近61年河南省氣候生產(chǎn)潛力估算及時空變化特征

張志高，尹紀(jì)媛，郭超凡，蔡茂堂，袁 征

(1安陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽 455000；2中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081；3安陽工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

20世紀(jì)以來，全球氣候明顯變暖，2018年聯(lián)合國氣候變化專門委員會(IPCC)在仁川發(fā)布報告指出，自1860年以來人為造成的全球變暖已經(jīng)達(dá)到0.87 ℃[1]。全球變暖會改變氣溫、輻射以及降水等要素的地理分布，進(jìn)而改變農(nóng)作物的生長條件，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全影響深遠(yuǎn)[2-3]。氣候生產(chǎn)潛力指在充分合理利用某地區(qū)光溫水等氣候資源的條件下，假設(shè)作物品種、土壤肥力和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等條件都處于最適宜狀況時單位面積土地上的最高生物學(xué)產(chǎn)量[4]。在全球變暖背景下，國內(nèi)外對氣候生產(chǎn)潛力的研究取得了一系列成果。在模型方法方面，劉新等[5]利用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算了內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力，認(rèn)為降水量決定了該區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的變化；高軍波等[6]采用逐步訂正法估算了河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力，并提出了種植空間的優(yōu)化建議；姬興杰等[7]運(yùn)用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃(AEZ)模型對河南省夏玉米和冬小麥兩種主糧作物的生產(chǎn)潛力及氣候資源承載力進(jìn)行了評估；許艷等[8]采用機(jī)制法對江蘇省沿海地區(qū)14個縣市氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行了估算；譚紅等[9]運(yùn)用DSSAT(decision support system for agrotechnology transfer)模型分析了石河子地區(qū)氣候變化對棉花生產(chǎn)潛力的影響；劉洛等[10]采用GAEZ(global Agro-Ecological Zones)模型分析了中國耕地糧食生產(chǎn)潛力空間特征以及耕地變化對糧食生產(chǎn)潛力的影響。在空間尺度方面，葛亞寧等[11]對氣候變化背景下我國玉米生產(chǎn)潛力時空演變特征進(jìn)行了定量評估；龐艷梅等[12]對西南區(qū)域單季稻生長季氣候年型及其生產(chǎn)潛力進(jìn)行了分析；周刊社等[13]分析了西藏高原青稞產(chǎn)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力演化格局并定量評估了其影響因素；安彬等[14]探討了氣候變化對江西省氣候生產(chǎn)潛力的影響，認(rèn)為未來“暖濕化”氣候有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高；盧玢宇等[15]評估了平均溫度和降水對黑龍江省氣作物氣候生產(chǎn)潛力的影響，認(rèn)為降水是影響黑龍江省作物氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子。也有學(xué)者針對具體的農(nóng)作物，如玉米[16]、冬小麥[17]、水稻[18]和青稞[19]等進(jìn)行氣候生產(chǎn)潛力的研究，探討氣候生產(chǎn)潛力對未來氣候變化的響應(yīng)。綜上所述，在氣候變暖背景下，受不同區(qū)域光、溫、水資源配合協(xié)調(diào)程度及地區(qū)差異的影響，不同區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢及其驅(qū)動因素不盡相同[20-21]；氣候生產(chǎn)力模型是研究氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的有效方法，其中Thornthwaite Memorial模型在Miami模型的基礎(chǔ)上考慮了蒸散量，且計算相對簡單，其計算結(jié)果在一定程度上能夠代表區(qū)域的實際產(chǎn)量，因此被廣泛應(yīng)用于區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力變化研究中。

河南省位于110°21′～116°39′E，31°23′～36°22′N，地處黃河中下游，土地面積約為16.7萬km2，農(nóng)業(yè)用地占全省總面積的74.25%，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。2020年河南省糧食總產(chǎn)量6 825.80萬t，占全國糧食產(chǎn)量的10.19%，對全國糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)23.07%，有力保障了全國糧食安全。因此，本研究運(yùn)用Thornthwaite Memorial模型、經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解和Morlet小波分析等方法，根據(jù)河南省17個氣象站點(diǎn)1960-2020年的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，估算河南省的氣候生產(chǎn)潛力，評估氣候變化的影響，探討氣候生產(chǎn)潛力與糧食產(chǎn)量的關(guān)系，以期為河南省充分利用氣候資源，保障糧食安全以及實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.Cma.Gov.cn)獲取河南省17個氣象站點(diǎn)1960-2020年逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)，研究站點(diǎn)分布如圖1所示。河南省糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《河南統(tǒng)計年鑒》。

1.2 Thornthwaite Memorial模型

Thornthwaite Memorial模型計算簡單，只需要?dú)鉁睾徒邓?個參數(shù)，模型如下[22]：

L=300+25×T+0.05×T3；

(1)

(2)

Ye=3 000×(1-e-0.000 969 5(V-20))。

(3)

式中：T為年平均氣溫(℃);V為年平均蒸散量(mm)；R為年平均降水量(mm)；L為年平均最大蒸散量(mm)；Ye為氣候生產(chǎn)潛力年均值(g/m2)。

運(yùn)用Thornthwaite Memorial模型分別計算河南省17個氣象站點(diǎn)的氣候生產(chǎn)潛力，利用基于ArcGIS平臺中的泰森多邊形法計算全省平均氣候生產(chǎn)潛力。

1.3 經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解

經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)分解又稱特征向量分析，也可以說是氣象學(xué)中的主成分分析法，由Lorenz首次引入氣象學(xué)研究[23]。該方法將m個空間點(diǎn)n次觀測構(gòu)成的氣象矩陣數(shù)據(jù)分解為由幾個時間場和空間場的線性組合，并通過幾個特征向量表征整個向量場變化，進(jìn)而識別出主要空間型及其時間演變規(guī)律。采用Matlab軟件，具體計算流程為：

(1)將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行距平化處理，得到數(shù)據(jù)矩陣Xm×n，其中，m表示站點(diǎn)數(shù)，n表示觀測次數(shù)。

(2)計算X矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣XT的交叉積，得到協(xié)方差矩陣：

Cm×m=1/nX×XT。

(4)

(3)計算協(xié)方差矩陣Cm×n的特征根(λ1,…,λm)和特征向量Vm×m，使二者滿足:

Cm×m×Vm×m=Vm×m×Em×m。

(5)

式中：E為m×m維對角陣，即:

(6)

將特征根λ按從大到小順序排列，即λ1>λ2>λ3>…>λm。氣象數(shù)據(jù)是真實的觀測值，所以λ≥0。每個特征根對應(yīng)一列特征向量值稱為EOF。

(4)將EOF投影到原始資料矩陣上，得到所有空間特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)(即主成分PC)，即：

(7)

式中：PC中每行數(shù)據(jù)對應(yīng)每個特征向量的時間系數(shù)。

(5)計算方差貢獻(xiàn)率。第k個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率Pk為：

(8)

(6)顯著性檢驗。使用North等[24]提出的計算特征根誤差方法進(jìn)行顯著性檢驗，特征根λj誤差范圍ej為：

(9)

式中：N是樣本量；λj≥0，j=1，2，3，…，m。

當(dāng)相鄰的特征根滿足(λj-λj+1)≥ej時，則特征根對應(yīng)的EOF函數(shù)通過檢驗。

1.4 敏感性分析

假定氣溫升高、不變和降低，降水量增加、不變和減少，形成不同的組合，在不同組合變化情景下，計算氣候生產(chǎn)潛力，模擬分析氣候生產(chǎn)潛力相對變化率，從而反映出氣候生產(chǎn)潛力對氣溫和降水量變化的敏感性[5]。

1.5 氣候資源利用率

氣候資源利用率=(實際糧食產(chǎn)量/氣候生產(chǎn)潛力)×100%。

此外，采用一元線性回歸法分析氣溫、降水量和氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢，運(yùn)用克里金空間插值法對氣候生產(chǎn)潛力空間變化進(jìn)行分析，運(yùn)用Morlet小波分析對氣候生產(chǎn)潛力周期變化特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省氣候生產(chǎn)潛力的變化特征

2.1.1 時間變化 1960-2020年河南省氣候生產(chǎn)潛力變化如圖2和表1所示。由圖2可以看出，近61年來河南省氣候生產(chǎn)潛力年均值為1 209.94 g/m2，波動在973.74～1 372.81 g/m2，總體呈微弱上升趨勢，傾向率(10年)為5.14 g/m2。由表1可以看出，2000年以來，全省平均氣候生產(chǎn)潛力距平值轉(zhuǎn)為正值，2010年以來，傾向率(10年)達(dá)42.88 g/m2，氣候生產(chǎn)潛力上升明顯。

表1 1960-2020年河南省氣候生產(chǎn)潛力的年代變化Table 1 Interdecadal variation of climatic potential productivity in Henan from 1960 to 2020

2.1.2 空間變化 河南省氣候生產(chǎn)潛力及傾向率的空間分布特征如圖3所示，由圖3-a可知，河南省氣候生產(chǎn)潛力區(qū)域差異明顯，年均值在1 032.37～1 429.93 g/m2。總體上由東南向西北遞減，南部桐柏、信陽和固始等地氣候生產(chǎn)潛力較高，年均值在1 413.59～1 429.93 g/m2;西北部安陽、新鄉(xiāng)和三門峽等地較低，在1 032.37～1 048.32 g/m2。從氣候生產(chǎn)潛力傾向率(10年)的空間分布(圖3-b)來看，東部的商丘、西華較高，在1.67～2.10 g/m2，西華等14個站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，而西北部的新鄉(xiāng)、孟津則較低，在-0.08～-0.49 g/m2，新鄉(xiāng)、孟津和開封3站呈減少趨勢。

2.1.3 EOF分析 運(yùn)用Matlab軟件對河南省17個氣候站點(diǎn)近61年的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行EOF分解，分解后前5個模態(tài)的特征根及方差貢獻(xiàn)率如表2所示。由表2可以看出，前5個模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了80.74%，EOF分解的前2個模態(tài)(EOF1、EOF2)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了63.42%，且通過了North顯著性檢驗，說明前2個模態(tài)可以很好地解釋河南省近61年氣候生產(chǎn)潛力的2種分布類型，其空間分布及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時間序列如圖4所示。

表2 河南省氣候生產(chǎn)潛力前5個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率Table 2 Variance contribution of the first five modes of climatic potential productivity in Henan

由表2還可以看出，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為50.03%，遠(yuǎn)高于其他模態(tài)，為決定性模態(tài)，可以表征河南省氣候生產(chǎn)潛力空間分布的主要類型。由圖4-a可知，模態(tài)1的特征向量均為正值，表明1960-2020年河南省氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢具有高度的一致性，即全省范圍內(nèi)表現(xiàn)出普遍偏大，或者普遍偏小的格局，這與全省均受大陸性季風(fēng)氣候影響有關(guān)。整體上氣候生產(chǎn)潛力變化率呈現(xiàn)出由西南向東北方向遞增的趨勢，高值區(qū)域位于安陽、新鄉(xiāng)等豫北地區(qū)，表明該區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力變化幅度較大，對氣候變化較為敏感；而低值中心在三門峽、西峽，位于豫西地區(qū)，說明其氣候生產(chǎn)潛力的變化幅度小于豫北地區(qū)。

第1模態(tài)時間系數(shù)反映了河南省氣候生產(chǎn)潛力總體變化情況，系數(shù)正負(fù)決定了模態(tài)的方向，表示河南省氣候生產(chǎn)潛力偏高或偏低的年際變化特征(圖4-b)。由圖4-b可以看出，模態(tài)1的時間系數(shù)線性趨勢斜率大于0，表明河南省近61年來的氣候生產(chǎn)潛力有所增加。1964，1966，1986，1997和2003年時間系數(shù)絕對值最大，說明這5年河南省氣候生產(chǎn)潛力空間一致性分布最典型。其中1964和2003年時間系數(shù)為正，河南省氣候生產(chǎn)潛力偏大，1966、1986和1997年時間系數(shù)為負(fù)，河南省氣候生產(chǎn)潛力偏小。

第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為13.39%，可以反映河南省氣候生產(chǎn)潛力的差異性，呈現(xiàn)出氣候生產(chǎn)潛力東南到西北相反的分布模式。圖4-c顯示，這種分布大致以商丘-許昌-寶豐-西峽一線為界，西北為正值區(qū)，東南為負(fù)值區(qū)，揭示了河南省氣候生產(chǎn)潛力的東南-西北相反變化特征，即西北地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力偏大(小)，東南地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力偏小(大)。由圖4-d可以看出，第2模態(tài)時間序列以1966，1992和2011年為代表，呈現(xiàn)西北部氣候生產(chǎn)潛力偏大，東南部氣候生產(chǎn)潛力偏小的分布特征；而在1965，2002和2007年，河南省氣候生產(chǎn)潛力空間分布類型則相反，即西北部氣候生產(chǎn)潛力偏小，東南部氣候生產(chǎn)潛力偏大。

2.1.4 周期變化 對1960-2020年河南省氣候生產(chǎn)潛力時間序列進(jìn)行Morlet小波分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，河南省氣候生產(chǎn)潛力存在28年、20年和8年左右的周期變化，其中28年的周期具有全域性，20年左右的周期主要存在于1980年之后、2005年之前。而在1970年之前及2008年以后，8年左右尺度周期上出現(xiàn)負(fù)正相位交替的現(xiàn)象，周期性振蕩表現(xiàn)比較明顯。近61年的氣候生產(chǎn)潛力無固定的周期，而是由多種周期尺度相互嵌套，且在2018以后氣候生產(chǎn)潛力增大，正值閉合中心并未形成，預(yù)計未來河南省氣候生產(chǎn)潛力還將繼續(xù)增大。氣候生產(chǎn)潛力的小波方差在28年和8年左右出現(xiàn)峰值(圖5)，其中28年處峰值最大，為第1主周期，說明河南省氣候生產(chǎn)潛力在28年左右會經(jīng)歷一個由多到少的變化過程;8年左右為第2主周期。

進(jìn)一步對河南省17個氣象站點(diǎn)的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行Morlet小波分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，河南省大部分站點(diǎn)存在著28年左右的長周期和8年左右的短周期變化，這與全省平均氣候生產(chǎn)潛力周期變化較為一致，不同的是部分氣象站點(diǎn)還存在4年左右的更短周期變化。

表3 河南省各氣象站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力的周期特征Table 3 Periodic variation characteristics of climatic potential productivity at meteorological stations in Henan 年

2.2 河南省氣候生產(chǎn)潛力的敏感性

經(jīng)計算可知，河南省氣溫變幅為-1.2～1.2 ℃，年降水量變幅多數(shù)年份在-20%～20%，因此，假設(shè)年平均氣溫升高或降低1～2 ℃，年降水量增加或減少10%～20%，在此基礎(chǔ)上計算氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果如表4所示。從表4可知，若氣溫降低1～2 ℃、降水量減少10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力將減少6.72%～13.68%；若氣溫升高1～2 ℃、降水量增加10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力將增加6.55%～12.96%；若氣溫升高1～2 ℃、降水量減少10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力降低0.03%～7.70%；若氣溫降低1～2 ℃，降水量增加10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力變化在-2.48%～3.44%。可以看出，當(dāng)氣溫或降水量發(fā)生變化時，河南省氣候生產(chǎn)潛力也隨之改變，但變化幅度不同?？紤]單一因子變化情況，當(dāng)氣溫不變時，降水量變化帶來的氣候生產(chǎn)潛力變化幅度(-9.57%～6.74%)要大于降水量不變時氣溫變化引起的氣候生產(chǎn)潛力的變化幅度(-5.53%～5.01%)。由此可知，氣候越暖、越濕，越有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。對1960-2020年河南省氣溫和降水量數(shù)據(jù)線性擬合得出，近61年來河南省年降水量以每10年-8.46 mm的速率減少，氣溫以第10年0.23 ℃的傾向率增加，因此在未來河南省氣候顯著變暖的趨勢背景下，河南省氣候生產(chǎn)潛力的大小將依賴于降水量變化，降水量減少不利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，而降水不變或者增加將會為氣候生產(chǎn)潛力的提升提供有利條件。

表4 河南省氣溫、降水量不同變化情景下氣候生產(chǎn)潛力的變化Table 4 Changes of climatic potential productivity with different temperature and precipitation changes in Henan %

2.3 河南省氣候資源利用率的變化

由于河南省統(tǒng)計年鑒中1978年以來的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)較為完整，因此計算了1978-2019年河南省的氣候資源利用率如表5所示。由表5可以看出，1978-2019年，河南省平均糧食產(chǎn)量各年代呈逐漸增加的變化趨勢，同時氣候生產(chǎn)潛力也波動增加，氣候資源利用率逐漸提高，2010-2019年河南省平均氣候資源利用率已提升至47.63%。

表5 1978-2019年河南省糧食產(chǎn)量、氣候生產(chǎn)潛力及氣候資源利用率的年代變化Table 5 Interdecadal variation of grain yield,climatic potential production and climate resource utilization in Henan from 1978 to 2019

3 討 論

本研究結(jié)果表明，1960-2020年河南省氣候生產(chǎn)潛力年均值為1 209.94 g/m2，總體呈微弱上升趨勢，這與對山東[25]、陜西[26]和江蘇[27]等地的研究結(jié)果一致。敏感性分析結(jié)果表明，“冷干化”氣候不利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，而“暖濕化”氣候則有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，在未來河南省氣候呈顯著變暖的趨勢背景下，氣候生產(chǎn)潛力的大小將依賴于降水量變化，降水將是河南省氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因素，這與對陜西[26]和山西[28]等地的研究結(jié)果一致，表明降水對氣候生產(chǎn)潛力的影響大于氣溫，但是對湖北嘉魚[29]氣候生產(chǎn)潛力的研究顯示，氣候生產(chǎn)潛力受氣溫影響更大，這可能與研究時間尺度不同以及全球變暖背景下，不同區(qū)域光照、氣溫、水資源配合協(xié)調(diào)程度存在差異有關(guān)。

本研究中，1978-2019年河南省的氣候資源利用率不斷增加，2010-2019年已達(dá)47.63%，雖然顯著高于陜西[26]等地區(qū)，與江蘇[27]等地區(qū)接近，但與青海[30]和內(nèi)蒙古[5]等地相比，仍存在一定差距，還具有較大的增產(chǎn)空間。近61年來河南省年降水量以每10年-8.46 mm的速率減少，氣溫以每10年0.23 ℃的傾向率增加，因此在未來河南省氣候變暖的背景下，河南省尤其是西北部降水偏少地區(qū)，應(yīng)高效利用有效降水、保證農(nóng)田灌溉和水分供應(yīng)、合理利用水資源以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定增產(chǎn)。

雖然Thornthwaite Memorial模型在Miami模型的基礎(chǔ)上考慮了蒸散量，但氣候生產(chǎn)潛力還受風(fēng)速、日照和輻射等因子以及氣候要素協(xié)調(diào)程度的影響。此外，本研究中未涉及土壤和地形以及社會經(jīng)濟(jì)因素對氣候生產(chǎn)潛力的影響，上述不足有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

1)近61年來河南省氣候生產(chǎn)潛力年平均為1 209.94 g/m2，以每10年5.14 g/m2的傾向率呈微弱上升趨勢，在空間分布上由東南向西北遞減。

2)EOF分析表明，近61年來河南省氣候生產(chǎn)潛力空間分布主要分為2種類型：全局型和東南-西北相反型，這2種空間分布類型累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)63.42%，基本反映了河南省氣候生產(chǎn)潛力的空間分布特征。

3)Morlet小波分析表明，近61年河南省氣候生產(chǎn)潛力存在28年與8年左右的周期變化，其中28年左右的周期變化具有全域性，為第1主周期，部分站點(diǎn)還存在4年左右的短周期變化。

4)敏感性分析表明，“冷干化”氣候不利于氣候生產(chǎn)潛力，“暖濕化”氣候則有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，在未來河南省氣候呈顯著變暖的趨勢背景下，河南省氣候生產(chǎn)潛力的大小將依賴于降水量變化。

5)1978-2019年河南省糧食產(chǎn)量呈顯著上升趨勢，氣候資源利用率逐漸提高，21世紀(jì)10年代平均氣候資源利用率已達(dá)47.63%，未來仍有較大提升空間。