長江沖積平原縣域氣候與氣候生產(chǎn)力變化分析——以湖北嘉魚縣為例

吳夢初，延軍平，李敏敏

（陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西西安710119）

20世紀末，全球變暖開始成為各國政府和人民廣泛關(guān)注的問題，也成為國內(nèi)外學者研究的熱點之一。全球變暖之所以受到如此大的關(guān)注，究其原因為它對人類生存和發(fā)展的各方面有巨大的影響。而農(nóng)業(yè)是對氣候變化響應(yīng)最為敏感的部門之一，氣候變化對農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)[1]。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?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力，也是提高生產(chǎn)力的有效途徑之一。尤其是當前全球氣候變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，特別是氣溫和降水的顯著變化給農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，氣候生產(chǎn)力的分析對制定適合區(qū)域的相應(yīng)對策尤為重要。

在全球變暖的大背景下，區(qū)域氣候變化深刻影響著當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展，這種影響在不同的區(qū)域可能產(chǎn)生有利的和不利的結(jié)果[2]。中國氣候變化有明顯的地區(qū)性，所以研究氣候變化對我國不同區(qū)域氣候生產(chǎn)力的影響，其結(jié)果應(yīng)該也不同[1]。目前，研究我國氣候變化對氣候生產(chǎn)力影響的文章多著眼于西北干旱區(qū)。如王偉等以延安市為例，研究了黃土丘陵溝壑區(qū)氣候與氣候生產(chǎn)力的變化情況[3]；孫楊等以西北干旱區(qū)為研究對象，分析了氣候變暖背景下該區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源變化情況[1]；張立偉等對咸陽市的氣候變化對農(nóng)作物氣候生產(chǎn)力的影響做了分析研究[2]等。這些研究[1-6]均表明，“暖濕型”氣候?qū)ψ魑锷a(chǎn)最有利；氣溫對氣候生產(chǎn)力的影響沒有降水大，降水對干旱區(qū)氣候生產(chǎn)力的貢獻率大。而研究降水豐沛地區(qū)氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)情況則相對較少，地方縣域氣候如何變化及對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響問題的分析則更少。

鑒于此，本文以長江沖積平原上的嘉魚縣為例，根據(jù)1957-2012年氣象資料，利用Thomthwaite Memoria模型，分析降水豐沛地區(qū)縣域氣候與氣候生產(chǎn)力的變化，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化能力提供科學依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北嘉魚（圖1）地屬長江沖積平原，縣境地狹長，總面積1018.4km2，總?cè)丝?1.9×104人。屬亞熱帶濕潤型季風氣候，在冊耕地面積3.06×104hm2，大體形成“一山三水四分田，兩分道路和莊園”的地貌格局。冬季氣溫下降慢、早春回溫快，農(nóng)業(yè)界限溫度（穩(wěn)定通過5℃的持續(xù)期）平均初日在2月27日，終日在12月10日。嘉魚縣資源豐富，區(qū)位優(yōu)越，素有“錦繡江南、魚米之鄉(xiāng)”的美譽。

圖1 嘉魚縣地理位置示意圖

1.2 資料來源

本文選用嘉魚縣氣象站1957-2012年的逐月平均氣溫和降水量，分析該研究區(qū)氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響。四季劃分為春季：3-5月、夏季：6-8月、秋季：9-11月、冬季：12-次年2月。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.3 研究方法

氣候生產(chǎn)力是指在一定的光、溫、水資源條件下，其他的環(huán)境因素(CO2、養(yǎng)分等)和作物群體因素處于最佳狀態(tài)，單位面積、單位時間由氣候因素所決定的植物上限產(chǎn)量[4]。常用的比較成熟的氣候生產(chǎn)力計算模型有Thornthwaite Memorial模型、Miami模型、Chikugo模型和北京模型[7]等。李曉冬、杜耘[8]等在研究湖北作物氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)時認為Lieth的ThornthwaiteMemorial模型考慮了氣溫和降水對生產(chǎn)力的共同作用，對作物生長力的估算更為準確。基于此，本文選用ThornthwaiteMemorial模型對嘉魚縣的氣候生產(chǎn)力進行研究。

模型的計算公式如下：

其中：Pv為作物的氣候生產(chǎn)力 [g/m2*a]，V是年平均蒸散量(mm)，R為年平均降雨量(mm)，L為年平均蒸發(fā)量(mm)，t為年平均氣溫(℃)。

2 氣候變化背景

2.1 年際氣候變化

通過對嘉魚縣1957-2012年年際氣候趨勢（圖2）分析，近56年研究區(qū)平均氣溫以0.221℃/10a（R2=0.3768，通過了α=0.05的顯著性水平）的速率遞增，略低于50年來全國增溫速 率 （0.25℃ /10a）[9-11]； 年 均 降 水 量 為 1399.9mm，以10.961mm/10a（R2=0.0046，未通過α=0.05的顯著性水平）的速率呈波動上升趨勢?？傮w來看，該縣氣候變化大致可劃分為以下三個階段：

圖2 氣溫和降水距平變化

第一階段：1957-1969年為“冷干期”。該時間段平均氣溫為16.9℃，上升速率僅為 0.033℃/10a；平均降水量為1345mm，下降速率高達96.154mm/10a。氣溫距平均為負值，1957年氣溫最低，為16.2℃；1968年降水量為849mm，僅為該縣近56年平均降水量的60.6%。

第二階段：1970-1987年為“冷濕期”。該時間段氣溫距平多為負值，平均氣溫仍為16.9℃，但增溫速率高達0.26℃/10a，溫度回升勢頭顯著；平均降水量為1420mm，較第一階段增加了75mm，變化趨勢由前期明顯減少轉(zhuǎn)變?yōu)橐?2.518mm/10a的速率增加。

第三階段：1988-2012年為“暖濕期”。氣溫距平多為正值，平均氣溫17.6℃，明顯高于前兩個階段，也高于近56年的均值，上升速率（0.263℃/10a）略高于第二階段。1997年以后氣溫持續(xù)上升，尤其是進入21世紀后，氣溫劇增，增幅達到最大值26.5%，為近56年來的最暖期，暖峰年出現(xiàn)在2006年（18.7℃）；平均降水量為1415mm，降水雖以23.279mm/10a的速率下降，但仍處于較高的水平，在2010年達到了最大值（1930mm）。值得注意的是，如果未來降水繼續(xù)保持該速率下降，嘉魚縣將進入氣候暖干期。

通過對嘉魚縣1957-2012年氣溫進行Mann-Kendall突變檢驗[12]發(fā)現(xiàn)（圖3），該區(qū)年均溫在1994年前后發(fā)生了由冷到暖的突變，通過了顯著水平為0.05的置信度檢驗；降水沒有發(fā)生明顯突變。

圖3 嘉魚縣1957-2012年平均氣溫Mann-Kendall檢驗

2.2 季節(jié)氣候變化

2.2.1氣溫季節(jié)變化 分析嘉魚縣1957-2012年四季氣溫變化趨勢（圖4）發(fā)現(xiàn)，四季氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，其中增溫速率最大的是春季，為0.327℃/10a；夏季增溫速率最小，為0.061℃/10a，與我國夏季的降溫趨勢（-0.23℃/10a）相反[7]。由5年滑動平均可知，該縣20世60年代中期至90年代中期各季均溫呈小幅度波動，90年代后期表現(xiàn)為顯著的上升趨勢。進入21世紀后，各季均溫均明顯高于均值，其中春季氣溫為17.80℃，高于56年來平均氣溫（16.76℃）1.04℃，其余三季氣 溫約高于當季均溫1℃。

圖4 嘉魚縣氣溫季節(jié)變化

2.2.2降水季節(jié)變化 分析嘉魚縣1957-2012年四季降水變化趨勢（圖5）發(fā)現(xiàn)，該縣降水的季節(jié)變化趨勢不統(tǒng)一：春秋兩季降水分別以14.592mm/10a和0.831mm/10a的速度遞減，且春季遞減速率遠大于秋季；而夏季和冬季降水則表現(xiàn)出增加的趨勢，其增加速率分別為19.33mm/10a和6.81mm/10a。19.33mm/10a遠大于6.81mm/10a，表明嘉魚縣的降水主要集中在夏季，春秋兩季降水的減少對農(nóng)作物的生長不利。由5年滑動平均得出，春秋兩季降水總體呈現(xiàn)小幅波動下降，沒有明顯的年代際變化。夏季平均降水量為524.91mm，20世紀60年代逐年小幅遞增；70年代前期驟減，后期又快速回升；80年代-90年代中期降水變化幅度小，90年代后期-21世紀初（2002年）達到了該期降水量的峰值694.2mm，后又開始減少。冬季平均降水量為172.88mm，70年代-90年代后期降水變化明顯，表現(xiàn)為：前期降水量急劇減少，后期又迅速增加。

圖5 嘉魚縣降水季節(jié)變化

3 氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響

3.1 氣候生產(chǎn)力年際變化

分析嘉魚縣近56年氣候生產(chǎn)力變化可知(圖6)：氣候生產(chǎn)力在20世紀50年代末期-60年代，正向時間序列統(tǒng)計值UF>0，說明Pv呈波動上升趨勢；60年代-70年代末期（該縣為“相對冷干-冷濕型”氣候）UF多在0值以下，說明氣候生產(chǎn)力在此時間段呈波動下降趨勢；1978年后（該縣氣候進入“相對暖濕期”）UF>0，氣候生產(chǎn)力增加速率加快。說明長江流域在降水總體變化不大的前提下，區(qū)域氣候生產(chǎn)力對氣溫的變化比較敏感，氣溫在一定幅度內(nèi)增加，其氣候生產(chǎn)力也基本上呈逐步增大的趨勢。Pv線性擬合方程為Y=1.4647x+1560，表明嘉魚縣Pv每年僅以1.4647kg/hm2(未通過α=0.05的顯著性水平)的速率增加。

圖6 嘉魚1957-2012年氣候生產(chǎn)力變化及其MK檢驗

3.2 未來氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響

假定未來由于各種因素導致氣候變暖或變冷，使嘉魚縣氣候在近56年平均降水量1400mm、平均氣溫17.22℃的基準上發(fā)生變化：氣溫升高或降低1℃、2℃或3℃，降水量增加或減少10%、20%或30%，利用ThomthwaiteMemoria模型分別計算不同氣候變化情境下氣候生產(chǎn)力的可能變化范圍[2-4]，計算結(jié)果見表1。

表1 未來氣候變化對氣候生產(chǎn)力的綜合影響 （單位：%）

表1顯示：氣候生產(chǎn)力隨氣溫或降水的變化而增減。當降水不變，氣溫升高1℃、2℃、3℃時，氣候生產(chǎn)力增加3.25%-9.36%，氣溫降低1℃、2℃、3℃時，氣候生產(chǎn)力減少3.35%-10.23%；而當氣溫保持不變，降水量增加或減少10%、20%、30%，氣候生產(chǎn)力則相應(yīng)增加1.88%-4.62%或減少2.38%-9.34%。另外，當降水保持不變，氣溫變化引起的氣候生產(chǎn)力變化，比當氣溫不變，降水變化引起的氣候生產(chǎn)力變幅大，進一步說明降水豐富的嘉魚，氣溫的變化對氣候生產(chǎn)力的貢獻率大。這和李曉冬、杜耘[8]等的研究結(jié)果一致（氣候生產(chǎn)力與氣溫，降水成正相關(guān)關(guān)系；當降水不發(fā)生變化時，湖北南部地區(qū)對氣候變化響應(yīng)明顯）。與西北干旱區(qū)降水對氣候生產(chǎn)力的影響強于氣溫的影響不同。綜合氣溫和降水變化發(fā)現(xiàn)，只有氣溫和降水同時增多，即“暖濕型”氣候變化時，氣候生產(chǎn)力才全部表現(xiàn)為增加趨勢，增產(chǎn)范圍為5.34%-15.68%，而當氣溫和降水同時減少，即“冷干型”氣候變化時，氣候生產(chǎn)力則全部表現(xiàn)為減少趨勢，減產(chǎn)范圍5.48%-17.05%。氣溫升高，降水減少，即氣候向暖干化轉(zhuǎn)變時，該縣氣候生產(chǎn)力經(jīng)歷了增加0.69%-減少0.16%-減少2.74%的變化。這說明短期內(nèi)暖干化氣候有利于嘉魚縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但長期將會對農(nóng)業(yè)造成不利影響，使氣候生產(chǎn)力降低。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）近56年嘉魚縣年均溫以0.221℃/10a的速率遞增，略低于50年來全國增溫速率（0.25℃/10a）；年均降水量為1399.9mm，以10.961mm/10a的速率呈波動上升趨勢?？傮w可大致劃分為三個階段：第一階段，1957-1969年為“冷干期”；第二階段：1970-1987年為“冷濕期”；第三階段：1988-2012年為“暖濕期”。

（2）近56年嘉魚縣四季氣溫呈現(xiàn)以不同速率上升的趨勢，其中增溫速率最大的是春季，為0.327℃/10a，最小的是夏季（0.061℃/10a），與我國夏季的降溫率（-0.23℃/10a）相反。四季降水變化趨勢不統(tǒng)一，表現(xiàn)為：春秋兩季減少，夏冬兩季分別以19.333mm/10a和6.810mm/10a的速度遞增?？傮w來看，嘉魚縣氣候有“暖濕化”的趨勢。

（3）近56年嘉魚縣氣候生產(chǎn)力呈波動上升趨勢。未來不同情景下的氣候生產(chǎn)力變化分析表明，“暖濕型”氣候環(huán)境可提高該區(qū)的氣候生產(chǎn)力5.34%-15.68%，“冷干型”氣候環(huán)境對該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最不利，減產(chǎn)范圍5.48%-17.05%。和西北干旱區(qū)不同的是，在降水豐沛地區(qū)，氣溫對氣候生產(chǎn)力的貢獻率大。目前嘉魚縣的氣候變化對氣候生產(chǎn)力是有利的。

4.2 討論

在全球變暖背景下，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響有利有弊。對于降水豐沛的湖北嘉魚縣，隨著溫度的升高，氣候生產(chǎn)力也將呈現(xiàn)不同的變化。一定范圍的升溫，可以優(yōu)化該區(qū)熱量資源，使得氣候生產(chǎn)力提高。但是氣候變暖必然帶來病蟲害的大量繁殖和衍生，也會增加極端天氣的發(fā)生概率[13]，這些都將嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，加重農(nóng)業(yè)災(zāi)害損失。因此，我們必須因時制宜，合理規(guī)劃，充分利用氣候資源，積極主動應(yīng)對氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

另一方面，氣候?qū)嶋H上是一個龐雜的系統(tǒng)，氣候因子不光有氣溫和降水兩個統(tǒng)計指標，還有風速、日照時數(shù)和相對濕度等衡量因子。本文基于氣候生產(chǎn)力計算模型ThomthwaiteMemoria，選用了氣溫和降水兩個主要統(tǒng)計量來反映嘉魚縣氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響，有一定的局限性，今后仍需做進一步完善。

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