河村项目区气候变化及其生产潜力分析

王宏富,郝建平,卢琛琛,王轶锋,陈新霞,陈玉娟

(1.山西农业大学 农学院,山西太谷 030801;2.平陆县农业局,山西 平陆044300)

我国目前的农、林、牧业生产仍在很大程度上依赖于气候状况,在北方半干旱地区更是如此。气候作为自然资源的重要组成部分,是影响植物气候生产潜力的重要因素。近百年来,我国气温上升了0.4～0.5℃[1]。随着气候变暖,气候变化对植物气候生产力的影响受到了许多学者的关注[2～8]。讨论气候对植物生产的潜在影响对当地农业经济的发展,以及政府决策的制定和实施有重要作用。

植物气候生产潜力是指在土壤和气候处于最适宜条件下植物所能达到的最大净第一性生产力,它是生态学研究的重要内容。许多学者利用不同模型和方法研究了我国不同地区的净第一性生产力[3～11]。河村是国家“十一五”科技支撑计划旱作节水高效农业综合技术研究与示范项目区,是典型的半干旱区,旱涝威胁直接影响到当地农业生产,因此,研究当地的气候变化趋势及其对植物生产力的影响具有现实意义,对制订应对气候变化、保护耕地与提高植物生产潜力方面的决策具有参考价值。

1 材料与方法

1.1 气象数据

研究所依据的气象数据来源于河村周边11个气象站点(阳曲、盂县、太原、寿阳、平定、阳泉、榆次、和顺、忻州、定襄、五台)1979～2008年 30年的逐年气温和降水资料。

1.2 研究方法

国家支撑计划河村旱作节水试验示范项目区位于山西省太原市阳曲县凌井店乡河村(北纬38.0°;东经 112.9°;海拔 1248.5 m)。由于该地目前尚缺常年气象要素资料,根据经度、纬度及海拔三维与气象要素的内在相关关系,利用河村周边11个气象站点1979～2008年30年的气象资料,使用多项式逐步回归方法,建立了气温、降水等气象要素(Y)与经度(X1)、纬度(X2)和海拔(X3)的三元二次回归模型,回归模型达到信度0.0001～0.01极显著水平,相关系数在0.9000以上。

植物气候生产潜力采用H.里思(Helmut Lieth)1971年提出的迈阿密模型(Miami model)和1972年提出的桑斯威特模型(Thornthwaite model)进行估算[12,13]:

1.2.1 迈阿密模型

(1)降水生产力模型:

式中:YR为单位面积上的年生产力水平(kg◦hm-2◦a-1),R为该地年均降水量(mm)。

(2)温度生产力模型:

式中:YT为单位面积上的年生产力水平(kg◦hm-2◦a-1),T为该地年均温度(℃)。

1.2.2 桑斯威特模型

因为蒸发受太阳辐射、温度、降水量、饱和气压差、风速等一系列气候因素的影响,因此该模型可以把水热平衡联系在一起,是一个地区水热状况的综合表现。

式中:YE为实际蒸发散量计算得到的气候生产潜力(kg◦hm-2◦a-1);E为年平均蒸发散量(mm),由 TURC公式确定,即:

式中:R为年降水量(mm);E0为年最大蒸发散量,是温度t的函数:E0=300+25 t+0.05 t2(当且仅当R＞0.316 E0时 TURC公式才适用,若R＜0.316 E0,则E=R)。

2 结果与分析

2.1 河村项目区气温、降水变化趋势

1979～1988年河村年均温为6.24℃,1989～1998年为6.87℃,1999～2008年为7.34℃(见图1)。1979～2008年年均温虽然存在年际变动,但总体呈上升趋势,1979～2008年30年平均年均温比1980年前的21年平均上升了约0.54℃(见表1)。而降水量 1979～1988年为 439.8 mm,1989～1998年为 436.4 mm,1999～2008年为419.1 mm(图2)。1979～2008年降水量总体呈下降趋势,30年平均比1980年前的21年平均减少了77.3 mm,其中最热的 6～9月减少达 50.4 mm,说明夏季干旱明显增加。

图1 河村1979～2008年气温变化Fig.1 Annualmean temperature on Hecun(1979～2008)

图2 河村1979～2008年降水量变化Fig.2 The changes of annual rainfall on Hecun(1979～2008)

表1 河村项目区各月气温及降水量Table 1 The monthly temperature and precipitation

2.2 河村项目区植物气候生产力变化趋势

图3为河村1979～2008年降水生产力(YR)、温度生产力(YT)和蒸散生产力(YE)变化趋势图,可以看出,温度生产力呈增长趋势,1979～2008年30年平均每年增长0.13%,30年比1980年前的21年增长4.1%(447.9 kg◦hm-2◦a-1);降水生产力呈减少趋势,1979～2008年30年比1980年前的21年减少12.9%(1122.6 kg◦hm-2◦a-1);而蒸散生产力1979～2008年30年比1980年前减少5.3%(435.6 kg◦hm-2◦a-1)(表2)。

图3 1979～2008年河村气候生产力(虚线为线性趋势线)Fig.3 The Climatic productivity of Hecun in 1979～2008

表2 河村项目区气候生产力Table 2 The Climatic productivity of Hecun

根据 Liebig的限制因子定律,选取YR、YT、YE中的低值作为该地的气候生产潜力,以便寻找影响该地生产潜力的限制因素。对比表2数据后发现,1980年代以前YT＞YR＞YE,1980年代以后(1979～2008年)YT＞YE＞YR,表明河村热量条件相对充足,而水分相对不足是限制植物生产力提高的因素之一。

2.3 气候变化与蒸散生产力的相关性分析

由于蒸发受太阳辐射、温度、降水量、饱和气压差、风速等一系列气候因素的影响,因此蒸散生产力(YE)可以把水热平衡联系在一起,是一个地区水热状况的综合表现。通过分析河村气温、降水与蒸散生产力的关系,发现蒸散生产力与降水量、气温呈显著正相关,且气温变化对蒸散生产力的影响比降水量变化的影响更为显著。回归分析表明,如果气温或降水提高1个单位,蒸散生产力将分别提高177.2 kg◦hm-2◦a-1与8.1 kg◦hm-2◦a-1。其相关性可表示为:

式中:YE为蒸散生产力,T为年均气温,R为年降水量。

3 结论与讨论

通过多元逐步回归分析表明,河村项目区1979～2008年间的年平均气温呈上升趋势,30年上升约0.54℃,与秦大河[1]、丁一汇[14]等人研究变化趋势一致;而降水量呈减少趋势,30年减少77.3 mm,主要减少在6～9月。

1979年以后的30年间,河村温度生产力呈增长趋势,但蒸散生产力呈减少趋势,且主要受降水的影响,水分的相对不足是限制河村气候生产力提高的主要因子。

在一定范围内,气温升高会提高植物气候生产力,但局部降水的减少影响了植物的光合同化作用。因此,对于河村,未来植物气候生产力的提高及作物增产的主要途径是提高降水利用率和作物的水分利用效率。

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