未來氣候情景下廣西冬季農業氣候生產潛力的變化特征

廖雪萍，劉一江，李耀先，梁駿，梁駒，覃崢嶸

(1.廣西氣象減災研究所，廣西南寧520022;2.南京農業大學，江蘇南京210095;3.廣西大學，廣西南寧530004;4.英國雷丁大學，英國雷丁RG6 6BB)

未來氣候情景下廣西冬季農業氣候生產潛力的變化特征

廖雪萍1，劉一江2，李耀先1，梁駿3，梁駒4，覃崢嶸1

(1.廣西氣象減災研究所，廣西南寧520022;2.南京農業大學，江蘇南京210095;3.廣西大學，廣西南寧530004;4.英國雷丁大學，英國雷丁RG6 6BB)

利用區域氣候模式(PRECIS)，模擬生成A2情景下廣西冬季氣溫和降水氣候情景數據，經模型訂正后，應用邁阿密模型(MiamiModel)和桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)估算基于廣西冬季平均溫度、降水量的作物生產量和平均蒸散量的作物氣候生產力，預估未來廣西冬季農業氣候生產潛力的時空變化特征。結果表明:基于未來廣西冬季平均溫度估算的作物生產潛力隨時間呈增長趨勢，具有南高北低的緯向空間分布特征;基于冬季平均降水量估算的作物生產力和蒸散量估算的作物氣候生產潛力隨時間推移而減少，呈現東多西少的經向空間分布特征。未來廣西的冬季熱量資源良好，但是受降水限制，基于平均蒸散量估算的廣西冬季作物氣候生產潛力下降，使得廣西冬季農業氣候生產潛力下降的趨勢明顯，表明降水量是廣西冬季農業氣候生產潛力的決定性驅動因子。

PRECIS;農業氣候生產潛力;情景預估;氣候變化;廣西

利用冬季良好的熱量資源發展冬季農業生產，是我國南方地區發揮區域優勢的重要途徑［1－2］。廣西冬季光、溫、水等資源具有一定優勢，這為發展冬季農業生產提供基礎保障，但冬季降水的不足和土壤水分缺失，給冬種生產帶來不良的影響［3－4］。在氣候變暖背景下，探究廣西冬季農業氣候生產潛力的時空變化特征，對確保區域冬種發展和糧食安全具有重要意義［5］。前人對氣候資源評價及作物生產潛力的分析研究較多，熊偉等［6］利用PRECIS分析了我國玉米產量變化，把PRECIS應用到農作物、水資源和生態系統等諸多領域的專業模型中。胡亞南等［7］將PRECIS結合CERES-Maize玉米模型研究了內蒙古阿拉善盟玉米對水資源的適應性。曹永旺等［8］應用Thomthwaite Memorial模型、EOF等數理方法對四川近52年氣候生產力的時空變化進行分析。潘虹等［9］利用1961－2010年貴州省81個氣象站的逐日氣溫和降水資料、DEM數據，采用Thornthwaite Memorial模型估算了全省氣候生產潛力。廖雪萍等［10］分析了廣西冬耕季農業氣候資源對冬種馬鈴薯布局的影響，并給出了馬鈴薯冬作區劃布局。梁駿等［11］應用氣候生產潛力估算模式，結合氣候資源的GIS空間分析方法，探討了廣西冬季的氣候資源分布特征，估算了該時期冬種作物(馬鈴薯、番茄、紅薯、柿子椒、豌豆、煙草、小麥、油菜和玉米)的氣候生產潛力。前人研究多利用歷史氣候數據或區域氣候模式生成的未來情景數據，結合模型算法等技術手段，分析了地區氣候生產潛力的分布變化特征和其對氣候變化的響應。但針對未來廣西冬季農業氣候生產潛力估算和分析的研究還鮮有報道。本文選取區域氣候模式PRECIS動力降尺度的方法產生的歷史時段，以及溫室氣體排放情景下未來時段的廣西冬季氣候情景數據，并對數據進行模型訂正，再利用邁阿密模型(Miami Model)和桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)進行廣西冬季農業氣候生產潛力評估。最后應用ArcGIS，做出A2情景下專題分析圖，為廣西冬季氣候資源利用，應對氣候變化、趨利避害發展冬季農業生產提供科學參考依據和理論指導。

1 材料與方法

1.1 資料來源

IPCC《排放情景特別報告》(SRES)提出了A1、A2、B1和B2共4種溫室氣體排放情景，其主要驅動因素是人口、經濟、技術和經濟發展的方向。本研究選定A2情景，描述了人口持續增長，經濟發展主要面向區域，人均經濟增長和技術變化是不連續的，代表未來區域發展的可能性［12］。應用PRECIS生成中國區域的SRES情景，進一步利用動力降尺度方法，模擬產生A2排放情景下廣西區域冬季(12月至翌年2月)50 km×50 km、101個格點總數的網格氣候情景數據［13－14］。模擬冬季氣候要素，主要包括日平均氣溫和冬季降水量。分析時段選定為氣候基準時段(1961－2010年)、2020s(2011－2040年)、2050s(2041－2070年)和2080s(2071－2100年)。PRECIS模擬輸出值在廣西區域的格點分布由圖1給出。

圖1 廣西區域內PRECIS輸出值格點分布Fig.1 The grids of PRECIS output over Guangxi

1.2 線性趨勢計算

用x表示樣本量為n的某一氣候變量，用t表示x所對應的時間，即

式中，a為回歸常數，b為回歸系數，a和b用最小二乘法進行計算。

1.3 氣候生產潛力的估算方法

氣候生產潛力的估算方法包括用平均溫度和降水量來估算作物生產量的邁阿密模型(Miami Model)，以及蒸散量估算作物氣候生產力的桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)［15］。其中，桑斯維特紀念模型用平均實際蒸散量來建模，，體現多個氣象要素的綜合影響，其計算結果要比邁阿密模型更為合理，更加接近生產實際。因此，本文以桑斯韋特紀念模型的計算結果作為廣西冬季農業氣候生產力的估算值。

(1)邁阿密模型:

式中:T為平均氣溫;R為降水量;WT為根據平均氣溫估算的作物干物質總量，WR為根據平均降水量估算的作物干物質總量，單位kg·(hm2·a)－1［15］。

(2)桑斯韋特紀念模型:

式中:WR為作物氣候生產力，單位kg·(hm2·a)－1; V為平均實際蒸散量。

式中:R為降水量;L為平均最大蒸發量，單位mm［15］;T為平均氣溫。

2 結果與分析

2.1 基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產量時間變化特征

根據公式(2)計算結果(圖2)，A2情景下，用冬季平均氣溫估算的廣西冬季作物生產量(WT)均隨時間呈現上升趨勢。2020s時段的WT平均值達到15 603 kg·(hm2·a)－1，較基準時段增加838.78 kg·(hm2·a)－1。2080s時段WT平均值達到18534.37 kg·(hm2·a)－1，比基準時段增加2931.36 kg·(hm2·a)－1。

2.2 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產量時間變化特征

根據公式(3)計算結果(圖3)，A2情景下，用冬季平均降水量估算的廣西作物生產量(WR)整體呈減少趨勢。2020s時段的WR為1868.46 kg·(hm2·a)－1，較基準時段的WR平均值偏低203.82 kg· (hm2·a)－1，比2080s時段的WR高出385.25 kg· (hm2·a)－1。到2080s時段的WR平均值將低至1483.21 kg·(hm2·a)－1，較基準時段的WR平均值偏低約589.0 kg·(hm2·a)－1。

2.3 廣西冬季作物(農業)氣候生產潛力時間變化特征

圖2 基于平均氣溫估算的廣西冬季作物生產量變化趨勢Fig.2 The trend of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

圖3 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產量變化趨勢Fig.3 The trend of crops productivity based on average precipitation in winter of Guangxi

根據公式(4)～(6)計算結果(見圖4)，A2情景下，未來時段的廣西冬季作物(農業)氣候生產潛力將整體呈減少趨勢，這與用冬季平均降水量估算的作物生產量WR的變化趨勢一致，與用冬季平均氣溫估算的作物生產量WT變化趨勢相反。2020s時段的廣西冬季農業氣候生產潛力平均值為2106.27 kg·(hm2·a)－1，較基準時段減少284.01 kg· (hm2·a)－1。2080s時段，廣西冬季農業氣候生產潛力平均值為1561.84 kg·(hm2·a)－1，比基準時段減少了828.44 kg·(hm2·a)－1。

2.4 基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產量空間變化特征

由圖5可見，氣候基準時段廣西冬季作物生產量(WT)空間分布呈現南高北低，桂南以欽州、防城港、北海以及崇左市大部、玉林南部為最高，以桂林北部的資源和全州一線為最低。桂南與桂北的WT差異達9523 kg·(hm2·a)－1。A2情景下，未來各時段廣西各地區冬季作物生產量的最高值:2020s時段為19 608 kg·(hm2·a)－1，2050s時段為20 986 kg·(hm2·a)－1，2080s時段為23 050 kg· (hm2·a)－1。2020s時段，天等、平果、馬山、上林、北流一線以南的地區WT高于17 000 kg·(hm2· a)－1。桂西北地區的西林、樂業等地WT為14 000～15 000 kg·(hm2·a)－1，最低值的龍勝、灌陽和全州一帶也達12 000 kg·(hm2·a)－1以上，未來此地區的冬作生產發展潛力可觀。2050 s時段，桂北資源縣一帶為WT低值區域，WT不足13 000 kg· (hm2·a)－1。桂南地區，特別是沿海地區、崇左、南寧等市區的WT高達20 000 kg·(hm2·a)－1。2080 s時段，桂南甚至桂中地區的WT大于20 000 kg·(hm2·a)－1，桂北的資源縣WT超過14 000 kg ·(hm2·a)－1。

圖4 基于平均實際蒸散量估算的廣西冬季農業氣候生產潛力變化趨勢Fig.4 The trend of climatic potential productivity based on average evapotranspiration in winter of Guangxi

圖5 不同時段基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產量分布Fig.5 The spatial distribution of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

2.5 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產量空間變化特征

由圖6可見，氣候基準時段廣西冬季作物生產量(WR)呈東高西低的經向分布特征，WR較高的地區集中在桂林、賀州和梧州等東部及東北部地區，其中資源、臨桂、鐘山一線以東地區高于3000 kg· (hm2·a)－1，合山、桂平、博白等地WR也達到2500 kg·(hm2·a)－1以上;WR相對較少地區集中在百色、河池和崇左北部等地區，其中南丹、東蘭、田東、天等和靖西一線以西的地區不足1200 kg·(hm2· a)－1。A2情景下，未來各時段廣西各地區冬季作物生產量(WR)估算:2020s時段，WR高于平均值1868 kg·(hm2·a)－1的地區在融水、柳江、貴港、博白和陸川以東的地區，WR最高值3285 kg·(hm2·a)－1出現在資源、灌陽;WR在1200 kg·(hm2·a)－1以下的地區將擴大至宜州、來賓、河池等地。2080s時段，廣西WR最高值2600 kg·(hm2·a)－1在鐘山、賀州八步區以東的地區;百色右江區以東，隆安以北以及河池以南環形區域的WR不足1000 kg·(hm2·a)－1，由于降水缺少使得干旱的區域范圍和強度將逐漸增大，導致此地區冬季作物生產量低下，不利于冬季作物生長發育。

2.6 廣西冬季作物(農業)氣候生產潛力空間變化特征

由圖7可見，氣候基準時段廣西冬季農業氣候生產潛力呈東高西低的經向分布特征，氣候生產潛力較高的地區集中在桂東北地區，氣候生產潛力相對較少地區集中在百色大部、河池中西部以西和崇左北部等。廣西冬季農業氣候生產潛力空間分布特征與基于平均降水量估算的作物生產量相一致。A2情景下，未來各時段廣西各地區冬季農業氣候生產潛力估算:2020s時段，廣西冬季農業氣候生產潛力最高的地區位于桂東北地區，其中全州、灌陽和賀州八步區北部，其冬季農業氣候生產潛力為4023～4426 kg·(hm2·a)－1。天峨、鳳山、田東和靖西一線以西區域，冬季農業氣候生產潛力不足1200 kg· (hm2·a)－1。河池東部、南寧中部、欽州北部以及玉林南部地區冬季農業氣候生產潛力高于2000 kg ·(hm2·a)－1。2050s時段，賀州大部、梧州東北部和桂林東部地區冬季農業氣候生產潛力在3268～3581 kg·(hm2·a)－1，河池、都安、隆安、大新一線以西的地區，其冬季農業氣候生產潛力不足1200 kg ·(hm2·a)－1，其它地區約為2000 kg·(hm2· a)－1。2080s時段，廣西大部分地區冬季農業生產潛力在2000 kg·(hm2·a)－1以下，較基準時段減少明顯。其中位于都安和馬山一帶的環形區域冬季農業氣候生產潛力不足1000 kg·(hm2·a)－1。

圖6 不同時段基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產量分布Fig.6 The spatial distribution of crops productivity based on average precipitation in winter over Guangxi

圖7 不同時段基于平均實際蒸散量估算的廣西冬季農業氣候生產潛力分布Fig.7 The spatial distribution of crops productivity based on average evapotranspiration in winter over Guangxi

3 結論與討論

(1)基于未來(A2情景下)平均溫度估算的廣西冬季作物生產量均隨時間呈現上升趨勢;而基于平均降水量估算的作物生產量和基于平均實際蒸散量估算的冬季農業氣候生產潛力呈減少趨勢。由此可見，未來廣西冬季良好的光溫條件將為冬作物提供適宜的生長環境，而降水量的減少使得水分條件欠缺，導致冬季作物生產量降低，冬季農業氣候生產潛力也隨之降低。

(2)未來(A2情景下)各時段的廣西冬季農業氣候生產潛力空間分布特征一致。用平均溫度估算的廣西冬季作物生產量基準時段平均值為15 603 kg·(hm2·a)－1，到2080s，增至18 300 kg·(hm2·a)－1，空間分布呈現南高北低的特征。而用平均降水量估算的作物生產量呈現東高西低的經向空間分布特征，在基準時段下為2072 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至1483 kg·(hm2·a)－1。廣西冬季農業氣候生產潛力空間分布特征與用平均降水量估算的廣西冬季作物生產量的空間分布特征一致，其基準時段的平均值為2390 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至約1561 kg·(hm2·a)－1。

(3)未來廣西的冬季熱量資源良好，但是由于受降水限制，廣西冬季農業氣候生產潛力下降的趨勢明顯，冬季降水量是廣西冬季農業氣候生產潛力的決定性驅動因子。

本研究只對A2情景下基于廣西冬季平均溫度、降水和實際蒸散量對作物生產量和作物氣候生產潛力進行估算與分析，由于缺乏廣西冬作物的產量數據，未能對各氣象要素與作物產量關系以及農業氣候生產潛力利用率進行分析。以后將對某一冬季作物的氣候生產潛力進行研究，并且進一步完善訂正氣候生產潛力模型。

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(責任編輯 汪羽寧)

Change of W inter Agricultural Climatic Potential Productivity of Guangxi under Future Climate Scenario

LIAO Xue-ping1，LIU Yi-jiang2，LIYao-xian1，LIANG Jun3，LIANG Ju4，QIN Zheng-rong1
(1.Guangxi Meteorological Disaster Mitigation Institute，GuangxiNanning 530022，China;2.Nanjing Agricultural University，Jiangsu Nanjing 210095，China;3.Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China;4.University of Reading，Reading RG6 6BB，UK)

In this study，it ismeaningful tomake a thorough inquiry to explore the fact that the agricultural climate production potentialwill be involved in climate change in Guangxi.The PRECIS(Providing RegionalClimate for Impact study)regional climatemodeling system was used to generate the winter climate scenario(SRES/A2)dataset over Guangxi.The simulated temperature and precipitation were corrected with differentmodelmethods.Then the Miamimodel and ThornthwaitMontrealmodelwere used to produce the estimation of Guangxiwinter temperature，water and evapotranspiration climate production potential，being estimated the temporal and spatial distribution and variation characteristics of Guangxiwinter climate production potential in the future.The climate production potentialof temperaturewith an increasing trend over time，and the North South high-low latitude to the space distribution characteristics in the future in winter in Guangxi.The climate productive potential of precipitation and evapotranspiration estimation would decrease time by time，showing from east to west to the spatial distribution characteristics.The winter heat resourceswaswell for farming in the future in Guangxi，but itwas restricted by the limitation of precipitation，making the rapidly decrease of the evapotranspiration climate production potential.It showed thatwinter rainfallwas the decisive driving force forwinter climate production potential.

PRECIS;Agricultural climatic potential productivity;Scenario projection;Climate change;Guangxi

S16

A

1001－4829(2017)2－0438－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.033

2016－11－03

廣西區氣象局重點攻關項目(桂氣科201505)

廖雪萍(1967－)，女，廣西北流人，高級工程師，碩士，主要從事農業生態與氣候變化關系等研究。