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东北地区农作物气候生产力对气候变化的时空响应

2022-03-12 来源:步旅网
江西农业学报2013,25(7):69—74 Acta Agriculturae Jiangxi 东北地区农作物气候生产力对气候变化的时空响应 韩晓敏,延军平 (陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安710062) 摘要:应用1956~2011年东北地区61个气象台站的逐月气温、降水资料,分析了该地区近55年的气候变化趋势;应 用Thomthwaite Memorial模型、Kriing插值法对该区的气候生产力的时空分布进行了分析,并对该地区的气候生产力的未 g来趋势进行了初步预测。结果显示:(1)东北地区的增温线性倾向率为0.320℃/10年,降水线性倾向率为一12.1l mm/lO 年,呈现出明显的暖干化趋势;气候生产力以61.84 ks/(hm ・10年)的速率在增加。(2)东北地区各地年平均气温自北向 南递增,气候倾向率整体自东南向西北递增;年降水量自东南向西北依次递减;农作物气候生产力除吉林西部、辽宁西北 部、内蒙古东部地区气候倾向率呈减少趋势外,其余地区均呈增加趋势。(3)假定不同气候变化背景下分别计算该地区的 气候生产力,“暖湿型”的气候环境对东北地区的农业最为有利,其增产范围为6.44%~17.19%,“冷干型”的气候环境最 为不利,其减产范围为7.43%一26.92%,目前东北地区的暖干化趋势在短期内对该区农业生产是有利的,但长期将使农业 的不稳定性增加。 关键词:东北地区;气候暖干化;气候生产力;农作物 中图分类号:S162.5文献标志码:A文章编号:1001—8581(2013)07—0069—06 Temporal and Spatial Response of Crop Climate Productivity to Climate Changes in Northeastern China HAN Xiao—min,YAN Jun—ping (College of Tourism and Environment Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062,China) Abstract:Based on the monthly temperature and precipitation data of 61、meteorological stations in northeastern China from 1956 to 201 1,the paper analyzed the climate change trends in this area in the past 55 years,and got the space—time distirbution of crop climate productivity by using Thomthwaite Memorial model and Kriging interpolation method,then predicted the trend of crop climate productivity in the future.The results showed that the linear tendency of temperature Was at the rate of 0.320 ̄C/IO a,and the linear tendency of precipitation was at the rate of一12.1 1 mm/10 a,which showed a clear nlend of wanning and drought;the crop climate prdouctivity increased at the rate of 61.84 ks/(hm ・10 a).In hte northeastern raea,the annual average air tempera- ture increased from north to south.climate tendency rate increased from southeast to northwest in general。and the annual precipita, tion decreased from southeast to northwest;for crop climate productivity,it showed a decreasing Rend in the western region of Jilin, the northwestern region of Liaoning,and the eastern region of Inner Mongolia,but it showed an increasing trend in other regions.If the crop climate productivity in diferent regions was calculated respectively under various climate change backgrounds,warming and humidifying climate enviornment was most favorable for northeastern agriculture,and its yield was increased by 6.4J4%~17.19%; while the cold and dry climatic environment was most unfavorable,and its yield was decreased by 7.43%一26.92%.The warm and dry tendency in northwestern China was advantageous for the agricultural production in the short term,but it would increase the in- stbaility of agriculture in the long term. Key words:Northeastern China;Warming and drying climate;Climatic productivity;Crop  、0 引言 区甚至全国都起着非常重要的作用。近些年该地区呈 全球气候变暖强度以北半球中高纬度内陆地区表 现出的暖干化趋势会对其农业产生一定的影响。张文 现最为明显…。东北地区是我国纬度最高的地区,也 兴等认为东北地区未来的气候变化仍以温度增高为主 是气候变暖最显著的地区之一 。在全球变化大背景 要特征,2030—2050年温度可能再增高2.0℃左右,并 下,区域气候变化深刻影响着当地的农业发展,这种影 将对农业产生进一步的影响 J。谢立勇认为,当前东 响在不同的区域可能产生有利和不利的结果 。东北 北地区温度增高对农作物增产有利,但温度继续升高, 地区是我国重要的商品粮基地,其农业的稳定性对该 可能给粮食带来负面影响,减少作物产量 。目前,从 收稿日期:2013—03—29 基金项目:国家自然科学基金项目“部分重大自然灾害的时空对称性:结构、机理与适应对策”(41171090)。 作者简介:韩晓敏(1988一),女,山西长治人,硕士研究生,主要从事全球气候变化与灾害防治研究。 70 江西农业学报 25卷 灾害角度研究气候变化对东北地区农业影响的文章较 多,而从气候生产力的角度来研究的甚少。该文利用 Thomthwaite Memorial气候生产力模型和Kriging插值 法 一 对该地区气候生产力的时空分布进行相关分 析,并对该区气候生产力的未来趋势做了初步预测,以 期充分利用气候资源,合理调整农业生产布局,为农业 领域应对气候变化的对策措施提供理论依据,做到趋 利避害。 东北地区包括黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古东 四盟,位于我国的东北部,也是我国纬度最高的地区。 本区属温带湿润、半湿润大陆性季风气候,由于紧靠西 伯利亚,深受寒冷干燥冬季风的影响。四季分明,光照 充足,雨量集中,多年平均气温为5.3℃,平均降雨量 为610.8 mm。其境内东北西三面为低山、中山环绕, 中部为广阔的东北大平原。东北地区既是气候敏感 区,也是生态环境脆弱带。 1资料来源和方法 1.1资料来源根据气象资料的完整度,本文选取了 东北地区61个站点1956—2011年的气象资料;主要包 括逐月平均气温、逐月平均降水量,资料来源于中国气 象科学数据共享服务网、黑龙江气象局、吉林气象局。 1.2方法主要应用Thomthwaite Memorial气候生产 力模型、Kriging插值法、标准化降水指数SPI、气候倾向 率及其它数理统计方法进行分析。 1.2.1 Thomthwaite Memorial气候生产力模型 植物 气候生产力是指在影响植物产量的其他因子处于最佳 状态时,单位面积、单位时间由气候因素所决定的植物 产量。考虑到所用资料既易于获取同时又能清楚地说 明气候变化的影响,选用Thornthwaite Memorial模 型 。该模型是Leith基于Thornthwaite发展的可能蒸 散量模型及世界五大洲50个地点的资料于1974年提 出来的。模型如下: Pv=3000(1一e枷・ ‘ ) (1) V=1.05R/[1+(1.05 R/L) ] (2) L=300+25t+0.05t (3) 式中: 为作物的气候生产力(kg/hm ), 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(oC)。 1.2.2 SPI原理McKee等 为了量化降水的亏缺程 度及其多时间尺度的变化状况,提出了标准化降水指 数(SPI),用来确定有降水量记录地区特定时间尺度 的降水异常事件,其时空尺度反映区域不同持续时间 的水资源特征。其计算原理与方法见参考文献 。 年、季、月3种时间尺度SPI值的计算在Matlab语言下 实现,SPI值大于0,则表明降水高于同期平均水平,值 愈大则洪涝愈严重;SPI小于0,则表明降水低于同期 平均水平,值愈小则气象干旱愈严重。其等级见表1。 表1 SPI等级表 标准化降水指数SPI 等级 SPI≥2.0 重涝 1.5≤SPl<2.0 中涝 1.O≤SPI<1.5 轻涝 —1.0≤SPI<1.0 正常 一1.5≤SPI<一1.0 轻旱 —2.O≤SPI<一1.5 中旱 SPI<一2.O 重旱 2结果分析 2.1东北地区气候时空分析 2.1.1 气温、降水年、代际分析 由图1a可知,近55 年来东北地区年平均气温呈现整体震荡上升趋势。平 均气温的气候倾向率为0.32 ̄C/IO年(通过了 = 0.001的极显著性水平),明显高于近50年全国增温速 率0.25 ̄E/IO年的平均水平 卜 J,气候变暖现象显 著。由5年滑动平均值可以看出20世纪50年代中期 到80年代中期平均气温小幅度波动,80年代后期上升 趋势显著。尤其从1988年开始,年均气温值远大于多 年平均值,气温较之前增加了26.7%,2007年气温达 到55年来最高值。 近55年年降水量的变化表明(图1b),东北地区 降水量以一12.11 mm/10年的速率减少(通过了d= 0.05的显著水平)。由5年滑动平均值得出,降水量从 20世纪50年代后期到80年代初下降显著,80年代初 到80年代后期迅速上升,90年代开始降水量持续减 少,21世纪初期降雨量缓慢增加,但仍低于55年平均 降水量。50年来降水量极小值出现在1999年,为 475 mm。 2.1.2年标准化降水指数趋势分析 标准化降水指 数的变化特征显示(图2):近55年东北地区标准化降 水指数平均值为0.146,总体呈下降趋势,下降速率为 0.15/10年,通过 =0.05水平的显著性检验。根据 Mckee对标准化降水指数的定义,SPI值大于0,则表明 降水高于同期平均水平,值愈大则洪涝愈严重;SPI小 于0,则表明降水低于同期平均水平,值愈小则气象干 旱愈严重(表1)。20世纪50年代中期至7O年代中 期,洪涝年占很大的比率,70年代中期到80年代中期 转为干旱,80年代中期至1997年SPI指数值显著上 升,1997年至今干旱年份占绝大多数。这与前面由气 候倾向率得出的结果是一致的,进一步验证了东北地 区气候明显的暖干化趋势。 2.1.3 气候空间分析 由图3a、3b可见,东北地区各 地年平均气温自北向南递增(一3.5~9.62 oC),呈现 明显的纬向地带性。低温中心在黑龙江最北部的漠河 地区,高温中心在辽宁南部的绥中、瓦房店地区;各站 点平均气温的气候倾向率整体自东南向西北递增 (0.09~0.57 oC/10年),在黑龙江北部大兴安岭地区、 7期 韩晓敏等:东北地区农作物气候生产力对气候变化的时空响应 7I 2 2 l l O O 0 l 1 2 2 5 0 5 O 5 O 5 O 5 O 5 呼玛出现增温高值中心,以此为中心向西北和东南方 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 (一38.07~8.83 mm/lO年),辽宁省丹东地区为降水 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 向递减,低值中心出现在辽东半岛的瓦房店地区。 减少的高值地区,以此为中心向周围递减(一3O~一5 由图3c、3d可知,东北地区的年平均降水量整体 mm/'lO年)。吉林省降水倾向率自中部向东西两侧递 大致自东南向西北递减(386.9—1102.9 mm),呈经向 增(一2O~一5 mm/lO年),黑龙江省漠河县是东北地 地带性。低值中心出现在吉林西部白城、辽宁西北部、 区唯一出现降水增加的地区。 内蒙古东部通辽地区,高值中心在辽宁东南部的丹东 总体上,东北地区的平均气温和年降水量的空间 地区;年降水量气候倾向率减小趋势没有地带性规律 变化差异较大,气候变化呈明显的暖干化趋势。 ’ ——◆一年平均降水量 一线性(年平均降水量) p r。 …5年滑动平均● . 霹 廿 !v:=一  十1 .2 119・x 6+ 464 5 .3。’2vV")【 Y R =O.0679 guv 繁壁霜 廿 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 年份 ∞∞ ∞如∞∞∞如∞ 年份 a,b分别表示年均气温、降水量变化趋势 图1 1956—2011年东北地区年平均气温、降水量变化趋势 部处于中国湿润的东亚季风区和干旱内陆之间的气候 冁 过渡带,对于气候的变化非常敏感。该地区是东北地 区降水量减少的高值中心之一,且增温速率也比较快。 遨 东北地区气候生产力与降水的相关系数要大于与气温 蜷 的相关系数,少雨干燥的气候使该地区农作物气候生 廿 产力大幅度减少。 东北地区32个代表站中除了白城、乾安、通榆、长 . 岭、阜新、瓦房店6个站外其余各站1956—1985年的平 年份 均气候生产力均小于1986~2011年的平均气候生产 图2 1956—2011年东北地区年均标准降水指数趋势 力(表2)。位于黑龙江省的呼玛、孙吴县近25年平均 2.2气候生产力时空分析 气候生产力较之前3O年增加了11.51%、11.28%。吉 2.2.1 年、代际分析分析东北地区近55年气候生 林西部的白城、乾安县分别减少了3.6l%、1.34%。近 产力变化特征得知(图4),近55年气候倾向率为 25年东北地区气候变化对黑龙江北部气候生产力的贡 61.84 ks/(hm2・10年)(通过了 =0.05水平的显 献率最大,其增温正效应大于降水量减少的负效应,该 著性检验);从5年滑动曲线可以看出气候生产力在 地区增温减少了低温冻害,使农作物生长周期缩短,粮 20世纪60年代呈下降趋势;70年代初到70年代中期 食增产幅度大;相反,对吉林西部和辽宁西北部的贡献 显著上升,7O年代中期至80年代初显著下降,80年代 率最小,该地区降水减少的负效应远大于增温正效应, 至90年代末呈波动上升趋势,在1997年达到55年中 干旱加剧了其粮食的进一步减产。 的最大值。 2.3未来不同气候变化背景下气候生产力的趋势 2.2.2 空间分析由图5a可见,东北地区气候生产 分析 力分布自西北向东南依次递增,黑龙江北部的漠河地 2.3.1 典型气候因子对气候生产力的相关分析 由 区为低值区域,辽宁东南部瓦房店地区为高值区域,其 于表征气候年代变化特征的主要因子是降水和气 变化范围为5631.9—10889.8 kg/hm ;近55年气候倾 温 引,通过相关分析得出,东北地区年气候生产力与 向率各站变化范围为一168.6—185.1 kg/(hm ・10 年平均气温间的相关系数为0.532,与年降水量间的相 年)(图5b),除吉林西部、辽宁西北部、内蒙东部地区 关系数为0.686,均通过0.001水平的显著性检验,因 气候倾向率呈减少趋势外,其余地区均呈增加趋势。 此,东北地区的年降雨量和年平均气温与气候生产力 低值中心在吉林西部的白城、通榆地区,高值中心在吉 都是呈正相关的,并且降水量对气候生产力的贡献率 林长白地区和黑龙江呼玛地区。吉林西部和辽宁西北 较大。 74 江西农业学报 25卷 低值中心出现在辽东半岛瓦房店地区。 东北地区的年平均降水量自东南向西北依次递减 其余地区均呈增加趋势。 表3东北地区各年分段气温、降水量对应下 的气候生产力比较 (386.9~1102.9 mm),低值中心在吉林西部白城、辽 宁西部地区;年降水量气候倾向率减小趋势没有地带 性规律(一38.07~8.83 mm/lO年),黑龙江省漠河县 是近55年东北地区唯一出现降水增多的地区。 东北地区气候生产力分布自西北向东南依次递 增,黑龙江北部的漠河地区为低值区域,辽宁东南部瓦 房店地区为高值区域;近55年气候倾向率各站变化范 围为一168.6~185.1 kg/(hm ・10年),除吉林西部、 辽宁西北部、内蒙东部地区气候倾向率呈减少趋势外, 表4未来气候变化对气候生产力的综合影响 (3)未来不同情景下的气候生产力变化分析的结 果表明,一定范围内的暖干化现象对东北地区的农业 [7]黄丙湖,孙根云.等雨量线自动提取的分析与实现[J].计算 机工程与设计,2010,31(15):3499—3502. 是有利的,但当超过该范围将会使农业的不稳定性增 加。应用Memorial模型得出,当气温较55年平均值升 高1.ool,℃,降水量减少11%时与多年平均值下的气 候生产力相当。超出这个临界值,东北地区的农作物 会因高温缺水而减产。 (4)为了应对东北地区进一步暖干化给农业带来 [8]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. 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