日照時數、太陽輻射等主要氣候資源，格爾木地區3個綠洲農業區的氣溫在4.4～5.8 ℃之間，雖然沒有東部湟水流域和黃河谷地高，但明顯高于青南和環湖牧業區，熱量條件滿足不了冬小麥的種植，但基本滿足春小麥、蠶豆、豌豆等糧油作物及枸杞、藜麥等特色經濟作物種植的需求，因此，氣溫升高、積溫增多對農業生產有利;降水在該地區十分稀少，農業生產主要靠灌溉，屬于綠洲農業，但降水增多的趨勢對農業生產也是有利的;日照和輻射雖然減少，但依然是全省最多的，年日照時數在3 000 h以上，較東部同緯度的黃土高原、華北平原多400～700 h，太陽輻射量最大，總輻射量在700 kJ/cm2以上，在全國僅次于西藏，光能資源豐富，對農作物的增產具有很重要的作用（圖5）。

王江山等通過用光、熱、水等氣候要素對農業生產的影響，建立農業生態氣候系統的模糊動態模型，進而對青海省的農業氣候資源進行詳細的分類和評價。該方法根據青海省各地1年中氣溫高低起伏、降水量與時間分配、日照長短變化等諸多氣候要素因子組合狀況與匹配程度，計算出資源指數、效能指數、利用系數，將青海省的農業氣候資源綜合劃分為7個類型（圖6）[14]。格爾木地區的大格勒鄉、郭勒木德鎮和烏圖美仁鄉3個綠洲農業種植區屬于第Ⅰ類柴達木盆地中西部型，該地區降水奇少，最多的月份也不超過50 mm，在天然條件下，農業生物不能生長，但在灌溉條件下，可以利用光照資源豐富的優勢，大力發展農業生產;唐古拉山牧業區屬于第Ⅲ類青南高原北部型，海拔高、氣候寒冷、風雪災害多，加之土層薄而質地粗，沒有種植業條件，生態十分脆弱，以飼養藏系牦牛、綿羊的畜牧業生產為主。

溫度升高，有效積溫增多，熱量資源增加，農作物生長季延長，區域內宜農地海拔高度上升，農作物種植面積擴大，有利于農業種植結構調整，有利于區域內蔬菜、經濟類等作物大面積種植或推廣。根據2018年《青海省統計年鑒》，柴達木盆地耕地面積由2008年的3.49萬hm2增加到2018年的6.10萬hm2[15-16]，格爾木地區耕地面積由2008年的0.37萬hm2增加到2018年的0.81萬hm2。20世紀90年代以前，柴達木盆地南緣主要種植小麥、青稞、油菜、蔬菜等，21世紀以來農作物種植結構發生了明顯的變化，糧食、油料作物種植比例減少，設施農業及枸杞、藜麥等特色農作物大面積擴大;盆地藜麥種植從無到有，目前達到0.33萬hm2，格爾木地區增加0.13萬hm2;尤其是枸杞種植面積，柴達木盆地由2008年的0.39萬hm2增加到2018年的3.44萬hm2，格爾木地區由2008年的 0.13萬hm2 擴大到2018年的0.70萬hm2。熱量資源增加，一方面農作物生長季延長;另一方面通過合理調整和優化農業產業結構，大力推廣和發展高原設施農業、生態農業、特色農業，有效地提高了農業生產力，從而使農作物產量增加，農業產值增大。因此，研究氣候變化背景下，格爾木地區氣候資源變化特征及其對農業生產的影響，對實時開展當地農業結構調整，合理利用氣候資源優勢，減輕和避免不利氣候條件的影響，促進農業可持續發展具有一定的指導意義[17]。

降水量明顯增加，氣候逐漸向暖濕化方向發展，對畜牧業影響明顯;由于柴達木盆地整體氣候極其干旱，水分是限制植被生長發育的主要因子，降水量增加有利于該地區植被生長發育。研究表明，植被歸一化植被指數（NDVI）與年降水量呈顯著的正相關關系，與蒸發量呈顯著的負相關關系[18]，隨著年代變化，植被覆蓋度增加，尤其是進入21世紀以來，盆地四周高寒草原類草場牧草產量明顯增加，盆地中部出現了微溫微干和微溫微潤的植被類型，適宜于牧業生產的高寒草原、溫性荒漠和低地草原類面積擴大。圖7是牧業區清水河站歷年牧草產量變化圖，由于牧草產量逐年增加，飼養牲畜數量也逐年增加，大牲畜年末存欄數由2008年的19.2萬頭（只）增加到2018年的23.2萬頭（只），羊存欄數由2008年的197.2萬只增加到2018年的283.3萬只，表明氣候變化有利于畜牧業生產的發展。因此，在保持生態平衡的前提下，充分利用氣候資源規律，調整產業結構，適當擴大畜牧業生產規模，在天然牧草產量有限的情況下，充分發揮西部牧區繁育仔畜，東部利用飼草豐富的優勢，推廣西繁東育措施，可進一步提高當地經濟生產總值和牧戶的經濟收入。

3 結論與討論

55年來，格爾木地區年降水量呈波動略增多趨勢，年平均氣溫和≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃年積溫呈顯著增加趨勢，而年日照時數整體呈明顯的減少趨勢。

氣溫升高、積溫增多，降水增加，尤其是4—9月生長季的增加趨勢對農業生產是有利的;日照和輻射雖然減少，但依然是全省最多的，較東部同緯度的黃土高原、華北平原多400～700 h，太陽輻射量最大，總輻射量在700 kJ/cm2以上，豐富的光能資源，對農作物的增產有很重要的作用。從格爾木地區各地的單個氣候要素和綜合氣候要素的變化來看，均朝適宜方向發展，其資源的變化對農牧業生產是有利的。

在青海省農業氣候資源類型中，格爾木地區屬于第Ⅰ類柴達木盆地中西部型，該地區降水稀少，最多的月份也未超過50 mm，在天然條件下，農業生物不能生長，但在具備灌溉條件的綠洲農業區，氣候變化背景下農業生產具有較大的生產潛力。

對農業而言，氣候變化使格爾木地區農作物生長季延長，區域內宜農地海拔高度上升，農作物種植面積擴大，有利于農業種植結構調整，有利于區域內蔬菜、經濟類作物大面積種植或推廣;在充分利用地下水資源的情況下，利用光熱條件較好的優勢，進一步發展春小麥、藜麥、枸杞、蠶豆等片狀帶綠洲農業，可成為青海省農作物種植的另一個基地。

對畜牧業而言，降水量增加有利于該地區植被生長發育，隨著年代變化，植被覆蓋度增加，適宜于牧業生產的高寒草原、溫性荒漠和低地草原類面積增加，飼養牲畜數量也逐年增加。因此，在保持生態平衡的前提下，充分利用氣候資源規律，調整產業結構，適當擴大畜牧業生產規模，采取西繁東育等措施，可進一步提高當地經濟生產總值和牧戶的經濟收入。但由于海拔高、氣候寒冷、風雪災害多，加之土層薄且質地粗，生態十分脆弱，在發展畜牧業的同時，要重視生態環境的保護與治理。

種植業結構調整上，穩定糧食生產，加強管理和種植枸杞、藜麥、麻黃、沙棘、紅柳等耐旱植物，在保護和治理生態環境的同時，大力實施高產優質高效糧食和綠色食品蔬菜開發，提高農業生產的經濟效益和農民的經濟收入。

參考文獻：

[1]王春娟，楊婷婷. 陜西寶雞市近50年農業氣候資源特征分析[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2012，40（11）：53-58.

[2]黃先鋒，王勝蘭，趙開軍. 1961—2008年新疆奎屯墾區農業氣候資源變化分析[J]. 沙漠與綠洲氣象，2010，4（2）：54-58

[3]朱 敏，袁建輝. 1961—2010年江蘇省農業氣候資源演變特征[J]. 氣象與環境學報，2013，29（3）：69-77.

[4]韓廷芳，祁棟林，陳宏松，等. 柴達木盆地降水的時空分布特征[J]. 沙漠與綠洲氣象，2019，13（2）：69-75.

[5]王發科，茍日多杰. 氣候變暖對柴達木盆地農作物種植結構的影響[J]. 安徽農業科學，2015，43（27）：181-184.

[6]王發科，都占良，雷玉紅，等. 柴達木盆地南緣農業氣候資源變化特征分析[J]. 中國農學通報，2019，35（23）：91-96.

[7]李林，申紅艷，李紅梅，等. 柴達木盆地氣候變化的區域顯著性及其成因研究[J]. 自然資源學報，2015，33（4）：641-650.

[8]汪青春，張國勝，李 林，等. 柴達木盆地近40a氣候變化及其對農業影響的研究[J]. 干旱氣象，2004，22（4）：29-33.

[9]艾力夏提·阿不力米提，巴哈古力·買買提，張仕明，等. 1961—2016年新疆輪臺縣農業氣候資源變化特征分析[J]. 江西農業，2018（4）：49-52，59.

[10]曹 瑜，游慶龍，馬茜蓉. 青藏高原中東部夏季極端降水年代際變化特征[J]. 氣象科學，2019，39（4）：437-445

[11]顧恒岳，艾南山. 農業氣候系統及其動態模擬[J]. 大自然探索，1984，3（1）：43-56.

[12]馮定原. 農業氣象預報和情報方法[M]. 北京：氣象出版社，1988.

[13]嚴政德，王毅武. 青海百科大辭典[M]. 北京：中國財政經濟出版社，1994.

[14]王江山，顏亮東，李鳳霞，等. 青海省農業生態氣候資源的量化分析和分類評價[J]. 氣象科學，2003，23（1）：78-83.

[15]青海省統計局，國家統計局青海調查總隊. 2018年青海省統計年鑒[M]. 北京：中國統計出版社，2019.

[16]青海省統計局，國家統計局青海調查總隊. 2008年青海省統計年鑒[M]. 北京：中國統計出版社，2009.

[17]張謀草，張俊林，趙玉娟，等. 溫度變化對隴東地區玉米不同器官生長率和產量的影響[J]. 江蘇農業科學，2020，48（13）：84-90.

[18]李紅梅. 柴達木盆地氣候變化對植被的影響分析[J]. 草業學報，2018，27（3）：13-23.