余海龍，賴榮生，黃菊瑩

氣候生產(chǎn)潛力是指在充分和合理利用當(dāng)?shù)氐墓?、熱、水氣候資源，而其它條件（如土壤、養(yǎng)分、CO2等）處于最適宜狀況時(shí)單位面積土地上獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)產(chǎn)量［1］，它定量表征了該地區(qū)氣候資源狀況、氣候要素配置以及具備的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)潛力。氣候生產(chǎn)潛力可以分為光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和光溫水生產(chǎn)潛力3個(gè)層次。顯然，氣溫、降水等氣候因子是影響氣候生產(chǎn)潛力的主要?dú)庀笠蜃?，氣候變化緊緊地與作物氣候生產(chǎn)潛力變化聯(lián)系在一起，其數(shù)值變化必將影響氣候生產(chǎn)潛力變化。

近百年來(lái)，以全球變暖為主要特征的全球氣候變化對(duì)我國(guó)氣候產(chǎn)生重大影響，特別是對(duì)中國(guó)北方生態(tài)脆弱地帶的影響更為明顯［2］。農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化反應(yīng)最敏感和復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)［3－5］。20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球氣候變暖顯著，溫度、降水等氣候因子發(fā)生了不同程度變化與波動(dòng)，使得研究農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的變化更具實(shí)際意義。鑒于此，本研究以寧夏自治區(qū)沿黃灌區(qū)中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)為對(duì)象，著重分析該區(qū)域近48a來(lái)氣候變化特征及其對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響。根據(jù)多年氣象資料，應(yīng)用 Miami和Thornthwaite Memorial模型分析環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力及其變化特征，探討氣候生產(chǎn)潛力與氣候因子的關(guān)系，并確定其限制因子，深入研究氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響，為充分利用氣候資源，提高作物產(chǎn)量及即將進(jìn)行的“沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

環(huán)香山地區(qū)地處寧夏中部干旱帶土石山區(qū)，平均海拔1 760m，總面積1 124km2，約占中衛(wèi)市國(guó)土面積的1／3；光照資源豐富，晝夜溫差大，無(wú)霜期155d左右，年平均太陽(yáng)總輻射量為6.0×109J／m2；年平均溫度6.8℃，≥10℃積溫為2 332℃；年平均降水量247.4mm，多集中于7—9月，且多暴雨，年蒸發(fā)量2 100～2 400mm，約為降水量的8～10倍。由于該區(qū)降水稀少，干旱頻發(fā)，風(fēng)沙大，土壤侵蝕嚴(yán)重等原因，導(dǎo)致作物產(chǎn)量水平低且不穩(wěn)定。環(huán)香山地區(qū)地形起伏較大，地貌類型分為沙漠、黃河沖積平原、臺(tái)地、山地和盆地5種較大的地貌單元。土地類型多以砂地、荒地、未開(kāi)耕的臺(tái)地為主。近年來(lái)作為特色農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域，其經(jīng)濟(jì)作物種植以硒砂瓜、設(shè)施蔬菜為主，特色林果產(chǎn)業(yè)以枸杞、紅棗為主。截止2008年，以種植硒砂瓜為主的種植基地面積已達(dá)6.7×104hm2，形成以興仁鎮(zhèn)、香山鄉(xiāng)為中心，輻射沙坡頭區(qū)、中寧縣、海原縣等。目前已成為中國(guó)最大的壓砂瓜產(chǎn)區(qū)，并取得了顯著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

數(shù)據(jù)采用中衛(wèi)環(huán)香山地區(qū)唯一氣象站興仁站氣溫和降水量資料（1961—2008年），該時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)完整，無(wú)缺失。

2.2 研究方法

氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法很多，如Miami模型、蒙特利爾模型等。Miami和Thornthwaite Memorial模型具有數(shù)據(jù)獲取容易，參數(shù)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，準(zhǔn)確率較高等特點(diǎn)，能夠較為準(zhǔn)確地分析研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力及其變 化 趨 勢(shì)［6－9］。 因 此，應(yīng) 用 Miami和 Thornthwaite Memorial模型對(duì)環(huán)香山地區(qū)生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算。

2.2.1 Miami模型 作物生產(chǎn)潛力除受品種、土壤、栽培技術(shù)等因素影響外，主要受氣候條件的影響，溫度和降水量是制約作物生長(zhǎng)及其生物量形成的重要因子，可以單獨(dú)或共同作用于作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程［10］。應(yīng)用Miami模型分析研究區(qū)年平均降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)，可以計(jì)算溫度生產(chǎn)潛力YT和降水氣候生產(chǎn)潛力YR，其計(jì)算公式為：

式中：T——年平均氣溫（℃）；R——年平均降水量（mm）；e＝2.718 3；YT，YR——根據(jù)年平均氣溫和降水量計(jì)算的溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕。

2.2.2 Thornthwaite Memorial模型 Lieth［11］根據(jù)作物產(chǎn)量與年平均降水量、氣溫和蒸發(fā)量之間的關(guān)系，建立了一種運(yùn)用實(shí)際蒸散量估算氣候生產(chǎn)潛力的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，即Thornthwaite Memorial模型。該模型充分考慮了光、熱、水氣候因素對(duì)作物干物質(zhì)積累的綜合作用，定量表征了作物產(chǎn)量與氣溫、降水量和蒸發(fā)量等要素的關(guān)系。其計(jì)算公式為：

式中：L——年平均最大蒸發(fā)量（mm）；V——年蒸散量（mm）；Ye——?dú)夂蛏a(chǎn)潛力﹝kg／（hm2·a）﹞。2.2.3 Liebig定律 在估算氣候生產(chǎn)潛力時(shí)，根據(jù)Liebig限制因子定律，選取溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力3者中較低值作為研究區(qū)生產(chǎn)潛力的標(biāo)準(zhǔn)值，并探討制約氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。表達(dá)式為：

式中：Y——生產(chǎn)潛力標(biāo)準(zhǔn)值〔kg／（hm2·a）〕；YT，YR，Ye——溫度，降水和氣候生產(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)香山地區(qū)氣候變化分析

環(huán)香山地區(qū)近48a來(lái)平均氣溫、降水量逐年變化和線性趨勢(shì)如圖1所示。由圖1可以看出，該區(qū)域氣候呈“暖干型”趨勢(shì)變化，這與張智、陳豫英、袁海燕等［12－14］研究相一致，證實(shí)了寧夏地區(qū)現(xiàn)階段正處于氣溫升高，降水減少的暖干階段。

圖1 環(huán)香山地區(qū)年平均氣溫和降水量變化趨勢(shì)

3.1.1 氣溫變化特征 近48a來(lái)環(huán)香山地區(qū)年平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，這與全球變暖趨勢(shì)一致，平均以0.375℃／10a的速度遞增，高于全國(guó)平均增溫率（0.22℃／10a）。研究區(qū)多年平均氣溫為6.88℃，最小值和最大值分別為5.3和8.5℃，變異系數(shù)為0.102 6，表明其變化波動(dòng)相對(duì)較??；1961—1989年平均氣溫為6.49℃，氣溫距平值均為負(fù)值，其值為0.39℃，1967年出現(xiàn)最小值（5.3 ℃）；1990年以來(lái)升溫明顯，平均年氣溫為7.48℃，高于1989年以前平均值0.99℃，除1992，1993，1995和1996年外，均高于多年平均氣溫值，2006年出現(xiàn)最高值（8.5℃）。

3.1.2 降水量變化特征 近48a來(lái)環(huán)香山地區(qū)年平均降水量變化波動(dòng)很大，總體呈遞減趨勢(shì)，平均以10.375mm／10a的速度遞減。全區(qū)多年平均降水量為249.3mm，變異系數(shù)為0.278 0，其中最大值和最小值為417.4mm（1964年）和116mm（1982年），最大值為最小值的3.6倍，表明降水量年際變化波動(dòng)顯著；1994年以后減少趨勢(shì)更加明顯，平均以79.644 mm／10a的速度遞減，遠(yuǎn)高于平均遞減值；春季（3—5月）平均降水量為45.3mm，夏季（6—8月）平均降水量為143.5mm，約占全年降水量的58%，秋季（9—11月）平均降水量為56.4mm，冬季（12至翌年2月）平均降水量為4.1mm，僅占年平均降水量的1.645%，表明環(huán)香山地區(qū)降水量年內(nèi)分布極不平均。這與研究區(qū)地處內(nèi)陸深處，距海遙遠(yuǎn)，受海洋水汽影響小等因素有關(guān)。

3.2 環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力分析

3.2.1 溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力分析 應(yīng)用Miami模型對(duì)環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖2所示。溫度生產(chǎn)潛力多年平均值為1.27×104kg／（hm2·a），呈逐年遞增的趨勢(shì)，平均每10a以311.41kg／（hm2·a）的速度遞增。降水生產(chǎn)潛力多年平均值為4 550.10kg／（hm2·a），總體呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)，平均每10a以170.94 kg／（hm2·a）的速度遞減；變異系數(shù)為25.5%，1962年達(dá)到最大值，為7 261.90kg／（hm2·a），1982年達(dá)到最小值，為2 223.99kg／（hm2·a），僅占最大值的30.6%和多年平均值的48.9%，表明環(huán)香山地區(qū)降水生產(chǎn)潛力年際變化波動(dòng)明顯；1961—2008年降水生產(chǎn)潛力均低于溫度生產(chǎn)潛力，多年平均值僅為溫度生產(chǎn)潛力多年平均值的35.9%，表明環(huán)香山地區(qū)熱量資源豐富，降水不足是制約降水生產(chǎn)潛力的主要因素。

圖2 環(huán)香山地區(qū)的溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)

3.2.2 氣候生產(chǎn)潛力分析 應(yīng)用Thornthwaite Memorial模型對(duì)環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，該區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為5 399.12kg／（hm2·a），總體呈一定的遞減趨勢(shì)，平均每10a以126.59kg／（hm2·a）的速度遞減；變異系數(shù)為20.93%，1982年達(dá)到最大值，為7 604.24kg／（hm2·a），高出多年平均值達(dá)40.8%，最小值出現(xiàn)在1964年，為2 725.21kg／（hm2·a），僅為多年平均值的50.5%和最大值的35.8%，表明氣候生產(chǎn)潛力的年際變化波動(dòng)明顯。

3.2.3 氣候生產(chǎn)潛力與氣候要素的關(guān)系 根據(jù)Liebig限制因子定律，以溫度、降水量作為參考，選取溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力3者中較低值作為研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的標(biāo)準(zhǔn)值，并確定制約環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。由表1可知，降水生產(chǎn)潛力為4 550.10kg／（hm2·a），小 于 氣 候 生 產(chǎn) 潛 力 值〔5 399.12kg／（hm2·a）〕和 溫 度 生 產(chǎn) 潛 力 值〔12 678.03kg／（hm2·a）〕，應(yīng)選取降水生產(chǎn)潛力作為研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的標(biāo)準(zhǔn)值；氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量、氣溫相關(guān)系數(shù)分別為0.983 3和－0.245 7，表明氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量有著極其顯著的線性相關(guān)，與平均氣溫沒(méi)有明顯的相關(guān)性；溫度生產(chǎn)潛力遠(yuǎn)大于降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，分別是降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的2.79和2.35倍，表明環(huán)香山地區(qū)降水條件相對(duì)于熱量供給明顯不足，降水量是氣候生產(chǎn)潛力最主要的限制因子。

表1 氣候生產(chǎn)潛力與氣候要素相關(guān)性分析

3.3 氣候變化對(duì)環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

3.3.1 氣候生產(chǎn)潛力預(yù)測(cè) 通過(guò)對(duì)環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年平均氣溫、降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，可以得到一個(gè)表征年平均氣溫、降水量與氣候生產(chǎn)潛力關(guān)系的二元一次回歸方程，其方程式為：

式中：Ye——?dú)夂蛏a(chǎn)潛力〔kg／（hm2·a）〕；r——年平均降水量（mm）；t——年平均溫度（℃）。

根據(jù)方程推算，當(dāng)氣溫不變，降水量增加或減少1mm，氣候生產(chǎn)潛力將增加或減少85.077kg／（hm2·a）；當(dāng)降水量不變，氣溫上升或減少1℃，氣候生產(chǎn)潛力將增加或減少16.165kg／（hm2·a）。

3.3.2 環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力對(duì)氣候變化的響應(yīng)

假設(shè)未來(lái)氣候變化的63個(gè)情景，即氣溫變化－3，－2，－1，0，1，2和3℃，降水量變化－20%，－15%，－10%，－5%，0，5%，10%，15%和20%，則環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化情況詳見(jiàn)表2。

由表2可知，氣候生產(chǎn)潛力隨年平均氣溫和降水量變化而變化，在單一要素不變的情況下，降水量變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響遠(yuǎn)大于氣溫變化的影響。在氣候“暖濕型”變化情景下，氣溫升高1℃，降水增加5%，氣候生產(chǎn)潛力將增加5.19%；在“暖干型”變化情景下，氣溫升高1℃，降水減少5%，氣候生產(chǎn)潛力將減少2.28%；依此類推，在“冷干型”和“冷濕型”變化情景下，氣候生產(chǎn)潛力將減少2.19%和增加2.28%。

針對(duì)環(huán)香山地區(qū)，未來(lái)氣候“暖濕型”變化對(duì)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響最為有利，平均增幅達(dá)5.19%，而“暖干型”和“冷干型”變化對(duì)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響極為不利，平均減幅達(dá)2.28%和5.19%。

表2 年平均氣溫和降水量變化對(duì)環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

相關(guān)研究［15］表明，近100a來(lái)寧夏地區(qū)的氣候主要以“暖干型”氣候?yàn)橹?，這就意味著即使溫度生產(chǎn)潛力逐年增加，但降水的逐漸減少，勢(shì)必影響區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的增幅。若氣溫升高1～2℃，降水減少10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力則減少6.02%～12.03%。因此，需要通過(guò)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植制度和結(jié)構(gòu)，合理安排農(nóng)作物的布局來(lái)適應(yīng)氣候變化，保證農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。根據(jù)秦大河［16］預(yù)測(cè)，未來(lái)50a我國(guó)北方可能呈“暖濕型”變化。楊侃等［17］預(yù)測(cè)結(jié)果顯示未來(lái)21世紀(jì)末寧夏地區(qū)升溫幅度可達(dá)4～6℃，與全國(guó)平均的增溫幅度大致相當(dāng)，與升溫趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的是降水增加，至21世紀(jì)末寧夏地區(qū)的降水變化幅度約為10%～40%。若氣溫升高1～2℃，降水增加10%～20%，氣候生產(chǎn)潛力則增加8.92%～17.84%。說(shuō)明未來(lái)降水變化對(duì)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制作用更為顯著。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)環(huán)香山地區(qū)近48a來(lái)氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)氣候呈“暖干型”變化趨勢(shì)。年平均氣溫以0.375℃／10a的速度遞增，這與全球氣候變暖趨勢(shì)相一致，高于全國(guó)平均增溫率0.22℃／10a（采用1961—2008年時(shí)段）；年平均降水量波動(dòng)變化大，總體呈遞減趨勢(shì)，平均以10.375mm／10a的速度遞減。

（2）根據(jù)Miami和Thornthwaite Memorial模型對(duì)環(huán)香山地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析。溫度生產(chǎn)潛力呈明顯增加趨勢(shì)，降水生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力均呈波動(dòng)中減少的趨勢(shì)，氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為5 399.12kg／（hm2·a），并每10a平均以126.59kg／（hm2·a）的速度遞減。氣候生產(chǎn)潛力與年平均降水量有著極其顯著的線性相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.983 3），與年平均氣溫沒(méi)有明顯的顯著相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為－0.245 7），表明降水條件是制約環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子。

（3）未來(lái)氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力影響顯著，“暖干型”氣候變化對(duì)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力影響極為不利，“暖濕型”氣候有利于研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展；未來(lái)降水量變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響強(qiáng)于氣溫變化的影響，說(shuō)明降水對(duì)環(huán)香山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的限制作用將更為明顯。

［1］ 侯西勇.1951—2000年中國(guó)氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空動(dòng)態(tài)特征［J］.干旱區(qū)地理，2008，31（5）：723－729.

［2］ 秦大河，丁一匯，王紹武，等.中國(guó)西部生態(tài)環(huán)境變化與對(duì)策建議［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2002，17（3）：314－309.

［3］ 張強(qiáng)，鄧振鏞，趙映東，等.全球氣候變化對(duì)我國(guó)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：1210－1218.

［4］ 劉彥隨，劉玉，郭麗英.氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及應(yīng)對(duì)策略［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，18（4）：905－910.

［5］ 王連喜，李菁，李劍萍，等.氣候變化對(duì)寧夏農(nóng)業(yè)的影響綜述［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2011，32（2）：155－166.

［6］ 高素華，潘亞茹，郭建平.氣候變化對(duì)植物氣候生產(chǎn)力的影響［J］.氣象，1994，20（1）：30－33.

［7］ 侯光良，游松才.用筑后模型估算我國(guó)植物氣候生產(chǎn)力［J］.自然資源學(xué)報(bào)，1990，5（1）：60－64.

［8］ 郭小芹，劉明春.河西走廊近40a氣候生產(chǎn)潛力特征研究［J］.中國(guó)沙漠，2011，31（5）：1323－1329.

［9］ 馬甜，王俊波，張治華，等.寧夏中部干旱帶天然草地氣候生產(chǎn)潛力研究［J］.草地學(xué)報(bào)，2013，21（2）：236－242.

［10］ 陳國(guó)南.邁阿密模型測(cè)算我國(guó)生物生產(chǎn)量的初步嘗試［J］.自然資源學(xué)報(bào)，1987，2（3）：270－278.

［11］ Lieth H，Box E O X.Evapotranspiration and primary productivity：Thornthwaite memorial model［J］.Climatology，1972，25（2）：37－46.

［12］ 張智，林莉，梁培.寧夏氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（4）：402－405.

［13］ 陳豫英，陳楠，鄭廣芬，等.近45a寧夏氣溫、降水及植被指數(shù)的變化分析［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2008，23（4）：626－634.

［14］ 袁海燕，張曉煜，徐華軍，等.氣候變化背景下中國(guó)農(nóng)業(yè)氣候資源變化（Ⅴ）：寧夏農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（5）：1247－1254.

［15］ 李艷春，李艷芳.寧夏近百年來(lái)的氣候變化及突變分析［J］.高原氣象，2001，20（1）：100－104.

［16］ 秦大河.中國(guó)西部環(huán)境演變?cè)u(píng)估綜合報(bào)告［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：56－66.

［17］ 楊侃，許吟隆，陳曉光，等.全球氣候模式對(duì)寧夏區(qū)域未來(lái)氣候變化的情景模擬分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2007，12（5）：630－637.