黑钙土区50年来气候生产潜力变化分析

靳英华，许嘉巍，朱孟美，肖　晗，姜锡东

(1.东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；

2.东北师范大学自然博物馆，吉林 长春 130117)



黑钙土区50年来气候生产潜力变化分析

靳英华1，许嘉巍1，朱孟美1，肖晗1，姜锡东2

(1.东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；

2.东北师范大学自然博物馆，吉林 长春 130117)

[摘要]选用东北黑钙土区的白城、乾安、前郭、通榆、长岭、富裕、齐齐哈尔、泰来8个气象台站的数据，分析了其50年来生长季平均气温、降水量和干燥度的变化趋势.采用Miami模型分别计算了由气温和降水决定的生产潜力；采用Thornthwaite Memorial模型计算了由气温、降水、干燥度综合作用决定的生产潜力，分析了其变化趋势，并通过Mann-Kendall检验进行了突变分析.结果表明：(1)黑钙土区1961—2010年生长季增温明显，降水量略有下降，干燥度显著升高，区域气候已由半湿润转化为半干旱；50年中的后20年比前30年的气候倾向率大.(2)黑钙土区由平均气温决定的温度生产潜力增加趋势明显，由降水量决定的降水生产潜力减少趋势变化不明显，由气温、降水、干燥度共同影响的气候生产潜力呈现不显著的下降趋势.(3)气候生产潜力变化在区域内存在差异，处于较低纬度吉林西部的各站点变化速率显著大于处于较高纬度的黑龙江西部的各站点.(4)黑钙土区近50年农业气候生产潜力已发生变化，建议通过改变耕作方式和调整土地利用结构，使我国黑钙土区的农业生产适应气候的变化.

[关键词]黑钙土区；气候变化；气候生产潜力

我国的黑钙土区位于松嫩平原上，自然地理区划属于温带半湿润气候区[1]，是我国玉米主产地和国家级商品粮基地[2-4].气候生产潜力的大小，取决于光、温、水三类气候要素的数量及其相互配合协调的程度[5-7]，气候生产潜力是评价农业气候资源的主要依据[8-11].全球气候变化对农业气候资源质量产生了重大影响[12-17]，主要体现在温度、降水及二者共同作用下的干燥度的变化上[18-26].

气候生产潜力的计算，可采用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Wagenigen模型、农业区域AEZ模型等[27].我国很多学者利用多种模型对气候变化下的不同区域农业气候生产潜力变化做了研究，在温度增加较多、降水增加有限的情况下，与光温生产潜力变化显著相比，气候生产力增加可能相对较少，甚至在某些地区还可能出现由于水分胁迫加强致使气候生产力减小的情形.[28-37]

由于Miami模型能够反映水热单因子对生产潜力的影响，Thornthwaite Memorial模型可体现多个气象要素的综合影响[27]，因此，本研究利用多年的气象资料，运用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型分析了我国黑钙土区的温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力的变化规律.

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于我国东北地区，包括黑龙江省的西部和吉林省的西部，地处松嫩平原上，地带性土壤为黑钙土，分布于阶地和高台地上.自然地理区划为温带半湿润季风气候，气温自北向南逐渐增高，降水量自东南向西北逐渐减少，干燥度自东北向西南逐渐增加.全年平均气温为4℃～5℃，年降水量350～500 mm，主要集中在7，8，9三个月.年气象蒸发量800～900 mm.原生植被类型为森林草原，目前，土地利用主要以玉米种植为主.

1.2气象资料

本研究选用研究区8个气象台站1961—2010年的月气温、降水资料.8个气象台站分别为白城(45.63°N，122.83°E)，乾安(45°N，124.02°E)，前郭尔罗斯(45.08°N，124.87°E)，通榆(44.78°N，123.07°E)，长岭(44.25°N，123.97°E)，富裕(47.8°N，124.48°E)，齐齐哈尔(47.38°N，123.92°E)，泰来(46.4°N，123.42°E).数据资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do).

1.3研究方法

利用1961—2010年5—9月的气温、降水数据，计算生长季平均温度和生长季降水量；生长季干燥度为生长季的最大蒸散量与生长季的降水量的比值；以气候倾向率表征1961—2010年8个站点的生长季温度、降水、干燥度和生产潜力的变化趋势和变化速率.[38]

采用Miami模型分别计算由生长季气温和降水决定的温度生产潜力和降水生产潜力；采用Thornthwaite Memorial模型计算由温度、湿度及相互作用(干燥度)决定的气候生产潜力.

Miami模型：

Yt=3 000/(1+e1.315-0.119t)；

Yr=3 000 (1-e-0.000 664 r).

Thornthwaite Memeorial模型：

Ye=3 000(1-e-0.000 969 5(V-20))；

V=1.05r/[1+(1.05r/L)2]1/2；

L=300+25t+0.05t3.

式中：t为生长季的平均温度(℃)；r为生长季的降水量(mm)；Yt，Yr分别为由生长季的平均温度、降水量决定的生产潜力(kg/(hm2·a))；L为生长季的最大蒸散量(mm)，是生长季的平均温度的函数；L/r为干燥度；Ye为气候生产潜力(kg/(hm2·a)).

检测突变的方法有多种，本文选用世界气象组织推荐并广泛使用的非参数统计检验方法——Mann-Kendall检验法(Kendall，1975)，进行生长季温度、降水、干燥度和气候生产潜力变化趋势显著性和突变点的检验.[39]

2结果与分析

2.1研究区气候变化分析

2.1.1生长季平均气温的变化趋势分析

1961—2010年间研究区生长季平均气温升高趋势显著(P<0.05)(见表1)，区域气温倾向率每10年为0.31℃，各站气温倾向率每10年在0.29℃~0.37℃之间，高纬地区气温变化的速率较大.1961—1990年气温气候倾向率明显小于1991—2010年，前30年气温只有微弱的增加，变化不显著，个别站点甚至呈降温趋势，后20年增温非常强烈，气温倾向率为每10年0.59℃，各站气温倾向率每10年在0.35℃~0.69℃之间.经M-K检验50年生长季气温在1996年发生突变(见图1).

图1生长季平均气温Mann-Kendall 突变判别曲线

2.1.2研究区生长季降水量的变化趋势分析

1961—2010年间研究区生长季降水量呈现减少的趋势(P>0.05)(见表2)，区域降水量倾向率为每10年-4.66 mm.1961—1990年降水变化呈不显著的增加趋势，而1991—2010年降水呈减少趋势，但变化不显著.经M-K检验50年生长季降水没有发生突变.

表2　研究区及各台站生长季降水量和降水量倾向率　mm

2.1.3研究区生长季干燥度的变化趋势分析

1961—1990年，该研究区各站点干燥度指数都小于1.49，属于半湿润区；1991—2010年研究区绝大部分站点干燥度指数都大于了1.49，属于半干旱区，湿润程度发生显著变化.

1961—2010年间，研究区生长季干燥度指数呈显著上升趋势(P<0.05)(见表3)，区域干燥度倾向率为每10年0.1，各台站干燥度倾向率每10年在0.04~0.2之间，越低纬地区干燥度指数变化的速率越大.1961—1990年干燥度倾向率明显小于1991—2010年，前30年干燥度指数呈下降趋势，变化不显著，区域湿润程度增加，后20年干燥度指数增加强烈，干燥程度加强.经M-K检验生长季干燥度在1999年发生突变(见图2).

表3　研究区及各台站生长季干燥度和干燥度倾向率

图2干燥度Mann-Kendall突变判别曲线

2.2生产潜力的变化趋势

2.2.1温度生产潜力

根据Miami模型计算得到温度生产潜力.1961—2010年间温度生产潜力呈显著增加趋势(P<0.05)，温度生产潜力倾向率每10年为21.64 kg/hm2，各站的温度生产潜力倾向率每10年变动在18.6~26.5 kg/hm2之间(见表4)，且越向高纬地区温度生产潜力变化的速率越大.1961—1990年温度生产潜力倾向率明显小于1991—2010年，前30年气温只有微弱的增加，变化不显著，个别站点甚至呈减少趋势，后20年温度生产潜力增加幅度较大，变化极显著.经M-K检验温度生产潜力在1996年发生突变(见图3).

表4　研究区及各台站温度生产潜力和温度生产潜力倾向率　kg/hm2

图3　温度生产潜力Mann-Kendall突变判别曲线

2.2.2降水生产潜力

根据Miami模型计算得到降水生产潜力.经过线性拟合可以看出1961—2010年间降水生产潜力总体呈不显著的减少趋势(P>0.05)(见表5)，降水生产潜力倾向率每10年为-19.3 kg/hm2，各站的倾向率变动每10年在-35.5~1 kg/hm2之间(见表4)，且越向低纬地区降水生产潜力变化的速率越大.1961—1990年降水生产潜力呈现增加趋势，而近20年降水生产潜力减少幅度较大.经M-K检验降水生产潜力没有发生突变.

表5　研究区及各台站降水生产潜力和降水生产潜力倾向率　kg/hm2

2.2.3气候生产潜力

根据Thornthwaite Memeorial模型计算得到研究区1961—2010年气候生产潜力.研究区1961—2010年气候生产潜力总体上呈现不显著的下降趋势(P>0.05)，气候生产潜力倾向率每10年为-23.87 kg/hm2，各站的气候生产潜力倾向率每10年变动在-44.88~2.54 kg/hm2之间，较低纬度的白城、通榆、长岭3个台站下降趋势显著(P<0.05)(见表6).1961—1990年各站气候生产潜力呈现不显著的增加趋势(P>0.05)，1991—2010年大多数站点气候生产潜力大幅度减少.经M-K检验气候生产潜力没有发生突变.

表6　研究区及各台站气候生产潜力和气候生产潜力倾向率　kg/hm2

3结论和讨论

黑钙土区1961—2010年生长季增温明显，降水量略有下降，干燥度显著升高，区域气候已由半湿润转化为半干旱.50年中的后20年比前30年的气候倾向率要大.

黑钙土区由平均气温决定的温度生产潜力增加趋势明显，平均气候倾向率每10年为21.64 kg/hm2；由降水量决定的降水生产潜力减少趋势变化不明显，平均气候倾向率每10年为-19.3 kg/hm2；由气温、降水、干燥度共同影响的气候生产潜力呈现不显著的下降趋势，平均气候倾向率每10年为-23.87 kg/hm2.二种模型计算的黑钙土区三种生产潜力的差异较大，特别是黑钙土区降水减少和气温升高，引起区内干燥度发生显著变化，因此由三个因素综合作用的气候生产潜力下降幅度更大.

气候生产潜力变化在区域内存在差异，处于较低纬度的吉林西部各站点变化速率显著大于处于较高纬度的黑龙江西部的各站点.

一般来说，温带作物生长受控于温度(积温和生长期)，全球增温有利于温带农业生产[40].但我国温带的粮食主产区位于温带半湿润区，温度的升高使生产潜力增加的同时，由于干燥度的增加，半湿润区转化为半干旱区，气候生产潜力反而下降.因此，我国黑钙土区农业生产必须适应气候变化，建议在耕作方式和土地利用结构等方面做出相应的调整.

作为一种传统的耕作方式，垄台耕种在东北地区已有几百年的历史.垄台耕种的优势是提高土壤温度和排水通畅，但是目前由于全球气候变化使该地区气温增加显著，这种耕作方式带来的优势越来越小了.垄沟温度低于垄台，土壤含水量大于垄台.在温度升高、降水减少的情况下，垄沟微环境可以缓解气候变化，建议在黑钙土区，采用垄沟耕种方式.[41]

我国温带半湿润区转化为半干旱区，与之相对应，农区应转化为农牧区.应适度减少玉米种植面积，增加牧草的种植.苜蓿为豆科牧草，根系发达，耐干旱，保水固土、固氮，富含蛋白质，家畜喜食.建议增加苜蓿的种植面积，建立玉米—苜蓿间作和轮作种植模式，培肥地力，提高玉米单产.[42]

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(责任编辑：方林)

Analysis on the changes of climate potential productivity over the past 50 years in chernozem soil area

JIN Ying-hua1，XU Jia-wei1，ZHU Meng-Mei1，XIAO Han1，JIANG Xi-dong2

(1.School of Geographical Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Natural History Museum，Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

Abstract:This study analyzes the change trends in mean temperature，precipitation and aridity in the growing season in the last 50 years using the meteorological data of eight stations (Baicheng，Qianan，Qianguo，Tongyu，Changling，Fuyu，Qiqihar，and Tailai). In addition，temperature potential productivity and precipitation potential productivity are calculated using the Miami model. Climate potential productivity is calculated using the Thornthwaite Memorial model. Change trend and mutation of the potential productivity are performed by Mann-Kendall test. The results show that：(1) Temperature has increased significantly，but precipitation has decreased slightly. So the aridity has significantly increased. Regional climate has transformed from semi-humid into semi-arid. The climate trend rate in last 20 years is bigger than that in previous 30 years. (2) The temperature potential productivity increases significantly but precipitation potential productivity decreases slightly. The climate potential productivity decided by temperature，precipitation and aridity decreases insignificantly. (3) The change patterns of climate potential productivity are different in the study area. The trend in western Jilin (low latitudes) is bigger than that in western Heilongjiang (high latitudes). (4) Climate potential productivity has changed a lot in chernozem soil area over the past 50 years，so advise to adjust the farming methods and land use structure to make sure the agriculture can adapt to climate change.

Keywords:chernozem soil area；climate change；climate potential productivity

[中图分类号]S 162.3[学科代码]170·1535

[文献标志码]A

[作者简介]靳英华(1968—)，女，博士，副教授，主要从事区域气候变化和农田生态研究；通讯作者:许嘉巍(1963—)，男，博士，教授，主要从事自然地理研究.

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41571078，41171072，41101523)；中国地震局资助项目(201208005).

[收稿日期]2015-04-29

[文章编号]1000-1832(2016)01-0121-07

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.025