未来气候情景下广西冬季农业气候生产潜力的变化特征

廖雪萍，刘一江，李耀先，梁骏，梁驹，覃峥嵘

(1.广西气象减灾研究所，广西南宁520022;2.南京农业大学，江苏南京210095;3.广西大学，广西南宁530004;4.英国雷丁大学，英国雷丁RG6 6BB)

未来气候情景下广西冬季农业气候生产潜力的变化特征

廖雪萍1，刘一江2，李耀先1，梁骏3，梁驹4，覃峥嵘1

(1.广西气象减灾研究所，广西南宁520022;2.南京农业大学，江苏南京210095;3.广西大学，广西南宁530004;4.英国雷丁大学，英国雷丁RG6 6BB)

利用区域气候模式(PRECIS)，模拟生成A2情景下广西冬季气温和降水气候情景数据，经模型订正后，应用迈阿密模型(MiamiModel)和桑斯韦特纪念模型(Thornthwait Montreal Model)估算基于广西冬季平均温度、降水量的作物生产量和平均蒸散量的作物气候生产力，预估未来广西冬季农业气候生产潜力的时空变化特征。结果表明:基于未来广西冬季平均温度估算的作物生产潜力随时间呈增长趋势，具有南高北低的纬向空间分布特征;基于冬季平均降水量估算的作物生产力和蒸散量估算的作物气候生产潜力随时间推移而减少，呈现东多西少的经向空间分布特征。未来广西的冬季热量资源良好，但是受降水限制，基于平均蒸散量估算的广西冬季作物气候生产潜力下降，使得广西冬季农业气候生产潜力下降的趋势明显，表明降水量是广西冬季农业气候生产潜力的决定性驱动因子。

PRECIS;农业气候生产潜力;情景预估;气候变化;广西

利用冬季良好的热量资源发展冬季农业生产，是我国南方地区发挥区域优势的重要途径［1－2］。广西冬季光、温、水等资源具有一定优势，这为发展冬季农业生产提供基础保障，但冬季降水的不足和土壤水分缺失，给冬种生产带来不良的影响［3－4］。在气候变暖背景下，探究广西冬季农业气候生产潜力的时空变化特征，对确保区域冬种发展和粮食安全具有重要意义［5］。前人对气候资源评价及作物生产潜力的分析研究较多，熊伟等［6］利用PRECIS分析了我国玉米产量变化，把PRECIS应用到农作物、水资源和生态系统等诸多领域的专业模型中。胡亚南等［7］将PRECIS结合CERES-Maize玉米模型研究了内蒙古阿拉善盟玉米对水资源的适应性。曹永旺等［8］应用Thomthwaite Memorial模型、EOF等数理方法对四川近52年气候生产力的时空变化进行分析。潘虹等［9］利用1961－2010年贵州省81个气象站的逐日气温和降水资料、DEM数据，采用Thornthwaite Memorial模型估算了全省气候生产潜力。廖雪萍等［10］分析了广西冬耕季农业气候资源对冬种马铃薯布局的影响，并给出了马铃薯冬作区划布局。梁骏等［11］应用气候生产潜力估算模式，结合气候资源的GIS空间分析方法，探讨了广西冬季的气候资源分布特征，估算了该时期冬种作物(马铃薯、番茄、红薯、柿子椒、豌豆、烟草、小麦、油菜和玉米)的气候生产潜力。前人研究多利用历史气候数据或区域气候模式生成的未来情景数据，结合模型算法等技术手段，分析了地区气候生产潜力的分布变化特征和其对气候变化的响应。但针对未来广西冬季农业气候生产潜力估算和分析的研究还鲜有报道。本文选取区域气候模式PRECIS动力降尺度的方法产生的历史时段，以及温室气体排放情景下未来时段的广西冬季气候情景数据，并对数据进行模型订正，再利用迈阿密模型(Miami Model)和桑斯韦特纪念模型(Thornthwait Montreal Model)进行广西冬季农业气候生产潜力评估。最后应用ArcGIS，做出A2情景下专题分析图，为广西冬季气候资源利用，应对气候变化、趋利避害发展冬季农业生产提供科学参考依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 资料来源

IPCC《排放情景特别报告》(SRES)提出了A1、A2、B1和B2共4种温室气体排放情景，其主要驱动因素是人口、经济、技术和经济发展的方向。本研究选定A2情景，描述了人口持续增长，经济发展主要面向区域，人均经济增长和技术变化是不连续的，代表未来区域发展的可能性［12］。应用PRECIS生成中国区域的SRES情景，进一步利用动力降尺度方法，模拟产生A2排放情景下广西区域冬季(12月至翌年2月)50 km×50 km、101个格点总数的网格气候情景数据［13－14］。模拟冬季气候要素，主要包括日平均气温和冬季降水量。分析时段选定为气候基准时段(1961－2010年)、2020s(2011－2040年)、2050s(2041－2070年)和2080s(2071－2100年)。PRECIS模拟输出值在广西区域的格点分布由图1给出。

图1 广西区域内PRECIS输出值格点分布Fig.1 The grids of PRECIS output over Guangxi

1.2 线性趋势计算

用x表示样本量为n的某一气候变量，用t表示x所对应的时间，即

式中，a为回归常数，b为回归系数，a和b用最小二乘法进行计算。

1.3 气候生产潜力的估算方法

气候生产潜力的估算方法包括用平均温度和降水量来估算作物生产量的迈阿密模型(Miami Model)，以及蒸散量估算作物气候生产力的桑斯韦特纪念模型(Thornthwait Montreal Model)［15］。其中，桑斯维特纪念模型用平均实际蒸散量来建模，，体现多个气象要素的综合影响，其计算结果要比迈阿密模型更为合理，更加接近生产实际。因此，本文以桑斯韦特纪念模型的计算结果作为广西冬季农业气候生产力的估算值。

(1)迈阿密模型:

式中:T为平均气温;R为降水量;WT为根据平均气温估算的作物干物质总量，WR为根据平均降水量估算的作物干物质总量，单位kg·(hm2·a)－1［15］。

(2)桑斯韦特纪念模型:

式中:WR为作物气候生产力，单位kg·(hm2·a)－1; V为平均实际蒸散量。

式中:R为降水量;L为平均最大蒸发量，单位mm［15］;T为平均气温。

2 结果与分析

2.1 基于平均温度估算的广西冬季作物生产量时间变化特征

根据公式(2)计算结果(图2)，A2情景下，用冬季平均气温估算的广西冬季作物生产量(WT)均随时间呈现上升趋势。2020s时段的WT平均值达到15 603 kg·(hm2·a)－1，较基准时段增加838.78 kg·(hm2·a)－1。2080s时段WT平均值达到18534.37 kg·(hm2·a)－1，比基准时段增加2931.36 kg·(hm2·a)－1。

2.2 基于平均降水量估算的广西冬季作物生产量时间变化特征

根据公式(3)计算结果(图3)，A2情景下，用冬季平均降水量估算的广西作物生产量(WR)整体呈减少趋势。2020s时段的WR为1868.46 kg·(hm2·a)－1，较基准时段的WR平均值偏低203.82 kg· (hm2·a)－1，比2080s时段的WR高出385.25 kg· (hm2·a)－1。到2080s时段的WR平均值将低至1483.21 kg·(hm2·a)－1，较基准时段的WR平均值偏低约589.0 kg·(hm2·a)－1。

2.3 广西冬季作物(农业)气候生产潜力时间变化特征

图2 基于平均气温估算的广西冬季作物生产量变化趋势Fig.2 The trend of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

图3 基于平均降水量估算的广西冬季作物生产量变化趋势Fig.3 The trend of crops productivity based on average precipitation in winter of Guangxi

根据公式(4)～(6)计算结果(见图4)，A2情景下，未来时段的广西冬季作物(农业)气候生产潜力将整体呈减少趋势，这与用冬季平均降水量估算的作物生产量WR的变化趋势一致，与用冬季平均气温估算的作物生产量WT变化趋势相反。2020s时段的广西冬季农业气候生产潜力平均值为2106.27 kg·(hm2·a)－1，较基准时段减少284.01 kg· (hm2·a)－1。2080s时段，广西冬季农业气候生产潜力平均值为1561.84 kg·(hm2·a)－1，比基准时段减少了828.44 kg·(hm2·a)－1。

2.4 基于平均温度估算的广西冬季作物生产量空间变化特征

由图5可见，气候基准时段广西冬季作物生产量(WT)空间分布呈现南高北低，桂南以钦州、防城港、北海以及崇左市大部、玉林南部为最高，以桂林北部的资源和全州一线为最低。桂南与桂北的WT差异达9523 kg·(hm2·a)－1。A2情景下，未来各时段广西各地区冬季作物生产量的最高值:2020s时段为19 608 kg·(hm2·a)－1，2050s时段为20 986 kg·(hm2·a)－1，2080s时段为23 050 kg· (hm2·a)－1。2020s时段，天等、平果、马山、上林、北流一线以南的地区WT高于17 000 kg·(hm2· a)－1。桂西北地区的西林、乐业等地WT为14 000～15 000 kg·(hm2·a)－1，最低值的龙胜、灌阳和全州一带也达12 000 kg·(hm2·a)－1以上，未来此地区的冬作生产发展潜力可观。2050 s时段，桂北资源县一带为WT低值区域，WT不足13 000 kg· (hm2·a)－1。桂南地区，特别是沿海地区、崇左、南宁等市区的WT高达20 000 kg·(hm2·a)－1。2080 s时段，桂南甚至桂中地区的WT大于20 000 kg·(hm2·a)－1，桂北的资源县WT超过14 000 kg ·(hm2·a)－1。

图4 基于平均实际蒸散量估算的广西冬季农业气候生产潜力变化趋势Fig.4 The trend of climatic potential productivity based on average evapotranspiration in winter of Guangxi

图5 不同时段基于平均温度估算的广西冬季作物生产量分布Fig.5 The spatial distribution of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

2.5 基于平均降水量估算的广西冬季作物生产量空间变化特征

由图6可见，气候基准时段广西冬季作物生产量(WR)呈东高西低的经向分布特征，WR较高的地区集中在桂林、贺州和梧州等东部及东北部地区，其中资源、临桂、钟山一线以东地区高于3000 kg· (hm2·a)－1，合山、桂平、博白等地WR也达到2500 kg·(hm2·a)－1以上;WR相对较少地区集中在百色、河池和崇左北部等地区，其中南丹、东兰、田东、天等和靖西一线以西的地区不足1200 kg·(hm2· a)－1。A2情景下，未来各时段广西各地区冬季作物生产量(WR)估算:2020s时段，WR高于平均值1868 kg·(hm2·a)－1的地区在融水、柳江、贵港、博白和陆川以东的地区，WR最高值3285 kg·(hm2·a)－1出现在资源、灌阳;WR在1200 kg·(hm2·a)－1以下的地区将扩大至宜州、来宾、河池等地。2080s时段，广西WR最高值2600 kg·(hm2·a)－1在钟山、贺州八步区以东的地区;百色右江区以东，隆安以北以及河池以南环形区域的WR不足1000 kg·(hm2·a)－1，由于降水缺少使得干旱的区域范围和强度将逐渐增大，导致此地区冬季作物生产量低下，不利于冬季作物生长发育。

2.6 广西冬季作物(农业)气候生产潜力空间变化特征

由图7可见，气候基准时段广西冬季农业气候生产潜力呈东高西低的经向分布特征，气候生产潜力较高的地区集中在桂东北地区，气候生产潜力相对较少地区集中在百色大部、河池中西部以西和崇左北部等。广西冬季农业气候生产潜力空间分布特征与基于平均降水量估算的作物生产量相一致。A2情景下，未来各时段广西各地区冬季农业气候生产潜力估算:2020s时段，广西冬季农业气候生产潜力最高的地区位于桂东北地区，其中全州、灌阳和贺州八步区北部，其冬季农业气候生产潜力为4023～4426 kg·(hm2·a)－1。天峨、凤山、田东和靖西一线以西区域，冬季农业气候生产潜力不足1200 kg· (hm2·a)－1。河池东部、南宁中部、钦州北部以及玉林南部地区冬季农业气候生产潜力高于2000 kg ·(hm2·a)－1。2050s时段，贺州大部、梧州东北部和桂林东部地区冬季农业气候生产潜力在3268～3581 kg·(hm2·a)－1，河池、都安、隆安、大新一线以西的地区，其冬季农业气候生产潜力不足1200 kg ·(hm2·a)－1，其它地区约为2000 kg·(hm2· a)－1。2080s时段，广西大部分地区冬季农业生产潜力在2000 kg·(hm2·a)－1以下，较基准时段减少明显。其中位于都安和马山一带的环形区域冬季农业气候生产潜力不足1000 kg·(hm2·a)－1。

图6 不同时段基于平均降水量估算的广西冬季作物生产量分布Fig.6 The spatial distribution of crops productivity based on average precipitation in winter over Guangxi

图7 不同时段基于平均实际蒸散量估算的广西冬季农业气候生产潜力分布Fig.7 The spatial distribution of crops productivity based on average evapotranspiration in winter over Guangxi

3 结论与讨论

(1)基于未来(A2情景下)平均温度估算的广西冬季作物生产量均随时间呈现上升趋势;而基于平均降水量估算的作物生产量和基于平均实际蒸散量估算的冬季农业气候生产潜力呈减少趋势。由此可见，未来广西冬季良好的光温条件将为冬作物提供适宜的生长环境，而降水量的减少使得水分条件欠缺，导致冬季作物生产量降低，冬季农业气候生产潜力也随之降低。

(2)未来(A2情景下)各时段的广西冬季农业气候生产潜力空间分布特征一致。用平均温度估算的广西冬季作物生产量基准时段平均值为15 603 kg·(hm2·a)－1，到2080s，增至18 300 kg·(hm2·a)－1，空间分布呈现南高北低的特征。而用平均降水量估算的作物生产量呈现东高西低的经向空间分布特征，在基准时段下为2072 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至1483 kg·(hm2·a)－1。广西冬季农业气候生产潜力空间分布特征与用平均降水量估算的广西冬季作物生产量的空间分布特征一致，其基准时段的平均值为2390 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至约1561 kg·(hm2·a)－1。

(3)未来广西的冬季热量资源良好，但是由于受降水限制，广西冬季农业气候生产潜力下降的趋势明显，冬季降水量是广西冬季农业气候生产潜力的决定性驱动因子。

本研究只对A2情景下基于广西冬季平均温度、降水和实际蒸散量对作物生产量和作物气候生产潜力进行估算与分析，由于缺乏广西冬作物的产量数据，未能对各气象要素与作物产量关系以及农业气候生产潜力利用率进行分析。以后将对某一冬季作物的气候生产潜力进行研究，并且进一步完善订正气候生产潜力模型。

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(责任编辑 汪羽宁)

Change of W inter Agricultural Climatic Potential Productivity of Guangxi under Future Climate Scenario

LIAO Xue-ping1，LIU Yi-jiang2，LIYao-xian1，LIANG Jun3，LIANG Ju4，QIN Zheng-rong1
(1.Guangxi Meteorological Disaster Mitigation Institute，GuangxiNanning 530022，China;2.Nanjing Agricultural University，Jiangsu Nanjing 210095，China;3.Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China;4.University of Reading，Reading RG6 6BB，UK)

In this study，it ismeaningful tomake a thorough inquiry to explore the fact that the agricultural climate production potentialwill be involved in climate change in Guangxi.The PRECIS(Providing RegionalClimate for Impact study)regional climatemodeling system was used to generate the winter climate scenario(SRES/A2)dataset over Guangxi.The simulated temperature and precipitation were corrected with differentmodelmethods.Then the Miamimodel and ThornthwaitMontrealmodelwere used to produce the estimation of Guangxiwinter temperature，water and evapotranspiration climate production potential，being estimated the temporal and spatial distribution and variation characteristics of Guangxiwinter climate production potential in the future.The climate production potentialof temperaturewith an increasing trend over time，and the North South high-low latitude to the space distribution characteristics in the future in winter in Guangxi.The climate productive potential of precipitation and evapotranspiration estimation would decrease time by time，showing from east to west to the spatial distribution characteristics.The winter heat resourceswaswell for farming in the future in Guangxi，but itwas restricted by the limitation of precipitation，making the rapidly decrease of the evapotranspiration climate production potential.It showed thatwinter rainfallwas the decisive driving force forwinter climate production potential.

PRECIS;Agricultural climatic potential productivity;Scenario projection;Climate change;Guangxi

S16

A

1001－4829(2017)2－0438－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.033

2016－11－03

广西区气象局重点攻关项目(桂气科201505)

廖雪萍(1967－)，女，广西北流人，高级工程师，硕士，主要从事农业生态与气候变化关系等研究。