甘肅隴中北部氣候特征及氣候生產(chǎn)潛力變化

張正向,韓蘭英,王小巍,魏文娟

(1.甘肅省靖遠(yuǎn)縣水務(wù)局,甘肅靖遠(yuǎn) 730600;2.西北區(qū)域氣候中心,甘肅蘭州 730020;3.甘肅省氣象局,甘肅 蘭州730020)

氣候變化對(duì)干旱及半干旱區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活影響重大。因此,分析干旱及半干旱區(qū)氣候特征,對(duì)該地區(qū)人民的生活、生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。氣候生產(chǎn)潛力是反映光照、氣溫和水分3因子決定的產(chǎn)量,它是優(yōu)化管理以及合理利用自然降水條件下一個(gè)地區(qū)可能達(dá)到的作物產(chǎn)量的上限,是衡量農(nóng)業(yè)氣候資源的一項(xiàng)重要指標(biāo)。單位面積單位時(shí)間由氣候因素所決定的作物產(chǎn)量稱為作物氣候生產(chǎn)力[1]。作物氣候生產(chǎn)力的分析不僅能合理利用氣候資源,充分發(fā)揮當(dāng)?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力,也是提高生產(chǎn)力的有效途徑之一[2-3]。當(dāng)前,由于全球氣候變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響,特別是氣溫的升高、降水量的下降對(duì)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響,氣候生產(chǎn)力的分析對(duì)制定適合該區(qū)域的相應(yīng)對(duì)策尤為重要。白銀市轄3縣2區(qū),70%以上的耕地屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),干旱常常造成糧食減產(chǎn),甚至絕收,因此,干旱是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害[4]。研究其演變的氣候規(guī)律,為預(yù)報(bào)和服務(wù)提供背景材料,有著十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)分析方法

1.1 研究區(qū)概況 白銀地處黃河上游、隴中北部,轄靖遠(yuǎn)縣、景泰縣、會(huì)寧縣 3縣和白銀、平川2區(qū)。全市總面積2.1萬km2,在氣候上屬于隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)向河西走廊冷溫帶干旱區(qū)過渡地帶[5],受其特殊的地形條件影響,與北半球同緯度地區(qū)相比,降水明顯偏少,干旱發(fā)生頻率高,有“十年九旱”之說。海拔 1 275～3 321 m,大部分地區(qū)1 400～2 000 m。年降水量 110～352 mm,年蒸發(fā)量2 101 mm,氣候干燥,日夜溫差大,光照充足,黃河流經(jīng)全市 214 km,流域面積14 710 km2。主要的氣象災(zāi)害是干旱,其次冰雹、大風(fēng)、霜凍、暴雨等也頻繁發(fā)生。

1.2 數(shù)據(jù)分析 研究選擇景泰縣、靖遠(yuǎn)縣和會(huì)寧縣的氣象資料,對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蛏a(chǎn)潛力進(jìn)行客觀分析。氣象資料包括1960-2008年的降水量、氣溫、風(fēng)速、日照百分率、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度等。氣象資料處理方法是分別以3個(gè)縣逐年降水量、氣溫、風(fēng)速、日照百分率、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度,計(jì)算出年平均降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、平均日照百分率、平均日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度。

常用的氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算模型有Memorial模型、Miami模型、筑后數(shù)學(xué)模型、北京模型等[6-9],研究選取計(jì)算簡(jiǎn)便、能明確表達(dá)氣候變化對(duì) NPP(Net Primary Productivity)影響的Thornthwaite Memorial模型來計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力。Lieth根據(jù)作物產(chǎn)量與年平均氣溫、降水量之間的關(guān)系,于1972年在第22屆國(guó)際地理學(xué)大會(huì)上提出由實(shí)際蒸散量預(yù)測(cè)凈第一性生產(chǎn)力的Memorial模型。

式中,NPP為實(shí)際蒸散量計(jì)算得到的植物凈第一性生產(chǎn)力[g/(m2·a)];e為自然對(duì)數(shù);3 000是自然植物的最高干物質(zhì)產(chǎn)量[g/(m2·a)];E為年平均實(shí)際蒸散量(mm),可用Turc公式計(jì)算得到。

式中,R為年平均降水量(mm);L為年平均最大蒸散量,它是年均溫度t的函數(shù),可用下式計(jì)算。

當(dāng)R/L＞0.316時(shí),(3)式適用;R/L＜0.316時(shí)取E=R。用式(1)～式(3)所計(jì)算的植物生產(chǎn)力均為植物所有的干質(zhì)量,包括植物地上和地下部分的總和[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化分析

2.1.1 氣溫 由圖1可以看出,靖遠(yuǎn)縣年平均溫度最高,其次為景泰縣,會(huì)寧縣最低。自1960年,3縣的年平均溫度變化表現(xiàn)出一致性,顯現(xiàn)出先緩慢降低,后逐漸升高的規(guī)律。1984年以前,年平均溫度緩慢減小;1984年至今,溫度增加的幅度較大。已有研究表明,靖遠(yuǎn)縣年均氣溫總體呈現(xiàn)顯著升高趨勢(shì),特別是20世紀(jì)80年代中期以來,氣溫升高的幅度和速度明顯加快[9]。這與中國(guó)近百年來的氣溫變化特征相似,1950-1970年中期為低溫期,1970年末-2000年為高溫期,20世紀(jì)90年代是最暖的10年[11-12]。

2.1.2 相對(duì)濕度 年平均相對(duì)濕度會(huì)寧縣最大,其次為靖遠(yuǎn)縣,景泰縣最小(圖 2)。在3個(gè)縣,年平均空氣相對(duì)濕度變化特征不同,自1960年以來,會(huì)寧縣相對(duì)濕度呈微弱的增加趨勢(shì);景泰和靖遠(yuǎn)縣變化特征相似,表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì),1960-1980年,相對(duì)濕度為逐漸增加,1980年至今,相對(duì)濕度逐漸降低,但變化幅度不同,靖遠(yuǎn)縣的變化幅度要比景泰縣明顯的多。

2.1.3 降水 已有研究表明,降水量在西北地區(qū)既有增加,又有減少,減少的幅度大,增加的幅度小,但是增加的時(shí)段長(zhǎng)[13]。由圖3可以看出,3縣的年降水量變化特征也不同,對(duì)景泰縣來說,其年降水量趨勢(shì)不明顯,處于比較平穩(wěn)的狀態(tài);而對(duì)于靖遠(yuǎn)和會(huì)寧縣來說,其總體呈降低趨勢(shì),但會(huì)寧縣的降低幅度較大。

圖1 隴中北部3縣1960-2008年年平均溫度變化特征

圖2 隴中北部3縣1960-2008年年平均相對(duì)濕度變化特征

圖3 隴中北部3縣1960-2008年年降水量變化特征

2.1.4 風(fēng)速 由年平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)來看(圖4),3縣的風(fēng)速變化特征明顯不同,景泰縣的年平均風(fēng)速表現(xiàn)為1960-2000年快速降低,2000年至今變化不明顯;靖遠(yuǎn)縣年平均風(fēng)速表現(xiàn)為先降低后升高,1960-1980年,年平均風(fēng)速逐漸降低,1980年至今,逐漸升高;對(duì)于會(huì)寧縣來說,其變化特征與上述2縣完全不同,表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),1960-1980年,年平均風(fēng)速逐漸升高,1980年至今,逐漸降低。

2.1.5 日照時(shí)數(shù) 由于3縣區(qū)所處的地理位置不同,所以該地區(qū)的多年平均日照時(shí)數(shù)也不同,并呈現(xiàn)出從干旱區(qū)至半干旱區(qū)逐漸減少的趨勢(shì),在距離騰格里沙漠最近的景泰縣最大,其次為靖遠(yuǎn),會(huì)寧最小,分別為2 727、2 703和2 490 h(圖5)。3縣區(qū)的年日照時(shí)數(shù)變化特征也不同,在景泰縣,表現(xiàn)為先緩慢增加后緩慢減少的趨勢(shì),1960-1981年,年平均日照時(shí)數(shù)緩慢增加,1981年至今,緩慢減少;靖遠(yuǎn)的變化特征為先緩慢減少,后增加比較明顯,1961-1980年,年平均日照時(shí)數(shù)緩慢減少,1981年至今,增加比較明顯;而對(duì)于會(huì)寧縣來說,總體呈減少趨勢(shì),1981年前減少比較明顯,1981年后減少比較緩慢。

2.2 氣候生產(chǎn)力變化特征 會(huì)寧縣的氣候生產(chǎn)潛力最大,其次為靖遠(yuǎn)縣,景泰縣最小,多年平

均值分別為:1 898、1 738和1 531 g/(m2·a)(圖6)。3縣區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力年變化特征也不同,景泰縣和會(huì)寧縣為逐漸降低,而靖遠(yuǎn)縣為先降低后增加,轉(zhuǎn)折年為1980年左右(圖6)。一般情況下,氣候生產(chǎn)力是隨著氣溫和降水量的變化而增減。當(dāng)降水量不變,僅考慮氣溫上升的影響時(shí),氣候生產(chǎn)力呈降低的趨勢(shì);當(dāng)溫度不變,降水量增加時(shí),氣候生產(chǎn)力呈增加趨勢(shì);即降水量影響氣候生產(chǎn)力變化遠(yuǎn)大于氣溫引起的變化。然而,假設(shè)的氣候變化突出了氣溫或降水量單一因子的變化作用。

圖4 隴中北部3縣1960-2008年年平均風(fēng)速變化特征

圖5 隴中北部3縣區(qū)1960-2008年年日照時(shí)數(shù)

圖6 隴中北部3縣區(qū)1960-2008年年氣候生產(chǎn)潛力變化特征

3 結(jié)論

景泰、靖遠(yuǎn)、會(huì)寧3縣為騰格里沙漠向黃土高原的過渡區(qū),該地區(qū)的氣候特征代表了我國(guó)干旱區(qū)向半干旱區(qū)過渡的類型,由上述分析可知,3縣區(qū)的年平均溫度在1984年前增加的幅度比較小,但在1980年后增加幅度較大,可以認(rèn)為1984年左右為該地區(qū)平均溫度發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于降水,3縣的年降水量變化特征也不同,景泰縣年降水量,處于比較平穩(wěn)的狀態(tài);靖遠(yuǎn)和會(huì)寧縣總體呈降低趨勢(shì),但會(huì)寧縣的降低幅度較大。同樣,由相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等分析可以看出,該地區(qū)在20世紀(jì)80年代中期為氣候變化的轉(zhuǎn)折時(shí)期。

研究利用Memorial模型研究了氣候變化而導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力改變對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,此方法計(jì)算簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率較高,對(duì)當(dāng)?shù)刈魑锓N植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、作物合理布局可提供依據(jù)和參考,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)模型研究結(jié)果,3縣區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力會(huì)寧縣最大,其次為靖遠(yuǎn)縣,景泰縣最小,多年平均值分別為:1 898、1 738和 1 531 g/(m2·a)。1960年以來,3縣區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力年變化特征也不同,景泰縣的氣候生產(chǎn)潛力為先增加后降低的趨勢(shì);靖遠(yuǎn)縣總體表現(xiàn)為降低的趨勢(shì),但不太明顯,而會(huì)寧縣為先降低后增加的趨勢(shì),同樣變化不明顯,變化時(shí)間為1984年左右,這與氣候類型的變化趨勢(shì)相似。

根據(jù)氣候資源的特點(diǎn),揚(yáng)長(zhǎng)避短,趨利避害,把經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益結(jié)合起來,因地制宜進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu),實(shí)行農(nóng)業(yè)區(qū)域開發(fā)。根據(jù)氣候規(guī)律,靖遠(yuǎn)、會(huì)寧的干旱半干旱山區(qū)應(yīng)增加糜谷、馬鈴薯、胡麻等耐旱作物種植面積,并根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)天時(shí)調(diào)整夏秋糧作物比例,如春末夏初早年應(yīng)減少夏糧,擴(kuò)大秋糧。同時(shí)擴(kuò)大地膜覆蓋面積,增強(qiáng)抗旱能力;以景泰為主的高揚(yáng)程灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)和靖遠(yuǎn)、會(huì)寧等黃灌區(qū)應(yīng)推廣模式化栽培,間套帶種植,大力發(fā)展高效農(nóng)業(yè)。在一些井灌區(qū)和“121”雨水集流區(qū)大力發(fā)展反季節(jié)瓜果蔬菜等特色產(chǎn)業(yè)。

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