长江冲积平原县域气候与气候生产力变化分析——以湖北嘉鱼县为例

吴梦初，延军平，李敏敏

（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

20世纪末，全球变暖开始成为各国政府和人民广泛关注的问题，也成为国内外学者研究的热点之一。全球变暖之所以受到如此大的关注，究其原因为它对人类生存和发展的各方面有巨大的影响。而农业是对气候变化响应最为敏感的部门之一，气候变化对农业发展提出了前所未有的严峻挑战[1]。气候生产力的分析不仅能合理利用气候资源,充分发挥当地气候生产潜力，也是提高生产力的有效途径之一。尤其是当前全球气候变化对区域生态系统的影响，特别是气温和降水的显著变化给农业和畜牧业产生了巨大的影响，气候生产力的分析对制定适合区域的相应对策尤为重要。

在全球变暖的大背景下，区域气候变化深刻影响着当地的农业发展，这种影响在不同的区域可能产生有利的和不利的结果[2]。中国气候变化有明显的地区性，所以研究气候变化对我国不同区域气候生产力的影响，其结果应该也不同[1]。目前，研究我国气候变化对气候生产力影响的文章多着眼于西北干旱区。如王伟等以延安市为例，研究了黄土丘陵沟壑区气候与气候生产力的变化情况[3]；孙杨等以西北干旱区为研究对象，分析了气候变暖背景下该区域的农业气候资源变化情况[1]；张立伟等对咸阳市的气候变化对农作物气候生产力的影响做了分析研究[2]等。这些研究[1-6]均表明，“暖湿型”气候对作物生产最有利；气温对气候生产力的影响没有降水大，降水对干旱区气候生产力的贡献率大。而研究降水丰沛地区气候生产力对气候变化的响应情况则相对较少，地方县域气候如何变化及对当地农业生产影响问题的分析则更少。

鉴于此，本文以长江冲积平原上的嘉鱼县为例，根据1957-2012年气象资料，利用Thomthwaite Memoria模型，分析降水丰沛地区县域气候与气候生产力的变化，为农业生产适应气候变化能力提供科学依据。

1 资料与研究方法

1.1 研究区概况

湖北嘉鱼（图1）地属长江冲积平原，县境地狭长，总面积1018.4km2，总人口31.9×104人。属亚热带湿润型季风气候，在册耕地面积3.06×104hm2，大体形成“一山三水四分田，两分道路和庄园”的地貌格局。冬季气温下降慢、早春回温快，农业界限温度（稳定通过5℃的持续期）平均初日在2月27日，终日在12月10日。嘉鱼县资源丰富，区位优越，素有“锦绣江南、鱼米之乡”的美誉。

图1 嘉鱼县地理位置示意图

1.2 资料来源

本文选用嘉鱼县气象站1957-2012年的逐月平均气温和降水量，分析该研究区气候变化对气候生产力的影响。四季划分为春季：3-5月、夏季：6-8月、秋季：9-11月、冬季：12-次年2月。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.3 研究方法

气候生产力是指在一定的光、温、水资源条件下，其他的环境因素(CO2、养分等)和作物群体因素处于最佳状态，单位面积、单位时间由气候因素所决定的植物上限产量[4]。常用的比较成熟的气候生产力计算模型有Thornthwaite Memorial模型、Miami模型、Chikugo模型和北京模型[7]等。李晓冬、杜耘[8]等在研究湖北作物气候生产力对气候变化的响应时认为Lieth的ThornthwaiteMemorial模型考虑了气温和降水对生产力的共同作用，对作物生长力的估算更为准确。基于此，本文选用ThornthwaiteMemorial模型对嘉鱼县的气候生产力进行研究。

模型的计算公式如下：

其中：Pv为作物的气候生产力 [g/m2*a]，V是年平均蒸散量(mm)，R为年平均降雨量(mm)，L为年平均蒸发量(mm)，t为年平均气温(℃)。

2 气候变化背景

2.1 年际气候变化

通过对嘉鱼县1957-2012年年际气候趋势（图2）分析，近56年研究区平均气温以0.221℃/10a（R2=0.3768，通过了α=0.05的显著性水平）的速率递增，略低于50年来全国增温速 率 （0.25℃ /10a）[9-11]； 年 均 降 水 量 为 1399.9mm，以10.961mm/10a（R2=0.0046，未通过α=0.05的显著性水平）的速率呈波动上升趋势。总体来看，该县气候变化大致可划分为以下三个阶段：

图2 气温和降水距平变化

第一阶段：1957-1969年为“冷干期”。该时间段平均气温为16.9℃，上升速率仅为 0.033℃/10a；平均降水量为1345mm，下降速率高达96.154mm/10a。气温距平均为负值，1957年气温最低，为16.2℃；1968年降水量为849mm，仅为该县近56年平均降水量的60.6%。

第二阶段：1970-1987年为“冷湿期”。该时间段气温距平多为负值，平均气温仍为16.9℃，但增温速率高达0.26℃/10a，温度回升势头显著；平均降水量为1420mm，较第一阶段增加了75mm，变化趋势由前期明显减少转变为以42.518mm/10a的速率增加。

第三阶段：1988-2012年为“暖湿期”。气温距平多为正值，平均气温17.6℃，明显高于前两个阶段，也高于近56年的均值，上升速率（0.263℃/10a）略高于第二阶段。1997年以后气温持续上升，尤其是进入21世纪后，气温剧增，增幅达到最大值26.5%，为近56年来的最暖期，暖峰年出现在2006年（18.7℃）；平均降水量为1415mm，降水虽以23.279mm/10a的速率下降，但仍处于较高的水平，在2010年达到了最大值（1930mm）。值得注意的是，如果未来降水继续保持该速率下降，嘉鱼县将进入气候暖干期。

通过对嘉鱼县1957-2012年气温进行Mann-Kendall突变检验[12]发现（图3），该区年均温在1994年前后发生了由冷到暖的突变，通过了显著水平为0.05的置信度检验；降水没有发生明显突变。

图3 嘉鱼县1957-2012年平均气温Mann-Kendall检验

2.2 季节气候变化

2.2.1气温季节变化 分析嘉鱼县1957-2012年四季气温变化趋势（图4）发现，四季气温均呈现上升趋势，其中增温速率最大的是春季，为0.327℃/10a；夏季增温速率最小，为0.061℃/10a，与我国夏季的降温趋势（-0.23℃/10a）相反[7]。由5年滑动平均可知，该县20世60年代中期至90年代中期各季均温呈小幅度波动，90年代后期表现为显著的上升趋势。进入21世纪后，各季均温均明显高于均值，其中春季气温为17.80℃，高于56年来平均气温（16.76℃）1.04℃，其余三季气 温约高于当季均温1℃。

图4 嘉鱼县气温季节变化

2.2.2降水季节变化 分析嘉鱼县1957-2012年四季降水变化趋势（图5）发现，该县降水的季节变化趋势不统一：春秋两季降水分别以14.592mm/10a和0.831mm/10a的速度递减，且春季递减速率远大于秋季；而夏季和冬季降水则表现出增加的趋势，其增加速率分别为19.33mm/10a和6.81mm/10a。19.33mm/10a远大于6.81mm/10a，表明嘉鱼县的降水主要集中在夏季，春秋两季降水的减少对农作物的生长不利。由5年滑动平均得出，春秋两季降水总体呈现小幅波动下降，没有明显的年代际变化。夏季平均降水量为524.91mm，20世纪60年代逐年小幅递增；70年代前期骤减，后期又快速回升；80年代-90年代中期降水变化幅度小，90年代后期-21世纪初（2002年）达到了该期降水量的峰值694.2mm，后又开始减少。冬季平均降水量为172.88mm，70年代-90年代后期降水变化明显，表现为：前期降水量急剧减少，后期又迅速增加。

图5 嘉鱼县降水季节变化

3 气候变化对气候生产力的影响

3.1 气候生产力年际变化

分析嘉鱼县近56年气候生产力变化可知(图6)：气候生产力在20世纪50年代末期-60年代，正向时间序列统计值UF>0，说明Pv呈波动上升趋势；60年代-70年代末期（该县为“相对冷干-冷湿型”气候）UF多在0值以下，说明气候生产力在此时间段呈波动下降趋势；1978年后（该县气候进入“相对暖湿期”）UF>0，气候生产力增加速率加快。说明长江流域在降水总体变化不大的前提下，区域气候生产力对气温的变化比较敏感，气温在一定幅度内增加，其气候生产力也基本上呈逐步增大的趋势。Pv线性拟合方程为Y=1.4647x+1560，表明嘉鱼县Pv每年仅以1.4647kg/hm2(未通过α=0.05的显著性水平)的速率增加。

图6 嘉鱼1957-2012年气候生产力变化及其MK检验

3.2 未来气候变化对气候生产力的影响

假定未来由于各种因素导致气候变暖或变冷，使嘉鱼县气候在近56年平均降水量1400mm、平均气温17.22℃的基准上发生变化：气温升高或降低1℃、2℃或3℃，降水量增加或减少10%、20%或30%，利用ThomthwaiteMemoria模型分别计算不同气候变化情境下气候生产力的可能变化范围[2-4]，计算结果见表1。

表1 未来气候变化对气候生产力的综合影响 （单位：%）

表1显示：气候生产力随气温或降水的变化而增减。当降水不变，气温升高1℃、2℃、3℃时，气候生产力增加3.25%-9.36%，气温降低1℃、2℃、3℃时，气候生产力减少3.35%-10.23%；而当气温保持不变，降水量增加或减少10%、20%、30%，气候生产力则相应增加1.88%-4.62%或减少2.38%-9.34%。另外，当降水保持不变，气温变化引起的气候生产力变化，比当气温不变，降水变化引起的气候生产力变幅大，进一步说明降水丰富的嘉鱼，气温的变化对气候生产力的贡献率大。这和李晓冬、杜耘[8]等的研究结果一致（气候生产力与气温，降水成正相关关系；当降水不发生变化时，湖北南部地区对气候变化响应明显）。与西北干旱区降水对气候生产力的影响强于气温的影响不同。综合气温和降水变化发现，只有气温和降水同时增多，即“暖湿型”气候变化时，气候生产力才全部表现为增加趋势，增产范围为5.34%-15.68%，而当气温和降水同时减少，即“冷干型”气候变化时，气候生产力则全部表现为减少趋势，减产范围5.48%-17.05%。气温升高，降水减少，即气候向暖干化转变时，该县气候生产力经历了增加0.69%-减少0.16%-减少2.74%的变化。这说明短期内暖干化气候有利于嘉鱼县农业生产，但长期将会对农业造成不利影响，使气候生产力降低。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）近56年嘉鱼县年均温以0.221℃/10a的速率递增，略低于50年来全国增温速率（0.25℃/10a）；年均降水量为1399.9mm，以10.961mm/10a的速率呈波动上升趋势。总体可大致划分为三个阶段：第一阶段，1957-1969年为“冷干期”；第二阶段：1970-1987年为“冷湿期”；第三阶段：1988-2012年为“暖湿期”。

（2）近56年嘉鱼县四季气温呈现以不同速率上升的趋势，其中增温速率最大的是春季，为0.327℃/10a，最小的是夏季（0.061℃/10a），与我国夏季的降温率（-0.23℃/10a）相反。四季降水变化趋势不统一，表现为：春秋两季减少，夏冬两季分别以19.333mm/10a和6.810mm/10a的速度递增。总体来看，嘉鱼县气候有“暖湿化”的趋势。

（3）近56年嘉鱼县气候生产力呈波动上升趋势。未来不同情景下的气候生产力变化分析表明，“暖湿型”气候环境可提高该区的气候生产力5.34%-15.68%，“冷干型”气候环境对该区农业生产最不利，减产范围5.48%-17.05%。和西北干旱区不同的是，在降水丰沛地区，气温对气候生产力的贡献率大。目前嘉鱼县的气候变化对气候生产力是有利的。

4.2 讨论

在全球变暖背景下，气候变化对农业生产的影响有利有弊。对于降水丰沛的湖北嘉鱼县，随着温度的升高，气候生产力也将呈现不同的变化。一定范围的升温，可以优化该区热量资源，使得气候生产力提高。但是气候变暖必然带来病虫害的大量繁殖和衍生，也会增加极端天气的发生概率[13]，这些都将严重影响农业生产的稳定性，加重农业灾害损失。因此，我们必须因时制宜，合理规划，充分利用气候资源，积极主动应对气候变化对农业生产的影响。

另一方面，气候实际上是一个庞杂的系统，气候因子不光有气温和降水两个统计指标，还有风速、日照时数和相对湿度等衡量因子。本文基于气候生产力计算模型ThomthwaiteMemoria，选用了气温和降水两个主要统计量来反映嘉鱼县气候变化对气候生产力的影响，有一定的局限性，今后仍需做进一步完善。

[1]孙杨,张雪芹,郑度.气候变暖对西北干旱区农业气候资源的影响[J].自然资源学报,2010,25(7):1153-1162.

[2]张立伟,延军平,刘阳.咸阳气候变化及其对农作物气候生产力的影响[J].中国农业气象,2011,32(2):250-254.

[3]王伟,王玉,李缠云,等.黄土丘陵沟壑区气候与气候生产力变化分析——以延安市为例[J].水土保持通报,2008,28(6):151-154.

[4]延军平,张红娟,蒋毓新.黄土丘陵沟壑区县域气候生产力对气候变化的响应——以陕北米脂县为例[J].干旱区研究,2008,25(1):59-63.

[5]姚玉璧,李耀辉.王毅荣,等.黄土高原气候与气候生产力对全球气候变化的响应[J].干旱地区农业研究,2005,23(2):202-208.

[6]张谋草,段金省,李宗龚,等.气候变暖对黄土高原塬区农作物生长和气候生产力的影响[J].资源科学,2006,28(6):46-50.

[7]王胜兰.基于5种气候生产力模型的乌鲁木齐地区NPP计算分析[J].沙漠与绿洲气候,2008,2(4):40－44.

[8]李晓冬,杜耘,吴胜军,等.湖北作物气候生产力演变及其对气候变化的响应[J].农业系统科学与综合研究,2009,25(3):294-298.

[9]黄晓清.拉萨最高和最低气温的变化特征[J].气象,2000,26(3):47-50.

[10]罗云峰,朱文琴.中国近80年来气候变化特征及其形成机制[J].气象学报,2004,62(5):634-645.

[11]陈隆勋,朱文琴,王文,等.中国近45年来气候变化的研究[J].气象学报,1998,56(3):257-271.

[12]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术(第2版）[M].北京海淀区:气象出版社,2007.

[13]丁一汇,张锦,宋亚芳.天气和气候极端事件的变化及其与全球变暖的联系——纪念2002年世界气象日“减低对天气和气候极端事件的脆弱性”[J].气象,2002,28(3):3-7.

[14]蔡运龙.全球气候变化下中国农业的脆弱性与适应对策[J].地理学报,1996,51(3):202-212.