氣候變化對寧夏自治區(qū)中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

余海龍，賴榮生，黃菊瑩

氣候生產(chǎn)潛力是指在充分和合理利用當(dāng)?shù)氐墓狻?、水氣候資源，而其它條件（如土壤、養(yǎng)分、CO2等）處于最適宜狀況時單位面積土地上獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)產(chǎn)量［1］，它定量表征了該地區(qū)氣候資源狀況、氣候要素配置以及具備的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)潛力。氣候生產(chǎn)潛力可以分為光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和光溫水生產(chǎn)潛力3個層次。顯然，氣溫、降水等氣候因子是影響氣候生產(chǎn)潛力的主要氣象因子，氣候變化緊緊地與作物氣候生產(chǎn)潛力變化聯(lián)系在一起，其數(shù)值變化必將影響氣候生產(chǎn)潛力變化。

近百年來，以全球變暖為主要特征的全球氣候變化對我國氣候產(chǎn)生重大影響，特別是對中國北方生態(tài)脆弱地帶的影響更為明顯［2］。農(nóng)業(yè)是對氣候變化反應(yīng)最敏感和復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)［3－5］。20世紀80年代以來，全球氣候變暖顯著，溫度、降水等氣候因子發(fā)生了不同程度變化與波動，使得研究農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的變化更具實際意義。鑒于此，本研究以寧夏自治區(qū)沿黃灌區(qū)中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)為對象，著重分析該區(qū)域近48a來氣候變化特征及其對氣候生產(chǎn)潛力的影響。根據(jù)多年氣象資料，應(yīng)用 Miami和Thornthwaite Memorial模型分析環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力及其變化特征，探討氣候生產(chǎn)潛力與氣候因子的關(guān)系，并確定其限制因子，深入研究氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響，為充分利用氣候資源，提高作物產(chǎn)量及即將進行的“沿黃經(jīng)濟區(qū)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

環(huán)香山地區(qū)地處寧夏中部干旱帶土石山區(qū)，平均海拔1 760m，總面積1 124km2，約占中衛(wèi)市國土面積的1／3；光照資源豐富，晝夜溫差大，無霜期155d左右，年平均太陽總輻射量為6.0×109J／m2；年平均溫度6.8℃，≥10℃積溫為2 332℃；年平均降水量247.4mm，多集中于7—9月，且多暴雨，年蒸發(fā)量2 100～2 400mm，約為降水量的8～10倍。由于該區(qū)降水稀少，干旱頻發(fā)，風(fēng)沙大，土壤侵蝕嚴重等原因，導(dǎo)致作物產(chǎn)量水平低且不穩(wěn)定。環(huán)香山地區(qū)地形起伏較大，地貌類型分為沙漠、黃河沖積平原、臺地、山地和盆地5種較大的地貌單元。土地類型多以砂地、荒地、未開耕的臺地為主。近年來作為特色農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域，其經(jīng)濟作物種植以硒砂瓜、設(shè)施蔬菜為主，特色林果產(chǎn)業(yè)以枸杞、紅棗為主。截止2008年，以種植硒砂瓜為主的種植基地面積已達6.7×104hm2，形成以興仁鎮(zhèn)、香山鄉(xiāng)為中心，輻射沙坡頭區(qū)、中寧縣、海原縣等。目前已成為中國最大的壓砂瓜產(chǎn)區(qū)，并取得了顯著社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

數(shù)據(jù)采用中衛(wèi)環(huán)香山地區(qū)唯一氣象站興仁站氣溫和降水量資料（1961—2008年），該時段內(nèi)數(shù)據(jù)完整，無缺失。

2.2 研究方法

氣候生產(chǎn)潛力計算方法很多，如Miami模型、蒙特利爾模型等。Miami和Thornthwaite Memorial模型具有數(shù)據(jù)獲取容易，參數(shù)簡單，實用性強，準確率較高等特點，能夠較為準確地分析研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力及其變 化 趨 勢［6－9］。 因 此，應(yīng) 用 Miami和 Thornthwaite Memorial模型對環(huán)香山地區(qū)生產(chǎn)潛力進行估算。

2.2.1 Miami模型 作物生產(chǎn)潛力除受品種、土壤、栽培技術(shù)等因素影響外，主要受氣候條件的影響，溫度和降水量是制約作物生長及其生物量形成的重要因子，可以單獨或共同作用于作物生長發(fā)育過程［10］。應(yīng)用Miami模型分析研究區(qū)年平均降水量和氣溫數(shù)據(jù)，可以計算溫度生產(chǎn)潛力YT和降水氣候生產(chǎn)潛力YR，其計算公式為：

式中：T——年平均氣溫（℃）；R——年平均降水量（mm）；e＝2.718 3；YT，YR——根據(jù)年平均氣溫和降水量計算的溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕。

2.2.2 Thornthwaite Memorial模型 Lieth［11］根據(jù)作物產(chǎn)量與年平均降水量、氣溫和蒸發(fā)量之間的關(guān)系，建立了一種運用實際蒸散量估算氣候生產(chǎn)潛力的經(jīng)驗統(tǒng)計模型，即Thornthwaite Memorial模型。該模型充分考慮了光、熱、水氣候因素對作物干物質(zhì)積累的綜合作用，定量表征了作物產(chǎn)量與氣溫、降水量和蒸發(fā)量等要素的關(guān)系。其計算公式為：

式中：L——年平均最大蒸發(fā)量（mm）；V——年蒸散量（mm）；Ye——氣候生產(chǎn)潛力﹝kg／（hm2·a）﹞。2.2.3 Liebig定律 在估算氣候生產(chǎn)潛力時，根據(jù)Liebig限制因子定律，選取溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力3者中較低值作為研究區(qū)生產(chǎn)潛力的標準值，并探討制約氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。表達式為：

式中：Y——生產(chǎn)潛力標準值〔kg／（hm2·a）〕；YT，YR，Ye——溫度，降水和氣候生產(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)香山地區(qū)氣候變化分析

環(huán)香山地區(qū)近48a來平均氣溫、降水量逐年變化和線性趨勢如圖1所示。由圖1可以看出，該區(qū)域氣候呈“暖干型”趨勢變化，這與張智、陳豫英、袁海燕等［12－14］研究相一致，證實了寧夏地區(qū)現(xiàn)階段正處于氣溫升高，降水減少的暖干階段。

圖1 環(huán)香山地區(qū)年平均氣溫和降水量變化趨勢

3.1.1 氣溫變化特征 近48a來環(huán)香山地區(qū)年平均氣溫呈波動上升趨勢，這與全球變暖趨勢一致，平均以0.375℃／10a的速度遞增，高于全國平均增溫率（0.22℃／10a）。研究區(qū)多年平均氣溫為6.88℃，最小值和最大值分別為5.3和8.5℃，變異系數(shù)為0.102 6，表明其變化波動相對較??；1961—1989年平均氣溫為6.49℃，氣溫距平值均為負值，其值為0.39℃，1967年出現(xiàn)最小值（5.3 ℃）；1990年以來升溫明顯，平均年氣溫為7.48℃，高于1989年以前平均值0.99℃，除1992，1993，1995和1996年外，均高于多年平均氣溫值，2006年出現(xiàn)最高值（8.5℃）。

3.1.2 降水量變化特征 近48a來環(huán)香山地區(qū)年平均降水量變化波動很大，總體呈遞減趨勢，平均以10.375mm／10a的速度遞減。全區(qū)多年平均降水量為249.3mm，變異系數(shù)為0.278 0，其中最大值和最小值為417.4mm（1964年）和116mm（1982年），最大值為最小值的3.6倍，表明降水量年際變化波動顯著；1994年以后減少趨勢更加明顯，平均以79.644 mm／10a的速度遞減，遠高于平均遞減值；春季（3—5月）平均降水量為45.3mm，夏季（6—8月）平均降水量為143.5mm，約占全年降水量的58%，秋季（9—11月）平均降水量為56.4mm，冬季（12至翌年2月）平均降水量為4.1mm，僅占年平均降水量的1.645%，表明環(huán)香山地區(qū)降水量年內(nèi)分布極不平均。這與研究區(qū)地處內(nèi)陸深處，距海遙遠，受海洋水汽影響小等因素有關(guān)。

3.2 環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力分析

3.2.1 溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力分析 應(yīng)用Miami模型對環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力進行分析，其結(jié)果如圖2所示。溫度生產(chǎn)潛力多年平均值為1.27×104kg／（hm2·a），呈逐年遞增的趨勢，平均每10a以311.41kg／（hm2·a）的速度遞增。降水生產(chǎn)潛力多年平均值為4 550.10kg／（hm2·a），總體呈波動減少的趨勢，平均每10a以170.94 kg／（hm2·a）的速度遞減；變異系數(shù)為25.5%，1962年達到最大值，為7 261.90kg／（hm2·a），1982年達到最小值，為2 223.99kg／（hm2·a），僅占最大值的30.6%和多年平均值的48.9%，表明環(huán)香山地區(qū)降水生產(chǎn)潛力年際變化波動明顯；1961—2008年降水生產(chǎn)潛力均低于溫度生產(chǎn)潛力，多年平均值僅為溫度生產(chǎn)潛力多年平均值的35.9%，表明環(huán)香山地區(qū)熱量資源豐富，降水不足是制約降水生產(chǎn)潛力的主要因素。

圖2 環(huán)香山地區(qū)的溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢

3.2.2 氣候生產(chǎn)潛力分析 應(yīng)用Thornthwaite Memorial模型對環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進行分析，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，該區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為5 399.12kg／（hm2·a），總體呈一定的遞減趨勢，平均每10a以126.59kg／（hm2·a）的速度遞減；變異系數(shù)為20.93%，1982年達到最大值，為7 604.24kg／（hm2·a），高出多年平均值達40.8%，最小值出現(xiàn)在1964年，為2 725.21kg／（hm2·a），僅為多年平均值的50.5%和最大值的35.8%，表明氣候生產(chǎn)潛力的年際變化波動明顯。

3.2.3 氣候生產(chǎn)潛力與氣候要素的關(guān)系 根據(jù)Liebig限制因子定律，以溫度、降水量作為參考，選取溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力3者中較低值作為研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的標準值，并確定制約環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。由表1可知，降水生產(chǎn)潛力為4 550.10kg／（hm2·a），小 于 氣 候 生 產(chǎn) 潛 力 值〔5 399.12kg／（hm2·a）〕和 溫 度 生 產(chǎn) 潛 力 值〔12 678.03kg／（hm2·a）〕，應(yīng)選取降水生產(chǎn)潛力作為研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的標準值；氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量、氣溫相關(guān)系數(shù)分別為0.983 3和－0.245 7，表明氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量有著極其顯著的線性相關(guān)，與平均氣溫沒有明顯的相關(guān)性；溫度生產(chǎn)潛力遠大于降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，分別是降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的2.79和2.35倍，表明環(huán)香山地區(qū)降水條件相對于熱量供給明顯不足，降水量是氣候生產(chǎn)潛力最主要的限制因子。

表1 氣候生產(chǎn)潛力與氣候要素相關(guān)性分析

3.3 氣候變化對環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

3.3.1 氣候生產(chǎn)潛力預(yù)測 通過對環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年平均氣溫、降水量進行統(tǒng)計回歸分析，可以得到一個表征年平均氣溫、降水量與氣候生產(chǎn)潛力關(guān)系的二元一次回歸方程，其方程式為：

式中：Ye——氣候生產(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕；r——年平均降水量（mm）；t——年平均溫度（℃）。

根據(jù)方程推算，當(dāng)氣溫不變，降水量增加或減少1mm，氣候生產(chǎn)潛力將增加或減少85.077kg／（hm2·a）；當(dāng)降水量不變，氣溫上升或減少1℃，氣候生產(chǎn)潛力將增加或減少16.165kg／（hm2·a）。

3.3.2 環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應(yīng)

假設(shè)未來氣候變化的63個情景，即氣溫變化－3，－2，－1，0，1，2和3℃，降水量變化－20%，－15%，－10%，－5%，0，5%，10%，15%和20%，則環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化情況詳見表2。

由表2可知，氣候生產(chǎn)潛力隨年平均氣溫和降水量變化而變化，在單一要素不變的情況下，降水量變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響遠大于氣溫變化的影響。在氣候“暖濕型”變化情景下，氣溫升高1℃，降水增加5%，氣候生產(chǎn)潛力將增加5.19%；在“暖干型”變化情景下，氣溫升高1℃，降水減少5%，氣候生產(chǎn)潛力將減少2.28%；依此類推，在“冷干型”和“冷濕型”變化情景下，氣候生產(chǎn)潛力將減少2.19%和增加2.28%。

針對環(huán)香山地區(qū)，未來氣候“暖濕型”變化對研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響最為有利，平均增幅達5.19%，而“暖干型”和“冷干型”變化對研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響極為不利，平均減幅達2.28%和5.19%。

表2 年平均氣溫和降水量變化對環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

相關(guān)研究［15］表明，近100a來寧夏地區(qū)的氣候主要以“暖干型”氣候為主，這就意味著即使溫度生產(chǎn)潛力逐年增加，但降水的逐漸減少，勢必影響區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的增幅。若氣溫升高1～2℃，降水減少10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力則減少6.02%～12.03%。因此，需要通過調(diào)整農(nóng)業(yè)種植制度和結(jié)構(gòu)，合理安排農(nóng)作物的布局來適應(yīng)氣候變化，保證農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。根據(jù)秦大河［16］預(yù)測，未來50a我國北方可能呈“暖濕型”變化。楊侃等［17］預(yù)測結(jié)果顯示未來21世紀末寧夏地區(qū)升溫幅度可達4～6℃，與全國平均的增溫幅度大致相當(dāng)，與升溫趨勢對應(yīng)的是降水增加，至21世紀末寧夏地區(qū)的降水變化幅度約為10%～40%。若氣溫升高1～2℃，降水增加10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力則增加8.92%～17.84%。說明未來降水變化對研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制作用更為顯著。

4 結(jié)論

（1）通過對環(huán)香山地區(qū)近48a來氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)氣候呈“暖干型”變化趨勢。年平均氣溫以0.375℃／10a的速度遞增，這與全球氣候變暖趨勢相一致，高于全國平均增溫率0.22℃／10a（采用1961—2008年時段）；年平均降水量波動變化大，總體呈遞減趨勢，平均以10.375mm／10a的速度遞減。

（2）根據(jù)Miami和Thornthwaite Memorial模型對環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力進行分析。溫度生產(chǎn)潛力呈明顯增加趨勢，降水生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力均呈波動中減少的趨勢，氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為5 399.12kg／（hm2·a），并每10a平均以126.59kg／（hm2·a）的速度遞減。氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量有著極其顯著的線性相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.983 3），與年平均氣溫沒有明顯的顯著相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為－0.245 7），表明降水條件是制約環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。

（3）未來氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力影響顯著，“暖干型”氣候變化對研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響極為不利，“暖濕型”氣候有利于研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展；未來降水量變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響強于氣溫變化的影響，說明降水對環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的限制作用將更為明顯。

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