1961～2015年贵州省气候生产潜力估算及趋势分析*

2018-03-27谷晓平古书鸿

中国农业资源与区划 2018年2期

张波,谷晓平,古书鸿

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵阳 550002； 2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵阳 550002)

0 引言

气候生产潜力是评价农业气候资源的依据之一，其大小取决于光、温、水三要素相互配合协调的程度。气候生产潜力的定量估算以及对未来气候变化的响应，对合理利用气候资源、充分发挥气候生产潜力、指导农业生产，具有重要现实意义。

目前气候生产潜力已成为国内外广大学者研究的热点领域，金志凤等[1]采用线性趋势分析等方法研究了茶叶的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力及其时空变化特征；董思等[2]利用Thornthwaite Memorial模型分析了陕西省气候生产潜力时空变化特征，在此基础上探讨了陕西省的气候资源利用率情况；许艳等[3]采用机制法对江苏省沿海地区气候生产潜力估算；罗永忠等[4]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型对甘肃气候生产潜力进行分析；赵俊芳等[5]采用农业区域生态AEZ模型对我国黄淮海地区冬小麦、夏玉米气候生产潜力时空变化特征进行预测；马甜等[6]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型对宁夏中部干旱带天然草地气候生产潜力分析；郭小芹等[7]采用Thornthwaite Memorial 模型计算了河西走廊的气候生产潜力；赵慧颖[8]对呼伦贝尔典型草原区牧草气候生产潜力评估；张艺萌等[9]基于Thornthwaite Memorial 模型分析了辽西北地区气温和降水变化对气候生产潜力的影响；康西言等[10]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型估算了河北省的气候生产潜力；李祥妹等[11]基于生态系统承载能力对西藏高原草地资源区划研究；侯智惠等[12]从农业资源利用的区域差异性分析入手，运用因子分析方法分析内蒙古的农业资源利用的差异。

前人研究表明Miami 模型和Thornthwaite Memorial 模型综合考虑了多个气候因子，与实际生产最接近[13-20]，因此，该研究利用1961～2015年平均温度和降水量气象资料，运用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型对贵州气候生产潜力估算，以期对喀斯特地区的农业生产，因地制宜、充分利用气候资源及农业可持续发展提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

贵州省地处云贵高原，介于东经103°36′～109°35′、北纬24°37′～29°13′之间，境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，地形以山地和丘陵为主。气候属亚热带湿润季风气候，四季分明、雨量充沛、雨热同期，但由于贵州喀斯特地形地貌特征显著，降水容易下渗，地表蓄水性能弱，容易造成地表干旱。

该研究数据源为贵州省1961～2015年85个气象站逐日平均温度和降水量气象资料，由于各站建站时间不一致，为了保证资料的完整性，剔除数据缺失较多的4个站点，研究区域及站点如图1。

1.2 气候生产潜力模型

Miami模型

Yt=3 000/(1+e1.315-0.119t)

(1)

Yr=3 000×(1-e-0.000 664r)

(2)

式(1)(2)中，t为年平均温度(℃);r为年降水量(mm);e=2.718 3;Yt、Yr分别为由年平均温度、年降水量决定的生产潜力(kg/hm2)。

Thornthwaite Memorial模型为：

Ye=3 000×(1-e-0.000 969 5(V-20))

(3)

V=1.05×R/[1+(1.05×R/L)2]1/2

(4)

L=300+25×T+0.05×T3

(5)

式(3)～(5)中，R为年平均降水(mm)；L为年平均最大蒸散量(mm),L是年平均温度T的函数；Ye为蒸散量决定的生产潜力(kg/hm2)。

1.3 R/S分析法

R/S分析法用气候要素时间序列计算出Hurst指数来揭示气候要素时间序列的趋势性。当0.5

1.4 分析方法

研究中还用到气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、GIS空间插值等常用统计分析方法[21-24]。

2 结果与分析

2.1 年平均温度和降水量变化趋势

图2为贵州气象要素变化趋势， 1961～2015年间贵州年平均温度呈递增趋势，递增速率为0.12℃/10年，平均气温在14.69～16.57℃之间，多年平均气温为15.58℃，最大值为2015年的16.57℃，最小值为1984年的14.69℃。年际变化趋势表明， 1961～1970年平均温度以0.62℃/10年的速率递减， 1971～1980年以0.027℃/10年的速率递增， 1981～1990年平均温度以0.65℃/10年的速率递增， 1991～2000年平均温度以0.59℃/10年的速率递增， 2001～2010年平均温度以0.053℃/10年的速率递减， 2011～2015年平均温度以0.32℃/10年的速率递增。

图2 年平均温度和降水量变化趋势

图3 温度生产潜力变化趋势

从年降水量年际变化趋势来看， 1961～2015年间贵州年均降水量呈递减趋势，递减速率为14.29mm/10年，最大值为1967年的1 419.67mm，最小值为2011年的855.33mm，年降水量平均值为1 200.74mm。年际变化趋势表明， 1961～1970年平均降水量以85.78mm/10年的速率递增， 1971～1980年以109.74mm/10年的速率递增， 1981～1990年平均降水量以158.37mm/10年的速率递减， 1991～2000年平均降水量以82.75mm/10年的速率递增， 2001～2010年平均降水量以42.56mm/10年的速率递减， 2011～2015年平均降水量以122.37mm/年的速率递增。

2.2 气候生产潜力变化特征

基于Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型计算温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力结果变化特征如图3。

图3为贵州温度生产潜力变化趋势， 1961～2015年间贵州温度生产潜力呈递增趋势，递增速率为9.2kg/(hm2·10年)，变化范围在1 815.13～1 969.42kg/hm2之间，多年平均生产潜力为1 890.05kg/hm2，最大值为2015年的1 969.42kg/hm2，最小值为1984年的1 815.13kg/hm2。年际变化趋势表明， 1961～1970年温度生产潜力以45.85kg/(hm2·10年)的速率递减， 1971～1980年以0.29kg/(hm2·10年)的速率递减， 1981～1990年间温度生产潜力以34.29kg/(hm2·10年)的速率递增， 1991～2000年温度生产潜力以380.0kg/(hm2·10年)的速率递增， 2001～2010年温度生产潜力以3.86kg/(hm2·10年)的速率递减， 2011～2015年温度生产潜力以25.84kg/(hm2·年)的速率递增。

从降水生产潜力年际变化趋势来看(图4)， 1961～2015年间贵州省降水生产潜力呈递减趋势，递减速率为13.27kg/(hm2·10年)，最大值为1967年的1 821.9kg/hm2，最小值为2011年的1 294.914kg/hm2，降水生产潜力平均值为1 631.43kg/hm2。年际变化趋势表明， 1961～1970年降水生产潜力以74.82kg/(hm2·10年)的速率递增， 1971～1980年降水生产潜力以89.21kg/(hm2·10年)的速率递增， 1981～1990年降水生产潜力以142.91kg/(hm2·10年)的速率递减， 1991～2000年间降水生产潜力以75.94kg/(hm2·10年)的速率递增， 2001～2010年降水生产潜力以39.64kg/(hm2·10年)的速率递减， 2011～2015年降水生产潜力以111.43kg/(hm2·年)的速率递增。

图4 降水生产潜力变化特征图5 气候生产潜力变化趋势

气候生产潜力变化特征如图5， 1961～2015年间贵州省气候生产潜力呈递增趋势，递增速率为0.73kg/(hm2·10年)，最大值为2015年的1 554.35kg/hm2，最小值为2011年的1 321.89kg/hm2，气候生产潜力平均值为1 462.12kg/hm2。年际变化趋势表明， 1961～1970年气候生产潜力以4.75kg/(hm2·10年)的速率递减， 1971～1980年气候生产潜力以26.49kg/(hm2·10年)的速率递增， 1981～1990年气候生产潜力以25.99kg/(hm2·10年)的速率递减， 1991～2000年气候生产潜力以47.56kg/(hm2·10年)的速率递增， 2001～2010年气候生产潜力以17.58kg/(hm2·10年)的速率递减， 2011～2015年气候生产潜力以每年56.55kg/(hm2·年)的速率递增。

2.3 气候生产潜力突变检验

图6 温度、降水和气候生产潜力突变检验

利用Mann-Kendall 检验法来检验贵州地区的温度、降水和气候生产潜力突变情况，结果如图6。温度生产潜力突变结果表明， 1961～1966 年间UF统计量在0附近上下波动，温度生产潜力基本保持稳定， 1967～1998 年间UF<0，温度生产潜力呈递减趋势， 1998年之后UF>0，温度生产潜力呈递增趋势，且在2006年以后这种增加趋势超过信度线，呈显著增加趋势，UF统计量与UB 统计量在2001 年附近发生相交且交点位于两临界线之间为突变点，说明温度生产潜力在2001年发生突变。

降水生产潜力突变检验表明， 1961～2015年间UF统计量和UB统计变量存在多个交点，但均在信度线内，表明降水生产潜力不存在突变点，未发生突变。1961～1985年间降水生产潜力呈递增趋势， 1986～2015年间降水生产潜力呈递减趋势。降水生产潜力在1961～2015年间未发生突变现象。

气候生产潜力突变检验表明， 1961～1998年间UF统计变量小于0，气候生产潜力呈递减趋势， 1999～2010年间UF统计变量大于0，气候生产潜力呈递增趋势，UF统计变量与UB统计变量相交于1996年，但未通过显著性检验，表明未发生突变现象。气候生产潜力在1961～2015年间未发生突变现象。

2.4 年平均温度和降水量空间分布特征

气象要素空间分布如图7， 1961～2015年贵州地区年平均温度(图7a)在10.7～19.7℃之间，空间分布上呈现出南高北低、东高西低，由南往北递减的趋势。毕节市及贵阳市大部的年平均温度较低，南部边缘一线及东部大部的平均温度较高；降水量空间分布(图7b)呈现自南向北递减的变化趋势，高值区域分布在西南部和黔南州中心，年降水量在1 367～1 515mm之间，北部大部属于降水低值区域，降水量在845.5～994.3mm之间。

2.5 气候生产潜力空间分布特征

图8为1961～2015年贵州温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力及气候倾向率的空间插值分布结果，从温度生产潜力(图8a)空间分布可以看出，贵州地区温度生产潜力在1 469.3～2 213.0kg/hm2之间，温度生产潜力空间分布上与年平均温度空间分布基本一致，呈现出南高北低、东高西低，由南往北递减的趋势。毕节市大部温度生产潜力为全省最低，南部边缘一线的温度生产潜力最高；温度生产潜力的气候倾向率分布(图8b)可以看出，只有黔东南州的部分地区、西部边缘和遵义市部分站点的温度生产潜力呈减少趋势，其余站点均呈现出增加趋势，其中黔西南州的部分站点和毕节市西部地区的温度生产潜力增幅最大。

降水生产潜力(图8c)空间分布表明，贵州地区的降水生产潜力在1 282.4～1 884.7kg/hm2之间，降水生产潜力空间分布上，呈现出南高北低，由南往北递减的变化趋势，生产潜力有两个高值区域，一个分布在六盘水市东部、黔西南州北及安顺市西部，另一个高值区域分布黔南州和黔东南州交界，生产潜力在1 750.9～1 884.7kg/hm2之间，毕节市西部的降水生产潜力最小，在1 282.4～1 349.3kg/hm2之间。从降水生产潜力气候倾向率的空间分布来看，全省降水生产潜力整体呈减少趋势，并以贵州西部大部及北部大部减少趋势显著，仅东部边缘的部分站点呈递增趋势。

图7 年平均温度(a)和降水量(b)空间分布特征

贵州地区气候生产潜力(图8e)在1 145.5～1 656.1kg/hm2之间，其在空间上分布不均匀，总体分布上呈现出南高北低，由东南向西北递减变化趋势，东部边缘和南部边缘的地区气候生产潜力为全省最高，在1 542.7～1 656.1kg/hm2之间，毕节市的气候生产潜力最低，在1 145.5～1 202.2kg/hm2之间。从气候生产潜力气候倾向率的空间分布来看，黔南州北部及东部边缘等地呈递增趋势，其余大部分区域呈递减趋势，其中西部边缘及遵义中部等地递减趋势最为显著。

2.6 气候生产潜力的限制因素分析

气候生产潜力与气候要素的相关性表明，贵州地区气候生产潜力与年平均温度和年降水量的相关系数分别为0.275(α=0.10)和0.857(α=0.05)(图9)，表明年平均气温和降水量对气候生产潜力均有正影响，其中降水量是贵州气候生产潜力的主要限制因子。

图9 气候生产潜力与年平均温度和年降水量的相关性

在SPSS中利用贵州地区气候生产潜力与年平均温度和年降水量建立线性回归模型。

Ye=49.25×T+0.32×R+304.84(R2=0.975)

(6)

式(6)中，Ye为气候生产潜力(kg/hm2)；T为年平均温度(℃)；R为年降水量(mm)。从模型中可以看出，温度每上升(下降)1℃时，降水每递增(递减)1mm，气候生产潜力分别提高(减少)49.25kg/hm2、0.32kg/hm2，根据年平均温度和降水量的递变速率，结合回归模型，贵州地区气候生产潜力以1.34kg/(hm2·10年)速率递增。

2.7 气候生产潜力趋势分析

利用R/S分析方法对贵州地区未来气候生产潜力进行R/S分析，得出贵州地区温度、降水和气候生产潜力的Hurst指数及变化趋势如表1、图10。

表1 温度、降水和气候生产潜力R/S分析

YtYrYeHurst指数0 860 660 64

温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力的Hurst指数分别为0.86、0.66和0.64，均大于0.5且拟合效果显著，说明温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力未来变化趋势与过去55年的变化趋势保持一致，即温度生产潜力保持增长趋势、降水生产潜力保持递减趋势及气候生产潜力保持递增的趋势。

图10 温度、降水和气候生产潜力R/S分析

3 结论与讨论

贵州作为中国南方喀斯特的中心，生态环境脆弱，环境承载力低，对气候变化敏感，严重制约着农业生产[25]，为探究喀斯特复杂地形下的气候生产潜力的分布情况，该研究基于Miami 模型和Thornthwaite Memorial 对贵州气候生产潜力估算，以期对喀斯特地区的农业生产，因地制宜、充分利用气候资源及农业可持续发展提供科学依据。

近55年来贵州年平均温度呈递增趋势，递增速率为0.12℃/10年，年均降水量呈递减趋势，递减速率为14.29mm/10年；温度生产潜力变化范围在1 815.13～1 969.42kg/hm2之间，呈递增趋势，多年平均生产潜力为1 890.05kg/hm2；降水生产潜力呈递减趋势，递减速率为13.27kg/(hm2·10年)，多年平均值为1 631.43kg/hm2；气候生产潜力呈递增趋势，递增速率为0.73kg/(hm2·10年)，多年平均值为1 462.12kg/hm2。

突变检验表明， 55年来仅温度生产潜力在2001年发生突变，降水生产潜力和气候生产潜力均没有发生突变。

在空间分布上，温度生产潜力呈现出南高北低、东高西低，由南往北递减的趋势；降水生产潜力空间分布上，呈现出南高北低，由南往北递减的变化趋势，全省降水生产潜力整体呈减少趋势；气候生产潜力总体分布上呈现出南高北低，由东南向西北递减变化趋势，黔南州北部及东部边缘等地呈递增趋势，其余大部分区域呈递减趋势。

温度、降水和气候生产潜力未来变化趋势与过去55年的变化趋势保持一致，即温度生产潜力保持增长趋势、降水生产潜力保持递减趋势及气候生产潜力保持递增的趋势。

受气候变化的影响，贵州地区降水呈递减趋势，夏旱频率增加[26-27]，势必会影响到气候生产潜力的分布，制约农业生产的发展，因此应该打破传统农业生产结构，因地制宜发展特色经济农业作物，充分利用气候资源。此外，由于坡度、坡向和复杂地形之间相互遮蔽等局部地形因子对日照时间影响较大[28-29]，研究不足之处未考虑日照、地形因子作用以及社会、经济因素对气候生产潜力的影响。

[1] 金志凤，杨栋，姚益平，等.浙江省茶叶气候生产潜力评估.生态学杂志， 2016， 35(7)： 1791～1798

[2] 董思，任志远，张翀，等.陕西省气候变化及其气候生产潜力的时空变化.中国农业大学学报， 2016, 21(8): 142～149

[3] 许艳，濮励杰，朱明.基于作物生长期的江苏省沿海地区气候生产潜力估算.地理科学， 2015, 35(5): 658～664

[4] 罗永忠，成自勇，郭小芹.近40年甘肃省气候生产潜力时空变化特征.生态学报， 2011, 31(1): 221～229

[5] 赵俊芳，郭建平，邬定荣，等.2011～2050年黄淮海冬小麦、夏玉米气候生产潜力评价.应用生态学报， 2011, 22(12): 3189～3195

[6] 马甜，王俊波，张治华，等.宁夏中部干旱带天然草地气候生产潜力研究.草地学报， 2013, 21(2): 236～242

[7] 郭小芹，刘明春.河西走廊近40年气候生产潜力特征研究.中国沙漠， 2011, 31(5): 1323～1329

[8] 赵慧颖，魏学占，乌秋力，等.呼伦贝尔典型草原区牧草气候生产潜力评估.干旱地区农业研究， 2008, 26(1): 137～140

[9] 张艺萌，张雪松，郭婷婷，等.辽西北地区气温和降水变化对气候生产潜力的影响.中国农业气象， 2015, 36(2): 203～211

[10]康西言，马辉杰.河北省气候生产潜力的估算与区划.中国农业气象， 2008, 29(1): 37～41

[11]李祥妹，赵卫，黄远林.基于生态系统承载能力核算的西藏高原草地资源区划研究.中国农业资源与区划， 2016, 37(1): 167～173

[12]侯智惠，梅连杰，侯安宏，等.内蒙古农业资源利用区域差异分析.中国农业资源与区划， 2016, 37(1): 160～166