在全球气候变暖背景下, 农业因其生态系统的脆弱性受到较大影响^[1]。气候变化对农业生产的影响首先表现在对农业气候资源的数量和配置上, 进而对农业生产过程的影响, 随之农业多样性^[2]、作物物候期^[3]、种植制度^[4]、布局^[5]、品种^[6]、 病虫害发生^[7]、气象灾害^[8]及产量和品质^[9]等也发生了改变。宁夏地区气候变化也已经对粮食作物^[10-12]和经济作物^[13-18]的品质、产量、水分利用、气候资源利用与开发、灾害风险等方面产生了深远影响。

宁夏独特的气候条件造就了枸杞(Lycium barbarum L.)的高端品质和道地中药材优势, 目前已形成“一核两带”的发展格局。党的二十大报告指出, 高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务, 宁夏回族自治区第十三次党代会把枸杞产业定为“六特”重点产业之一, 提出深入实施特色农业提质计划, 把“枸杞之乡”品牌擦得更靓。关于气候变化对宁夏枸杞的影响已有一些研究, 如枸杞生长季的气候变化特征^[13], 枸杞品质对气候变化的响应, CO₂浓度升高对枸杞果实发育的影响^[19]等。但是对枸杞精细化的农业气候资源分析比较少, 对气候变化导致枸杞发育进程和主要农业气象灾害的发生趋势影响也没有深入分析。本文选取宁夏枸杞主产区10个国家气象监测站观测资料, 包括7个两季产区的惠农、平罗、银川、中卫、中宁、同心、盐池气象站, 以及3个一季产区的兴仁、海原和固原气象站, 研究1961—2021年枸杞生育期间的主要气象因子对气候变化的响应趋势, 分析气候变化背景下枸杞发育进程和主要农业气象灾害的变化趋势, 以期为决策部门合理利用农业气候资源和主动应对农业气象灾害提供依据, 并为气象部门开展高效的枸杞气象预测业务服务及科学研究提供支撑。

1.   材料与方法

1.1   研究区域概况

宁夏回族自治区位于中国西北地区东部(35°14′~39°23′N, 104°14′~107°39′E), 东邻陕西, 西、北接内蒙古, 南连甘肃, 总面积6.64万km^2[13]。宁夏处于黄土高原、蒙古高原和青藏高原的交汇带, 大陆性气候十分典型。在我国气候区划中, 固原南部属于中温带半湿润区, 原州区以北至盐池、同心属于中温带半干旱区, 引黄灌区属于中温带干旱区。基本气候特点是干旱少雨、风沙大、日照充足、蒸发强烈、冬寒长、春暖快、夏热短、秋凉早, 气温年较差、日较差大, 无霜期短而多变, 干旱、冰雹、大风、霜冻、局地性暴雨洪涝等天气灾害较为频繁。

根据宁夏枸杞气候适宜性种植区划^[20], 惠农、平罗、银川(三区两县)、青铜峡、利通区北部、中宁县属于适宜种植区, 其他可种植区大部分属于次适宜种植区。根据枸杞产区热量资源和生产实际, 兴仁、海原和原州区的枸杞属于一季生产, 没有夏季休眠和秋果期, 其他地区均可实现两季生产。对枸杞生长发育影响较大的气象灾害有干旱、冰雹、大风、霜冻、高温和阴雨寡照等。

1.2   数据来源

选取宁夏枸杞两季产区的惠农、平罗、银川、中卫、中宁、同心、盐池气象站, 一季产区的兴仁、海原和固原气象站1961—2021年逐日气象资料, 包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、降水量、日照时数。数据均来源于宁夏气象信息中心, 已通过数据质量控制。

1.3   枸杞生长季气候资源变化分析

1.3.1   枸杞生长季的确定

气候变化对枸杞生育进程的影响较为显著, 枸杞生长季提前并延长, 近61年来枸杞芽开放期最早能提前到4月上旬, 秋果成熟期最迟能延长到10月中下旬, 因此以4—10月为枸杞生长季。

1.3.2   活动积温计算

采用5日滑动日平均气温稳定通过界限温度的起止日期来计算。

1.3.3   气候倾向率

用$ {x}_{i} $表示样本量为n的某一气候变量, 用$ {t}_{i} $表示$ {x}_{i} $对应的年份, 建立$ {x}_{i} $与$ {t}_{i} $之间的一元线性回归方程^[15]:

式中: a为回归常数, b为回归系数, a和b可用最小二乘法进行估算, b的10倍表示气候倾斜率。

1.3.4   M-K检验法

M-K检验法(Mann-Kendall检验法)^[21]是一种非参数方法, 优点是不需要样本遵从一定的分布, 也不受少数异常值的干扰, 更适用于类型变量和顺序变量, 可以明确突变点的开始时间和突变区域。采用M-K检验法检测气候要素的突变点, 给出显著性水平, α=0.05 ($ {u}_{0.05}=\pm 1.96 $), α=0.001 ($ {u}_{0.001}=\pm 2.56 $)。若UF>0表示序列呈上升趋势, UF<0表示呈下降趋势, 当它们超过临界值线时, 表明上升或下降趋势显著。

1.3.5   枸杞发育期的光温积计算

自1月1日起计算5日滑动平均气温, 该值稳定通过界限温度($ {T}_{{\rm{l}}} $)的当日记为$ i=1 $, 累计$ i \geqslant 1 $的逐日平均温度与日照时数的积(公式2), 到达阈值(${\rm{Threshold}}$)的次日计为该发育期的日期(表1), $ {T}_{{\rm{l}}} $为8 ℃。通过此方法计算的发育期误差在3~6 d。

表  1  枸杞发育期的光温积计算阈值

Table  1.  Calculation threshold value of light temperature accumulation during different development stages of Lycium barbarum L.

发育期 Development stage	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J	K	L
阈值 Threshold (℃∙h)	2763.7	4010	4846	6774	8526	13 649	8857	10 478	13 732	16 880	24 735	34 246
A为芽开放期, B为展叶期, C为春梢生长期, D为上一年形成的枝条(老眼枝)开花期, E为老眼枝果实形成期, F为老眼枝果实成熟期, G为春梢现蕾期, H为春梢开花期, I为夏果形成期, J为夏果成熟期, K为叶变色期, L为秋果成熟期。A is bud opening stage, B is leaf-spreading stage, C is spring shoot growth stage, D is flowering stage of the last year’s branches (Laoyan branch), E is fruit formation stage of Laoyan branch, F is fruit ripening stage of Laoyan branch, G is budding stage of spring branch, H is flowering stage of spring branch, I is summer fruit formation stage, J is summer fruit ripening stage, K is leaves discoloration stage, L is autumn fruit ripening stage.

下载: 导出CSV 

| 显示表格

式中: ${\rm{Threshold}}$为阈值, ℃∙h; $ n $为达到阈值时历经的天数; $ {T}_{i} $为日平均气温, ℃; $ {H}_{i} $为日照时数, h。

1.4   枸杞生长季气象灾害变化分析

气候变化对枸杞生育期主要气象灾害发生趋势也产生了影响。产业上较为关注或对枸杞关键发育阶段影响较大的气象灾害主要有春季霜冻、夏季高温、阴雨寡照、冰雹、干旱和洪涝。由于枸杞的旱、涝指标尚未研究, 暂不分析。

1.4.1   春季霜冻

枸杞萌芽至老眼枝果实成熟期处于宁夏春季霜冻频发时段, 容易遭受霜冻危害^[22-23]。由于宁夏下垫面地形复杂, 各枸杞产区之间小气候差异较大, 发育进程有差异, 且枸杞是无限花序植物, 边开花边结果, 因此统计逐年枸杞芽开放至老眼枝果实成熟期间的霜冻发生频次。参考段晓凤等^[22]和胡启瑞等^[23]研究, 霜冻指标为: 轻度, −3.0 ℃<T_min≤−1.0 ℃; 中度, −5.0 ℃<T_min≤−3.0 ℃; 重度, T_min≤−5.0 ℃。T_min为过程最低气温。

1.4.2   高温热害

夏果期高温热害会造成枸杞落花落蕾, 夏季采摘提前结束, 延长夏季休眠, 影响产量和树势。参考枸杞气象业务服务中的夏果期热害指标, 以枸杞单株落花落蕾数气象估算模型(式3), 结合枸杞热害监测等级判断指标计算枸杞夏果生长期间的高温热害发生日数。枸杞热害监测等级发生条件: 当日最高气温$\geqslant $32 ℃。指标为: 无热害, $ P $<10; 轻度, 10≤$ P $<20; 中度, 20≤$ P $<30; 重度, 30≤$ P $<40; 极重度, $ P $≥40。P为单株落花落蕾数, 个∙株⁻¹∙d⁻¹; 其计算公式为:

式中: $ {T}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $为日最高气温, ℃; $ \mathrm{R}\mathrm{H} $为日平均相对湿度, %。

1.4.3   阴雨寡照

参考烤烟(Nicotiana tabacum L.)阴雨寡照灾害标准, 结合宁夏气候条件和枸杞生长习性规定枸杞阴雨寡照判定条件为阴雨期间降雨量>5 mm, 日降雨量>0 mm, 平均日照时数≤3 h, 逐日日照时数≤5 h。等级指标为: 1级阴雨寡照灾害, 3 d≤持续阴雨天数≤5 d; 2级, 6 d≤持续阴雨天数≤8 d; 3级, 9 d≤持续阴雨天数≤11 d; 4级, 持续阴雨天数>11 d。

2.   结果与分析

2.1   枸杞农业气候资源变化

2.1.1   气温

影响中药材药效成分累积的主要因素是遗传和环境因素, 其中气温对枸杞多糖、总糖、甜菜碱和黄酮等成分有较大影响^[24-25]。1961—2021年宁夏枸杞产区生育期间的平均气温呈明显升高趋势, 增温速率为0.328 ℃∙(10a)⁻¹, 近10年较20世纪60年代升高1.51 ℃∙a⁻¹ (图1A), 增温水平明显高于全国气温增长水平, 1951—2021年全国升温速率为0.26 ℃∙(10a)^{−1 [26]}。从M-K检验来看, 平均气温从1987年以后呈上升趋势, 在20世纪90年代末达到极显著水平(α=0.001), 于1998年出现突变现象, 突变前年平均气温为16.04 ℃∙a⁻¹ , 突变后为17.29 ℃∙a⁻¹ , 增加了1.24 ℃∙a⁻¹ (图1B)。

图  1  1961—2021年宁夏枸杞产区全生育期平均气温逐年演变和趋势(A)及其Mann-Kendall检验(B)

Figure  1.  Annual evolution and trend of average temperature in the growth period of Lycium barbarum L. in production areas of Ningxia (A) and its’ Mann-Kendall test (B) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1961—2021年枸杞生育期间的最高气温和最低气温也呈增加趋势, 增温速率分别为0.267 ℃∙(10a)⁻¹ 和0.436 ℃∙(10a)⁻¹, 近10年较20世纪60年代分别升高1.25 ℃∙a⁻¹和2.06 ℃∙a⁻¹。从M-K检验来看, 最高气温从1997年开始呈持续升高趋势, 到2000年代初达到极显著水平, 在2000年出现突变现象, 突变后较之前增加1.01 ℃∙a⁻¹。最低气温从1964年开始呈持续增加趋势, 到1987年达到显著水平(α=0.05), 增温趋势不存在突变性。最高、最低气温的增加趋势幅度差异导致气温年较差也发生改变, 近10年的气温年较差较20世纪60年代减小0.82 ℃∙a⁻¹。

2.1.2   高温日数

随着气温升高, 高温日数也呈显著增多趋势。宁夏枸杞产区的高温主要发生在两季产区, 1961—2021年生育期间≥33 ℃的高温日数增加速率为2.44 d∙(10a)⁻¹, 从20世纪60年代的6.9 d∙a⁻¹增加到近10年的 19.1 d∙a⁻¹, 平均增加了12.2 d∙a⁻¹ (图2A)。从M-K检验来看, ≥33 ℃高温日数在1970年以后基本呈持续增加趋势, 2000年左右达到极显著水平, 2001年出现突变, 突变前的高温日数为8.8 d∙a⁻¹, 突变后达到18.1 d∙a⁻¹, 增加了9.3 d∙a⁻¹ (图2B)。

图  2  1961—2021年宁夏枸杞产区全生育期≥33 ℃的高温日数逐年演变和趋势(A)及其Mann-Kendall检验(B)

Figure  2.  Annual evolution and trend of days with high temperature (≥33 ℃) during the whole growth period of Lycium barbarum L. in prodcution areas of Ningxia (A) and its Mann-Kendall test (B) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在各枸杞产区中, 中宁核心产区受高温影响最大, ≥33 ℃高温日数增加速率为4.14 d∙(10a)⁻¹, 从20世纪60年代的7.4 d∙a⁻¹增加到近10年的29.7 d∙a⁻¹, 增加了22.3 d∙a⁻¹, 变化趋势和全区一致, 但趋势倾斜率更大。

2.1.3   ≥10 ℃活动积温

宁夏枸杞产区全生育期间的热量资源也呈明显增多趋势。两季产区内, 因为夏季高温导致枸杞进入休眠阶段, 此时植株叶片脱落、生长停止, 所以夏眠期的热量资源过高反而不利于枸杞生长发育。去除夏眠阶段, 1961—2021年夏果期(4月上旬—7月下旬)和秋果期(8月中旬—10月下旬) ≥10 ℃的活动积温增加速率分别为56.9 ℃·d∙(10a)⁻¹和28.6 ℃·d∙(10a)⁻¹, 近10年较20世纪60年代分别增加266.1 ℃·d∙a⁻¹和132 ℃·d∙a⁻¹ (图3A、B)。从M-K检验来看, 夏果期≥10 ℃的活动积温从1985年开始呈持续增加趋势, 在2000年代初达到极显著水平, 1999年出现突变, 突变后的活动积温达到2151.8 ℃·d∙a⁻¹, 较之前增多10.6% (图3C)。夏果期热量资源增加过多导致叶变色期提早, 高温热害风险增大。秋果期≥10 ℃的活动积温在1979年后也呈持续增长趋势, 在2000年达极显著水平, 1990年出现突变, 突变后较之前增加了94 ℃·d∙a⁻¹, 增多9.1% (图3D)。秋果期热量资源增加延长了秋果生长时间, 增加了采摘批次, 有利于秋果增产。

图  3  1961—2021年宁夏枸杞两季产区夏果期(A, C)、秋果期(B, D) ≥10 ℃活动积温逐年演变和趋势(A, B)及其Mann-Kendall检验(C, D)

Figure  3.  Annual evolution and trend of the active accumulated temperature (≥10 ℃) at summer (A) and autumn (B) fruit stages of Lycium barbarum L. in the two seasons production areas in Ningxia and their Mann-Kendall tests (C, D) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1961—2021年一季产区内, 枸杞全生育期≥10 ℃活动积温年平均为2745.2 ℃·d, 增加速率为75 ℃·d∙(10a)⁻¹, 由20世纪60年代的2622.7 ℃·d∙a⁻¹增加到近10年的2942.6 ℃·d∙a⁻¹, 增加12.2% (图4A)。从M-K检验来看, 一季产区的活动积温从1992年开始呈持续增加趋势, 2000年代初达到极显著水平, 1997年出现突变, 突变后较之前增加了298.1 ℃·d∙a⁻¹, 增多11.4% (图4B)。积温增加弥补了热量资源的先天不足, 有利于扩大适宜种植区域, 延长果实生长时间, 增加采摘批次和产量。

图  4  1961—2021年宁夏枸杞一季产区全生育期≥10 ℃活动积温逐年演变和趋势(A)及其Mann-Kendall检验(B)

Figure  4.  Annual evolution and trend of ≥10 ℃ active accumulated temperature during the whole growth period of Lycium barbarum L. in the one seasons production areas in Ningxia (A) and its Mann-Kendall test (B) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.1.4   降水

宁夏降雨时段相对集中, 夏季是降雨次数最多、降雨量最大的季节, 与夏果采收盛期(6—7月)重叠。降水过多会引起枸杞裂果、烂果, 引发枸杞炭疽病等喜湿性病害, 影响枸杞品质和采收产量。1961—2021年夏果采收期平均降水量为86.4 mm, >5 mm降水日数为4.87 d。降水量和降水日数的年际间变率较大, 降水偏多的年份降雨量可达150 mm以上, 降水日数达8 d以上, 对夏果生产严重不利; 而偏少的年份雨量低至30 mm以下, 降水日数为2 d, 利于优质枸杞生产(图5)。从M-K检测看, 1984年以后降水呈增加趋势, 但不显著。从年代际变化趋势看, 也呈现了明显波动, 20世纪90年代降水量最高, 达到104.76 mm∙a⁻¹, 较其他年代高22.13 mm∙a⁻¹, 降水日数也最高, 较其他年代多1.25 d∙a⁻¹。

图  5  1961—2021年宁夏枸杞产区降水量和降水日数逐年演变和趋势图

Figure  5.  Annual evolution and trend of precipitation and precipitation days in Lycium barbarum L. production areas of Ningxia from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.1.5   日照时数

1961—2021年宁夏枸杞产区秋果期日照时数整体呈减少趋势, 速率为9.6 h∙(10a)⁻¹ (图6)。减少趋势在近年来加剧, 近10年秋果期日照时数平均为667.5 h∙a⁻¹, 减少速率为15 h∙a⁻¹, 对枸杞生长发育产生了不利影响, 引起了产业关注。

图  6  1961—2021年宁夏枸杞秋果期日照时数逐年演变及趋势图

Figure  6.  Annual evolution and trend of sunshine hours during autumn fruit stage of Lycium barbarum L. in Ningxia from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   气候变化对枸杞生育进程的影响

气温升高、热量资源增加使宁夏枸杞产区生育进程明显提前, 全生育期延长。由表2可知, 20世纪60年代宁夏枸杞芽开放至新梢生长期普遍在5月上中旬, 近10年提早至4月下旬至5月上旬, 提前了13 d左右; 老眼枝开花期至老眼枝果实成熟期由6月初至7月上旬提早至5月中旬至6月下旬, 提早了11 d左右。枸杞芽、叶、花生长期的提早使其遭遇春季霜冻的风险增加, 老眼枝现蕾至果实成熟期延长了2~3 d, 对果实生长发育、增产提质有利。夏果现蕾至成熟期由20世纪60年代的6月中旬至7月下旬提早至近10年的5月末至7月上旬, 叶变色期由8月末期提早至8月中旬, 均提早了11 d左右。

表  2  1961—2021年不同年代宁夏枸杞生育进程及较20世纪60年代提前日数统计

Table  2.  Growth process of Lycium barbarum L. in Ningxia and the number of days earlier than that in 1960s

发育期 Developmental stage	平均发育期(月-日) Average developmental period (month-day)			1990年代提前日数 Advance days in 1990s (d)	近10年提前日数 Advance days during 2012—2021 (d)
	1960s	1990s	2012—2021
芽开放期 Bud opening stage	05-03	04-30	04-20	3.6	13.6
展叶期 Leaf-spreading stage	05-12	05-09	04-29	3.1	13.2
春梢生长期 Spring shoot growth stage	05-18	05-15	05-05	2.7	12.9
老眼枝开花期 Flowering of Laoyan branch stage	05-30	05-27	05-18	3.1	12.2
老眼枝果实形成期 Fruit formation stage of Laoyan branch	06-08	06-06	05-28	2.3	11.2
老眼枝果实成熟期 Fruit ripening stage of Laoyan branch	07-05	07-02	06-24	2.4	10.5
春梢现蕾期 Budding stage of spring branch	06-10	06-08	05-30	1.9	10.8
春梢开花期 Flowering stage of spring branch	06-18	06-16	06-07	2.1	10.7
夏果形成期 Summer fruit formation stage	07-05	07-02	06-24	2.4	10.4
夏果成熟期 Summer fruit ripening stage	07-21	07-19	07-10	2.7	11.4
叶变色期 Leaves discoloration stage	08-27	08-26	08-16	1.0	11.3
老眼枝表示上一年形成的枝条。Laoyan branch is the last year’s branch.

下载: 导出CSV 

| 显示表格

20世纪60年代至70年代, 有9年秋季热量条件较差, 秋果难以成熟, 能成熟的普遍在10月上中旬; 近30年秋果均能成熟, 成熟期在9月下旬至10月中旬, 平均提早了13 d。秋果成熟期提早, 初霜冻推迟, 秋季热量条件增加, 延长了秋果生长时间, 对增加秋枸杞产量, 提升品质十分有利。

2.3   枸杞农业气象灾害变化

2.3.1   枸杞春季霜冻灾害

春季霜冻是威胁宁夏枸杞生产的主要农业气象灾害之一, 由于霜冻频发时间正值枸杞嫩芽及头茬花果生长发育阶段, 容易遭受霜冻危害。据统计, 1961—2021年宁夏枸杞产区逐年芽开放期至老眼枝果实成熟期的霜冻共发生140站次, 平均每年2.3站次, 气候倾斜率为0.147 (图7)。

图  7  1961—2021年宁夏枸杞霜冻灾害逐年演变及趋势图

Figure  7.  Annual evolution and trend of frost disaster of Lycium barbarum L. in Ningxia from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对枸杞有严重危害的春季霜冻(重度)共发生了6站次, 均在近10年, 其中同心3次(均在2013年)、中卫2次(2013年、2018年)、盐池1次(2020年)。中度霜冻共发生29站次, 主要分布在兴仁和中卫, 占全产区的48.3%, 气候倾斜率为0.12。从年代际变化趋势看, 中度霜冻呈增加趋势, 2010—2021年发生频次最高, 平均每年发生1.08站次, 较其他年代多0.76站次∙a⁻¹。轻度霜冻共发生105站次, 主要集中在兴仁和盐池, 占45.0%, 气候倾斜率为−0.049。从年代际变化趋势看, 轻霜冻呈减少趋势, 尤其是20世纪90年代最低, 为0.7站次∙a⁻¹, 1990年以来较之前平均减少0.66站次∙a⁻¹ (表3)。

表  3  1961—2021年宁夏枸杞产区春季霜冻灾害发生频次的年代变化

Table  3.  Interdecadal change of spring frost disaster frequency in Lycium barbarum L. production areas of Ningxia from 1961 to 2021

(station∙time)∙a−1
等级 Grade	1960s	1970s	1980s	1990s	2000s	2010—2021	1961—2021
总计 Total	1.44	2.90	2.70	1.20	1.90	3.33	2.30
轻度 Mild	1.22	2.50	2.40	0.70	1.70	1.75	1.72
中度 Moderate	0.22	0.40	0.30	0.50	0.20	1.08	0.48
重度 Heavy	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.50	0.10

下载: 导出CSV 

| 显示表格

综合来看, 宁夏产区枸杞春季霜冻危害风险整体加重, 2010年以来重度霜冻和中度霜冻发生次数明显增多, 轻霜冻呈降低趋势。从空间分布来看, 兴仁、中卫、盐池枸杞产区霜冻最严重, 对枸杞春季生长发育有不利影响。

2.3.2   枸杞高温热害

高温热害对两季产区夏果影响较大, 常造成夏果落花落蕾, 减少夏果枝花蕾分化数, 夏果采摘提前结束, 延长夏眠期。1961—2021年宁夏两季枸杞产区5—9月的高温热害风险整体呈显著增加趋势, 热害日数由20世纪60年代的14.1 d∙a⁻¹增加到近10年的30 d∙a⁻¹, 增加速率为3.2 d∙(10a)⁻¹ (图8A)。从M-K检验来看, 增加趋势在2000年代初达到极显著水平, 2001年出现突变, 突变后的时期较之前平均增加了12.2 d∙a⁻¹ (图8B)。

图  8  1961—2021年宁夏枸杞高温热害日数逐年演变和趋势(A)及其Mann-Kendall检验(B)

Figure  8.  Annual evolution and trend of days of high-temperature damage of Lycium barbarum L. in Ningxia (A) and its Mann-Kendall test (B) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在不同等级的枸杞高温热害日数中(表4), 极重度热害日数在1997年以后明显增加, 平均为1.19 d∙a⁻¹, 较之前增加0.95 d∙a⁻¹。重度热害日数整体也呈增加趋势, 从20世纪60年代的1.4 d∙a⁻¹增加到近10年的6 d∙a⁻¹, 速率为0.908 d∙(10a)⁻¹。从M-K检验来看, 增加趋势在2000年代达到极显著水平, 2004年出现突变现象, 突变后较之前平均增加3.91 d∙a⁻¹。中度热害日数增加趋势和总热害日数变化趋势相同, 速率为1.568 d∙(10a)⁻¹, 近10年较20世纪60年代增加7.6 d∙a⁻¹, 突变后较之前平均增加6.03 d∙a⁻¹。轻度热害日数整体也呈增加趋势, 但不显著。

表  4  1961—2021年宁夏枸杞高温热害日数发生趋势及其Mann-Kendall检验

Table  4.  Occurrence trend and its Mann-Kendall test of high-temperature damage days of Lycium barbarum L. in Ningxia from 1961 to 2021

等级 Grade	气候倾斜率 Climatic tilt rate	发生频次 Frequency (d∙a−1)		日数变化 Variation days (d)	Mann-Kendall检验 Mann-Kendall test		突变前后变化 Days change since the abrupt change (d∙a−1)
		1960s	近10年 Recent 10 years		显著年份 Significant year	突变年份 Abruptly change year
无热害 Heat-free	−0.3169	138.90	123.09	−15.82	2004	2000	−12.2
轻度 Mild	0.0450	7.29	9.67	+2.39	—	—	—
中度 Moderate	0.1568	5.16	12.76	+7.60	2005	2001	+6.03
重度 Heavy	0.0908	1.40	6.00	+4.60	2007	2004	+3.91
极重度 Extremely heavy	0.0243	0.25	1.49	+1.23	—	—	—
总计 Total	0.3169	14.10	29.91	+15.82	2005	2001	+12.2
+表示增加, −表示减少。+ means increase, − means decrease.

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从各产区热害情况看, 中宁核心产区夏果期高温热害风险加剧最显著, 速率为4.889 d∙(10a)⁻¹, 中度及以上高温热害日数由20世纪60年代的6.5 d∙a⁻¹增加到近10年的33.2 d∙a⁻¹, 平均增加26.7 d, 增长4.1倍。

2.3.3   枸杞阴雨寡照灾害

枸杞生育期间出现长时间阴雨寡照天气对其产量形成和品质优劣有较大影响。宁夏枸杞产区阴雨寡照灾害的分布相对集中, 1961年以来主要发生在8—10月, 占全生育期的56.0%; 区域在固原和海原相对集中, 占全产区的37.3%, 在固原和海原产区也集中发生在8—10月, 占全生育期的54.3%。

1961—2021年全产区8—10月阴雨寡照灾害整体呈增加趋势, 气候倾斜率为0.286, 且年际变率较大(图9)。从年代际变化看(表5), 20世纪70年代中后期发生较频繁, 90年代发生频次最低, 较其他年代偏少了7.23站次∙a⁻¹。2007年9月下旬至10月上旬发生了全产区范围的4级阴雨寡照, 创61年来最高, 也使该年所在年代明显高于其他年代。3级阴雨寡照从2000年以来明显增加, 较之前平均增加0.57站次∙a⁻¹。2级阴雨寡照的年代际变化呈降低趋势, 20世纪90年代最低, 平均每年发生1.8站次。总体来说, 阴雨寡照灾害发生的时空特征及年代际变化趋势对宁夏枸杞秋条、秋果生长发育有不利影响风险。

图  9  1961—2021年宁夏枸杞阴雨寡照灾害逐年演变及趋势图

Figure  9.  Annual evolution and trend of rainy days with less sunshine hours of Lycium barbarum L. in Ningxia from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  5  1961—2021年宁夏枸杞产区阴雨寡照发生频次的年代际变化

Table  5.  Interdecadal change of frequency of rainy days with less sunshine hours of Lycium barbarum L. in Ningxia from 1961 to 2021

(station∙time)∙a−1
级别 Level	1960s	1970s	1980s	1990s	2000s	2010—2021	1961—2021
1级 Level 1	10.56	17.50	12.60	9.40	12.70	16.33	13.33
2级 Level 2	5.33	3.30	3.10	1.80	4.20	3.08	3.43
3级 Level 3	0.78	0.60	0.40	0.50	1.10	1.17	0.77
4级 Level 4	0.22	0.40	0.20	0.00	1.10	0.00	0.31
总计 Total	16.89	21.80	16.30	11.70	19.10	20.58	17.84

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3.4   枸杞冰雹灾害

宁夏枸杞产区关键发育期与冰雹多发期高度重叠, 多条冰雹移动路径经过种植区。当冰雹大或密集时往往造成枸杞枝条断裂, 主枝主干砸伤, 叶片、果实被砸乱砸伤造成大量落叶、落花、落果, 影响树势和产量。1961—2021年宁夏枸杞产区冰雹灾害呈减少趋势, 速率为1.612站次∙(10a)⁻¹, 由20世纪60年代9.56站次∙a⁻¹减少到近10年的3.6站次∙a⁻¹, 平均每年减少6站次(图10A)。从M-K检验看, 这种降低趋势在20世纪90年代末达到极显著水平, 在1995年开始出现突变现象, 突变后较之前平均每年减少6.2站次(图10B)。

图  10  1961—2021年宁夏枸杞冰雹灾害逐年演变和趋势(A)及其Mann-Kendall检验(B)

Figure  10.  Annual evolution and trend of hailstorm disaster of Lycium barbarum L. in Ningxia (A) and its Mann-Kendall test (B) from 1961 to 2021

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   讨论与结论

3.1   讨论

宁夏枸杞贵在道地, 适宜道地药材生长的生态环境是中药材可持续发展的基础。气候变暖对枸杞药用成分的累积产生了一定影响, 通过分析宁夏枸杞农业气候资源的变化有利于形成优质中药材资源。一定程度上枸杞多糖随平均气温升高而增加, 但与7月的平均气温和最高气温呈负相关关系, 甜菜碱和百粒重与温差呈负相关关系^[24-25], 因此宁夏枸杞产区的气温及高温日数变化趋势整体不利于优质枸杞品质的形成, 建议加强抗高温枸杞品种的选育, 补充气候变化对枸杞生产影响的短板。

在全球气候变暖背景下, 如何适应气候变化是宁夏枸杞产业高质量发展需要关注的重点。有研究表明气候暖干化是宁夏枸杞生育期气候变化的主要特征, 气温升高为枸杞开花结果提供了充足的热量条件, 且充分利用优势气候生态种植带热量资源利于增产增收, 因此气候变暖对生产利多弊少^[13]。本文分析了宁夏枸杞产区平均、最高、最低气温及气温日较差的变化趋势, 两季产区夏、秋果期和一季产区全生育期热量资源的增加情况, 以及夏果期高温日数对枸杞关键发育阶段的影响, 得出气候变暖对两季产区, 尤其是中宁产区的夏果开花、结实有不利影响; 有利的一面是其促进了秋果生长期延长, 且热量资源前景趋好, 一季产区热量资源的增加有利于扩大适宜种植区域。应考虑到充分挖掘光热资源优势, 加强枸杞新品系适宜种植的精细化气候区划研究, 适当扩大到海拔相对较高、降水少的区域建园。

宁夏地区光照资源丰富, 为促进枸杞生长发育提供了有利基础, 但从2017年起秋季日照时数减少, 其中2020年和2021年仅有600 h左右, 这对秋果生长发育产生了较明显的不利影响, 引起了产业关注。此外, 宁夏枸杞产区夏果采收期的降水量和降水日数年际变率较大, 降水多的年份易引起枸杞裂果、烂果, 引发枸杞炭疽病等喜湿性病害, 影响品质和采收产量。光、水的不稳定性对枸杞产量和优质品质形成的影响较为明显, 可能是由于多年来枸杞未形成有效的应对机制, 产业上也未形成应对不利影响天气的管理方式。

受气候变化的影响, 宁夏枸杞发育期提前、全生育期延长^[13], 与本文研究结果相符。枸杞发育期提早使相应的水肥管理、采摘等主要农事活动期延长, 建议根据气候变化对枸杞的影响调整枸杞农事管理方案, 最大程度利用好农业气候资源优势。另一方面, 气候变化导致极端天气事件增多, 霜冻发生风险增大。有研究表明^[27]1961—2017年宁夏枸杞春季(4月21日至5月31日)霜冻发生终日以2.1 d∙(10a)⁻¹的速率提前, 而枸杞萌芽提早使其受灾时段提前, 气候波动加剧导致危害较大的霜冻发生频次增加, 对品质最优的头茬果危害风险较大, 所以产业上需注意及时在枸杞萌芽展叶至开花期发展灌溉、人工防霜和灾后补救技术, 减轻霜冻危害。

气温升高、高温日数增加加剧了枸杞高温热害风险, 主要影响两季产区夏果的生长发育, 尤其是中宁枸杞热害风险最大, 增加了落花落蕾, 减少了果枝花蕾分化数, 夏果采摘提前结束, 延长夏眠期, 不利于夏果生产。此外, 宁夏枸杞产区阴雨寡照灾害相对集中在8—10月, 区域相对集中在固原和海原, 对枸杞秋条、秋果生长发育有不利影响, 但整体危害程度有限; 好的一面是冰雹灾害呈显著减少趋势, 因其多发期与枸杞关键发育期重叠, 多条冰雹移动路径经过种植区, 也需要保持防范。

3.2   结论

1961—2021年宁夏枸杞产区生育期间的气温、高温日数呈显著升高趋势, 均在20世纪90年代末至21世纪00年代初发生突变, 平均气温和≥33 ℃的高温日数突变后较之前增加了1.24 ℃∙a⁻¹和9.2 d∙a⁻¹, 中宁核心产区受高温影响最大。随气温升高, 产区的热量资源也呈显著增多趋势, 两季产区的夏、秋果期和一季产区全生育期≥10 ℃活动积温均在20世纪90年代发生了趋势突变, 突变后较之前分别增多10.6%、9.1%和11.4%。

气候变化导致枸杞发育进程整体提前11~13 d, 全生育期延长。对枸杞主要气象灾害的影响有: 危害较大的春季霜冻风险整体加重, 夏季高温热害显著加剧, 热害日数增加趋势在2001年出现突变, 突变后较之前平均增加12.2 d∙a⁻¹, 中宁核心产区风险最大; 阴雨寡照灾害分布相对集中, 主要发生在8—10月, 区域上集中在固原和海原产区; 冰雹灾害风险显著下降。建议充分认识气候变化导致的枸杞重大气象灾害加剧, 将研究成果转化应用, 加强气象灾害早期预警、监测与灾后评估技术研究与业务服务。