内蒙古地区气候生产潜力变化及其敏感性分析*

刘 新，刘林春，尤 莉，张 宇



内蒙古地区气候生产潜力变化及其敏感性分析*

刘 新1，刘林春2，尤 莉1，张 宇1

（1．内蒙古自治区气候中心，呼和浩特 010051；2．内蒙古自治区气象台，呼和浩特 010051）

利用内蒙古地区110个气象站1961−2016年年平均气温、降水量数据，基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型计算气候生产潜力，分析内蒙古地区年平均气温、年降水量及气候生产潜力的时空变化特征，并通过敏感性试验，分析不同气象要素变化情景下的气候生产潜力敏感性。结果表明：（1）内蒙古气温和降水量地区间差异显著，56a来平均气温显著上升，97%的站点平均气温上升趋势极显著（P＜0.01），降水量呈波动变化，其线性变化趋势不显著；（2）气候生产潜力呈东南−西北向的带状分布，地区间差异较大，年变化趋势不显著，呼伦贝尔地区气候生产潜力显著增加（P＜0.05）；（3）气候生产潜力对降水量更敏感，未来在内蒙古地区显著变暖的背景下，降水量的多寡决定气候生产潜力的变化；（4）粮食单产及气候资源利用率逐步提高，未来仍存在作物增产空间，但应考虑可持续发展问题，合理利用气候资源。

“镰刀弯”地区；气候生产潜力；气候变化；敏感性；气候资源利用率

目前全球气候正经历一场以变暖为主要特征的显著变化，它对自然系统和社会系统都产生了重要影响，随着增温量值及其速率的明显增加，负面影响将可能加深加重[1-2]。气候变化对生态脆弱的干旱地区农业生产影响更为巨大[3-4]，它改变了气温、降水、光照等气象要素的时空分布格局[5]，从而直接影响了气候生产潜力[6-7]，进而对农业生产以及粮食安全构成一定威胁[8]。内蒙古粮食产区属“镰刀弯”地区之一，包括半湿润、半干旱和干旱气候类型，是气候变化脆弱的地区，作物生长对气候变化较敏感[9]，土地资源丰富，光热条件好，但水资源紧缺，土壤退化沙化，灾害种类多、发生频繁、灾情严重，其中干旱发生概率最大、影响范围最广、危害程度最重[10]。为有效应对气候变化、保障粮食安全，研究内蒙古气候生产潜力与光、温、水资源配合协调的程度及地区差异，对合理调整农业结构布局，促进可持续稳定发展，具有重要的意义。

许多学者对内蒙古地区气候变化规律及其对气候生产潜力的影响作了较多的分析和研究，并得出一些有价值的结论。白美兰等[11]研究表明，气温和降水的变化是决定内蒙古地区气候资源生产潜力的主要因子；高浩等[12]研究了内蒙古中部草原气候生产潜力特征，结果表明不同草原类型温度与降水变化对气候生产潜力的影响有差异性；韩芳等[13]研究表明内蒙古荒漠草原中部牧草气候生产力增加显著；张伟科等[14-15]对内蒙古天然草地生产潜力及其限制性进行了研究，得出不同地域、不同草地类型生产潜力的主导限制因子不同的结论；何玉斐等[16]以多伦县为例研究内蒙古农牧交错带草地生产潜力，结果表明降水对草地生产潜力的限制作用更为明显；杨泽龙等[17]对内蒙古东部气候变化及草地生产潜力进行了区域性分析。但以往研究多以草地等特定类型气候生产潜力进行分析，对内蒙古地区整体气候生产潜力变化特点研究较少，因此，本研究在前人研究的基础上对内蒙古地区气候生产潜力进行深入分析，探讨气候生产潜力的变化特征及对气象要素变化的敏感性，以期为农业产业结构调整和资源优化配置提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

考虑资料序列的完整性，筛选内蒙古自治区范围内110个气象站进行计算分析。各站1961−2016历年平均气温、年降水量数据来源于内蒙古气象信息中心；考虑资料的连续性，使用1981年以来的逐年粮食作物产量数据，1981−2015年内蒙古地区逐年粮食作物产量资料来源于《内蒙古统计年鉴》。

1.2 研究方法

1.2.1 气候生产潜力

Miami模型能够反映自然状态下水热单因子对潜在生产力的影响[18]，Thornthwaite Memorial模型在Miami模型的基础上考虑了与植物产量密切相关的蒸散量，体现多个气象要素的综合影响[19]。由于这两个模型相对简单，需要的参数少，而被广泛地应用于大范围的气候生产潜力变化格局研究中[20]。因此，本研究选取Miami模型和Thornthwaite Memorial模型进行计算，利用Thornthwaite Memorial模型计算综合气象要素影响下的气候生产潜力，Miami模型用以计算分析气温和降水量单要素对气候生产潜力的影响。

气温生产潜力和降水生产潜力利用Miami模型计算，即

Yt=3000/（1 + e1.315−0.119t） （1）

Yr=3000（1−e−0.000664r） （2）

式中，Yt、Yr分别为由年平均温度和年平均降水量决定的气温生产潜力和降水生产潜力（g·m−2·a−1），t为年平均气温（℃），r为年降水量（mm），e=2.7183。

气候生产潜力利用Thornthwaite Memorial 模型计算，即

Ye=3000[1−e−0.0009695（V−20）] （3）

V=1.05r/[1+（1.05r/L）2]1/2（4）

L=300+25t+0.05t3（5）

式中，Ye为气候生产潜力（g·m−2·a−1），综合考虑了气温和降水的配合状况；V为年平均实际蒸散量（mm），L为年平均最大蒸散量（mm）。

1.2.2 敏感性分析

假定气温升高、不变和降低，降水量增加、不变和减少的不同组合变化情景，代入气候生产潜力计算模型中，模拟分析相对变化率，以反映气候生产潜力对气温和降水量变化的敏感性。

1.2.3 气候资源利用率

以实际粮食产量与气候生产潜力之比表示农业气候资源利用率[21]，即

气候利用率(%)=(粮食产量/气候生产潜力)×100% （6）

2 结果与分析

2.1 气温和降水量的时空特征分析

由图1a可见，内蒙古地区东西跨度较大，气温差异明显，平均气温极差在14.2℃，其中年平均气温最高的地区在乌海市（9.8℃），最低的地区在呼伦贝尔市图里河（−4.4℃）。1961−2016年内蒙古地区年平均气温显著上升（P＜0.01），97%的站点平均气温变化趋势显著，各站气温变化倾向率在0.04～0.59℃×10a−1（P＜0.01），其中呼伦贝尔市北部、包头市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市北部等地区增温最明显。由历年气温距平变化可见（图2），全年气温变幅在−1.8～1.6℃，1989年之前主要以负距平为主，之后转为正距平，其中尤以20世纪末−21世纪初期增温幅度最大。

由图1b可见，内蒙古地区年降水量地区间差异显著，年降水量最多的是呼伦贝尔市鄂伦春旗（35.4mm），最少的是阿拉善盟额济纳旗（537.8mm），二者相差达502.4mm。1961−2016年内蒙古地区平均年降水量线性变化趋势不显著，仅有2站年降水量呈显著增加趋势（P＜0.05）。由历年降水量距平百分率变化可见（图2），降水量变幅在−27.6%～39.7%，1998年降水量距平达到峰值，进入21世纪后降水量明显偏少，为56a来降水量最少的时期。

2.2 气候生产潜力的时空特征分析

2.2.1 空间变化特征

内蒙古地区气温生产潜力与气温的空间分布相近（图略），呼伦贝尔市北部地区气温生产潜力最小，不足600g·m−2·a−1，西部大部及包头市南部、呼和浩特市南部、赤峰市东南部、通辽市大部、兴安盟南部地区气温生产潜力最大，超过1000g·m−2·a−1。降水生产潜力与降水量空间分布相近（图略），呼伦贝尔市东部地区降水生产潜力最大，超过800g·m−2·a−1，阿拉善盟西部降水生产潜力最小，不足200g·m−2·a−1。气候生产潜力综合了气温和降水生产潜力的分布特点，总体上接近降水生产潜力分布，呈现东南−西北向的带状分布（图3），地区间差异较大，在48.6～796.3g·m−2·a−1，东南部地区及锡林郭勒盟南部、乌兰察布市南部、呼和浩特市大部、包头市南部、鄂尔多斯市南部地区气候生产潜力最大，超过600g·m−2·a−1，阿拉善盟北部气候生产潜力最小，不足200g·m−2·a−1。研究期内内蒙古地区有16.4%的站点气候生产潜力显著增加，主要分布在呼伦贝尔地区，其气候生产潜力变化倾向率在0.1～0.31g·m−2·a−1（P＜0.05）。

图1 内蒙古地区年平均气温（a）、年降水量（b）的分布及其线性变化显著性

图2 1961−2016年内蒙古地区年平均气温距平、年降水量距平百分率的变化

图3 1961−2016年内蒙古地区平均气候生产潜力（g·m−2·a−1）的分布及其线性变化显著性

2.2.2 时间变化特征

由图4可以看出，1961−2016年内蒙古地区气温生产潜力年际变化呈显著的波动增加趋势（P＜0.01），降水生产潜力波动较大，但年变化趋势不明显。气候生产潜力与降水生产潜力变化相近，也没有显著的年变化趋势，年际间差异较大，最小年在1965年，为438.5g·m−2·a−1，最大年在1998年，达693.8g·m−2·a−1，21世纪初气候生产潜力明显偏小。56a平均气温生产潜力为977.8g·m−2·a−1，降水生产潜力为569.6g·m−2·a−1，气候生产潜力为572.8g·m−2·a−1，气温生产潜力值明显偏大，约为降水生产潜力和气候生产潜力的1.7倍，说明内蒙古地区热量条件相对充足，而水分条件相对不足，气候生产潜力主要受制于降水。

2.3 气候生产潜力的敏感性分析

假设不同的气温、降水变化情景，对内蒙古地区气候生产潜力进行敏感性分析。分析可见，全区气温变幅总体在−2～+2℃范围内，降水量变幅多数年份在−20%～+20%，因此，假定年平均气温变化−2℃、−1℃、0℃、+1℃、+2℃和年降水量变化−20%、−10%、0、+10%、+20%情景，计算气候生产潜力值，得到气候变化前后内蒙古地区气候生产潜力的变化率，结果见表1。由表中可见，气温升高、降水量增加时，气候生产潜力增加8.3%～16.5%；气温升高、降水量减少时，气候生产潜力减少2.5%～11.8%；气温降低、降水量增加时，气候生产潜力增加2.5%～6.9%或变化不大；气温降低、降水量减少时，气候生产潜力减少8.4%～17.0%；在气温不变时，由降水量变化引起的气候生产潜力变幅大于降水量不变时由气温变化引起的气候生产潜力变幅。可见，气候越暖、越湿，越有利于气候生产潜力的提高，并且降水量的变化对气候生产潜力的影响更大。未来在内蒙古地区显著变暖的趋势下，降水量的多寡决定气候生产潜力的变化，降水量不变或增加有利于气候生产潜力的增加，而降水量减小则不利于气候生产潜力的提高。

图4 1961−2016年内蒙古地区气温（Yt）、降水（Yr）、气候生产潜力（Ye）的年际变化

表1 气温、降水量不同变化情景下气候生产潜力的变化百分率（%）

2.4 气候资源利用率变化分析

由表2可见，研究期内内蒙古地区各年代平均粮食单产呈逐渐增加的态势，80年代最低，年平均仅170.5g·m−2，90年代、21世纪初和2011−2015年分别比上年代增加112.9g·m−2、73.3g·m−2和114.5g·m−2。气候生产潜力在21世纪初有所减小，为567.7g·m−2，其余年代均逐渐增加。各年代平均气候资源利用率逐渐提高，20世纪80年代气候资源利用率仅为29.3%，至2011−2015年平均气候资源利用率已达77.8%。粮食产量不仅与气候条件有关，还与社会条件有关，近年来国家高度重视粮食生产，出台了一系列强有力的扶持政策，促进粮食连年增产，气候资源利用率也逐步提高。然而，受水资源紧缺的限制，内蒙古地区面临土壤退化沙化、旱灾严重等问题，只追求粮食增产，会加重水土流失、土壤沙化等问题的发生，透支气候生产潜力。因此，粮食增产下的可持续发展问题仍值得深入思考。

表2 1981−2015年内蒙古地区粮食单产、气候生产潜力及气候资源利用率年代际变化

3 结论与讨论

（1）内蒙古地区东西跨度大，气温和降水量地区间差异显著。1961−2016年平均气温显著上升，气温变化幅度在−1.8～1.6℃，97%的站点平均气温变化趋势极显著（P＜0.01），呼伦贝尔市北部、包头市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市北部等地区增温最明显。年降水量总体变化趋势不显著，仅2个站点年降水量显著增加（P＜0.05），降水量变幅在−27.6%～39.7%。

（2）气候生产潜力综合了气温和降水生产潜力的特点，总体呈现东南−西北向的带状分布，地区间差异较大，年变化趋势不显著。全区16.4%的站点气候生产潜力显著增加（P＜0.05），主要分布在呼伦贝尔地区。气候生产潜力与降水生产潜力值相差不大，而气温生产潜力值明显偏大，约为降水生产潜力和气候生产潜力的1.7倍，说明内蒙古地区热量条件相对充足，而水分条件相对不足，气候生产潜力主要受制于降水。

（3）气候生产潜力对降水量更敏感，未来在内蒙古地区显著变暖的趋势下，降水量的多寡决定着气候生产潜力的变化，降水量不变或增加有利于气候生产潜力的增加，而降水量减小则不利于气候生产潜力的提高。

（4）内蒙古地区粮食单产总体呈显著上升趋势，气候资源利用率也逐步提高，进入21世纪后已达60%以上。从气候资源利用的角度考虑，内蒙古地区未来仍存在作物增产空间，但粮食增产下的可持续发展问题仍值得深入思考。

内蒙古地区属于“镰刀弯”地区之一，是北方水资源匮乏的集中区域，也是退耕还林还草和生态涵养建设的重点区域[22]。一味追求增产，只会使资源环境约束与生产发展之间的矛盾更加突出，因此，需要转变发展方式，充分考虑内蒙古地区降水资源限制下的气候生产潜力特点，综合自然生态条件、农业结构现状、生产发展水平、替代作物效益及结构调整潜力和可行性等多方面因素，主动调整种植结构，在不同气候资源特点的区域选择适宜的作物进行种植，例如在气候生产潜力小的中部农牧交错区及西北风沙干旱区，积极发展耐旱、低耗水型作物，并结合区内畜牧业发展的要求，合理利用气候资源，走出一条资源节约、生态友好的农业可持续发展之路。

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Characteristics and Sensitivity Analysis of Climate Production Potential in Inner Mongolia

LIU Xin1, LIU Lin-chun2, YOU Li1, ZHANG Yu1

(1.Climatic Center of Inner Mongolia, Hohhot 010051, China; 2. Inner Mongolia Meteorological Observatory, Hohhot 010051)

The climatic production potential in Inner Mongolia was assessed by the annual temperature and annual precipitation from 1961 to 2016 based on Miami and Thornthwaite Memorial model. The spatiotemporal variation feature of annual temperature, annual precipitation and climatic production potential (CPP) were analyzed. By sensitivity tests, the potential changes of CPP under different meteorological factors variation were simulated. The results showed that regional differences of annual temperature and precipitation in Inner Mongolia were both significant. In the past 56 years, the warming trend was significant and 97% of the region had an increasing precipitation（P<0.01）．Precipitation was fluctuating while the trend of linear change was not significant. The CPP showed the zonal distribution of southeast–northwest and regional differences were significant. But the trend of linear change of annual CPP was not significant except Hulunbuir（P<0.05）. The CPP was more sensitive to precipitation, which means with the warming trend in Inner Mongolia, its changes determined on the precipitation in the future. The grain yield and the climate resource utilization were gradually improved and there was still space for crop yield increase in the future. However, sustainable development should be taken into consideration, and use climate resources more reasonable.

“Sickle bend”area; Climatic production potential; Climate change; Sensitivity; Climate resource utilization

2018−01−07

内蒙古自治区气象局“气候与气候变化创新团队”；内蒙古自治区气象局科技创新项目（nmqxkjcx201710）

刘新（1987−），女，硕士生，工程师，主要从事气候监测与气候影响评价工作。E-mail：liuxin_0817@126.com

10.3969/j.issn.1000−6362.2018.08.005

刘新,刘林春,尤莉,等.内蒙古地区气候生产潜力变化及其敏感性分析[J].中国农业气象,2018,39(8):531−537