黑鈣土區(qū)50年來氣候生產(chǎn)潛力變化分析

靳英華，許嘉巍，朱孟美，肖　晗，姜錫東

(1.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；

2.東北師范大學(xué)自然博物館，吉林 長(zhǎng)春 130117)

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黑鈣土區(qū)50年來氣候生產(chǎn)潛力變化分析

靳英華1，許嘉巍1，朱孟美1，肖晗1，姜錫東2

(1.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；

2.東北師范大學(xué)自然博物館，吉林 長(zhǎng)春 130117)

[摘要]選用東北黑鈣土區(qū)的白城、乾安、前郭、通榆、長(zhǎng)嶺、富裕、齊齊哈爾、泰來8個(gè)氣象臺(tái)站的數(shù)據(jù)，分析了其50年來生長(zhǎng)季平均氣溫、降水量和干燥度的變化趨勢(shì).采用Miami模型分別計(jì)算了由氣溫和降水決定的生產(chǎn)潛力；采用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算了由氣溫、降水、干燥度綜合作用決定的生產(chǎn)潛力，分析了其變化趨勢(shì)，并通過Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)行了突變分析.結(jié)果表明：(1)黑鈣土區(qū)1961—2010年生長(zhǎng)季增溫明顯，降水量略有下降，干燥度顯著升高，區(qū)域氣候已由半濕潤轉(zhuǎn)化為半干旱；50年中的后20年比前30年的氣候傾向率大.(2)黑鈣土區(qū)由平均氣溫決定的溫度生產(chǎn)潛力增加趨勢(shì)明顯，由降水量決定的降水生產(chǎn)潛力減少趨勢(shì)變化不明顯，由氣溫、降水、干燥度共同影響的氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì).(3)氣候生產(chǎn)潛力變化在區(qū)域內(nèi)存在差異，處于較低緯度吉林西部的各站點(diǎn)變化速率顯著大于處于較高緯度的黑龍江西部的各站點(diǎn).(4)黑鈣土區(qū)近50年農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力已發(fā)生變化，建議通過改變耕作方式和調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，使我國黑鈣土區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候的變化.

[關(guān)鍵詞]黑鈣土區(qū)；氣候變化；氣候生產(chǎn)潛力

我國的黑鈣土區(qū)位于松嫩平原上，自然地理區(qū)劃屬于溫帶半濕潤氣候區(qū)[1]，是我國玉米主產(chǎn)地和國家級(jí)商品糧基地[2-4].氣候生產(chǎn)潛力的大小，取決于光、溫、水三類氣候要素的數(shù)量及其相互配合協(xié)調(diào)的程度[5-7]，氣候生產(chǎn)潛力是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)氣候資源的主要依據(jù)[8-11].全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響[12-17]，主要體現(xiàn)在溫度、降水及二者共同作用下的干燥度的變化上[18-26].

氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算，可采用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Wagenigen模型、農(nóng)業(yè)區(qū)域AEZ模型等[27].我國很多學(xué)者利用多種模型對(duì)氣候變化下的不同區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力變化做了研究，在溫度增加較多、降水增加有限的情況下，與光溫生產(chǎn)潛力變化顯著相比，氣候生產(chǎn)力增加可能相對(duì)較少，甚至在某些地區(qū)還可能出現(xiàn)由于水分脅迫加強(qiáng)致使氣候生產(chǎn)力減小的情形.[28-37]

由于Miami模型能夠反映水熱單因子對(duì)生產(chǎn)潛力的影響，Thornthwaite Memorial模型可體現(xiàn)多個(gè)氣象要素的綜合影響[27]，因此，本研究利用多年的氣象資料，運(yùn)用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型分析了我國黑鈣土區(qū)的溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的變化規(guī)律.

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國東北地區(qū)，包括黑龍江省的西部和吉林省的西部，地處松嫩平原上，地帶性土壤為黑鈣土，分布于階地和高臺(tái)地上.自然地理區(qū)劃為溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，氣溫自北向南逐漸增高，降水量自東南向西北逐漸減少，干燥度自東北向西南逐漸增加.全年平均氣溫為4℃～5℃，年降水量350～500 mm，主要集中在7，8，9三個(gè)月.年氣象蒸發(fā)量800～900 mm.原生植被類型為森林草原，目前，土地利用主要以玉米種植為主.

1.2氣象資料

本研究選用研究區(qū)8個(gè)氣象臺(tái)站1961—2010年的月氣溫、降水資料.8個(gè)氣象臺(tái)站分別為白城(45.63°N，122.83°E)，乾安(45°N，124.02°E)，前郭爾羅斯(45.08°N，124.87°E)，通榆(44.78°N，123.07°E)，長(zhǎng)嶺(44.25°N，123.97°E)，富裕(47.8°N，124.48°E)，齊齊哈爾(47.38°N，123.92°E)，泰來(46.4°N，123.42°E).數(shù)據(jù)資料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/home.do).

1.3研究方法

利用1961—2010年5—9月的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算生長(zhǎng)季平均溫度和生長(zhǎng)季降水量；生長(zhǎng)季干燥度為生長(zhǎng)季的最大蒸散量與生長(zhǎng)季的降水量的比值；以氣候傾向率表征1961—2010年8個(gè)站點(diǎn)的生長(zhǎng)季溫度、降水、干燥度和生產(chǎn)潛力的變化趨勢(shì)和變化速率.[38]

采用Miami模型分別計(jì)算由生長(zhǎng)季氣溫和降水決定的溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力；采用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算由溫度、濕度及相互作用(干燥度)決定的氣候生產(chǎn)潛力.

Miami模型：

Yt=3 000/(1+e1.315-0.119t)；

Yr=3 000 (1-e-0.000 664 r).

Thornthwaite Memeorial模型：

Ye=3 000(1-e-0.000 969 5(V-20))；

V=1.05r/[1+(1.05r/L)2]1/2；

L=300+25t+0.05t3.

式中：t為生長(zhǎng)季的平均溫度(℃)；r為生長(zhǎng)季的降水量(mm)；Yt，Yr分別為由生長(zhǎng)季的平均溫度、降水量決定的生產(chǎn)潛力(kg/(hm2·a))；L為生長(zhǎng)季的最大蒸散量(mm)，是生長(zhǎng)季的平均溫度的函數(shù)；L/r為干燥度；Ye為氣候生產(chǎn)潛力(kg/(hm2·a)).

檢測(cè)突變的方法有多種，本文選用世界氣象組織推薦并廣泛使用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法——Mann-Kendall檢驗(yàn)法(Kendall，1975)，進(jìn)行生長(zhǎng)季溫度、降水、干燥度和氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)顯著性和突變點(diǎn)的檢驗(yàn).[39]

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)氣候變化分析

2.1.1生長(zhǎng)季平均氣溫的變化趨勢(shì)分析

1961—2010年間研究區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫升高趨勢(shì)顯著(P<0.05)(見表1)，區(qū)域氣溫傾向率每10年為0.31℃，各站氣溫傾向率每10年在0.29℃~0.37℃之間，高緯地區(qū)氣溫變化的速率較大.1961—1990年氣溫氣候傾向率明顯小于1991—2010年，前30年氣溫只有微弱的增加，變化不顯著，個(gè)別站點(diǎn)甚至呈降溫趨勢(shì)，后20年增溫非常強(qiáng)烈，氣溫傾向率為每10年0.59℃，各站氣溫傾向率每10年在0.35℃~0.69℃之間.經(jīng)M-K檢驗(yàn)50年生長(zhǎng)季氣溫在1996年發(fā)生突變(見圖1).

圖1生長(zhǎng)季平均氣溫Mann-Kendall 突變判別曲線

2.1.2研究區(qū)生長(zhǎng)季降水量的變化趨勢(shì)分析

1961—2010年間研究區(qū)生長(zhǎng)季降水量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)(P>0.05)(見表2)，區(qū)域降水量?jī)A向率為每10年-4.66 mm.1961—1990年降水變化呈不顯著的增加趨勢(shì)，而1991—2010年降水呈減少趨勢(shì)，但變化不顯著.經(jīng)M-K檢驗(yàn)50年生長(zhǎng)季降水沒有發(fā)生突變.

表2　研究區(qū)及各臺(tái)站生長(zhǎng)季降水量和降水量?jī)A向率　mm

2.1.3研究區(qū)生長(zhǎng)季干燥度的變化趨勢(shì)分析

1961—1990年，該研究區(qū)各站點(diǎn)干燥度指數(shù)都小于1.49，屬于半濕潤區(qū)；1991—2010年研究區(qū)絕大部分站點(diǎn)干燥度指數(shù)都大于了1.49，屬于半干旱區(qū)，濕潤程度發(fā)生顯著變化.

1961—2010年間，研究區(qū)生長(zhǎng)季干燥度指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)(見表3)，區(qū)域干燥度傾向率為每10年0.1，各臺(tái)站干燥度傾向率每10年在0.04~0.2之間，越低緯地區(qū)干燥度指數(shù)變化的速率越大.1961—1990年干燥度傾向率明顯小于1991—2010年，前30年干燥度指數(shù)呈下降趨勢(shì)，變化不顯著，區(qū)域濕潤程度增加，后20年干燥度指數(shù)增加強(qiáng)烈，干燥程度加強(qiáng).經(jīng)M-K檢驗(yàn)生長(zhǎng)季干燥度在1999年發(fā)生突變(見圖2).

表3　研究區(qū)及各臺(tái)站生長(zhǎng)季干燥度和干燥度傾向率

圖2干燥度Mann-Kendall突變判別曲線

2.2生產(chǎn)潛力的變化趨勢(shì)

2.2.1溫度生產(chǎn)潛力

根據(jù)Miami模型計(jì)算得到溫度生產(chǎn)潛力.1961—2010年間溫度生產(chǎn)潛力呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)，溫度生產(chǎn)潛力傾向率每10年為21.64 kg/hm2，各站的溫度生產(chǎn)潛力傾向率每10年變動(dòng)在18.6~26.5 kg/hm2之間(見表4)，且越向高緯地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力變化的速率越大.1961—1990年溫度生產(chǎn)潛力傾向率明顯小于1991—2010年，前30年氣溫只有微弱的增加，變化不顯著，個(gè)別站點(diǎn)甚至呈減少趨勢(shì)，后20年溫度生產(chǎn)潛力增加幅度較大，變化極顯著.經(jīng)M-K檢驗(yàn)溫度生產(chǎn)潛力在1996年發(fā)生突變(見圖3).

表4　研究區(qū)及各臺(tái)站溫度生產(chǎn)潛力和溫度生產(chǎn)潛力傾向率　kg/hm2

圖3　溫度生產(chǎn)潛力Mann-Kendall突變判別曲線

2.2.2降水生產(chǎn)潛力

根據(jù)Miami模型計(jì)算得到降水生產(chǎn)潛力.經(jīng)過線性擬合可以看出1961—2010年間降水生產(chǎn)潛力總體呈不顯著的減少趨勢(shì)(P>0.05)(見表5)，降水生產(chǎn)潛力傾向率每10年為-19.3 kg/hm2，各站的傾向率變動(dòng)每10年在-35.5~1 kg/hm2之間(見表4)，且越向低緯地區(qū)降水生產(chǎn)潛力變化的速率越大.1961—1990年降水生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而近20年降水生產(chǎn)潛力減少幅度較大.經(jīng)M-K檢驗(yàn)降水生產(chǎn)潛力沒有發(fā)生突變.

表5　研究區(qū)及各臺(tái)站降水生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力傾向率　kg/hm2

2.2.3氣候生產(chǎn)潛力

根據(jù)Thornthwaite Memeorial模型計(jì)算得到研究區(qū)1961—2010年氣候生產(chǎn)潛力.研究區(qū)1961—2010年氣候生產(chǎn)潛力總體上呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)(P>0.05)，氣候生產(chǎn)潛力傾向率每10年為-23.87 kg/hm2，各站的氣候生產(chǎn)潛力傾向率每10年變動(dòng)在-44.88~2.54 kg/hm2之間，較低緯度的白城、通榆、長(zhǎng)嶺3個(gè)臺(tái)站下降趨勢(shì)顯著(P<0.05)(見表6).1961—1990年各站氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì)(P>0.05)，1991—2010年大多數(shù)站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力大幅度減少.經(jīng)M-K檢驗(yàn)氣候生產(chǎn)潛力沒有發(fā)生突變.

表6　研究區(qū)及各臺(tái)站氣候生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力傾向率　kg/hm2

3結(jié)論和討論

黑鈣土區(qū)1961—2010年生長(zhǎng)季增溫明顯，降水量略有下降，干燥度顯著升高，區(qū)域氣候已由半濕潤轉(zhuǎn)化為半干旱.50年中的后20年比前30年的氣候傾向率要大.

黑鈣土區(qū)由平均氣溫決定的溫度生產(chǎn)潛力增加趨勢(shì)明顯，平均氣候傾向率每10年為21.64 kg/hm2；由降水量決定的降水生產(chǎn)潛力減少趨勢(shì)變化不明顯，平均氣候傾向率每10年為-19.3 kg/hm2；由氣溫、降水、干燥度共同影響的氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，平均氣候傾向率每10年為-23.87 kg/hm2.二種模型計(jì)算的黑鈣土區(qū)三種生產(chǎn)潛力的差異較大，特別是黑鈣土區(qū)降水減少和氣溫升高，引起區(qū)內(nèi)干燥度發(fā)生顯著變化，因此由三個(gè)因素綜合作用的氣候生產(chǎn)潛力下降幅度更大.

氣候生產(chǎn)潛力變化在區(qū)域內(nèi)存在差異，處于較低緯度的吉林西部各站點(diǎn)變化速率顯著大于處于較高緯度的黑龍江西部的各站點(diǎn).

一般來說，溫帶作物生長(zhǎng)受控于溫度(積溫和生長(zhǎng)期)，全球增溫有利于溫帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[40].但我國溫帶的糧食主產(chǎn)區(qū)位于溫帶半濕潤區(qū)，溫度的升高使生產(chǎn)潛力增加的同時(shí)，由于干燥度的增加，半濕潤區(qū)轉(zhuǎn)化為半干旱區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力反而下降.因此，我國黑鈣土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須適應(yīng)氣候變化，建議在耕作方式和土地利用結(jié)構(gòu)等方面做出相應(yīng)的調(diào)整.

作為一種傳統(tǒng)的耕作方式，壟臺(tái)耕種在東北地區(qū)已有幾百年的歷史.壟臺(tái)耕種的優(yōu)勢(shì)是提高土壤溫度和排水通暢，但是目前由于全球氣候變化使該地區(qū)氣溫增加顯著，這種耕作方式帶來的優(yōu)勢(shì)越來越小了.壟溝溫度低于壟臺(tái)，土壤含水量大于壟臺(tái).在溫度升高、降水減少的情況下，壟溝微環(huán)境可以緩解氣候變化，建議在黑鈣土區(qū)，采用壟溝耕種方式.[41]

我國溫帶半濕潤區(qū)轉(zhuǎn)化為半干旱區(qū)，與之相對(duì)應(yīng)，農(nóng)區(qū)應(yīng)轉(zhuǎn)化為農(nóng)牧區(qū).應(yīng)適度減少玉米種植面積，增加牧草的種植.苜蓿為豆科牧草，根系發(fā)達(dá)，耐干旱，保水固土、固氮，富含蛋白質(zhì)，家畜喜食.建議增加苜蓿的種植面積，建立玉米—苜蓿間作和輪作種植模式，培肥地力，提高玉米單產(chǎn).[42]

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(責(zé)任編輯：方林)

Analysis on the changes of climate potential productivity over the past 50 years in chernozem soil area

JIN Ying-hua1，XU Jia-wei1，ZHU Meng-Mei1，XIAO Han1，JIANG Xi-dong2

(1.School of Geographical Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Natural History Museum，Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

Abstract:This study analyzes the change trends in mean temperature，precipitation and aridity in the growing season in the last 50 years using the meteorological data of eight stations (Baicheng，Qianan，Qianguo，Tongyu，Changling，F(xiàn)uyu，Qiqihar，and Tailai). In addition，temperature potential productivity and precipitation potential productivity are calculated using the Miami model. Climate potential productivity is calculated using the Thornthwaite Memorial model. Change trend and mutation of the potential productivity are performed by Mann-Kendall test. The results show that：(1) Temperature has increased significantly，but precipitation has decreased slightly. So the aridity has significantly increased. Regional climate has transformed from semi-humid into semi-arid. The climate trend rate in last 20 years is bigger than that in previous 30 years. (2) The temperature potential productivity increases significantly but precipitation potential productivity decreases slightly. The climate potential productivity decided by temperature，precipitation and aridity decreases insignificantly. (3) The change patterns of climate potential productivity are different in the study area. The trend in western Jilin (low latitudes) is bigger than that in western Heilongjiang (high latitudes). (4) Climate potential productivity has changed a lot in chernozem soil area over the past 50 years，so advise to adjust the farming methods and land use structure to make sure the agriculture can adapt to climate change.

Keywords:chernozem soil area；climate change；climate potential productivity

[中圖分類號(hào)]S 162.3[學(xué)科代碼]170·1535

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[作者簡(jiǎn)介]靳英華(1968—)，女，博士，副教授，主要從事區(qū)域氣候變化和農(nóng)田生態(tài)研究；通訊作者:許嘉巍(1963—)，男，博士，教授，主要從事自然地理研究.

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571078，41171072，41101523)；中國地震局資助項(xiàng)目(201208005).

[收稿日期]2015-04-29

[文章編號(hào)]1000-1832(2016)01-0121-07

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.025