氣候變化對漣水縣氣候生產潛力的影響分析

顧維慧　吳洪軍　喬曉波等

摘要 利用1961～2010年漣水及其周邊11個站點年平均氣溫、降水量資料，應用Thornthwaite Memorial模型，估算了歷年漣水蒸散量氣候生產潛力（TspV），分析了其時空分布規律及氣候生產潛力與溫度或降水量的關系。結果表明，1961～2010年漣水縣溫度呈上升趨勢，降水總體沒有明顯的增加或減少趨勢；漣水TspV值的變化趨勢與年降水量的趨于一致，其空間分布特征表現為明顯的緯向遞減特征；氣溫與氣候生產潛力相關系數極小，區域氣候生產潛力與氣溫關系甚微；降水與同期氣候生產潛力關系密切，氣候生產潛力和降水量時間變化趨勢基本一致；降水是區域作物產量的主要限制因子。

關鍵詞 漣水；氣候變化；氣候生產潛力；趨勢；影響

中圖分類號 S161 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06731-03

作物生長是在光照、溫度、水分、空氣、土壤、微生物等一系列環境要素的共同影響和綜合作用下而進行的，在這眾多的諸要素中只有光照、氣溫最不容易人為控制。人類對自然水分狀況的改變也還比較有限，因而可將在一定的氣候條件下，光照、氣溫、降水及它們的年變化為確定情況時一地區作物產量的上限稱為該地的氣候生產潛力[1-2]。氣候生產潛力的估算對充分利用氣候資源、合理安排農業生產等具有非常重要的意義，因而近年來引起了有關研究人員的廣泛重視[3-7]。常用的比較成熟的模型有根據植物生產量與氣溫降水相關而建立的Miami模型、通過蒸散量模擬植物生產量的Thornthwait Memorial模型、表征農作物光溫生產力的Wageningen模型（WOFOST作物模型）、農業區域生態AEZ模型和筑后（Chikugo）模型等。相對而言，Thornthwaite Memorial模型綜合了水熱等氣候因子，更為周密、準確、合理，在一定程度上能代表區域的實際產量。筆者主要利用計算簡便、能明確表達氣候變化對NPP（Net Primary Productivity）影響的Thornthwaite Memorial模型所提供的計算方法，對漣水縣的氣候生產潛力進行計算分析。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

漣水縣位于江蘇北部（33°45′～33°05′N、119°～119°35′E），連宿淮鹽四市之間，東與阜寧、濱海、響水三縣為鄰，西與淮陰區、沭陽縣接壤，南與楚州區隔河相望，北與灌南縣毗連。全縣東西長60 km，南北寬51.5 km，總面積1 676.34 km2，人口108萬。全縣轄19個鄉鎮、3個園區。漣水縣地處季風氣候區，冬季風時氣溫低、天氣寒冷；夏季風時氣溫高，前期炎熱；冬夏季風交替的春秋兩季氣溫適中。

1.2 資料來源

主要選取漣水縣及其周邊11個站點1961～2010年溫度、降水資料，并對所有資料進行嚴格的質量檢查，人工剔除明顯錯誤記錄，缺測記錄用鄰近站點插補。

1.3 計算方法

1.3.1

線性傾向估計。首先用xi表示樣本量為n的溫度或降水變量，對其進行快速傅里葉變換滑動平均后，用ti所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸：xi=a+bti（i=1，2，…，n），此式可以看作一種特殊的、最簡單的線性回歸形式[8]。它的含意是用一條合理的直線表示xi與其時間ti之間的關系。式中，a為回歸常數，b為回歸系數。回歸系數b的符號表示溫度或降水量的趨勢傾向。b的符號為正，即當b>0時，說明隨時間t的增加，溫度或降水呈上升趨勢；當b的符號為負，即b<0時，說明隨時間t的增加，溫度或降水呈下降趨勢。

1.3.2

氣候生產潛力的估算。

在綜合分析和分析試驗的基礎上，采用比較成熟、國際上通用的Thornthwaite Memorial紀念模型計算區域氣候生產潛力，即

TspV=3 000/（1-e-0.000 969 5（V-20）），式中，TspV是以實際蒸發量計算得到的作物干物質產量[g/（m2·a）]；V 為年平均實際蒸發量（mm），可用Turc公式計算，即V=1.05R/[1+（1.05R/L）2]1/2，

式中，L為年最大蒸散量（mm），表征為年平均溫度的經驗函數，L=300+25T+0.005T3 （只有當R>0.316L才適用，否則V=R）。

1.3.3

氣候生產潛力與氣溫和降水的相關關系。

利用SPSS軟件得出溫度、降水及溫度與降水量線性回歸后與氣候生產潛力回歸標準化殘差的標準P-P圖。在回歸分析中，測定值與按回歸方程預測的值之差，以δ表示。殘差δ遵從正態分布N（0，σ2）。（δ-殘差的均值）/殘差的標準差，稱為標準化殘差，以δ*表示。δ*遵從標準正態分布N（0，1）。試驗點的標準化殘差落在（-2，2）區間以外的概率≤0.05。若某一試驗點的標準化殘差落在（-2，2）區間以外，可在95%置信度將其判為異常試驗點，不參與回歸直線擬合。同時計算出溫度與降水分別與氣候生產潛力的相關性，借以估計氣候生產潛力與氣溫與降水的關系，得出氣候生產潛力的主要限制因子。

2 結果與分析

2.1 漣水縣氣候變化特征分析

2.1.1

溫度。1961～2010年漣水縣年平均氣溫14.2 ℃，1月最冷，平均氣溫0.7 ℃，7月最熱，平均氣溫26.8 ℃，全縣年平均氣溫分布呈緯向遞減特征，東南、西南部比北部溫度高（圖1a）。1978年7月8日極端最高氣溫達38.4 ℃，1991年12月30日極端最低氣溫達-14.3 ℃。1961～2010年漣水年平均氣溫呈上升趨勢，且通過0.01水平的顯著性檢驗，氣溫上升幅度達0.18 ℃/10a；20世紀90年代中期之后氣溫上升趨勢更為顯著，2000年之后，年平均氣溫頻頻出現高值。

2.1.2

降水。漣水縣年平均降水量979.5 mm，春、夏、秋、冬季降水量分別為167.9、555.3、182.6、73.7 mm。夏季降水最多，占全年的52%，冬季最少，占8%。最長連續降水日14 d，為1972年5月10～23日，降水176.3 mm，最長連續無降水日44 d，為2010年12月15日～2011年1月27日。漣水降水呈緯向遞減特征，南部比北部平均降水量多（圖2a）。

圖1 1961～2010年漣水縣平均溫度的空間分布（a）和時間變化（b）

圖2 1961～2010年漣水縣年總降水量的空間分布（a）和時間變化（b）

從圖2b可以看出，1961～2010年漣水縣年降水量總體沒有明顯的增加或減少趨勢，從趨勢曲線看（通過0.10水平的顯著性檢驗），1961～1967年其趨勢下降，1968～1970年趨勢上升，1971～1979年趨勢下降，1980～1999年其趨勢比較穩定，從2000年之后其趨勢緩慢上升；75%的年份在800.0 mm以上；降水最多年份為1962年，達1 455.7 mm，降水最少年份為2004年，達473.8 mm。

2.2 氣候生產潛力時空分布特征分析

2.2.1

時間變化。從漣水縣平均氣候生產潛力（圖3）來看，2004年最小，為934.596 3 g/（m2·a），2000年最大，為1 334.338 g/（m2·a）；1961～2010年漣水縣氣候生產潛力總體沒有明顯的增加或減少趨勢，1961～1968年氣候生產潛力呈下降趨勢，1961～1990年基本在平均值上下平穩波動，1991～2010年呈現上升趨勢。

2.2.2

頻率直方圖及空間分布特征。由圖4a可見，漣水縣1961～2010年氣候生產潛力呈正態分布，其氣候生產潛力分布在934.6～1 334.3 g/（m2·a），而其又主要集中在1 100～1 300 g/（m2·a）。圖4b顯示，漣水縣氣候生產潛力空間分布特征表現出較為明顯的緯向遞減特征，高值區位于水熱條件較好的南部地區，在陳師鎮、朱碼鎮、大東鎮及以南地區，氣候生產潛力在1 219.2 g/（m2·a）以上；低值區主要分布在水熱條件較差的北部地區，高溝鎮、灰墩、義興鎮，氣候生產潛力僅有1 208.6～1 213.8 g/（m2·a）。

圖3 1961～2010年漣水縣氣候生產潛力變化

2.3 氣候生產潛力與氣溫和降水的相關關系

從氣候生產潛力與同期氣溫和降水的相關關系的計算（表1）可以看出，氣溫與氣候生產潛力相關系數（0.128）極小，未通過顯著性檢驗，說明區域氣候生產潛力與氣溫關系甚微，氣溫并非區域農業生產的限制因子；降水與同期氣候生產潛力的相關系數在0.9以上，通過了α=0.001水平的顯著性檢驗，表明關系密切，可以認為降水量與氣候生產潛力存在線性正相關關系；另外，對比2b、圖3和圖5不難看出，氣候生產潛力和降水量時間變化趨勢基本一致，進一步說明漣水縣大部分地區熱量條件相對充足，降水是區域作物產量的主要限制因子。

3 小結

（1）在氣候變暖的背景下，1961～2010年漣水縣溫度呈上升趨勢，降水總體沒有明顯的增加或減少趨勢。

（2）漣水縣氣候生產潛力的氣候生產潛力并沒有表現為明顯的增加或減少趨勢，1961～2010年氣候生產潛力在934.6～1 334.3 g/（m2·a）間波動，其空間分布特征表現出較為明顯的緯向遞減特征，高值區位于水熱條件較好的南部地區，低值區主要分布在水熱條件較差的北部地區，最高值與最低值相差達15.9 g/（m2·a）。

（3）氣溫與氣候生產潛力相關系數極小，區域氣候生產潛力與氣溫關系甚微。降水與同期氣候生產潛力相關關系密切，氣候生產潛力和降水量時間變化趨勢基本一致，降水是區域作物產量的主要限制因子。

（4）在此僅采用了Thornthwaite Memorial模型對漣水縣氣候生產潛力及其與溫度、降水量做了大致相關性分析，至于溫度、降水與實際產量的關系、漣水縣氣候生產潛力的利用率和可增產潛力的情況尚未做出研究，還需要從區域氣候變化等影響來進一步研究，這樣才能為氣候生產潛力的定量預測做出全面的科學依據。

參考文獻

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