近50 年桂西北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力時(shí)空變化特征
——以河池為例

劉 芳，黃 珩，黎金玲，黃秀秀，周慧僚

（廣西壯族自治區(qū)河池市氣象局，廣西 河池 547000）

引言

氣候變化一直都是全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題，不僅直接關(guān)系著人類的日常生活，還與交通出行、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境等問題密切相關(guān)［1-4］。IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告指出，近百年來（1880—2012 年）全球地表溫度上升了0.85℃［5－7］，在這一背景下，各地區(qū)氣候均發(fā)生異常變化，由此對(duì)人類日常生產(chǎn)生活、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展等產(chǎn)生的影響愈發(fā)不容忽視。其中以農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的反應(yīng)最為敏感。氣候生產(chǎn)力指一個(gè)區(qū)域的氣候資源狀況［8］。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力指在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件下植物或作物每年單位面積上可能生產(chǎn)的有機(jī)干物質(zhì)重量［9］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣候生產(chǎn)力方面開展了大量研究［10－12］。李顏顏等利用河南省近54a 的氣象資料，對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力時(shí)空特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明降水量是影響農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素［13］；廖雪萍等應(yīng)用邁阿密模型（Miami Model）和桑斯韋特紀(jì)念模型（Thornthwait Montreal Model）估算了廣西冬季平均溫度、降水量的作物生產(chǎn)量和平均蒸散量的作物氣候生產(chǎn)力［14］；潘虹等探討了貴州省氣候生產(chǎn)潛力的時(shí)空變化特征以及地形因子和氣候因素［15］；韓瑋等用Thornthwaite Memorial 模型研究了植被氣候生產(chǎn)力的時(shí)空演變，分析氣溫和降水與氣候生產(chǎn)力敏感性，指出降水量少是限制氣候生產(chǎn)力的主要因素［16］。

桂西北地區(qū)主要種植玉米、水稻等；特色農(nóng)業(yè)包括甘蔗、蠶桑、油茶、核桃等，并逐漸發(fā)展成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增產(chǎn)增收的重要經(jīng)濟(jì)支柱。然而，來隨著全球加劇變暖，極端氣候逐漸增多，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。“氣候生產(chǎn)力”作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，也必然會(huì)受到一定程度的影響。故研究桂西北區(qū)域的農(nóng)業(yè)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［10，17－18］。

本文以桂西北地區(qū)－河池市作為研究對(duì)象，基于河池各縣50a 的氣象觀測(cè)資料，選用了Lieth 等提出的Thornthwaite Memorial 模型［19］，運(yùn)用反距離加權(quán)插值（inverse distance weighted，簡(jiǎn)稱IDW）法分析，分析了解氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力影響，為合理開發(fā)當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河池市位于廣西西北部，云貴高原南麓，河池市是廣西主要的喀斯特地貌資源分布區(qū)，地形復(fù)雜多樣，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬短而暖和、夏長(zhǎng)而炎熱、雨量充沛、光照充足、無霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)，年平均氣溫為20.1℃，年平均降水量為1517.2mm，特殊的地形和氣候條件為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取河池市建站時(shí)間較長(zhǎng)的10 個(gè)縣區(qū)氣象站1971—2020 年逐月氣溫和降水等觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心。

1.3 研究方法

（1）氣候傾向率

在氣象分析中，最常用的線性擬合是最小二次法，即y＝at＋b，其中y 為氣候要素，t 為時(shí)間序列，通過擬合計(jì)算公式可以算出常數(shù)a、b 的值，通過一階曲線的變化，得到結(jié)論a 為正（負(fù)）表示增加（減?。┶厔?shì)，0 表示趨勢(shì)無變化，b 為偏差系數(shù)。

（2）氣候變率

氣候變率反映了氣候變化幅度大小，主要包括相對(duì)變率與絕對(duì)變率兩種類型，計(jì)算公式依次如下：

上述公式當(dāng)中，Vr代表相對(duì)變率；Va代表絕對(duì)變率，xi代表氣象臺(tái)站每年的降水量；代表氣象臺(tái)站多年降水量的平均值；n 代表研究年份的數(shù)量。

（3）Thornthwaite Memorial 模型

Thornthwaite Memorial 模型［17］使用以下公式來表達(dá)：

其中，PV代表氣候生產(chǎn)力，其單位為kg（m2·a）－1；V 代表年平均蒸散量，R 代表年降水量，L 代表平均蒸發(fā)量，以上幾個(gè)氣象要素的單位均為mm；T 代表年平均氣溫，其單位為℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 年際變化特征

1971—2020 年河池市年平均氣溫變化見圖1。近50a 來河池市年平均氣溫的變化傾向率為0.153℃·（10a）-1，通過了信度ɑ＝0.01 顯著性檢驗(yàn)，升高趨勢(shì)明顯。1971—2020 年河池市年平均氣溫為20.0℃，峰值與谷值分別出現(xiàn)在2003 年、1984 年，分別為20.8℃、18.9℃，峰值與谷值之間相差1.9℃。

將1971—2020 年劃分為5 個(gè)時(shí)間段，每10a 作為一個(gè)時(shí)間段，對(duì)各時(shí)段的氣候變率進(jìn)行計(jì)算與分析得出表1。1971—2020 年、2001—2010 年的氣溫上升速率最顯著，相對(duì)變率與絕對(duì)變率最高，其次為1991—2000 年、2011—2020 年。三個(gè)年代氣溫的相對(duì)變率與絕對(duì)變率均高于近50a 氣溫變率，氣溫起伏變化較為明顯，會(huì)影響該市的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。

表1 1971—2020 年河池市各年代平均氣溫及其氣候變率表

2.1.2 空間變化特征

對(duì)河池市各站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到50a 來河池市年平均氣溫及其傾向率的空間分布，1971—2020 年河池市年平均氣溫整體上呈南高北低、西高東低的分布特征，年平均氣溫的大值區(qū)主要集中在河池市的南部與西部地區(qū)，如都安、巴馬、宜州、天峨等縣區(qū)，年平均氣溫均高于20.0℃，其中都安與天峨年平均氣溫最高（22.2℃）；年平均氣溫的低值區(qū)出現(xiàn)在河池市的北部與東部，南丹年平均氣溫最低（17.2℃）。

1971—2020 年河池市各站點(diǎn)氣溫傾向率均表現(xiàn)為正值，表明了各個(gè)站點(diǎn)的平均氣溫均呈升溫趨勢(shì)，然而各個(gè)站點(diǎn)氣溫上升速率卻不盡相同，各站點(diǎn)平均氣溫傾向率在0.11～0.21℃·（10a）-1之間，其中南丹的氣溫傾向率最高，宜州次之，而天峨氣溫傾向率最低（0.11℃·（10a）-1）。

2.2 降水變化特征分析

2.2.1 年際變化特征

對(duì)1971—2020 年河池市年平均降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見圖2。近50a 來河池市年平均降水量的變化傾向率為17.01mm·（10a）-1，未通過顯著性檢驗(yàn)，可見變化趨勢(shì)不明顯，但也呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1971—2020 年河池市年平均降水量為1517.2mm，峰值與谷值分別出現(xiàn)在1994 年與2009 年，年總降水量分別為2104.8mm、1100.1mm，峰值與谷值之間相差1004.6mm。

把1971—2020 年河池市年平均降雨量劃分5個(gè)時(shí)間段，由表2 可見，在1991-2000 年河池市年平均降水量達(dá)到最多，達(dá)1619.8mm，與1971—2020年平均降水量1517.2mm 相比，增加了102.6mm。1971—2020 年各時(shí)間段絕對(duì)變率最大值和最小值分別為290.3mm、224.4mm，分別出現(xiàn)在1981—1990年、2011—2020 年。由此可見，1971—2020 年降水量波動(dòng)變化大，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率較高，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力也極易產(chǎn)生大幅波動(dòng)變化。

表2 1971—2020 年河池市各年代平均降水量及其氣候變率表

2.2.2 空間變化特征

1971—2020 年河池市年平均降水量整體上呈南多北少的分布特征，年平均降水量大值區(qū)主要集中在河池市的都安、大化、巴馬、東蘭等縣區(qū)，其年平均降水量均多于1400mm，其中都安年平均降水量最多，達(dá)到1800mm 左右；年平均降水量低值區(qū)出現(xiàn)在河池市的北部與東部的部分縣區(qū)，如宜州、環(huán)江、天峨等，在1300mm 左右。

1971—2020 年河池市各站點(diǎn)降水傾向率的變化范圍位于-4.88～35.8mm·（10a）-1之間。整體而言，河池市年降水量的傾向率表現(xiàn)為正值的站點(diǎn)多于負(fù)值的站點(diǎn)，即大多數(shù)縣區(qū)年平均降水量呈增加趨勢(shì)。其中河池市羅城、巴馬降水量的變化幅度不大，其降水傾向率分別為1.59mm·（10a）-1、8.70mm·（10a）-1；而宜州、鳳山、環(huán)江等縣區(qū)降水量變化幅度較大，尤其是環(huán)江降水量?jī)A向率最大，為35.78mm·（10a）-1。

2.3 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的變化特征分析

2.3.1 時(shí)間變化特征

以氣候生產(chǎn)力模型為依據(jù)，對(duì)河池市1971—2020 年的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力進(jìn)行計(jì)算（圖3）。由圖可見，近50a 來河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力波動(dòng)較大，年平均氣候生產(chǎn)力通過信度ɑ＝0.10 顯著性檢驗(yàn)，可見年平均氣候生產(chǎn)力呈上升趨勢(shì)，其變化速率為10.401kg·（m2·a）-1·（10a）-1。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的峰值與谷值分別出現(xiàn)在2015 年、2011 年，分別為1917.2436kg·（m2·a）-1、1651.8281kg·（m2·a）-1。

圖4 給出了近50a 河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的距平值。在研究時(shí)段內(nèi)河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力距平波動(dòng)較大，且正距平年份多于負(fù)距平年份，其中2015 年農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力正距平達(dá)到最大，為135.2kg·（m2·a）-1。

2.3.2 空間變化特征

近50a 來河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力空間分布為西低東高的特征，而且各地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力有所不同。河池市都安、金城江區(qū)、宜州等市區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較高，超出1500kg·（m2·a）-1，都安最多（1600kg·（m2·a）-1），天峨、東蘭與南丹等地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較低，在1100～1200kg·（m2·a）-1之間，其中南丹最低，僅為1100kg·（m2·a）-1左右。

河池市各地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)也存在差異，整體呈自西向東逐漸增加的分布特征，其農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的傾向率位于0.4～1.9kg·（m2·a）-1之間，表明近50a 來各市縣區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力均呈增加趨勢(shì)。其中巴馬、鳳山、東蘭農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的傾向率較低，其中巴馬傾向率達(dá)最低，在0.4kg·（m2·a）-1·（10a）-1左右；羅城、宜州、環(huán)江農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的傾向率較高，其中宜州最高，在1.9kg·（m2·a）-1·（10a）-1左右。

3 結(jié)論和討論

基于河池市建站時(shí)間較長(zhǎng)的10 個(gè)縣區(qū)氣象站1971—2020 年逐月氣溫和降水等觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了近50a 河池市氣溫、降水量及農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力等的時(shí)空變化特征，其主要結(jié)論如下：

（1）1971—2020 年河池市年平均氣溫呈明顯上升的變化趨勢(shì)，升溫速率為0.153℃·（10a）-1。各市縣區(qū)氣溫傾向率均表現(xiàn)為正值，且表現(xiàn)出東高西低的特點(diǎn)，羅城和宜州的氣溫傾向率最高，而天峨、鳳山與巴馬的氣溫傾向率最低。

（2）1971—2020 年河池市年總降水量呈微弱增加趨勢(shì)，其變化速率為17.01mm·（10a）-1，變化趨勢(shì)不明顯。年降水量的傾向率表現(xiàn)出正距平年份多于負(fù)距平年份的特點(diǎn)，即大多數(shù)地區(qū)年平均降水量呈增加趨勢(shì)。

（3）1971—2020 年河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力總體上呈上升趨勢(shì)，上升速率為10.401kg·（m2·a）-1·（10a）-1。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力距平波動(dòng)較大，正距平年份多于負(fù)距平年份，且出現(xiàn)正距平年份的降水量也較大。河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力空間分布不均，河池市都安、河池、宜州等市縣區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較高，天峨、東蘭與南丹等地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較低。

影響河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的主要因素是溫度和降水，其中降水是制約河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)展的主要因素。在全球氣候變暖的大背景下，未來河池市降雨時(shí)空分布不均現(xiàn)象更加嚴(yán)峻，不利于河池市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力提高。同時(shí)河池多山地，土壤蓄水保水能力差，降雨不足會(huì)制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，因此興修水力、合理開發(fā)利用水資源，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。