張志高, 耿益新, 蔡茂堂, 張秀麗, 孫梓欣, 尹紀(jì)媛

(1.安陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 河南 安陽 455000; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京100081)

20世紀(jì)以來，全球氣候顯著變暖，政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第5次全球氣候變化評估報(bào)告(AR5)指出，1880—2012年全球表面平均溫度已升高0.85℃[1]，當(dāng)前仍處于百年來氣溫最高階段[2]。全球變暖將改變氣溫、輻射以及降水等要素的地理分布，進(jìn)而改變農(nóng)作物的生長條件，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全影響深遠(yuǎn)[3-4]。氣候生產(chǎn)潛力是一種估算作物潛在產(chǎn)量的指標(biāo)，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大實(shí)際意義，在全球變暖背景下，國內(nèi)外對氣候生產(chǎn)潛力的研究取得了一系列成果。在模型方法方面，研究者分別采用Thornthwaite Memorial模型[5]、Miami模型[6]、AEZ模型[7]、DSSAT模型[8]和GAEZ模型[9]等不同模型和方法進(jìn)行氣候生產(chǎn)潛力的估算和分析；在空間尺度方面，趙俊芳等[10]對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行了定量評估，郭小芹等[11]對河西走廊的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行了估算，并運(yùn)用EOF經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和敏感性分析等方法對其時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，張波等[12]估算并預(yù)測分析了貴州省的氣候生產(chǎn)潛力；也有學(xué)者針對具體的農(nóng)作物如玉米[13]、小麥[14-15]、水稻[16-17]以及青稞[18]等進(jìn)行氣候生產(chǎn)潛力的研究，來反映氣候資源與作物之間的協(xié)調(diào)程度。

河南省作為農(nóng)業(yè)大省和國家糧食生產(chǎn)核心區(qū)，被譽(yù)為“中原糧倉”，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，2018年，河南省糧食總產(chǎn)量達(dá)到1 330億斤，為中國糧食供應(yīng)和糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。然而由于河南省地處南北氣候過渡帶和山區(qū)到平原的過渡帶，對氣候變化的適應(yīng)能力較弱，加之農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件薄弱，受氣候變化和氣象災(zāi)害影響較為嚴(yán)重[19-20]。因此，本文基于1978—2017年河南省氣象資料，運(yùn)用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和GIS空間插值等方法對河南省氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行測算，并分析其時(shí)空演變特征，運(yùn)用R/S分析法預(yù)測河南省氣候生產(chǎn)潛力未來變化趨勢，以期揭示河南省氣候生產(chǎn)潛力與氣溫和降水資源的匹配程度，為河南省充分利用氣候資源，提高糧食產(chǎn)量，應(yīng)對全球變暖及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省(31°23′—36°22′N，110°21′—116°39′E)位于中國中東部、黃河中下游地區(qū)，全省總面積16.7萬km2，全省南、西、北三面環(huán)山，東部為平原，平原約占全省總面積的55.7%，西高東低的地勢有利于攜帶濕潤水汽的東南季風(fēng)深入，帶來豐沛降水。河南省氣候自南向北由亞熱帶向暖溫帶氣候逐漸過渡，氣候溫和，四季分明，全省年平均氣溫13.26～15.69℃，年均降水533.39～1 095.77 mm，無霜期為190～230 d，日照時(shí)數(shù)1 740～2 310 h。全省地跨海河、黃河、淮河和長江4大水系，大小河流1 500多條，水資源總量年均達(dá)430億m3。充足的光、熱氣候條件、豐富的水資源以及肥沃的土地，為河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)用地占全省總面積的74.25%，糧食、水果和蔬菜等產(chǎn)量位居全國前列，是麥、棉、油等農(nóng)產(chǎn)品的重要優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

河南省17個(gè)氣象站點(diǎn)1978—2017年逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.Cma.Gov.cn)，年平均氣溫為當(dāng)年12個(gè)月氣溫的算術(shù)平均值。本文將1978—2017年的年均氣溫平均值作為河南省多年平均氣溫值，將1978—2017年的年降水量平均值作為河南省多年平均降水量。研究區(qū)域及站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布

1.3 氣候生產(chǎn)潛力模型

Miami模型[21]：

(1)

Yr=3000×(1-e-0.000664r)

(2)

式中：t為年平均溫度(℃)；r為年降水量(mm)；e=2.718 3；Yt為溫度生產(chǎn)潛力(kg/hm2)；Yr為降水生產(chǎn)潛力(kg/hm2)。

Thornthwaite Memorial模型[22]：

Ye=3000×[1-e-0.0009695(V-20)]

(3)

(4)

L=300+25T+0.05T3

(5)

式中：Ye為氣候生產(chǎn)潛力(kg/hm2)；V為年平均蒸散量(mm)；R為年平均降水量(mm)；L為年平均最大蒸散量(mm)；T為年平均溫度(℃)。

1.4 R/S分析

R/S分析法最初由英國科學(xué)家赫斯特提出用于分析尼羅河水庫流量和儲(chǔ)蓄能力[23]，之后逐步發(fā)展為研究時(shí)間序列的分形理論。R/S分析法用氣候要素時(shí)間序列計(jì)算出Hurst指數(shù)來揭示氣候要素時(shí)間序列的趨勢，如果0

此外，采用一元線性回歸法分析氣溫、降水和氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢，運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[24]、信噪比檢驗(yàn)法[25]對河南省氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，使用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省年平均氣溫和降水量變化特征

2.1.1 年平均氣溫和降水量時(shí)間變化特征 由河南省近40 a平均氣溫變化曲線(圖2A)可知，1978—2017年，河南省多年平均氣溫為14.62℃，最低為1984年的13.39℃，最高為2017年的15.59℃，相差2.2℃。從變化趨勢來看，近40 a來河南省年平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢，線性擬合表明其傾向率為0.34℃/10 a，快于中國近50 a來平均增溫速率[26]。從年代際變化趨勢來看，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年以及2011—2017年河南省平均溫度分別以0.2，1.28，0.25，1.75℃/10 a的速率遞增。

由河南省近40 a降水量變化曲線(圖2B)可知，1978—2017年，河南省多年平均降水量為744.14 mm，最小值為1997年的510.76 mm，最高值為2003年的1 063.05 mm，二者相差為552.29 mm。從變化趨勢來看，近40 a來河南省年降水量波動(dòng)幅度較大，整體呈小幅下降趨勢，線性擬合表明其傾向率為-2.51 mm/10 a。從年代際變化趨勢來看，1981—1990年降水量以-63.93 mm/10 a的速率遞減，1991—2000年、2001—2010年以及2011—2017年河南省年降水量分別以151.96，48.51，315.09 mm/10 a的速率遞增。

圖2 1978-2017年河南省年平均溫度和降水量變化

2.1.2 年平均氣溫和降水量空間變化特征 由圖3A可知，河南省年均溫為13.26～15.69℃，大體上呈南高北低，東高西低的分布特征，這表明河南省年均氣溫變化主要受緯度的影響。由圖3B可知，河南省年平均降水量為533.39～1 095.77 mm，南部信陽最高為1 090.00～1 095.77 mm，北部新鄉(xiāng)最少為533.39～544.00 mm，呈由南向北遞減趨勢。

2.2 河南省氣候生產(chǎn)潛力變化特征

2.2.1 氣候生產(chǎn)潛力時(shí)間變化 基于Miami模型和Memorial模型分別計(jì)算河南省溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果如圖4所示。

由圖4A可知，1978—2017年河南省溫度生產(chǎn)潛力為1 707.24～1 895.92 kg/hm2，平均值為1 813.94 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2017年，最小值出現(xiàn)在1984年，相差188.68 kg/hm2，近40 a來溫度生產(chǎn)潛力以28.78 kg/(hm2·10 a)的傾向率呈波動(dòng)上升趨勢，與溫度表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。年際變化趨勢表明，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年及2011—2017年河南省溫度生產(chǎn)潛力分別以15.28，107.90，21.26，131.37 kg/(hm2·10 a)的速率遞增。

圖3 1978-2017年河南省年均氣溫和降水時(shí)空變化

由圖4B可知，1978—2017年河南省降水生產(chǎn)潛力為862.87～1 518.97 kg/hm2，平均值為1 163.10 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2003年，最小值出現(xiàn)于1997年，二者相差656.1 kg/hm2，近40 a來降水生產(chǎn)潛力以-2.29 kg/(hm2·10 a)的速率呈微弱波動(dòng)下降趨勢。年際變化趨勢表明，1981—1990年降水生產(chǎn)潛力以-70.86 kg/(hm2·10 a)的速率遞減，1991—2000年、2001—2010年及2011—2017年降水生產(chǎn)潛力分別以165.86，76.70，390.84 kg/(hm2·10 a)的速率遞增。

由河南省氣候生產(chǎn)潛力變化曲線可知(圖4C)，1978—2017年河南省氣候生產(chǎn)潛力為1 025.78～1 365.85 kg/hm2，平均值為1 219.62 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2003年，最小值出現(xiàn)在1997年，相差340.07 kg/hm2，從變化趨勢來看，近40 a來河南省氣候生產(chǎn)潛力波動(dòng)幅度較大，上升趨勢不明顯，傾向率為10.80 kg/(hm2·10 a)。年際變化趨勢表明，1981—1990年氣候生產(chǎn)潛力以-23.67 kg/(hm2·10 a)的速率遞減，1991—2000年、2001—2010年和2011—2017年氣候生產(chǎn)潛力均呈遞增趨勢，傾向率分別為105.57，78.52，294.90 kg/(hm2·10 a)。

2.2.2 氣候生產(chǎn)潛力空間變化特征 基于ArcGIS空間插值方法，河南省溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力及傾向率的空間分布特征如圖5所示。

由圖5A可知，河南省溫度生產(chǎn)潛力在空間分布上與前述溫度空間分布特征一致，溫度較高的豫東南地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力較高，其中南部信陽和固始溫度生產(chǎn)潛力可達(dá)1 903.14 kg/hm2，氣溫較低的豫西地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力較低，其中盧氏和三門峽溫度生產(chǎn)潛力僅有1 696.23 kg/hm2。河南省生產(chǎn)潛力整體呈現(xiàn)出南高北低、東高西低，由東南往西北遞減的分布趨勢。從溫度生產(chǎn)潛力的傾向率分布來看(圖5B)，河南省各個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)出增加趨勢，其中鄭州氣溫生產(chǎn)潛力增幅最大，北部安陽氣溫生產(chǎn)潛力增幅最小。

圖4 1978-2017年河南省溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力變化

降水生產(chǎn)潛力(圖5C)空間分布表明，河南省降水生產(chǎn)潛力為885.64～1 530.69 kg/hm2，降水較多的豫東南地區(qū)其降水生產(chǎn)潛力較高，而降水較少的豫北地區(qū)，降水生產(chǎn)潛力較低。降水生產(chǎn)潛力整體呈現(xiàn)出由東南往西北方向遞減的變化趨勢。從降水生產(chǎn)潛力傾向率空間分布來看(圖5D)，全省10個(gè)站點(diǎn)降水生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，7個(gè)站點(diǎn)降水生產(chǎn)潛力呈減小趨勢，其中豫東和豫北地區(qū)增幅最大。

河南省氣候生產(chǎn)潛力為1 018.87～1 430.14 kg/hm2(圖5E)，在空間上分布上呈現(xiàn)出由東南向西北遞減變化趨勢，南部信陽、固始?xì)夂蛏a(chǎn)潛力最高，西北安陽、新鄉(xiāng)和三門峽最低。從氣候生產(chǎn)潛力傾向率的空間分布來看(圖5F)，河南省絕大部分地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，其中豫東和豫北地區(qū)增幅最大，豫西三門峽、盧氏和孟津3站氣候生產(chǎn)潛力呈減小趨勢。

圖5 河南省生產(chǎn)潛力空間分布特征

2.3 河南省氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對河南省溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6A可知，1978—2017年河南省氣溫生產(chǎn)潛力正序列UF曲線整體呈上升趨勢，與反序列UB曲線相交于1996年，表明1996年河南省氣溫生產(chǎn)潛力發(fā)生突變，突變后1997—2017年氣溫生產(chǎn)潛力較突變前增加68.28 kg/hm2。

由圖6B可知，1978—2017年河南省降水生產(chǎn)潛力正序列UF曲線和反序列UB曲線變量存在多個(gè)交點(diǎn)，但交點(diǎn)S/N<1，未通過信噪比檢驗(yàn)，表明降水生產(chǎn)潛力不存在明顯突變。

氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗(yàn)(圖6C)表明，1978—2017年氣候生產(chǎn)潛力正序列UF曲線與反序列UB曲線多次相交，但僅有2015年的突變點(diǎn)通過了信噪比檢驗(yàn)，表明河南省氣候生產(chǎn)潛力于2015年發(fā)生突變，突變后氣候生產(chǎn)潛力較突變前上升了101.46 kg/hm2。

2.4 氣候生產(chǎn)潛力的限制因素分析

利用SPSS軟件對河南省氣候生產(chǎn)潛力和氣溫與降水要素進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明近40 a來河南省氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.005(未通過0.05置信度水平檢驗(yàn))，與年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.956(α=0.01)(圖7)，表明降水量是河南省氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子，河南省氣候生產(chǎn)潛力主要與降水量有關(guān)。

為進(jìn)一步說明河南省氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量之間的關(guān)系，利用SPSS軟件建立三者之間的線性回歸模型如下：

Ye=35.179T+0.695P+187.919 (R2=0.961)

(6)

式中：Ye為氣候生產(chǎn)潛力(kg/hm2)；T為年平均溫度(℃)；P為年降水量(mm)。回歸模型表明，河南省氣候生產(chǎn)潛力和溫度、降水均呈正向關(guān)系，溫度每上升(下降)1℃，降水每遞增(遞減)1 mm，氣候生產(chǎn)潛力分別提高(減少)35.179，0.695 kg/hm2。

2.5 氣候生產(chǎn)潛力的未來趨勢變化

河南省氣候生產(chǎn)潛力未來變化特征如圖8所示。根據(jù)R/S分析，河南省氣候生產(chǎn)潛力的Hurst指數(shù)平均值為0.59，82.4%的區(qū)域Hurst指數(shù)大于0.5，Hurst指數(shù)0.58～0.74的區(qū)域最大，占比為64.7%，因此，河南省未來氣候生產(chǎn)潛力與過去40 a來的變化趨勢保持一致，可能仍處于增長趨勢，但趨勢不是十分顯著。

圖6 溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線

3 結(jié) 論

(1) 1978—2017年，河南省多年平均氣溫為14.62℃，以0.34℃/10 a的速率呈上升趨勢，多年平均降水量為744.14 mm，以-2.51 mm/10 a的速率呈下降趨勢，空間分布上年平均氣溫和降水大致呈由南到北遞減趨勢。

(2) 1978—2017年，河南省溫度、氣溫和氣候生產(chǎn)潛力均值分別為1 813.94，1 163.10，1 219.62 kg/hm2，40 a來河南省溫度和氣候生產(chǎn)潛力均呈上升趨勢，傾向率分別為28.78，10.80 kg/(hm2·10 a)，降水生產(chǎn)潛力以-2.29 kg/(hm2·10 a)的速率呈減小趨勢。

圖7 氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量的相關(guān)性

圖8 河南省氣候生產(chǎn)潛力Hurst指數(shù)空間分布

(3) 在空間分布上，河南省溫度生產(chǎn)潛力大體上呈南高北低、東高西低的分布特征，全省各站點(diǎn)均呈現(xiàn)增加趨勢；降水生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出東南往西北方向遞減的變化趨勢，全省大部分地區(qū)降水生產(chǎn)潛力呈下降趨勢；氣候生產(chǎn)潛力總體呈現(xiàn)東南高西北低的分布特征，全省大部分地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，豫西三門峽、盧氏和孟津3站呈減小趨勢。

(4) 相關(guān)性分析表明，降水量是河南省氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子，降水量不變或增加有利于氣候生產(chǎn)潛力的增加，而降水量減少則不利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。

(5) Mann-Kendall檢驗(yàn)表明，40 a來河南省溫度生產(chǎn)潛力在1996年發(fā)生突變，較突變前增加68.28 kg/hm2，降水生產(chǎn)潛力沒有明顯突變，氣候生產(chǎn)潛力在2015年發(fā)生突變，較突變前上升了101.46 kg/hm2。

(6) R/S分析表明，河南省氣候生產(chǎn)潛力的Hurst指數(shù)平均值為0.59，未來氣候生產(chǎn)潛力與過去40 a來的變化趨勢保持一致，可能仍保持增長趨勢。