1978-2017年河南省气候生产潜力时空演变及趋势分析

张志高, 耿益新, 蔡茂堂, 张秀丽, 孙梓欣, 尹纪媛

(1.安阳师范学院 资源环境与旅游学院, 河南 安阳 455000; 2.中国地质科学院 地质力学研究所, 北京100081)

20世纪以来，全球气候显著变暖，政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5次全球气候变化评估报告(AR5)指出，1880—2012年全球表面平均温度已升高0.85℃[1]，当前仍处于百年来气温最高阶段[2]。全球变暖将改变气温、辐射以及降水等要素的地理分布，进而改变农作物的生长条件，对农业生产和粮食安全影响深远[3-4]。气候生产潜力是一种估算作物潜在产量的指标，对指导农业生产具有重大实际意义，在全球变暖背景下，国内外对气候生产潜力的研究取得了一系列成果。在模型方法方面，研究者分别采用Thornthwaite Memorial模型[5]、Miami模型[6]、AEZ模型[7]、DSSAT模型[8]和GAEZ模型[9]等不同模型和方法进行气候生产潜力的估算和分析；在空间尺度方面，赵俊芳等[10]对全球主要农区气候生产潜力进行了定量评估，郭小芹等[11]对河西走廊的气候生产潜力进行了估算，并运用EOF经验正交函数和敏感性分析等方法对其时空变化特征进行了分析，张波等[12]估算并预测分析了贵州省的气候生产潜力；也有学者针对具体的农作物如玉米[13]、小麦[14-15]、水稻[16-17]以及青稞[18]等进行气候生产潜力的研究，来反映气候资源与作物之间的协调程度。

河南省作为农业大省和国家粮食生产核心区，被誉为“中原粮仓”，在我国农业生产中占有举足轻重的地位，2018年，河南省粮食总产量达到1 330亿斤，为中国粮食供应和粮食安全做出了巨大贡献。然而由于河南省地处南北气候过渡带和山区到平原的过渡带，对气候变化的适应能力较弱，加之农业基础条件薄弱，受气候变化和气象灾害影响较为严重[19-20]。因此，本文基于1978—2017年河南省气象资料，运用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Mann-Kendall统计检验和GIS空间插值等方法对河南省气候生产潜力进行测算，并分析其时空演变特征，运用R/S分析法预测河南省气候生产潜力未来变化趋势，以期揭示河南省气候生产潜力与气温和降水资源的匹配程度，为河南省充分利用气候资源，提高粮食产量，应对全球变暖及农业可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

河南省(31°23′—36°22′N，110°21′—116°39′E)位于中国中东部、黄河中下游地区，全省总面积16.7万km2，全省南、西、北三面环山，东部为平原，平原约占全省总面积的55.7%，西高东低的地势有利于携带湿润水汽的东南季风深入，带来丰沛降水。河南省气候自南向北由亚热带向暖温带气候逐渐过渡，气候温和，四季分明，全省年平均气温13.26～15.69℃，年均降水533.39～1 095.77 mm，无霜期为190～230 d，日照时数1 740～2 310 h。全省地跨海河、黄河、淮河和长江4大水系，大小河流1 500多条，水资源总量年均达430亿m3。充足的光、热气候条件、丰富的水资源以及肥沃的土地，为河南省农业发展奠定了良好基础，农业用地占全省总面积的74.25%，粮食、水果和蔬菜等产量位居全国前列，是麦、棉、油等农产品的重要优质生产基地。

1.2 数据来源

河南省17个气象站点1978—2017年逐日气温和降水量数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.Cma.Gov.cn)，年平均气温为当年12个月气温的算术平均值。本文将1978—2017年的年均气温平均值作为河南省多年平均气温值，将1978—2017年的年降水量平均值作为河南省多年平均降水量。研究区域及站点分布如图1所示。

图1 河南省气象站点分布

1.3 气候生产潜力模型

Miami模型[21]：

(1)

Yr=3000×(1-e-0.000664r)

(2)

式中：t为年平均温度(℃)；r为年降水量(mm)；e=2.718 3；Yt为温度生产潜力(kg/hm2)；Yr为降水生产潜力(kg/hm2)。

Thornthwaite Memorial模型[22]：

Ye=3000×[1-e-0.0009695(V-20)]

(3)

(4)

L=300+25T+0.05T3

(5)

式中：Ye为气候生产潜力(kg/hm2)；V为年平均蒸散量(mm)；R为年平均降水量(mm)；L为年平均最大蒸散量(mm)；T为年平均温度(℃)。

1.4 R/S分析

R/S分析法最初由英国科学家赫斯特提出用于分析尼罗河水库流量和储蓄能力[23]，之后逐步发展为研究时间序列的分形理论。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，如果0

此外，采用一元线性回归法分析气温、降水和气候生产潜力的变化趋势，运用Mann-Kendall检验法[24]、信噪比检验法[25]对河南省气候生产潜力进行突变性检验，使用SPSS软件进行相关关系分析。

2 结果与分析

2.1 河南省年平均气温和降水量变化特征

2.1.1 年平均气温和降水量时间变化特征 由河南省近40 a平均气温变化曲线(图2A)可知，1978—2017年，河南省多年平均气温为14.62℃，最低为1984年的13.39℃，最高为2017年的15.59℃，相差2.2℃。从变化趋势来看，近40 a来河南省年平均气温呈波动上升趋势，线性拟合表明其倾向率为0.34℃/10 a，快于中国近50 a来平均增温速率[26]。从年代际变化趋势来看，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年以及2011—2017年河南省平均温度分别以0.2，1.28，0.25，1.75℃/10 a的速率递增。

由河南省近40 a降水量变化曲线(图2B)可知，1978—2017年，河南省多年平均降水量为744.14 mm，最小值为1997年的510.76 mm，最高值为2003年的1 063.05 mm，二者相差为552.29 mm。从变化趋势来看，近40 a来河南省年降水量波动幅度较大，整体呈小幅下降趋势，线性拟合表明其倾向率为-2.51 mm/10 a。从年代际变化趋势来看，1981—1990年降水量以-63.93 mm/10 a的速率递减，1991—2000年、2001—2010年以及2011—2017年河南省年降水量分别以151.96，48.51，315.09 mm/10 a的速率递增。

图2 1978-2017年河南省年平均温度和降水量变化

2.1.2 年平均气温和降水量空间变化特征 由图3A可知，河南省年均温为13.26～15.69℃，大体上呈南高北低，东高西低的分布特征，这表明河南省年均气温变化主要受纬度的影响。由图3B可知，河南省年平均降水量为533.39～1 095.77 mm，南部信阳最高为1 090.00～1 095.77 mm，北部新乡最少为533.39～544.00 mm，呈由南向北递减趋势。

2.2 河南省气候生产潜力变化特征

2.2.1 气候生产潜力时间变化 基于Miami模型和Memorial模型分别计算河南省温度、降水和气候生产潜力，结果如图4所示。

由图4A可知，1978—2017年河南省温度生产潜力为1 707.24～1 895.92 kg/hm2，平均值为1 813.94 kg/hm2，最大值出现在2017年，最小值出现在1984年，相差188.68 kg/hm2，近40 a来温度生产潜力以28.78 kg/(hm2·10 a)的倾向率呈波动上升趋势，与温度表现出一致的变化规律。年际变化趋势表明，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年及2011—2017年河南省温度生产潜力分别以15.28，107.90，21.26，131.37 kg/(hm2·10 a)的速率递增。

图3 1978-2017年河南省年均气温和降水时空变化

由图4B可知，1978—2017年河南省降水生产潜力为862.87～1 518.97 kg/hm2，平均值为1 163.10 kg/hm2，最大值出现在2003年，最小值出现于1997年，二者相差656.1 kg/hm2，近40 a来降水生产潜力以-2.29 kg/(hm2·10 a)的速率呈微弱波动下降趋势。年际变化趋势表明，1981—1990年降水生产潜力以-70.86 kg/(hm2·10 a)的速率递减，1991—2000年、2001—2010年及2011—2017年降水生产潜力分别以165.86，76.70，390.84 kg/(hm2·10 a)的速率递增。

由河南省气候生产潜力变化曲线可知(图4C)，1978—2017年河南省气候生产潜力为1 025.78～1 365.85 kg/hm2，平均值为1 219.62 kg/hm2，最大值出现在2003年，最小值出现在1997年，相差340.07 kg/hm2，从变化趋势来看，近40 a来河南省气候生产潜力波动幅度较大，上升趋势不明显，倾向率为10.80 kg/(hm2·10 a)。年际变化趋势表明，1981—1990年气候生产潜力以-23.67 kg/(hm2·10 a)的速率递减，1991—2000年、2001—2010年和2011—2017年气候生产潜力均呈递增趋势，倾向率分别为105.57，78.52，294.90 kg/(hm2·10 a)。

2.2.2 气候生产潜力空间变化特征 基于ArcGIS空间插值方法，河南省温度、降水和气候生产潜力及倾向率的空间分布特征如图5所示。

由图5A可知，河南省温度生产潜力在空间分布上与前述温度空间分布特征一致，温度较高的豫东南地区温度生产潜力较高，其中南部信阳和固始温度生产潜力可达1 903.14 kg/hm2，气温较低的豫西地区温度生产潜力较低，其中卢氏和三门峡温度生产潜力仅有1 696.23 kg/hm2。河南省生产潜力整体呈现出南高北低、东高西低，由东南往西北递减的分布趋势。从温度生产潜力的倾向率分布来看(图5B)，河南省各个站点均呈现出增加趋势，其中郑州气温生产潜力增幅最大，北部安阳气温生产潜力增幅最小。

图4 1978-2017年河南省温度、降水和气候生产潜力变化

降水生产潜力(图5C)空间分布表明，河南省降水生产潜力为885.64～1 530.69 kg/hm2，降水较多的豫东南地区其降水生产潜力较高，而降水较少的豫北地区，降水生产潜力较低。降水生产潜力整体呈现出由东南往西北方向递减的变化趋势。从降水生产潜力倾向率空间分布来看(图5D)，全省10个站点降水生产潜力呈增加趋势，7个站点降水生产潜力呈减小趋势，其中豫东和豫北地区增幅最大。

河南省气候生产潜力为1 018.87～1 430.14 kg/hm2(图5E)，在空间上分布上呈现出由东南向西北递减变化趋势，南部信阳、固始气候生产潜力最高，西北安阳、新乡和三门峡最低。从气候生产潜力倾向率的空间分布来看(图5F)，河南省绝大部分地区气候生产潜力呈增加趋势，其中豫东和豫北地区增幅最大，豫西三门峡、卢氏和孟津3站气候生产潜力呈减小趋势。

图5 河南省生产潜力空间分布特征

2.3 河南省气候生产潜力突变检验

利用Mann-Kendall检验法对河南省温度、降水和气候生产潜力进行突变检验，结果如图6所示。由图6A可知，1978—2017年河南省气温生产潜力正序列UF曲线整体呈上升趋势，与反序列UB曲线相交于1996年，表明1996年河南省气温生产潜力发生突变，突变后1997—2017年气温生产潜力较突变前增加68.28 kg/hm2。

由图6B可知，1978—2017年河南省降水生产潜力正序列UF曲线和反序列UB曲线变量存在多个交点，但交点S/N<1，未通过信噪比检验，表明降水生产潜力不存在明显突变。

气候生产潜力突变检验(图6C)表明，1978—2017年气候生产潜力正序列UF曲线与反序列UB曲线多次相交，但仅有2015年的突变点通过了信噪比检验，表明河南省气候生产潜力于2015年发生突变，突变后气候生产潜力较突变前上升了101.46 kg/hm2。

2.4 气候生产潜力的限制因素分析

利用SPSS软件对河南省气候生产潜力和气温与降水要素进行相关分析，结果表明近40 a来河南省气候生产潜力与年平均温度的相关系数为-0.005(未通过0.05置信度水平检验)，与年降水量的相关系数为0.956(α=0.01)(图7)，表明降水量是河南省气候生产潜力的主要限制因子，河南省气候生产潜力主要与降水量有关。

为进一步说明河南省气候生产潜力与年平均温度和年降水量之间的关系，利用SPSS软件建立三者之间的线性回归模型如下：

Ye=35.179T+0.695P+187.919 (R2=0.961)

(6)

式中：Ye为气候生产潜力(kg/hm2)；T为年平均温度(℃)；P为年降水量(mm)。回归模型表明，河南省气候生产潜力和温度、降水均呈正向关系，温度每上升(下降)1℃，降水每递增(递减)1 mm，气候生产潜力分别提高(减少)35.179，0.695 kg/hm2。

2.5 气候生产潜力的未来趋势变化

河南省气候生产潜力未来变化特征如图8所示。根据R/S分析，河南省气候生产潜力的Hurst指数平均值为0.59，82.4%的区域Hurst指数大于0.5，Hurst指数0.58～0.74的区域最大，占比为64.7%，因此，河南省未来气候生产潜力与过去40 a来的变化趋势保持一致，可能仍处于增长趋势，但趋势不是十分显著。

图6 温度、降水和气候生产潜力Mann-Kendall检验曲线

3 结 论

(1) 1978—2017年，河南省多年平均气温为14.62℃，以0.34℃/10 a的速率呈上升趋势，多年平均降水量为744.14 mm，以-2.51 mm/10 a的速率呈下降趋势，空间分布上年平均气温和降水大致呈由南到北递减趋势。

(2) 1978—2017年，河南省温度、气温和气候生产潜力均值分别为1 813.94，1 163.10，1 219.62 kg/hm2，40 a来河南省温度和气候生产潜力均呈上升趋势，倾向率分别为28.78，10.80 kg/(hm2·10 a)，降水生产潜力以-2.29 kg/(hm2·10 a)的速率呈减小趋势。

图7 气候生产潜力与年平均温度和年降水量的相关性

图8 河南省气候生产潜力Hurst指数空间分布

(3) 在空间分布上，河南省温度生产潜力大体上呈南高北低、东高西低的分布特征，全省各站点均呈现增加趋势；降水生产潜力呈现出东南往西北方向递减的变化趋势，全省大部分地区降水生产潜力呈下降趋势；气候生产潜力总体呈现东南高西北低的分布特征，全省大部分地区气候生产潜力呈增加趋势，豫西三门峡、卢氏和孟津3站呈减小趋势。

(4) 相关性分析表明，降水量是河南省气候生产潜力的主要限制因子，降水量不变或增加有利于气候生产潜力的增加，而降水量减少则不利于气候生产潜力的提高。

(5) Mann-Kendall检验表明，40 a来河南省温度生产潜力在1996年发生突变，较突变前增加68.28 kg/hm2，降水生产潜力没有明显突变，气候生产潜力在2015年发生突变，较突变前上升了101.46 kg/hm2。

(6) R/S分析表明，河南省气候生产潜力的Hurst指数平均值为0.59，未来气候生产潜力与过去40 a来的变化趋势保持一致，可能仍保持增长趋势。