基于Thornthwaite Memorial模型的近54年河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力時(shí)空變化特征分析

李顏顏， 康國(guó)華， 張鵬巖， 何堅(jiān)堅(jiān)， 閆宇航

(河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封 475004)

氣候變化作為全球廣泛關(guān)注的問題之一，對(duì)全世界的生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生了巨大的影響。自工業(yè)革命以來(lái)，由人類活動(dòng)排放的大量CO2所引起的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候出現(xiàn)了明顯的變暖趨勢(shì)[1-4]。根據(jù)最新的研究結(jié)果，1880—2012年，全球的平均地表氣溫升高了 0.85 ℃[5-6]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告指出，全球變暖和氣候異常比過(guò)去100年來(lái)更加嚴(yán)重[7]，在全球變暖的背景下，我國(guó)的氣候波動(dòng)越來(lái)越大，平均地表溫度增加了1.1 ℃，高于全球的增溫速率[8]。全球氣候變化所引起的問題對(duì)人類社會(huì)生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)的影響是最大和最直接的，從而對(duì)作物氣候生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響[9-10]。氣候生產(chǎn)力可以用來(lái)表達(dá)一個(gè)地區(qū)的氣候資源狀況，掌握其變化規(guī)律對(duì)于合理利用氣候資源有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性具有促進(jìn)作用[11-12]。

河南省是我國(guó)的人口大省、農(nóng)業(yè)大省、經(jīng)濟(jì)大省，糧食產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的1/10，氣候變化對(duì)河南省農(nóng)業(yè)安全的影響尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣候生產(chǎn)力方面進(jìn)行了大量研究[13-16]。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力狀況做了一些探討，如王曉喆等利用河南省7個(gè)站點(diǎn)的氣象資料和13個(gè)站點(diǎn)的氣候生產(chǎn)力資料對(duì)氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，并預(yù)測(cè)了未來(lái)12年的糧食產(chǎn)量[17]；孫衛(wèi)國(guó)等運(yùn)用交叉小波分析方法對(duì)河南省的氣候變化進(jìn)行了分析[18]；燕玉超等根據(jù)河南省1960—2013年21個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象資料探討了氣候變化特征及其對(duì)旱澇的影響[19]。綜上所述，大多是對(duì)河南省氣候變化的時(shí)空特征進(jìn)行研究，較少有涉及到研究氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響。因此，本研究以河南省為研究區(qū)，利用近54年的氣象數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用Thornthwaite Memorial模型、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、反距離加權(quán)插值(inverse distance weighted，簡(jiǎn)稱IDW)法法等分析農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力時(shí)空變化特征，以期揭示氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力影響的時(shí)空規(guī)律，為河南省積極應(yīng)對(duì)氣候變化給農(nóng)業(yè)帶來(lái)的不利影響、提高作物氣候生產(chǎn)力和充分利用氣候資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國(guó)中東部，黃河中下游地區(qū)，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。地理坐標(biāo)為31°23′～36°22′N，110°21′～116°31′E，土地總面積為16.7萬(wàn)km2，總?cè)丝诩s1.07億人。該省屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，光照充足，地形平坦，適宜農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取河南省境內(nèi)時(shí)間序列較長(zhǎng)和分布均勻的19個(gè)地區(qū)的(鄭州市、開封市、新鄉(xiāng)市、安陽(yáng)市、三門峽市、信陽(yáng)市、南陽(yáng)市、駐馬店市、商丘市、許昌市、孟津縣、欒川縣、盧氏縣、西峽縣、寶豐縣、永城市、西華縣、桐柏縣、固始縣)氣象站1961—2014年逐月的氣溫和降水資料，氣象站點(diǎn)分布見圖1，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)。

2 研究方法

2.1 氣候生產(chǎn)力模型

氣候、品種、土壤、作物群體結(jié)構(gòu)和栽培技術(shù)等都會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。當(dāng)其他因素處于最適宜狀態(tài)時(shí)，因氣候因素所決定的在單位面積土地上可能獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量被稱為氣候生產(chǎn)力[21]。氣候生產(chǎn)力的計(jì)算方法有很多，但考慮到數(shù)據(jù)既要易于獲取，又能有效說(shuō)明氣候變化的影響，并參照以往學(xué)者的研究[22-23]，選用Lieth等在1972年提出的Thornthwaite Memorial模型[24]。計(jì)算公式如下：

Pv=30 000[1-e-000 969 5(V-20)]；

(1)

V=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2；

(2)

L=0.05T3+25T+300。

(3)

式中：Pv表示氣候生產(chǎn)力[kg/(hm2·年)]；V表示年平均蒸散量(mm)；R為年降水量(mm)；L為平均蒸發(fā)量(mm)；T為年平均氣溫(℃)。

2.2 氣候傾向率

氣候傾向率是指氣象要素的趨勢(shì)變化，本研究中的氣候傾向率主要是指氣溫和降水隨著時(shí)間的推移變化而得出的一種表示氣候變化的速率，用線性方程表示[25]：

yt=at+b(t=1，2，3，…，n)。

(4)

式中：yt表示要素值；t表示時(shí)間；a表示氣候傾向率；b為常數(shù)。其中，氣溫傾向率和降水傾向率的單位分別取 ℃/10年、mm/10年。

2.3 氣候變率

氣候變率與洪澇、干旱和寒暑等極端天氣事件的頻率及強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，因此，本研究采用氣候變率(絕對(duì)變率和相對(duì)變率)來(lái)表示河南省內(nèi)氣候變化幅度的大小。其中，絕對(duì)變率的公式為

(5)

相對(duì)變率的公式為

(6)

2.4 反距離加權(quán)插值法

反距離加權(quán)插值法是一種常用而簡(jiǎn)單的空間插值方法，它是根據(jù)地理第一定律來(lái)進(jìn)行插值，即插值點(diǎn)越近(2個(gè)物體的距離越近，相似性越大)，樣本賦予的權(quán)重越大，此種方法不僅能直觀地看出插值結(jié)果，而且效率也很高、簡(jiǎn)單易行，這種方法的插值結(jié)果處在數(shù)據(jù)的最大值和最小值之間，且已知點(diǎn)分布均勻的情況下插值效果好，但缺點(diǎn)是易受極值的影響。

2.5 突變檢測(cè)

本研究對(duì)氣溫和降水的時(shí)序分析采用的是一種非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，即Mann-Kendall檢驗(yàn)法，被世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、徑流、水質(zhì)等領(lǐng)域[26]。Mann-Kendall檢驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)在于不受少數(shù)異常值的干擾，且不須要樣本遵從一定的分布。

假設(shè)n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù)樣本(X1，X2，X3，…，Xn)，對(duì)于所有的i和j均小于或等于n，且i≠j，則構(gòu)造統(tǒng)計(jì)變量S：

(7)

式中：sign()為符號(hào)函數(shù)，

當(dāng)n≥10時(shí)，S為正態(tài)分布，均值E(S)為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Z為

(8)

在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，給定置信水平α，如果|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不能被接受的，即在α水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z值為正，表示增加的趨勢(shì)；Z值為負(fù)，則表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值≥1.28、1.64、2.32時(shí)，表明分別通過(guò)了信度90%、95%、99%置信水平的顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x1，x2，…，xn，定義一個(gè)統(tǒng)計(jì)量Sk，表示第i個(gè)樣本xi>xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，則

(9)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk的均值和方差分別為

E[Sk]=k(k-1)/4、Var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72，1≤k≤n。

(10)

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(11)

式中：UF1=0。給定顯著水平α，如果Uα<|UFk|，則表明序列存在明顯的變化趨勢(shì)。同樣，將以上方法應(yīng)用到逆序列，則逆序列UBk為

UBk=-UFk。

(12)

給定顯著性水平α=0.05或0.01，則臨界值U0.05=±1.96 或U0.01=±2.58；將所有的UF和UB組成一條曲線，并與臨界值繪制到一張圖上，如果UF或UB的值大于0，則表明序列是上升的，否則則是下降的；當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)，表明上升或者下降趨勢(shì)顯著，如果兩者出現(xiàn)相交的情況，則對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水的時(shí)空變化特征

3.1.1 降水的時(shí)間變化特征 降水的變化趨勢(shì)是研究氣象要素的重要指標(biāo)之一。從圖2可以看出，河南省在1961—2014年的年總降水量的年際變化較大，在波動(dòng)中減少，但降幅并不大，傾向率為-8.92 mm/10年。其中，最大年總降水量出現(xiàn)在1964年，為1 135.64 mm，最小年總降水量出現(xiàn)在1966年，為 492.89 mm，兩者年總降水量相差642.75 mm，由此可見，研究區(qū)豐水年和枯水年的年總降水量相差較大，且二者年份也很接近，表明在1964—1966年間，研究區(qū)的降水量波動(dòng)很大，易出現(xiàn)洪災(zāi)和旱災(zāi)。由Mann-Kendall檢驗(yàn)可知，河南省降水量在1961—2014年間并沒有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，在2011—2012年之間發(fā)生了突變，突變前，年總降水量比平均降水量多7.96 mm，突變后，年總降水量比平均降水量少106.82 mm，可見，在突變前后，河南省的年總降水量經(jīng)歷了由多到少的突變，且突變后，年總降水量發(fā)生了較為明顯的減少。由于時(shí)間序列較長(zhǎng)，降水在不同時(shí)段會(huì)有不同的變化，因此將河南省1961—2014年54年時(shí)間，共劃分為1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年、2011—2014年等6個(gè)時(shí)段，根據(jù)氣候變率公式，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段平均降水量的絕對(duì)變率和相對(duì)變率。由表1可知，除2011—2014年間外河南省平均降水量在這6個(gè)階段的平均降水量變化并不明顯，但是氣候變率變化較大，尤其是絕對(duì)變率變化幅度較為明顯。2011—2014年間，平均降水量為 671.22 mm，比54年間平均降水量少99.51 mm，這一時(shí)期干旱災(zāi)害發(fā)生頻率較大。對(duì)于氣候變率來(lái)說(shuō)，1961—1970年間降水絕對(duì)變率和相對(duì)變率均最大，分別為131.15 mm、0.166，說(shuō)明這一時(shí)期降水量不穩(wěn)定，使得旱澇災(zāi)害的頻率增大，會(huì)造成農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力產(chǎn)生不穩(wěn)定的變化。進(jìn)入21世紀(jì)后，河南省降水量減少速度較快，這一時(shí)期干旱災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。而這一時(shí)期的降水變率波動(dòng)并不是很大，說(shuō)明21世紀(jì)以來(lái)，河南省存在較為穩(wěn)定的降水趨勢(shì)，但是年總降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

3.1.2 降水的空間變化特征 通過(guò)運(yùn)用ArcGIS 10.1的插值工具中的IDW法，得出河南省1961—2014年近54年的年均降水量和降水傾向率分布。從圖3-a可以看出，河南省降水大致與緯線平行，緯度越高，降水越少，總體上呈南多北少的空間分布特征，年均降水量的地區(qū)差異還是比較明顯的。降水較多的地區(qū)主要集中在河南省南部地區(qū)，如駐馬店、信陽(yáng)、南陽(yáng)的桐柏等地區(qū)，年均降水量均在900 mm以上，其中桐柏是河南省年均降水量最高的地區(qū)，年均降水量達(dá) 1 135.48 mm。另外，河南省東部永城、西部欒川和西峽等地區(qū)降水也較多，均在800 mm以上。隨著緯度的升高，河南北部地區(qū)降水較少，如安陽(yáng)、新鄉(xiāng)等地的年均降水量在600 mm以下，河南省降水最少的地區(qū)是西部的三門峽，年均降水量為 548.30 mm。河南省南部多山區(qū)，由于海拔較高，阻擋了夏季風(fēng)對(duì)北部的進(jìn)一步影響，因此會(huì)造成河南省降水南多北少的現(xiàn)象，也表明了降水和緯度有著密切關(guān)系，尤其是1975年8月在河南省中南部更是形成了歷史上罕見的特大暴雨。

表11961—2011年河南省不同時(shí)段平均降水量及其變率

從圖3-b可以看出，不同站點(diǎn)所處的地理位置、下墊面和環(huán)境不同，各站的年均降水量存在著較為明顯的差異，這也就引起了各站點(diǎn)的降水傾向率也存在著較大差異，變化范圍在-26.33～13.61 mm/10年之間。從總體上看，河南省大部分地區(qū)的降水傾向率是負(fù)值，即大部分地區(qū)的降水是逐漸減少的。河南省西部的盧氏和南陽(yáng)地區(qū)，降水量減少的幅度不大，尤其是盧氏地區(qū)，其降水傾向率為-0.355 mm/10年，而永城、桐柏和新鄉(xiāng)等地區(qū)的降水幅度減少較大，但是河南省東部的商丘和西華地區(qū)的降水是逐漸增加的，其降水傾向率分別為12.78、13.61 mm/10年。

3.2 氣溫的時(shí)空變化特征

3.2.1 氣溫的時(shí)間趨勢(shì)變化分析 通過(guò)對(duì)河南省1961—2014年間氣溫長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析，由圖4可知，河南省近54年氣溫整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，上升速率為 0.157 ℃/10年，與趙路偉等的研究結(jié)果[27]相似，不僅低于華北地區(qū)的氣溫傾向率(0.216 ℃/10年)，更低于全國(guó)的氣溫傾向率(0.22 ℃/10年)[28-29]。1961—2014年間，河南省的平均氣溫為14.515 ℃，氣溫最大值出現(xiàn)在1961年，為15.666 ℃，最小值出現(xiàn)在1985年，為13.055 ℃，兩者相差 2.611 ℃。在1961—1985年間，河南省的氣溫傾向率為 0.295 ℃，說(shuō)明在這一時(shí)期河南省降溫較為明顯。根據(jù) Mann-Kendall 檢驗(yàn)可知，河南省氣溫在1961—2014年間通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)，并在2000—2001年相交，說(shuō)明在2000年附近河南省氣溫發(fā)生了突變，突變前河南省氣溫較低，即1961—1999年為相對(duì)低溫期，平均氣溫為14.344 ℃，比54年平均氣溫低了 0.171 ℃，突變后河南省氣溫升高，即2000—2014年為相對(duì)高溫期，平均氣溫為14.959 ℃，比54年平均氣溫高了 0.444 ℃。說(shuō)明在2000年前后，河南省的氣溫經(jīng)歷了由低到高的突變。

由于時(shí)間序列較長(zhǎng)，將河南省1961—2014年54年間每10年為1個(gè)時(shí)段，來(lái)分析每個(gè)時(shí)段的氣候變率。從表2可以看出，20世紀(jì)90年代，河南省氣溫出現(xiàn)較快升溫，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，升溫速率更加明顯，平均氣溫為各時(shí)段最高，達(dá)到了15.098 ℃，比54年平均氣溫高了0.583 ℃，這與人口的增加、城市化迅速發(fā)展有很大關(guān)系。氣候變率對(duì)于氣候變化有著重要影響，河南省在54年間各個(gè)時(shí)段的氣溫變率有著不同的變化，1991—2000年，氣溫的絕對(duì)變率和相對(duì)變率均最大，而其他時(shí)段的氣溫變率均小于54年時(shí)段的氣溫變率，說(shuō)明1991—2000年這一時(shí)期氣溫變化較大，異常天氣出現(xiàn)的頻率較高，對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力產(chǎn)生的影響也較大。

3.2.2 氣溫的空間變化特征分析 根據(jù)各站點(diǎn)多年平均逐月逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，得出河南省平均氣溫和氣溫傾向率的空間分布情況。從圖5-a可以看出，平均氣溫總體上呈現(xiàn)南高北低、東高西低的分布特征。平均氣溫較高的地區(qū)主要集中在緯度較低的南部山區(qū)，如固始、信陽(yáng)、桐柏、西峽、駐馬店等地區(qū)，平均氣溫均在15 ℃以上，其中固始地區(qū)平均氣溫最高，達(dá)15.61 ℃。而最低平均氣溫出現(xiàn)在河南省的西部地區(qū)，如盧氏和欒川地區(qū)，平均氣溫低于13 ℃，欒川地區(qū)的平均氣溫最低，為12.3 ℃。河南省各站點(diǎn)的平均氣溫受緯度和地形的影響較大，南高北低的空間特征主要是受緯度因素的影響，緯度越低，輻射就越多，反之，則越少，因此南部氣溫偏高；而東高西低的氣溫分異主要是受地形影響，東部為平原地區(qū)，西部多山地，山地海拔高，空氣密度相對(duì)較小，大氣的保溫效應(yīng)較差，因此，河南省西部山地氣溫要低于東部平原地區(qū)。

表21961—2014年河南省不同時(shí)段平均氣溫及其變率

從圖5-b可以看出，河南省的氣溫傾向率均為正值，說(shuō)明各站氣溫均呈上升的趨勢(shì)，但是各站點(diǎn)在增溫速率上有地區(qū)差異，主要表現(xiàn)為西部增速小于東部、沿黃河地區(qū)增溫快的空間分布特征，氣溫傾向率主要在0.019～0.294 ℃/10年之間變化。氣溫傾向率較高的地區(qū)主要有鄭州、開封、新鄉(xiāng)、永城、駐馬店等地區(qū)，氣溫傾向率大于0.200 ℃/10年，其中氣溫傾向率最大的是鄭州，達(dá)0.294 ℃/10年，而氣溫傾向率較低的地區(qū)為許昌和盧氏等地區(qū)，傾向率均低于0.030 ℃/10年，傾向率最低的是許昌，為0.019 ℃/10年。

3.3 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征

3.3.1 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力時(shí)間變化趨勢(shì)分析 根據(jù)氣候生產(chǎn)力模型，計(jì)算出河南省1961—2014年間的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。從圖6可以看出，河南省54年間農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力總體上呈微弱距平是指某一個(gè)數(shù)值與平均值的差，分正距平和負(fù)距平。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力距平可以體現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力在某一時(shí)段的生產(chǎn)力變化情況。從圖7可以看出，河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力距平變化是比較明顯的，正距平年份比負(fù)距平年份多，正距平年份占57.40%，出現(xiàn)正距平的年份，降水量也較多，正距平最大值的年份是1964年，距平為1 570.87 kg/(hm2·年)，而這一年份的降水量也是近54年來(lái)最多的年份，這在一定程度上也說(shuō)明了農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力受降水的影響很大。

上升趨勢(shì)，上升速率為0.228 4 kg/(hm2·年)。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力大于13 000 kg/(hm2·年)的年份有13個(gè)，其中最高的年份是1964年，其農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力為13 902.42 kg/(hm2·年)；農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力小于11 000 kg/(hm2·年)的年份有1966年、1986年、1997年和2001年，其中最小的年份是1966年，其農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力值為10 029.88 kg/(hm2·年)。

依據(jù)每10年為1個(gè)階段的時(shí)間分段，分析河南省不同時(shí)段的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力和變率。由表3可知，年平均農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力最低的時(shí)間段是2011—2014年，為11 855.77 kg/(hm2·年)，是因?yàn)檫@一時(shí)間段河南省的降水較少。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力最高的時(shí)段是2001—2010年，為12 626.72 kg/(hm2·年)，這一時(shí)期的降水量是最大值，氣溫也較高，降水和氣溫這2個(gè)要素共同影響了農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力，同時(shí)，也進(jìn)一步說(shuō)明了降水對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的影響比氣溫大。

對(duì)變率而言，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力相對(duì)變率出現(xiàn)最大值和最小值的時(shí)段分別是1991—2000年、1971—1980年與2001—2010年，相對(duì)變率小說(shuō)明農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力波動(dòng)小，反之波動(dòng)就大。這3個(gè)時(shí)段的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的波動(dòng)與降水、氣溫的波動(dòng)有著密切聯(lián)系。

表3河南省1961—2014年不同時(shí)段農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力及其變率

3.3.2 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力空間變化特征分析 從圖8-a可以看出，河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的空間變化總體上呈由南向北遞減的特征，各站點(diǎn)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力存在較大的差異。河南省南部的信陽(yáng)、桐柏、固始等地的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較大，均在14 000 kg/(hm2·年)以上，其中信陽(yáng)地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力最大，為14 421.47 kg/(hm2·年)；河南省西部的三門峽、盧氏及北部的安陽(yáng)、新鄉(xiāng)等地的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較低，均在11 000 kg/(hm2·年)以下，其中西部的三門峽農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力最低，為10 527.80 kg/(hm2·年)。

從圖8-b可以看出，河南省氣候傾向率在不同站點(diǎn)的差異較大，總體上呈由東向西遞減的特征，傾向率在-140.70～193.02 kg/(hm2·10年)之間變化，大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力是下降的，只有42.11%的地區(qū)是呈上升的趨勢(shì)。豫東和豫南地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力上升速率較快，如商丘、西華、南陽(yáng)等地區(qū)，其中商丘地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力上升速率最快，為193.02 kg/(hm2·10年)，這與商丘的降水量增加較快有關(guān)；豫西和豫北地區(qū)的傾向率大多是負(fù)值，如孟津、新鄉(xiāng)、三門峽等地，這些地區(qū)的年降水量減少影響了農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的減少。

從圖8還可以看出，河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力和傾向率的空間分布特征與圖3所示的降水量和傾向率的空間分布特征大致一樣，說(shuō)明農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力受降水量的影響很大。另外，一些地區(qū)降水傾向率為負(fù)值，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力傾向率卻為正值，如鄭州、開封、駐馬店、南陽(yáng)等地區(qū)，這主要是氣溫的升高引起了這些現(xiàn)象的發(fā)生。由此可以推斷出降水量和氣溫對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的影響是雙重的，因此，氣溫對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的影響也要加以重視。

3.4 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力對(duì)降水和氣溫的敏感性分析

本研究利用SPSS軟件的相關(guān)分析功能，對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力與降水量和氣溫的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)分析和偏相關(guān)分析。從表4可以看出，河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力與降水量之間的相關(guān)性值P<0.01，即通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，但是與氣溫的相關(guān)性不顯著，甚至相關(guān)系數(shù)小于0，說(shuō)明河南省近54年來(lái)氣溫不僅沒有提高農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力，反而降低了農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。由此可以看出，河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力是隨著降水量的增減而變動(dòng)，降水量是農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素。主要是由于河南省處于中溫帶和暖溫帶，溫度適中，因而氣溫并沒有成為農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的限制性因素。但是，通過(guò)上面的降水傾向率、氣溫傾向率和農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力傾向率分析發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)降水傾向率為負(fù)值時(shí)，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力傾向率是正值，這是由于氣溫傾向率是正值，說(shuō)明氣溫的作用也不容忽視。在偏相關(guān)分析中，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力與降水量和氣溫均通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；在氣溫因素固定下，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力和降水量的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.972，在降水因素固定下，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為0.635。由此可見，降水量和氣溫這2個(gè)氣候因子都對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力產(chǎn)生了影響。

表4河南省1961—2014年農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力

注：**表示通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)。

綜上所述，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力受降水量和氣溫的雙重作用，雖然降水量或氣溫的變化規(guī)律在一定程度上能反映出其變化情況，但并不能很好地對(duì)應(yīng)。氣溫的升高雖然有利于提高河南省的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力，但是也只有在降水充足、供水適宜的情況下，才能大幅度提高農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。事實(shí)上，干旱是河南省比較常見的氣象災(zāi)害，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及面積大[30]，對(duì)于河南省的北部和西部地區(qū)，降水量比較少，且降水減少速率又較大，應(yīng)該加強(qiáng)水利的修建，通過(guò)人為因素來(lái)保證農(nóng)業(yè)灌溉用水，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。盡管氣溫的升高在一定程度上能提高農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力，但是也會(huì)加劇水分蒸發(fā)，使得那些降水量少而氣溫又較高的地區(qū)用水更加緊張，如果這種情況長(zhǎng)期得不到改善，有可能會(huì)改變種植農(nóng)作物的種類。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河南省1961—2014年的降水量、氣溫和農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力等進(jìn)行時(shí)空特征分析，得到以下結(jié)論：

(1)河南省1961—2014年的降水量年際變化較大，呈波動(dòng)減少態(tài)勢(shì)，減少幅度為8.92 mm/10年。在2011年附近發(fā)生了突變，在突變前后，河南省降水量經(jīng)歷了由多到少的突變。河南省降水量大致與緯線平行，即緯度越高，降水量越小，總體上呈南多北少的空間分布特征，年降水量的地區(qū)差異比較明顯。降水較多的地區(qū)主要集中在河南省南部地區(qū)，而降水最少的地區(qū)是在西部。從總體上看，河南省大部分地區(qū)的降水傾向率是負(fù)值，即大多地區(qū)降水是在逐漸減少的，尤其是豫東、豫南和豫北地區(qū)。

(2)河南省1961—2014年間氣溫整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，上升速率為0.157 ℃/10年，并在2000年附近發(fā)生了由低到高的突變?？臻g上，氣溫總體上呈現(xiàn)南高北低、東高西低的分布特征。氣溫較高的地區(qū)主要集中在緯度較低的南部山區(qū)，氣溫較低的地區(qū)主要在西部。河南省各地區(qū)的氣溫傾向率均為正值，呈現(xiàn)西部增速小于東部、沿黃河地區(qū)增溫快的特征，氣溫傾向率較高的地區(qū)主要有鄭州、開封等地，氣溫傾向率較低的地區(qū)主要在許昌、盧氏等地區(qū)。

(3)河南省1961—2014年農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力總體上呈微弱上升趨勢(shì)，上升速率為0.228 4 kg/(hm2·年)。年際波動(dòng)大，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力距平變化明顯，正距平年份比負(fù)距平年份多，正距平年份占57.40%，出現(xiàn)正距平的年份，降水量也較大。河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的空間變化總體上呈由南向北遞減的特征，各站點(diǎn)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力存在較大的差異，河南省南部農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較大，西部的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較小。河南氣候傾向率在不同站點(diǎn)的差異比較大，大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力是下降的，豫東和豫南地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力上升速率較快，豫西和豫北地區(qū)的傾向率大多為負(fù)值。

(4)河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力與降水相關(guān)性顯著，但與氣溫的相關(guān)性不顯著。降水量是影響農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素，但是不能忽略氣溫的作用。在水分適宜的情況下，氣溫升高對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有利的，也將會(huì)提高農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。

4.2 討論

(1)河南省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力呈逐年上升的趨勢(shì)，有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但是降水量作為影響氣候生產(chǎn)的主要因素，卻是逐漸減小，這勢(shì)必會(huì)影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，要更加注重人為的作用，如興修水利、發(fā)展灌溉技術(shù)、集約節(jié)約利用河水和地下水資源等來(lái)保障農(nóng)業(yè)用水。

(2)本研究對(duì)河南省氣候資源的研究主要是從影響農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的2個(gè)氣候因子(氣溫和降水量)來(lái)探討的，僅從時(shí)間和空間上進(jìn)行了分析，得出了一些現(xiàn)實(shí)結(jié)論。但是對(duì)于降水量為什么會(huì)減小以及氣溫為什么會(huì)持續(xù)上升的原因沒有進(jìn)一步深入分析，這也是未來(lái)工作的一個(gè)重要內(nèi)容。

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