長江沖積平原縣域氣候與氣候生產力變化分析——以湖北嘉魚縣為例

吳夢初，延軍平，李敏敏

（陜西師范大學旅游與環境學院，陜西西安710119）

20世紀末，全球變暖開始成為各國政府和人民廣泛關注的問題，也成為國內外學者研究的熱點之一。全球變暖之所以受到如此大的關注，究其原因為它對人類生存和發展的各方面有巨大的影響。而農業是對氣候變化響應最為敏感的部門之一，氣候變化對農業發展提出了前所未有的嚴峻挑戰[1]。氣候生產力的分析不僅能合理利用氣候資源,充分發揮當地氣候生產潛力，也是提高生產力的有效途徑之一。尤其是當前全球氣候變化對區域生態系統的影響，特別是氣溫和降水的顯著變化給農業和畜牧業產生了巨大的影響，氣候生產力的分析對制定適合區域的相應對策尤為重要。

在全球變暖的大背景下，區域氣候變化深刻影響著當地的農業發展，這種影響在不同的區域可能產生有利的和不利的結果[2]。中國氣候變化有明顯的地區性，所以研究氣候變化對我國不同區域氣候生產力的影響，其結果應該也不同[1]。目前，研究我國氣候變化對氣候生產力影響的文章多著眼于西北干旱區。如王偉等以延安市為例，研究了黃土丘陵溝壑區氣候與氣候生產力的變化情況[3]；孫楊等以西北干旱區為研究對象，分析了氣候變暖背景下該區域的農業氣候資源變化情況[1]；張立偉等對咸陽市的氣候變化對農作物氣候生產力的影響做了分析研究[2]等。這些研究[1-6]均表明，“暖濕型”氣候對作物生產最有利；氣溫對氣候生產力的影響沒有降水大，降水對干旱區氣候生產力的貢獻率大。而研究降水豐沛地區氣候生產力對氣候變化的響應情況則相對較少，地方縣域氣候如何變化及對當地農業生產影響問題的分析則更少。

鑒于此，本文以長江沖積平原上的嘉魚縣為例，根據1957-2012年氣象資料，利用Thomthwaite Memoria模型，分析降水豐沛地區縣域氣候與氣候生產力的變化，為農業生產適應氣候變化能力提供科學依據。

1 資料與研究方法

1.1 研究區概況

湖北嘉魚（圖1）地屬長江沖積平原，縣境地狹長，總面積1018.4km2，總人口31.9×104人。屬亞熱帶濕潤型季風氣候，在冊耕地面積3.06×104hm2，大體形成“一山三水四分田，兩分道路和莊園”的地貌格局。冬季氣溫下降慢、早春回溫快，農業界限溫度（穩定通過5℃的持續期）平均初日在2月27日，終日在12月10日。嘉魚縣資源豐富，區位優越，素有“錦繡江南、魚米之鄉”的美譽。

圖1 嘉魚縣地理位置示意圖

1.2 資料來源

本文選用嘉魚縣氣象站1957-2012年的逐月平均氣溫和降水量，分析該研究區氣候變化對氣候生產力的影響。四季劃分為春季：3-5月、夏季：6-8月、秋季：9-11月、冬季：12-次年2月。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.3 研究方法

氣候生產力是指在一定的光、溫、水資源條件下，其他的環境因素(CO2、養分等)和作物群體因素處于最佳狀態，單位面積、單位時間由氣候因素所決定的植物上限產量[4]。常用的比較成熟的氣候生產力計算模型有Thornthwaite Memorial模型、Miami模型、Chikugo模型和北京模型[7]等。李曉冬、杜耘[8]等在研究湖北作物氣候生產力對氣候變化的響應時認為Lieth的ThornthwaiteMemorial模型考慮了氣溫和降水對生產力的共同作用，對作物生長力的估算更為準確?；诖?，本文選用ThornthwaiteMemorial模型對嘉魚縣的氣候生產力進行研究。

模型的計算公式如下：

其中：Pv為作物的氣候生產力 [g/m2*a]，V是年平均蒸散量(mm)，R為年平均降雨量(mm)，L為年平均蒸發量(mm)，t為年平均氣溫(℃)。

2 氣候變化背景

2.1 年際氣候變化

通過對嘉魚縣1957-2012年年際氣候趨勢（圖2）分析，近56年研究區平均氣溫以0.221℃/10a（R2=0.3768，通過了α=0.05的顯著性水平）的速率遞增，略低于50年來全國增溫速 率 （0.25℃ /10a）[9-11]； 年 均 降 水 量 為 1399.9mm，以10.961mm/10a（R2=0.0046，未通過α=0.05的顯著性水平）的速率呈波動上升趨勢?？傮w來看，該縣氣候變化大致可劃分為以下三個階段：

圖2 氣溫和降水距平變化

第一階段：1957-1969年為“冷干期”。該時間段平均氣溫為16.9℃，上升速率僅為 0.033℃/10a；平均降水量為1345mm，下降速率高達96.154mm/10a。氣溫距平均為負值，1957年氣溫最低，為16.2℃；1968年降水量為849mm，僅為該縣近56年平均降水量的60.6%。

第二階段：1970-1987年為“冷濕期”。該時間段氣溫距平多為負值，平均氣溫仍為16.9℃，但增溫速率高達0.26℃/10a，溫度回升勢頭顯著；平均降水量為1420mm，較第一階段增加了75mm，變化趨勢由前期明顯減少轉變為以42.518mm/10a的速率增加。

第三階段：1988-2012年為“暖濕期”。氣溫距平多為正值，平均氣溫17.6℃，明顯高于前兩個階段，也高于近56年的均值，上升速率（0.263℃/10a）略高于第二階段。1997年以后氣溫持續上升，尤其是進入21世紀后，氣溫劇增，增幅達到最大值26.5%，為近56年來的最暖期，暖峰年出現在2006年（18.7℃）；平均降水量為1415mm，降水雖以23.279mm/10a的速率下降，但仍處于較高的水平，在2010年達到了最大值（1930mm）。值得注意的是，如果未來降水繼續保持該速率下降，嘉魚縣將進入氣候暖干期。

通過對嘉魚縣1957-2012年氣溫進行Mann-Kendall突變檢驗[12]發現（圖3），該區年均溫在1994年前后發生了由冷到暖的突變，通過了顯著水平為0.05的置信度檢驗；降水沒有發生明顯突變。

圖3 嘉魚縣1957-2012年平均氣溫Mann-Kendall檢驗

2.2 季節氣候變化

2.2.1氣溫季節變化 分析嘉魚縣1957-2012年四季氣溫變化趨勢（圖4）發現，四季氣溫均呈現上升趨勢，其中增溫速率最大的是春季，為0.327℃/10a；夏季增溫速率最小，為0.061℃/10a，與我國夏季的降溫趨勢（-0.23℃/10a）相反[7]。由5年滑動平均可知，該縣20世60年代中期至90年代中期各季均溫呈小幅度波動，90年代后期表現為顯著的上升趨勢。進入21世紀后，各季均溫均明顯高于均值，其中春季氣溫為17.80℃，高于56年來平均氣溫（16.76℃）1.04℃，其余三季氣 溫約高于當季均溫1℃。

圖4 嘉魚縣氣溫季節變化

2.2.2降水季節變化 分析嘉魚縣1957-2012年四季降水變化趨勢（圖5）發現，該縣降水的季節變化趨勢不統一：春秋兩季降水分別以14.592mm/10a和0.831mm/10a的速度遞減，且春季遞減速率遠大于秋季；而夏季和冬季降水則表現出增加的趨勢，其增加速率分別為19.33mm/10a和6.81mm/10a。19.33mm/10a遠大于6.81mm/10a，表明嘉魚縣的降水主要集中在夏季，春秋兩季降水的減少對農作物的生長不利。由5年滑動平均得出，春秋兩季降水總體呈現小幅波動下降，沒有明顯的年代際變化。夏季平均降水量為524.91mm，20世紀60年代逐年小幅遞增；70年代前期驟減，后期又快速回升；80年代-90年代中期降水變化幅度小，90年代后期-21世紀初（2002年）達到了該期降水量的峰值694.2mm，后又開始減少。冬季平均降水量為172.88mm，70年代-90年代后期降水變化明顯，表現為：前期降水量急劇減少，后期又迅速增加。

圖5 嘉魚縣降水季節變化

3 氣候變化對氣候生產力的影響

3.1 氣候生產力年際變化

分析嘉魚縣近56年氣候生產力變化可知(圖6)：氣候生產力在20世紀50年代末期-60年代，正向時間序列統計值UF>0，說明Pv呈波動上升趨勢；60年代-70年代末期（該縣為“相對冷干-冷濕型”氣候）UF多在0值以下，說明氣候生產力在此時間段呈波動下降趨勢；1978年后（該縣氣候進入“相對暖濕期”）UF>0，氣候生產力增加速率加快。說明長江流域在降水總體變化不大的前提下，區域氣候生產力對氣溫的變化比較敏感，氣溫在一定幅度內增加，其氣候生產力也基本上呈逐步增大的趨勢。Pv線性擬合方程為Y=1.4647x+1560，表明嘉魚縣Pv每年僅以1.4647kg/hm2(未通過α=0.05的顯著性水平)的速率增加。

圖6 嘉魚1957-2012年氣候生產力變化及其MK檢驗

3.2 未來氣候變化對氣候生產力的影響

假定未來由于各種因素導致氣候變暖或變冷，使嘉魚縣氣候在近56年平均降水量1400mm、平均氣溫17.22℃的基準上發生變化：氣溫升高或降低1℃、2℃或3℃，降水量增加或減少10%、20%或30%，利用ThomthwaiteMemoria模型分別計算不同氣候變化情境下氣候生產力的可能變化范圍[2-4]，計算結果見表1。

表1 未來氣候變化對氣候生產力的綜合影響 （單位：%）

表1顯示：氣候生產力隨氣溫或降水的變化而增減。當降水不變，氣溫升高1℃、2℃、3℃時，氣候生產力增加3.25%-9.36%，氣溫降低1℃、2℃、3℃時，氣候生產力減少3.35%-10.23%；而當氣溫保持不變，降水量增加或減少10%、20%、30%，氣候生產力則相應增加1.88%-4.62%或減少2.38%-9.34%。另外，當降水保持不變，氣溫變化引起的氣候生產力變化，比當氣溫不變，降水變化引起的氣候生產力變幅大，進一步說明降水豐富的嘉魚，氣溫的變化對氣候生產力的貢獻率大。這和李曉冬、杜耘[8]等的研究結果一致（氣候生產力與氣溫，降水成正相關關系；當降水不發生變化時，湖北南部地區對氣候變化響應明顯）。與西北干旱區降水對氣候生產力的影響強于氣溫的影響不同。綜合氣溫和降水變化發現，只有氣溫和降水同時增多，即“暖濕型”氣候變化時，氣候生產力才全部表現為增加趨勢，增產范圍為5.34%-15.68%，而當氣溫和降水同時減少，即“冷干型”氣候變化時，氣候生產力則全部表現為減少趨勢，減產范圍5.48%-17.05%。氣溫升高，降水減少，即氣候向暖干化轉變時，該縣氣候生產力經歷了增加0.69%-減少0.16%-減少2.74%的變化。這說明短期內暖干化氣候有利于嘉魚縣農業生產，但長期將會對農業造成不利影響，使氣候生產力降低。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）近56年嘉魚縣年均溫以0.221℃/10a的速率遞增，略低于50年來全國增溫速率（0.25℃/10a）；年均降水量為1399.9mm，以10.961mm/10a的速率呈波動上升趨勢?？傮w可大致劃分為三個階段：第一階段，1957-1969年為“冷干期”；第二階段：1970-1987年為“冷濕期”；第三階段：1988-2012年為“暖濕期”。

（2）近56年嘉魚縣四季氣溫呈現以不同速率上升的趨勢，其中增溫速率最大的是春季，為0.327℃/10a，最小的是夏季（0.061℃/10a），與我國夏季的降溫率（-0.23℃/10a）相反。四季降水變化趨勢不統一，表現為：春秋兩季減少，夏冬兩季分別以19.333mm/10a和6.810mm/10a的速度遞增?？傮w來看，嘉魚縣氣候有“暖濕化”的趨勢。

（3）近56年嘉魚縣氣候生產力呈波動上升趨勢。未來不同情景下的氣候生產力變化分析表明，“暖濕型”氣候環境可提高該區的氣候生產力5.34%-15.68%，“冷干型”氣候環境對該區農業生產最不利，減產范圍5.48%-17.05%。和西北干旱區不同的是，在降水豐沛地區，氣溫對氣候生產力的貢獻率大。目前嘉魚縣的氣候變化對氣候生產力是有利的。

4.2 討論

在全球變暖背景下，氣候變化對農業生產的影響有利有弊。對于降水豐沛的湖北嘉魚縣，隨著溫度的升高，氣候生產力也將呈現不同的變化。一定范圍的升溫，可以優化該區熱量資源，使得氣候生產力提高。但是氣候變暖必然帶來病蟲害的大量繁殖和衍生，也會增加極端天氣的發生概率[13]，這些都將嚴重影響農業生產的穩定性，加重農業災害損失。因此，我們必須因時制宜，合理規劃，充分利用氣候資源，積極主動應對氣候變化對農業生產的影響。

另一方面，氣候實際上是一個龐雜的系統，氣候因子不光有氣溫和降水兩個統計指標，還有風速、日照時數和相對濕度等衡量因子。本文基于氣候生產力計算模型ThomthwaiteMemoria，選用了氣溫和降水兩個主要統計量來反映嘉魚縣氣候變化對氣候生產力的影響，有一定的局限性，今后仍需做進一步完善。

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