1961～2015年貴州省氣候生產潛力估算及趨勢分析*

張 波,谷曉平,古書鴻

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽 550002)

0 引言

氣候生產潛力是評價農業氣候資源的依據之一，其大小取決于光、溫、水三要素相互配合協調的程度。氣候生產潛力的定量估算以及對未來氣候變化的響應，對合理利用氣候資源、充分發揮氣候生產潛力、指導農業生產，具有重要現實意義。

目前氣候生產潛力已成為國內外廣大學者研究的熱點領域，金志鳳等[1]采用線性趨勢分析等方法研究了茶葉的光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力及其時空變化特征； 董思等[2]利用Thornthwaite Memorial模型分析了陜西省氣候生產潛力時空變化特征，在此基礎上探討了陜西省的氣候資源利用率情況； 許艷等[3]采用機制法對江蘇省沿海地區氣候生產潛力估算； 羅永忠等[4]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型對甘肅氣候生產潛力進行分析； 趙俊芳等[5]采用農業區域生態AEZ模型對我國黃淮海地區冬小麥、夏玉米氣候生產潛力時空變化特征進行預測； 馬甜等[6]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型對寧夏中部干旱帶天然草地氣候生產潛力分析； 郭小芹等[7]采用Thornthwaite Memorial 模型計算了河西走廊的氣候生產潛力； 趙慧穎[8]對呼倫貝爾典型草原區牧草氣候生產潛力評估； 張藝萌等[9]基于Thornthwaite Memorial 模型分析了遼西北地區氣溫和降水變化對氣候生產潛力的影響； 康西言等[10]采用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型估算了河北省的氣候生產潛力； 李祥妹等[11]基于生態系統承載能力對西藏高原草地資源區劃研究； 侯智惠等[12]從農業資源利用的區域差異性分析入手，運用因子分析方法分析內蒙古的農業資源利用的差異。

前人研究表明Miami 模型和Thornthwaite Memorial 模型綜合考慮了多個氣候因子，與實際生產最接近[13-20]，因此，該研究利用1961～2015年平均溫度和降水量氣象資料，運用Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型對貴州氣候生產潛力估算，以期對喀斯特地區的農業生產，因地制宜、充分利用氣候資源及農業可持續發展提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

貴州省地處云貴高原，介于東經103°36′～109°35′、北緯24°37′～29°13′之間，境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，地形以山地和丘陵為主。氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明、雨量充沛、雨熱同期，但由于貴州喀斯特地形地貌特征顯著，降水容易下滲，地表蓄水性能弱，容易造成地表干旱。

該研究數據源為貴州省1961～2015年85個氣象站逐日平均溫度和降水量氣象資料，由于各站建站時間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數據缺失較多的4個站點，研究區域及站點如圖1。

1.2 氣候生產潛力模型

Miami模型

Yt=3 000/(1+e1.315-0.119t)

(1)

Yr=3 000×(1-e-0.000 664r)

(2)

式(1)(2)中，t為年平均溫度(℃);r為年降水量(mm);e=2.718 3;Yt、Yr分別為由年平均溫度、年降水量決定的生產潛力(kg/hm2)。

Thornthwaite Memorial模型為：

Ye=3 000×(1-e-0.000 969 5(V-20))

(3)

V=1.05×R/[1+(1.05×R/L)2]1/2

(4)

L=300+25×T+0.05×T3

(5)

式(3)～(5)中，R為年平均降水(mm)；L為年平均最大蒸散量(mm),L是年平均溫度T的函數；Ye為蒸散量決定的生產潛力(kg/hm2)。

1.3 R/S分析法

R/S分析法用氣候要素時間序列計算出Hurst指數來揭示氣候要素時間序列的趨勢性。當0.5

1.4 分析方法

研究中還用到氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗、GIS空間插值等常用統計分析方法[21-24]。

2 結果與分析

2.1 年平均溫度和降水量變化趨勢

圖2為貴州氣象要素變化趨勢， 1961～2015年間貴州年平均溫度呈遞增趨勢，遞增速率為0.12℃/10年，平均氣溫在14.69～16.57℃之間，多年平均氣溫為15.58℃，最大值為2015年的16.57℃，最小值為1984年的14.69℃。年際變化趨勢表明， 1961～1970年平均溫度以0.62℃/10年的速率遞減， 1971～1980年以0.027℃/10年的速率遞增， 1981～1990年平均溫度以0.65℃/10年的速率遞增， 1991～2000年平均溫度以0.59℃/10年的速率遞增， 2001～2010年平均溫度以0.053℃/10年的速率遞減， 2011～2015年平均溫度以0.32℃/10年的速率遞增。

圖2 年平均溫度和降水量變化趨勢

圖3 溫度生產潛力變化趨勢

從年降水量年際變化趨勢來看， 1961～2015年間貴州年均降水量呈遞減趨勢，遞減速率為14.29mm/10年，最大值為1967年的1 419.67mm，最小值為2011年的855.33mm，年降水量平均值為1 200.74mm。年際變化趨勢表明， 1961～1970年平均降水量以85.78mm/10年的速率遞增， 1971～1980年以109.74mm/10年的速率遞增， 1981～1990年平均降水量以158.37mm/10年的速率遞減， 1991～2000年平均降水量以82.75mm/10年的速率遞增， 2001～2010年平均降水量以42.56mm/10年的速率遞減， 2011～2015年平均降水量以122.37mm/年的速率遞增。

2.2 氣候生產潛力變化特征

基于Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型計算溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力結果變化特征如圖3。

圖3為貴州溫度生產潛力變化趨勢， 1961～2015年間貴州溫度生產潛力呈遞增趨勢，遞增速率為9.2kg/(hm2·10年)，變化范圍在1 815.13～1 969.42kg/hm2之間，多年平均生產潛力為1 890.05kg/hm2，最大值為2015年的1 969.42kg/hm2，最小值為1984年的1 815.13kg/hm2。年際變化趨勢表明， 1961～1970年溫度生產潛力以45.85kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1971～1980年以0.29kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1981～1990年間溫度生產潛力以34.29kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1991～2000年溫度生產潛力以380.0kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年溫度生產潛力以3.86kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年溫度生產潛力以25.84kg/(hm2·年)的速率遞增。

從降水生產潛力年際變化趨勢來看(圖4)， 1961～2015年間貴州省降水生產潛力呈遞減趨勢，遞減速率為13.27kg/(hm2·10年)，最大值為1967年的1 821.9kg/hm2，最小值為2011年的1 294.914kg/hm2，降水生產潛力平均值為1 631.43kg/hm2。年際變化趨勢表明， 1961～1970年降水生產潛力以74.82kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1971～1980年降水生產潛力以89.21kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1981～1990年降水生產潛力以142.91kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1991～2000年間降水生產潛力以75.94kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年降水生產潛力以39.64kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年降水生產潛力以111.43kg/(hm2·年)的速率遞增。

圖4 降水生產潛力變化特征 圖5 氣候生產潛力變化趨勢

氣候生產潛力變化特征如圖5， 1961～2015年間貴州省氣候生產潛力呈遞增趨勢，遞增速率為0.73kg/(hm2·10年)，最大值為2015年的1 554.35kg/hm2，最小值為2011年的1 321.89kg/hm2，氣候生產潛力平均值為1 462.12kg/hm2。年際變化趨勢表明， 1961～1970年氣候生產潛力以4.75kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1971～1980年氣候生產潛力以26.49kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1981～1990年氣候生產潛力以25.99kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1991～2000年氣候生產潛力以47.56kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年氣候生產潛力以17.58kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年氣候生產潛力以每年56.55kg/(hm2·年)的速率遞增。

2.3 氣候生產潛力突變檢驗

圖6 溫度、降水和氣候生產潛力突變檢驗

利用Mann-Kendall 檢驗法來檢驗貴州地區的溫度、降水和氣候生產潛力突變情況，結果如圖6。溫度生產潛力突變結果表明， 1961～1966 年間UF統計量在0附近上下波動，溫度生產潛力基本保持穩定， 1967～1998 年間UF<0，溫度生產潛力呈遞減趨勢， 1998年之后UF>0，溫度生產潛力呈遞增趨勢，且在2006年以后這種增加趨勢超過信度線，呈顯著增加趨勢，UF統計量與UB 統計量在2001 年附近發生相交且交點位于兩臨界線之間為突變點，說明溫度生產潛力在2001年發生突變。

降水生產潛力突變檢驗表明， 1961～2015年間UF統計量和UB統計變量存在多個交點，但均在信度線內，表明降水生產潛力不存在突變點，未發生突變。1961～1985年間降水生產潛力呈遞增趨勢， 1986～2015年間降水生產潛力呈遞減趨勢。降水生產潛力在1961～2015年間未發生突變現象。

氣候生產潛力突變檢驗表明， 1961～1998年間UF統計變量小于0，氣候生產潛力呈遞減趨勢， 1999～2010年間UF統計變量大于0，氣候生產潛力呈遞增趨勢，UF統計變量與UB統計變量相交于1996年，但未通過顯著性檢驗，表明未發生突變現象。氣候生產潛力在1961～2015年間未發生突變現象。

2.4 年平均溫度和降水量空間分布特征

氣象要素空間分布如圖7， 1961～2015年貴州地區年平均溫度(圖7a)在10.7～19.7℃之間，空間分布上呈現出南高北低、東高西低，由南往北遞減的趨勢。畢節市及貴陽市大部的年平均溫度較低，南部邊緣一線及東部大部的平均溫度較高； 降水量空間分布(圖7b)呈現自南向北遞減的變化趨勢，高值區域分布在西南部和黔南州中心，年降水量在1 367～1 515mm之間，北部大部屬于降水低值區域，降水量在845.5～994.3mm之間。

2.5 氣候生產潛力空間分布特征

圖8為1961～2015年貴州溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力及氣候傾向率的空間插值分布結果，從溫度生產潛力(圖8a)空間分布可以看出，貴州地區溫度生產潛力在1 469.3～2 213.0kg/hm2之間，溫度生產潛力空間分布上與年平均溫度空間分布基本一致，呈現出南高北低、東高西低，由南往北遞減的趨勢。畢節市大部溫度生產潛力為全省最低，南部邊緣一線的溫度生產潛力最高； 溫度生產潛力的氣候傾向率分布(圖8b)可以看出，只有黔東南州的部分地區、西部邊緣和遵義市部分站點的溫度生產潛力呈減少趨勢，其余站點均呈現出增加趨勢，其中黔西南州的部分站點和畢節市西部地區的溫度生產潛力增幅最大。

降水生產潛力(圖8c)空間分布表明，貴州地區的降水生產潛力在1 282.4～1 884.7kg/hm2之間，降水生產潛力空間分布上，呈現出南高北低，由南往北遞減的變化趨勢，生產潛力有兩個高值區域，一個分布在六盤水市東部、黔西南州北及安順市西部，另一個高值區域分布黔南州和黔東南州交界，生產潛力在1 750.9～1 884.7kg/hm2之間，畢節市西部的降水生產潛力最小，在1 282.4～1 349.3kg/hm2之間。從降水生產潛力氣候傾向率的空間分布來看，全省降水生產潛力整體呈減少趨勢，并以貴州西部大部及北部大部減少趨勢顯著，僅東部邊緣的部分站點呈遞增趨勢。

圖7 年平均溫度(a)和降水量(b)空間分布特征

貴州地區氣候生產潛力(圖8e)在1 145.5～1 656.1kg/hm2之間，其在空間上分布不均勻，總體分布上呈現出南高北低，由東南向西北遞減變化趨勢，東部邊緣和南部邊緣的地區氣候生產潛力為全省最高，在1 542.7～1 656.1kg/hm2之間，畢節市的氣候生產潛力最低，在1 145.5～1 202.2kg/hm2之間。從氣候生產潛力氣候傾向率的空間分布來看，黔南州北部及東部邊緣等地呈遞增趨勢，其余大部分區域呈遞減趨勢，其中西部邊緣及遵義中部等地遞減趨勢最為顯著。

2.6 氣候生產潛力的限制因素分析

氣候生產潛力與氣候要素的相關性表明，貴州地區氣候生產潛力與年平均溫度和年降水量的相關系數分別為0.275(α=0.10)和0.857(α=0.05)(圖9)，表明年平均氣溫和降水量對氣候生產潛力均有正影響，其中降水量是貴州氣候生產潛力的主要限制因子。

圖9 氣候生產潛力與年平均溫度和年降水量的相關性

在SPSS中利用貴州地區氣候生產潛力與年平均溫度和年降水量建立線性回歸模型。

Ye=49.25×T+0.32×R+304.84(R2=0.975)

(6)

式(6)中，Ye為氣候生產潛力(kg/hm2)；T為年平均溫度(℃)；R為年降水量(mm)。從模型中可以看出，溫度每上升(下降)1℃時，降水每遞增(遞減)1mm，氣候生產潛力分別提高(減少)49.25kg/hm2、0.32kg/hm2，根據年平均溫度和降水量的遞變速率，結合回歸模型，貴州地區氣候生產潛力以1.34kg/(hm2·10年)速率遞增。

2.7 氣候生產潛力趨勢分析

利用R/S分析方法對貴州地區未來氣候生產潛力進行R/S分析，得出貴州地區溫度、降水和氣候生產潛力的Hurst指數及變化趨勢如表1、圖10。

表1 溫度、降水和氣候生產潛力R/S分析

YtYrYeHurst指數0 860 660 64

溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力的Hurst指數分別為0.86、0.66和0.64，均大于0.5且擬合效果顯著，說明溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力未來變化趨勢與過去55年的變化趨勢保持一致，即溫度生產潛力保持增長趨勢、降水生產潛力保持遞減趨勢及氣候生產潛力保持遞增的趨勢。

圖10 溫度、降水和氣候生產潛力R/S分析

3 結論與討論

貴州作為中國南方喀斯特的中心，生態環境脆弱，環境承載力低，對氣候變化敏感，嚴重制約著農業生產[25]，為探究喀斯特復雜地形下的氣候生產潛力的分布情況，該研究基于Miami 模型和Thornthwaite Memorial 對貴州氣候生產潛力估算，以期對喀斯特地區的農業生產，因地制宜、充分利用氣候資源及農業可持續發展提供科學依據。

近55年來貴州年平均溫度呈遞增趨勢，遞增速率為0.12℃/10年，年均降水量呈遞減趨勢，遞減速率為14.29mm/10年； 溫度生產潛力變化范圍在1 815.13～1 969.42kg/hm2之間，呈遞增趨勢，多年平均生產潛力為1 890.05kg/hm2； 降水生產潛力呈遞減趨勢，遞減速率為13.27kg/(hm2·10年)，多年平均值為1 631.43kg/hm2； 氣候生產潛力呈遞增趨勢，遞增速率為0.73kg/(hm2·10年)，多年平均值為1 462.12kg/hm2。

突變檢驗表明， 55年來僅溫度生產潛力在2001年發生突變，降水生產潛力和氣候生產潛力均沒有發生突變。

在空間分布上，溫度生產潛力呈現出南高北低、東高西低，由南往北遞減的趨勢； 降水生產潛力空間分布上，呈現出南高北低，由南往北遞減的變化趨勢，全省降水生產潛力整體呈減少趨勢； 氣候生產潛力總體分布上呈現出南高北低，由東南向西北遞減變化趨勢，黔南州北部及東部邊緣等地呈遞增趨勢，其余大部分區域呈遞減趨勢。

溫度、降水和氣候生產潛力未來變化趨勢與過去55年的變化趨勢保持一致，即溫度生產潛力保持增長趨勢、降水生產潛力保持遞減趨勢及氣候生產潛力保持遞增的趨勢。

受氣候變化的影響，貴州地區降水呈遞減趨勢，夏旱頻率增加[26-27]，勢必會影響到氣候生產潛力的分布，制約農業生產的發展，因此應該打破傳統農業生產結構，因地制宜發展特色經濟農業作物，充分利用氣候資源。此外，由于坡度、坡向和復雜地形之間相互遮蔽等局部地形因子對日照時間影響較大[28-29]，研究不足之處未考慮日照、地形因子作用以及社會、經濟因素對氣候生產潛力的影響。

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