黔中地区1971—2020年作物气候生产潜力变化特征

周博扬，王君军，吴和俐

（贵阳市气象局，贵州贵阳 550000）

0 引言

作物气候生产潜力是评价一个地区在环境因素适宜情况下，结合当地的气候条件，如光、温、水等在单位面积上能产生的经济产量最大值[1-4]。通过数学方法对农业气候资源来进行分析，建立数学模型综合分析和评价当地的气候资源[5-6]。在这方面研究中，李斯（H.Lieth）根据全球的年平均气温、年降水量与作物之间的联系，用实际的蒸散量来计算作物气候生产潜力，建立了Miami模型[7-8]。联合国粮农组织推荐了AEZ法，所需资料少，算法简单，从而降低了估算的精准性。R·S·卢米斯[11]引进了量子效率研究作物生产潜力。孙忠富等[12]用基本驱动因子的方法，采用太阳辐射因子建立了番茄发育生长模型。诸多学者[14-15]考虑气候变化对粮食产量的影响，提出建立粮食作物生育期全过程的模型，能更好地了解本地的农业气候资源，进行开发利用。

位于黔中地区的贵阳市地处云贵高原的东坡，属亚热带季风性湿润气候，地势西南高、东北低，是一座具有高原特色的城市。近年来，全市大力发展粮食和果蔬产业，但在气候变暖的大背景下，贵阳市地区的气候也随之变化。该地区的气候变化对作物生产潜力有哪些影响，目前还没有研究。针对贵阳市的气候变化及演变规律，利用Thornthwaite模型和Miami模型作为基础进行研究，以期更合理地利用农业气候资源，开发作物生产潜力，为“三农”服务提供更科学更高效的保障。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究选取贵阳市有完整的气象观测资料的8个气象站1971—2020年（白云为1982—2020年）的气温、降水量等基本气象数据。所有数据进行了严格的质量控制，估算农业气候生产潜力。

1.2 研究方法

选取简洁又实用的Thornthwaite模型。李斯（H.Lieth）和博克斯（E.Box）在第22届国际地理学大会上提出，他们根据气温和降水与作物产量的关系，结合干物质积累与光温水之间密切的联系，得出著名的Thornthwaite模型[7-8]，得到了广泛的应用。见公式（1）、（2）、（3）。

式中，Wv为作物气候生产潜力[g/（m2·a）]；

e为自然对数的底；

V为年平均蒸散量（mm）；

R为年降水量（mm）；

L为年平均最大蒸发量（mm）；

T为年平均气温（℃）。

迈阿密模型是李斯用最小二乘法建立的模型，选取年降水量和年平均气温为因子[7]。考虑该模型是降水和温度两个因子，根据限制因子定律[8]，选择二者中最小值作为样本点的作物气候生产潜力。见公式（4）、（5）。

式中，R为年降水量（mm）；

T为年平均气温（℃）；

e为自然对数的底；

Wt和Wr分别为以单因子的温度和降水量计算的作物气候生产潜力[g/（m2·a）]。

本文研究采用Thornthwaite模型分析作物气候生产潜力年际和时空变化，采用迈阿密模型分析限制因素。

1.3 统计分析

采用趋势分析、方差分析等统计方法进行统计分析。空间绘图采用Surfer13.0及克里金插值法，统计软件采用SPSS17.0。

2 结果与分析

2.1 年际变化特征

统计分析8个研究对象的作物气候生产潜力的逐年数据，将其进行区域平均，以作物气候生产潜力建立时间序列。分析可知（图1），贵阳市多年平均作物气候生产潜力为1 399.7 g/（m2·a），2015年最高，作物气候生产潜力为1 503.9 g/（m2·a），2011年最低，作物气候生产潜力为1 240 g/（m2·a），最高年与最低年差值为263.9 g/（m2·a）。1971—2020年以来，贵阳地区的作物气候生产潜力值呈现出上升趋势，趋势变化量6.3 g/（m2·a），并通过了0.05的显著性检验，表明均显著增加。极值出现在21世纪20年代。作物气候生产潜力经历了“增-减-增-减-增”的周期性阶段

图1 1971—2020年贵阳市作物气候生产潜力趋势变化

2.3 限制因素

2.2 空间变化特征

通过对贵阳市地区8个区县的作物气候生产潜力的历史值进行差值处理分析（图2a），发现贵阳市的西南部一带为作物气候生产潜力高值区；贵阳市东北部，主要在开阳地区为低值区，这与开阳的气温是全市最低关系密切。由作物气候生产潜力距平变化分析可知（图2b），作物气候生产潜力的增加趋势是由东北向西南递增的。

图2 1971—2020年贵阳市作物气候生产潜力多年平均值（a）及距平变化（b）空间分布

根据限制因素定律[8]，计算Wt和Wr中最小值作为各个区县的作物气候生产潜力，进而找到限制因素。通过计算分析，全地区的Wt多年平均值为1 793.8 g/（m2·a），Wr多年平均值为1 595.8 g/（m2·a）；全市的Wt值均大于Wr值，表明降水因素是作物气候生产潜力的主要限制因子。分析可知，开阳和清镇存在两个高值中心，说明作物气候生产潜力对降水比较敏感；息烽和贵阳有两个低值中心，说明两地的资源利用率较低，农业灌溉用水量需要更多（图3）。

图3 1971—2020年降水量估算的作物气候生产潜力多年平均值空间分布

2.4 实际与作物气候生产潜力关系

黔中地区，四季分明，雨热同季，热量资源充足，利于农业生产发展。利用贵阳市2011—2020年实际粮食产量与作物气候生产潜力的比值，计算出利用率。分析发现，10年来，贵阳市粮食总产平均值为419.6 g/（m2·a），作物气候生产潜力1 425.8 g/（m2·a），生产利用率为30%，说明实际粮食产量还有较大的挖掘潜力（表1）。

表1 贵阳市实际粮食产量与作物气候生产潜力对比

3 结论

1）贵阳市多年平均作物气候生产潜力为1399.7g/（m2·a），最高年与最低年差值为 263.9 g/（m2·a）。1971～2020年以来，作物气候生产潜力的曲线周期为“增-减-增-减-增”，目前位于增加趋势中。

2）贵阳市的西南部一带，为作物气候生产潜力高值区；贵阳市东北部地区为低值区，这与开阳的气温是全市最低关系密切。作物气候生产潜力是由东北向西南增加的空间变化趋势。

3）全地区的Wt多年平均值为1 793.8 g/（m2·a），Wr多年平均值为1 595.8 g/（m2·a）；表明降水因素是作物气候生产潜力的限制因子。从利用率来看，贵阳市粮食总产平均值为424.4 g/（m2·a），作物气候生产潜力1 418.7 g/（m2·a），生产利用率为30%，说明实际粮食产量还有较大的挖掘潜力。因此，重视气候变化产生的影响，提高水分利用率，科学规避不利的气象因素，能有效减缓对农业生产的影响，进一步开发作物气候生产潜力。

4）在全球气候变暖的大背景下，黔中地区的气候也随之变化，各种气象要素的改变必然影响作物生长发育，他们之间的联系是相互制约的、综合的、整体的。本研究有齐全的气象资料作支撑，应用了两种数学模型，讨论了贵阳地区作物气候生产潜力对气候的响应，但这种拟合计算与实际生产情况还存在一定的差距。本模型没有考虑土壤肥力、光因子、种子优化等因素，如何更好地高效地提高作物气候生产潜力有待进一步研究。