黔中地區1971—2020年作物氣候生產潛力變化特征

周博揚，王君軍，吳和俐

（貴陽市氣象局，貴州貴陽 550000）

0 引言

作物氣候生產潛力是評價一個地區在環境因素適宜情況下，結合當地的氣候條件，如光、溫、水等在單位面積上能產生的經濟產量最大值[1-4]。通過數學方法對農業氣候資源來進行分析，建立數學模型綜合分析和評價當地的氣候資源[5-6]。在這方面研究中，李斯（H.Lieth）根據全球的年平均氣溫、年降水量與作物之間的聯系，用實際的蒸散量來計算作物氣候生產潛力，建立了Miami模型[7-8]。聯合國糧農組織推薦了AEZ法，所需資料少，算法簡單，從而降低了估算的精準性。R·S·盧米斯[11]引進了量子效率研究作物生產潛力。孫忠富等[12]用基本驅動因子的方法，采用太陽輻射因子建立了番茄發育生長模型。諸多學者[14-15]考慮氣候變化對糧食產量的影響，提出建立糧食作物生育期全過程的模型，能更好地了解本地的農業氣候資源，進行開發利用。

位于黔中地區的貴陽市地處云貴高原的東坡，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，地勢西南高、東北低，是一座具有高原特色的城市。近年來，全市大力發展糧食和果蔬產業，但在氣候變暖的大背景下，貴陽市地區的氣候也隨之變化。該地區的氣候變化對作物生產潛力有哪些影響，目前還沒有研究。針對貴陽市的氣候變化及演變規律，利用Thornthwaite模型和Miami模型作為基礎進行研究，以期更合理地利用農業氣候資源，開發作物生產潛力，為“三農”服務提供更科學更高效的保障。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究選取貴陽市有完整的氣象觀測資料的8個氣象站1971—2020年（白云為1982—2020年）的氣溫、降水量等基本氣象數據。所有數據進行了嚴格的質量控制，估算農業氣候生產潛力。

1.2 研究方法

選取簡潔又實用的Thornthwaite模型。李斯（H.Lieth）和博克斯（E.Box）在第22屆國際地理學大會上提出，他們根據氣溫和降水與作物產量的關系，結合干物質積累與光溫水之間密切的聯系，得出著名的Thornthwaite模型[7-8]，得到了廣泛的應用。見公式（1）、（2）、（3）。

式中，Wv為作物氣候生產潛力[g/（m2·a）]；

e為自然對數的底；

V為年平均蒸散量（mm）；

R為年降水量（mm）；

L為年平均最大蒸發量（mm）；

T為年平均氣溫（℃）。

邁阿密模型是李斯用最小二乘法建立的模型，選取年降水量和年平均氣溫為因子[7]。考慮該模型是降水和溫度兩個因子，根據限制因子定律[8]，選擇二者中最小值作為樣本點的作物氣候生產潛力。見公式（4）、（5）。

式中，R為年降水量（mm）；

T為年平均氣溫（℃）；

e為自然對數的底；

Wt和Wr分別為以單因子的溫度和降水量計算的作物氣候生產潛力[g/（m2·a）]。

本文研究采用Thornthwaite模型分析作物氣候生產潛力年際和時空變化，采用邁阿密模型分析限制因素。

1.3 統計分析

采用趨勢分析、方差分析等統計方法進行統計分析。空間繪圖采用Surfer13.0及克里金插值法，統計軟件采用SPSS17.0。

2 結果與分析

2.1 年際變化特征

統計分析8個研究對象的作物氣候生產潛力的逐年數據，將其進行區域平均，以作物氣候生產潛力建立時間序列。分析可知（圖1），貴陽市多年平均作物氣候生產潛力為1 399.7 g/（m2·a），2015年最高，作物氣候生產潛力為1 503.9 g/（m2·a），2011年最低，作物氣候生產潛力為1 240 g/（m2·a），最高年與最低年差值為263.9 g/（m2·a）。1971—2020年以來，貴陽地區的作物氣候生產潛力值呈現出上升趨勢，趨勢變化量6.3 g/（m2·a），并通過了0.05的顯著性檢驗，表明均顯著增加。極值出現在21世紀20年代。作物氣候生產潛力經歷了“增-減-增-減-增”的周期性階段

圖1 1971—2020年貴陽市作物氣候生產潛力趨勢變化

2.3 限制因素

2.2 空間變化特征

通過對貴陽市地區8個區縣的作物氣候生產潛力的歷史值進行差值處理分析（圖2a），發現貴陽市的西南部一帶為作物氣候生產潛力高值區；貴陽市東北部，主要在開陽地區為低值區，這與開陽的氣溫是全市最低關系密切。由作物氣候生產潛力距平變化分析可知（圖2b），作物氣候生產潛力的增加趨勢是由東北向西南遞增的。

圖2 1971—2020年貴陽市作物氣候生產潛力多年平均值（a）及距平變化（b）空間分布

根據限制因素定律[8]，計算Wt和Wr中最小值作為各個區縣的作物氣候生產潛力，進而找到限制因素。通過計算分析，全地區的Wt多年平均值為1 793.8 g/（m2·a），Wr多年平均值為1 595.8 g/（m2·a）；全市的Wt值均大于Wr值，表明降水因素是作物氣候生產潛力的主要限制因子。分析可知，開陽和清鎮存在兩個高值中心，說明作物氣候生產潛力對降水比較敏感；息烽和貴陽有兩個低值中心，說明兩地的資源利用率較低，農業灌溉用水量需要更多（圖3）。

圖3 1971—2020年降水量估算的作物氣候生產潛力多年平均值空間分布

2.4 實際與作物氣候生產潛力關系

黔中地區，四季分明，雨熱同季，熱量資源充足，利于農業生產發展。利用貴陽市2011—2020年實際糧食產量與作物氣候生產潛力的比值，計算出利用率。分析發現，10年來，貴陽市糧食總產平均值為419.6 g/（m2·a），作物氣候生產潛力1 425.8 g/（m2·a），生產利用率為30%，說明實際糧食產量還有較大的挖掘潛力（表1）。

表1 貴陽市實際糧食產量與作物氣候生產潛力對比

3 結論

1）貴陽市多年平均作物氣候生產潛力為1399.7g/（m2·a），最高年與最低年差值為 263.9 g/（m2·a）。1971～2020年以來，作物氣候生產潛力的曲線周期為“增-減-增-減-增”，目前位于增加趨勢中。

2）貴陽市的西南部一帶，為作物氣候生產潛力高值區；貴陽市東北部地區為低值區，這與開陽的氣溫是全市最低關系密切。作物氣候生產潛力是由東北向西南增加的空間變化趨勢。

3）全地區的Wt多年平均值為1 793.8 g/（m2·a），Wr多年平均值為1 595.8 g/（m2·a）；表明降水因素是作物氣候生產潛力的限制因子。從利用率來看，貴陽市糧食總產平均值為424.4 g/（m2·a），作物氣候生產潛力1 418.7 g/（m2·a），生產利用率為30%，說明實際糧食產量還有較大的挖掘潛力。因此，重視氣候變化產生的影響，提高水分利用率，科學規避不利的氣象因素，能有效減緩對農業生產的影響，進一步開發作物氣候生產潛力。

4）在全球氣候變暖的大背景下，黔中地區的氣候也隨之變化，各種氣象要素的改變必然影響作物生長發育，他們之間的聯系是相互制約的、綜合的、整體的。本研究有齊全的氣象資料作支撐，應用了兩種數學模型，討論了貴陽地區作物氣候生產潛力對氣候的響應，但這種擬合計算與實際生產情況還存在一定的差距。本模型沒有考慮土壤肥力、光因子、種子優化等因素，如何更好地高效地提高作物氣候生產潛力有待進一步研究。