劉 新,劉林春,尤 莉,張 宇
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內蒙古地區氣候生產潛力變化及其敏感性分析*
劉 新1,劉林春2,尤 莉1,張 宇1
(1.內蒙古自治區氣候中心,呼和浩特 010051;2.內蒙古自治區氣象臺,呼和浩特 010051)
利用內蒙古地區110個氣象站1961?2016年年平均氣溫、降水量數據,基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型計算氣候生產潛力,分析內蒙古地區年平均氣溫、年降水量及氣候生產潛力的時空變化特征,并通過敏感性試驗,分析不同氣象要素變化情景下的氣候生產潛力敏感性。結果表明:(1)內蒙古氣溫和降水量地區間差異顯著,56a來平均氣溫顯著上升,97%的站點平均氣溫上升趨勢極顯著(P<0.01),降水量呈波動變化,其線性變化趨勢不顯著;(2)氣候生產潛力呈東南?西北向的帶狀分布,地區間差異較大,年變化趨勢不顯著,呼倫貝爾地區氣候生產潛力顯著增加(P<0.05);(3)氣候生產潛力對降水量更敏感,未來在內蒙古地區顯著變暖的背景下,降水量的多寡決定氣候生產潛力的變化;(4)糧食單產及氣候資源利用率逐步提高,未來仍存在作物增產空間,但應考慮可持續發展問題,合理利用氣候資源。
“鐮刀彎”地區;氣候生產潛力;氣候變化;敏感性;氣候資源利用率
目前全球氣候正經歷一場以變暖為主要特征的顯著變化,它對自然系統和社會系統都產生了重要影響,隨著增溫量值及其速率的明顯增加,負面影響將可能加深加重[1-2]。氣候變化對生態脆弱的干旱地區農業生產影響更為巨大[3-4],它改變了氣溫、降水、光照等氣象要素的時空分布格局[5],從而直接影響了氣候生產潛力[6-7],進而對農業生產以及糧食安全構成一定威脅[8]。內蒙古糧食產區屬“鐮刀彎”地區之一,包括半濕潤、半干旱和干旱氣候類型,是氣候變化脆弱的地區,作物生長對氣候變化較敏感[9],土地資源豐富,光熱條件好,但水資源緊缺,土壤退化沙化,災害種類多、發生頻繁、災情嚴重,其中干旱發生概率最大、影響范圍最廣、危害程度最重[10]。為有效應對氣候變化、保障糧食安全,研究內蒙古氣候生產潛力與光、溫、水資源配合協調的程度及地區差異,對合理調整農業結構布局,促進可持續穩定發展,具有重要的意義。
許多學者對內蒙古地區氣候變化規律及其對氣候生產潛力的影響作了較多的分析和研究,并得出一些有價值的結論。白美蘭等[11]研究表明,氣溫和降水的變化是決定內蒙古地區氣候資源生產潛力的主要因子;高浩等[12]研究了內蒙古中部草原氣候生產潛力特征,結果表明不同草原類型溫度與降水變化對氣候生產潛力的影響有差異性;韓芳等[13]研究表明內蒙古荒漠草原中部牧草氣候生產力增加顯著;張偉科等[14-15]對內蒙古天然草地生產潛力及其限制性進行了研究,得出不同地域、不同草地類型生產潛力的主導限制因子不同的結論;何玉斐等[16]以多倫縣為例研究內蒙古農牧交錯帶草地生產潛力,結果表明降水對草地生產潛力的限制作用更為明顯;楊澤龍等[17]對內蒙古東部氣候變化及草地生產潛力進行了區域性分析。但以往研究多以草地等特定類型氣候生產潛力進行分析,對內蒙古地區整體氣候生產潛力變化特點研究較少,因此,本研究在前人研究的基礎上對內蒙古地區氣候生產潛力進行深入分析,探討氣候生產潛力的變化特征及對氣象要素變化的敏感性,以期為農業產業結構調整和資源優化配置提供參考依據。
考慮資料序列的完整性,篩選內蒙古自治區范圍內110個氣象站進行計算分析。各站1961?2016歷年平均氣溫、年降水量數據來源于內蒙古氣象信息中心;考慮資料的連續性,使用1981年以來的逐年糧食作物產量數據,1981?2015年內蒙古地區逐年糧食作物產量資料來源于《內蒙古統計年鑒》。
1.2.1 氣候生產潛力
Miami模型能夠反映自然狀態下水熱單因子對潛在生產力的影響[18],Thornthwaite Memorial模型在Miami模型的基礎上考慮了與植物產量密切相關的蒸散量,體現多個氣象要素的綜合影響[19]。由于這兩個模型相對簡單,需要的參數少,而被廣泛地應用于大范圍的氣候生產潛力變化格局研究中[20]。因此,本研究選取Miami模型和Thornthwaite Memorial模型進行計算,利用Thornthwaite Memorial模型計算綜合氣象要素影響下的氣候生產潛力,Miami模型用以計算分析氣溫和降水量單要素對氣候生產潛力的影響。
氣溫生產潛力和降水生產潛力利用Miami模型計算,即
Yt=3000/(1 + e1.315?0.119t) (1)
Yr=3000(1?e?0.000664r) (2)
式中,Yt、Yr分別為由年平均溫度和年平均降水量決定的氣溫生產潛力和降水生產潛力(g·m?2·a?1),t為年平均氣溫(℃),r為年降水量(mm),e=2.7183。
氣候生產潛力利用Thornthwaite Memorial 模型計算,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為氣候生產潛力(g·m?2·a?1),綜合考慮了氣溫和降水的配合狀況;V為年平均實際蒸散量(mm),L為年平均最大蒸散量(mm)。
1.2.2 敏感性分析
假定氣溫升高、不變和降低,降水量增加、不變和減少的不同組合變化情景,代入氣候生產潛力計算模型中,模擬分析相對變化率,以反映氣候生產潛力對氣溫和降水量變化的敏感性。
1.2.3 氣候資源利用率
以實際糧食產量與氣候生產潛力之比表示農業氣候資源利用率[21],即
氣候利用率(%)=(糧食產量/氣候生產潛力)×100% (6)
由圖1a可見,內蒙古地區東西跨度較大,氣溫差異明顯,平均氣溫極差在14.2℃,其中年平均氣溫最高的地區在烏海市(9.8℃),最低的地區在呼倫貝爾市圖里河(?4.4℃)。1961?2016年內蒙古地區年平均氣溫顯著上升(P<0.01),97%的站點平均氣溫變化趨勢顯著,各站氣溫變化傾向率在0.04~0.59℃×10a?1(P<0.01),其中呼倫貝爾市北部、包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市北部等地區增溫最明顯。由歷年氣溫距平變化可見(圖2),全年氣溫變幅在?1.8~1.6℃,1989年之前主要以負距平為主,之后轉為正距平,其中尤以20世紀末?21世紀初期增溫幅度最大。
由圖1b可見,內蒙古地區年降水量地區間差異顯著,年降水量最多的是呼倫貝爾市鄂倫春旗(35.4mm),最少的是阿拉善盟額濟納旗(537.8mm),二者相差達502.4mm。1961?2016年內蒙古地區平均年降水量線性變化趨勢不顯著,僅有2站年降水量呈顯著增加趨勢(P<0.05)。由歷年降水量距平百分率變化可見(圖2),降水量變幅在?27.6%~39.7%,1998年降水量距平達到峰值,進入21世紀后降水量明顯偏少,為56a來降水量最少的時期。
2.2.1 空間變化特征
內蒙古地區氣溫生產潛力與氣溫的空間分布相近(圖略),呼倫貝爾市北部地區氣溫生產潛力最小,不足600g·m?2·a?1,西部大部及包頭市南部、呼和浩特市南部、赤峰市東南部、通遼市大部、興安盟南部地區氣溫生產潛力最大,超過1000g·m?2·a?1。降水生產潛力與降水量空間分布相近(圖略),呼倫貝爾市東部地區降水生產潛力最大,超過800g·m?2·a?1,阿拉善盟西部降水生產潛力最小,不足200g·m?2·a?1。氣候生產潛力綜合了氣溫和降水生產潛力的分布特點,總體上接近降水生產潛力分布,呈現東南?西北向的帶狀分布(圖3),地區間差異較大,在48.6~796.3g·m?2·a?1,東南部地區及錫林郭勒盟南部、烏蘭察布市南部、呼和浩特市大部、包頭市南部、鄂爾多斯市南部地區氣候生產潛力最大,超過600g·m?2·a?1,阿拉善盟北部氣候生產潛力最小,不足200g·m?2·a?1。研究期內內蒙古地區有16.4%的站點氣候生產潛力顯著增加,主要分布在呼倫貝爾地區,其氣候生產潛力變化傾向率在0.1~0.31g·m?2·a?1(P<0.05)。

圖1 內蒙古地區年平均氣溫(a)、年降水量(b)的分布及其線性變化顯著性

圖2 1961?2016年內蒙古地區年平均氣溫距平、年降水量距平百分率的變化

圖3 1961?2016年內蒙古地區平均氣候生產潛力(g·m?2·a?1)的分布及其線性變化顯著性
2.2.2 時間變化特征
由圖4可以看出,1961?2016年內蒙古地區氣溫生產潛力年際變化呈顯著的波動增加趨勢(P<0.01),降水生產潛力波動較大,但年變化趨勢不明顯。氣候生產潛力與降水生產潛力變化相近,也沒有顯著的年變化趨勢,年際間差異較大,最小年在1965年,為438.5g·m?2·a?1,最大年在1998年,達693.8g·m?2·a?1,21世紀初氣候生產潛力明顯偏小。56a平均氣溫生產潛力為977.8g·m?2·a?1,降水生產潛力為569.6g·m?2·a?1,氣候生產潛力為572.8g·m?2·a?1,氣溫生產潛力值明顯偏大,約為降水生產潛力和氣候生產潛力的1.7倍,說明內蒙古地區熱量條件相對充足,而水分條件相對不足,氣候生產潛力主要受制于降水。
假設不同的氣溫、降水變化情景,對內蒙古地區氣候生產潛力進行敏感性分析。分析可見,全區氣溫變幅總體在?2~+2℃范圍內,降水量變幅多數年份在?20%~+20%,因此,假定年平均氣溫變化?2℃、?1℃、0℃、+1℃、+2℃和年降水量變化?20%、?10%、0、+10%、+20%情景,計算氣候生產潛力值,得到氣候變化前后內蒙古地區氣候生產潛力的變化率,結果見表1。由表中可見,氣溫升高、降水量增加時,氣候生產潛力增加8.3%~16.5%;氣溫升高、降水量減少時,氣候生產潛力減少2.5%~11.8%;氣溫降低、降水量增加時,氣候生產潛力增加2.5%~6.9%或變化不大;氣溫降低、降水量減少時,氣候生產潛力減少8.4%~17.0%;在氣溫不變時,由降水量變化引起的氣候生產潛力變幅大于降水量不變時由氣溫變化引起的氣候生產潛力變幅。可見,氣候越暖、越濕,越有利于氣候生產潛力的提高,并且降水量的變化對氣候生產潛力的影響更大。未來在內蒙古地區顯著變暖的趨勢下,降水量的多寡決定氣候生產潛力的變化,降水量不變或增加有利于氣候生產潛力的增加,而降水量減小則不利于氣候生產潛力的提高。

圖4 1961?2016年內蒙古地區氣溫(Yt)、降水(Yr)、氣候生產潛力(Ye)的年際變化

表1 氣溫、降水量不同變化情景下氣候生產潛力的變化百分率(%)
由表2可見,研究期內內蒙古地區各年代平均糧食單產呈逐漸增加的態勢,80年代最低,年平均僅170.5g·m?2,90年代、21世紀初和2011?2015年分別比上年代增加112.9g·m?2、73.3g·m?2和114.5g·m?2。氣候生產潛力在21世紀初有所減小,為567.7g·m?2,其余年代均逐漸增加。各年代平均氣候資源利用率逐漸提高,20世紀80年代氣候資源利用率僅為29.3%,至2011?2015年平均氣候資源利用率已達77.8%。糧食產量不僅與氣候條件有關,還與社會條件有關,近年來國家高度重視糧食生產,出臺了一系列強有力的扶持政策,促進糧食連年增產,氣候資源利用率也逐步提高。然而,受水資源緊缺的限制,內蒙古地區面臨土壤退化沙化、旱災嚴重等問題,只追求糧食增產,會加重水土流失、土壤沙化等問題的發生,透支氣候生產潛力。因此,糧食增產下的可持續發展問題仍值得深入思考。

表2 1981?2015年內蒙古地區糧食單產、氣候生產潛力及氣候資源利用率年代際變化
(1)內蒙古地區東西跨度大,氣溫和降水量地區間差異顯著。1961?2016年平均氣溫顯著上升,氣溫變化幅度在?1.8~1.6℃,97%的站點平均氣溫變化趨勢極顯著(P<0.01),呼倫貝爾市北部、包頭市、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市北部等地區增溫最明顯。年降水量總體變化趨勢不顯著,僅2個站點年降水量顯著增加(P<0.05),降水量變幅在?27.6%~39.7%。
(2)氣候生產潛力綜合了氣溫和降水生產潛力的特點,總體呈現東南?西北向的帶狀分布,地區間差異較大,年變化趨勢不顯著。全區16.4%的站點氣候生產潛力顯著增加(P<0.05),主要分布在呼倫貝爾地區。氣候生產潛力與降水生產潛力值相差不大,而氣溫生產潛力值明顯偏大,約為降水生產潛力和氣候生產潛力的1.7倍,說明內蒙古地區熱量條件相對充足,而水分條件相對不足,氣候生產潛力主要受制于降水。
(3)氣候生產潛力對降水量更敏感,未來在內蒙古地區顯著變暖的趨勢下,降水量的多寡決定著氣候生產潛力的變化,降水量不變或增加有利于氣候生產潛力的增加,而降水量減小則不利于氣候生產潛力的提高。
(4)內蒙古地區糧食單產總體呈顯著上升趨勢,氣候資源利用率也逐步提高,進入21世紀后已達60%以上。從氣候資源利用的角度考慮,內蒙古地區未來仍存在作物增產空間,但糧食增產下的可持續發展問題仍值得深入思考。
內蒙古地區屬于“鐮刀彎”地區之一,是北方水資源匱乏的集中區域,也是退耕還林還草和生態涵養建設的重點區域[22]。一味追求增產,只會使資源環境約束與生產發展之間的矛盾更加突出,因此,需要轉變發展方式,充分考慮內蒙古地區降水資源限制下的氣候生產潛力特點,綜合自然生態條件、農業結構現狀、生產發展水平、替代作物效益及結構調整潛力和可行性等多方面因素,主動調整種植結構,在不同氣候資源特點的區域選擇適宜的作物進行種植,例如在氣候生產潛力小的中部農牧交錯區及西北風沙干旱區,積極發展耐旱、低耗水型作物,并結合區內畜牧業發展的要求,合理利用氣候資源,走出一條資源節約、生態友好的農業可持續發展之路。
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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
內蒙古自治區氣象局“氣候與氣候變化創新團隊”;內蒙古自治區氣象局科技創新項目(nmqxkjcx201710)
劉新(1987?),女,碩士生,工程師,主要從事氣候監測與氣候影響評價工作。E-mail:liuxin_0817@126.com
10.3969/j.issn.1000?6362.2018.08.005
劉新,劉林春,尤莉,等.內蒙古地區氣候生產潛力變化及其敏感性分析[J].中國農業氣象,2018,39(8):531?537