1961—2019年青海省气候生产潜力时空演变特征

2021-11-19伊俊兰祁栋林许雪莲程俊清董晓倩李璠

江苏农业科学 2021年20期

伊俊兰祁栋林许雪莲程俊清董晓倩李璠

摘要：基于青海省42个气象站1961—2019年温度和降水资料，采用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型计算青海省温度生产潜力、降水生产潜力及气候生产潜力，分析生产潜力的变化趋势，探讨气候生产潜力对温度和降水的敏感性，并通过ArcGIS空间插值拟合分析青海省作物生育期内气候生产潜力的空间变化特征。结果表明：青海省近59年平均气温持续升高，增温2.26 ℃;降水量呈波动变化有增加趋势但弱于气温升高趋势，以9.1 mm/10年的速率59年间增加了53.7 mm;作物生长发育期内青海省气候生产潜力呈增长趋势，在693.1～891.6 kg/hm2之间变化，平均值为527.8 kg/hm2;空间分布上降水量、降水生产潜力与平均气温、温度生产潜力的空间分布一致，气候生产潜力总体呈现东高西低，由西北向东南递增变化趋势，温度、降水量、气候生产潜力保持增长趋势，温度生产潜力分别是降水、气候生产潜力的1.2、1.5倍，平均气温和降水量对气候生产潜力都有正向影响，而降水量是主要因子。

关键词：气候生产潜力;Thornthwaite Memorial模型;时空特征;青海省

中图分类号：S162 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）20-0234-08

收稿日期：2020-12-29

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（编号：IDM2018011）;国家自然科学基金（编号：41765008）;中国科学院、青海省人民政府及三江源国家公园联合研究专题（编号：YHZX2020-07）。

作者简介：伊俊兰（1988—），女，青海德令哈人，工程师，主要从事天气预报和气象服务研究。E-mail：550713025@qq.com。

通信作者：祁栋林，高级工程师，主要从事气候变化和大气成分研究。E-mail：qidl007@163.com。

青海高原是青藏高原的重要组成部分，生态环境脆弱，气候变化比我国其他地区早，是中国及世界气候变化和环境变化的敏感区[1-2]，海拔在 3 000 m 以上，境内地形复杂多样，被誉为中华水塔。从土地资源利用现状及类型结构特点看，青海高原属于畜牧业区，用地面积大、农业耕地少、林地比重低。除此以外，大半为尚难开发利用的石山、雪山、冰川、沙漠、戈壁、盐沼及自然条件恶劣的高海拔地区，主要分布于西部自然环境严酷的柴达木盆地和青南高原。2013年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告指出：由于人类活动，温室气体的排放量显著增强，进而使温室效应增强，导致20世纪50年代到21世纪10年代的平均温度上升速率几乎是1880年来升温速率的2倍[3]，气候变化已然成为全世界普遍关注的重要问题[4]。随着气候变暖，农牧业生产极易受气候变化的影响，对农业可持续发展有着巨大挑战;因此对气候生产潜力的定量估算，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意义[5]。气候生产潜力是指在充分合理利用当地的光、热、水气候资源，而其他条件（如土壤、养分CO2等）处于最佳适宜状况时，单位面积土地上获得的最高生物学产量，可定量表征区域气候资源状况及其气候要素的配置[6]。近几年来，国内外对不同地区气候生产潜力的时空动态变化开展了大量的分析研究，并已取得了一定成果;由于各地气候资源的差异，气候生产潜力在区域上存在较大差异，常用的较为成熟的模型是Miami模型、Thornthwaite Memorial模型，为气候生产潜力的探究提供了重要的理论基础[7-11]。韩玮等采用Thornthwaite Memorial模型對山东省植被气候生产力的时空演变进行了研究，结果表明山东省的气候生产潜力由北向南、由西向东增加[4]。张娟等采用Miami模型分析得出，宁夏气候从西北向东南由暖干向冷湿变化，西北地区的草地生产潜力低于东南地区，草地生产潜力与温度、降水量、蒸散量呈负相关关系[12]。此外，一些学者对青海气候生产潜力状况也做了研究：李晓东等采用Thornthwaite Memorial模型探讨了青海省气候生产潜力与粮食产量间的关系[13];张嘉琪等分别对柴达木盆地地表潜在蒸散和气候生产潜力分析的结果表明，水资源缺乏是导致柴达木盆地气候生产潜力水平偏低的主要因子[14-15]。在全球气候变化及缺少近期年代资料的限制背景下，近年来青海省的气候生产潜力发生了哪些变化，特点如何？这种气候变化对作物生产力将产生何种影响？这类相关研究较少。因此，笔者将着重分析59年来青海省气候生产潜力的时空变化特征，揭示其变化趋势和主要影响因子，以期为合理利用气候资源和农业生产提供指导。

1 资料与研究方法

1.1 资料

本研究选取1961—2019年青海省42个气象台站日平均气温和降水量气象资料，剔除了站点迁移、时间序列不完整的气象站点;所选台站资料来源于实时观测数据，研究时段内数据完整，无缺失和遗漏，具备了气象资料的代表性、完整性和比较性（图1）。

1.2 气候生产潜力模型

温度、降水是制约作物生长的重要气候因子，采用Miami模型来分别计算气温和降水的生产潜力。公式如下：

Yt=3 000/（1+e1.315-0.119t）;（1）

Yr=3 000×（1-e-0.000 664r）。（2）

式中：t表示年平均温度，℃;r表示年降水量，mm;Yt、Yr分别表示年平均气温、年降水量所决定的生产潜力，kg/（hm2·年）。

依据蒸散量与气温、降水和作物的关系，采用Thornthwaite Memorial模型计算气候生产潜力。公式如下：

Ye=3 000×[1-e-0.000 969 5（V-20）];（3）

V=1.5R/[1+（1.05R/L）2]1/2;（4）

L=300+25T+0.5T 3。（5）

式中：V表示年平均蒸散量，mm;R表示年均降水量，mm;L表示年平均最大蒸发量，mm;Ye表示利用蒸散量计算的生产潜力，kg/（hm2·年）。

1.3 分析方法

研究中使用线性气候趋势法、Mann-Kendall突变检验、滑动t检验、ArcGIS空间插值等常用统计分析方法[16-17]。

2 结果与分析

2.1 年平均温度和降水量变化趋势

2.1.1 年平均温度和降水量时间分布

由图2-a可见，1961—2019年青海省年均气温呈波动上升趋势，上升速率为0.38 ℃/10年，59年增温2.26 ℃，与李林等计算的青藏高原1961—2007年的增温水平（0.37 ℃/10年）[18]基本持平。多年平均气温为2.3 ℃，年均最高气温出现在2016年，为3.8 ℃;年均最低气温出现在1967年，为0.9 ℃，二者差值为2.9 ℃。累积距平线显示年平均气温在1961—1997年呈下降趋势，处于偏冷期;1998—2019年呈上升趋势，处于偏暖期。9年滑动平均曲线显示20世纪70年代至80年代初青海省平均气温变化平缓，20世纪80年代中期至21世纪20年代呈增温趋势，其中20世纪90年代末至21世纪初增温趋势最为突出。年代际距平变化趋势显示，年代际距平随着年际变化而增加，1960—1990年为负距平，2000—2010年为正距平，1960—2020年从-0.9 ℃增加至0.9 ℃。

1961—2019年青海省降水波动较大（图2-b），仍然呈现增多趋势，以9.1 mm/10年的速度增加，59年增加了53.7 mm，明显快于李晓东的研究结果（青海省年降水量近53年以6.0 mm/10年的速度微弱增加）[13]。多年平均降水量为358.7 mm，历年最大值出现在2018年，为470.5 mm，历年最小值出现在1962年，仅为283.7 mm，可见丰水年与枯水年相差达186.8 mm。累积距平曲线显示年平均降水量在1961—2004年呈下降趋势，处于少雨期;2005—2019年呈上升趋势，处于多雨期。从9年滑动平均曲线可以看出，20世纪70年代至80年代末青海省平均降水量变化平缓，20世纪90年代初至21世纪呈下降趋势，21世纪初至10年代呈波动增加趋势。年代际距平变化趋势显示，1960—1970s平均降水量低于氣候平均值，2000s与气候平均值基本持平，2010s明显增多。

2.1.2 年平均温度和降水量空间分布

由图3可以看出，1961—2019年青海省年平均气温为2.3 ℃，最高值为9.0 ℃，出现在循化，最低值为-5.1 ℃，出现在五道梁，两者相差14.1 ℃;空间上呈现北高南低、东高西低的鞍型场分布态势，东部农业区及柴达木盆地的年均气温较高，祁连山区及青南一线地区平均气温较低（图3-a）;青海省年均降水量为 358.7 mm，分布呈现自西北向东南递增的变化趋势，高值区分布在祁连山南部-西宁-海东北部、黄南南部-果洛南部-玉树南部（图3-b），年降水量在487.2～751.0 mm之间，低值区分布在柴达木盆地西部，年降水量在17.2～190.1 mm之间。

2.2 气候生产潜力变化特征

2.2.1 气候生产潜力年际变化

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。由图4-a可见，1961—2019年青海温度生产潜力在693.1～891.6 kg/（hm2·年）之间，多年平均生产潜力为 783.5 kg/（hm2·年），以26.5 kg/（hm2·10年）的递增速率呈现递增趋势，59年间增加了 156.3 kg/hm2。从9年滑动平均曲线分析来看，20世纪70至80年代呈现微弱波动上升趋势， 80年代至2019年大体呈明显上升趋势，尤其在21世纪初期，呈现快速上升趋势。累积距平曲线显示，1961—1998年呈波动下降趋势，为偏低期;1999—2019年呈上升趋势，为偏高期。年代际变化趋势（表1）表明，青海省温度生产潜力随着年际增加而增加，从727.9 kg/hm2增加至 852.2 kg/hm2，其中1990—2000s增速最明显，增加了51.2 kg/hm2。从年代际距平值变化可以看出，1960s—1980s为负距平，这应与这时段温度偏低有关，致使温度生产潜力偏低;2000s—2010s为正距平，这与该时段温度偏高有关，致使温度生产潜力偏高。

由图4-b可见，1961—2019年青海省降水生产潜力波动较大，多年平均生产潜力为 634.9 kg/（hm2·年），以14.2 kg/（hm2·10年）的递增速率呈波动递增趋势，59年间增加了 83.9 kg/hm2，最大值出现在2018年，为 805.0 kg/hm2，最小值出现在1962年，为 515.1 kg/hm2，二者差值高达289.9 kg/hm2，说明青海省年均降水量差异大，降水生产潜力与降水量呈正相关的变化规律。从9年滑动平均曲线分析来看，20世纪70年代至80年代较为平稳，20世纪90年代初至21世纪初呈下降趋势，21世纪初至10年代再次呈上升趋势。累积距平曲线显示，1961—2002年呈波动下降趋势，为偏低期;2003—2019年呈上升趋势，为偏高期。1960—2010s降水生产潜力从615.7 kg/hm2增加至693.5 kg/hm2，其中2000s—2010s增速最明显，增加了60.8 kg/hm2。从年代际距平值变化可以看出，1960—1970s及1990s为负距平，这应与这时段降水偏少有关，致使降水生产潜力偏低;1980s、2000s、2010s为正距平，与这应与这时段降水量增多有关，致使降水生产潜力偏高。

由图4-c可见，1961—2019年青海省气候生产潜力呈递增趋势，递增速率为16.8 kg/（hm2·10年），59年间增加了99.4 kg/hm2。多年平均生产潜力为527.8 kg/（hm2·年），最大值出现在2018年，为 637.0 kg/hm2，最小值出现在1962年，为441.7 kg/hm2，二者差值为195.3 kg/hm2。从9年滑动平均曲线分析来看，20世纪70年代至21世纪初呈现微弱上升趋势，21世纪初至21世纪10年代呈快速上升趋势，2010年至2019年再次进入平稳期。累积距平曲线显示，1961—2002年呈波动下降趋势，为偏低期，2003—2019年呈上升趋势，为偏高期。年代际变化趋势表明，总体上青海省气候生产潜力随着年际增加而增加。1960s—2010s气候生产潜力从495.9 kg/hm2增加至 578.0 kg/hm2，其中2000s增速最明显，增加了 40.9 kg/hm2。从年代际距平值变化可以看出，1960s—1990s为负距平，这应与这时段温度偏低、降水偏少有关，致使气候生产潜力偏低;2000s—2010s为正距平，这应与这时段温度偏高、降水偏多有关，致使气候度生产潜力偏高。

2.2.2 气候生产潜力空间变化

由图5-a可知，1961—2019年青海省温度生产潜力最低值出现在五道梁，最高值出现在循化。温度生产潜力的空间分布状况与年均气温空间分布基本一致，柴达木盆地及青海东部地区呈现出由西向东递增趋势，而青南地区的温度气候生产潜力总体偏低。温度气候生产潜力有2个高值区，一个分布在河湟谷地，生产潜力在812.9～1 315.8 kg/hm2之间;另一个高值区分布在柴达木盆地，生产潜力在774.6～1 016.1 kg/hm2之间，而唐古拉山区、玉树北部及果洛北部的温度生产潜力为全省最低。

由图5-b可以看出，青海省的温度生产潜力均呈现增加趋势，其中西宁的大通县增幅最大，达 51.2 kg/（hm2·10年），其次是柴达木盆地的小灶火、格尔木，增速分别为47.1、46.5 kg/（hm2·10年）。

图5-c降水生产潜力空间分布图表明，青海省的降水生产潜力在34.0～1 173.8 kg/hm2之间，与年均降水空间分布基本一致，呈现出西北部低、东南部高，由东南往西北递减趋势。高值区主要分布在祁连山区、河湟地区、海南南部、黄南以及果洛南部、玉树南部，生产潜力在691.3～1 173.8 kg/hm2之间，而低值区分布在柴达木盆地，降水生產潜力在34.0～405.5 kg/hm2之间。

从降水生产潜力的气候倾向率分布来看（图5-d），只有东部边缘、果洛东南部以及柴达木盆地北部一带地区呈递减趋势，其中海东的互助县最明显，递减速率达-15.54 kg/（hm2·10年），其余地区均呈现递增趋势，降水生产潜力的气候倾向率有2个高值区，有个分布在柴达木盆地的德令哈地区，递增速率达43.28 kg/（hm2·10年），另一高值区分布在唐古拉山区的五道梁站，递增速率达35.36 kg/（hm2·10年）。

由图5-e可见，青海省气候生产潜力在-6.0～783.8 kg/hm2之间，全省平均为527.8 kg/hm2，从平均分布状况看，东部农业区>环青海湖区>三江源区>柴达木盆地。最低值出现在冷湖，最高值出现在囊谦，呈现北低南高，由西北向东南递增变化趋势，东部及南部的气候生产潜力为全省最高，在705.2～783.8 kg/hm2之间，柴达木盆地西部的气候生产潜力为全省最低，在-6.0～202.4 kg/hm2之间。

由图5-f可见，全省生产潜力倾向率均呈现递增趋势，倾向率变化在1.31～48.32 kg/（hm2·10年）之间，不同地区之间的倾向率差异明显，最大值和最小值均出现在柴达木盆地，分别出现在德令哈和冷湖。德令哈气候生产潜力倾向率最大，与这一地区气温升高、降水量增加有关。

采用非线性统计M-K突变检验法对青海省气候生产潜力进行突变检验。图6中UF代表正向时间序列统计值，UB代表逆向时间序列统计值。

由图6-a可见，近59年UF统计量呈明显上升趋势，其中1960—1970年温度生产潜力呈快速上升趋势，且在1984年以后这种增加趋势超过信度线，UF与UB在1984—1994年有多个交点，故初步判断温度生产潜力存在多个突变点，还需进一步检验。对青海省温度生产潜力突变点前后不同时段进行滑动t检验（图6-b，n=12、13、14、15、16、17、18）。当n=18时，滑动t检验结果显示|t0|>t0.01，温度生产潜力在1994年发生突变是可信的。

由图6-c可见，M-K突变检验表明，1961—2019年UF统计量呈波动上升趋势，在1990年超过信度线，59年间在1991—2001年UF与UB存在多个交点，对多个突变交点分别检验，n=12、13、14、15、16、17、18进行检验，当n=18时，滑动t检验结果显示|t0|>t0.01，降水生产潜力在2001年发生突变是可信的（图6-d）。

由图6-e可见，M-K突变检验显示，1961—2019年，青海省气候生产潜力UF统计量的变化趋势与降水生产潜力UF统计量的变化其实基本一致，均呈现上升趋势，在1998年超过信度线，UF与UB在1993—2000年存在多个交点，对多个突变交点分别检验，n=13、14、15进行检验，当n=13时，滑动t检验结果显示|t0|>t0.01，降水生产潜力在2000年发生突变是可信的（图6-f）。

分析表明，青海省气温生产潜力明显大于降水和气候生产潜力，分别为降水和气候生产潜力的1.2倍和1.5倍。表明青海省热量条件充足，而水分条件较差，尤其是柴达木盆地为干旱荒漠区，沙地面积大，平均降水量处于较低水平，生态环境脆弱，严重限制了该区气候生产潜力的发展[15]。

2.3 气候生产潜力的限制因素分析

由图7可见，气候生产潜力与年平均气温与年降水量的相关系数分别为0.695和0.860，表明年平均气温和降水量对气候生产潜力均有正向影响，降水量的影响较气温更明显，这与张娟等采用Miami模型分析宁夏地区温度、降水量、蒸散量与草地生产潜力呈负相关的结果[12]完全不同。

在SPSS中利用青海省气候生产潜力与年平均气温t和降水量r的回归模型：

Ye=26.38t+0.71r+213.29（R2=0.959）。（6）

式中：Ye为气候生产潜力，kg/hm2;t为年平均气温，℃;r为年平均降水量，mm。从模型中可以看出，气温每上升（下降）1 ℃，降水每递增（递减） 1 mm，气候生产潜力分别提高（减少）26.38、0.71 kg/hm2。

3 小结

（1）青海省59年来变暖趋势明显，以0.38 ℃/10年的速率增温2.26 ℃，其中20世纪90年代末至21世纪初增温趋势最为突出。年平均气温存在显著的地区差异，呈现北高南低、东高西低的分布态势。降水年际变化波动较大，以9.1 mm/10年的速度增加，59年增加了53.7 mm，2000年以来降水明显增多;空间分布呈现自西北向东南递增的变化趋势，年均降水量在17.2～751.0 mm之间，地区差异明显。

（2）1961—2019年，青海省溫度生产潜力在693.1～891.6 kg/hm2之间，59年间增加了 156.3 kg/hm2;在1994年发生突变，空间分布与年均气温空间分布基本一致，柴达木盆地及青海东部地区呈现出由西向东递增趋势、而青南地区的温度气候生产潜力总体偏低。降水量生产潜力年际变化波动较大，59年间以14.2 kg/（hm2·10年）的递增速率增加了83.9 kg/hm2，并在2001年发生突变;空间分布与年均气温空间分布基本一致。气候生产潜力呈递增趋势，多年平均生产潜力为 527.8 kg/（hm2·年），气候倾向率为 16.8 kg/（hm2·10年），59年间增加了99.4 kg/hm2，1994年发生突变;空间分布由高到低为东部农业区>环青海湖区>三江源区>柴达木盆地。最低值出现在冷湖，最高值出现在囊谦，呈现东高西低，由西北向东南递增的变化趋势。

（3）青海省气温生产潜力明显大于降水和气候生产潜力，分别为降水和气候生产潜力的1.2倍和1.5倍。表明青海省热量条件充足，而水分条件较差。相关性分析表明青海省气候生产潜力与年平均气温、年降水量的相关系数分别为0.695、0.860，表明年平均气温和降水量对气候生产潜力均有正向影响，降水量的影响较气温更明显。

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