0 引言
全球气候变暖存在气温非对称显著变化特征，即最低气温增温速率明显高于最高气温，夜间最低气温增温幅度是白天最高气温增幅的2～3倍[1-2]。气温日较差（DTR）是表征气候变化的一个重要指标[3]，其不仅能够反映出地区气温非对称性的变化特征，同时也对植被生长和作物产量品质等具有重要的影响[4]，因此受到诸多学者的广泛关注。目前，国内关于DTR研究主要集中在变化趋势以及影响因子分析方面。陈铁喜等[5]利用1952—2001年中国气温资料，分析得到DTR减少幅度为高纬度地区大于低纬度地区，且DTR变化具有明显的区域和季节性差异；周杰等[6]根据1961—2010年华北地区104个站的气象资料，研究表明四季DTR均呈下降趋势，其主要原因为日最低气温上升趋势大于日最高气温导致；杨允凌等[7]研究表明，邢台市DTR呈显著减少趋势，且对各类作物产量和品质产生了不利影响；周宇等[8]研究表明不同时间段上海市DTR均呈显著下降趋势，且城市化对DTR的减小有明显影响；杨晓玲等[9]指出武威市低海拔地区DTR大于高海拔地区的，且与DTR关联性最强的是蒸发量，其次是平均气温；白松竹等[10]研究表明阿勒泰地区四季DTR呈显著减小趋势，月平均DTR与日照时间相关性最强，且呈正相关关系；蒋丽霞等[11]分析了黑龙江粮食主产区DTR的变化与玉米和水稻产量的关系，结果表明农事活动、春季和夏季DTR减少有利于作物增产，秋季DTR增大则有利于作物增产。
近年来，昆明市增温幅度呈持续上升趋势[12]，而有关DTR的研究也相对较少，现有研究主要集中在单因子气温和降水等方面；如何云玲等[13]研究表明1951—2010年昆明市呈气温升高、降水减少的暖干化变化趋势；郝晓阳等[14]研究表明昆明市平均气温呈上升趋势，且升温速率高于全国和云南省；魏康洪等[15]研究表明，昆明市气候增温主要发生在春季，降温主要发生在秋季。在此基础上，根据1961—2013年昆明市气温资料，结合1991—2014年粮食产量资料，分析DTR的时空变化特征及其对作物生长的影响，从而为地区气候变化和粮食生产提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
昆明市地处云贵高原中部（102°10′—103°40′E，24°23′—26°22′N），面积2.15万km2，属于滇中城市圈的核心圈。昆明市属亚热带—高原山地季风气候，地势西北高东南低，呈台阶下降，三面环山，南临滇池；气候温和，四季如春，年平均气温为15℃，年降水量1 035 mm。土壤类型主要以山原红壤和水稻土为主。粮食作物以水稻、玉米和马铃薯等为主，其中玉米种植面积为8.2×104hm2，约占耕地总面的50.8%[16]。
1.2 数据资料
采用中国气象科学数据共享服务网提供的1961—2013年昆明市及其周边24个气象站点逐日的最高气温和最低气温数据，其气象站点具体分布如图1所示。同时对各站点数据进行一致性检验和质量控制。昆明市各县区主要作物产量及播种面积数据来源于1991—2014年《云南省统计年鉴》和《昆明市统计年鉴》。
1.3 研究方法
1.3.1 气温日较差
根据1961—2013年云南省昆明市24个气象站点逐日的最高气温和最低气温数据，采用RClimDex1.0软件计算气温日较差（DTR）和作物生长期（GSL）2个气候极端指数，其中GSL[17]表示从1 a内首次出现日平均气温至少连续6 d大于5℃与首次出现日平均气温至少连续6 d小于5℃（7月1日以后）的间隔时间，单位为（d）。采用Mann-Kendall检验[18]对气温日较差的序列进行趋势分析和突变分析，并应用SPSS17.0数据处理软件分析昆明市气温日较差与作物生长期和作物产量的关系。
式中：DTR为气温日较差（℃）；Tmax为日最高气温（℃）；Tmin为日最低气温（℃）。
1.3.2 气候产量
粮食产量一般分为趋势产量（主要由农业技术措施决定，包括品种改良、经营管理技术的提升以及病虫害防治等措施）、气候产量和社会波动产量[19-20]，一般计算式为：
式中：Y为昆明市各县区玉米实际单产（kg/hm2）；Yt为趋势产量（kg/hm2）；Yw为气候产量（kg/hm2）；Ye为随机误差（kg/hm2），一般情况下忽略不计。因此利用式（2）可求出Yw=Y-Yt，其中Yt一般根据实际粮食产量的趋势，采用直线滑动平均趋势法计算。由于昆明市五华区、西山区、盘龙区和官渡区仅有9 a数据，其滑动步长取5 a，其余县区滑动步长取11 a，为降低时间和空间的影响，采用相对气候产量Yw1与气温日较差变化进行响应分析[21]，计算式为：
2 结果与分析
图1 昆明市及周边气象站点分布图
2.1 日较差时间变化特征
通过计算昆明市各站点气温日较差，采用M-K法、5 a滑动平均法和线性趋势分析年平均DTR、最高气温、最低气温在不同时间尺度上的变化特征。从图2可知，1961—2013年昆明市年平均气温日较差呈极显著减少趋势（Z=4.502 7），减少幅度为0.134℃/10 a，年平均DTR最大值出现在1969年，达到12.45℃，最小值出现在2008年，仅为10.77℃。从5 a滑动平均曲线可见，1982—2008年DTR相对较小，平均值仅为11.23℃，1966—1972年DTR相对较大，平均值为11.86℃。通过M-K检验得到，UB和UF均超过了显著水平0.01的临界值线，2条突变曲线在上下2条临界线之间存在1个交点，DTR可能发生突变年份为1986年，1961—1981年DTR变化趋势不明显，1982—1990年DTR呈减小趋势，1991年以后DTR呈极显著减小趋势。最高气温呈微上升趋势（Z=0.981 9），最低气温呈极显著上升趋势（Z=4.426），其上升幅度分别为0.064和0.598℃/10 a，可见最低气温上升幅度明显高于最高气温，其非对称变化是导致昆明市年平均DTR显著减少的主要原因。
图2 1961—2013年昆明DTR、最高气温和最低气温年际变化及DTR突变检验
从M-K趋势检验结果看（表1），春季和冬季DTR呈极显著和显著减少趋势，减少幅度分别为0.367和0.253℃/10 a，秋季DTR呈微减少趋势，减少幅度为0.015℃/10 a，夏季DTR呈微上升趋势，上升幅度为0.055℃/10 a。4个季节Tmax和Tmin均呈上升趋势，其中Tmax在夏季和冬季呈极显著上升趋势，上升幅度分别为0.229、0.316℃/10 a，秋季呈显著上升趋势，上升幅度为0.222℃/10 a，春季呈微上升趋势，上升幅度为0.027℃/10 a；Tmin在4个季节均表现出极显著上升趋势，上升幅度分别为0.400、0.183、0.252、0.579℃/10 a。由此可见，昆明市春季和冬季DTR呈极显著和显著减少趋势，且春季减少幅度最大；Tmax均呈上升趋势，其上升幅度为冬季＞夏季＞秋季＞春季；Tmin均呈极显著上升趋势，其上升幅度为冬季＞春季＞秋季＞夏季。因此，四季节DTR的变化主要是由于Tmin的变化所导致。
表1 Tmax、Tmin和DTR季节变化趋势 ℃/10 a
注 *和**分别表示通过0.05和0.01水平的显著性检验。
2.2 日较差空间变化特征
2.2.1 DTR空间分布特征
从昆明市DTR的空间分布（图3）可知，年平均DTR整体上呈由东南向西北递增的分布特征，其中太华山站DTR最小，仅为9.58℃，西北部的禄劝站DTR最大，达到15.72℃。由图3（b）—图3（e）可知，春季、秋季和冬季DTR基本上均呈现出由东南向西北递增的分布特征，其中春季DTR最小值出现在太华山站，仅为11.51℃，禄劝和富民站DTR相对较大，分别为15.72和14.89℃；秋季DTR最小值出现在太华山站，仅为8.32℃，富民和禄劝站DTR相对较大，分别为11.22和10.80℃；冬季DTR平均值最高，最小值出现在安宁站，为10.45℃，富民和禄劝站DTR相对较大，分别达到16.09和16.06℃；夏季DTR平均值最低，低值中心主要分布在东南部的昆明、晋宁、太华山、宜良和呈贡站，DTR分别为7.58、7.67、7.77、8.07和8.11℃，高值中心则主要分布在西部的安宁站，DTR达14.44℃。综上所述，冬季DTR最高，其次为春季和秋季，夏季DTR最低，而在不同时间尺度上DTR整体上呈东南低、西北高的分布特征。
图3 昆明市DTR空间分布图
2.2.2 DTR空间变化趋势
根据M-K法计算昆明市各站点DTR的变化倾斜度β，分析DTR在空间上的变化趋势（图4）。由图4（a）可知，1961—2013年昆明市年平均DTR变化趋势不一致，其中83%的站点DTR呈减少趋势，减少幅度基本上呈东高西低的趋势，减少幅度较大的地区主要集中在东南部和中东部，石林、昆明、寻甸、嵩明、安宁、禄劝和宜良站DTR呈显著减少趋势，富民、东川和呈贡站呈弱减少趋势。其中石林站DTR减少幅度较大，达0.412℃/10 a，减少幅度较小的地区主要集中在西南部，太华山和晋宁站DTR呈上升趋势，且太华山站呈显著上升趋势，上升幅度分别为0.103℃/10 a和0.08℃/10 a。由图4（b）—图4（e）可知，春季、秋季和冬季DTR大部分地区呈减少趋势，且减少幅度基本上呈东高西低的趋势，其中春季92%的站点DTR呈减少趋势，昆明市内共计12个气象站，石林、昆明等11个站点DTR均呈显著减少趋势，石林站DTR减少幅度最大，达0.697℃/10 a，晋宁站DTR减少幅度最小，仅为0.211℃/10 a，只有太华山站呈上升趋势。其上升幅度为0.09℃/10 a；秋季58%的站点DTR呈上升趋势，但从空间变化趋势上看，全市大部分地区仍呈减少趋势，石林和昆明站呈显著减少趋势，寻甸、嵩明和禄劝站呈弱减小趋势，其中石林站减少幅度最大，达0.187℃/10 a，晋宁和太华山站呈显著上升趋势，富民、安宁、呈贡、宜良和东川呈弱上升趋势，其中晋宁站上升幅度最大，达0.207℃/10 a；冬季83%站点呈减少趋势，其中石林、寻甸、昆明、嵩明和禄劝站DTR呈显著减少趋势，富民、安宁、宜良、晋宁和呈贡站DTR呈弱减少趋势，石林站DTR减少幅度最大，达0.689℃/10 a，东川和太华山站DTR呈上升趋势，太华山站DTR呈显著上升趋势，其上升幅度为0.157℃/10 a；夏季67%的站点DTR呈上升趋势，上升幅度较大的地区主要集中在中南部，其中晋宁和富民站DTR呈显著上升趋势，禄劝、寻甸、昆明、太华山、呈贡和宜良站DTR呈弱减小趋势，晋宁站DTR上升幅度最大，达0.286℃/10 a，而减少幅度较大的地区主要集中在东南部和东北部，其中安宁、东川、嵩明和石林站DTR呈减少趋势，安宁站DTR呈显著减少趋势，且减少幅度最大，达0.471℃/10 a。
图4 昆明市DTR空间变化趋势图
2.3 气温日较差与作物生长期的关系
作物生长期GSL是指地区1 a内作物能生长的时间，对耕地复种指数和农作物总产量影响较为明显，其变化受最低气温影响显著，而气温日较差DTR能够反映地区温度变化幅度特征，尤其是最低气温变化情况[6]。因此通过计算昆明市各站点DTR和GSL值，分析二者之间的相关关系（表2），从而正确认识GSL的变化趋势及其对作物生长的影响。由表2可知，GSL与春季、夏季和秋季的DTR基本上呈负相关，其中春季嵩明站DTR与GSL呈显著负相关，相关系数为-0.314，夏季石林和嵩明站DTR与GSL呈显著负相关，其相关系数分别为-0.271和-0.302，冬季DTR与GSL基本上正相关，但相关系数较小。整体上看，DTR与GSL呈负相关关系，其中GSL受春季DTR变化影响较为显著，即DTR越小，GSL越长，越有利于提高耕地复种指数，从而促进农作物增产，反之则相反。
表2 DTR与GSL的相关关系
注 *表示通过0.05水平的显著性检验。
2.4 气温日较差与作物产量的关系
昆明市主要粮食作物为稻谷、玉米和小麦。近年来，稻谷和小麦播种面积变化较大，且耕种方式变化较大，玉米播种面积相对较为稳定，且耕种方式较为一致。兹利用玉米实际产量，通过式（2）计算昆明市各县市区玉米气候产量，分析玉米气候产量多年平均值的空间分布特征及其变化趋势。由图5（a）可知，玉米气候产量高值区主要分布在中西部的五华区和西山区，低值区主要分布在北部的东川区，南部的晋宁县和官渡区，78%的县区玉米气候产量呈负值，东川区玉米气候产量最低，仅为-895.20 kg/hm2，五华区、西山区和寻甸县玉米气候产量呈正值，玉米气候产量分别为171.07、83.64、15.52 kg/hm2。由图5（b）可知，玉米气候产量变化趋势与DTR相反，整体上呈增长趋势，且由中部向西北部和东南部增产趋势越来越明显。宜良县、官渡区、呈贡区和嵩明县等8个县区玉米气候产量呈增加趋势，其中西山区玉米气候产量增幅最小，仅为7.47 kg/（hm2·a），宜良县玉米气候产量增幅最大，达44.09 kg/（hm2·a），而五华区、盘龙区、寻甸县和石林县等6个县区玉米气候产量呈减小趋势，其中五华区玉米气候产量减幅最大，达88.01 kg/（hm2·a），东川区玉米气候产量减幅最小，仅为8.49 kg/（hm2·a）。
图5 昆明市玉米气候产量空间分布及变化趋势
利用式（3）计算昆明市玉米相对气候产量，由于五华区、西山区、盘龙区和官渡区仅有2005—2013年的玉米产量和播种面积数据，因此利用SPSS17.0分析除昆明主城四区外的其他县区玉米相对气候产量与DTR的相关关系（表3）。从表3可以看出，70%的地区玉米相对气候产量与不同时间段内的DTR呈显著或极显著相关，春季、秋季和生育期玉米相对气候产量与DTR基本上呈负相关，其中春季安宁市、禄劝县、富民县玉米相对气候产量均与DTR呈显著负相关，表明DTR的变化对昆明西部地区玉米相对气候产量影响最为显著；秋季石林县和嵩明县玉米相对气候产量均与DTR显著负相关，仅在晋宁县表现为弱正相关；生育期呈贡区和东川区气候玉米相对产量与DTR极显著和显著正相关，仅在晋宁县和寻甸县表现为正相关；而在夏季玉米相对气候产量与DTR基本上正相关。可见春季、秋季和生育期DTR越小，夏季DTR越大，均有利于增加作物相对气候产量。
表3 DTR与玉米相对气候产量的相关关系
注 *和**分别表示通过0.05和0.01水平的显著性检验。
3 结论
1）在全球气候持续变暖的背景下，昆明市年平均、春季、秋季和冬季DTR均呈减少趋势，减少幅度分别为0.134、0.367、0.015和0.253℃/10 a，其中年平均、春季和冬季DTR呈显著减少趋势，夏季DTR呈上升趋势，上升幅度为0.055℃/10 a，通过M-K检验得到年平均DTR突变年份约为1986年，且1991年以后DTR呈极显著减小趋势。
2）DTR受气温非对称变化影响显著，尤其是受最低气温的上升的影响显著；冬季DTR最高，其次为春季和秋季，夏季DTR最低；在不同时间段内DTR整体上呈现出由东南向西北递增的分布特征，且年平均、春季、秋季和冬季DTR减少幅度基本上呈东高西低的趋势，而夏季上升幅度较大的地区主要集中在中南部，减少幅度较大的地区则主要集中在东南部和东北部。
3）DTR与作物生长期GSL基本呈负相关，且春季DTR变化对GSL影响较为显著，即DTR较小时，会缩短GSL，进而增加耕地复种指数，利于农作物增产，反之则相反；昆明市玉米气候产量整体呈增加趋势，且由中部向西北部和东南部气候产量增加趋势越来越显著，相对气候产量与不同时间段内的DTR呈显著或极显著相关，春季、秋季和生育期DTR减小，夏季DTR增大，均有利于促进作物相对气候产量增加，这也以往的研究结果基本一致[22-23]，春季DTR越小，越有利于提高玉米的出苗率[22]，夏季DTR越大，越有利用延长玉米的灌浆时间[23]。但有些地区DTR与气候相对产量呈现出不同的关系，如晋宁县春季DTR显著减小，玉米气候产量却呈减小趋势，东川区夏季DTR减小，玉米气候相对产量却呈增加趋势，其原因可能是种植方式的变化（如晋宁县发展规模化大棚种植）、地形（如东川区地处小江河谷地区）；也可能是由于局地小气候的变化、人类活动影响的加剧导致DTR发生变化。因此，需进一步探讨引起DTR变化的影响因子及其对粮食产量的影响，从而更加客观反映出DTR对作物生长的影响。
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