近58年江西省气候及其生产潜力时空变化特征

安 彬, 肖薇薇, 张淑兰, 王 乐

(1.安康学院 旅游与资源环境学院, 陕西 安康 725000; 2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心,陕西 安康 725000; 3.秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心, 陕西 安康 725000)

气候生产潜力(Climatic Potential Productivity,CPP)是一定时期内当地光照、温度、水分条件下，在其他的环境因素(土壤性状、CO2等)和作物群体因素处于最佳状态时，单位面积内作物可能获得的最高产量[1-3]。全球气温增加明显的背景下[4]，不同地区的光照、温度和水分等要素的组合状况存在差异，使得气候生产潜力也存在较大的区域差异[5]。对此，国内外学者应用Miami模型[5-6]、Thornthwaite Memorial模型[7-10]、AEZ模型[11]、全球生态区模型(GAEZ)[12]等模型计算气候生产潜力，并应用分析方法研究其时空变化特征。其中，Thornthwaite Memorial模型体现了多种气象要素的综合影响，可以定量表征气候生产潜力与降水、温度和蒸发量之间的关系[13]，加之模型所需数据易获取，得到广泛应用[14]。曹永旺等[2]研究得出1961—2012年四川盆地气候呈暖干化，气候生产力呈减少趋势，陕西[7]、黑龙江[3]气候生产力趋势呈类似特征；邱阳阳等[8]研究得出1961—2015年安徽省气候呈暖湿化，气候生产力呈上升趋势，江苏[5]、贵州[9]气候生产力均表现出上升趋势，气候暖湿化的趋势是气候生产潜力增加的根本原因[15]。因此，研究区域气候生产潜力的变化特征，为充分合理利用当地气候资源提供重要的理论依据。

江西省位于长江南岸,地理坐标为24°29′—30°04′N, 113°34′—118°29′E，面积约为16.69万km2，北部的鄱阳湖平原是中国重要的商品粮基地，东、南、西三面环山，中部为丘陵和河谷平原交错分布。气候属中亚热带温暖湿润季风气候，多年平均降水和气温分别介于1 341～1 943 mm，16.3～19.5℃。近年来，该省高温、洪涝等灾害频繁发生且有增加的趋势[16]，粮食安全问题日益突出。基于此，本文利用1960—2017年江西省逐年降水和气温数据，应用Thornthwaite Memorial模型计算气候生产潜力，利用线性拟合、突变检验和空间插值等分析方法，探究该地区近58 a来降水、气温及气候生产潜力的时空变化规律，为江西省气候资源的合理利用、农业生产的合理布局及其产业结构的调整提供科技理论支持和参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

依据气象资料时间序列连续性、完整性的原则，从中国气象数据网(https:∥data.cma.cn)获取1960—2017年江西省16个国家基本气象站的逐年降水和平均气温资料，具体站点为修水、宜春、吉安、井冈山、遂川、赣县、庐山、鄱阳、景德镇、南昌、樟树、贵溪、玉山、南城、广昌、寻乌。利用RHtest方法[17-18]对获取的气象数据进行一致性质量检查，以保证结果的可信度。对于缺失数据的站点，选取其周边时间段完整的站点，采用线性回归模型修正的方法进行插补。

1.2 研究方法

1.2.1 气候生产潜力 气候生产潜力的计算历经统计分析、经验模型和物理模型[8]，其计算方法众多，各有优缺点。本文选用Lieth等[19]提出Thornthwaite Memorial模型，该模型的优势是所需数据既易获取，又能有效说明气候变化的影响。其计算公式如下：

Ycpp=3000[1-e-0.0009695(P-20)]

(1)

(2)

L=300+25T+0.05T3

(3)

式中:Ycpp为气候生产潜力[kg/(hm2·a)]；P为年均实际蒸发量(mm)；R为年降水量(mm)；L为年均最大蒸发量(mm)；T为年均气温(℃)。

1.2.2 分析方法 区域内气象要素、生产潜力的年均值为16站点数据的算数平均值；采用线性拟合法分析各要素的变化趋势，利用相关分析法研究气候生产力与气温、降水的相关性[20]；突变检验分析采用结合非参数统计M-K突变和滑动t检验法共同确定[21]。研究区域各各要素的空间分布采用ArcGIS 10.2空间插值模型[22]。文内图件全部采用Origin 9.0软件绘制。

2 结果与分析

2.1 降水与气温的时空变化

2.1.1 降水与气温的长期趋势 图1为1960—2017年江西省年降水量与年均温变化趋势曲线。由图1A可知，近58 a江西省年降水量总体呈波动上升趋势，其倾向率为32.25 mm/10 a。江西省多年平均降水量为1 684.98 mm，最大值为2 213.86 mm(1975年)，最小值为1 077.12 mm(1963年)，较历年平均值偏少607.86 mm。从年均温的变化趋势看(图1B)，江西省年均气温以0.195℃/10 a的速率上升，且通过了0.001显著性水平检验，响应了全球气候变暖现象。江西省多年平均气温为17.59℃，最高值出现在2016年，达到18.57℃，较历年平均值偏高0.98℃；最低值出现在1984年，为16.59℃。从累积距平看，江西省年降水量在1991年之前为波动下降趋势，之后转为波动上升趋势；年均温在1997年之前呈缓慢下降趋势，之后转为快速上升趋势。综上可知，近58 a来江西省气候呈暖湿化趋势。

图1 1960-2017年江西省年降水量与年均温变化趋势

从近58 a江西省年降水量M-K突变曲线可知(图2A)，正序列UF曲线与反序列UB曲线在临界线内多次相交，且UF曲线在1980年后突破了显著性水平临界线，但其滑动t检验值为1.39，低于t0.05=1.96，表明年降水量在研究期内未发生明显突变。年均气温的UF，UB曲线均超出了0.05显著性水平临界线(图2B)，且UF和UB之间仅有一个交点，对应时间为1988年，且其滑动t检验值为5.62，高于t0.05=1.96，表明江西省年均温在1988年发生显著突变，突变前年均温为17.28℃，升至突变后为17.91℃。

图2 1960-2017年江西省年降水量与年均温M-K突变曲线

2.1.2 降水与气温的空间变化 应用ArcGIS空间分析模块中的样条函数插值法(Spline)，得到了1960—2017年江西省年降水量与年均温及年际变化率的空间分布(图3)。从图3A可知，多年平均降水量形成由修水—寻乌一线向东西两侧增加空间分布特征，降水低值区主要集中在赣县周边，高值区集中在江西西部井冈山、东部贵溪、北部庐山等地。由图3B可看出，江西南部、中北部鄱阳、西北部宜春等地的降水年际增幅较低，其中鄱阳地区形成低值闭合中心，西部井冈山和东北部景德镇的降水年际增幅较高。整体上，江西省年均气温由南向北、自东向西递减，表现出纬向地带性规律(图3C)，主要是纬度决定着太阳辐射的分布，如纬度越低，太阳辐射就越多，平均气温越高。年均温高值区集中在江西东南部，中北部，其中贵溪地区形成高值闭合中心；低值区主要集中在北部庐山与西部井冈山，与两站所在位置的海拔较高有关。由气温年际变化率空间分布(图3D)可知，江西东北部升温幅度最大、西南部升温幅度最小，其中江西中北部樟树地区形成升温幅度较大的闭合中心。

2.2 气候生产力的时空变化

由图4A可知，在暖湿化气候背景下，近58 a来江西省年均气候生产潜力总体呈波动上升趋势，通过了0.001显著性水平检验，上升速率为169.81 kg/(hm2·10 a)。江西省年均气候生产潜力变化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，多年平均气候生产潜力为16 855.71 kg/(hm2·a)；最大值出现在1998年，较历年平均值偏高1 168.81 kg/hm2，最低值出现在1963年，较历年平均值偏低1 452.87 kg/hm2。从累积距平看，江西省年均气候生产潜力在1991年之前为波动下降趋势，之后转为波动上升趋势。年均气候生产潜力的UF，UB曲线均超出了0.05显著性水平临界线(图4B)，且UF和UB之间仅在1993年有交点，其滑动t检验值为4.65，高于t0.05=1.96，表明江西省年均气候生产潜力在1993年发生显著突变，突变前多年均气候生产潜力为16 600.74 kg/(hm2·a)，升至突变后为17 207.24 kg/(hm2·a)，增幅达到3.65%。

图3 1960-2017年江西省年降水量与年均温及年际变化率空间分布

图4 1960-2017年江西省年均气候生产潜力变化趋势及其M-K突变曲线

受降水和温度不均匀分布的影响，气候生产潜力及其年际变化率的空间分布略有差异。由图5A可知，江西省气候生产潜力自东向西、由南向北递减，以景德镇—樟树—吉安—赣县为界的东南地区较高，达到17 000 kg/(hm2·a)以上；北部庐山和西部井冈山地区生产潜力较低，其值大多在13 000 kg/(hm2·a)左右。根据各站点平均气候生产潜力得出其年际变化率的空间分布(图5B)，近58 a江西省气候生产潜力均呈上升趋势，但不同地区气候生产潜力年际变化率差异较大，变化介于27.64～499.96 kg/(hm2·10 a)，其空间分布特征与降水年际变化率相似。气候生产潜力增加较快的地区主要集中在江西东北部、西部地区，增加较慢的地区主要集中在江西东南部、西北部地区，其中寻乌气候生产潜力年际变化率最小，为68.88 kg/(hm2·10 a)。

2.3 气候生产潜力对气候变化的响应

以10 a为时间段，计算江西省年均降水、气温及气候生产潜力的年代际变化情况，见表1。20世纪60，70，80年代江西省年均降水和气温均低于历年平均值，气候生产潜力也低于历年平均值，说明这种“冷干化”气候不利于气候生产潜力。20世纪90年代年均降水高于历年平均值、气温均低于历年平均值，21世纪前10 a年均降水低于历年平均值、气温均高于历年平均值，2011—2017年期间年均降水和气温均高于历年平均值，这3个时间段的气候生产潜力均高于历年平均值，说明“冷湿化”、“暖干化”和“暖湿化”气候均有利于气候生产潜力的提高。

图5 1960-2017年江西省年均气候生产潜力及其年际变化率空间分布

表1 江西省年均降水、气温及气候生产潜力的年代际变化

为进一步探讨生产潜力对气候变化的响应，对研究区近58 a气候生产潜力与气温、降水进行相关分析、偏相关分析，计算结果见表2。可以看出，气候生产潜力与气温、降水之间的相关性都显著(p<0.01)，这可解释暖湿化的气候背景是江西省气候生产潜力呈上升趋势的原因之一。气候生产潜力与降水、气温的偏相关性均显著(p<0.01)，说明了江西省气候生产潜力受降水与气温的协同影响。气候生产潜力与降水的相关系数、偏相关系数均大于其与气温的，表明降水对江西省生产潜力的影响高于气温，这与武永利等[23]认为降水是限制山西省气候生产潜力的主要因子观点一致。

2.4 气候资源利用率变化

通过计算粮食实际生产力与气候生产潜力比值，用以表征农业气候资源利用率[24]，结果见表3。研究期内江西省各年代平均粮食单产总体呈增加趋势，20世纪80年代最低，年均单产仅为3 959.78 kg/hm2；2011—2017年最高，年均单产达到5 716.59 kg/hm2，较80年代净增产1 756.81 kg/hm2，增加幅度明显高于同时期气候生产潜力增加量。江西省气候资源利用率逐年代而增加，80年代年均气候资源利用率仅为23.81%，至2011—2017年提升至33.06%。由于采取适当的农艺和耕作制度、先进的农业科技进步、振兴农业等政策，使得耕地及气候资源利用效率得以提高。但受耕地质量总体不高[24]、农业人口省际迁出比例高[25]等因素影响，致使江西省气候资源利用率总体偏低。

表2 江西省气候生产潜力与年均降水、气温的相关性

注：**表示通过0.01水平的显著性检验，“降水”表示控制气温不变，气候生产潜力与降水的相关性，“气温”表示控制降水不变，气候生产潜力与气温的相关性。

表3 1980-2017年江西省粮食单产、气候生产潜力及气候资源利用率年代际变化

3 结 论

(1) 1960—2017年江西省气候呈暖湿化趋势。多年平均降水量为1 684.98 mm，年际变化率为32.25 mm/10 a，未发生显著突变，空间上以修水—寻乌为界向东西两侧增加。多年平均气温为17.59℃，以0.195℃/10 a的速率显著上升(p<0.001)，在1988年发生由低到高的显著突变，空间上由南向北、自东向西递减，表现出纬向地带性规律。

(2) 1960—2017年，江西省气候生产潜力变化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，平均气候生产潜力为16 855.71 kg/(hm2·a)，以169.81 kg/(hm2·10 a)的速率显著上升(p<0.001)，在1993年发生由低到高的显著突变，空间上气候生产潜力自东向西、由南向北递减，不同地区气候生产潜力年际变化率差异较大。

(3) 受降水和气温时空组合变化影响，直接影响该地区气候生产潜力的状况，但降水对江西省生产潜力的影响高于气温。20世纪60—80年代的“冷干化”气候不利于气候生产潜力，而20世纪90年代以来的“冷湿化”、“暖干化”和“暖湿化”气候均有利于气候生产潜力的提高。

(4) 20世纪80年代以来，江西省粮食单产增加幅度明显高于同时期气候生产潜力增加量，气候资源利用率由20世纪80年代的23.81%提升至2011—2017年的33.06%。