博州地區氣候生產力對區域氣候變化的響應

陳 濤，陳洪武，楊 遼

（1.新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046）

博爾塔拉蒙古自治州（以下簡稱博州）地處亞歐大陸腹地，位于新疆維吾爾自治區西北部，位居79°53′～83°53′E，44°02′～45°23′N，在準噶爾西緣，東連塔城地區，南接伊犁哈薩克自治州，西北部與哈薩克斯坦接壤，自治州西、北、南三面環山，中間是喇叭狀的谷底平原，東西長315 km，南北寬125 km?？偯娣e2.7×104km2。地貌特征大致由南北兩側山地、中部博爾塔拉谷地和東部艾比湖盆地三大單元組成。氣候屬溫帶大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大，極端最高氣溫44 ℃，極端最低氣溫-36 ℃，無霜期153～195 d。博州是一個農牧結合的地州，地形由東向西呈坡形逐漸增高，宜農、宜牧、宜林、宜漁。全球變化背景下的氣候變化，對植被生長產生的最主要的影響是植被生產力的變化[7-16]。但是，以往的研究成果中，多注重本區氣候對全球變化的響應程度研究[1-3]，特別是博州地區，辛渝、楊勇、劉忠禮等人的研究也僅是針對本地區的氣候變化趨勢[19-21]。本文在分析博州地區氣候變化特征的基礎上，運用氣候生產力模型，定量分析本地區氣候生產力的變化及其對植被的影響，并就氣候變化對未來植被的影響做適當的預測，促進本地區的可持續發展。

1 資料來源與研究方法

所用氣象資料來源于新疆維吾爾自治區氣候中心所提供的博州地區3個氣象站點（即博樂市、溫泉縣、精河縣）1981—2010年之間的連續數據，時間跨度近30 a，數據類型包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和逐旬降水量。影響植被生長的因素是多方面的，例如氣候、土壤、水分、品種、植被群體結構等，因此計算氣候生產力的模型也很多，如邁阿密模型、蒙特利爾模型、筑后模型等[17-18]?？紤]到簡便實用又能清楚說明氣候變化的影響，并且在新疆地區具有一定的可行性[6-8]，選用了Tharnthwaite Memoriae 模型來估算氣候生產力[6]。Leith 根據世界各地植被產量與年平均氣溫、降水量之間的關系，提出了用實際蒸散量計算植被的氣候生產力的公式，即Tharnthwaite Memoriae 模型：

式中，TSPV 是以實際蒸發量計算得到的植物氣候生產力，單位kg·m－2·a-1；V 為年平均實際蒸發量，單位mm；N 為年平均降水量，單位mm；L 為年最大蒸發量，單位mm；t 為年平均氣溫，單位℃。當N/L>0.316 時（3）式適用；N/L<0.316 時取V=N。

2 博州地區近30 a 來氣候變化分析

2.1 近30 a 來氣溫的變化規律

博州地區近30 a 來氣溫在波動中呈上升趨勢，增長率為0.06 ℃·a-1，多年平均氣溫為6.37 ℃，年平均最高氣溫與最低氣溫相差2.9 ℃（圖1）。結合氣溫變化曲線，采用5 a 滑動平均的方法檢測氣溫序列發現近30 a 來博州地區年平均氣溫在2000年以前大致呈現以9 a 一個周期的冷暖變化；但在2000年以后，呈現異常偏暖，其平均溫度較之前的20 a 高出了0.8 ℃，其中有8 a 氣溫為正距平。

圖1 博州地區近30 a 氣溫變化

博州地區的四季氣溫在過去30 a 均呈現上升趨勢，但上升趨勢各不相同（圖2）。其中春季和秋季氣溫增長幅度較大，其增長率分別為：0.05 ℃·（10 a-1）和0.06 ℃·（10 a-1），秋季氣溫上升趨勢最大，秋季氣溫自1994年后有12 a 氣溫為正距平。特別是近10 a，平均氣溫較前20 a 上升了1.3℃；春季氣溫自1995年后增長迅速，其中有11 a 氣溫為正距平。夏季和冬季的氣溫增長趨勢不很明顯，其增長率分別為0.03 ℃·a-1和0.02 ℃·a-1。

圖2 博州地區近30 a 季節氣溫變化

2.2 近30 a 來降水量的變化

博州地區多年平均降水量為188.2 mm，近30 a來降水量總體呈增多趨勢（圖3），平均每10 a 增加3.2 mm。同樣采取5 a 滑動平均的方法檢驗降水序列，發現近30 a 來博州地區降水量在2001年以前處在偏少期，并且年季變化較大,其中1998年出現近30 a 來的最低值109.8 mm。2001—2003年，降水異常偏多，其中2003年達到最大值283.1 mm。2003年以后至今，又呈現減少的趨勢。

圖3 博州地區近30 a 降水量變化

博州地區四季降水變化在近30 a 來變化也不相同（圖4）。其中春、夏和冬季降水量呈上升趨勢，秋季降水量減少。春、夏和冬季降水量每10 a分別增長：3.9 mm、3.1 mm 和2.1mm，但是年季變化幅度較大，秋季降水量每10 a 減少1.6 mm，僅有1987年和2003年出現較大強度降水。

圖4 博州地區近30 a 季節降水量變化

2.3 氣候要素的年代際變化和地域差異

博州地區近30 a 來氣溫呈現逐漸遞增的趨勢，近10 a 氣溫最高。近10 a 的平均氣溫比80年代高出了1.0 ℃。通過把氣溫和降水與其多年平均值比較，結合其年代變化趨勢和變率，定義博州地區的氣候冷暖干濕組合特征（表1）。

表1 博州地區不同時期氣候特征

博州地區按照自西向東分別為溫泉縣、博樂市、精河縣，其多年平均氣溫增長率分別為：0.04、0.04、0.05 ℃·10 a-1。東部的精河縣溫度最高，且增溫速度最快。西部的溫泉縣溫度較其東部兩地年平均氣溫最低。博州地區的降水量呈現自西向東逐漸遞減的趨勢。西部的溫泉縣年降水量較其他兩地較多。東部的精河縣降水最少。溫泉縣和博樂市的年降水量在近30 a 來呈現遞增的趨勢，其多年增長率分別為1.58、0.68 mm·a-1?？梢娢鞑康臏厝h年降水量增幅最大。東部的精河縣年降水量在近30年來呈現降低趨勢，其年降水量增長率為-1.5 mm·a-1。博州地區氣候特征由80年代的冷濕轉為90年代的暖濕，而自2000年以后的近11 a 總體呈現暖濕的趨勢。但是2003年以后，降水量呈現遞減趨勢，其遞減率為5.7 mm·10 a-1。

3 博州地區氣候生產力評估

3.1 氣候生產力的年際變化

將年平均溫度、年降水量帶入（1）～（3）式計算，獲得博州地區1981—2010年氣候生產力變化（圖5）。博州地區氣候生產力多年平均值為45 805.6 kg·hm-2，近30 a 來呈逐漸增加的趨勢，其增長率為242.5 kg·hm-2·a-1。博州地區氣候生產率在1981—2003年波動起伏較大，在2003年以后呈現逐漸下降趨勢。在1985年出現最低值29 448.6 kg·hm-2，在2003年出現最大值為67 267.2 kg·hm-2。

圖5 博州地區近30 a 氣候生產力變化

博州地區氣候生產力在20世紀80 和90年代均呈現上升趨勢，其增長率分別為247.1 kg·hm-2·a-1和121.4 kg·hm-2·a-1。但是近10 a 氣候生產力呈下降趨勢，其平均每年下降183.7 kg·hm-2。博州地區氣候生產力自西向東在近30 a 大體上呈現遞減趨勢，只有90年代博樂市平均氣候生產力低于東部的精河縣（表2）。

表2 博州地區氣候生產力年代變化（kg·hm-2）

3.2 氣候變化對氣候生產力的影響分析

植物氣候生產力（climatic productivity）[1]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，由光、熱、水等氣候因子決定的單位土地面積上植物最大生物量，包括地上和地下部分。某一區域的植物凈氣候生產力主要決定于該區域的光、熱和水資源，但是不同年份的光、熱和水能資源有明顯的差異。博州地區氣候生產力在暖濕型氣候下增長幅度較快，在冷濕型氣候下呈現下降趨勢。通過對比氣候生產力與氣溫和降水的關系發現：博州地區2 縣1 市的氣候生產力與降水量呈顯著性相關，與氣溫的相關性不明顯。相關性系數分別為0.68和0.17，降水量是博州地區氣候生產力最主要的限制因子。氣候生產力除了受降水、氣溫影響外，還與相對濕度、日照時數、土壤溫度等因子有關。

3.3 實際生產力對氣候生產力的響應

分析為了衡量關中植被的氣候資源利用率，定義實際產量與氣候生產力之比為植被生產力利用率[10]，即：

植被氣候生產力利用率=（實際產量/氣候生產力）×100%。 （4）

由于受到自然條件和社會條件的限制，博州地區植被氣候生產力利用率相對較低，氣候生產潛力較大，以博州地區糧食單產為例（表3），其氣候生產力利用率最高在2009年達到33.08%。

做2002—2010年實際糧食產量與氣候生產力的相關性分析發現，氣候生產力與實際生產力相關性不明顯，其相關系數為0.11。但這并不說明實際生產力不受氣候生產力的影響。由表3 可以看出，目前氣候生產力的利用率普遍較低。隨著農田水利設施的改善，農藥和化肥的大量使用，氣候生產力的利用率將會逐漸提高。因此研究氣候生產力的時空演變規律，對于預測未來的農作物產量變化和增長幅度，具有很重要的現實意義。

表3 博州地區氣候生產和與實際生產力

3.4 未來氣候變化對氣候生產力影響的敏感性分析

盡管未來的氣候難以預測，但是多數學者認為新疆的氣候未來將向暖濕化方向發展[4-5]。借助這些研究結論，計算未來一段時期內博州地區氣候生產力的變化，進而為未來的植被長勢做出初步的預測。以2010年的數據為基礎（氣溫為7.1 ℃，降水量為179 mm，氣候生產力為42 838.5 kg·hm-2），假設未來博州地區年平均氣溫在變幅-2、-1、0、1、2 ℃，年降水量在變幅-20%、-10%、0%、10%、20%的情況下，計算氣候生產力的可能變幅（表4）。

表4 氣候變化下氣候生產力變化百分率/%

由表4 可以看出，在光照條件不變的情況下，氣溫升高，降水量增加，氣候生產力均呈增加的趨勢。當氣候在處于暖濕情況下（氣溫上升1 ℃，降水量增加10%），氣候生產力將增加11.01%。當氣候處于暖干型（氣溫上升1 ℃，降水減少10%）和冷干型（氣溫下降1 ℃，降水減少10%）情況下，氣候生產力分別降低11.01%和14.33%?？梢娕瘽裥蜌夂蛴欣谥脖坏纳L。

4 結論

博州地區近30 a 來氣溫呈增長趨勢，增長率為0.06 ℃·10 a-1，降水呈增加趨勢，平均每10 a 增加3.2 mm。春季和夏季的降水量分別以0.39 mm·a-1和0.31 mm·a-1的平均速度增加。但是秋季的降水量以0.16mm·a-1的平均速度下降。進入21世紀以來，博州地區氣候呈現“暖干化”的特征。但是夏季和秋季呈現暖干化，并且夏旱情況越來越嚴重。

博州地區氣候生產近30 a 來呈現波動增長趨勢，其中多年平均值為45 805.6 kg·hm-2，平均每年增242.5 kg·hm-2。降水量對氣候生產力的影響程度遠大于氣溫對其的影響，降水與氣候生產力呈顯著相關，應該是博州地區氣候生產率最主要的影響因子。

博州地區“暖濕型”氣候對植被生長最為有利，其有利于植物干物質的積累，若未來氣溫升高1～2℃，降水量增加10%～20%，則博州地區植被生產力將增加11.0%～20.1%。“暖干型”和“冷干型”氣候對植被的生長極為不利，單位面積分別減少13.9%和20.1%。未來5 a 新疆地區氣候的暖濕化有助于氣候生產力的提升，也有利于該地區的植被生長。

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