近53年青海省气候变化与粮食产量及气候生产潜力特征

李晓东，胡爱军，祁栋林，李凤霞，王 力，刘吉宏(1.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001； . 青海省气象局，青海 西宁 810001；3.海北州气象局，青海 海北 81000； 4.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001)

近53年青海省气候变化与粮食产量及气候生产潜力特征

李晓东1，4，胡爱军1，4，祁栋林1，4，李凤霞2，王 力1，4，刘吉宏3,4
(1.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001； 2. 青海省气象局，青海 西宁 810001；3.海北州气象局，青海 海北 810200； 4.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001)

利用青海省1961-2013年年平均气温、年降水量等资料，分析了青海省气候变化的特征，应用Thornthwaite Memorial 模型估算了青海省气候生产潜力，探讨了气候生产潜力与粮食产量的关系。分析结果表明,1961-2013年青海省年平均气温显著升高，年平均气温升温率达0.40 ℃·10a-1；降水量也呈现增加趋势，增幅为6.0 mm·10a-1；日照时数和相对湿度呈现减少趋势。自2002年以来的近10年期间，粮食总产量和气候生产潜力变化趋势有一定相关性且气候生产潜力从2002年开始有突变(r=0.29，P<0.05)。近53年青海省气候生产潜力在323.39～478.48 g·m-2·a-1之间，年际间变化波动较大，呈现较弱的增加趋势，增加率为0.914 g·m-2·a-1。

气候变化；Thornthwaite Memorial模型；气候生产潜力

受1750年以来人类活动的影响，全球大气CO2、CH4和N2O浓度上升非常明显，已经大大高出了工业化前几千年的冰芯记录得到的浓度值[1]。在全球气候变暖的背景下，近百年来中国年地表平均温度增加显著，平均气温增温幅度为0.5～0.8 ℃。尤其在20世纪的近50年升温明显，极端气候事件发生频率增加[2]。此外，从1986年到1987年冬季开始到2006年，中国已经经历了21个“暖冬”[3]。随着全球气候变化，西北地区生态环境对气候变化的响应和气候变化带来的影响越来越多的受到关注。施雅风等[4]和秦大河[5]对中国西北地区的气候研究表明，西北地区的气候由之前的暖干型逐渐向暖湿型转变，逐步形成气温升高、降水增加的特征。气候变化对农业生产的影响巨大，特别是对环境脆弱区的生态系统初级生产力具有显著的影响。由于高原地区特殊的环境和地理位置，高原地区又属于气候变化的敏感区和生态脆弱区，因此极易受到气候变化的影响。

粮食作物对气候变化有着较高的敏感度，因此对粮食作物生产潜力变化研究是极其必要的。从生态系统角度来说，气候生产潜力就是由气候因素决定的平均初级生产力，反映了在一定的气候条件下某一个地区农业生产所应具备的基础生产潜力，因此可以说气候生产潜力与气候变化是密切联系的。近些年来国内外很多专家学者进行了气候生产潜力方面的研究[6-10],并建立了很多相对成熟可用的模型，如Maimi[11]、AEZ[12]、Thornthwaite Memorial[13]等模型，这些模型的提出和建立为气候生产潜力的研究提供了重要的科学支撑和理论依据。然而，国内对气候生产潜力以及粮食产量的研究多集中在东北地区[14]、黄土高原地区[15-16]以及部分地区的草地生产潜力[2,17]方面，由于青海省农业区的面积较小，对青海省气候生产潜力以及粮食产量的研究报道较少。基于此，选取在一定程度上能够更为合理地代表区域的实际产量的Thornthwaite Memorial模型，周密、准确、合理的开展对青海省生产潜力以及粮食产量的研究和细致的分析，并通过代表站点的对比研究，可以从气候以及生产潜力方面来评价青海省气候生产潜力的特征和规律。由于粮食实际产量与气候生产潜力之间关系密切，根据本地区的气候条件计算的气候生产潜力能够综合反映该地区水热状况对生产潜力产生的影响。因此，本文通过深入分析近53年青海省气候变化特征分析了青海省气候生产潜力的特征及其变化规律，为充分利用气候资源、提高生产力水平、指导该地区科学、高效、合理以及高产的农业生产提供理论支持和科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

青海省位于中国西北，地处“世界屋脊”之称的青藏高原，地理位置介于31°36′-39°12′ N，89°25′-103°04′ E，东西长约1 200 km，南北宽约800 km，总面积为696 647 km2，主要粮食作物有小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、豆类和薯类等。其中，青海省东部地区互助、平安、民和、湟中和贵德等地区为青海省主要的农业区。

青海省由于受纬度、地形、海拔、大气环流等因素的相互作用影响，形成了独特的高原大陆性气候。年平均气温在-6～9 ℃之间，年降水量在16.7～776.1 mm，降水的时空分布差异十分显著，夏季降水集中，降水量约占全年的50%～70%。

1.2 研究方法

研究所用的气象资料来自1961-2013年青海省52个气象台站的月平均气温、月降水量、月日照时数和相对湿度，用算数平均法计算东部农业区(西宁、贵德、民和、同仁、大通、湟中、湟源、乐都、化隆、循化、互助和尖扎)、环青海湖地区(刚察、天峻、门源、共和、贵南、祁连、野牛沟和托勒)、三江源区(兴海、同德、泽库、杂多、曲麻莱、玉树、玛多、清水河、大武、达日、久治、囊谦、五道梁和沱沱河)和柴达木盆地(德令哈、大柴旦、芒崖、茶卡、冷湖、格尔木、都兰、小灶火、和诺木洪)的平均气温、总降水量、日照时数和相对湿度。1961-2013年青海省52个气象台站气象资料来源于青海省气象局。1961-2013年青海省粮食产量资料来自国家统计局网站(http://www.stats.gov.cn/)，粮食产量数据为青海省1961-2013年青海省全省粮食总产产量。采用常规的数理统计分析方法，包括皮尔逊相关系数、MK突变检验等，研究青海省气候生产潜力的年际变化,其中气候生产潜力的计算仅考虑有粮食作物种植的各气象台站。为直观反映气候变化的空间分布特征，采用Surfer 8.0将计算结果采用克里金空间插值方法进行空间分布分析，其他的统计分析均在Excel 2013和SPSS 18.0中实现。

1.2.1 Thornthwaite Memorial模型 在综合分析和分析试验的基础之上，采用国际上通用且相对比较成熟的Thornthwaite Memorial 模型计算青海省农业区气候生产潜力[18]。其模型可用式(1-4)表示：

TSPV=3 000[1-e-0.000 969 5(V-20)]

(1)

(2)

V=PP<0.316L

(3)

L=300+25T+0.05T3

(4)

式中,TSPV是以实际蒸散量计算得到的气候生产潜力(g·m-2·a-1)；V为年平均实际蒸散量(mm)；L为年最大蒸散量(mm),表征为年平均温度的经验函数[18]；T为年平均气温(℃)，P为年降水量(mm)，将模型所需参数分别带入公式中计算气候生产潜力。

1.2.2 Mann-Kendall突变检验 MK[19]法通过构造正序列(UF)和逆序列(UB)进行计算，根据正逆序列统计量的曲线判断气象要素的变化趋势及突变特征。当正序列(UF)的值大于0,表示序列呈上升趋势,小于0 表示呈下降趋势。当超过临界值线时,表示上升或下降趋势显著。如果UF和UB两曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。该方法的优点是数据序列不需要遵从一定的分布,也不受少数异常测定值的干扰。

2 结果与分析

2.1 气候变化趋势

2.1.1 气温 1961-2013年青海省年平均气温呈明显升高趋势。近53年来，全省年平均气温升温率为0.40 ℃·10a-1，明显高于近50年全球(0.13 ℃·10a-1)及全国(0.22 ℃·10a-1)的水平值。年平均气温表现出较明显的阶段性变化(图1a)，20世纪60年代至80年代中期为冷期，80年代后期至21世纪10年代为暖期，尤其是从20世纪90年代末期至21世纪10年代增温最为明显。其中，东部农业区、环青海湖区、柴达木盆地、三江源区气温变化率分别为0.37、0.48、0.50、0.35 ℃·10a-1，其中青海省年平均气温升温率最大的地区是柴达木盆地(图1b)。

近53年来，年平均气温在柴达木盆地增幅速率最大，升温率最大地区为0.70 ℃·10a-1，其次为西宁周边地区，为0.48 ℃·10a-1(图1b)。柴达木盆地年平均最低气温的增温幅度比全省平均值高出0.10 ℃·10a-1，变暖趋势极为显著。2004-2013年青海省年平均气温呈波动增加趋势。近10年来，全省年平均气温升温率为0.19 ℃·10a-1。青海省平均气温近10年来均处于偏高期，且在2006年、2009年、2010年和2013年偏高均超过1.0 ℃(图1a)。

图1 1961-2013年青海省年平均气温距平变化、升温率空间分布Fig.1 Annual temperature anomaly and the spatial distribution of change rate during 1961-2013

2.1.2 降水 青海省年降水量1961-2013年呈现出微弱增加趋势，增幅为6.0 mm·10a-1。年降水量也具有非常明显的阶段性变化(图2a)，20世纪60年代至70年代初为少雨期，70年代中期至80年代末期为多雨期，90年代降水量开始明显偏少，进入21世纪以来青海省年降水量开始有所增加。各个季节的降水量均呈增加趋势，其中夏、秋季降水量增幅较为明显；春、冬季降水量总体来说略有增加但不显著。从青海省降水量空间分布情况可以看出，全省范围内降水量变化趋势存在一定的差异，其中三江源地区、柴达木盆地降水量增加的趋势比较明显；东部农业区、环青海湖地区降水量增加的幅度相对较小(图2b)。

2004-2013年青海省年降水量变化幅度相对稳定，在一定程度上呈现微弱的增加趋势，增加的幅度为2.4 mm·10a-1。年降水量在近10年偏多年份较多，仅在2004年、2006年和2013年呈现略偏少趋势；而其他年份的年降水量均呈现略多和偏多趋势(图2a)。

图2 1961-2013年青海省年降水距平百分率变化和降水变化率空间分布Fig.2 Annual precipitation anomaly percentage and the spatial distribution of change rate during 1961-2013

图3 1961-2013年青海省年平均日照时数距平变化及日照时数变化率空间分布Fig.3 Annual sunshine hour anomaly and the spatial distribution of change rate during 1961-2013

2.1.3 日照时数 1961-2013年青海省年平均日照时数呈减少趋势，减少率为10.4 h·10a-1。其中，柴达木盆地东西部减少最为明显，三江源地区玛多以及沱沱河等地呈增加趋势(图3b)。全省四季平均日照时数变化趋势不尽相同，夏、秋、冬季呈减少趋势，其中夏季减少率最大；春季表现为增加趋势。其中，1989年和2009年是1961年以来平均日照时数最少的两年，全年仅为2 600.5和2 603.2 h。

1961-2013年青海省年平均日照时数也具有较明显的阶段性变化(图3a)，20世纪60年代至80年代末日照时数较大，90年代初期至21世纪初期日照时数也较大，但明显小于60年代至80年代的日照时数。其中，2004-2013年青海省年平均日照时数呈减少趋势，减少率为7.7 h·10 a-1。2004-2013年青海省年平均日照时数除了2004年和2013年略大外，其他年份均偏少，连续8年偏少幅度较大，日照时数偏少持续时间较长。

2.1.4 相对湿度 1961-2013年青海省年平均相对湿度呈略微减少趋势,其中80年代初至90年代末增加幅度最大，从90年代末开始呈现较明显的减少趋势。1961-2013年青海省年平均相对湿度的阶段性变化明显(图4a)，20世纪60年代至80年代末相对湿度较大，90年代初期至21世纪初期相对湿度也较大，但小于60年代至80年代的相对湿度。其中，2004-2013年青海省年平均相对湿度呈略微减少趋势，减少幅度为3.19%·10a-1(图4a)。2004-2013年青海省年平均相对湿度除了2005年基本持平外，其他年份均偏小(图4a)，2005年起明显偏少，连续9年偏少幅度较大，相对湿度偏少持续时间最长。从空间分布来看，西宁、平安等东部地区以及柴达木盆地的西缘减少趋势较为明显，其他地区均呈现增加趋势(图4b)。

2.2 气候生产潜力年际变化分析

选取青海省3个种植粮食作物代表站点互助、湟中和民和，分析其气候生产潜力年际变化曲线(图5)，湟中县和互助县两站气候生产潜力呈小幅度波动增加趋势，而民和站呈现波动减少趋势,变化趋势不显著，其中湟中和互助两站的气候生产潜力变化趋势较一致。1961-2013年互助、湟中和民和站的气候生产潜力波动较大，与近年来气候变化有一定的关系。

2.3 粮食产量及气候生产潜力关系

近53年青海省气候生产潜力在323.39～478.48 g·m-2·a-1之间，年际间表现出较弱的增加趋势，增加率为0.914 g·m-2·a-1(图6)。粮食总产量和气候生产潜力在从2003年开始的近10年总体变化趋势类似，但略有波动；青海省2003-2013年的粮食平均产量为3 624.1 kg·hm-2，同期气候生产潜力为447.435 g·m-2·a-1，粮食产量达到气候生产潜力的80.9%。对2003-2013年粮食产量和气候生产潜力的相关分析结果显示，相关系数为0.29(P<0.05)。气候生产潜力1961-2013年呈现弱增加趋势，粮食产量增加趋势明显，其中粮食产量的波动增加与种植面积和种植结构调整有关，并不能完全表现该地区气候生产潜力应用水平的逐年增加和应用水平的逐步提高(图6)。

图4 1961-2013年青海省年相对湿度距平变化及相对湿度变化率空间分布Fig.4 Annual relative humidity anomaly and the spatial distribution of change rate during 1961-2013

图5 代表站(互助县，湟中县，民和县)气候生产潜力年际变化Fig.5 Climatic productive potential annual changing graph in representative stations

为了研究青海省气候生产潜力的变化情况，对近53年年气候生产潜力的时间序列进行了M-K突变检验分析。从青海省气候生产潜力M-K检验曲线图(图7)可以看出，青海省气候生产潜力从1961年开始波动上升，进入80年代气候生产潜力上升趋势明显；从2003年起，青海省气候生产潜力增加趋势非常明显，并从2007年突破了突变检验的临界值，突变发生在2002年，并且2002-2013年是近53年来增加速度最快的10年。气候生产潜力的趋势和突变特征在一定程度上也反映了气候的变化特征，因此气候生产潜力的变化和气候变化的关系是非常密切的。从UF曲线可以看出，1961-2013年以来，青海省气候生产潜力从1961-2003年有波动增加的趋势，但增加极其缓慢；而从2002年开始，青海省气候生产潜力呈现明显的增加趋势，这种增加趋势从2007年开始超过0.05显著性水平临界线，2009年开始甚至超过0.001显著性水平(u0.001=2.56)，这表明从2002年开始青海省气候生产潜力上升趋势是非常显著的。

图6 1961-2013年青海省粮食产量及气候生产潜力Fig.6 Grain yield and climatic productive potential during 1961-2013 in Qinghai Province

图7 1961-2013年青海省气候生产潜力突变检验Fig.7 Mann-Kendall abrupt change test during 1961-2013 in Qinghai Province

3 讨论与结论

近20多年来全球气候变暖明显，这样的趋势已经引起了人们的越来越多的关注。近年来，有关青藏高原和青海省气候变化方面的研究越来越多[20-21]。汪青春等[22]对青海省26个代表站近44年的气温和降水量的研究指出，青海省气温变化与全国气温变化趋势基本一致，总体趋势趋暖，气温变暖的地区主要在北部。李红梅等[23]的研究也表明，位于青海省西北部的柴达木盆地气温上升最为明显。而本研究的结果显示，近53年来，青海省年平均气温呈现明显的升高趋势，近10年来升温趋势更加明显；年平均气温西部地区升温显著，从南到北年平均气温逐渐升高，与上述学者的结果一致。而对降水量的研究李红梅等[23]和汪青春等[22]也做了很多工作，结果都表明近年来青海省降水量也存在明显的空间变化，其中柴达木盆地降水量增加趋势明显，其余地区变化相对平缓。而本研究对1961-2013年的降水量变化研究表明，降水在波动中略有增加，近10年增加明显，且青海省南部三江源地区和西部的柴达木盆地降水量增加趋势明显。时兴和等[24]对青海北部地区的降水变化的研究得出，柴达木盆地年度和四季降水量都有显著增加的趋势，而赵燕宁等[25]对青海东部农业区的研究也得出该区域夏季降水量有增加的趋势。因此，可以说明青海省气温上升显著，气温和降水变化存在明显的区域性特征，气候资源分布与其地理位置显著相关。

青海省地理位置上处于青藏高原，常年干燥少雨，日照时间较长，因此具有十分丰富的太阳能资源。本文结果显示，研究区年日照时数在近53年来减少趋势显著，北部和西部减少幅度最大，南部地区有弱增加趋势。刘义花等[26]对青海省51个气象站的日照资料进行分析研究得出，日照时数总体呈下降趋势，而位于西北部的格尔木在80年代略有上升；90年代之后，位于青海南部的部分地区有微弱的增加趋势，其研究结果与本研究结果一致，但是由于其研究时间相对较短，因此在个别区域有所差异。青海省年平均相对湿度近53年呈略微减少趋势,其中80年代初至90年代末增加幅度最大，从90年代末开始也呈现较明显的减少趋势。2005年起明显偏少，连续9年偏少幅度较大，相对湿度偏少持续时间最长。徐维新等[27]对三江源地区的相对湿度以及湿润指数作了大量的工作，其结果表明，该区域东部和北部在90年代后和21世纪出现湿润化趋势，其余地区均表现为明显的干旱化趋势，与本研究得到的结论一致。而本研究中空间分布结果得出2005年开始相对湿度呈明显减少趋势，主要可能是由于气温的增加和大部分地区降水量的平缓变化所造成的。

气候生产潜力是对气候资源状况评价的综合指标，可以揭示不同的限制因子在不同区域的作用。谢云[28]的研究指出，某地区气候资源即光水热等要素的匹配情况是气候生产潜力的本质，不稳定的气候特征导致光热水要素的匹配随之发生变化，因此而导致气候资源和相对应的气候生产潜力发生变化。而武永利等[29]的对山西省气候生产潜力的研究也发现，气候生产潜力的主要制约因子是水热条件，尤其与降水关系密切。而本研究结果显示，青海省年平均气候生产潜力呈现弱增加趋势，气候暖湿化的趋势是气候生产潜力增加的根本原因，尤其是近10年降水和气温的显著增加，与上述研究的结果一致。研究区粮食产量增加趋势明显，利用气候资源的应用水平较高，但粮食产量的变化也受种植面积变化等因素的影响，暖湿效应将使气候生产潜力普遍增加。在研究区气候明显趋于暖湿化的背景下，农业发展应遵从因地制宜的原则，充分发挥温度对气候生产潜力的贡献值，高效利用本地区的有效降水和充分发展节水农业以提高水资源的利用率，从而有效利用暖湿化的气候背景对农业生产的正面效应。但是，针对不同作物品种、不同土壤与耕作条件、不同区域等综合因素，对粮食生产的指导和科学支撑有待于进一步的探究。

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(责任编辑 张瑾)

Characteristics of climate change, grain yield and climate productivity potential during last 53 years in Qinghai Province

LI Xiao-dong1，4, HU Ai-jun1，4, QI Dong-lin1，4, LI Feng-xia2, WANG Li1，4, LIU Ji-hong3, 4
(1.Qinghai Institute of Meteorological Science, Xining 810001, China; 2.Qinghai Provincial Meteorological Bureau, Xining 810001, China; 3.Haibei Meteorological Bureau, Haibei 810200, China; 4.Qinghai Provincial Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction, Xining 810001, China)

Based on temperature and precipitation data during 1961-2013 in Qinghai Province, characteristics of climate change were analyzed and climate productivity potential (TSPV) was calculated by Thornthwaite Memorial model to explore the relationship between grain yield and climate productivity potential. The results showed that annual average temperature significantly increased during 1961-2013 with increase rate of 0.40 ℃·10a-1and precipitation slightly increased with increase rate of 6.0 mm·10a-1. However, sunshine hours and relative humidity decreased. During last decade since 2002, the total grain yield had correlation with climate productive potential with the correlation coefficient of 0.29 (P< 0.05) and TSPV showed an abrupt change from 2002. TSPV varied from 323.39 to 478.48 g·m-2·a-1during 1961-2013 with great annual variation and weak increase at rate of 0.914 g·m-2·a-1.

climate change; Thornthwaite Memorial model; climate productive potential

LI Xiao-dong E-mail:550381lxd@163.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0425

2014-09-22 接受日期：2015-01-29

国家科技支撑计划(2012BAH31B02);青海省科技计划项目(2012-N-529)

李晓东(1985-)，男，青海贵德人，工程师，硕士，主要从事气候变化及生态环境影响研究。E-mail：550381lxd@163.com

S162.8

A

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