南疆地区极端气候变化及其对农业生产的影响

摘要：选取南疆地区１８个代表站点１９６１－２０１１年气温与降水量原始数据，用百分位阈值法分析了近５１年南疆地区极高、低温和极端降水量变化趋势及其对农业生产的影响。结果表明，南疆地区近５１年极高、低温和极端降雨量均呈上升趋势，增幅分别为１．７℃、４．６℃和３．７ｍｍ，极高温增幅显著低于极低温增幅，所以温度年较差呈降低趋势（－２．８℃／５１年）。南疆地区极高温发生天数增加幅度为０．８ｄ／５１年；而极低温发生天数减少幅度为２．０ｄ／５１年；极端降水天数增加幅度为３．８ｄ／５１年。极端气候对南疆地区农业生产存在双重影响。极高温和极高温天数的升高导致农作物遭遇热害，生育期缩短，加剧南疆地区干旱情况；极低温的升高和极低温天数的减少有利于农作物顺利过冬和种植界限的扩展，但也会造成干旱、盐渍化的加剧及病虫草害的发生；极端降雨量和降雨天数的提高有利于缓解干旱，但农作物花期和成熟期降雨会导致坐果率和果实品质的下降。

　　关键词：南疆地区；极端温度；极端降雨；农业生产

　　全球气温普遍升高已是无可争辩的事实，联合国政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange；IPCC）第四次气候变化评价报告指出，过去50年温度每10年平均升高0.13℃（0.10～0.16℃），几乎是过去100年的2倍，1906-2005年与1850-1899年相比，温度升高了0.74℃（0.56-0.92℃）［1］，气候变暖对全球农业生产也造成了显著的影响［2］。在全球气温上升的背景下，中国西北部地区的年均温≥10℃积温呈明显上升趋势［3-9］，并对农业生产造成明显的影响［10-14］。随着新疆地区特色林果业及大田作物如棉花等的发展，农业产值在目前的新疆经济成分中所占的地位也越来越重。农业生产易受不同气候因子的影响，尤其是极端气候的影响非常显著，然而目前关于西北地区，尤其是新疆地区的气候特征研究主要集中在四季及年均温、年降雨［5-8，10］或特定地区［11-13］的气候变化方面，大范围的极端温度和降雨变化及其对农业生产的影响研究较少。本研究以南疆地区具有典型代表特征的18个地（市）1961-2011年51年来的日温度、降雨进行分析，在百分位阈值法的基础上分析了南疆地区51年来极端高温、极端低温和极端降雨以及各自天数的变化情况，讨论了极端气候对目前及未来农业生产可能造成的影响，以期为农业生产中针对极端气候应急措施的准备和预防提供理论基础和技术支持。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　所研究区域南疆地区是以南天山为界的新疆所辖地区。地处73°40′-93°44′E，35°40′-43°31′N之间，以塔里木盆地为中心，三面环山，地势西高东低，是干旱半干旱灌溉农业区，形成了“沙漠绿洲，灌溉农业”的景象。年平均气温为10.2~13.67℃，1月份平均气温为-5.9℃，7月份平均气温为25.4℃；极端最高气温40.7℃，极端最低气温-27.4℃。全年≥10℃积温为4535.6℃。年无霜期平均179~233d，年日照时数3262.7~3688.1h。生态环境较差，但是水土、光照资源丰富，为农业生产提供得天独厚的条件。

　　以南疆地区若羌为例，该县年总辐射量达1.48×106kJ/m2，光合有效辐射达7.37×105kJ/m2。果树生长季节平均日照时数达10h以上，年日照时数达3033h，4~9月累计日照时数达1733.6h，远高于一般制干品种1500h的要求。若羌县≥10℃的有效积温4983.7℃，远高于果树对温度的需求上限。从6月开始昼夜温差逐渐变大，8~10月中旬是1年中昼夜温差最大的时段，昼夜温差达17.5~18.2℃，最大昼夜温差达27.8℃。昼夜温差在15℃以上的天数为81d，气温日较差在20℃的天数为39d，为全国绝无仅有，无霜期达到215d。南疆主要特色林果业产区5~9月，特别是后期较大的昼夜温差，有利于干物质和糖分的积累。

　　1.2研究方法

　　采用南疆地区1961-2011年气温与降水量日基本资料，选取了阿克苏市、和田市、喀什地区、库车县、若羌县、莎车县、阿拉尔市、巴楚县、拜城县、库尔勒市、轮台县、民丰县、皮山县、且末县、塔什库尔干县、乌恰县、焉耆县、于田县等18个气象站点的极端气温和极端降水量资料，运用统计学方法分析近51年极端气候事件变化趋势。

　　对于气候变化极端极值问题，专家学者多采用某个百分位值作为极端值的阈值，超过该阈值的就是极值，被认为是极端气候事件。极端温度的确定采用与马柱国等［4］研究我国北方极端温度的方法，将极端温度定义为：Tcmax=Tmjuly+Amax；Tcmin=Tmjan+Amin。

　　式中，Tcmax为最高温度的临界值，Tmjuly为7月51年的月平均气温，是最高温度波幅的修正值；Tcmin是最低温度的临界值，Tmjan代表1月51年的月平均气温，相应的是最低温度波幅的修正值，在不同地区，Amax与Amin取值不同，由于南疆地区地处北纬35°N以上，所以取值如下：

　　■max=4.5℃lat≥35°N3.0℃lat＜３５°Ｎ

　　■min=-5.0℃lat≥35°N-3.5℃lat<35°N

　　式中，lat表示纬度，凡大于Tcmax的日均温就认为是极端气温，小于Tcmin的值是极端低温。

　　关于极端降水量的定义，由于南疆地区冬季降水量几乎为0，具体是把1961-2011年集中降水月份（5~9月）有降水量记录的100天序列的第99个百分位阈值的51年平均值定义为极端降水量的阈值，当某站某日降水量超过极端降水阈值时，就是极端降水事件。

　　2结果与分析

　　2.1极端现象趋势分析

　　2.1.1极端气温及极端气温天数变化趋势分析根据百分位阈值法对南疆地区18个站点近51年日温进行整理分析，得出南疆地区极端高温与低温。由图1南疆地区极高温与极低温时间序列图的斜率可以看出，极高温变化趋势比极低温变化趋势稍显缓和，近51年极高温略呈升高趋势，平均变化率为1.7℃/51年，极低温呈明显升高趋势，平均变化率为4.6℃/51年。因此近51年南疆地区温度年较差的变化呈明显现下降趋势，平均变化率为-2.8℃/51年。年较差波动较大年份集中在1982-1991年10年间，最大值出现在1988年，其最高日气温与最低日气温相差49.03℃。1992年之后年较差相对集中，趋于平缓，极高温与极低温之间差距渐小，这与极高温逐年下降，极低温逐年上升的趋势是一致的。对南疆地区18个站点的日气温进行阈值分析，采用第99个百分位阈值的平均值作为极端气温事件，得出南疆地区极端气温天数。

　　由南疆地区近51年极端温度线性变化的天数和斜率（图2）可以看出，极端最高温发生频率为正值，表明南疆地区极高温发生的天数有所增加，平均增加率为0.8d/51年。相反极端最低温发生频率为负值，也就是说极端最低温出现的天数有所减少，减少的频率为2d/51年。

　　2.1.2极端降水量及极端降雨天数变化趋势分析由于南疆地区春秋冬季降水几乎为0，故对51年南疆地区18个站点集中降水月份（5-9月）降水量按升序排列，排列数据包括所有降水天数在内的100个降水值，采用第99个百分位阈值作为降水事件阈值，代表每年极端降水量。对1961-2011年近51年内极端降水进行分析，得出极端降水变化趋势（图3）。从图中可以看出，近51年极端降水总体呈波动上升趋势，上升幅度达到3.7mm。极端降水最高年份发生在1975年，极端降水量达到29.6mm，这对南疆地区来讲是极为少见的。极端降水量的增加使得南疆地区有暖干气候向暖湿气候变化，近年来沙尘天气也有所减少。

　　由图3可知，极端降水量的天数在南疆地区有所增加，具体增加的天数大约为3.8d/51年，根据分析主要降水贡献季节是夏季，夏季降水天数的增加促成了南疆地区年降水量的提高，其中以阿克苏地区以及阿拉尔市的降水量最为明显。

　　2.2极端气候对农业生产的响应

　　2.2.1极端气候对南疆地区特色林果业的影响近年来，南疆地区特色林果业发展迅速，在新疆经济产业体系中所占地位也越来越重。林果业生产受气候因子的影响较大，尤其是极端气候的发生对林果业的生产具有较为显著的影响。不同物候期对温度及降水的需求不同，作物各生育期温度和降雨量对果树产量和果实品质均有显著影响。

　　在红枣等林果业盛花期以及果实膨大成熟期，虽然较高温度的出现以及较长的高温持续期有利于果树的开花授粉、干物质积累以及糖分转运，但是极高温的发生容易导致果树遭遇高温胁迫产生热害并限制作物的生长，加快生育进程，缩短生育期［19］，有可能抵消了年均温和≥10℃积温上升条件下作物生育期延长的效果［6，10，11，15］，尤其是在近51年来南疆地区极端高温略有升高，高温天数增加的背景下，极高温会增进高温对作物光合系统的负面影响，降低干物质积累和产量。极高温的发生和持续会加大日蒸发量，影响果树叶面蒸腾作用。南疆地区由于高温缺水，极高温发生时叶面喷肥的稀释作用不明显，果叶吸收后对叶面造成破坏，容易引发果叶干黄枯萎。并且极端高温及高温天数的增加会提高土壤表层水分蒸发和作物水分蒸腾作用，进一步加剧南疆地区的干旱，增加沙漠化和沙尘暴的发生概率［15-18］。未来的农业生产中应以加强抗高温品种的选育和推广，综合肥水管理调控技术以减轻未来高温天气对农业生产的危害。

　　在南疆地区，极端低温导致的枣树等果树的冻害状况较为严重，枣树等果树根系比较浅，冬季极端气温对根系产生严重冻害，开春浇水时树根瞬间解冻，造成树根死亡。前季肥水管理不当，特别是氮肥施用过晚会导致枝条旺长、成熟晚而易遭受冻害和寒害。目前南疆地区多数果树采用的是膜下滴灌，肥水分布在地表，由于根系的趋水趋肥特性，使得根系分布主要在0~30cm深度，正好处于冬季冻土层中，极易造成冻害。冬季极端低温持续时间过长，则会引起更严重的冻害。近51年年来，南疆地区极端低温呈上升趋势并且极端低温天数呈现下降趋势，有利于该地区果树的顺利过冬，减少冻害、寒害［6，11］。冬季极端低温的升高和极端低温天数的下降，有利于农作物的种植和多熟制度的界限向高纬度和高海拔地区扩展［6，10，11，14］，从而提高复种指数，增加经济效益。但由于该地区冬季降水偏少，极端低温升高加速水分挥发，也会加剧干旱和盐渍化趋势和增大干旱面积［7］。冬季温度上升，有利于病虫草的顺利过冬，加重来年作物的病虫草害［6，7，11］，造成减产和品质下降。在未来的农业生产中，可以尝试向高纬度和高海拔地区推广现有种植植物类型和种植模式，以期扩大果树种植面积，提高果树产量；另外应大力培育和推广深根系、抗病虫害较强的作物类型和品种，减缓冻害和病虫害，以求农产品高产、优质。

　　极端降水也会对林果业的生产产生影响，主要是极端降水量发生的时间及降水程度。降水有利于作物的生长以及作物根系对养分的吸收，且降雨量和降雨天数的增加提高了土壤和空气水分含量，有利于缓解干旱发生［20］，促进南疆地区由暖干气候向暖湿气候变化，并减少沙尘天气的发生。但在盛花期大量降水会影响授粉，降低果实坐果率；发生在果实成熟期的大量降水也会引起病虫害的发生，比如果实成熟期极端降水的发生会导致枣树发生黑头病并造成果实腐烂［21，22］。近年来，极端降水的增加也对沙土地的水土流失起到了一定的促进作用［23］。未来的农业生产中应针对各地降水规律，在作物的不同生育时期制定适宜的预防和治理措施，以期避免极端降水对农业生产造成的损害。

　　2.2.2极端气候对南疆地区大田作物的影响极端气候的发生也对大田作物诸如小麦、棉花、玉米、水稻等的生产造成影响。极高温同样会缩短大田作物的生育期，降低干物质积累和产量，比如小麦生育后期极端高温对小麦的催熟作用，不利于子粒的灌浆和高产的形成。极低温的升高和极低温天数的降低有利于越冬作物如冬小麦等的越冬，但冬季温度上升也同样会导致冬小麦冬前群体过大，易受寒害和冻害的影响；冬季极低温升高和极低温天数降低有利于大田作物种植界限的北移，有利于扩大诸如棉花等喜温作物的种植面积，提高南疆地区的棉花产量。极端降雨的发生虽然会缓解干旱和促进作物根系对养分吸收，但同样也会导致谷物作物发生倒伏［24］，不利于机械收割和产量提高。在棉花生育期内，降水过多会造成棉花蕾铃脱落和烂铃，并对棉花品质产生较大影响，导致棉花品质降低［25，26］。