未來氣候情景下廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的變化特征

廖雪萍，劉一江，李耀先，梁駿，梁駒，覃崢嶸

(1.廣西氣象減災研究所，廣西南寧520022;2.南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇南京210095;3.廣西大學，廣西南寧530004;4.英國雷丁大學，英國雷丁RG6 6BB)

未來氣候情景下廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的變化特征

廖雪萍1，劉一江2，李耀先1，梁駿3，梁駒4，覃崢嶸1

(1.廣西氣象減災研究所，廣西南寧520022;2.南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇南京210095;3.廣西大學，廣西南寧530004;4.英國雷丁大學，英國雷丁RG6 6BB)

利用區(qū)域氣候模式(PRECIS)，模擬生成A2情景下廣西冬季氣溫和降水氣候情景數(shù)據(jù)，經(jīng)模型訂正后，應用邁阿密模型(MiamiModel)和桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)估算基于廣西冬季平均溫度、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，預估未來廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征。結(jié)果表明:基于未來廣西冬季平均溫度估算的作物生產(chǎn)潛力隨時間呈增長趨勢，具有南高北低的緯向空間分布特征;基于冬季平均降水量估算的作物生產(chǎn)力和蒸散量估算的作物氣候生產(chǎn)潛力隨時間推移而減少，呈現(xiàn)東多西少的經(jīng)向空間分布特征。未來廣西的冬季熱量資源良好，但是受降水限制，基于平均蒸散量估算的廣西冬季作物氣候生產(chǎn)潛力下降，使得廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力下降的趨勢明顯，表明降水量是廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的決定性驅(qū)動因子。

PRECIS;農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力;情景預估;氣候變化;廣西

利用冬季良好的熱量資源發(fā)展冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是我國南方地區(qū)發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢的重要途徑［1－2］。廣西冬季光、溫、水等資源具有一定優(yōu)勢，這為發(fā)展冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供基礎保障，但冬季降水的不足和土壤水分缺失，給冬種生產(chǎn)帶來不良的影響［3－4］。在氣候變暖背景下，探究廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征，對確保區(qū)域冬種發(fā)展和糧食安全具有重要意義［5］。前人對氣候資源評價及作物生產(chǎn)潛力的分析研究較多，熊偉等［6］利用PRECIS分析了我國玉米產(chǎn)量變化，把PRECIS應用到農(nóng)作物、水資源和生態(tài)系統(tǒng)等諸多領域的專業(yè)模型中。胡亞南等［7］將PRECIS結(jié)合CERES-Maize玉米模型研究了內(nèi)蒙古阿拉善盟玉米對水資源的適應性。曹永旺等［8］應用Thomthwaite Memorial模型、EOF等數(shù)理方法對四川近52年氣候生產(chǎn)力的時空變化進行分析。潘虹等［9］利用1961－2010年貴州省81個氣象站的逐日氣溫和降水資料、DEM數(shù)據(jù)，采用Thornthwaite Memorial模型估算了全省氣候生產(chǎn)潛力。廖雪萍等［10］分析了廣西冬耕季農(nóng)業(yè)氣候資源對冬種馬鈴薯布局的影響，并給出了馬鈴薯冬作區(qū)劃布局。梁駿等［11］應用氣候生產(chǎn)潛力估算模式，結(jié)合氣候資源的GIS空間分析方法，探討了廣西冬季的氣候資源分布特征，估算了該時期冬種作物(馬鈴薯、番茄、紅薯、柿子椒、豌豆、煙草、小麥、油菜和玉米)的氣候生產(chǎn)潛力。前人研究多利用歷史氣候數(shù)據(jù)或區(qū)域氣候模式生成的未來情景數(shù)據(jù)，結(jié)合模型算法等技術手段，分析了地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的分布變化特征和其對氣候變化的響應。但針對未來廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力估算和分析的研究還鮮有報道。本文選取區(qū)域氣候模式PRECIS動力降尺度的方法產(chǎn)生的歷史時段，以及溫室氣體排放情景下未來時段的廣西冬季氣候情景數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行模型訂正，再利用邁阿密模型(Miami Model)和桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)進行廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力評估。最后應用ArcGIS，做出A2情景下專題分析圖，為廣西冬季氣候資源利用，應對氣候變化、趨利避害發(fā)展冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學參考依據(jù)和理論指導。

1 材料與方法

1.1 資料來源

IPCC《排放情景特別報告》(SRES)提出了A1、A2、B1和B2共4種溫室氣體排放情景，其主要驅(qū)動因素是人口、經(jīng)濟、技術和經(jīng)濟發(fā)展的方向。本研究選定A2情景，描述了人口持續(xù)增長，經(jīng)濟發(fā)展主要面向區(qū)域，人均經(jīng)濟增長和技術變化是不連續(xù)的，代表未來區(qū)域發(fā)展的可能性［12］。應用PRECIS生成中國區(qū)域的SRES情景，進一步利用動力降尺度方法，模擬產(chǎn)生A2排放情景下廣西區(qū)域冬季(12月至翌年2月)50 km×50 km、101個格點總數(shù)的網(wǎng)格氣候情景數(shù)據(jù)［13－14］。模擬冬季氣候要素，主要包括日平均氣溫和冬季降水量。分析時段選定為氣候基準時段(1961－2010年)、2020s(2011－2040年)、2050s(2041－2070年)和2080s(2071－2100年)。PRECIS模擬輸出值在廣西區(qū)域的格點分布由圖1給出。

圖1 廣西區(qū)域內(nèi)PRECIS輸出值格點分布Fig.1 The grids of PRECIS output over Guangxi

1.2 線性趨勢計算

用x表示樣本量為n的某一氣候變量，用t表示x所對應的時間，即

式中，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，a和b用最小二乘法進行計算。

1.3 氣候生產(chǎn)潛力的估算方法

氣候生產(chǎn)潛力的估算方法包括用平均溫度和降水量來估算作物生產(chǎn)量的邁阿密模型(Miami Model)，以及蒸散量估算作物氣候生產(chǎn)力的桑斯韋特紀念模型(Thornthwait Montreal Model)［15］。其中，桑斯維特紀念模型用平均實際蒸散量來建模，，體現(xiàn)多個氣象要素的綜合影響，其計算結(jié)果要比邁阿密模型更為合理，更加接近生產(chǎn)實際。因此，本文以桑斯韋特紀念模型的計算結(jié)果作為廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的估算值。

(1)邁阿密模型:

式中:T為平均氣溫;R為降水量;WT為根據(jù)平均氣溫估算的作物干物質(zhì)總量，WR為根據(jù)平均降水量估算的作物干物質(zhì)總量，單位kg·(hm2·a)－1［15］。

(2)桑斯韋特紀念模型:

式中:WR為作物氣候生產(chǎn)力，單位kg·(hm2·a)－1; V為平均實際蒸散量。

式中:R為降水量;L為平均最大蒸發(fā)量，單位mm［15］;T為平均氣溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量時間變化特征

根據(jù)公式(2)計算結(jié)果(圖2)，A2情景下，用冬季平均氣溫估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量(WT)均隨時間呈現(xiàn)上升趨勢。2020s時段的WT平均值達到15 603 kg·(hm2·a)－1，較基準時段增加838.78 kg·(hm2·a)－1。2080s時段WT平均值達到18534.37 kg·(hm2·a)－1，比基準時段增加2931.36 kg·(hm2·a)－1。

2.2 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量時間變化特征

根據(jù)公式(3)計算結(jié)果(圖3)，A2情景下，用冬季平均降水量估算的廣西作物生產(chǎn)量(WR)整體呈減少趨勢。2020s時段的WR為1868.46 kg·(hm2·a)－1，較基準時段的WR平均值偏低203.82 kg· (hm2·a)－1，比2080s時段的WR高出385.25 kg· (hm2·a)－1。到2080s時段的WR平均值將低至1483.21 kg·(hm2·a)－1，較基準時段的WR平均值偏低約589.0 kg·(hm2·a)－1。

2.3 廣西冬季作物(農(nóng)業(yè))氣候生產(chǎn)潛力時間變化特征

圖2 基于平均氣溫估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量變化趨勢Fig.2 The trend of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

圖3 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量變化趨勢Fig.3 The trend of crops productivity based on average precipitation in winter of Guangxi

根據(jù)公式(4)～(6)計算結(jié)果(見圖4)，A2情景下，未來時段的廣西冬季作物(農(nóng)業(yè))氣候生產(chǎn)潛力將整體呈減少趨勢，這與用冬季平均降水量估算的作物生產(chǎn)量WR的變化趨勢一致，與用冬季平均氣溫估算的作物生產(chǎn)量WT變化趨勢相反。2020s時段的廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力平均值為2106.27 kg·(hm2·a)－1，較基準時段減少284.01 kg· (hm2·a)－1。2080s時段，廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力平均值為1561.84 kg·(hm2·a)－1，比基準時段減少了828.44 kg·(hm2·a)－1。

2.4 基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量空間變化特征

由圖5可見，氣候基準時段廣西冬季作物生產(chǎn)量(WT)空間分布呈現(xiàn)南高北低，桂南以欽州、防城港、北海以及崇左市大部、玉林南部為最高，以桂林北部的資源和全州一線為最低。桂南與桂北的WT差異達9523 kg·(hm2·a)－1。A2情景下，未來各時段廣西各地區(qū)冬季作物生產(chǎn)量的最高值:2020s時段為19 608 kg·(hm2·a)－1，2050s時段為20 986 kg·(hm2·a)－1，2080s時段為23 050 kg· (hm2·a)－1。2020s時段，天等、平果、馬山、上林、北流一線以南的地區(qū)WT高于17 000 kg·(hm2· a)－1。桂西北地區(qū)的西林、樂業(yè)等地WT為14 000～15 000 kg·(hm2·a)－1，最低值的龍勝、灌陽和全州一帶也達12 000 kg·(hm2·a)－1以上，未來此地區(qū)的冬作生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿捎^。2050 s時段，桂北資源縣一帶為WT低值區(qū)域，WT不足13 000 kg· (hm2·a)－1。桂南地區(qū)，特別是沿海地區(qū)、崇左、南寧等市區(qū)的WT高達20 000 kg·(hm2·a)－1。2080 s時段，桂南甚至桂中地區(qū)的WT大于20 000 kg·(hm2·a)－1，桂北的資源縣WT超過14 000 kg ·(hm2·a)－1。

圖4 基于平均實際蒸散量估算的廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢Fig.4 The trend of climatic potential productivity based on average evapotranspiration in winter of Guangxi

圖5 不同時段基于平均溫度估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量分布Fig.5 The spatial distribution of crops productivity based on average temperature in winter of Guangxi

2.5 基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量空間變化特征

由圖6可見，氣候基準時段廣西冬季作物生產(chǎn)量(WR)呈東高西低的經(jīng)向分布特征，WR較高的地區(qū)集中在桂林、賀州和梧州等東部及東北部地區(qū)，其中資源、臨桂、鐘山一線以東地區(qū)高于3000 kg· (hm2·a)－1，合山、桂平、博白等地WR也達到2500 kg·(hm2·a)－1以上;WR相對較少地區(qū)集中在百色、河池和崇左北部等地區(qū)，其中南丹、東蘭、田東、天等和靖西一線以西的地區(qū)不足1200 kg·(hm2· a)－1。A2情景下，未來各時段廣西各地區(qū)冬季作物生產(chǎn)量(WR)估算:2020s時段，WR高于平均值1868 kg·(hm2·a)－1的地區(qū)在融水、柳江、貴港、博白和陸川以東的地區(qū)，WR最高值3285 kg·(hm2·a)－1出現(xiàn)在資源、灌陽;WR在1200 kg·(hm2·a)－1以下的地區(qū)將擴大至宜州、來賓、河池等地。2080s時段，廣西WR最高值2600 kg·(hm2·a)－1在鐘山、賀州八步區(qū)以東的地區(qū);百色右江區(qū)以東，隆安以北以及河池以南環(huán)形區(qū)域的WR不足1000 kg·(hm2·a)－1，由于降水缺少使得干旱的區(qū)域范圍和強度將逐漸增大，導致此地區(qū)冬季作物生產(chǎn)量低下，不利于冬季作物生長發(fā)育。

2.6 廣西冬季作物(農(nóng)業(yè))氣候生產(chǎn)潛力空間變化特征

由圖7可見，氣候基準時段廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力呈東高西低的經(jīng)向分布特征，氣候生產(chǎn)潛力較高的地區(qū)集中在桂東北地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力相對較少地區(qū)集中在百色大部、河池中西部以西和崇左北部等。廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征與基于平均降水量估算的作物生產(chǎn)量相一致。A2情景下，未來各時段廣西各地區(qū)冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力估算:2020s時段，廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力最高的地區(qū)位于桂東北地區(qū)，其中全州、灌陽和賀州八步區(qū)北部，其冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力為4023～4426 kg·(hm2·a)－1。天峨、鳳山、田東和靖西一線以西區(qū)域，冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力不足1200 kg· (hm2·a)－1。河池東部、南寧中部、欽州北部以及玉林南部地區(qū)冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力高于2000 kg ·(hm2·a)－1。2050s時段，賀州大部、梧州東北部和桂林東部地區(qū)冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力在3268～3581 kg·(hm2·a)－1，河池、都安、隆安、大新一線以西的地區(qū)，其冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力不足1200 kg ·(hm2·a)－1，其它地區(qū)約為2000 kg·(hm2· a)－1。2080s時段，廣西大部分地區(qū)冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力在2000 kg·(hm2·a)－1以下，較基準時段減少明顯。其中位于都安和馬山一帶的環(huán)形區(qū)域冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力不足1000 kg·(hm2·a)－1。

圖6 不同時段基于平均降水量估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量分布Fig.6 The spatial distribution of crops productivity based on average precipitation in winter over Guangxi

圖7 不同時段基于平均實際蒸散量估算的廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力分布Fig.7 The spatial distribution of crops productivity based on average evapotranspiration in winter over Guangxi

3 結(jié)論與討論

(1)基于未來(A2情景下)平均溫度估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量均隨時間呈現(xiàn)上升趨勢;而基于平均降水量估算的作物生產(chǎn)量和基于平均實際蒸散量估算的冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢。由此可見，未來廣西冬季良好的光溫條件將為冬作物提供適宜的生長環(huán)境，而降水量的減少使得水分條件欠缺，導致冬季作物生產(chǎn)量降低，冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力也隨之降低。

(2)未來(A2情景下)各時段的廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征一致。用平均溫度估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量基準時段平均值為15 603 kg·(hm2·a)－1，到2080s，增至18 300 kg·(hm2·a)－1，空間分布呈現(xiàn)南高北低的特征。而用平均降水量估算的作物生產(chǎn)量呈現(xiàn)東高西低的經(jīng)向空間分布特征，在基準時段下為2072 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至1483 kg·(hm2·a)－1。廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征與用平均降水量估算的廣西冬季作物生產(chǎn)量的空間分布特征一致，其基準時段的平均值為2390 kg·(hm2·a)－1，到2080s降至約1561 kg·(hm2·a)－1。

(3)未來廣西的冬季熱量資源良好，但是由于受降水限制，廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力下降的趨勢明顯，冬季降水量是廣西冬季農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的決定性驅(qū)動因子。

本研究只對A2情景下基于廣西冬季平均溫度、降水和實際蒸散量對作物生產(chǎn)量和作物氣候生產(chǎn)潛力進行估算與分析，由于缺乏廣西冬作物的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，未能對各氣象要素與作物產(chǎn)量關系以及農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力利用率進行分析。以后將對某一冬季作物的氣候生產(chǎn)潛力進行研究，并且進一步完善訂正氣候生產(chǎn)潛力模型。

［1］謝暉.2001－2002年廣西冬作季氣候及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響［J］.廣西氣象，2002，23(2):35－36，57.

［2］陳慧嫻，陳創(chuàng)買，楊召瓊.廣東冬季水資源的預測和因子背景場分析［J］.氣象研究與應用，2010，31(1):20－25.

［3］龍紅.氣候變暖對云南省冬作物影響［J］.云南農(nóng)業(yè)科技，2006，(5):9－11.

［4］陸甲，廖雪萍，李耀先.廣西農(nóng)業(yè)旱災對氣溫降水的響應特征［J］.氣象研究與應用，2015，36(2):66－69.

［5］梁雋玫，李耀先.廣西氣候與全球氣候變化趨勢異同點［J］.廣西氣象，2000，21(2):26－29.

［6］熊偉，許吟隆，林而達，等.IPCC SRES A2和B2情景下我國玉米產(chǎn)量變化模擬［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2005，26(1):11－15.

［7］胡亞南，許吟隆，劉穎杰.氣候變化情景下阿拉善盟灌溉玉米對水資源的適應性研究［J］.中國農(nóng)學通報，2013，29(6):63－68.

［8］曹永旺，延軍平.氣候變化下四川盆地氣候生產(chǎn)力時空響應［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2015，36(2):284－290.

［9］潘虹，邱新法，廖留峰，等.近50年貴州省氣候生產(chǎn)潛力時空變化特征［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28(11):158－163.

［10］廖雪萍，梁駿，黃梅麗，等.廣西冬耕季農(nóng)業(yè)氣候資源對冬種馬鈴薯布局的影響［J］.氣象研究與應用，2013，33(4):47－50.

［11］梁駿，杜裕，梁駒，等.廣西冬季氣候資源與冬作氣候生產(chǎn)潛力分布特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40(8):4762－4766，4865.

［12］秦大河，陳振林，羅勇，等.氣候變化科學的最新認知［J］.氣候變化研究進展，2007，3(2):63－73.

［13］許吟隆，張勇，林一驊，等.利用PRECIS分析SRESB2情景下中國區(qū)域的氣候變化響應［J］.科學通報，2006，51(17):2068－2074.

［14］許吟隆，黃曉瑩，張勇，等.PRECIS對華南地區(qū)氣候模擬能力的驗證［J］.中山大學學報(自然科學版)，2007，46(7):93－97.

［15］楊海寬，安沙舟.應用Miami和Montreal模型評價昭蘇馬場草地資源生產(chǎn)潛力［J］.新疆農(nóng)業(yè)科學，2013，50(8):1519－1527.

［16］陸耀凡，廖雪萍，陳欣，等.廣西右江河谷旱作灌溉需水量變化特征［J］.氣象研究與應用，2015，36(1):100－104.

(責任編輯 汪羽寧)

Change of W inter Agricultural Climatic Potential Productivity of Guangxi under Future Climate Scenario

LIAO Xue-ping1，LIU Yi-jiang2，LIYao-xian1，LIANG Jun3，LIANG Ju4，QIN Zheng-rong1
(1.Guangxi Meteorological Disaster Mitigation Institute，GuangxiNanning 530022，China;2.Nanjing Agricultural University，Jiangsu Nanjing 210095，China;3.Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China;4.University of Reading，Reading RG6 6BB，UK)

In this study，it ismeaningful tomake a thorough inquiry to explore the fact that the agricultural climate production potentialwill be involved in climate change in Guangxi.The PRECIS(Providing RegionalClimate for Impact study)regional climatemodeling system was used to generate the winter climate scenario(SRES/A2)dataset over Guangxi.The simulated temperature and precipitation were corrected with differentmodelmethods.Then the Miamimodel and ThornthwaitMontrealmodelwere used to produce the estimation of Guangxiwinter temperature，water and evapotranspiration climate production potential，being estimated the temporal and spatial distribution and variation characteristics of Guangxiwinter climate production potential in the future.The climate production potentialof temperaturewith an increasing trend over time，and the North South high-low latitude to the space distribution characteristics in the future in winter in Guangxi.The climate productive potential of precipitation and evapotranspiration estimation would decrease time by time，showing from east to west to the spatial distribution characteristics.The winter heat resourceswaswell for farming in the future in Guangxi，but itwas restricted by the limitation of precipitation，making the rapidly decrease of the evapotranspiration climate production potential.It showed thatwinter rainfallwas the decisive driving force forwinter climate production potential.

PRECIS;Agricultural climatic potential productivity;Scenario projection;Climate change;Guangxi

S16

A

1001－4829(2017)2－0438－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.033

2016－11－03

廣西區(qū)氣象局重點攻關項目(桂氣科201505)

廖雪萍(1967－)，女，廣西北流人，高級工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)與氣候變化關系等研究。