黑龍江省氣候生產潛力時空演變特征研究

盧玢宇，楊波，裴占江，史風梅，王粟，高亞冰，劉杰

黑龍江省農業科學院農村能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086

黑龍江省氣候生產潛力時空演變特征研究

盧玢宇，楊波，裴占江，史風梅，王粟，高亞冰，劉杰*

黑龍江省農業科學院農村能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086

氣候生產潛力的時空變化規律不僅反映各氣象因子與氣候生產潛力之間的配合協調程度，還能對糧食生產決策起到決定性的指導意義。基于Thornthwaite Memorial模型估算了黑龍江省1986—2015年作物生育期內的氣候生產潛力，分析了氣候生產潛力與平均溫度和降水量之間的關系。采用 Morlet小波分析方法，對黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力進行了多時間尺度特征分析和預測，并通過GIS軟件擬合分析了黑龍江省作物生育期內氣候生產潛力的空間變化特征。結果表明，1986—2015年作物生育期內黑龍江省氣候生產潛力呈緩慢的降低趨勢，變化趨勢不顯著，在7012.143～11680.771 kg·hm-2·a-1之間變化，平均值為9390.362 kg·hm-2·a-1；1986—2015年生育期內黑龍江省氣候生產潛力具有顯著的多時間尺度特征，存在7 a和10 a的主周期以及16 a的變化周期；擬合可知2016—2018年的氣候生產潛力逐年遞減，但均高于年平均值；黑龍江省生育期內氣候生產潛力空間分布差異顯著，以巴彥縣為中心，氣候生產潛力向四周逐漸遞減，體現出較為明顯的經度地帶性，大部分地區熱量條件相對充足，降水量是影響黑龍江省作物氣候生產潛力的主要限制因子。

氣候生產潛力；時空演變；Thornthwaite Memorial 模型；小波分析；黑龍江省

氣候生產潛力是指在一定的光、溫、水資源條件下，其他的環境因子（CO2、養分等）和作物群體因素處于最適宜狀態，作物利用當地的光、溫、水資源的潛在生產力（逯亞杰，2016；張藝萌等，2015；李莉等，2014；羅永忠等，2011；侯西勇，2008）。氣候生產潛力模型不僅能夠反映某一區域氣象因子間的協同作用效果，而且還能為提高農事操作措施提供建議（張銳等，2012；武永利等，2009；趙慧穎等，2008）。不同地區地貌特征、環境因子時空差異較大，因而其氣候生產潛力的時空變化也會表現出一定的差異。氣候生產潛力的時空動態變化一直是國內外研究的熱點，近年來，雖然對黑龍江省氣候生產潛力的時空分布已有研究（于盛楠等，2005；祖世亨等，2001），但對其周期性變化和趨勢變化的分析和預測還鮮有報道。

黑龍江省位于中國東北最北部地區，面積約為45.4×104km2，東西分布有三江平原和松嫩平原，土地肥沃，物產豐富，盛產各種農副產品，全省耕地面積約為1.19×107hm2，是中國最大的商品糧生產基地。然而，由于黑龍江省四季氣候變化差異顯著，其農業生態系統受其影響而波動性強（李天霄等，2017；袁彬，2012；王鳳玲等，2011），故研究其氣候生產潛力對農業生產意義重大。本研究以黑龍江省為研究區域，采用Thornthwaite Memorial模型估算了黑龍江省作物生育期（5—9月）的氣候生產潛力，揭示了 1986—2015年黑龍江省生育期氣候生產潛力的時空演變特征，并預測了生育期氣候生產潛力的變化趨勢，以期為黑龍江省的農事操作提供基礎數據支持。

1 材料與研究方法

1.1 數據來源

選取黑龍江省內 31個氣象站的月平均氣溫和降水資料，時間序列為 1986—2015年，氣象數據來源于黑龍江省氣象局地面氣候資料。站點選取考慮了時間序列的連續性、完整性，地域的代表性和空間分布情況等因素。所選氣象站點見圖1。

圖1 1986—2015年黑龍江省氣候生產潛力空間分布特征Fig. 1 Spatial distribution of climatic productivity potential in Heilongjiang Province from 1986 to 2015

1.2 氣候生產潛力模型

Thornthwaite Memorial模型（趙慧穎等，2012；于盛楠等，2005；Lieth，1986；Lieth，1975）可以定量表征作物產量與溫度、降水量和蒸發量之間的關系。其計算公式如下：

式中，Wv為計算獲得的作物氣候生產潛力（kg·hm-2·a-1）；V 為生育期平均蒸散量（mm）；e為自然對數底數。

式中，R為生育期降水量（mm）；L為生育期平均最大蒸散量。

式中，T為生育期平均溫度℃。僅當R＞0.316 L時，式（3）才適用，而當R≤0.316 L時，V=R（姚玉璧等，2006；梁瑞龍等，1998；高素華等，1994）。

1.3 小波分析

小波分析（Wavelet Analysis）方法是基于傅立葉變換，在時域和頻域方面都能夠表征信號的局部特征，并且對信號進行多尺度細化分析，得到所有頻率隨時間的變化特征和不同頻率之間的關系（Ramírez et al.，2016；Yang et al.，2016；Zhang et al.，2007）。

本文采用Morlet小波（Morlet wavelet）函數對黑龍江省的氣候生產潛力進行研究。Morlet小波具有很好的時頻局部性，多用于復制信號的分解和時頻分析（孫春媛等，2016；Huang et al.，2015；任艷林，2012）。Morlet小波函數為非正交小波，定義為：

式中，Ψ(t)為小波函數；ω0為小波中心頻率；t為時間（a）。

小波方差圖能夠反映時間序列中的周期波動及其強弱隨尺度變化的特性，可以表征在一個時間序列中起主要作用的時間尺度，即主周期（張佩等，2009；李春強等，2010），其計算公式如下：

1.4 數據處理

氣候生產潛力和氣象因子的區域平均值采用算數平均法計算，運用典型相關分析方法，對氣候生產潛力與平均溫度和降雨量進行相關性分析，并在α=0.01水平上進行顯著性檢驗（陳廣洲等，2017；于雷等，2015）；利用GIS空間插值法對研究區域各因子進行插值分析，探討其空間分布特征（臧星華等，2015；張藝萌等，2015）；通過小波分析識別和對比氣候生產潛力的多時間尺度特征，分析不同時間尺度下氣候生產潛力的演變規律和發展趨勢（侯西勇，2008）；采用Origin 2015軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 黑龍江省氣候生產潛力空間分布特征

如圖1所示，黑龍江省作物生育期內氣候生產潛力空間分布地理差異顯著，規律明顯。以巴彥縣為中心，氣候生產潛力向四周逐漸遞減，體現出較明顯的經度地帶性，不同經度的氣候生產潛力水平差別較大。黑龍江省西部和東部部分地區氣候生產潛力水平比較低，嫩江市、富錦市、安達縣、富裕縣、寶清縣、呼瑪縣、肇源縣、泰來縣等地氣候生產潛力均低于 9000 kg·hm-2·a-1；中部地區氣候生產潛力的水平比較高，其中，巴彥縣、尚志市、五常市、海倫市、方正縣等地氣候生產潛力都多年高于10000 kg·hm-2·a-1。

近 30年來，泰來縣作物生育期的平均氣候生產潛力值最低，為 8045.801 kg·hm-2·a-1，其氣候生產潛力與降雨量之間呈線性正相關，r值為0.994，通過了0.01水平上的顯著性檢驗（n=30），氣候生產潛力與平均溫度之間呈負相關，r值為-0.422，在0.01水平上無顯著性相關（n=30），說明泰來縣的降雨量對氣候生產潛力的影響大于平均溫度。泰來縣近 30年來的年平均溫度高于其他地區，熱量條件充足，但由于該地區處于干旱半干旱地區，沙地面積大，平均降雨量處于較低水平，土地退化嚴重，生態環境脆弱，嚴重限制了該區氣候生產潛力的發展（張雪萍等，2005）。

巴彥縣氣候生產潛力水平最高，為 10596.743 kg·hm-2·a-1，在近30年時間里，巴彥縣在作物生育期內的降雨量居于全省首位，平均溫度處于中等水平（見圖2），雨量充沛，有利于作物生長，促進了該區氣候生產潛力的發展。

尚志市的氣候生產潛力為 10496.112 kg·hm-2·a-1，位居第二，降雨量緊隨巴彥縣降雨量之后。李慶等（2008）對尚志市的農業可持續性進行了評價，表明尚志市作物生長季降水量占全年降水量的87%，雨熱同季，水熱協同作用較好，利于作物生長，促進了該區氣候生產潛力的發展。

綜上，氣候生產潛力較高的地區是降水量較多的巴彥縣、尚志市等地區，肇源縣、泰來縣以及呼瑪縣等地區降水較少，生產潛力普遍偏低。

分別計算1986—2015年黑龍江省31個氣象站在生育期內同一水平條件下氣候生產潛力與同期、平均氣溫和降水量的相關系數（r），結果發現，氣候生產潛力與溫度的 r值在-0.467～0.330之間，顯著性檢驗表明，除龍江縣（P=-0.467，n=30）、呼瑪縣（P=-0.403，n=30）、嫩江縣（P=-0.457，n=30）、泰來縣（P=-0.422，n=30）的氣候生產潛力與溫度之間的P值均在0.05水平上顯著相關外，其余地區間均不存在顯著相關性；降水量與氣候生產潛力的r值在0.980～0.996之間，均在0.01水平上顯著相關（n=30）。由此表明，黑龍江省大部分地區生育期內熱量條件相對充足，但溫度對作物氣候生產潛力的影響不顯著，降水量是限制該區域作物氣候生產潛力的主要氣象因子。

2.2 黑龍江省氣候生產潛力時間變化特征

圖2 1986—2015年不同地區平均溫度和平均降雨量Fig. 2 Average temperature and rainfall from 1986 to 2015 for each monitoring region

黑龍江省氣候生產潛力在 1986—2015年的時間變化特征如圖3所示，生育期內總氣候生產潛力在 7012.143～11680.771 kg·hm-2·a-1之間變化，平均值為 9390.362 kg·hm-2·a-1，年際間波動較大。1986—2015年的氣候生產潛力變化呈緩慢降低趨勢，降低趨勢變化不顯著。其中，2001年黑龍江省的氣候生產潛力值最低，2001年的氣候特點為降雨偏少，作物生育期內出現歷史上最為嚴重的春夏連旱，6月全省大部地區降水偏少，尤其上旬中西部大部、下旬大部農區幾乎無降水，西部部分地區最高氣溫突破歷史極值。截至6月末，除牡丹江外其他大部地區均呈現不同程度旱象。雖然生育期內全省大部分地區平均溫度比常年偏高1～2 ℃，但作物生長期的降水條件較差，限制了氣候生產潛力的發展。1994年黑龍江省氣候生產潛力值最高，1994年的氣候特點為高溫多降水，氣溫、降水等要素均出現歷史極值。生育期內全省平均氣溫比歷年偏高1.5 ℃左右，水熱同步，資源充足，極大地促進了氣候生產潛力的發展。

圖3 1986—2015年黑龍江省氣候生產潛力年際變化Fig. 3 Interannual variability of climatic productivity potential in Heilongjiang Province from 1986 to 2015 n=31

2.3 黑龍江省氣候生產潛力周期變化特征

通過對近30年來黑龍江省氣候生產潛力的統計分析，發現生育期內氣候生產潛力具有較為明顯的多時間尺度特征，如圖4所示。其中在9～10 a尺度周期表現出正負相位交替出現的現象，較強周期振蕩幾乎存在于整個研究時域內，周期性表現十分顯著；在6～7 a尺度周期表現出正負相位交替出現的現象，較強周期振蕩幾乎存在于整個研究時域內，周期性表現十分顯著；在11～16 a尺度周期上表現出負正相位交替出現的現象，周期性振蕩表現得比較明顯。

如圖5所示，小波方差圖有2個相對明顯的峰值，分別對應7 a和10 a的時間尺度，均有一定的波動能量，而在7 a以下時間尺度、8～9 a以及11 a的時間尺度上，波動能量都比較微弱，16 a時間尺度上存在的周期性變化，仍需要更長時間的驗證，因此認為，松花江流域氣候生產潛力在中小尺度上的變化有1個7 a和10 a的主周期，另外還有1個潛在的16 a中長尺度變化周期。

圖4 1986—2015年黑龍江省氣候生產潛力小波系數變化Fig. 4 Variation of Morlet wavelet coefficients of climatic productivity potential in Heilongjiang Province from 1986 to 2015

圖5 198—2015年氣候生產潛力Morlet小波方差圖Fig. 5 Morlet wavelet variance of climatic productivity potential from 1986 to 2015

2.4 氣候生產潛力典型尺度的趨勢預測

圖6 氣候生產潛力主周期尺度小波系數圖Fig. 6 Morlet wavelet coefficients on real component of major cycle scale of climatic productivity potential

典型尺度（主周期）的氣候生產潛力過程線可以揭示小波分析的多尺度變化，也能體現其預測趨勢。如圖6所示，黑龍江氣候生產潛力在7 a時間尺度上經歷了3個正負相位的波動，平均變化周期為9 a；在10 a時間尺度上經歷了2個正負相位的波動，平均變化周期為12 a；在16 a時間尺度上經歷了1個正負相位的波動，平均變化周期為20 a。3個主周期7 a、10 a、16 a疊加的總過程線，代表著 1986—2015年黑龍江省松花江流域氣候生產潛力在總時間尺度的變化情況，依次經歷了 1986—1996年10年的正向位，1997—2008年11年的負向位，以及2009—2015年6年的正向位。由此可知，1986—2015年，黑龍江省松花江流域氣候生產潛力的波動主要受到7 a、10 a和16 a 3個主周期時間尺度的影響，其擬合公式如下所示：

式（6）可以預測未來幾年黑龍江省作物生育期內氣候生產潛力變化情況。計算可知，2016—2018年的氣候生產潛力呈現逐年遞減趨勢，但高于年平均值。

3 討論

黑龍江省作為中國重要的商品糧生產基地之一，分析并預測其氣候變化規律具有重要的現實意義。黑龍江省大部分地區在生育期內雖然熱量條件相對充足，但溫度并不是影響作物氣候生產潛力的主要因素，降水量才是限制該區域作物氣候生產潛力的主要氣象因子。干旱缺水使豐富的土地資源不能得到充分利用，農作物生長發育受到限制，從而導致其氣候生產潛力水平偏低，這與祖世亨等（2001）的研究結果一致。若積極實施人工增雨和引流灌溉等工程，使其光熱資源與水資源得到最優配置，預計未來農作物氣候產量會有很大的提升空間。對黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力進行時間尺度分析，發現在16 a時間尺度上存在1個正負相位波動的周期性變化。如果選擇的時間尺度再大一些，16 a時間尺度上氣候生產潛力的周期性變化就能得到更好的體現。本文對黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力進行了周期變化和趨勢變化的分析和預測，這對于干旱和半干旱地區作物氣候生產潛力的研究具有一定的參考意義。由于現有數據的時間尺度稍小，一定程度上限制了小波分析功能和優勢的發揮。

4 結論

（1）黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力以巴彥縣為中心，氣候生產潛力向四周逐漸遞減，體現出較為明顯的經度地帶性，不同經度的氣候生產潛力水平差別較大。黑龍江省大部分地區熱量條件相對充足，降水量是限制該區域作物氣候生產潛力的主要氣象因子。

（2）1986—2015年黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力在 7012.143～11680.771 kg·hm-2·a-1之間變化，年際間波動較大，總體呈緩慢降低趨勢，但降低趨勢變化不顯著。

（3）通過對近 30年黑龍江省作物生育期內的氣候生產潛力進行分析，發現氣候生產潛力在中小尺度上的變化有1個7 a和10 a的主周期，還有1個潛在 16 a的中長尺度變化周期。通過擬合預測2016—2018年的氣候生產潛力呈現逐年遞減趨勢，但高于年平均值。

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Spatial and Temporal Evolution of Climatic Productivity Potential in Heilongjiang Province

LU Binyu, YANG Bo, PEI Zhanjiang, SHI Fengmei, WANG Su, GAO Yabing, LIU Jie
Rural Energy Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China

Heilongjiang region is one of the important commodity grain production bases in China. The rules of temporal and spatial variation of climate productivity potential not only reflect the coordination between meteorological factors and climatic potential productivity, but also play a decisive guiding role in the decision-making of grain production in this region. Climatic productivity potential during the growth period in Heilongjiang Province from 1986 to 2015 was estimated based on the Thornthwaite Memorial model and relationship between climatic productivity potential and temperature and precipitation was analyzed. Morlet wavelet analysis method was used to analyze and forecast the climatic productivity potential during the growth period in multi-time scales,and GIS software was applied to fit the spatial variation characteristics of climatic productivity potential in life circle of crops.Climatic productivity potential during the growth period in Heilongjiang Province decreased slowly from 1986 to 2015, and varied between 7012.143～11680.771 kg·hm-2·a-1, with an average of 9390.362 kg·hm-2·a-1. Precipitation was the main limiting factor that affected the climatic productivity potential at growth stage of crops in Heilongjiang Province. Climatic productivity potential at growth stage of crops in Heilongjiang Province from 1986 to 2015 had characteristics of significant multi-time scale. The main cycle scales were 7 years and 10 years, and with a long period of 16 years. It is predicted that climatic productivity potential from 2016 to 2018 will be declining year by year, but it will be higher than the annual average. Spatial distribution of climatic productivity potential in Heilongjiang Province was significantly different. The climatic productivity potential at growth stage of crops was centered on Bayan County, and gradually diminished outward, showing distinct characteristics of longitude. The heat condition in most parts of Heilongjiang Province was relative sufficient, and precipitation was the main limiting meteorological factor affecting the climatic productivity potential.

climatic productivity potential; spatial and temporal evolution; thornthwaite memorial model; wavelet analysis;Heilongjiang Province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.003

S162.5; X16

A

1674-5906（2017）10-1659-06

盧玢宇, 楊波, 裴占江, 史風梅, 王粟, 高亞冰, 劉杰. 2017. 黑龍江省氣候生產潛力時空演變特征研究[J]. 生態環境學報, 26(10): 1659-1664.

LU Binyu, YANG Bo, PEI Zhanjiang, SHI Fengmei, WANG Su, GAO Yabing, LIU Jie. 2017. Spatial and temporal evolution of climatic productivity potential in Heilongjiang Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1659-1664.

中國清潔發展機制基金項目（2014101）；國家“十三五”重點研發計劃課題（2016YFD0501403）；國家科技支撐計劃課題（2015BAD21B004）；黑龍江省農業科學院院級課題（2017ZC07）

盧玢宇（1983年生），女，助理研究員，博士，從事氣候變化及環境污染方面的研究。E-mail: lubinyu2004@163.com*通信作者：劉杰（1974年生），男，研究員，博士，從事生態農業和氣候變化方面的研究。E-mail: Liujie1677@126.com

2017-08-04