黑鈣土區50年來氣候生產潛力變化分析

靳英華，許嘉巍，朱孟美，肖　晗，姜錫東

(1.東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；

2.東北師范大學自然博物館，吉林 長春 130117)

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黑鈣土區50年來氣候生產潛力變化分析

靳英華1，許嘉巍1，朱孟美1，肖晗1，姜錫東2

(1.東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；

2.東北師范大學自然博物館，吉林 長春 130117)

[摘要]選用東北黑鈣土區的白城、乾安、前郭、通榆、長嶺、富裕、齊齊哈爾、泰來8個氣象臺站的數據，分析了其50年來生長季平均氣溫、降水量和干燥度的變化趨勢.采用Miami模型分別計算了由氣溫和降水決定的生產潛力；采用Thornthwaite Memorial模型計算了由氣溫、降水、干燥度綜合作用決定的生產潛力，分析了其變化趨勢，并通過Mann-Kendall檢驗進行了突變分析.結果表明：(1)黑鈣土區1961—2010年生長季增溫明顯，降水量略有下降，干燥度顯著升高，區域氣候已由半濕潤轉化為半干旱；50年中的后20年比前30年的氣候傾向率大.(2)黑鈣土區由平均氣溫決定的溫度生產潛力增加趨勢明顯，由降水量決定的降水生產潛力減少趨勢變化不明顯，由氣溫、降水、干燥度共同影響的氣候生產潛力呈現不顯著的下降趨勢.(3)氣候生產潛力變化在區域內存在差異，處于較低緯度吉林西部的各站點變化速率顯著大于處于較高緯度的黑龍江西部的各站點.(4)黑鈣土區近50年農業氣候生產潛力已發生變化，建議通過改變耕作方式和調整土地利用結構，使我國黑鈣土區的農業生產適應氣候的變化.

[關鍵詞]黑鈣土區；氣候變化；氣候生產潛力

我國的黑鈣土區位于松嫩平原上，自然地理區劃屬于溫帶半濕潤氣候區[1]，是我國玉米主產地和國家級商品糧基地[2-4].氣候生產潛力的大小，取決于光、溫、水三類氣候要素的數量及其相互配合協調的程度[5-7]，氣候生產潛力是評價農業氣候資源的主要依據[8-11].全球氣候變化對農業氣候資源質量產生了重大影響[12-17]，主要體現在溫度、降水及二者共同作用下的干燥度的變化上[18-26].

氣候生產潛力的計算，可采用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、Wagenigen模型、農業區域AEZ模型等[27].我國很多學者利用多種模型對氣候變化下的不同區域農業氣候生產潛力變化做了研究，在溫度增加較多、降水增加有限的情況下，與光溫生產潛力變化顯著相比，氣候生產力增加可能相對較少，甚至在某些地區還可能出現由于水分脅迫加強致使氣候生產力減小的情形.[28-37]

由于Miami模型能夠反映水熱單因子對生產潛力的影響，Thornthwaite Memorial模型可體現多個氣象要素的綜合影響[27]，因此，本研究利用多年的氣象資料，運用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型分析了我國黑鈣土區的溫度生產潛力、降水生產潛力和氣候生產潛力的變化規律.

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于我國東北地區，包括黑龍江省的西部和吉林省的西部，地處松嫩平原上，地帶性土壤為黑鈣土，分布于階地和高臺地上.自然地理區劃為溫帶半濕潤季風氣候，氣溫自北向南逐漸增高，降水量自東南向西北逐漸減少，干燥度自東北向西南逐漸增加.全年平均氣溫為4℃～5℃，年降水量350～500 mm，主要集中在7，8，9三個月.年氣象蒸發量800～900 mm.原生植被類型為森林草原，目前，土地利用主要以玉米種植為主.

1.2氣象資料

本研究選用研究區8個氣象臺站1961—2010年的月氣溫、降水資料.8個氣象臺站分別為白城(45.63°N，122.83°E)，乾安(45°N，124.02°E)，前郭爾羅斯(45.08°N，124.87°E)，通榆(44.78°N，123.07°E)，長嶺(44.25°N，123.97°E)，富裕(47.8°N，124.48°E)，齊齊哈爾(47.38°N，123.92°E)，泰來(46.4°N，123.42°E).數據資料來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do).

1.3研究方法

利用1961—2010年5—9月的氣溫、降水數據，計算生長季平均溫度和生長季降水量；生長季干燥度為生長季的最大蒸散量與生長季的降水量的比值；以氣候傾向率表征1961—2010年8個站點的生長季溫度、降水、干燥度和生產潛力的變化趨勢和變化速率.[38]

采用Miami模型分別計算由生長季氣溫和降水決定的溫度生產潛力和降水生產潛力；采用Thornthwaite Memorial模型計算由溫度、濕度及相互作用(干燥度)決定的氣候生產潛力.

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為生長季的平均溫度(℃)；r為生長季的降水量(mm)；Yt，Yr分別為由生長季的平均溫度、降水量決定的生產潛力(kg/(hm2·a))；L為生長季的最大蒸散量(mm)，是生長季的平均溫度的函數；L/r為干燥度；Ye為氣候生產潛力(kg/(hm2·a)).

檢測突變的方法有多種，本文選用世界氣象組織推薦并廣泛使用的非參數統計檢驗方法——Mann-Kendall檢驗法(Kendall，1975)，進行生長季溫度、降水、干燥度和氣候生產潛力變化趨勢顯著性和突變點的檢驗.[39]

2結果與分析

2.1研究區氣候變化分析

2.1.1生長季平均氣溫的變化趨勢分析

1961—2010年間研究區生長季平均氣溫升高趨勢顯著(P<0.05)(見表1)，區域氣溫傾向率每10年為0.31℃，各站氣溫傾向率每10年在0.29℃~0.37℃之間，高緯地區氣溫變化的速率較大.1961—1990年氣溫氣候傾向率明顯小于1991—2010年，前30年氣溫只有微弱的增加，變化不顯著，個別站點甚至呈降溫趨勢，后20年增溫非常強烈，氣溫傾向率為每10年0.59℃，各站氣溫傾向率每10年在0.35℃~0.69℃之間.經M-K檢驗50年生長季氣溫在1996年發生突變(見圖1).

圖1生長季平均氣溫Mann-Kendall 突變判別曲線

2.1.2研究區生長季降水量的變化趨勢分析

1961—2010年間研究區生長季降水量呈現減少的趨勢(P>0.05)(見表2)，區域降水量傾向率為每10年-4.66 mm.1961—1990年降水變化呈不顯著的增加趨勢，而1991—2010年降水呈減少趨勢，但變化不顯著.經M-K檢驗50年生長季降水沒有發生突變.

表2　研究區及各臺站生長季降水量和降水量傾向率　mm

2.1.3研究區生長季干燥度的變化趨勢分析

1961—1990年，該研究區各站點干燥度指數都小于1.49，屬于半濕潤區；1991—2010年研究區絕大部分站點干燥度指數都大于了1.49，屬于半干旱區，濕潤程度發生顯著變化.

1961—2010年間，研究區生長季干燥度指數呈顯著上升趨勢(P<0.05)(見表3)，區域干燥度傾向率為每10年0.1，各臺站干燥度傾向率每10年在0.04~0.2之間，越低緯地區干燥度指數變化的速率越大.1961—1990年干燥度傾向率明顯小于1991—2010年，前30年干燥度指數呈下降趨勢，變化不顯著，區域濕潤程度增加，后20年干燥度指數增加強烈，干燥程度加強.經M-K檢驗生長季干燥度在1999年發生突變(見圖2).

表3　研究區及各臺站生長季干燥度和干燥度傾向率

圖2干燥度Mann-Kendall突變判別曲線

2.2生產潛力的變化趨勢

2.2.1溫度生產潛力

根據Miami模型計算得到溫度生產潛力.1961—2010年間溫度生產潛力呈顯著增加趨勢(P<0.05)，溫度生產潛力傾向率每10年為21.64 kg/hm2，各站的溫度生產潛力傾向率每10年變動在18.6~26.5 kg/hm2之間(見表4)，且越向高緯地區溫度生產潛力變化的速率越大.1961—1990年溫度生產潛力傾向率明顯小于1991—2010年，前30年氣溫只有微弱的增加，變化不顯著，個別站點甚至呈減少趨勢，后20年溫度生產潛力增加幅度較大，變化極顯著.經M-K檢驗溫度生產潛力在1996年發生突變(見圖3).

表4　研究區及各臺站溫度生產潛力和溫度生產潛力傾向率　kg/hm2

圖3　溫度生產潛力Mann-Kendall突變判別曲線

2.2.2降水生產潛力

根據Miami模型計算得到降水生產潛力.經過線性擬合可以看出1961—2010年間降水生產潛力總體呈不顯著的減少趨勢(P>0.05)(見表5)，降水生產潛力傾向率每10年為-19.3 kg/hm2，各站的傾向率變動每10年在-35.5~1 kg/hm2之間(見表4)，且越向低緯地區降水生產潛力變化的速率越大.1961—1990年降水生產潛力呈現增加趨勢，而近20年降水生產潛力減少幅度較大.經M-K檢驗降水生產潛力沒有發生突變.

表5　研究區及各臺站降水生產潛力和降水生產潛力傾向率　kg/hm2

2.2.3氣候生產潛力

根據Thornthwaite Memeorial模型計算得到研究區1961—2010年氣候生產潛力.研究區1961—2010年氣候生產潛力總體上呈現不顯著的下降趨勢(P>0.05)，氣候生產潛力傾向率每10年為-23.87 kg/hm2，各站的氣候生產潛力傾向率每10年變動在-44.88~2.54 kg/hm2之間，較低緯度的白城、通榆、長嶺3個臺站下降趨勢顯著(P<0.05)(見表6).1961—1990年各站氣候生產潛力呈現不顯著的增加趨勢(P>0.05)，1991—2010年大多數站點氣候生產潛力大幅度減少.經M-K檢驗氣候生產潛力沒有發生突變.

表6　研究區及各臺站氣候生產潛力和氣候生產潛力傾向率　kg/hm2

3結論和討論

黑鈣土區1961—2010年生長季增溫明顯，降水量略有下降，干燥度顯著升高，區域氣候已由半濕潤轉化為半干旱.50年中的后20年比前30年的氣候傾向率要大.

黑鈣土區由平均氣溫決定的溫度生產潛力增加趨勢明顯，平均氣候傾向率每10年為21.64 kg/hm2；由降水量決定的降水生產潛力減少趨勢變化不明顯，平均氣候傾向率每10年為-19.3 kg/hm2；由氣溫、降水、干燥度共同影響的氣候生產潛力呈現不顯著的下降趨勢，平均氣候傾向率每10年為-23.87 kg/hm2.二種模型計算的黑鈣土區三種生產潛力的差異較大，特別是黑鈣土區降水減少和氣溫升高，引起區內干燥度發生顯著變化，因此由三個因素綜合作用的氣候生產潛力下降幅度更大.

氣候生產潛力變化在區域內存在差異，處于較低緯度的吉林西部各站點變化速率顯著大于處于較高緯度的黑龍江西部的各站點.

一般來說，溫帶作物生長受控于溫度(積溫和生長期)，全球增溫有利于溫帶農業生產[40].但我國溫帶的糧食主產區位于溫帶半濕潤區，溫度的升高使生產潛力增加的同時，由于干燥度的增加，半濕潤區轉化為半干旱區，氣候生產潛力反而下降.因此，我國黑鈣土區農業生產必須適應氣候變化，建議在耕作方式和土地利用結構等方面做出相應的調整.

作為一種傳統的耕作方式，壟臺耕種在東北地區已有幾百年的歷史.壟臺耕種的優勢是提高土壤溫度和排水通暢，但是目前由于全球氣候變化使該地區氣溫增加顯著，這種耕作方式帶來的優勢越來越小了.壟溝溫度低于壟臺，土壤含水量大于壟臺.在溫度升高、降水減少的情況下，壟溝微環境可以緩解氣候變化，建議在黑鈣土區，采用壟溝耕種方式.[41]

我國溫帶半濕潤區轉化為半干旱區，與之相對應，農區應轉化為農牧區.應適度減少玉米種植面積，增加牧草的種植.苜蓿為豆科牧草，根系發達，耐干旱，保水固土、固氮，富含蛋白質，家畜喜食.建議增加苜蓿的種植面積，建立玉米—苜蓿間作和輪作種植模式，培肥地力，提高玉米單產.[42]

[參考文獻]

[1]趙松喬.中國綜合自然地理區劃的一個新方案[J].地理學報，1983，38(1):1-10.

[2]冶明珠，郭建平，袁彬，等.氣候變化背景下東北地區熱量資源及玉米溫度適宜度[J].應用生態學報，2012，23(10)：2786-2794.

[3]張建平，趙艷霞，王春乙，等.氣候變化情景下東北地區玉米產量變化模擬[J].中國生態農業學報，2008，16(6):1448-1452.

[4]徐新良，劉紀遠，曹明奎，等. 近期氣候波動與LUCC過程對東北農田生產潛力的影響[J].地理科學，2007，27(3):318-324.

[5]陳長青，類成霞，王春春，等.氣候變暖下東北地區春玉米生產潛力變化分析[J].地理科學，2011，31(10):1272-1278.

[6]王宗明，張柏，張樹清，等.松嫩平原農業氣候生產潛力及自然資源利用率研究[J].中國農業氣象，2005，26(1)：1-6.

[7]周光明.松嫩平原作物氣候生產潛力分析及其氣候變化響應[J].黑龍江農業科學，2009(5)：35-37.

[8]李蒙，朱勇，黃瑋.氣候變化對云南氣候生產潛力的影響[J].中國農業氣象，2010，31(3)：442-446.

[9]潘根興，高民，胡國華，等.氣候變化對中國農業的影響[J].農業環境科學學報，2011，30(9):1698-1706.

[10]王素艷，郭海燕，鄧彪，等.氣候變化對四川盆地作物生產潛力的影響評估[J].高原山地氣象研究，2009，29(2):49-53.

[11]王春春，陳長青，黃山，等.東北氣候和土壤資源演變特征研究[J].南京農業大學學報，2010，33(2):19-24

[12]肖國舉，張強，王靜.全球氣候變化對農業生態系統的影響研究進展[J].應用生態學報，2007，18(8):1877-1885.

[13]WANG JIN-XIA，HUANG JI-KUN，YANG JUN. Overview of impacts of climate change and adaptation in China’s. agriculture[J].Journal of Integrative Agriculture，2014，13(1):1-17.

[14]楊曉光，李勇，代姝瑋，等.氣候變化背景下中國農業氣候資源變化Ⅸ. 中國農業氣候資源時空變化特征[J]. 應用生態學報，2011，22(12):3177-3188.

[15]王靜，楊曉光，李勇，等.氣候變化背景下中國農業氣候資源變化Ⅵ.黑龍江省三江平原地區降水資源變化特征及其對春玉米生產的可能影響[J].應用生態學報，2011，22(6):1511-1522.

[16]湯緒，楊續超，田展，等.氣候變化對中國農業氣候資源的影響[J].資源科學，2011，33(10)：1962-1968.

[17]劉志娟，楊曉光，王文峰，等. 氣候變化背景下我國東北三省農業氣候資源變化特征[J]. 應用生態學報，2009，20(9):2199-2206.

[18]ROBERT MENDELSOHN.The impact of climate change on agriculture in Asia[J].Journal of Integrative Agriculture，2014，13(4)：660-665.

[19]LI W，WANG C. The impact of climate change on cropping pattern in China[J]. Advances in Climate Change Research，2010(6)：123-129.

[20]LI X，TAKAHASHI T，SUZUKI N，et al. The impact of climate change on maize yield in the United States and China[J]. Agricultural Systems，2011，104:348-353.

[21]李夢云，黃方，陳龍胤.吉林省西部地區NDVI對降水量和土壤濕度的敏感分析[J].東北師大學報(自然科學版)，2013，45(4):141-146.

[22]張方敏，申雙和.中國干濕狀況和干濕氣候界限變化研究[J].南京氣象學院學報，2008，31(4):574-579.

[23]陳莉，方麗娟，李帥.東北地區生長季潛在蒸散量的變化特征分析[J]. 災害學，2010，25(2)：92-96.

[24]曾麗江，宋開山，張柏，等.近60年來東北地區參考作物蒸散量時空變化[J]. 水科學進展，2010，21(2):194-200.

[25]王遵婭，丁一匯，何金海，等.近50年來中國氣候變化特征的再分析[J].氣象學報，2004，62(2)：228-236.

[26]史培軍，孫劭，汪明，等.中國氣候變化區劃(1961—2010年)[J].中國科學，2014，44(10)：2294-2306.

[27]羅永忠，成自勇，郭小芹.近40 a甘肅省氣候生產潛力時空變化特征[J].生態學報，2011，31(1):221-229.

[28]陳國南.用邁阿密模型測算我國生物生產力的初步嘗試[J]. 自然資源學報，1987，2(3):270-278.

[29]趙安，趙小敏. FAO-AEZ 法計算氣候生產潛力的模型及應用分析[J]. 江西農業大學學報，1998，20(4):528-533

[30]孫彥坤，田寶星，高見，等.氣候變化對黑龍江省黑土區玉米氣候生產潛力的影響[J].東北農業大學學報，2013，44(11)：44-49.

[31]袁彬，郭建平，冶明珠，趙俊芳氣候變化下東北春玉米品種熟型分布格局及其氣候生產潛力[J].2012，57(14)：1252-1262.

[32]趙俊芳，郭建平，鄔定榮，等.2011—2050年黃淮海冬小麥、夏玉米氣候生產潛力評價[J].應用生態學報，2011，22(12):3189-3195.

[33]魏鳳英，馮蕾，馬玉平，等.東北地區玉米氣候生產潛力時空分布特征[J].氣象科技，2010，38(2):243-247.

[34]鄭海霞，封志明，游松財.基于GIS 的甘肅省農業生產潛力研究[J].地理科學進展，2003，22(4)：400-408.

[35]王素艷，郭海燕，鄧 彪，等.氣候變化對四川盆地作物生產潛力的影響評估[J].高原山地氣象研究，2009，29(2):49-53.

[36]周治國，孟亞利，曹衛星. 基于知識模型和GIS 的作物生產潛力評價[J].中國農業科學，2005，38(6):1142-1147.

[37]李三愛，居輝，池寶亮.作物生產潛力研究進展[J].中國農業氣象學報，2005，26(2)：106-111.

[38]韓瑋，韓永紅，楊沈斌.1961—2011年山東氣候資源及氣候生產力時空變化特征[J].地理科學進展，2013，32(3):425-434.

[39]符宗斌，王強.氣候突變的定義和檢驗方法[J].大氣科學，1992(4)：483-493.

[40]李克南，楊曉光，劉志娟，等. 全球氣候變化對中國種植制度可能影響分析Ⅲ.中國北方地區氣候資源變化特征及其對種植制度界限的可能影響[J].中國農業科學，2010，43(10):2088-2097.

[41]JIN Y H，ZHOU D W，JIANG S C. Comparison of soil water content and corn yield in furrow and conventional ridge sown systems in a semiarid region of China[J]. Agricultural Water Management，2010，97：326-332.

[42]陳玉香. 東北農牧交錯帶玉米生產與利用及農業生態系統優化生產模式[D].長春：東北師范大學，2002.

(責任編輯：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

[中圖分類號]S 162.3[學科代碼]170·1535

[文獻標志碼]A

[作者簡介]靳英華(1968—)，女，博士，副教授，主要從事區域氣候變化和農田生態研究；通訊作者:許嘉巍(1963—)，男，博士，教授，主要從事自然地理研究.

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41571078，41171072，41101523)；中國地震局資助項目(201208005).

[收稿日期]2015-04-29

[文章編號]1000-1832(2016)01-0121-07

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