博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力對區(qū)域氣候變化的響應

陳 濤，陳洪武，楊 遼

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046）

博爾塔拉蒙古自治州（以下簡稱博州）地處亞歐大陸腹地，位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，位居79°53′～83°53′E，44°02′～45°23′N，在準噶爾西緣，東連塔城地區(qū)，南接伊犁哈薩克自治州，西北部與哈薩克斯坦接壤，自治州西、北、南三面環(huán)山，中間是喇叭狀的谷底平原，東西長315 km，南北寬125 km?？偯娣e2.7×104km2。地貌特征大致由南北兩側(cè)山地、中部博爾塔拉谷地和東部艾比湖盆地三大單元組成。氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍照諘r間長，晝夜溫差大，極端最高氣溫44 ℃，極端最低氣溫-36 ℃，無霜期153～195 d。博州是一個農(nóng)牧結(jié)合的地州，地形由東向西呈坡形逐漸增高，宜農(nóng)、宜牧、宜林、宜漁。全球變化背景下的氣候變化，對植被生長產(chǎn)生的最主要的影響是植被生產(chǎn)力的變化[7-16]。但是，以往的研究成果中，多注重本區(qū)氣候?qū)θ蜃兓捻憫潭妊芯縖1-3]，特別是博州地區(qū)，辛渝、楊勇、劉忠禮等人的研究也僅是針對本地區(qū)的氣候變化趨勢[19-21]。本文在分析博州地區(qū)氣候變化特征的基礎上，運用氣候生產(chǎn)力模型，定量分析本地區(qū)氣候生產(chǎn)力的變化及其對植被的影響，并就氣候變化對未來植被的影響做適當?shù)念A測，促進本地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 資料來源與研究方法

所用氣象資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心所提供的博州地區(qū)3個氣象站點（即博樂市、溫泉縣、精河縣）1981—2010年之間的連續(xù)數(shù)據(jù)，時間跨度近30 a，數(shù)據(jù)類型包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和逐旬降水量。影響植被生長的因素是多方面的，例如氣候、土壤、水分、品種、植被群體結(jié)構(gòu)等，因此計算氣候生產(chǎn)力的模型也很多，如邁阿密模型、蒙特利爾模型、筑后模型等[17-18]?？紤]到簡便實用又能清楚說明氣候變化的影響，并且在新疆地區(qū)具有一定的可行性[6-8]，選用了Tharnthwaite Memoriae 模型來估算氣候生產(chǎn)力[6]。Leith 根據(jù)世界各地植被產(chǎn)量與年平均氣溫、降水量之間的關(guān)系，提出了用實際蒸散量計算植被的氣候生產(chǎn)力的公式，即Tharnthwaite Memoriae 模型：

式中，TSPV 是以實際蒸發(fā)量計算得到的植物氣候生產(chǎn)力，單位kg·m－2·a-1；V 為年平均實際蒸發(fā)量，單位mm；N 為年平均降水量，單位mm；L 為年最大蒸發(fā)量，單位mm；t 為年平均氣溫，單位℃。當N/L>0.316 時（3）式適用；N/L<0.316 時取V=N。

2 博州地區(qū)近30 a 來氣候變化分析

2.1 近30 a 來氣溫的變化規(guī)律

博州地區(qū)近30 a 來氣溫在波動中呈上升趨勢，增長率為0.06 ℃·a-1，多年平均氣溫為6.37 ℃，年平均最高氣溫與最低氣溫相差2.9 ℃（圖1）。結(jié)合氣溫變化曲線，采用5 a 滑動平均的方法檢測氣溫序列發(fā)現(xiàn)近30 a 來博州地區(qū)年平均氣溫在2000年以前大致呈現(xiàn)以9 a 一個周期的冷暖變化；但在2000年以后，呈現(xiàn)異常偏暖，其平均溫度較之前的20 a 高出了0.8 ℃，其中有8 a 氣溫為正距平。

圖1 博州地區(qū)近30 a 氣溫變化

博州地區(qū)的四季氣溫在過去30 a 均呈現(xiàn)上升趨勢，但上升趨勢各不相同（圖2）。其中春季和秋季氣溫增長幅度較大，其增長率分別為：0.05 ℃·（10 a-1）和0.06 ℃·（10 a-1），秋季氣溫上升趨勢最大，秋季氣溫自1994年后有12 a 氣溫為正距平。特別是近10 a，平均氣溫較前20 a 上升了1.3℃；春季氣溫自1995年后增長迅速，其中有11 a 氣溫為正距平。夏季和冬季的氣溫增長趨勢不很明顯，其增長率分別為0.03 ℃·a-1和0.02 ℃·a-1。

圖2 博州地區(qū)近30 a 季節(jié)氣溫變化

2.2 近30 a 來降水量的變化

博州地區(qū)多年平均降水量為188.2 mm，近30 a來降水量總體呈增多趨勢（圖3），平均每10 a 增加3.2 mm。同樣采取5 a 滑動平均的方法檢驗降水序列，發(fā)現(xiàn)近30 a 來博州地區(qū)降水量在2001年以前處在偏少期，并且年季變化較大,其中1998年出現(xiàn)近30 a 來的最低值109.8 mm。2001—2003年，降水異常偏多，其中2003年達到最大值283.1 mm。2003年以后至今，又呈現(xiàn)減少的趨勢。

圖3 博州地區(qū)近30 a 降水量變化

博州地區(qū)四季降水變化在近30 a 來變化也不相同（圖4）。其中春、夏和冬季降水量呈上升趨勢，秋季降水量減少。春、夏和冬季降水量每10 a分別增長：3.9 mm、3.1 mm 和2.1mm，但是年季變化幅度較大，秋季降水量每10 a 減少1.6 mm，僅有1987年和2003年出現(xiàn)較大強度降水。

圖4 博州地區(qū)近30 a 季節(jié)降水量變化

2.3 氣候要素的年代際變化和地域差異

博州地區(qū)近30 a 來氣溫呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，近10 a 氣溫最高。近10 a 的平均氣溫比80年代高出了1.0 ℃。通過把氣溫和降水與其多年平均值比較，結(jié)合其年代變化趨勢和變率，定義博州地區(qū)的氣候冷暖干濕組合特征（表1）。

表1 博州地區(qū)不同時期氣候特征

博州地區(qū)按照自西向東分別為溫泉縣、博樂市、精河縣，其多年平均氣溫增長率分別為：0.04、0.04、0.05 ℃·10 a-1。東部的精河縣溫度最高，且增溫速度最快。西部的溫泉縣溫度較其東部兩地年平均氣溫最低。博州地區(qū)的降水量呈現(xiàn)自西向東逐漸遞減的趨勢。西部的溫泉縣年降水量較其他兩地較多。東部的精河縣降水最少。溫泉縣和博樂市的年降水量在近30 a 來呈現(xiàn)遞增的趨勢，其多年增長率分別為1.58、0.68 mm·a-1?？梢娢鞑康臏厝h年降水量增幅最大。東部的精河縣年降水量在近30年來呈現(xiàn)降低趨勢，其年降水量增長率為-1.5 mm·a-1。博州地區(qū)氣候特征由80年代的冷濕轉(zhuǎn)為90年代的暖濕，而自2000年以后的近11 a 總體呈現(xiàn)暖濕的趨勢。但是2003年以后，降水量呈現(xiàn)遞減趨勢，其遞減率為5.7 mm·10 a-1。

3 博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力評估

3.1 氣候生產(chǎn)力的年際變化

將年平均溫度、年降水量帶入（1）～（3）式計算，獲得博州地區(qū)1981—2010年氣候生產(chǎn)力變化（圖5）。博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力多年平均值為45 805.6 kg·hm-2，近30 a 來呈逐漸增加的趨勢，其增長率為242.5 kg·hm-2·a-1。博州地區(qū)氣候生產(chǎn)率在1981—2003年波動起伏較大，在2003年以后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。在1985年出現(xiàn)最低值29 448.6 kg·hm-2，在2003年出現(xiàn)最大值為67 267.2 kg·hm-2。

圖5 博州地區(qū)近30 a 氣候生產(chǎn)力變化

博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力在20世紀80 和90年代均呈現(xiàn)上升趨勢，其增長率分別為247.1 kg·hm-2·a-1和121.4 kg·hm-2·a-1。但是近10 a 氣候生產(chǎn)力呈下降趨勢，其平均每年下降183.7 kg·hm-2。博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力自西向東在近30 a 大體上呈現(xiàn)遞減趨勢，只有90年代博樂市平均氣候生產(chǎn)力低于東部的精河縣（表2）。

表2 博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力年代變化（kg·hm-2）

3.2 氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響分析

植物氣候生產(chǎn)力（climatic productivity）[1]是指某一地區(qū)植物群體在土壤肥力等其他條件滿足其生長發(fā)育的情況下，由光、熱、水等氣候因子決定的單位土地面積上植物最大生物量，包括地上和地下部分。某一區(qū)域的植物凈氣候生產(chǎn)力主要決定于該區(qū)域的光、熱和水資源，但是不同年份的光、熱和水能資源有明顯的差異。博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力在暖濕型氣候下增長幅度較快，在冷濕型氣候下呈現(xiàn)下降趨勢。通過對比氣候生產(chǎn)力與氣溫和降水的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：博州地區(qū)2 縣1 市的氣候生產(chǎn)力與降水量呈顯著性相關(guān)，與氣溫的相關(guān)性不明顯。相關(guān)性系數(shù)分別為0.68和0.17，降水量是博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力最主要的限制因子。氣候生產(chǎn)力除了受降水、氣溫影響外，還與相對濕度、日照時數(shù)、土壤溫度等因子有關(guān)。

3.3 實際生產(chǎn)力對氣候生產(chǎn)力的響應

分析為了衡量關(guān)中植被的氣候資源利用率，定義實際產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)力之比為植被生產(chǎn)力利用率[10]，即：

植被氣候生產(chǎn)力利用率=（實際產(chǎn)量/氣候生產(chǎn)力）×100%。 （4）

由于受到自然條件和社會條件的限制，博州地區(qū)植被氣候生產(chǎn)力利用率相對較低，氣候生產(chǎn)潛力較大，以博州地區(qū)糧食單產(chǎn)為例（表3），其氣候生產(chǎn)力利用率最高在2009年達到33.08%。

做2002—2010年實際糧食產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，氣候生產(chǎn)力與實際生產(chǎn)力相關(guān)性不明顯，其相關(guān)系數(shù)為0.11。但這并不說明實際生產(chǎn)力不受氣候生產(chǎn)力的影響。由表3 可以看出，目前氣候生產(chǎn)力的利用率普遍較低。隨著農(nóng)田水利設施的改善，農(nóng)藥和化肥的大量使用，氣候生產(chǎn)力的利用率將會逐漸提高。因此研究氣候生產(chǎn)力的時空演變規(guī)律，對于預測未來的農(nóng)作物產(chǎn)量變化和增長幅度，具有很重要的現(xiàn)實意義。

表3 博州地區(qū)氣候生產(chǎn)和與實際生產(chǎn)力

3.4 未來氣候變化對氣候生產(chǎn)力影響的敏感性分析

盡管未來的氣候難以預測，但是多數(shù)學者認為新疆的氣候未來將向暖濕化方向發(fā)展[4-5]。借助這些研究結(jié)論，計算未來一段時期內(nèi)博州地區(qū)氣候生產(chǎn)力的變化，進而為未來的植被長勢做出初步的預測。以2010年的數(shù)據(jù)為基礎（氣溫為7.1 ℃，降水量為179 mm，氣候生產(chǎn)力為42 838.5 kg·hm-2），假設未來博州地區(qū)年平均氣溫在變幅-2、-1、0、1、2 ℃，年降水量在變幅-20%、-10%、0%、10%、20%的情況下，計算氣候生產(chǎn)力的可能變幅（表4）。

表4 氣候變化下氣候生產(chǎn)力變化百分率/%

由表4 可以看出，在光照條件不變的情況下，氣溫升高，降水量增加，氣候生產(chǎn)力均呈增加的趨勢。當氣候在處于暖濕情況下（氣溫上升1 ℃，降水量增加10%），氣候生產(chǎn)力將增加11.01%。當氣候處于暖干型（氣溫上升1 ℃，降水減少10%）和冷干型（氣溫下降1 ℃，降水減少10%）情況下，氣候生產(chǎn)力分別降低11.01%和14.33%。可見暖濕型氣候有利于植被的生長。

4 結(jié)論

博州地區(qū)近30 a 來氣溫呈增長趨勢，增長率為0.06 ℃·10 a-1，降水呈增加趨勢，平均每10 a 增加3.2 mm。春季和夏季的降水量分別以0.39 mm·a-1和0.31 mm·a-1的平均速度增加。但是秋季的降水量以0.16mm·a-1的平均速度下降。進入21世紀以來，博州地區(qū)氣候呈現(xiàn)“暖干化”的特征。但是夏季和秋季呈現(xiàn)暖干化，并且夏旱情況越來越嚴重。

博州地區(qū)氣候生產(chǎn)近30 a 來呈現(xiàn)波動增長趨勢，其中多年平均值為45 805.6 kg·hm-2，平均每年增242.5 kg·hm-2。降水量對氣候生產(chǎn)力的影響程度遠大于氣溫對其的影響，降水與氣候生產(chǎn)力呈顯著相關(guān)，應該是博州地區(qū)氣候生產(chǎn)率最主要的影響因子。

博州地區(qū)“暖濕型”氣候?qū)χ脖簧L最為有利，其有利于植物干物質(zhì)的積累，若未來氣溫升高1～2℃，降水量增加10%～20%，則博州地區(qū)植被生產(chǎn)力將增加11.0%～20.1%。“暖干型”和“冷干型”氣候?qū)χ脖坏纳L極為不利，單位面積分別減少13.9%和20.1%。未來5 a 新疆地區(qū)氣候的暖濕化有助于氣候生產(chǎn)力的提升，也有利于該地區(qū)的植被生長。

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