江蘇省1971-2010年氣候生產潛力變化特征

邢蘭芹, 姚眾眾

(1.陜西學前師范學院 環(huán)境與資源管理系, 陜西 西安 710100; 2.南京信息工程大學 地理與遙感學院, 江蘇 南京 210044)

氣候生產潛力是指當其他條件(如土壤、養(yǎng)分、二氧化碳等)處于最適狀況時，充分和合理利用當地的光、熱、水氣候資源，單位面積土地上可能獲得的最高生物學產量或農業(yè)產量[1-5]。由于氣候資源的差異，氣候生產潛力在區(qū)域間存在較大差異，其時空動態(tài)一直是國內外全球變化研究的熱點之一。近年來，國內外對氣候生產潛力的研究己經取得一定成果[6-9]，并建立了一些比較成熟的分析模型[10-13]，對氣候生產潛力的探究提供了重要的理論基礎。

江蘇省是中國糧食的主要生產區(qū)，糧食產量直接影響中國糧食市場的供求關系，隨著人口的增長，耕地面積的不斷下降以及全球氣候的變化，糧食安全問題日益突出。而如何在有限的耕地面積下充分合理的利用氣候資源，提高單位面積的作物產量，成為解決這一問題的關鍵。所以，探究氣候生產潛力變化趨勢和主要影響因子，充分發(fā)揮氣候生產潛力，對提高農業(yè)生產力，指導農業(yè)生產，具有重要的理論和現實指導意義。基于此，本研究擬利用1971—2010年江蘇省氣象數據，應用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型，探究江蘇省40 a的溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力的變化規(guī)律，并對氣候資源利用率及氣候生產潛力的影響因素進行剖析，以期為區(qū)域農業(yè)生產提供理論依據。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省位于中國內地的東部區(qū)域的中部，處于淮河、長江下游，江蘇省東部臨近黃海，北部接山東，西部連接安徽，東南與浙江省、上海市交界是長江三角洲的組成部分，江蘇省位于東經120°57′—116°18′，北緯35°20′—30°45′。江蘇省海岸線全長為955 km，面積約為1.073×105km2，占中國總面積的1.07%，長江貫穿江蘇省東西426 km，京杭大運河貫穿南北719 km。

在地形上，江蘇省以平原為主，主要由長江中下游、蘇北等平原組成，地勢就全國而言是最低的一個省區(qū)，平原面積大約7×104km2，約占江蘇省面積的70%，比例占據中國各省份中的首位。在氣候上，江蘇省處在由溫帶向亞熱帶的過度性氣候帶，溫暖濕潤，四季分明，并以淮河為界，在淮河以北是暖溫帶濕潤、半濕潤的季風氣候，在淮河以南則是亞熱帶濕潤季風氣候。

本文選取1971—2010年江蘇省域范圍內具有空間代表性的13個氣象站點觀測月平均氣溫、月平均降水數據作為數據源，站點分別為徐州市、贛榆區(qū)、常州、東臺、高郵、淮陰、溧陽市、呂泗鎮(zhèn)、南京、南通市、射陽縣、吳縣東山鎮(zhèn)、盱眙縣。氣溫和降水數據來源于中國氣象數據網。糧食播種面積和糧食產量來源于江蘇省統(tǒng)計年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 Miami模型 溫度、降水是制約作物生長的重要氣候因子，溫度和降水單獨或復合會影響到作物生產，分析溫度和降水分別對生產力的影響，采用Miami模型來分別計算氣溫和降水的生產潛力公式為：

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

(1)

Yr=3 000/(1-e0.000 664r)

(2)

式中：t——年平均溫度(℃)；r——年降水量(mm)；Yt，Yr——年平均溫度、年降水量所決定的生產潛力〔kg/(hm2·a)〕； e=2.718 3。下同。

1.2.2 Thornthwaite Memorial模型 該模型依據蒸散量與氣溫、降水和作物的關系，計算氣候生產潛力。公式為:

Ye=3 000〔1-e-0.0 009 695(V-20)〕

(3)

V=1.05R/〔1+(1.05R/L)2〕1/2

(4)

L=300+25T+0.05T3

(5)

式中：V——年平均蒸散量(mm)；R——年均降水(mm)；L——年平均最大蒸發(fā)量(mm)；Ye——利用蒸散量計算的生產潛力〔kg/(hm2·a)〕。

1.2.3 氣候資源利用率公式 參照吳宜進[14]的方法，定義氣候資源利用率為實際糧食產量與生產力之比，即：

(6)

2 結果與分析

2.1 江蘇省年均氣溫和降水變化分析

由圖1可見，1971—2010年江蘇省年均氣溫呈波動性上升趨勢。累積年平均氣溫為14.86 ℃，年均最高溫出現在2007年，年均氣溫為16.16 ℃，年均最低溫出現在1978年，為13.95 ℃，二者差值為2.21 ℃。由此可知，在全球氣候變暖大背景下，江蘇省的年均氣溫產生了升溫響應。

圖1 1971-2010年江蘇省年均氣溫和年均降水量變化

1971—2010年江蘇省年均降水波動較大，但并未表現出明顯的增減趨勢，但在2000年后出現了3次降水高值。累年平均降水為1 021 mm，年均最高降水出現在2000年，年均降水為1 513 mm，年均最低降水出現在1987年，年均降水為563 mm，二者差值高達950 m。

2.2 江蘇省氣候生產潛力變化分析

2.2.1 江蘇省溫度、降水生產潛力變化分析 根據公式(1)，計算1971—2010年江蘇省全省溫度生產潛力(Yt)，結果見圖2。由圖2可以得出： ①40 a間，全省溫度生產潛力波動性較大(Yt=2.194 6x+2 534.6)，1971—1989年并未表現出規(guī)律性變化，1989年后呈現出在波動中增長趨勢； ②40 a間，溫度生產潛力的平均值為1 833.8 kg/(hm2·a)，最大值出現在2007年，為1 942.8 kg/(hm2·a)，最小值出現在1978年，為1 756.4 kg/(hm2·a)，二者差值為186.5 kg/(hm2·a)； ③溫度生產潛力與溫度表現出一致的變化規(guī)律。

根據公式(2)，計算1971—2010年江蘇省全省降水生產潛力(Yr)，結果見圖2。由圖2可以得出：①全省40 a間降水生產潛力變化規(guī)律不明顯，波動性較大(y=-3.516 6+13 397)； ②40 a間，降水生產潛力平均值為6 397.4 kg/(hm2·a)，最大值出現在1987年，為9 920.8 kg/(hm2·a)，最小值出現在2000年，為4 836.8 kg/(hm2·a)，二者差值高達5 084.0 kg/(hm2·a)，說明江蘇省年均降水量差異巨大； ③降水生產潛力與降水量呈現出相反的變化規(guī)律。

圖2 1971-2010年江蘇省氣溫生產潛力和降水生產潛力變化

2.2.2 江蘇省氣候生產潛力變化分析 根據公式(3)，(4)，(5)，計算1971—2010年江蘇省全省氣候生產潛力，結果見圖3。由圖3可以看出：①40 a間，江蘇省氣候生產潛力波動性較大，并未表現出明顯的上升趨勢；②40 a間，氣候生產潛力平均值為1 372.2 kg/(hm2·a)，最大值出現在2007年，為1 512.8 kg/(hm2·a)，最小值出現在1987年，為1 094.1 kg/(hm2·a)，二者差值為418.7 kg/(hm2·a)；③從5 a滑動平均曲線來看，1971—1990年氣候生產潛力在波動中降低，1991—2010年又呈現出波動中增加趨勢。

圖3 江蘇省氣候生產潛力和糧食單產變化

對比1977—2010年江蘇省糧食單產發(fā)現，34 a間，江蘇省糧食單產呈現出在波動中逐步上升趨勢，從1977年的299.6 kg/hm2增長為2010年的612.4 kg/hm2，增長量達312.8 kg/hm2，年均增長率為2.98%；從5 a滑動平均曲線看，1977—1986年糧食單產增長速率較快，年均增長率達7.17%，1987—1993年糧食單產較為平穩(wěn)，1993—1998年出現新的增長高峰，1993年后糧食單產較為穩(wěn)重有升。

3 江蘇省氣候資源利用率分析

3.1 江蘇省氣候資源利用率變化

根據氣候資源利用率公式(6)，計算江蘇省1977—2010年氣候資源利用率見圖4。

注：1977年之前糧食單產數據缺失，導致1977之前的氣候資源利用率的數據無法獲得。

圖4江蘇省氣候資源利用率變化

由圖4可見，1997—2010年江蘇省氣候資源利用率逐步提高，最高氣候資源利用率出現在1997年，為47%，最低值出現在1977年，為23%；5 a滑動平均曲線同樣表明江蘇省氣候資源利用率在34 a間有了較大提升，特別是在1977—1993年氣候資源利用率大幅提升，表明該階段江蘇省農業(yè)生產條件有了較大改善，大大提升了農業(yè)生產效率；1993年后氣候資源利用率波動中有小幅上升。

3.2 江蘇省氣候生產潛力影響因素分析

對氣候生產潛力及相關參數進行相關性分析結果見表1。由表1可知，年均溫度與氣候生產潛力并不存在顯著相關性，而與糧食單產存在顯著相關性，表明溫度對糧食產量影響較大，而對氣候生產潛力影響不明顯；年均降水與氣候生產潛力存在顯著相關性，對氣候生產潛力影響較大，而與糧食單產不存在顯著相關性，表明降水對糧食單產的影響并不明顯，這也與江蘇省農田水利設施高度發(fā)達、農田灌溉可以得到有效保障有關；氣候生產潛力和糧食單產的相關性并不顯著，但糧食產量與氣候生產潛力表現了趨同的增長趨勢，特別是氣候資源利用率在研究時段內表現出增長趨勢，說明氣候生產潛力對糧食單產產生了一定的影響，但并不是糧食單產的決定因素，進一步表明了隨著糧食作物品種的優(yōu)化改良、耕作制度更趨合理、大田管理水平日益科學等生產力水平的提高，糧食產量逐年提高，且受傳統(tǒng)氣候資源的限制逐漸降低。

表1 江蘇省氣候生產潛力與相關參數相關性分析

為進一步說明氣候生產潛力與年均溫度和年均降水的關系，本文選取1971—2010年年均溫度、降水和氣候生產潛力數據，建立三者的數學關系，得到線性回歸結果見表2。由表2可見，年均溫度和年均降水對氣候生產潛力的影響系數均達到極顯著水平，且與氣候生產潛力呈正相關關系，但年均降水對氣候生產潛力的影響(系數)小于年均溫度對氣候生產潛力的影響(系數)，方程整體顯著性較好。

表2 江蘇省氣候生產潛力的影響因素分析

4 結 論

(1) 1971—2010年江蘇省年均氣溫呈現出波動性上升趨勢，特別是1993年以后氣溫的增長趨勢更為明顯；年均降水的年度差異性較大，并未表現出規(guī)律性變化；溫度生產潛力和降水生產潛力的變化規(guī)律與年均氣溫和年均降水相似。

(2) 1971—1990年氣候生產潛力在波動中降低，1991—2010年又呈現出波動中增加趨勢；糧食單產和氣候資源利用率在1977—2010年均表現出波動性上升趨勢，表明二者受氣候的影響相對較小。

(3) 對氣候生產潛力與年均氣溫和年均降水的數理關系分析表明，盡管二者均與氣候生產潛力具有較為顯著的相關性，但年均降水的影響相對微弱，溫度的影響相對更大。

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