博州地区气候生产力对区域气候变化的响应

陈 涛，陈洪武，杨 辽

（1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

博尔塔拉蒙古自治州（以下简称博州）地处亚欧大陆腹地，位于新疆维吾尔自治区西北部，位居79°53′～83°53′E，44°02′～45°23′N，在准噶尔西缘，东连塔城地区，南接伊犁哈萨克自治州，西北部与哈萨克斯坦接壤，自治州西、北、南三面环山，中间是喇叭状的谷底平原，东西长315 km，南北宽125 km。总面积2.7×104km2。地貌特征大致由南北两侧山地、中部博尔塔拉谷地和东部艾比湖盆地三大单元组成。气候属温带大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，极端最高气温44 ℃，极端最低气温-36 ℃，无霜期153～195 d。博州是一个农牧结合的地州，地形由东向西呈坡形逐渐增高，宜农、宜牧、宜林、宜渔。全球变化背景下的气候变化，对植被生长产生的最主要的影响是植被生产力的变化[7-16]。但是，以往的研究成果中，多注重本区气候对全球变化的响应程度研究[1-3]，特别是博州地区，辛渝、杨勇、刘忠礼等人的研究也仅是针对本地区的气候变化趋势[19-21]。本文在分析博州地区气候变化特征的基础上，运用气候生产力模型，定量分析本地区气候生产力的变化及其对植被的影响，并就气候变化对未来植被的影响做适当的预测，促进本地区的可持续发展。

1 资料来源与研究方法

所用气象资料来源于新疆维吾尔自治区气候中心所提供的博州地区3个气象站点（即博乐市、温泉县、精河县）1981—2010年之间的连续数据，时间跨度近30 a，数据类型包括日平均气温、日最高气温、日最低气温和逐旬降水量。影响植被生长的因素是多方面的，例如气候、土壤、水分、品种、植被群体结构等，因此计算气候生产力的模型也很多，如迈阿密模型、蒙特利尔模型、筑后模型等[17-18]。考虑到简便实用又能清楚说明气候变化的影响，并且在新疆地区具有一定的可行性[6-8]，选用了Tharnthwaite Memoriae 模型来估算气候生产力[6]。Leith 根据世界各地植被产量与年平均气温、降水量之间的关系，提出了用实际蒸散量计算植被的气候生产力的公式，即Tharnthwaite Memoriae 模型：

式中，TSPV 是以实际蒸发量计算得到的植物气候生产力，单位kg·m－2·a-1；V 为年平均实际蒸发量，单位mm；N 为年平均降水量，单位mm；L 为年最大蒸发量，单位mm；t 为年平均气温，单位℃。当N/L>0.316 时（3）式适用；N/L<0.316 时取V=N。

2 博州地区近30 a 来气候变化分析

2.1 近30 a 来气温的变化规律

博州地区近30 a 来气温在波动中呈上升趋势，增长率为0.06 ℃·a-1，多年平均气温为6.37 ℃，年平均最高气温与最低气温相差2.9 ℃（图1）。结合气温变化曲线，采用5 a 滑动平均的方法检测气温序列发现近30 a 来博州地区年平均气温在2000年以前大致呈现以9 a 一个周期的冷暖变化；但在2000年以后，呈现异常偏暖，其平均温度较之前的20 a 高出了0.8 ℃，其中有8 a 气温为正距平。

图1 博州地区近30 a 气温变化

博州地区的四季气温在过去30 a 均呈现上升趋势，但上升趋势各不相同（图2）。其中春季和秋季气温增长幅度较大，其增长率分别为：0.05 ℃·（10 a-1）和0.06 ℃·（10 a-1），秋季气温上升趋势最大，秋季气温自1994年后有12 a 气温为正距平。特别是近10 a，平均气温较前20 a 上升了1.3℃；春季气温自1995年后增长迅速，其中有11 a 气温为正距平。夏季和冬季的气温增长趋势不很明显，其增长率分别为0.03 ℃·a-1和0.02 ℃·a-1。

图2 博州地区近30 a 季节气温变化

2.2 近30 a 来降水量的变化

博州地区多年平均降水量为188.2 mm，近30 a来降水量总体呈增多趋势（图3），平均每10 a 增加3.2 mm。同样采取5 a 滑动平均的方法检验降水序列，发现近30 a 来博州地区降水量在2001年以前处在偏少期，并且年季变化较大,其中1998年出现近30 a 来的最低值109.8 mm。2001—2003年，降水异常偏多，其中2003年达到最大值283.1 mm。2003年以后至今，又呈现减少的趋势。

图3 博州地区近30 a 降水量变化

博州地区四季降水变化在近30 a 来变化也不相同（图4）。其中春、夏和冬季降水量呈上升趋势，秋季降水量减少。春、夏和冬季降水量每10 a分别增长：3.9 mm、3.1 mm 和2.1mm，但是年季变化幅度较大，秋季降水量每10 a 减少1.6 mm，仅有1987年和2003年出现较大强度降水。

图4 博州地区近30 a 季节降水量变化

2.3 气候要素的年代际变化和地域差异

博州地区近30 a 来气温呈现逐渐递增的趋势，近10 a 气温最高。近10 a 的平均气温比80年代高出了1.0 ℃。通过把气温和降水与其多年平均值比较，结合其年代变化趋势和变率，定义博州地区的气候冷暖干湿组合特征（表1）。

表1 博州地区不同时期气候特征

博州地区按照自西向东分别为温泉县、博乐市、精河县，其多年平均气温增长率分别为：0.04、0.04、0.05 ℃·10 a-1。东部的精河县温度最高，且增温速度最快。西部的温泉县温度较其东部两地年平均气温最低。博州地区的降水量呈现自西向东逐渐递减的趋势。西部的温泉县年降水量较其他两地较多。东部的精河县降水最少。温泉县和博乐市的年降水量在近30 a 来呈现递增的趋势，其多年增长率分别为1.58、0.68 mm·a-1。可见西部的温泉县年降水量增幅最大。东部的精河县年降水量在近30年来呈现降低趋势，其年降水量增长率为-1.5 mm·a-1。博州地区气候特征由80年代的冷湿转为90年代的暖湿，而自2000年以后的近11 a 总体呈现暖湿的趋势。但是2003年以后，降水量呈现递减趋势，其递减率为5.7 mm·10 a-1。

3 博州地区气候生产力评估

3.1 气候生产力的年际变化

将年平均温度、年降水量带入（1）～（3）式计算，获得博州地区1981—2010年气候生产力变化（图5）。博州地区气候生产力多年平均值为45 805.6 kg·hm-2，近30 a 来呈逐渐增加的趋势，其增长率为242.5 kg·hm-2·a-1。博州地区气候生产率在1981—2003年波动起伏较大，在2003年以后呈现逐渐下降趋势。在1985年出现最低值29 448.6 kg·hm-2，在2003年出现最大值为67 267.2 kg·hm-2。

图5 博州地区近30 a 气候生产力变化

博州地区气候生产力在20世纪80 和90年代均呈现上升趋势，其增长率分别为247.1 kg·hm-2·a-1和121.4 kg·hm-2·a-1。但是近10 a 气候生产力呈下降趋势，其平均每年下降183.7 kg·hm-2。博州地区气候生产力自西向东在近30 a 大体上呈现递减趋势，只有90年代博乐市平均气候生产力低于东部的精河县（表2）。

表2 博州地区气候生产力年代变化（kg·hm-2）

3.2 气候变化对气候生产力的影响分析

植物气候生产力（climatic productivity）[1]是指某一地区植物群体在土壤肥力等其他条件满足其生长发育的情况下，由光、热、水等气候因子决定的单位土地面积上植物最大生物量，包括地上和地下部分。某一区域的植物净气候生产力主要决定于该区域的光、热和水资源，但是不同年份的光、热和水能资源有明显的差异。博州地区气候生产力在暖湿型气候下增长幅度较快，在冷湿型气候下呈现下降趋势。通过对比气候生产力与气温和降水的关系发现：博州地区2 县1 市的气候生产力与降水量呈显著性相关，与气温的相关性不明显。相关性系数分别为0.68和0.17，降水量是博州地区气候生产力最主要的限制因子。气候生产力除了受降水、气温影响外，还与相对湿度、日照时数、土壤温度等因子有关。

3.3 实际生产力对气候生产力的响应

分析为了衡量关中植被的气候资源利用率，定义实际产量与气候生产力之比为植被生产力利用率[10]，即：

植被气候生产力利用率=（实际产量/气候生产力）×100%。 （4）

由于受到自然条件和社会条件的限制，博州地区植被气候生产力利用率相对较低，气候生产潜力较大，以博州地区粮食单产为例（表3），其气候生产力利用率最高在2009年达到33.08%。

做2002—2010年实际粮食产量与气候生产力的相关性分析发现，气候生产力与实际生产力相关性不明显，其相关系数为0.11。但这并不说明实际生产力不受气候生产力的影响。由表3 可以看出，目前气候生产力的利用率普遍较低。随着农田水利设施的改善，农药和化肥的大量使用，气候生产力的利用率将会逐渐提高。因此研究气候生产力的时空演变规律，对于预测未来的农作物产量变化和增长幅度，具有很重要的现实意义。

表3 博州地区气候生产和与实际生产力

3.4 未来气候变化对气候生产力影响的敏感性分析

尽管未来的气候难以预测，但是多数学者认为新疆的气候未来将向暖湿化方向发展[4-5]。借助这些研究结论，计算未来一段时期内博州地区气候生产力的变化，进而为未来的植被长势做出初步的预测。以2010年的数据为基础（气温为7.1 ℃，降水量为179 mm，气候生产力为42 838.5 kg·hm-2），假设未来博州地区年平均气温在变幅-2、-1、0、1、2 ℃，年降水量在变幅-20%、-10%、0%、10%、20%的情况下，计算气候生产力的可能变幅（表4）。

表4 气候变化下气候生产力变化百分率/%

由表4 可以看出，在光照条件不变的情况下，气温升高，降水量增加，气候生产力均呈增加的趋势。当气候在处于暖湿情况下（气温上升1 ℃，降水量增加10%），气候生产力将增加11.01%。当气候处于暖干型（气温上升1 ℃，降水减少10%）和冷干型（气温下降1 ℃，降水减少10%）情况下，气候生产力分别降低11.01%和14.33%。可见暖湿型气候有利于植被的生长。

4 结论

博州地区近30 a 来气温呈增长趋势，增长率为0.06 ℃·10 a-1，降水呈增加趋势，平均每10 a 增加3.2 mm。春季和夏季的降水量分别以0.39 mm·a-1和0.31 mm·a-1的平均速度增加。但是秋季的降水量以0.16mm·a-1的平均速度下降。进入21世纪以来，博州地区气候呈现“暖干化”的特征。但是夏季和秋季呈现暖干化，并且夏旱情况越来越严重。

博州地区气候生产近30 a 来呈现波动增长趋势，其中多年平均值为45 805.6 kg·hm-2，平均每年增242.5 kg·hm-2。降水量对气候生产力的影响程度远大于气温对其的影响，降水与气候生产力呈显著相关，应该是博州地区气候生产率最主要的影响因子。

博州地区“暖湿型”气候对植被生长最为有利，其有利于植物干物质的积累，若未来气温升高1～2℃，降水量增加10%～20%，则博州地区植被生产力将增加11.0%～20.1%。“暖干型”和“冷干型”气候对植被的生长极为不利，单位面积分别减少13.9%和20.1%。未来5 a 新疆地区气候的暖湿化有助于气候生产力的提升，也有利于该地区的植被生长。

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