張 波,谷曉平,古書鴻

(1.貴州省山地環(huán)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(chǎn)潛力是評價農(nóng)業(yè)氣候資源的依據(jù)之一，其大小取決于光、溫、水三要素相互配合協(xié)調的程度。氣候生產(chǎn)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(fā)揮氣候生產(chǎn)潛力、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有重要現(xiàn)實意義。

目前氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(qū)氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力進行分析； 趙俊芳等[5]采用農(nóng)業(yè)區(qū)域生態(tài)AEZ模型對我國黃淮海地區(qū)冬小麥、夏玉米氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力； 趙慧穎[8]對呼倫貝爾典型草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)潛力評估； 張藝萌等[9]基于Thornthwaite Memorial 模型分析了遼西北地區(qū)氣溫和降水變化對氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力； 李祥妹等[11]基于生態(tài)系統(tǒng)承載能力對西藏高原草地資源區(qū)劃研究； 侯智惠等[12]從農(nóng)業(yè)資源利用的區(qū)域差異性分析入手，運用因子分析方法分析內蒙古的農(nóng)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)潛力估算，以期對喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因地制宜、充分利用氣候資源及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處云貴高原，介于東經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)缺失較多的4個站點，研究區(qū)域及站點如圖1。

1.2 氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)；Ye為蒸散量決定的生產(chǎn)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(shù)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)潛力變化特征

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

圖3為貴州溫度生產(chǎn)潛力變化趨勢， 1961～2015年間貴州溫度生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力以34.29kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1991～2000年溫度生產(chǎn)潛力以380.0kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年溫度生產(chǎn)潛力以3.86kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年溫度生產(chǎn)潛力以25.84kg/(hm2·年)的速率遞增。

從降水生產(chǎn)潛力年際變化趨勢來看(圖4)， 1961～2015年間貴州省降水生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力以74.82kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1971～1980年降水生產(chǎn)潛力以89.21kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1981～1990年降水生產(chǎn)潛力以142.91kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1991～2000年間降水生產(chǎn)潛力以75.94kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年降水生產(chǎn)潛力以39.64kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年降水生產(chǎn)潛力以111.43kg/(hm2·年)的速率遞增。

圖4 降水生產(chǎn)潛力變化特征 圖5 氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢

氣候生產(chǎn)潛力變化特征如圖5， 1961～2015年間貴州省氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力以4.75kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1971～1980年氣候生產(chǎn)潛力以26.49kg/(hm2·10年)的速率遞增， 1981～1990年氣候生產(chǎn)潛力以25.99kg/(hm2·10年)的速率遞減， 1991～2000年氣候生產(chǎn)潛力以47.56kg/(hm2·10年)的速率遞增， 2001～2010年氣候生產(chǎn)潛力以17.58kg/(hm2·10年)的速率遞減， 2011～2015年氣候生產(chǎn)潛力以每年56.55kg/(hm2·年)的速率遞增。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗

圖6 溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗

利用Mann-Kendall 檢驗法來檢驗貴州地區(qū)的溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力突變情況，結果如圖6。溫度生產(chǎn)潛力突變結果表明， 1961～1966 年間UF統(tǒng)計量在0附近上下波動，溫度生產(chǎn)潛力基本保持穩(wěn)定， 1967～1998 年間UF<0，溫度生產(chǎn)潛力呈遞減趨勢， 1998年之后UF>0，溫度生產(chǎn)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(tǒng)計量與UB 統(tǒng)計量在2001 年附近發(fā)生相交且交點位于兩臨界線之間為突變點，說明溫度生產(chǎn)潛力在2001年發(fā)生突變。

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

氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗表明， 1961～1998年間UF統(tǒng)計變量小于0，氣候生產(chǎn)潛力呈遞減趨勢， 1999～2010年間UF統(tǒng)計變量大于0，氣候生產(chǎn)潛力呈遞增趨勢，UF統(tǒng)計變量與UB統(tǒng)計變量相交于1996年，但未通過顯著性檢驗，表明未發(fā)生突變現(xiàn)象。氣候生產(chǎn)潛力在1961～2015年間未發(fā)生突變現(xiàn)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(qū)年平均溫度(圖7a)在10.7～19.7℃之間，空間分布上呈現(xiàn)出南高北低、東高西低，由南往北遞減的趨勢。畢節(jié)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(xiàn)自南向北遞減的變化趨勢，高值區(qū)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(qū)域，降水量在845.5～994.3mm之間。

2.5 氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征

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

降水生產(chǎn)潛力(圖8c)空間分布表明，貴州地區(qū)的降水生產(chǎn)潛力在1 282.4～1 884.7kg/hm2之間，降水生產(chǎn)潛力空間分布上，呈現(xiàn)出南高北低，由南往北遞減的變化趨勢，生產(chǎn)潛力有兩個高值區(qū)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(qū)域分布黔南州和黔東南州交界，生產(chǎn)潛力在1 750.9～1 884.7kg/hm2之間，畢節(jié)市西部的降水生產(chǎn)潛力最小，在1 282.4～1 349.3kg/hm2之間。從降水生產(chǎn)潛力氣候傾向率的空間分布來看，全省降水生產(chǎn)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(qū)氣候生產(chǎn)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(xiàn)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(qū)氣候生產(chǎn)潛力為全省最高，在1 542.7～1 656.1kg/hm2之間，畢節(jié)市的氣候生產(chǎn)潛力最低，在1 145.5～1 202.2kg/hm2之間。從氣候生產(chǎn)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(qū)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(chǎn)潛力的限制因素分析

氣候生產(chǎn)潛力與氣候要素的相關性表明，貴州地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量的相關系數(shù)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(chǎn)潛力均有正影響，其中降水量是貴州氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子。

圖9 氣候生產(chǎn)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(qū)氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力分別提高(減少)49.25kg/hm2、0.32kg/hm2，根據(jù)年平均溫度和降水量的遞變速率，結合回歸模型，貴州地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力以1.34kg/(hm2·10年)速率遞增。

2.7 氣候生產(chǎn)潛力趨勢分析

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

表1 溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力R/S分析

YtYrYeHurst指數(shù)0 860 660 64

溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的Hurst指數(shù)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(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力保持增長趨勢、降水生產(chǎn)潛力保持遞減趨勢及氣候生產(chǎn)潛力保持遞增的趨勢。

圖10 溫度、降水和氣候生產(chǎn)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(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境承載力低，對氣候變化敏感，嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[25]，為探究喀斯特復雜地形下的氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力估算，以期對喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因地制宜、充分利用氣候資源及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

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(chǎn)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(chǎn)潛力為1 890.05kg/hm2； 降水生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力在2001年發(fā)生突變，降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均沒有發(fā)生突變。

在空間分布上，溫度生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出南高北低、東高西低，由南往北遞減的趨勢； 降水生產(chǎn)潛力空間分布上，呈現(xiàn)出南高北低，由南往北遞減的變化趨勢，全省降水生產(chǎn)潛力整體呈減少趨勢； 氣候生產(chǎn)潛力總體分布上呈現(xiàn)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(qū)域呈遞減趨勢。

溫度、降水和氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力保持增長趨勢、降水生產(chǎn)潛力保持遞減趨勢及氣候生產(chǎn)潛力保持遞增的趨勢。

受氣候變化的影響，貴州地區(qū)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(chǎn)潛力的分布，制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，因此應該打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構，因地制宜發(fā)展特色經(jīng)濟農(nóng)業(yè)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(jīng)濟因素對氣候生產(chǎn)潛力的影響。

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