氣候變化對黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力的影響

田寶星 宮麗娟 楊帆 陳晶 翟墨 張洋

摘要：為了解1970—2014年黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力的分布規(guī)律和變化趨勢及其對氣候變化的響應(yīng)，利用黑龍江省80個氣象站觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合Miami模型，通過小波分析和EOF分析等方法，對黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力的變化特征進行分析。結(jié)果表明：1970年以來，氣溫、降水、蒸散和標準氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，2000—2014年糧食安全存在隱患。標準氣候生產(chǎn)潛力（W）與蒸散氣候生產(chǎn)潛力年代際變化相近。4種氣候生產(chǎn)潛力主周期均為26～31年。W空間分布呈正、負相間。W與氣溫、降水量和蒸散量呈正相關(guān)，氣溫是主要限制因子?！芭瘽裥汀睔夂?qū)有利，生產(chǎn)潛力增加幅度7.41%～ 14.82%。研究結(jié)果對優(yōu)化農(nóng)業(yè)布局，提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用率以及促進糧食作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)等有參考價值。

關(guān)鍵詞：植被；氣候變化；Miami模型；氣候生產(chǎn)潛力；黑龍江

中圖分類號：P49文獻標志碼：A論文編號：cjas20190900204

Effect of Climate Change on Climate-induced Potential Productivity of Natural Vegetation in Heilongjiang

Tian Baoxing1，2， Gong Lijuan1，2， Yang Fan3， Chen Jing4， Zhai Mo1，2， Zhang Yang3

（1Heilongjiang Province Institute of Meteorological Science， Harbin 150030， Heilongjiang， China； 2Innovation and Opening Laboratory of Regional Eco-meteorology in Northeast of China Meteorological Administration， Harbin 150030， Heilongjiang， China；3Heilongjiang Meteorological Bureau Office Service Centre， Harbin 150030， Heilongjiang， China；4Bayan Meteorological Bureau， Harbin 151800， Heilongjiang， China）

Abstract： To understand the distribution rule and change trend of climate-induced potential productivity of natural vegetation and its response to climate change in Heilongjiang from 1970 to 2014， the authors used the Miami model， wavelet analysis and EOF to analyze the variation characteristics of the climate- induced potential productivity of natural vegetation based on observation data of 80 meteorological stations. The results showed that： the four types of climate- induced potential productivity （air temperature， precipitation， evapotranspiration and standard climate-induced potential productivity） had increased since 1970， however， there were hidden dangers in food security from 2000 to 2014. The standard climate- induced potential productivity （W） and evapotranspiration climate- induced potential productivity had similar interdecadal variation. The major periodic of the four types of climate-induced potential productivity was 26 to 31 years.The W presented alternate positive and negative variations in space， and it was positively correlated with the air temperature， precipitation， and evapotranspiration， the air temperature was the main restriction factor. Warm-wet climate is beneficial to W， and the potential productivity will increase within a range of 7.41% to 14.82% . The results could provide a basic method for optimizing agricultural distribution， improving the utilization of agricultural climate resources and promoting stable and high yield production of grain crops.

Keywords： Vegetation； Climate Change； Miami Model； Climate-induced Potential Productivity； Heilongjiang

0引言

氣候變化是人類面臨的最為嚴重的環(huán)境問題之一，氣候變暖日益明顯，使得地表溫度及氣溫明顯高于以往，同時極端天氣也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增加不確定性[1-2]。氣候變化已經(jīng)對人類及自然植被產(chǎn)生了廣泛和重要的影響[3]，特別是以農(nóng)業(yè)為主體的糧食安全[4]。氣候生產(chǎn)潛力指某地區(qū)光溫水等因子相互協(xié)調(diào)，作物合理利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源和土壤養(yǎng)分，單位面積產(chǎn)量將達到最大值[5]。探討自然植被氣候生產(chǎn)潛力，體現(xiàn)了氣象因子的不同及相互協(xié)調(diào)程度，不僅可以預(yù)測植被生產(chǎn)潛力，可以依據(jù)氣候變化趨勢來預(yù)測未來的發(fā)展情況，是評估農(nóng)業(yè)氣候資源的依據(jù)之一[6]。

黑龍江省土壤肥沃，自然條件適宜，是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和最大的商品糧基地[7]。大豆是中國重要的糧油作物之一，黑龍江省是中國大豆種植面積和產(chǎn)量較高的地區(qū)之一，在中國大豆生產(chǎn)中占有非常重要的作用[8]。玉米是中國第一大糧食作物，黑龍江省玉米播種面積占全國10%，產(chǎn)量占全國9%左右，與國家糧食安全息息相關(guān)[9]。黑龍江水稻品質(zhì)佳，2016年水稻產(chǎn)量占全國稻谷總產(chǎn)量10.9%，因此黑龍江省水稻安全生產(chǎn)對國家糧食安全意義重大[10]。研究黑龍江省的自然植被氣候生產(chǎn)潛力，基于統(tǒng)計學(xué)原理分析不同時間的植被生產(chǎn)潛力的變化，可為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式提供可靠的依據(jù)和參考。

氣候生產(chǎn)潛力是指作物不受養(yǎng)分限制時，由光照、氣溫和降水共同決定的生產(chǎn)力，是一個地區(qū)作物產(chǎn)量的上限[11]。國內(nèi)外相關(guān)研究已有很多，如Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、AEZ模型和逐級訂正模型等[12-15]。研究表明[16-18]，Miami模型體現(xiàn)了氣溫和降水因素，Thornthwaite Memorial模型則通過蒸散量來模擬生物量。

眾多學(xué)者已從不同層面、角度對黑龍江省氣候生產(chǎn)潛力進行研究。如張興林等[19]為充分發(fā)揮黑龍江省的氣候資源優(yōu)勢，探求玉米種植新模式，探討富?？h移栽玉米氣候生產(chǎn)潛力。王秀芬等[14]基于AEZ模型估算了黑龍江省光溫和氣候生產(chǎn)潛力。盧玢宇等[20]基于Thornthwaite Memorial模型估算了黑龍江省氣候生產(chǎn)潛力并分析氣候生產(chǎn)潛力與平均溫度和降水量之間的關(guān)系。杜國明等[21]基于GAEZ模型分析氣候變化導(dǎo)致的東北玉米生產(chǎn)潛力時空格局演變特征。上述研究所用站點資料較少，不足以代表黑龍江省氣候生產(chǎn)潛力狀況。本研究根據(jù)黑龍江省80個氣象站1970—2014年逐日氣象資料，采用Thornthwaite Memorial模型和Miami模型相結(jié)合估算黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力及其變化，分析氣候變化背景下黑龍江省自然植被的溫度氣候生產(chǎn)潛力、降水氣候生產(chǎn)潛力、蒸散氣候生產(chǎn)潛力和標準氣候生產(chǎn)潛力的分布特征，以及熱量和降水資源對該區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的影響，以期為該區(qū)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及可持續(xù)發(fā)展，合理利用氣候資源及糧食生產(chǎn)安全提供參考。

1材料與方法

1.1資料來源和區(qū)域概況

黑龍江省介于121°11’—135°05’E、43°26’—53°33’N之間，屬大陸季風(fēng)性氣候，全省氣候的主要特點是春季干旱，夏季多雨，秋季早霜，冬季寒冷。當(dāng)?shù)赜隉嵬厩彝恋刭Y源對農(nóng)業(yè)發(fā)展有得天獨厚的優(yōu)勢，盛產(chǎn)大豆、玉米、水稻等糧食作物[22-23]。

選取黑龍江省80個氣象站1970—2014年逐日氣溫和降水資料，材料來自黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心。

1.2研究方法

1.2.1氣候生產(chǎn)潛力模型在植被生產(chǎn)潛力估算模型中，Miami模型從植被的生理生態(tài)角度出發(fā)，通過計算該區(qū)年降水量和平均氣溫等要素來確定植被生產(chǎn)潛力，中國學(xué)者通過氣象資料將模型進行驗證，認為該模型可以應(yīng)用在自然植被生產(chǎn)潛力研究[24]。Thornthwaite Memorial模型是Miami模型的演變和延伸，展現(xiàn)植被生產(chǎn)潛力受氣候因素變化的影響機理[25-26]。

1.3統(tǒng)計分析

基于研究區(qū)域逐日氣溫降水資料，采用Microsoft Office Excel工作表進行數(shù)據(jù)整理及分析，繪制折線圖和柱狀圖；采用Matlab軟件，根據(jù)小波分析中的Morlet變換，編寫數(shù)據(jù)處理程序，繪制小波方差圖；采用Surfer軟件，將EOF函數(shù)特征向量空間變化特征展現(xiàn)出來。

2結(jié)果與分析

2.1黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力變化特征

2.1.1年代際變化特征由圖1和表1可見，黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力在1970—2014年的序列變化，氣溫、降水和蒸散生產(chǎn)潛力變化均呈現(xiàn)增加趨勢，氣候傾向率分別為21.82、13.84、13.33 kg/（hm2·a）。在年代際尺度中，1970s（1970—1979年）、1980s（1980—1989年）和1990s（1990—1999年）3種生產(chǎn)潛力變化均呈增加趨勢，說明氣象條件變化有利于氣候生產(chǎn)潛力的發(fā)揮；2000s（2000—2009年）、2010s（2010—2014年）3種生產(chǎn)潛力變化不穩(wěn)定，受氣溫和降水等因素限制，糧食安全存在安全隱患。標準氣候生產(chǎn)潛力（W）呈增加趨勢，平均值為7015 kg/（hm2·a），最大值為7778 kg/（hm2·a），最小值為6145 kg/（hm2·a），氣候傾向率為13.02 kg/（hm2·a），從整個研究時域看，標準氣候生產(chǎn)潛力（W）與蒸散氣候生產(chǎn)潛力（WV）由大到小排列，均為1990s>2010s>2000s>1980s>1970s。水熱配比情況，1970s、1980s、1990s和2010s這4個時期WT與WR的比值均大于0.85，可見水熱配比狀態(tài)較好，氣候生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，熱量起主要限制作用。而2000s時期WT與WR的比值大于1，可見這個時期熱量資源充足，降水對氣候生產(chǎn)潛力發(fā)揮也起到限制作用。從整體看，研究時域黑龍江省水熱配比情況較好（WT與WR的比值≥0.85），熱量資源對氣候生產(chǎn)潛力的發(fā)揮影響更大。

2.1.2周期變化小波分析見圖2。研究區(qū)域1970—2014年4種氣候生產(chǎn)潛力的周期變化，主要體現(xiàn)在26～31、18～24、11～16年等3種時間尺度，體現(xiàn)研究區(qū)域4種氣候生產(chǎn)潛力周期變化的一致性。由圖2可見，W、WT、WR、WV4種氣候生產(chǎn)潛力小波方差的主要峰值依次對應(yīng)28、28、27、28年左右尺度，為第一主周期且周期振蕩最強；第二主周期為15、22、5、15年；第三主周期為5、13、15、5年。這3個周期尺度掌控研究時域4種氣候生產(chǎn)潛力的變化特征。

2.1.3空間變化特征在EOF分析中，研究區(qū)域自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力（W）的前3個特征向量的方差貢獻率分別是45.02%、12.57%和7.26%，累計方差貢獻率是64.85%，因此可以體現(xiàn)研究區(qū)域自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力（W）空間變化特征。

第1特征向量方差貢獻率是45.02%，體現(xiàn)研究區(qū)域自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力變化的顯著空間分布狀態(tài)。由圖3a可見，黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力（W）呈現(xiàn)正變化，區(qū)內(nèi)高值中心在泰來附近且等值線密集，次高值中心在雙鴨山附近且等值線較密集，低值中心在呼中附近且等值線相對稀疏，其振幅以西部和東部為中心向周圍逐漸遞減，標準氣候生產(chǎn)潛力受地理因素影響較大，區(qū)域特征明顯，水熱條件匹配較好的區(qū)域標準氣候生產(chǎn)潛力相對偏高，同時反映了植被生長狀況地域性顯著，偏北（偏南）地區(qū)氣溫較低（高），均抑制植被的生長。由圖3b可見，第1特征向量所對應(yīng)的時間系數(shù)絕對值最大，這一時刻空間分布狀態(tài)最典型，但時間系數(shù)正、負相間，標準氣候生產(chǎn)潛力年際變化相反。

第2特征向量方差貢獻率是12.57%，是研究區(qū)域自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力一種顯著的空間分布。由圖4a可見，黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力（W）呈現(xiàn)正、負變化趨勢，高值中心在泰來附近，中心絕對值在0.25以上，低值中心在克東附近。西部部分地區(qū)第2特征向量為正值，其他地區(qū)為負值，說明其標準氣候生產(chǎn)潛力變化型式相反。這種分布類型，突顯了西部部分地區(qū)地理分布狀況差異，水熱匹配條件影響標準氣候生產(chǎn)潛力的高低。圖4b可見第2特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)絕對值次之，時間系數(shù)正、負相間，說明在時間系數(shù)正值（負值）的年份里，西部部分地區(qū)標準氣候生產(chǎn)潛力偏高（低），其他地區(qū)標準氣候生產(chǎn)潛力偏低（高），氣候生產(chǎn)潛力分布型式相反特征明顯。

第3特征向量方差貢獻率是7.26%，對研究區(qū)域自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力空間分布有一定的意義。由圖5a可見，西南部和東南部部分地區(qū)第3特征向量為正值，其他地區(qū)為負值，區(qū)內(nèi)高值中心在寶清附近，低值中心在哈爾濱附近。圖5b可以看出時間系數(shù)絕對值較小，自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力分布狀態(tài)較典型，第3特征向量和時間系數(shù)特征與第2特征向量相似。 2.2黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應(yīng)

2.2.1氣象因子和自然植被氣候生產(chǎn)潛力相互之間關(guān)系由圖6可見，黑龍江省自然植被W與氣溫、降水和蒸散量的變化一致，相關(guān)系數(shù)分別為0.371、0.832和0.995，均通過0.05的信度檢驗。W與年氣溫、年降水量和年蒸散量定量正相關(guān)，即年平均氣溫每上升1℃、年降水量和年蒸散量每增加10 mm，W依次變化為199.91、44.46、233.46 kg/（hm2·a）。由此可見，黑龍江省地區(qū)蒸散量對W的影響較大，根據(jù)前文公式可知，氣溫對W的影響占主導(dǎo)地位，降水量對W的影響相對較小。

2.2.2標準氣候生產(chǎn)潛力對氣溫和降水量的敏感性分析為分析氣象因子對標準氣候生產(chǎn)潛力的影響，探討W與年平均氣溫、年降水量的定量關(guān)系，通過檢驗并建立擬合回歸方程，如式（8）所示。

方差分析得出，F(xiàn)統(tǒng)計量值為319.470，顯著性概率P<0.001，回歸方程非常顯著，且正相關(guān)（R=0.969）關(guān)系。

為了模擬氣候生產(chǎn)潛力對氣溫和降水變化的敏感程度，本研究設(shè)置5種氣候情景，將年平均氣溫降低2℃和1℃、氣溫不變、升高1℃和2℃；年降水量減少 20%和10%、降水量不變、增加10%和20%后計算標準氣候生產(chǎn)潛力，由于研究區(qū)域地處高緯度，太陽能豐富，日照充足，基本滿足大豆生長發(fā)育需要，以多年平均氣溫和降水量計算氣候生產(chǎn)潛力，比較氣候變化前后黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力變化。僅考慮單因子變化，氣溫升高或降低時，W的變化幅度要比降水大。但實際上氣溫和降水同時變化，對W產(chǎn)生不同影響。由表2可見，當(dāng)氣溫不變，降水增加（或減少）10%、20%，W分別增加（或減少）3.58%、7.14%；當(dāng)降水不變，氣溫升高（或降低）1、2℃，W分別增加（或減少）3.84%、7.67%。因氣溫變化引起的W變化幅度大于降水引起的W變化幅度，說明氣溫主導(dǎo)研究區(qū)域W的大小。當(dāng)氣溫降低1、2℃，降水量增加（或減少）10%、20%時，W將減小0.26%～14.82%；然而氣溫降低1℃，降水量增加20%時，W將增加3.31%。當(dāng)氣溫升高1、2℃，降水量增加（或減少）10%、20%時，W將增加0.26%～14.82%；然而氣溫升高1℃，降水量減少20%時，W將減少3.31%。與上述分析，氣溫對W的影響占主導(dǎo)地位一致。研究區(qū)域“冷干型”氣候?qū)藴蕷夂蛏a(chǎn)潛力不利，“暖濕型”氣候?qū)藴蕷夂蛏a(chǎn)潛力有利。假設(shè)研究區(qū)域氣候變化的特征趨勢與上文分析一致，未來將向“暖濕型”發(fā)展，將有利于標準氣候生產(chǎn)潛力發(fā)揮。

3結(jié)論與討論

（1）黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力（WT、WR、WV、W）均呈現(xiàn)增加趨勢，年代際變化差異明顯，整個研究時域水熱配比情況較好，大部分時期熱量起主要限制作用，降水也是主要限制因子之一。

（2）黑龍江省自然植被氣候生產(chǎn)潛力（WT、WR、WV、W）存在26～31、18～24、11～16年等3種時間尺度的周期變化，第一主周期分別為28、28、27、28年。

（3）黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力空間分布存在3種分布類型，主要表現(xiàn)型式呈現(xiàn)一致的正變化趨勢，次要表現(xiàn)型式呈現(xiàn)正、負相間變化；高值中心主要集中在西南部地區(qū)，低值中心主要集中在西北部地區(qū)，自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力受地理環(huán)境影響變化較明顯，區(qū)域特征差異顯著；水熱條件匹配較好（較差）區(qū)域的標準氣候生產(chǎn)潛力偏高（偏低）。

（4）黑龍江省自然植被標準氣候生產(chǎn)潛力對氣象要素變化響應(yīng)敏感，在年際尺度中，氣溫每上升1℃、降水量和蒸散量每增加10 mm，W依次變化為199.91、44.46、233.46 kg/（hm2·a），氣溫是主要限制因子?！袄涓尚汀睔夂?qū)藴蕷夂蛏a(chǎn)潛力不利，“暖濕型”氣候?qū)藴蕷夂蛏a(chǎn)潛力有利；未來將向“暖濕型”發(fā)展，研究區(qū)域?qū)⒂欣跇藴蕷夂蛏a(chǎn)潛力發(fā)揮。

（5）Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估計的凈第一性生產(chǎn)力稍大及利用的年平均實際蒸散量綜合第考慮了氣溫和降水以及下墊面性質(zhì)的影響作用[32]，通過光合作用與植物冠層蒸散伴隨的植物體對植物生長機理以及能量的內(nèi)在轉(zhuǎn)換機制描述，展現(xiàn)光合作用與植被產(chǎn)量關(guān)系，因此理論上更具可靠性。該模型僅為統(tǒng)計模型，虧缺緊密的生理、生態(tài)特征及機理支撐依據(jù)，還需進一步完善，增加其他氣象因子如日照、風(fēng)速和相對濕度等[33]，這將是未來時期重要任務(wù)之一。

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