寧夏中部干旱帶56年來氣候生產(chǎn)潛力變化特征研究——以寧夏中寧縣為例

余海龍，黃菊瑩，王亭荷

（1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，銀川750021；2.寧夏大學(xué) 新技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)中心，銀川750021）

氣候生產(chǎn)潛力是指當(dāng)其它條件（如土壤、養(yǎng)分、二氧化碳等）處于最適狀況時(shí)，充分利用光、熱、水氣候資源時(shí)，單位面積土地上可能獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)產(chǎn)量［1－2］。從生態(tài)學(xué)角度看，氣候生產(chǎn)潛力（climate potential productivity）就是由氣候因素決定的平均生產(chǎn)第一生產(chǎn)力的能力（即干物質(zhì)量），反映了某地在特定的氣候背景之下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所具備的基礎(chǔ)潛力，顯然氣候生產(chǎn)潛力與氣候變化密切相關(guān)。

在全球氣候變暖背景下，中國近百年增溫0.5～0.8℃，其中北方地區(qū)增溫最為明顯。氣候變化對(duì)環(huán)境脆弱帶生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力影響巨大［3－4］。中寧縣位于寧夏回族自治區(qū)中部西側(cè)，黃河西岸，屬于北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)。中寧縣年平均氣溫9.5℃，年平均降水202.1mm，6—8月的降水量占全年降水量的61%；年蒸發(fā)量1 947.1mm，為年平均降水量的9.6倍。中寧降水稀少且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候變化影響非常顯著，是氣候變化極度敏感區(qū)，更是生態(tài)環(huán)境脆弱帶。在全球氣候變暖背景下，在現(xiàn)有生產(chǎn)力水平保持不變的前提下，植物生產(chǎn)潛力將會(huì)隨之普遍下降［5］。作物產(chǎn)量下降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源短缺、糧食產(chǎn)量波動(dòng)等一系列問題變得更為現(xiàn)實(shí)和迫切。鑒于此，本研究利用多年氣象資料，運(yùn)用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型分析中寧縣溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力變化規(guī)律，探討氣候生產(chǎn)潛力變化規(guī)律及其主要影響因子，深入研究56a來氣候生產(chǎn)潛力的演變特征，并對(duì)氣候生產(chǎn)潛力變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、因地制宜利用氣候資源、提高生產(chǎn)力水平及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利環(huán)境。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

本文主要數(shù)據(jù)源為寧夏中寧縣氣象臺(tái)站溫度與降水資料（1953—2008年），該時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)完整，無缺失。

1.2 研究方法

影響植物產(chǎn)量的因素是多方面的，諸如氣候、土壤、品種、作物群體結(jié)構(gòu)等。植物氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法很多，如邁阿密模型、蒙特利爾模型等。考慮到資料的易獲取性和實(shí)用性，本文選用Miami模型對(duì)溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算；采用Thornthwaite memorial模型估算氣候生產(chǎn)潛力［6］。Miami模型是從植物的生理生態(tài)角度出發(fā)，指出對(duì)植物生長(zhǎng)及其生物量形成的主要影響因子是溫度和水分，并通過計(jì)算該地區(qū)的年降雨量和年平均氣溫等主要?dú)夂蛞貋頉Q定植物的氣候生產(chǎn)潛力，計(jì)算公式為：

式中：t——年平均溫度（℃）；r——年降水量（mm）；e＝2.718 3；Yt，Yr——年平均溫度、年降水量決定的生產(chǎn)潛力［kg／（hm2·a）］。

Thornthwaite memorial模型是依據(jù)植被與降水、蒸發(fā)蒸騰量和年均氣溫之間的關(guān)系，建立起來的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型，同樣采用該模型對(duì)研究區(qū)天然草地的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算：

式中：T——年平均溫度（℃）；R——年降水量（mm）；L——年平均最大蒸發(fā)量（mm），e＝2.718 3；Ye——年平均溫度、年降水量復(fù)合影響下的氣候生產(chǎn)潛力，及干物質(zhì)量［kg／（hm2·a）］［7］。該模型充分考慮了光、溫、水對(duì)作物干物質(zhì)積累的綜合影響，表征了作物產(chǎn)量與光合作用的密切關(guān)系［8－9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征分析

2.1.1 氣溫 從年氣溫變化趨勢(shì)（圖1）可以看出，1990年以來氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。主要表現(xiàn)在1995年以前氣溫波動(dòng)呈負(fù)值，而1995年至今氣溫波動(dòng)為正值，2002年達(dá)到年平均溫度最高值（12.13℃），從1996年起持續(xù)增溫，該區(qū)氣候呈現(xiàn)暖干特征。1953—1960年氣溫距平為負(fù)值，其值為0.9℃；1960s氣溫距平為負(fù)值，其值為1.3℃；1970s氣溫距平為負(fù)值，其值為0.9℃；1980s氣溫距平為負(fù)值，其值為0.8℃；1990s氣溫距平為正值，其值為0.2℃；2000—2008年氣溫距平為正值，其值為0.5℃。1990s以來，氣溫上升明顯，總體上升了2.7℃，平均以0.03℃／a的速度遞增。

2.1.2 降水量 從年平均降水量變化趨勢(shì)（圖1）中可知，降水量變化波動(dòng)很大，呈逐年遞減的趨勢(shì)。全區(qū)多年平均降水量為219.9mm，豐雨年（389.3mm）與貧雨年（100.9mm）降水量相差很大。降水量分布很不均勻，多集中在6—9月，占全年降水量60%以上；很多降雨都以暴雨形式出現(xiàn)，年際之間變化也很大。1960s降水距平為正值，比多年平均降水量大8 mm；1970s降水距平為負(fù)值，降水量減少了5mm；1980s降水距平為負(fù)值，降水量減少了18mm；1990s降水距平為負(fù)值，降水量減少了29mm；2000—2008年降水距平也是負(fù)值，降水量減少了34mm。這就說明，1960s該區(qū)降水較充沛，而1970s以后降水量逐年下滑。研究結(jié)果表明，降水量以0.96mm／a的速度遞減。

圖1 中寧地區(qū)年均溫度與降水年際變化（1953－2008）

2.2 溫度生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力特征

根據(jù) Miami模型對(duì)中寧縣溫度生產(chǎn)潛力（Yt）與降水生產(chǎn)潛力（Yr）平均狀況進(jìn)行分析。56a來溫度生產(chǎn)潛力呈顯著增加趨勢(shì)（Yt＝388.52x），而降水生產(chǎn)潛力略有減少（Yr＝－16.264x＋4306.3）。圖2表明，56a來氣溫呈穩(wěn)定增加趨勢(shì)，和全球變暖趨勢(shì)基本一致。由于中寧地處內(nèi)陸，從西面、北面至東面，由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍。獨(dú)特的地理位置，導(dǎo)致中寧降水量偏少且年際變化大。表現(xiàn)在降水生產(chǎn)潛力方面則為降水逐年減少且年際變化大，因而降水生產(chǎn)潛力亦隨之出現(xiàn)波動(dòng)并總體表現(xiàn)為逐年降低。

圖2 中寧縣溫度生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)

2.3 氣候生產(chǎn)潛力特征

2.3.1 氣候生產(chǎn)潛力年代際變化 根據(jù)Thornthwaite Memorial模型計(jì)算出的研究區(qū)各地的氣候生產(chǎn)潛力結(jié)果，56a來平均氣候生產(chǎn)潛力為4 809.17 kg／（hm2·a）。由表1可知，氣候生產(chǎn)潛力波動(dòng)較大，但總體呈下降趨勢(shì)。最小值出現(xiàn)在2005年，為1 744.15kg／（hm2·a）；最大值出現(xiàn)在 1964 年，為7 929.24kg／（hm2·a）。1953—1980年氣候生產(chǎn)潛力距平為正值，但已開始以13.42kg／（hm2·a）的速度遞減。1980s、1980s以及2001—2008年氣候生產(chǎn)潛力距平均為負(fù)值，呈明顯下降趨勢(shì)。

表1 中寧地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年代際變化

2.3.2 氣候生產(chǎn)潛力與氣候因子的相關(guān)分析 統(tǒng)計(jì)分析中寧地區(qū)自然植被氣候生產(chǎn)潛力與年降水量和年均溫的關(guān)系，氣候生產(chǎn)潛力與氣溫、降水的相關(guān)性分析表明，氣候生產(chǎn)潛力與年降水量呈顯著相關(guān)性、與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.995，－0.096。根據(jù)Liebig的限制因子定律，選取溫度、降水生產(chǎn)潛力中的低值作為氣候生產(chǎn)潛力的逼近值，以便尋找影響氣候生產(chǎn)潛力的限制因素。對(duì)比數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，所有年份的溫度生產(chǎn)潛力＞降水生產(chǎn)潛力，表明中寧地區(qū)熱量條件相對(duì)充足，而水分相對(duì)不足是限制作物產(chǎn)量的原因。溫度生產(chǎn)潛力平均值為14 367.4 kg／（hm2·a），降水生產(chǎn)潛力3 842.8kg／（hm2·a）。降水生產(chǎn)潛力僅為溫度生產(chǎn)潛力的26.7%?？梢娊邓侵袑幍貐^(qū)氣候生產(chǎn)潛力最主要的限制因子。

2.4 氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響分析

對(duì)于一個(gè)地區(qū)，植物凈氣候生產(chǎn)潛力主要決定于該地區(qū)的光、熱和水資源。氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)受制于氣候變化。由于氣候變化年際差異顯著，因而不同年份的光、熱和水能資源有明顯的差異。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在過去的56a來中寧地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力主要受制于降水量的變化。從氣候生產(chǎn)潛力來看，溫度升高，光溫生產(chǎn)潛力將增加；但是，溫度升高的同時(shí)，潛在蒸散也將增加，這將可能導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力下降。

盡管對(duì)未來氣候的確切變化規(guī)律尚難精確預(yù)測(cè)，但是許多科學(xué)家對(duì)我國未來50a的氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行了大量的研究和預(yù)測(cè)，普遍認(rèn)為未來我國氣溫仍會(huì)持續(xù)上升，到2050年我國大部分地區(qū)將升高2～3℃，部分地區(qū)將升高4℃，尤其是我國西部黃土高原，氣溫更趨于變暖，降水量將減少1%～7.5%［10］。氣候生產(chǎn)潛力的大小主要取決于光、溫、水三要素的數(shù)量及其相互配合協(xié)調(diào)的程度。中寧地區(qū)降水年際、年內(nèi)變化大會(huì)造成光、溫、水各三素匹配組合差異。即使是溫度生產(chǎn)潛力逐年增加，但降水逐漸減少的趨勢(shì)勢(shì)必影響區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的增幅。因此，氣候的暖干化趨勢(shì)對(duì)研究區(qū)未來農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。參照以上研究及氣候變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，也即是說當(dāng)中寧地區(qū)的氣候呈“暖干型”時(shí)，中寧地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力亦將趨于下降。為此，研究區(qū)必須科學(xué)地調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局，趨利避害，因地制宜，為充分利用氣候資源、提高生產(chǎn)力水平及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利環(huán)境。

3 結(jié)論

（1）根據(jù) Miami模型對(duì)中寧縣溫度生產(chǎn)潛力（Yt）與降水生產(chǎn)潛力（Yr）平均狀況進(jìn)行分析。56a來溫度生產(chǎn)潛力呈顯著增加趨勢(shì)，而降水生產(chǎn)潛力呈明顯下降趨勢(shì)。

（2）受氣溫和降水量等主要?dú)夂蛞蛩氐挠绊懀?6 a來中寧地區(qū)植被氣候生產(chǎn)潛力在波動(dòng)中呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，從1953年的5 047.29kg／（hm2·a）下降至到2008年的3 122.27kg／（hm2·a），近56a的平均值為4 809.17kg／（hm2·a）。

（3）年降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈極顯著線性相關(guān)，與年平均氣溫沒有顯著相關(guān)性。說明降水是中寧地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力最主要的限制因子。

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