近64a锦屏县高温特征及其对农业的影响

High Temperature Characteristics of Jinping County in Recent 64 Years and Their Impact on Agriculture

摘要: 为深入了解贵州省黔东南州锦屏县夏季高温变化特征以及对农业生产的影响，基于1961~2024年锦屏县国家气象站观测的气温数据，采用线性趋势分析、滑动平均法、Mann-Kendall突变检验和滑动t检验等方法，系统分析了近64a来锦屏县夏季高温的时空演变特征及其突变规律，并探讨其对农业生产的影响。结果表明：锦屏县年平均气温呈显著上升趋势(0.146℃/10a)，极端最低气温以0.40℃/10a增长率上升，低温日数以1.306 d/10a的趋势减少，极端最高气温以0.204℃/10a速率升高，高温日数以1.315 d/10a显著增加；突变分析显示，极端最低气温在1979年前后发生增暖转折，而平均气温和极端最高气温均在2002年前后发生显著增暖转折。高温频发对水稻、玉米等主要农作物生长构成威胁，表现为高温热害加剧、生育期提前、病虫害风险上升等问题，研究结果可为区域农业适应气候变化提供科学依据。

Abstract: To gain a deeper understanding of the characteristics of summer high-temperature variations and their impacts on agricultural production in Jinping County, Qiandongnan Prefecture, Guizhou Province, this study analyzes temperature data from the Jinping National Meteorological Station for the period 1961~2024. Using methods including linear trend analysis, moving average, Mann-Kendall abrupt change test, and sliding t-test, the spatiotemporal evolution and abrupt changes in summer high temperatures over the past 64 years are systematically examined, and their implications for agriculture are discussed. Results show that the annual mean temperature has increased significantly at a rate of 0.146˚C per decade. The extreme minimum temperature has risen at a rate of 0.40˚C per decade, accompanied by a decrease in the number of low-temperature days at 1.306 days per decade. Meanwhile, the extreme maximum temperature has increased at 0.204˚C per decade, and the number of high-temperature days has significantly increased by 1.315 days per decade. Abrupt change analysis reveals that the extreme minimum temperature underwent a warming shift around 1979, while both the mean temperature and extreme maximum temperature experienced significant warming transitions around 2002. The increasing frequency of high-temperature events poses serious threats to major crops such as rice and maize, manifesting as intensified heat stress, advanced phenological stages, and elevated risks of pests and diseases. These findings provide a scientific basis for regional agricultural adaptation to climate change.

1. 引言

全球气候变暖已成为21世纪最为严峻的环境挑战之一，其引发的气温升高、冰川融化、海平面上升及极端气候事件频发等问题，已对全球生态系统稳定性、农业生产安全和人类健康构成深远影响[1]。气温作为表征气候变化的核心要素，其长期变化趋势与极端高温事件的演变特征，直接关系到农业生产的稳定性与粮食安全。研究表明，近几十年来中国大部分地区气温呈显著上升趋势，高温日数明显增加，高温热浪事件频次增多、强度增强，对农业生产系统构成日益严峻的威胁[2] [3]。

西南地区地形复杂、气候多样，其气候变化响应具有显著的区域异质性。作为中国重要的生态屏障与农业产区，该区域对气候变化尤为敏感。已有研究指出，西南地区极端高温事件呈上升趋势，而极端低温事件则趋于减少，但区域内部仍存在空间分异特征[4]。贵州地处云贵高原东侧，山地丘陵广布，气候受季风与地形共同调控，夏季高温多雨，易引发高温胁迫、洪涝灾害及农作物病虫害滋生，对水稻、玉米、茶叶等主要作物的生长发育构成不利影响[5] [6]。然而，针对县域尺度、尤其是典型山地农业区高温气候特征的系统研究仍相对不足。锦屏县位于湘黔交界地带，属中亚热带湿润季风气候，年均气温16.4℃，夏季(6~8月)受暖湿气流控制，高温高湿特征显著。其较大的海拔落差与复杂地形导致局地气候差异明显，为研究山地农业区高温变化提供了典型样本。尽管已有学者对全国及区域尺度的高温变化进行了广泛探讨[7]-[13]，但针对锦屏县这一典型西南山地农业区夏季高温长期演变特征的研究仍较为缺乏。

研究利用1961~2024年锦屏县国家气象站高质量观测数据，通过多种统计方法揭示夏季高温的年际变化趋势与突变特征，并结合农业生产实际，探讨高温加剧对农作物生长发育的影响机制，旨在为区域农业气候区划调整、防灾减灾对策制定提供科学支撑。

2. 资料与方法

2.1. 数据来源

采用1961~2024年锦屏县气象国家气象站的逐年的平均气温、极端最高气温、高温日数等数据，该数据主要来源于锦屏县国家气象站数据库资料，所采用的数据均通过贵州省气象数据中心严格的质量控制，数据无缺失，且连续性、代表性强。这些数据具有较高的准确性和可靠性，能够真实地反映锦屏县的气候状况。当日最高气温大于或等于35℃时，定义为一个高温日。

2.2. 研究方法

该研究采用运用线性回归统计分析、和滑动平均法对锦屏县国家气象观测场1961~2024年的平均气温、年最高气温、高温日数等数据进行趋势分析，同时利用Mann-Kendall检验、滑动T检验对气温进行突变检验分析，最后确定锦屏县年最高气温、年最低气温和年平均气温序列的突变时间点，其具体的数理统计方法如下：

2.2.1. Mann-Kendall检验法

对于具有n个样本量的时间序列X，构造一秩序列：

$sk={\displaystyle \sum }_{i=1}^{k}ri,ri=\{\begin{array}{ll}1,\hfill & xi>xj\hfill \\ 0,\hfill & else\hfill \end{array}$ (1)

秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

UFk统计量用于检测时间序列的正向趋势。对于每个时间点$k\left(k=2,3,\cdots ,n\right)$ ，计算：

$UFk=\frac{sk-E\left(sk\right)}{\sqrt{Var\left(sk\right)}}$ (2)

$E\left(sk\right)$ ，$Var\left(sk\right)$ 是累计数sk的均值和方差，在$X1,X2,\cdots ,Xn$ 相互独立，且有相同连续分布时，它们可通过下式算出：

$E\left(sk\right)=\frac{n\left(n-1\right)}{4}$ (3)

$Var\left(sk\right)=\frac{n\left(n-1\right)\left(2n+5\right)}{72}$ (4)

UBk统计量用于检测时间序列的反向趋势。按时间序列x逆序$Xn,Xn-1,\cdots ,X1$ ，再重复上述过程，同时使$UBk=-UFk$ ，$(k=n,n-1,\cdots ,1)$ ，UB1 = 0。

2.2.2. 滑动t检验法

假设年温度X存在一个突变点，突变点前后X容量分别为N1、N2，公式如下：

$t=\frac{x_1-x_2}{\sqrt{\frac{\left(N_1-1\right)S_1^2+\left(N_2-1\right)S_2^2}{N_1+N_2-2}}\sqrt{\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2}}}$ (5)

式中，t服从自由度为$N1+N2-2$ 的t分布；N1、N2分别为某一基准年前后两个温度值个数；X1、X2分别为某一基准年前后两个气温相邻时段斜率平均值；t1、t2分别为前后两段样本标准差。

3. 结果与分析

3.1. 平均气温

通过对锦屏县年平均气温数据进行分析，由图1可以看出，1961~2024年锦屏县多年平均气温为16.7℃，年平均气温以0.146℃/10a的趋势升温，相比较中国气温升温速率0.30℃/10a要小[14]。相关系数r = 0.588，通过了a = 0.05的显著性检验，说明增长趋势是显著的。最小平均气温为1984年15.9℃，最大平均气温为2016年17.7℃；历年最大平均气温与历年最小平均气温相差为1.8℃。

Figure 1. Trend of average temperature change in Jinping County from 1961 to 2024

图1. 锦屏县1961~2024年平均气温变化趋势

Figure 2. Mann-Kendall test for annual average temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图2. 锦屏县1961~2024年平均气温M-K检验

使用M-K检验法对锦屏县近64a年平均气温进行突变检验可知，由图2中UF曲线可见，1961~1997年，UF曲线基本上均位于0值以下，仅在1963年大于0值，说明在1998年之前，锦屏年平均气温总体呈现下降趋势，并且UF曲线在1970~1972年、1974年、1976年低于a = 0.05显著性水平临界值(−1.96信度线)，说明下降的趋势较显著，其他时间段均位于a = 0.05显著性水平临界值(−1.96信度线)上方，说明下降的趋势不显著，同时UF与BF曲线在2001年之前并无交点，说明没有发生突变，UF和UB曲线相交于2001~2002之间，且位于0值线以上，说明了期间通过了“统计显著”水平。而自2002年以来，UF曲线超过0值并且持续上升，说明2002年后锦屏县年平均气温有明显的增加趋势，2006年之后增暖趋势超过a = 0.05显著性水平临界值(1.96信度线)，说明锦屏年平均气温自2006年以来的增暖趋势是十分显著的。从滑动t检验分析(见图3)得知，统计量t在1998年为最小值，超出a = 0.05显著水平临界线(−2.262信度线)，表明1998年发生了突变。通过M-K检验法和滑动t检验分析，二者结论一致。

Figure 3. Moving t-test of annual average temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图3. 锦屏县1961~2024年平均气温滑动t检验

3.2. 极端低温

Figure 4. Variation trend of high-temperature days in Jinping County from 1961 to 2024

图4. 锦屏县1961~2024年极端最低气温变化趋势

通过对锦屏县极端最低气温数据进行分析(见图4)，1961~2024年锦屏县多年平均极端最低气温为−3.3℃，整体极端最低气温以0.40℃/10a的趋势升温。相关系数r = 0.4833，通过了a = 0.05的显著性检验，说明增长趋势是显著的。最小极端最低气温为1977年−8.4℃，最大极端最低气温为2015年−0.7℃；历年最极端最低气温与历年最小极端最低气温相差为6.7℃。

由锦屏县近64a年极端最低气温M-K突变检验(见图5)可知，图中UF曲线，1961~2024年，UF曲线仅在1963年、1969~1979年这两个区间小于0值，其余时间均位于0值以上，说明1969~1979年之间，锦屏极端最低气温呈现下降趋势，1980年之后，总体呈现上升趋势，并且UF和UB的曲线有且仅有一个交点在置信区间范围内，交点出现在1980~1981年，1981年以后，UF曲线超过0值并且持续上升，说明1981年后锦屏县年极端最低气温有明显的增加趋势，1987年之后增暖趋势超过a = 0.01显著性水平临界值(1.96信度线)，说明锦屏极端最低气温自1987年以来的增暖趋势是十分显著的。从滑动t检验分析(见图6)得知，统计量t在1979年为最小值，超出a = 0.05显著水平临界线(−2.262信度线)，表明1979年发生了突变。

Figure 5. Mann-Kendall test for extreme minimum temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图5. 锦屏县1961~2024年极端最低气温M-K检验

Figure 6. Sliding t-test for extreme minimum temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图6. 锦屏县1961~2024年极端最低气温滑动t检验

图7为1961~2024年锦屏本站逐年0℃及以下低温日数，可以看出，1961~2024年锦屏县平均低温日数为13.2 d，随着年份的增加，低温日数有减少的趋势，整体以1.306 d/10a的趋势减少，年度0℃及以下低温日数最多出现在1969年(32 d)，最少出现在2016年(1 d)。

Figure 7. Variation trend of days with low temperature at or below 0˚C in Jinping County from 1961 to 2024

图7. 锦屏县1961~2024年0℃及以下低温日数变化趋势

3.3. 极端高温

锦屏县1961~2024年极端最高气温变化趋势(见图8)显示：1961~2024年锦屏县多年平均极端最高气温为37.2℃，近64a锦屏县极端最高气温整体以0.204℃/10a的速率呈现升温趋势。相关系数r = 0.3563，通过了a = 0.01的显著性检验，说明增长趋势是显著的。最大极端高温为2021年39.8℃，最小极端高温为1973年35.0℃；历年最大极端最高气温与历年最小极端最高气温相差为4.8℃。

Figure 8. Variation trend of extreme maximum temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图8. 锦屏县1961~2024年极端最高气温变化趋势

使用M-K检验法对锦屏县近64a年极端最高气温进行突变检验可知，由图9中UF曲线可见，1961~2001年，UF曲线基本上均位于0值以下，仅在1962年、1993年这两年大于0值，说明在2002年之前，锦屏年极端最高气温总体呈现下降趋势，并且UF曲线在1968~1970年低于a = 0.05显著性水平临界值(−1.96信度线)，说明下降的趋势显著，其他时间段均位于a = 0.05显著性水平临界值(−1.96信度线)上方，说明下降的趋势不显著，同时UF与BF曲线在2002年之前并无交点，说明没有发生突变。而自2002年以来，UF曲线超过0值并且持续上升，说明2002年后锦屏县年极端最高气温有明显的增加趋势，2014年之后增暖趋势超过a = 0.05显著性水平临界值(1.96信度线)，说明锦屏年极端最高气温自2014年以来的增暖趋势是较为显著的。从滑动t突变检验分析(见图10)得知，统计量t在2002年为最小值，超出0. 05显著水平临界线(−2.262信度线)，表明2002年发生了突变。

Figure 9. M-K test for annual average temperature in Jinping County from 1961 to 2024

图9. 锦屏县1961~2024年极端最高气温M-K检验

Figure 10. Sliding t-test of high-temperature days in Jinping County from 1961 to 2024

图10. 锦屏县1961~2024年极端最高气温滑动t检验

图11为1961~2024年锦屏本站逐年高温日数，可以看出，1961~2024年锦屏县平均高温日数为15.6 d，随着年份的增加，高温日数有增加的趋势，整体以1.315 d/10a的趋势增加；年度35℃及以上高温日数最多出现35 d (在2011年和2013年)，最少为1973年、1974年、1987年、1993年、1996年均只出现2 d。21世纪之前，高温日数超过25 d的有5个年份，有7个年份的高温日数低于5 d；21世纪之后，年高温日数均超过5 d，并且有4年(2009、2010、2011、2013)超过30 d。

Figure 11. Variation trend of high-temperature days in Jinping County from 1961 to 2024

图11. 锦屏县1961~2024年高温日数变化趋势

4. 高温变化对农业生产的影响

在全球气候变暖的背景下，极端高温事件日益频繁、强度增强、持续时间延长，已成为影响农业生产稳定性和可持续性的关键气候因子。高温天气，尤其是超出作物和畜禽正常生理耐受范围的极端高温，对农业生产构成严重威胁。其影响广泛而深远，涉及种植业、病虫害等多个方面，对整个农业生态系统构成系统性冲击，已成为气候变化背景下制约农业可持续发展的关键因素，其变化严重威胁国家粮食安全与农民生计。

4.1. 高温对农作物生长的影响

锦屏县夏季最高气温的持续升高对主要农作物水稻和玉米的生长发育的负面影响尤为显著，构成了严重威胁。当气温超过作物生长的最适范围，尤其是达到或超过其耐热临界值时，植物的光合作用效率显著下降[15]，1961~2024年数据显示，极端最高气温从1973年的35.0℃升至2021年的39.8℃，整体以0.204℃/10a的速率上升，且自2002年起进入显著增暖阶段，这一变化直接影响作物关键生育期的生理过程。更为关键的是，高温对作物生殖生长阶段的破坏具有不可逆性。在开花、授粉、受精等生殖关键期遭遇高温胁迫，将直接导致繁殖失败。水稻抽穗扬花期多集中在7月下旬至8月上旬，正值夏季高温高发期。当日最高气温连续≥35℃时，花粉活力显著下降，花药开裂受阻，导致授粉受精失败，空秕率大幅上升，形成“高温逼熟”现象。在2011年、2013年等极端高温年份，局部稻田减产达10%~15%。同时，高温加速水稻发育进程，使抽穗提前但灌浆期缩短，籽粒充实不足，千粒重降低，影响产量和米质；长期高温还抑制光合作用，增加呼吸消耗，削弱植株抗逆能力，易诱发纹枯病、稻飞虱等病虫害加重发生。玉米在拔节至抽雄期对高温极为敏感，当夏季最高气温频繁突破35℃时，易引发“卡脖旱”，即雄穗提前抽雄而雌穗吐丝延迟，造成花期不协调，授粉率下降，果穗秃尖、缺粒严重。灌浆期高温则加快植株呼吸消耗，缩短灌浆时间，干物质积累减少，导致籽粒不饱满。此外，高温加剧蒸腾作用，导致植株水分失衡，尤其在坡地和灌溉不足区域，易出现萎蔫、早衰等现象。随着夏季极端高温频率和强度持续增强，水稻和玉米面临日益严峻的热害风险，传统种植模式亟需调整，以保障粮食生产安全。

4.2. 高温对病虫害发生的影响

锦屏县夏季最高气温的显著升高为农作物病虫害的发生与蔓延创造了有利环境，显著加剧了生物灾害风险。数据显示，极端最高气温从35.0℃升至39.8℃，高温日数持续增加，且自2002年后增暖趋势显著，导致夏季高温高湿天气频发，为多种病虫害提供了适宜的温湿条件[16]。稻飞虱、稻纵卷叶螟等迁飞性害虫在高温环境下繁殖速度加快，世代周期缩短，发生代次增加，种群数量呈指数级增长。近年来，这些害虫在锦屏县的发生期明显提前，危害期延长，防控压力显著加大。同时，高温抑制蜘蛛、寄生蜂等天敌昆虫的活动能力和繁殖效率，打破农田生态系统的自然调控机制，削弱生物控害作用，导致害虫更易暴发成灾。在病害方面，高温高湿环境利于纹枯病、稻瘟病、玉米大小斑病等真菌性病害的孢子萌发、传播和侵染。水稻在持续高温胁迫下，生理代谢紊乱，抗病能力下降，更易被病原菌侵入，导致病害流行[17]。玉米在高温条件下生长受抑，组织老化加快，易受玉米螟等钻蛀性害虫侵害，形成“虫伤 + 病菌入侵”的复合危害。总体来看，夏季最高气温的持续攀升不仅直接危害作物生长，还通过促进病虫繁殖、削弱作物抗性、破坏生态平衡等途径，显著提升病虫害发生强度与防控难度，已成为影响锦屏县农业可持续发展的重要制约因素，亟需建立基于高温气候特征的病虫害预警与绿色防控体系。

5. 结论与讨论

锦屏县1961~2024年逐年的平均气温、极端最低气温、极端最高气温等资料，分析了锦屏县的气温年际变化特征，并使用M-K检验和滑动t检验对多年平均气温、多年极端最低气温、多年极端最高气温作分析处理，得出如下结论：① 锦屏县1961~2024年平均气温为16.7℃，年平均气温增长率约为0.146℃/10a，历年最大平均气温与历年最小平均气温相差为1.8℃，1998年之前，锦屏年平均气温总体呈现下降趋势，平均气温在1998年发生突变，1998年之后，年平均气温总体呈现上升趋势；② 多年平均极端最低气温为−3.3℃，年极端最低气温增长率约为0.40℃/10a，历年最极端最低气温与历年最小极端最低气温相差为6.7℃，1980年之前，锦屏极端最低气温呈现下降趋势，1979年发生了突变，1980年之后，总体呈现上升趋势，1961~2024年的低温日数整体呈现减少的趋势，平均低温日数为13.2 d，整体以1.306 d/10a的趋势减少；③ 多年平均极端最高气温为37.2℃，年极端最高气温增长率约为0.204℃/10a，历年最大极端最高气温与历年最小极端最高气温相差为4.8℃，2002年之前，锦屏极端最低气温呈现下降趋势，2002年发生了突变，2002年之后，总体呈现上升趋势，1961~2024年的高温日数整体呈现上升的趋势，平均高温日数为15.6 d，整体以1.315 d/10a的趋势增加。

锦屏县1961~2024年气温变化呈现显著阶段性与增暖特征，与全球变暖区域响应趋势一致，极端高温事件多发频发变化，对农业生产、生态环境及公众健康具有重要影响。气温变化对农业影响显著，农作物生长周期方面，春季升温使水稻、玉米等播种期提前，但夏季高温可能导致生长异常。产量与质量上，气温变化利弊共存，冬季升温利于柑橘增产提质，夏季高温却使水稻减产降质。农业病虫害方面，气温升高加快害虫繁殖，生存范围扩大，改变发生时间。由于资料选取有限，仅仅是对锦屏县国家气象站的气温资料进行了研究分析，没有在空间上进行特征分析。因此在实际工作生活应用中，要结合各乡镇的区域自动站气温资料开展修订，以便更加接近实际情况，指导农业生产，趋利避害。

基金项目

贵州省气象局科研业务项目(黔气科登[2025]05-02号)。

NOTES

^*第一作者。(张仁忠(1997.10--)，男，贵州麻江，助理工程师，本科，主要从事综合气象业务工作，E-mail：[e-mail])

^#通讯作者。(杨胜忠(1980.01--)，男，贵州麻江，高级工程师，本科，主要从事气象服务工作，E-mail：[e-mail])