近58年江西省氣候及其生產潛力時空變化特征

安 彬, 肖薇薇, 張淑蘭, 王 樂

(1.安康學院 旅游與資源環境學院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心,陜西 安康 725000; 3.秦巴國土資源利用與環境保護協同創新中心, 陜西 安康 725000)

氣候生產潛力(Climatic Potential Productivity,CPP)是一定時期內當地光照、溫度、水分條件下，在其他的環境因素(土壤性狀、CO2等)和作物群體因素處于最佳狀態時，單位面積內作物可能獲得的最高產量[1-3]。全球氣溫增加明顯的背景下[4]，不同地區的光照、溫度和水分等要素的組合狀況存在差異，使得氣候生產潛力也存在較大的區域差異[5]。對此，國內外學者應用Miami模型[5-6]、Thornthwaite Memorial模型[7-10]、AEZ模型[11]、全球生態區模型(GAEZ)[12]等模型計算氣候生產潛力，并應用分析方法研究其時空變化特征。其中，Thornthwaite Memorial模型體現了多種氣象要素的綜合影響，可以定量表征氣候生產潛力與降水、溫度和蒸發量之間的關系[13]，加之模型所需數據易獲取，得到廣泛應用[14]。曹永旺等[2]研究得出1961—2012年四川盆地氣候呈暖干化，氣候生產力呈減少趨勢，陜西[7]、黑龍江[3]氣候生產力趨勢呈類似特征；邱陽陽等[8]研究得出1961—2015年安徽省氣候呈暖濕化，氣候生產力呈上升趨勢，江蘇[5]、貴州[9]氣候生產力均表現出上升趨勢，氣候暖濕化的趨勢是氣候生產潛力增加的根本原因[15]。因此，研究區域氣候生產潛力的變化特征，為充分合理利用當地氣候資源提供重要的理論依據。

江西省位于長江南岸,地理坐標為24°29′—30°04′N, 113°34′—118°29′E，面積約為16.69萬km2，北部的鄱陽湖平原是中國重要的商品糧基地，東、南、西三面環山，中部為丘陵和河谷平原交錯分布。氣候屬中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，多年平均降水和氣溫分別介于1 341～1 943 mm，16.3～19.5℃。近年來，該省高溫、洪澇等災害頻繁發生且有增加的趨勢[16]，糧食安全問題日益突出。基于此，本文利用1960—2017年江西省逐年降水和氣溫數據，應用Thornthwaite Memorial模型計算氣候生產潛力，利用線性擬合、突變檢驗和空間插值等分析方法，探究該地區近58 a來降水、氣溫及氣候生產潛力的時空變化規律，為江西省氣候資源的合理利用、農業生產的合理布局及其產業結構的調整提供科技理論支持和參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

依據氣象資料時間序列連續性、完整性的原則，從中國氣象數據網(https:∥data.cma.cn)獲取1960—2017年江西省16個國家基本氣象站的逐年降水和平均氣溫資料，具體站點為修水、宜春、吉安、井岡山、遂川、贛縣、廬山、鄱陽、景德鎮、南昌、樟樹、貴溪、玉山、南城、廣昌、尋烏。利用RHtest方法[17-18]對獲取的氣象數據進行一致性質量檢查，以保證結果的可信度。對于缺失數據的站點，選取其周邊時間段完整的站點，采用線性回歸模型修正的方法進行插補。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產潛力 氣候生產潛力的計算歷經統計分析、經驗模型和物理模型[8]，其計算方法眾多，各有優缺點。本文選用Lieth等[19]提出Thornthwaite Memorial模型，該模型的優勢是所需數據既易獲取，又能有效說明氣候變化的影響。其計算公式如下：

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

(1)

(2)

L=300+25T+0.05T3

(3)

式中:Ycpp為氣候生產潛力[kg/(hm2·a)]；P為年均實際蒸發量(mm)；R為年降水量(mm)；L為年均最大蒸發量(mm)；T為年均氣溫(℃)。

1.2.2 分析方法 區域內氣象要素、生產潛力的年均值為16站點數據的算數平均值；采用線性擬合法分析各要素的變化趨勢，利用相關分析法研究氣候生產力與氣溫、降水的相關性[20]；突變檢驗分析采用結合非參數統計M-K突變和滑動t檢驗法共同確定[21]。研究區域各各要素的空間分布采用ArcGIS 10.2空間插值模型[22]。文內圖件全部采用Origin 9.0軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 降水與氣溫的時空變化

2.1.1 降水與氣溫的長期趨勢 圖1為1960—2017年江西省年降水量與年均溫變化趨勢曲線。由圖1A可知，近58 a江西省年降水量總體呈波動上升趨勢，其傾向率為32.25 mm/10 a。江西省多年平均降水量為1 684.98 mm，最大值為2 213.86 mm(1975年)，最小值為1 077.12 mm(1963年)，較歷年平均值偏少607.86 mm。從年均溫的變化趨勢看(圖1B)，江西省年均氣溫以0.195℃/10 a的速率上升，且通過了0.001顯著性水平檢驗，響應了全球氣候變暖現象。江西省多年平均氣溫為17.59℃，最高值出現在2016年，達到18.57℃，較歷年平均值偏高0.98℃；最低值出現在1984年，為16.59℃。從累積距平看，江西省年降水量在1991年之前為波動下降趨勢，之后轉為波動上升趨勢；年均溫在1997年之前呈緩慢下降趨勢，之后轉為快速上升趨勢。綜上可知，近58 a來江西省氣候呈暖濕化趨勢。

圖1 1960-2017年江西省年降水量與年均溫變化趨勢

從近58 a江西省年降水量M-K突變曲線可知(圖2A)，正序列UF曲線與反序列UB曲線在臨界線內多次相交，且UF曲線在1980年后突破了顯著性水平臨界線，但其滑動t檢驗值為1.39，低于t0.05=1.96，表明年降水量在研究期內未發生明顯突變。年均氣溫的UF，UB曲線均超出了0.05顯著性水平臨界線(圖2B)，且UF和UB之間僅有一個交點，對應時間為1988年，且其滑動t檢驗值為5.62，高于t0.05=1.96，表明江西省年均溫在1988年發生顯著突變，突變前年均溫為17.28℃，升至突變后為17.91℃。

圖2 1960-2017年江西省年降水量與年均溫M-K突變曲線

2.1.2 降水與氣溫的空間變化 應用ArcGIS空間分析模塊中的樣條函數插值法(Spline)，得到了1960—2017年江西省年降水量與年均溫及年際變化率的空間分布(圖3)。從圖3A可知，多年平均降水量形成由修水—尋烏一線向東西兩側增加空間分布特征，降水低值區主要集中在贛縣周邊，高值區集中在江西西部井岡山、東部貴溪、北部廬山等地。由圖3B可看出，江西南部、中北部鄱陽、西北部宜春等地的降水年際增幅較低，其中鄱陽地區形成低值閉合中心，西部井岡山和東北部景德鎮的降水年際增幅較高。整體上，江西省年均氣溫由南向北、自東向西遞減，表現出緯向地帶性規律(圖3C)，主要是緯度決定著太陽輻射的分布，如緯度越低，太陽輻射就越多，平均氣溫越高。年均溫高值區集中在江西東南部，中北部，其中貴溪地區形成高值閉合中心；低值區主要集中在北部廬山與西部井岡山，與兩站所在位置的海拔較高有關。由氣溫年際變化率空間分布(圖3D)可知，江西東北部升溫幅度最大、西南部升溫幅度最小，其中江西中北部樟樹地區形成升溫幅度較大的閉合中心。

2.2 氣候生產力的時空變化

由圖4A可知，在暖濕化氣候背景下，近58 a來江西省年均氣候生產潛力總體呈波動上升趨勢，通過了0.001顯著性水平檢驗，上升速率為169.81 kg/(hm2·10 a)。江西省年均氣候生產潛力變化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，多年平均氣候生產潛力為16 855.71 kg/(hm2·a)；最大值出現在1998年，較歷年平均值偏高1 168.81 kg/hm2，最低值出現在1963年，較歷年平均值偏低1 452.87 kg/hm2。從累積距平看，江西省年均氣候生產潛力在1991年之前為波動下降趨勢，之后轉為波動上升趨勢。年均氣候生產潛力的UF，UB曲線均超出了0.05顯著性水平臨界線(圖4B)，且UF和UB之間僅在1993年有交點，其滑動t檢驗值為4.65，高于t0.05=1.96，表明江西省年均氣候生產潛力在1993年發生顯著突變，突變前多年均氣候生產潛力為16 600.74 kg/(hm2·a)，升至突變后為17 207.24 kg/(hm2·a)，增幅達到3.65%。

圖3 1960-2017年江西省年降水量與年均溫及年際變化率空間分布

圖4 1960-2017年江西省年均氣候生產潛力變化趨勢及其M-K突變曲線

受降水和溫度不均勻分布的影響，氣候生產潛力及其年際變化率的空間分布略有差異。由圖5A可知，江西省氣候生產潛力自東向西、由南向北遞減，以景德鎮—樟樹—吉安—贛縣為界的東南地區較高，達到17 000 kg/(hm2·a)以上；北部廬山和西部井岡山地區生產潛力較低，其值大多在13 000 kg/(hm2·a)左右。根據各站點平均氣候生產潛力得出其年際變化率的空間分布(圖5B)，近58 a江西省氣候生產潛力均呈上升趨勢，但不同地區氣候生產潛力年際變化率差異較大，變化介于27.64～499.96 kg/(hm2·10 a)，其空間分布特征與降水年際變化率相似。氣候生產潛力增加較快的地區主要集中在江西東北部、西部地區，增加較慢的地區主要集中在江西東南部、西北部地區，其中尋烏氣候生產潛力年際變化率最小，為68.88 kg/(hm2·10 a)。

2.3 氣候生產潛力對氣候變化的響應

以10 a為時間段，計算江西省年均降水、氣溫及氣候生產潛力的年代際變化情況，見表1。20世紀60，70，80年代江西省年均降水和氣溫均低于歷年平均值，氣候生產潛力也低于歷年平均值，說明這種“冷干化”氣候不利于氣候生產潛力。20世紀90年代年均降水高于歷年平均值、氣溫均低于歷年平均值，21世紀前10 a年均降水低于歷年平均值、氣溫均高于歷年平均值，2011—2017年期間年均降水和氣溫均高于歷年平均值，這3個時間段的氣候生產潛力均高于歷年平均值，說明“冷濕化”、“暖干化”和“暖濕化”氣候均有利于氣候生產潛力的提高。

圖5 1960-2017年江西省年均氣候生產潛力及其年際變化率空間分布

表1 江西省年均降水、氣溫及氣候生產潛力的年代際變化

為進一步探討生產潛力對氣候變化的響應，對研究區近58 a氣候生產潛力與氣溫、降水進行相關分析、偏相關分析，計算結果見表2。可以看出，氣候生產潛力與氣溫、降水之間的相關性都顯著(p<0.01)，這可解釋暖濕化的氣候背景是江西省氣候生產潛力呈上升趨勢的原因之一。氣候生產潛力與降水、氣溫的偏相關性均顯著(p<0.01)，說明了江西省氣候生產潛力受降水與氣溫的協同影響。氣候生產潛力與降水的相關系數、偏相關系數均大于其與氣溫的，表明降水對江西省生產潛力的影響高于氣溫，這與武永利等[23]認為降水是限制山西省氣候生產潛力的主要因子觀點一致。

2.4 氣候資源利用率變化

通過計算糧食實際生產力與氣候生產潛力比值，用以表征農業氣候資源利用率[24]，結果見表3。研究期內江西省各年代平均糧食單產總體呈增加趨勢，20世紀80年代最低，年均單產僅為3 959.78 kg/hm2；2011—2017年最高，年均單產達到5 716.59 kg/hm2，較80年代凈增產1 756.81 kg/hm2，增加幅度明顯高于同時期氣候生產潛力增加量。江西省氣候資源利用率逐年代而增加，80年代年均氣候資源利用率僅為23.81%，至2011—2017年提升至33.06%。由于采取適當的農藝和耕作制度、先進的農業科技進步、振興農業等政策，使得耕地及氣候資源利用效率得以提高。但受耕地質量總體不高[24]、農業人口省際遷出比例高[25]等因素影響，致使江西省氣候資源利用率總體偏低。

表2 江西省氣候生產潛力與年均降水、氣溫的相關性

注：**表示通過0.01水平的顯著性檢驗，“降水”表示控制氣溫不變，氣候生產潛力與降水的相關性，“氣溫”表示控制降水不變，氣候生產潛力與氣溫的相關性。

表3 1980-2017年江西省糧食單產、氣候生產潛力及氣候資源利用率年代際變化

3 結 論

(1) 1960—2017年江西省氣候呈暖濕化趨勢。多年平均降水量為1 684.98 mm，年際變化率為32.25 mm/10 a，未發生顯著突變，空間上以修水—尋烏為界向東西兩側增加。多年平均氣溫為17.59℃，以0.195℃/10 a的速率顯著上升(p<0.001)，在1988年發生由低到高的顯著突變，空間上由南向北、自東向西遞減，表現出緯向地帶性規律。

(2) 1960—2017年，江西省氣候生產潛力變化介于15 402.85～18 024.52 kg/(hm2·a)，平均氣候生產潛力為16 855.71 kg/(hm2·a)，以169.81 kg/(hm2·10 a)的速率顯著上升(p<0.001)，在1993年發生由低到高的顯著突變，空間上氣候生產潛力自東向西、由南向北遞減，不同地區氣候生產潛力年際變化率差異較大。

(3) 受降水和氣溫時空組合變化影響，直接影響該地區氣候生產潛力的狀況，但降水對江西省生產潛力的影響高于氣溫。20世紀60—80年代的“冷干化”氣候不利于氣候生產潛力，而20世紀90年代以來的“冷濕化”、“暖干化”和“暖濕化”氣候均有利于氣候生產潛力的提高。

(4) 20世紀80年代以來，江西省糧食單產增加幅度明顯高于同時期氣候生產潛力增加量，氣候資源利用率由20世紀80年代的23.81%提升至2011—2017年的33.06%。