天津市植物氣候生產力的估算

柳　芳

摘要:利用天津市20個觀測點的氣候資料,應用桑維斯特紀念模型估算天津市植物氣候生產力,結果顯示,天津市植物氣候生產力呈東西走向的帶狀分布,最大值在北部薊縣山區,最小值在中部的武清和北辰。水分是限制天津市作物生長的主要氣候因素,天津市的水分虧缺量為142.8～352.5 mm。

關鍵詞:天津;植物氣候生產力;桑維斯特紀念模型

中圖分類號:S165+.29文獻標識碼:A文章編號:1006-6500(2009)02-0042-04

Calculation of Plant Climatic Productivity in Tianjin

LIU Fang

(Tianjin Climate Service Center,Tianjin 300074,China)

Abstract:By using climatic data, the plant climatic productivity in Tianjin was calculated with Miami and Thornthwaite-Memorial model. The result showed that the plant climatic productivity was zonal distribution from east to west. The north parts of Jixian county had the highest plant climatic productivity, and the lowest plant climatic productivity lay in the middle parts of Wuqing and Beichen district. Water condition was the main limited factor for the plant climatic productivity in most regions of Tianjin. The water deficit was at the range of 142.8～352.5 mm.

Key words: Tianjin;plant climatic productivity;Thornthwaite-Memorial model

植物氣候生產力是指某一地區植物群體在土壤肥力等其他條件滿足其生長發育的情況下,由當地的光、溫、水等氣候因子決定的每年單位土地面積上的植物最大生物量,包括地上和地下部分。植物產量的形成是自身的生物學特性與外界生長環境因子相互作用的結果。后者主要可分為兩大類:人為管理和自然環境中的光、熱、水、氣、土壤肥力條件等。生物學特性、自然環境中的氧、二氧化碳、土壤肥力等都是相對比較穩定的因素,人為管理是可以控制的,因此,一個地區的植物產量變化主要是由當地的光、熱、水氣候條件的變化決定的。不同地區,不同的光、熱、水資源差異,導致地區間的植物氣候生產力差異。研究某一地區的植物氣候生產力變化,對于合理開發利用資源,尋找有效途徑提高本地植物氣候生產力,農業氣候區劃,植物品種配置,種植制度安排等都具有重要意義。因此,許多國內外專家都在這方面做了大量的研究工作[1-6]。

1天津市的自然條件概況

天津地處華北平原東北部,海河流域下游,其東北部、西南部和南部與河北省平原地區連接,西北部與北京相鄰,東部面臨渤海灣,總面積11 919.7 km²,位于北緯38°34′～40°15′,東經116°43′～118°04′范圍內,南北最長約188.4 km,東西最寬約117.2 km,海岸線長約153.3 km。海拔從天津北部、西北部山區向南部平原逐級下降,形成西北高、東南部低的地勢,絕大部分是海拔2～5 m的沖積平原,地形平坦、開闊。最高點是薊縣東北部的八仙山聚仙峰,海拔為1 052 m。在天津市的總面積中,平原面積占93.15%,山區面積占6.85%。天津屬于暖溫帶半干旱、半濕潤季風氣候,一年中四季分明。

2研究方法

目前,在我國計算植物氣候生產力主要采用3種模型:筑后模型、邁阿密模型(Miami)、桑斯維特紀念模型(Thornthwaite-Memorial)。由于筑后模型是一種半理論半經驗模式,計算所需參數較多,部分參數本文尚未獲得,故本文僅介紹后2種模型的計算結果。

2.1邁阿密模型(Miami)[7,8]

NPP(t)=30 000/[1+exp(1.315-0.119t)](1)

NPP(p)=30 000[1-exp(-0.000 664p)](2)

式中:t為年平均氣溫(℃);p為年平均降水量(mm);NPP(t)和NPP(p)分別為以溫度和降水量估算的植物干物質產量(kg/(hm²·a))。根據Liebig的限制因子定律,選取二者中的最低值作為各計算點的植物氣候生產力。

2.2桑斯維特紀念模型(Thornthwaite-Memorial)[7,8]

NPP(e)=30 000[1-exp[-0.000 969 5(e-20)]] (3)

e=1.05p/[1+(1.05p/ l)2](4)

l=300+25t+0.05t3 (5)

式中:t、p意義與2.1模型相同;30 000:經統計得到的地球自然植物每年在每公頃土地上的最高干物質產量(kg);e:年平均實際蒸散量(mm);l:年平均最大蒸散量(mm)。只有當p>0.316 l時,(5)式才適用;若p/l<0.316時,則p=e。

3結果與分析

考慮到北部山區氣候條件比較復雜,選取天津市13個區縣和薊縣7個山區水文觀測點的年降水量、年平均氣溫代入(1)、(2)、(3)式中,計算結果如表1。由表1可知,由溫度計算的植物氣候生產力NPP(t)平均為16 420.6 kg/(hm²·a),由降雨量計算的植物氣候生產力NPP(p)平均為8 754.2 kg/(hm²·a),相當于溫度產量的53.3%,這表明天津市的氣候條件對于植物的生長發育來說,熱量條件充足,而水分條件是制約植物產量的主要因子。北京由降雨量計算的植物氣候生產力占溫度計算的植物氣候生產力的73%[9],比天津的百分比數字要大,也表明天津市降水對作物生長的虧缺程度比北京更加嚴重。

Thornthwaite-Memorial模型在計算中引入了蒸散量的概念,蒸散量是指土壤蒸發和作物蒸騰的耗水之和,是諸多氣象因子共同作用的結果。蒸散量能夠比較客觀的反映一個地區的水熱平衡狀況和植物的光合作用狀況,與植物群體的生產能力有著密切關系。因此,用蒸散量來計算植物氣候生產力比僅考慮溫度或降水因素更加接近實際自然狀況。對比2種模型的計算結果,除薊縣山區的羅莊子外,NPP(t)數值最大,NPP(p)數值最小,NPP(e)居中。也就是說,由溫度計算出的植物氣候生產力比實際值要大,因為沒有考慮水分的制約(削減)作用;由降水計算出的植物氣候生產力比實際值要小,同樣是因為沒有考慮溫度的促進(增加)作用。實際的植物氣候生產力數值應該介于兩者之間,更接近于由蒸散量計算出的結果。

由Thornthwaite-Memorial模型的計算結果如圖1,天津市植物氣候生產力的低值中心在武清區和北辰區,最小值為8 986.782 kg/(hm²·a);高值區位于薊縣北部山區,最大值為10 903.654 kg/(hm²·a),與年降水量的空間分布特征基本一致,圖2。

對Thornthwaite-Memorial模型進行數學變換,e與NPP(e)呈正相關關系,當e達到最大時,由此計算出的植物氣候生產力也最大,當e=l時即達到最大值。由(4)、(5)兩式可以計算出當年平均實際蒸散量達到年平均最大蒸散量時需要補充的水量,由此可以確定各地的水分虧缺程度。計算結果表明,天津市各區縣的補充水量為142.8～352.5 mm,基本可以劃分為3個區域,補充水量在320 mm以上的地區主要在天津市的中南部和東部的兩個港口地區,這些平原地區海拔低,熱量條件好,蒸發力強,需要補充的水量較多。補充水量在290～320 mm之間的地區主要在天津北部平原和東北部,這些地區熱量條件比前一個區域略差,需要補充的水量也略少一些。第3個區域為補充水量低于290 mm以下的地區,主要在北部薊縣山區,這些地區海拔較高,熱量條件較差,蒸發力弱,同時由于地形作用,降水條件較充沛,需要補充的水量較少。

補充水量次多的地區為天津市主要的農作物種植區和最大的葡萄種植區。目前,天津市年降水量呈現不斷減少的趨勢,水分對作物和果樹生長的制約作用日趨明顯。因此,該地區一方面應

積極貯備水源,以備灌溉;另一方面,大力發展農業節水技術,提高水分利用效率,同時合理布局農業生產,引進需水少、抗旱性能強的品種。對于北部薊縣山區等植物氣候生產力高的地區,應進一步開發利用。

4結 論

(1)由于Thornthwaite-Memorial模型考慮的因素較全面,計算結果更加合理,筆者以該模型計算的結果討論天津市植物氣候生產力分布狀況。天津市植物氣候生產力呈東西走向的帶狀分布,分布特點為北部薊縣山區最高,中部武清、北辰最小。

(2)由Thornthwaite-Memorial模型計算的天津市植物氣候生產力與年降水量空間分布基本一致。水分是制約作物生長的主要因素。

(3)天津市由降雨量計算的平均植物氣候生產力相當于由溫度計算的平均植物氣候生產力的53.3%,北京為73%,天津市水分條件對農作物生長的虧缺程度比北京更加嚴重。

(4)若通過補充水分的方法使某一地區達到年平均最大蒸散量時,天津市各地區的補充水量為142.8～352.5 mm,按照補充水量的多少可劃分為3個區域,中南部和東部的兩個港口地區最多,北部平原地區和東北部地區次之,北部薊縣山區最少。

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