宁夏中部干旱带56年来气候生产潜力变化特征研究——以宁夏中宁县为例

余海龙，黄菊莹，王亭荷

（1.宁夏大学 资源环境学院，银川750021；2.宁夏大学 新技术应用研究开发中心，银川750021）

气候生产潜力是指当其它条件（如土壤、养分、二氧化碳等）处于最适状况时，充分利用光、热、水气候资源时，单位面积土地上可能获得的最高生物学产量或农业产量［1－2］。从生态学角度看，气候生产潜力（climate potential productivity）就是由气候因素决定的平均生产第一生产力的能力（即干物质量），反映了某地在特定的气候背景之下农业生产所具备的基础潜力，显然气候生产潜力与气候变化密切相关。

在全球气候变暖背景下，中国近百年增温0.5～0.8℃，其中北方地区增温最为明显。气候变化对环境脆弱带生态系统的初级生产力影响巨大［3－4］。中宁县位于宁夏回族自治区中部西侧，黄河西岸，属于北方农牧交错区。中宁县年平均气温9.5℃，年平均降水202.1mm，6—8月的降水量占全年降水量的61%；年蒸发量1 947.1mm，为年平均降水量的9.6倍。中宁降水稀少且农业生产受气候变化影响非常显著，是气候变化极度敏感区，更是生态环境脆弱带。在全球气候变暖背景下，在现有生产力水平保持不变的前提下，植物生产潜力将会随之普遍下降［5］。作物产量下降、农业生产水资源短缺、粮食产量波动等一系列问题变得更为现实和迫切。鉴于此，本研究利用多年气象资料，运用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型分析中宁县温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力变化规律，探讨气候生产潜力变化规律及其主要影响因子，深入研究56a来气候生产潜力的演变特征，并对气候生产潜力变化的驱动力进行分析，为指导农业生产、因地制宜利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

本文主要数据源为宁夏中宁县气象台站温度与降水资料（1953—2008年），该时段内数据完整，无缺失。

1.2 研究方法

影响植物产量的因素是多方面的，诸如气候、土壤、品种、作物群体结构等。植物气候生产潜力计算方法很多，如迈阿密模型、蒙特利尔模型等。考虑到资料的易获取性和实用性，本文选用Miami模型对温度生产潜力和降水生产潜力进行估算；采用Thornthwaite memorial模型估算气候生产潜力［6］。Miami模型是从植物的生理生态角度出发，指出对植物生长及其生物量形成的主要影响因子是温度和水分，并通过计算该地区的年降雨量和年平均气温等主要气候要素来决定植物的气候生产潜力，计算公式为：

式中：t——年平均温度（℃）；r——年降水量（mm）；e＝2.718 3；Yt，Yr——年平均温度、年降水量决定的生产潜力［kg／（hm2·a）］。

Thornthwaite memorial模型是依据植被与降水、蒸发蒸腾量和年均气温之间的关系，建立起来的统计关系模型，同样采用该模型对研究区天然草地的气候生产潜力进行估算：

式中：T——年平均温度（℃）；R——年降水量（mm）；L——年平均最大蒸发量（mm），e＝2.718 3；Ye——年平均温度、年降水量复合影响下的气候生产潜力，及干物质量［kg／（hm2·a）］［7］。该模型充分考虑了光、温、水对作物干物质积累的综合影响，表征了作物产量与光合作用的密切关系［8－9］。

2 结果与分析

2.1 气候变化特征分析

2.1.1 气温 从年气温变化趋势（图1）可以看出，1990年以来气温呈波动上升趋势。主要表现在1995年以前气温波动呈负值，而1995年至今气温波动为正值，2002年达到年平均温度最高值（12.13℃），从1996年起持续增温，该区气候呈现暖干特征。1953—1960年气温距平为负值，其值为0.9℃；1960s气温距平为负值，其值为1.3℃；1970s气温距平为负值，其值为0.9℃；1980s气温距平为负值，其值为0.8℃；1990s气温距平为正值，其值为0.2℃；2000—2008年气温距平为正值，其值为0.5℃。1990s以来，气温上升明显，总体上升了2.7℃，平均以0.03℃／a的速度递增。

2.1.2 降水量 从年平均降水量变化趋势（图1）中可知，降水量变化波动很大，呈逐年递减的趋势。全区多年平均降水量为219.9mm，丰雨年（389.3mm）与贫雨年（100.9mm）降水量相差很大。降水量分布很不均匀，多集中在6—9月，占全年降水量60%以上；很多降雨都以暴雨形式出现，年际之间变化也很大。1960s降水距平为正值，比多年平均降水量大8 mm；1970s降水距平为负值，降水量减少了5mm；1980s降水距平为负值，降水量减少了18mm；1990s降水距平为负值，降水量减少了29mm；2000—2008年降水距平也是负值，降水量减少了34mm。这就说明，1960s该区降水较充沛，而1970s以后降水量逐年下滑。研究结果表明，降水量以0.96mm／a的速度递减。

图1 中宁地区年均温度与降水年际变化（1953－2008）

2.2 温度生产潜力与降水生产潜力特征

根据 Miami模型对中宁县温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）平均状况进行分析。56a来温度生产潜力呈显著增加趋势（Yt＝388.52x），而降水生产潜力略有减少（Yr＝－16.264x＋4306.3）。图2表明，56a来气温呈稳定增加趋势，和全球变暖趋势基本一致。由于中宁地处内陆，从西面、北面至东面，由腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙地相围。独特的地理位置，导致中宁降水量偏少且年际变化大。表现在降水生产潜力方面则为降水逐年减少且年际变化大，因而降水生产潜力亦随之出现波动并总体表现为逐年降低。

图2 中宁县温度生产潜力与降水生产潜力变化趋势

2.3 气候生产潜力特征

2.3.1 气候生产潜力年代际变化 根据Thornthwaite Memorial模型计算出的研究区各地的气候生产潜力结果，56a来平均气候生产潜力为4 809.17 kg／（hm2·a）。由表1可知，气候生产潜力波动较大，但总体呈下降趋势。最小值出现在2005年，为1 744.15kg／（hm2·a）；最大值出现在 1964 年，为7 929.24kg／（hm2·a）。1953—1980年气候生产潜力距平为正值，但已开始以13.42kg／（hm2·a）的速度递减。1980s、1980s以及2001—2008年气候生产潜力距平均为负值，呈明显下降趋势。

表1 中宁地区气候生产潜力年代际变化

2.3.2 气候生产潜力与气候因子的相关分析 统计分析中宁地区自然植被气候生产潜力与年降水量和年均温的关系，气候生产潜力与气温、降水的相关性分析表明，气候生产潜力与年降水量呈显著相关性、与年平均气温呈负相关，相关系数分别为0.995，－0.096。根据Liebig的限制因子定律，选取温度、降水生产潜力中的低值作为气候生产潜力的逼近值，以便寻找影响气候生产潜力的限制因素。对比数据后发现，所有年份的温度生产潜力＞降水生产潜力，表明中宁地区热量条件相对充足，而水分相对不足是限制作物产量的原因。温度生产潜力平均值为14 367.4 kg／（hm2·a），降水生产潜力3 842.8kg／（hm2·a）。降水生产潜力仅为温度生产潜力的26.7%。可见降水是中宁地区气候生产潜力最主要的限制因子。

2.4 气候变化对气候生产潜力的影响分析

对于一个地区，植物净气候生产潜力主要决定于该地区的光、热和水资源。气候生产潜力变化趋势受制于气候变化。由于气候变化年际差异显著，因而不同年份的光、热和水能资源有明显的差异。通过对比发现，在过去的56a来中宁地区气候生产潜力主要受制于降水量的变化。从气候生产潜力来看，温度升高，光温生产潜力将增加；但是，温度升高的同时，潜在蒸散也将增加，这将可能导致气候生产潜力下降。

尽管对未来气候的确切变化规律尚难精确预测，但是许多科学家对我国未来50a的气候变化趋势进行了大量的研究和预测，普遍认为未来我国气温仍会持续上升，到2050年我国大部分地区将升高2～3℃，部分地区将升高4℃，尤其是我国西部黄土高原，气温更趋于变暖，降水量将减少1%～7.5%［10］。气候生产潜力的大小主要取决于光、温、水三要素的数量及其相互配合协调的程度。中宁地区降水年际、年内变化大会造成光、温、水各三素匹配组合差异。即使是温度生产潜力逐年增加，但降水逐渐减少的趋势势必影响区域气候生产潜力的增幅。因此，气候的暖干化趋势对研究区未来农业发展提出了严峻挑战。参照以上研究及气候变化趋势预测，也即是说当中宁地区的气候呈“暖干型”时，中宁地区的气候生产潜力亦将趋于下降。为此，研究区必须科学地调整农业生产格局，趋利避害，因地制宜，为充分利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。

3 结论

（1）根据 Miami模型对中宁县温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）平均状况进行分析。56a来温度生产潜力呈显著增加趋势，而降水生产潜力呈明显下降趋势。

（2）受气温和降水量等主要气候因素的影响，56 a来中宁地区植被气候生产潜力在波动中呈现出减少的趋势，从1953年的5 047.29kg／（hm2·a）下降至到2008年的3 122.27kg／（hm2·a），近56a的平均值为4 809.17kg／（hm2·a）。

（3）年降水量与气候生产潜力呈极显著线性相关，与年平均气温没有显著相关性。说明降水是中宁地区气候生产潜力最主要的限制因子。

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