天津市植物气候生产力的估算

柳　芳

摘要:利用天津市20个观测点的气候资料,应用桑维斯特纪念模型估算天津市植物气候生产力,结果显示,天津市植物气候生产力呈东西走向的带状分布,最大值在北部蓟县山区,最小值在中部的武清和北辰。水分是限制天津市作物生长的主要气候因素,天津市的水分亏缺量为142.8～352.5 mm。

关键词:天津;植物气候生产力;桑维斯特纪念模型

中图分类号:S165+.29文献标识码:A文章编号:1006-6500(2009)02-0042-04

Calculation of Plant Climatic Productivity in Tianjin

LIU Fang

(Tianjin Climate Service Center,Tianjin 300074,China)

Abstract:By using climatic data, the plant climatic productivity in Tianjin was calculated with Miami and Thornthwaite-Memorial model. The result showed that the plant climatic productivity was zonal distribution from east to west. The north parts of Jixian county had the highest plant climatic productivity, and the lowest plant climatic productivity lay in the middle parts of Wuqing and Beichen district. Water condition was the main limited factor for the plant climatic productivity in most regions of Tianjin. The water deficit was at the range of 142.8～352.5 mm.

Key words: Tianjin;plant climatic productivity;Thornthwaite-Memorial model

植物气候生产力是指某一地区植物群体在土壤肥力等其他条件满足其生长发育的情况下,由当地的光、温、水等气候因子决定的每年单位土地面积上的植物最大生物量,包括地上和地下部分。植物产量的形成是自身的生物学特性与外界生长环境因子相互作用的结果。后者主要可分为两大类:人为管理和自然环境中的光、热、水、气、土壤肥力条件等。生物学特性、自然环境中的氧、二氧化碳、土壤肥力等都是相对比较稳定的因素,人为管理是可以控制的,因此,一个地区的植物产量变化主要是由当地的光、热、水气候条件的变化决定的。不同地区,不同的光、热、水资源差异,导致地区间的植物气候生产力差异。研究某一地区的植物气候生产力变化,对于合理开发利用资源,寻找有效途径提高本地植物气候生产力,农业气候区划,植物品种配置,种植制度安排等都具有重要意义。因此,许多国内外专家都在这方面做了大量的研究工作[1-6]。

1天津市的自然条件概况

天津地处华北平原东北部,海河流域下游,其东北部、西南部和南部与河北省平原地区连接,西北部与北京相邻,东部面临渤海湾,总面积11 919.7 km²,位于北纬38°34′～40°15′,东经116°43′～118°04′范围内,南北最长约188.4 km,东西最宽约117.2 km,海岸线长约153.3 km。海拔从天津北部、西北部山区向南部平原逐级下降,形成西北高、东南部低的地势,绝大部分是海拔2～5 m的冲积平原,地形平坦、开阔。最高点是蓟县东北部的八仙山聚仙峰,海拔为1 052 m。在天津市的总面积中,平原面积占93.15%,山区面积占6.85%。天津属于暖温带半干旱、半湿润季风气候,一年中四季分明。

2研究方法

目前,在我国计算植物气候生产力主要采用3种模型:筑后模型、迈阿密模型(Miami)、桑斯维特纪念模型(Thornthwaite-Memorial)。由于筑后模型是一种半理论半经验模式,计算所需参数较多,部分参数本文尚未获得,故本文仅介绍后2种模型的计算结果。

2.1迈阿密模型(Miami)[7,8]

NPP(t)=30 000/[1+exp(1.315-0.119t)](1)

NPP(p)=30 000[1-exp(-0.000 664p)](2)

式中:t为年平均气温(℃);p为年平均降水量(mm);NPP(t)和NPP(p)分别为以温度和降水量估算的植物干物质产量(kg/(hm²·a))。根据Liebig的限制因子定律,选取二者中的最低值作为各计算点的植物气候生产力。

2.2桑斯维特纪念模型(Thornthwaite-Memorial)[7,8]

NPP(e)=30 000[1-exp[-0.000 969 5(e-20)]] (3)

e=1.05p/[1+(1.05p/ l)2](4)

l=300+25t+0.05t3 (5)

式中:t、p意义与2.1模型相同;30 000:经统计得到的地球自然植物每年在每公顷土地上的最高干物质产量(kg);e:年平均实际蒸散量(mm);l:年平均最大蒸散量(mm)。只有当p>0.316 l时,(5)式才适用;若p/l<0.316时,则p=e。

3结果与分析

考虑到北部山区气候条件比较复杂,选取天津市13个区县和蓟县7个山区水文观测点的年降水量、年平均气温代入(1)、(2)、(3)式中,计算结果如表1。由表1可知,由温度计算的植物气候生产力NPP(t)平均为16 420.6 kg/(hm²·a),由降雨量计算的植物气候生产力NPP(p)平均为8 754.2 kg/(hm²·a),相当于温度产量的53.3%,这表明天津市的气候条件对于植物的生长发育来说,热量条件充足,而水分条件是制约植物产量的主要因子。北京由降雨量计算的植物气候生产力占温度计算的植物气候生产力的73%[9],比天津的百分比数字要大,也表明天津市降水对作物生长的亏缺程度比北京更加严重。

Thornthwaite-Memorial模型在计算中引入了蒸散量的概念,蒸散量是指土壤蒸发和作物蒸腾的耗水之和,是诸多气象因子共同作用的结果。蒸散量能够比较客观的反映一个地区的水热平衡状况和植物的光合作用状况,与植物群体的生产能力有着密切关系。因此,用蒸散量来计算植物气候生产力比仅考虑温度或降水因素更加接近实际自然状况。对比2种模型的计算结果,除蓟县山区的罗庄子外,NPP(t)数值最大,NPP(p)数值最小,NPP(e)居中。也就是说,由温度计算出的植物气候生产力比实际值要大,因为没有考虑水分的制约(削减)作用;由降水计算出的植物气候生产力比实际值要小,同样是因为没有考虑温度的促进(增加)作用。实际的植物气候生产力数值应该介于两者之间,更接近于由蒸散量计算出的结果。

由Thornthwaite-Memorial模型的计算结果如图1,天津市植物气候生产力的低值中心在武清区和北辰区,最小值为8 986.782 kg/(hm²·a);高值区位于蓟县北部山区,最大值为10 903.654 kg/(hm²·a),与年降水量的空间分布特征基本一致,图2。

对Thornthwaite-Memorial模型进行数学变换,e与NPP(e)呈正相关关系,当e达到最大时,由此计算出的植物气候生产力也最大,当e=l时即达到最大值。由(4)、(5)两式可以计算出当年平均实际蒸散量达到年平均最大蒸散量时需要补充的水量,由此可以确定各地的水分亏缺程度。计算结果表明,天津市各区县的补充水量为142.8～352.5 mm,基本可以划分为3个区域,补充水量在320 mm以上的地区主要在天津市的中南部和东部的两个港口地区,这些平原地区海拔低,热量条件好,蒸发力强,需要补充的水量较多。补充水量在290～320 mm之间的地区主要在天津北部平原和东北部,这些地区热量条件比前一个区域略差,需要补充的水量也略少一些。第3个区域为补充水量低于290 mm以下的地区,主要在北部蓟县山区,这些地区海拔较高,热量条件较差,蒸发力弱,同时由于地形作用,降水条件较充沛,需要补充的水量较少。

补充水量次多的地区为天津市主要的农作物种植区和最大的葡萄种植区。目前,天津市年降水量呈现不断减少的趋势,水分对作物和果树生长的制约作用日趋明显。因此,该地区一方面应

积极贮备水源,以备灌溉;另一方面,大力发展农业节水技术,提高水分利用效率,同时合理布局农业生产,引进需水少、抗旱性能强的品种。对于北部蓟县山区等植物气候生产力高的地区,应进一步开发利用。

4结 论

(1)由于Thornthwaite-Memorial模型考虑的因素较全面,计算结果更加合理,笔者以该模型计算的结果讨论天津市植物气候生产力分布状况。天津市植物气候生产力呈东西走向的带状分布,分布特点为北部蓟县山区最高,中部武清、北辰最小。

(2)由Thornthwaite-Memorial模型计算的天津市植物气候生产力与年降水量空间分布基本一致。水分是制约作物生长的主要因素。

(3)天津市由降雨量计算的平均植物气候生产力相当于由温度计算的平均植物气候生产力的53.3%,北京为73%,天津市水分条件对农作物生长的亏缺程度比北京更加严重。

(4)若通过补充水分的方法使某一地区达到年平均最大蒸散量时,天津市各地区的补充水量为142.8～352.5 mm,按照补充水量的多少可划分为3个区域,中南部和东部的两个港口地区最多,北部平原地区和东北部地区次之,北部蓟县山区最少。

参考文献:

[1] 王愿昌.南小河沟流域山坡地剌槐林生产潜力分析[J]. 水土保持研究,1998,8(4):89-92.

[2] 高素华,潘亚茹,郭建平,气候变化对植物气候生产力的影响[J].气象,1994,20(1):30-33.

[3] 侯光良,游松才.用筑后模型估算我国植物气候生产力[J].自然资源学报,1990,5(1):60-64.

[4] 杨正礼,杨改河.中国高寒草地生产潜力与载畜量研究[J].资源科学,2000,22(4):73-77.

[5] 郭建平,高素华,刘玲.中国北方地区牧草气候生产潜力及限制因子[J].中国农业生态学报,2002,10(3):44-46.

[6] 徐伦先.用植物气候生产力对桉树短轮伐期纸浆林作宏观产量预测[J].林业调查规划,2005,30(1):8-12.

[7] 袁嘉祖.黄土高原地区植物气候生产力[J].生态学杂志,1990,9(4):45-48.

[8] 郭志华,李琼婵.广东省植被潜在生产力的估算及其分布[J].热带亚热带植物学报,1997,5(1):45-52.

[9] 田志会,李凤琴,郭文利,等.基于小网格的北京山区植物气候生产力及其限制因子分析[J].中国农业大学学报,2004,9(6):21-26.