近58年江西省氣候及其生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征

安 彬, 肖薇薇, 張淑蘭, 王 樂

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000; 3.秦巴國土資源利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 陜西 安康 725000)

氣候生產(chǎn)潛力(Climatic Potential Productivity,CPP)是一定時(shí)期內(nèi)當(dāng)?shù)毓庹铡囟取⑺謼l件下，在其他的環(huán)境因素(土壤性狀、CO2等)和作物群體因素處于最佳狀態(tài)時(shí)，單位面積內(nèi)作物可能獲得的最高產(chǎn)量[1-3]。全球氣溫增加明顯的背景下[4]，不同地區(qū)的光照、溫度和水分等要素的組合狀況存在差異，使得氣候生產(chǎn)潛力也存在較大的區(qū)域差異[5]。對此，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用Miami模型[5-6]、Thornthwaite Memorial模型[7-10]、AEZ模型[11]、全球生態(tài)區(qū)模型(GAEZ)[12]等模型計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力，并應(yīng)用分析方法研究其時(shí)空變化特征。其中，Thornthwaite Memorial模型體現(xiàn)了多種氣象要素的綜合影響，可以定量表征氣候生產(chǎn)潛力與降水、溫度和蒸發(fā)量之間的關(guān)系[13]，加之模型所需數(shù)據(jù)易獲取，得到廣泛應(yīng)用[14]。曹永旺等[2]研究得出1961—2012年四川盆地氣候呈暖干化，氣候生產(chǎn)力呈減少趨勢，陜西[7]、黑龍江[3]氣候生產(chǎn)力趨勢呈類似特征；邱陽陽等[8]研究得出1961—2015年安徽省氣候呈暖濕化，氣候生產(chǎn)力呈上升趨勢，江蘇[5]、貴州[9]氣候生產(chǎn)力均表現(xiàn)出上升趨勢，氣候暖濕化的趨勢是氣候生產(chǎn)潛力增加的根本原因[15]。因此，研究區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的變化特征，為充分合理利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源提供重要的理論依據(jù)。

江西省位于長江南岸,地理坐標(biāo)為24°29′—30°04′N, 113°34′—118°29′E，面積約為16.69萬km2，北部的鄱陽湖平原是中國重要的商品糧基地，東、南、西三面環(huán)山，中部為丘陵和河谷平原交錯(cuò)分布。氣候?qū)僦衼啛釒嘏瘽駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均降水和氣溫分別介于1 341～1 943 mm，16.3～19.5℃。近年來，該省高溫、洪澇等災(zāi)害頻繁發(fā)生且有增加的趨勢[16]，糧食安全問題日益突出。基于此，本文利用1960—2017年江西省逐年降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力，利用線性擬合、突變檢驗(yàn)和空間插值等分析方法，探究該地區(qū)近58 a來降水、氣溫及氣候生產(chǎn)潛力的時(shí)空變化規(guī)律，為江西省氣候資源的合理利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局及其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供科技理論支持和參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)氣象資料時(shí)間序列連續(xù)性、完整性的原則，從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https:∥data.cma.cn)獲取1960—2017年江西省16個(gè)國家基本氣象站的逐年降水和平均氣溫資料，具體站點(diǎn)為修水、宜春、吉安、井岡山、遂川、贛縣、廬山、鄱陽、景德鎮(zhèn)、南昌、樟樹、貴溪、玉山、南城、廣昌、尋烏。利用RHtest方法[17-18]對獲取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性質(zhì)量檢查，以保證結(jié)果的可信度。對于缺失數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，選取其周邊時(shí)間段完整的站點(diǎn)，采用線性回歸模型修正的方法進(jìn)行插補(bǔ)。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)潛力 氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算歷經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ蚚8]，其計(jì)算方法眾多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文選用Lieth等[19]提出Thornthwaite Memorial模型，該模型的優(yōu)勢是所需數(shù)據(jù)既易獲取，又能有效說明氣候變化的影響。其計(jì)算公式如下：

Ycpp=3000[1-e-0.0009695(P-20)]

(1)

(2)

L=300+25T+0.05T3

(3)

式中:Ycpp為氣候生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a)]；P為年均實(shí)際蒸發(fā)量(mm)；R為年降水量(mm)；L為年均最大蒸發(fā)量(mm)；T為年均氣溫(℃)。

1.2.2 分析方法 區(qū)域內(nèi)氣象要素、生產(chǎn)潛力的年均值為16站點(diǎn)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值；采用線性擬合法分析各要素的變化趨勢，利用相關(guān)分析法研究氣候生產(chǎn)力與氣溫、降水的相關(guān)性[20]；突變檢驗(yàn)分析采用結(jié)合非參數(shù)統(tǒng)計(jì)M-K突變和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法共同確定[21]。研究區(qū)域各各要素的空間分布采用ArcGIS 10.2空間插值模型[22]。文內(nèi)圖件全部采用Origin 9.0軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水與氣溫的時(shí)空變化

2.1.1 降水與氣溫的長期趨勢 圖1為1960—2017年江西省年降水量與年均溫變化趨勢曲線。由圖1A可知，近58 a江西省年降水量總體呈波動(dòng)上升趨勢，其傾向率為32.25 mm/10 a。江西省多年平均降水量為1 684.98 mm，最大值為2 213.86 mm(1975年)，最小值為1 077.12 mm(1963年)，較歷年平均值偏少607.86 mm。從年均溫的變化趨勢看(圖1B)，江西省年均氣溫以0.195℃/10 a的速率上升，且通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，響應(yīng)了全球氣候變暖現(xiàn)象。江西省多年平均氣溫為17.59℃，最高值出現(xiàn)在2016年，達(dá)到18.57℃，較歷年平均值偏高0.98℃；最低值出現(xiàn)在1984年，為16.59℃。從累積距平看，江西省年降水量在1991年之前為波動(dòng)下降趨勢，之后轉(zhuǎn)為波動(dòng)上升趨勢；年均溫在1997年之前呈緩慢下降趨勢，之后轉(zhuǎn)為快速上升趨勢。綜上可知，近58 a來江西省氣候呈暖濕化趨勢。

圖1 1960-2017年江西省年降水量與年均溫變化趨勢

從近58 a江西省年降水量M-K突變曲線可知(圖2A)，正序列UF曲線與反序列UB曲線在臨界線內(nèi)多次相交，且UF曲線在1980年后突破了顯著性水平臨界線，但其滑動(dòng)t檢驗(yàn)值為1.39，低于t0.05=1.96，表明年降水量在研究期內(nèi)未發(fā)生明顯突變。年均氣溫的UF，UB曲線均超出了0.05顯著性水平臨界線(圖2B)，且UF和UB之間僅有一個(gè)交點(diǎn)，對應(yīng)時(shí)間為1988年，且其滑動(dòng)t檢驗(yàn)值為5.62，高于t0.05=1.96，表明江西省年均溫在1988年發(fā)生顯著突變，突變前年均溫為17.28℃，升至突變后為17.91℃。

圖2 1960-2017年江西省年降水量與年均溫M-K突變曲線

2.1.2 降水與氣溫的空間變化 應(yīng)用ArcGIS空間分析模塊中的樣條函數(shù)插值法(Spline)，得到了1960—2017年江西省年降水量與年均溫及年際變化率的空間分布(圖3)。從圖3A可知，多年平均降水量形成由修水—尋烏一線向東西兩側(cè)增加空間分布特征，降水低值區(qū)主要集中在贛縣周邊，高值區(qū)集中在江西西部井岡山、東部貴溪、北部廬山等地。由圖3B可看出，江西南部、中北部鄱陽、西北部宜春等地的降水年際增幅較低，其中鄱陽地區(qū)形成低值閉合中心，西部井岡山和東北部景德鎮(zhèn)的降水年際增幅較高。整體上，江西省年均氣溫由南向北、自東向西遞減，表現(xiàn)出緯向地帶性規(guī)律(圖3C)，主要是緯度決定著太陽輻射的分布，如緯度越低，太陽輻射就越多，平均氣溫越高。年均溫高值區(qū)集中在江西東南部，中北部，其中貴溪地區(qū)形成高值閉合中心；低值區(qū)主要集中在北部廬山與西部井岡山，與兩站所在位置的海拔較高有關(guān)。由氣溫年際變化率空間分布(圖3D)可知，江西東北部升溫幅度最大、西南部升溫幅度最小，其中江西中北部樟樹地區(qū)形成升溫幅度較大的閉合中心。

2.2 氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化

由圖4A可知，在暖濕化氣候背景下，近58 a來江西省年均氣候生產(chǎn)潛力總體呈波動(dòng)上升趨勢，通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，上升速率為169.81 kg/(hm2·10 a)。江西省年均氣候生產(chǎn)潛力變化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，多年平均氣候生產(chǎn)潛力為16 855.71 kg/(hm2·a)；最大值出現(xiàn)在1998年，較歷年平均值偏高1 168.81 kg/hm2，最低值出現(xiàn)在1963年，較歷年平均值偏低1 452.87 kg/hm2。從累積距平看，江西省年均氣候生產(chǎn)潛力在1991年之前為波動(dòng)下降趨勢，之后轉(zhuǎn)為波動(dòng)上升趨勢。年均氣候生產(chǎn)潛力的UF，UB曲線均超出了0.05顯著性水平臨界線(圖4B)，且UF和UB之間僅在1993年有交點(diǎn)，其滑動(dòng)t檢驗(yàn)值為4.65，高于t0.05=1.96，表明江西省年均氣候生產(chǎn)潛力在1993年發(fā)生顯著突變，突變前多年均氣候生產(chǎn)潛力為16 600.74 kg/(hm2·a)，升至突變后為17 207.24 kg/(hm2·a)，增幅達(dá)到3.65%。

圖3 1960-2017年江西省年降水量與年均溫及年際變化率空間分布

圖4 1960-2017年江西省年均氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢及其M-K突變曲線

受降水和溫度不均勻分布的影響，氣候生產(chǎn)潛力及其年際變化率的空間分布略有差異。由圖5A可知，江西省氣候生產(chǎn)潛力自東向西、由南向北遞減，以景德鎮(zhèn)—樟樹—吉安—贛縣為界的東南地區(qū)較高，達(dá)到17 000 kg/(hm2·a)以上；北部廬山和西部井岡山地區(qū)生產(chǎn)潛力較低，其值大多在13 000 kg/(hm2·a)左右。根據(jù)各站點(diǎn)平均氣候生產(chǎn)潛力得出其年際變化率的空間分布(圖5B)，近58 a江西省氣候生產(chǎn)潛力均呈上升趨勢，但不同地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年際變化率差異較大，變化介于27.64～499.96 kg/(hm2·10 a)，其空間分布特征與降水年際變化率相似。氣候生產(chǎn)潛力增加較快的地區(qū)主要集中在江西東北部、西部地區(qū)，增加較慢的地區(qū)主要集中在江西東南部、西北部地區(qū)，其中尋烏氣候生產(chǎn)潛力年際變化率最小，為68.88 kg/(hm2·10 a)。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應(yīng)

以10 a為時(shí)間段，計(jì)算江西省年均降水、氣溫及氣候生產(chǎn)潛力的年代際變化情況，見表1。20世紀(jì)60，70，80年代江西省年均降水和氣溫均低于歷年平均值，氣候生產(chǎn)潛力也低于歷年平均值，說明這種“冷干化”氣候不利于氣候生產(chǎn)潛力。20世紀(jì)90年代年均降水高于歷年平均值、氣溫均低于歷年平均值，21世紀(jì)前10 a年均降水低于歷年平均值、氣溫均高于歷年平均值，2011—2017年期間年均降水和氣溫均高于歷年平均值，這3個(gè)時(shí)間段的氣候生產(chǎn)潛力均高于歷年平均值，說明“冷濕化”、“暖干化”和“暖濕化”氣候均有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。

圖5 1960-2017年江西省年均氣候生產(chǎn)潛力及其年際變化率空間分布

表1 江西省年均降水、氣溫及氣候生產(chǎn)潛力的年代際變化

為進(jìn)一步探討生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應(yīng)，對研究區(qū)近58 a氣候生產(chǎn)潛力與氣溫、降水進(jìn)行相關(guān)分析、偏相關(guān)分析，計(jì)算結(jié)果見表2。可以看出，氣候生產(chǎn)潛力與氣溫、降水之間的相關(guān)性都顯著(p<0.01)，這可解釋暖濕化的氣候背景是江西省氣候生產(chǎn)潛力呈上升趨勢的原因之一。氣候生產(chǎn)潛力與降水、氣溫的偏相關(guān)性均顯著(p<0.01)，說明了江西省氣候生產(chǎn)潛力受降水與氣溫的協(xié)同影響。氣候生產(chǎn)潛力與降水的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)均大于其與氣溫的，表明降水對江西省生產(chǎn)潛力的影響高于氣溫，這與武永利等[23]認(rèn)為降水是限制山西省氣候生產(chǎn)潛力的主要因子觀點(diǎn)一致。

2.4 氣候資源利用率變化

通過計(jì)算糧食實(shí)際生產(chǎn)力與氣候生產(chǎn)潛力比值，用以表征農(nóng)業(yè)氣候資源利用率[24]，結(jié)果見表3。研究期內(nèi)江西省各年代平均糧食單產(chǎn)總體呈增加趨勢，20世紀(jì)80年代最低，年均單產(chǎn)僅為3 959.78 kg/hm2；2011—2017年最高，年均單產(chǎn)達(dá)到5 716.59 kg/hm2，較80年代凈增產(chǎn)1 756.81 kg/hm2，增加幅度明顯高于同時(shí)期氣候生產(chǎn)潛力增加量。江西省氣候資源利用率逐年代而增加，80年代年均氣候資源利用率僅為23.81%，至2011—2017年提升至33.06%。由于采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝和耕作制度、先進(jìn)的農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步、振興農(nóng)業(yè)等政策，使得耕地及氣候資源利用效率得以提高。但受耕地質(zhì)量總體不高[24]、農(nóng)業(yè)人口省際遷出比例高[25]等因素影響，致使江西省氣候資源利用率總體偏低。

表2 江西省氣候生產(chǎn)潛力與年均降水、氣溫的相關(guān)性

注：**表示通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，“降水”表示控制氣溫不變，氣候生產(chǎn)潛力與降水的相關(guān)性，“氣溫”表示控制降水不變，氣候生產(chǎn)潛力與氣溫的相關(guān)性。

表3 1980-2017年江西省糧食單產(chǎn)、氣候生產(chǎn)潛力及氣候資源利用率年代際變化

3 結(jié) 論

(1) 1960—2017年江西省氣候呈暖濕化趨勢。多年平均降水量為1 684.98 mm，年際變化率為32.25 mm/10 a，未發(fā)生顯著突變，空間上以修水—尋烏為界向東西兩側(cè)增加。多年平均氣溫為17.59℃，以0.195℃/10 a的速率顯著上升(p<0.001)，在1988年發(fā)生由低到高的顯著突變，空間上由南向北、自東向西遞減，表現(xiàn)出緯向地帶性規(guī)律。

(2) 1960—2017年，江西省氣候生產(chǎn)潛力變化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，平均氣候生產(chǎn)潛力為16 855.71 kg/(hm2·a)，以169.81 kg/(hm2·10 a)的速率顯著上升(p<0.001)，在1993年發(fā)生由低到高的顯著突變，空間上氣候生產(chǎn)潛力自東向西、由南向北遞減，不同地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年際變化率差異較大。

(3) 受降水和氣溫時(shí)空組合變化影響，直接影響該地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的狀況，但降水對江西省生產(chǎn)潛力的影響高于氣溫。20世紀(jì)60—80年代的“冷干化”氣候不利于氣候生產(chǎn)潛力，而20世紀(jì)90年代以來的“冷濕化”、“暖干化”和“暖濕化”氣候均有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。

(4) 20世紀(jì)80年代以來，江西省糧食單產(chǎn)增加幅度明顯高于同時(shí)期氣候生產(chǎn)潛力增加量，氣候資源利用率由20世紀(jì)80年代的23.81%提升至2011—2017年的33.06%。