內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化及其敏感性分析*

劉 新，劉林春，尤 莉，張 宇

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內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化及其敏感性分析*

劉 新1，劉林春2，尤 莉1，張 宇1

（1．內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，呼和浩特 010051；2．內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，呼和浩特 010051）

利用內(nèi)蒙古地區(qū)110個(gè)氣象站1961?2016年年平均氣溫、降水量數(shù)據(jù)，基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力，分析內(nèi)蒙古地區(qū)年平均氣溫、年降水量及氣候生產(chǎn)潛力的時(shí)空變化特征，并通過敏感性試驗(yàn)，分析不同氣象要素變化情景下的氣候生產(chǎn)潛力敏感性。結(jié)果表明：（1）內(nèi)蒙古氣溫和降水量地區(qū)間差異顯著，56a來平均氣溫顯著上升，97%的站點(diǎn)平均氣溫上升趨勢(shì)極顯著（P＜0.01），降水量呈波動(dòng)變化，其線性變化趨勢(shì)不顯著；（2）氣候生產(chǎn)潛力呈東南?西北向的帶狀分布，地區(qū)間差異較大，年變化趨勢(shì)不顯著，呼倫貝爾地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力顯著增加（P＜0.05）；（3）氣候生產(chǎn)潛力對(duì)降水量更敏感，未來在內(nèi)蒙古地區(qū)顯著變暖的背景下，降水量的多寡決定氣候生產(chǎn)潛力的變化；（4）糧食單產(chǎn)及氣候資源利用率逐步提高，未來仍存在作物增產(chǎn)空間，但應(yīng)考慮可持續(xù)發(fā)展問題，合理利用氣候資源。

“鐮刀彎”地區(qū)；氣候生產(chǎn)潛力；氣候變化；敏感性；氣候資源利用率

目前全球氣候正經(jīng)歷一場(chǎng)以變暖為主要特征的顯著變化，它對(duì)自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)都產(chǎn)生了重要影響，隨著增溫量值及其速率的明顯增加，負(fù)面影響將可能加深加重[1-2]。氣候變化對(duì)生態(tài)脆弱的干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響更為巨大[3-4]，它改變了氣溫、降水、光照等氣象要素的時(shí)空分布格局[5]，從而直接影響了氣候生產(chǎn)潛力[6-7]，進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及糧食安全構(gòu)成一定威脅[8]。內(nèi)蒙古糧食產(chǎn)區(qū)屬“鐮刀彎”地區(qū)之一，包括半濕潤(rùn)、半干旱和干旱氣候類型，是氣候變化脆弱的地區(qū)，作物生長(zhǎng)對(duì)氣候變化較敏感[9]，土地資源豐富，光熱條件好，但水資源緊缺，土壤退化沙化，災(zāi)害種類多、發(fā)生頻繁、災(zāi)情嚴(yán)重，其中干旱發(fā)生概率最大、影響范圍最廣、危害程度最重[10]。為有效應(yīng)對(duì)氣候變化、保障糧食安全，研究?jī)?nèi)蒙古氣候生產(chǎn)潛力與光、溫、水資源配合協(xié)調(diào)的程度及地區(qū)差異，對(duì)合理調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，促進(jìn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，具有重要的意義。

許多學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)氣候變化規(guī)律及其對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響作了較多的分析和研究，并得出一些有價(jià)值的結(jié)論。白美蘭等[11]研究表明，氣溫和降水的變化是決定內(nèi)蒙古地區(qū)氣候資源生產(chǎn)潛力的主要因子；高浩等[12]研究了內(nèi)蒙古中部草原氣候生產(chǎn)潛力特征，結(jié)果表明不同草原類型溫度與降水變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響有差異性；韓芳等[13]研究表明內(nèi)蒙古荒漠草原中部牧草氣候生產(chǎn)力增加顯著；張偉科等[14-15]對(duì)內(nèi)蒙古天然草地生產(chǎn)潛力及其限制性進(jìn)行了研究，得出不同地域、不同草地類型生產(chǎn)潛力的主導(dǎo)限制因子不同的結(jié)論；何玉斐等[16]以多倫縣為例研究?jī)?nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生產(chǎn)潛力，結(jié)果表明降水對(duì)草地生產(chǎn)潛力的限制作用更為明顯；楊澤龍等[17]對(duì)內(nèi)蒙古東部氣候變化及草地生產(chǎn)潛力進(jìn)行了區(qū)域性分析。但以往研究多以草地等特定類型氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)整體氣候生產(chǎn)潛力變化特點(diǎn)研究較少，因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行深入分析，探討氣候生產(chǎn)潛力的變化特征及對(duì)氣象要素變化的敏感性，以期為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和資源優(yōu)化配置提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

考慮資料序列的完整性，篩選內(nèi)蒙古自治區(qū)范圍內(nèi)110個(gè)氣象站進(jìn)行計(jì)算分析。各站1961?2016歷年平均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古氣象信息中心；考慮資料的連續(xù)性，使用1981年以來的逐年糧食作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，1981?2015年內(nèi)蒙古地區(qū)逐年糧食作物產(chǎn)量資料來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)潛力

Miami模型能夠反映自然狀態(tài)下水熱單因子對(duì)潛在生產(chǎn)力的影響[18]，Thornthwaite Memorial模型在Miami模型的基礎(chǔ)上考慮了與植物產(chǎn)量密切相關(guān)的蒸散量，體現(xiàn)多個(gè)氣象要素的綜合影響[19]。由于這兩個(gè)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，需要的參數(shù)少，而被廣泛地應(yīng)用于大范圍的氣候生產(chǎn)潛力變化格局研究中[20]。因此，本研究選取Miami模型和Thornthwaite Memorial模型進(jìn)行計(jì)算，利用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算綜合氣象要素影響下的氣候生產(chǎn)潛力，Miami模型用以計(jì)算分析氣溫和降水量單要素對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響。

氣溫生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力利用Miami模型計(jì)算，即

Yt=3000/（1 + e1.315?0.119t） （1）

Yr=3000（1?e?0.000664r） （2）

式中，Yt、Yr分別為由年平均溫度和年平均降水量決定的氣溫生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力（g·m?2·a?1），t為年平均氣溫（℃），r為年降水量（mm），e=2.7183。

氣候生產(chǎn)潛力利用Thornthwaite Memorial 模型計(jì)算，即

Ye=3000[1?e?0.0009695（V?20）] （3）

V=1.05r/[1+（1.05r/L）2]1/2（4）

L=300+25t+0.05t3（5）

式中，Ye為氣候生產(chǎn)潛力（g·m?2·a?1），綜合考慮了氣溫和降水的配合狀況；V為年平均實(shí)際蒸散量（mm），L為年平均最大蒸散量（mm）。

1.2.2 敏感性分析

假定氣溫升高、不變和降低，降水量增加、不變和減少的不同組合變化情景，代入氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算模型中，模擬分析相對(duì)變化率，以反映氣候生產(chǎn)潛力對(duì)氣溫和降水量變化的敏感性。

1.2.3 氣候資源利用率

以實(shí)際糧食產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)潛力之比表示農(nóng)業(yè)氣候資源利用率[21]，即

氣候利用率(%)=(糧食產(chǎn)量/氣候生產(chǎn)潛力)×100% （6）

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫和降水量的時(shí)空特征分析

由圖1a可見，內(nèi)蒙古地區(qū)東西跨度較大，氣溫差異明顯，平均氣溫極差在14.2℃，其中年平均氣溫最高的地區(qū)在烏海市（9.8℃），最低的地區(qū)在呼倫貝爾市圖里河（?4.4℃）。1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)年平均氣溫顯著上升（P＜0.01），97%的站點(diǎn)平均氣溫變化趨勢(shì)顯著，各站氣溫變化傾向率在0.04～0.59℃×10a?1（P＜0.01），其中呼倫貝爾市北部、包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市北部等地區(qū)增溫最明顯。由歷年氣溫距平變化可見（圖2），全年氣溫變幅在?1.8～1.6℃，1989年之前主要以負(fù)距平為主，之后轉(zhuǎn)為正距平，其中尤以20世紀(jì)末?21世紀(jì)初期增溫幅度最大。

由圖1b可見，內(nèi)蒙古地區(qū)年降水量地區(qū)間差異顯著，年降水量最多的是呼倫貝爾市鄂倫春旗（35.4mm），最少的是阿拉善盟額濟(jì)納旗（537.8mm），二者相差達(dá)502.4mm。1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)平均年降水量線性變化趨勢(shì)不顯著，僅有2站年降水量呈顯著增加趨勢(shì)（P＜0.05）。由歷年降水量距平百分率變化可見（圖2），降水量變幅在?27.6%～39.7%，1998年降水量距平達(dá)到峰值，進(jìn)入21世紀(jì)后降水量明顯偏少，為56a來降水量最少的時(shí)期。

2.2 氣候生產(chǎn)潛力的時(shí)空特征分析

2.2.1 空間變化特征

內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫生產(chǎn)潛力與氣溫的空間分布相近（圖略），呼倫貝爾市北部地區(qū)氣溫生產(chǎn)潛力最小，不足600g·m?2·a?1，西部大部及包頭市南部、呼和浩特市南部、赤峰市東南部、通遼市大部、興安盟南部地區(qū)氣溫生產(chǎn)潛力最大，超過1000g·m?2·a?1。降水生產(chǎn)潛力與降水量空間分布相近（圖略），呼倫貝爾市東部地區(qū)降水生產(chǎn)潛力最大，超過800g·m?2·a?1，阿拉善盟西部降水生產(chǎn)潛力最小，不足200g·m?2·a?1。氣候生產(chǎn)潛力綜合了氣溫和降水生產(chǎn)潛力的分布特點(diǎn)，總體上接近降水生產(chǎn)潛力分布，呈現(xiàn)東南?西北向的帶狀分布（圖3），地區(qū)間差異較大，在48.6～796.3g·m?2·a?1，東南部地區(qū)及錫林郭勒盟南部、烏蘭察布市南部、呼和浩特市大部、包頭市南部、鄂爾多斯市南部地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力最大，超過600g·m?2·a?1，阿拉善盟北部氣候生產(chǎn)潛力最小，不足200g·m?2·a?1。研究期內(nèi)內(nèi)蒙古地區(qū)有16.4%的站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力顯著增加，主要分布在呼倫貝爾地區(qū)，其氣候生產(chǎn)潛力變化傾向率在0.1～0.31g·m?2·a?1（P＜0.05）。

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)年平均氣溫（a）、年降水量（b）的分布及其線性變化顯著性

圖2 1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)年平均氣溫距平、年降水量距平百分率的變化

圖3 1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力（g·m?2·a?1）的分布及其線性變化顯著性

2.2.2 時(shí)間變化特征

由圖4可以看出，1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫生產(chǎn)潛力年際變化呈顯著的波動(dòng)增加趨勢(shì)（P＜0.01），降水生產(chǎn)潛力波動(dòng)較大，但年變化趨勢(shì)不明顯。氣候生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力變化相近，也沒有顯著的年變化趨勢(shì)，年際間差異較大，最小年在1965年，為438.5g·m?2·a?1，最大年在1998年，達(dá)693.8g·m?2·a?1，21世紀(jì)初氣候生產(chǎn)潛力明顯偏小。56a平均氣溫生產(chǎn)潛力為977.8g·m?2·a?1，降水生產(chǎn)潛力為569.6g·m?2·a?1，氣候生產(chǎn)潛力為572.8g·m?2·a?1，氣溫生產(chǎn)潛力值明顯偏大，約為降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的1.7倍，說明內(nèi)蒙古地區(qū)熱量條件相對(duì)充足，而水分條件相對(duì)不足，氣候生產(chǎn)潛力主要受制于降水。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力的敏感性分析

假設(shè)不同的氣溫、降水變化情景，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行敏感性分析。分析可見，全區(qū)氣溫變幅總體在?2～+2℃范圍內(nèi)，降水量變幅多數(shù)年份在?20%～+20%，因此，假定年平均氣溫變化?2℃、?1℃、0℃、+1℃、+2℃和年降水量變化?20%、?10%、0、+10%、+20%情景，計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力值，得到氣候變化前后內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的變化率，結(jié)果見表1。由表中可見，氣溫升高、降水量增加時(shí)，氣候生產(chǎn)潛力增加8.3%～16.5%；氣溫升高、降水量減少時(shí)，氣候生產(chǎn)潛力減少2.5%～11.8%；氣溫降低、降水量增加時(shí)，氣候生產(chǎn)潛力增加2.5%～6.9%或變化不大；氣溫降低、降水量減少時(shí)，氣候生產(chǎn)潛力減少8.4%～17.0%；在氣溫不變時(shí)，由降水量變化引起的氣候生產(chǎn)潛力變幅大于降水量不變時(shí)由氣溫變化引起的氣候生產(chǎn)潛力變幅。可見，氣候越暖、越濕，越有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，并且降水量的變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響更大。未來在內(nèi)蒙古地區(qū)顯著變暖的趨勢(shì)下，降水量的多寡決定氣候生產(chǎn)潛力的變化，降水量不變或增加有利于氣候生產(chǎn)潛力的增加，而降水量減小則不利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。

圖4 1961?2016年內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫（Yt）、降水（Yr）、氣候生產(chǎn)潛力（Ye）的年際變化

表1 氣溫、降水量不同變化情景下氣候生產(chǎn)潛力的變化百分率（%）

2.4 氣候資源利用率變化分析

由表2可見，研究期內(nèi)內(nèi)蒙古地區(qū)各年代平均糧食單產(chǎn)呈逐漸增加的態(tài)勢(shì)，80年代最低，年平均僅170.5g·m?2，90年代、21世紀(jì)初和2011?2015年分別比上年代增加112.9g·m?2、73.3g·m?2和114.5g·m?2。氣候生產(chǎn)潛力在21世紀(jì)初有所減小，為567.7g·m?2，其余年代均逐漸增加。各年代平均氣候資源利用率逐漸提高，20世紀(jì)80年代氣候資源利用率僅為29.3%，至2011?2015年平均氣候資源利用率已達(dá)77.8%。糧食產(chǎn)量不僅與氣候條件有關(guān)，還與社會(huì)條件有關(guān)，近年來國(guó)家高度重視糧食生產(chǎn)，出臺(tái)了一系列強(qiáng)有力的扶持政策，促進(jìn)糧食連年增產(chǎn)，氣候資源利用率也逐步提高。然而，受水資源緊缺的限制，內(nèi)蒙古地區(qū)面臨土壤退化沙化、旱災(zāi)嚴(yán)重等問題，只追求糧食增產(chǎn)，會(huì)加重水土流失、土壤沙化等問題的發(fā)生，透支氣候生產(chǎn)潛力。因此，糧食增產(chǎn)下的可持續(xù)發(fā)展問題仍值得深入思考。

表2 1981?2015年內(nèi)蒙古地區(qū)糧食單產(chǎn)、氣候生產(chǎn)潛力及氣候資源利用率年代際變化

3 結(jié)論與討論

（1）內(nèi)蒙古地區(qū)東西跨度大，氣溫和降水量地區(qū)間差異顯著。1961?2016年平均氣溫顯著上升，氣溫變化幅度在?1.8～1.6℃，97%的站點(diǎn)平均氣溫變化趨勢(shì)極顯著（P＜0.01），呼倫貝爾市北部、包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市北部等地區(qū)增溫最明顯。年降水量總體變化趨勢(shì)不顯著，僅2個(gè)站點(diǎn)年降水量顯著增加（P＜0.05），降水量變幅在?27.6%～39.7%。

（2）氣候生產(chǎn)潛力綜合了氣溫和降水生產(chǎn)潛力的特點(diǎn)，總體呈現(xiàn)東南?西北向的帶狀分布，地區(qū)間差異較大，年變化趨勢(shì)不顯著。全區(qū)16.4%的站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力顯著增加（P＜0.05），主要分布在呼倫貝爾地區(qū)。氣候生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力值相差不大，而氣溫生產(chǎn)潛力值明顯偏大，約為降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的1.7倍，說明內(nèi)蒙古地區(qū)熱量條件相對(duì)充足，而水分條件相對(duì)不足，氣候生產(chǎn)潛力主要受制于降水。

（3）氣候生產(chǎn)潛力對(duì)降水量更敏感，未來在內(nèi)蒙古地區(qū)顯著變暖的趨勢(shì)下，降水量的多寡決定著氣候生產(chǎn)潛力的變化，降水量不變或增加有利于氣候生產(chǎn)潛力的增加，而降水量減小則不利于氣候生產(chǎn)潛力的提高。

（4）內(nèi)蒙古地區(qū)糧食單產(chǎn)總體呈顯著上升趨勢(shì)，氣候資源利用率也逐步提高，進(jìn)入21世紀(jì)后已達(dá)60%以上。從氣候資源利用的角度考慮，內(nèi)蒙古地區(qū)未來仍存在作物增產(chǎn)空間，但糧食增產(chǎn)下的可持續(xù)發(fā)展問題仍值得深入思考。

內(nèi)蒙古地區(qū)屬于“鐮刀彎”地區(qū)之一，是北方水資源匱乏的集中區(qū)域，也是退耕還林還草和生態(tài)涵養(yǎng)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域[22]。一味追求增產(chǎn)，只會(huì)使資源環(huán)境約束與生產(chǎn)發(fā)展之間的矛盾更加突出，因此，需要轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，充分考慮內(nèi)蒙古地區(qū)降水資源限制下的氣候生產(chǎn)潛力特點(diǎn)，綜合自然生態(tài)條件、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、生產(chǎn)發(fā)展水平、替代作物效益及結(jié)構(gòu)調(diào)整潛力和可行性等多方面因素，主動(dòng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，在不同氣候資源特點(diǎn)的區(qū)域選擇適宜的作物進(jìn)行種植，例如在氣候生產(chǎn)潛力小的中部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)及西北風(fēng)沙干旱區(qū)，積極發(fā)展耐旱、低耗水型作物，并結(jié)合區(qū)內(nèi)畜牧業(yè)發(fā)展的要求，合理利用氣候資源，走出一條資源節(jié)約、生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之路。

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Characteristics and Sensitivity Analysis of Climate Production Potential in Inner Mongolia

LIU Xin1, LIU Lin-chun2, YOU Li1, ZHANG Yu1

(1.Climatic Center of Inner Mongolia, Hohhot 010051, China; 2. Inner Mongolia Meteorological Observatory, Hohhot 010051)

The climatic production potential in Inner Mongolia was assessed by the annual temperature and annual precipitation from 1961 to 2016 based on Miami and Thornthwaite Memorial model. The spatiotemporal variation feature of annual temperature, annual precipitation and climatic production potential (CPP) were analyzed. By sensitivity tests, the potential changes of CPP under different meteorological factors variation were simulated. The results showed that regional differences of annual temperature and precipitation in Inner Mongolia were both significant. In the past 56 years, the warming trend was significant and 97% of the region had an increasing precipitation（P<0.01）．Precipitation was fluctuating while the trend of linear change was not significant. The CPP showed the zonal distribution of southeast–northwest and regional differences were significant. But the trend of linear change of annual CPP was not significant except Hulunbuir（P<0.05）. The CPP was more sensitive to precipitation, which means with the warming trend in Inner Mongolia, its changes determined on the precipitation in the future. The grain yield and the climate resource utilization were gradually improved and there was still space for crop yield increase in the future. However, sustainable development should be taken into consideration, and use climate resources more reasonable.

“Sickle bend”area; Climatic production potential; Climate change; Sensitivity; Climate resource utilization

2018?01?07

內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局“氣候與氣候變化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”；內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目（nmqxkjcx201710）

劉新（1987?），女，碩士生，工程師，主要從事氣候監(jiān)測(cè)與氣候影響評(píng)價(jià)工作。E-mail：liuxin_0817@126.com

10.3969/j.issn.1000?6362.2018.08.005

劉新,劉林春,尤莉,等.內(nèi)蒙古地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化及其敏感性分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(8):531?537