文想成 张泰 王学梅

摘要：长江中下游地区是我国重要的粮食主产区，探讨长江中下游地区气候生产潜力时空分布及粮食产量响应，对于保证粮食稳产高产促进农业发展具有重要意义。基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型，利用长江中下游及周边177个气象站点1960—2019年降水与气温气象数据，运用M-K检验、IDW插值法和R/S分析法探讨该区域气候生产潜力时空分布及未来变化。结果表明，在时间序列上，1960—2019年长江中下游地区气温、降水分别以 0.22 ℃/10 年、21.41 mm/10 年的速度上升;yt、yr、ye呈现波动上升趋势，60年的均值分别为1 966.9、1 712.2、1 526.9 g/（m2·年）。在空间分布上，气候生产潜力空间分布差异明显，yt、yr、ye均表现为自南向北递减的趋势，空间分布范围是1 253～2 230、1 773～2 316、1 153～1 834 g/（m2·年）。气候生产潜力Hurst指数为0.91，未来该区域气候生产潜力与过去59年变化趋势一致，呈上升趋势。气候资源利用率总体呈波动上升趋势，平均每10年以4.8%的速度增长，2010—2018年的气候资源利用率达38.4%。

关键词：长江中下游地区;气候生产潜力;时空变化;Thornthwaite Memorial模型;Miami模型

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告称，1880—2012年全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85 ℃，2003—2012年平均温度比1850—1900年上升了0.78 ℃[1]。农业的发展取决于自然条件和社会条件水平，农业是受气候变化最敏感的系统之一[2]。气候变化对我国的作物气候生产潜力有很大的影响，受全球变暖的影响，我国作物的种植界线向高纬度、高海拔地区偏移[3]。当前我国粮食处于增长趋势[4]，但在气候变化影响下，极端天气灾害频发也可能造成粮食产量下降等问题，我国拥有世界19%的人口却只有8%的耕地，粮食安全是一个重要问题[5]。气候变化对农业的影响已经成为研究人员、各国政府和政策制定者最关心的问题[6]。气候生产潜力是衡量某个地区气候资源决定生物学产量的一项重要指标，是指作物品种、土壤肥力、耕作技术适宜时，由当地气候资源决定的一定时期内单位面积上的植物生物学产量的最大值[7]。1981—2015年以来，全球主要农业区的气候生产潜力呈波动上升趋势，变化范围是7 680～8 280 kg/hm2[8]。因此，在气候变化下研究某一区域的气候生产潜力变化规律及其影响因素，对指导农业发展具有重要的理论意义。近年来，关于气候生产潜力的研究很多，主要集中在对某一省份或區域进行研究，研究区域不同，气候生产潜力存在一定差异。卢玢宇等分析了1986—2015年黑龙江省作物生育期内气候生产潜力，发现其呈缓慢的降低趋势[9];李振杰等发现，云南省1961—2017年气候生产潜力呈波动状态，无明显的升降趋势[10];柴晨好等认为，1901—2000年哈萨克斯坦气候生产潜力总体呈增长趋势，但时段不同，其气候生产潜力存在明显差异[11];徐雨晴等认为，未来中国气候生产潜力在大部分区域呈增加趋势，增幅表现为北部大于南部，大部分地区增幅在300 g/（m2·年）以下[12]。长江中下游地区是我国重要的粮食产区，2018年该区域年生产总值占全国生产总值的35%，农作物播种面积为0.4亿hm2，总产量达1.6亿t，均占全国播种面积和总产量的24%[13]。有学者针对长江中下游地区某个省份的水稻、小麦和玉米等农作物气候生产潜力进行分析，如卢燕宇等分析安徽省1961—2015年冬小麦气候生产潜力，发现该区域气候生产潜力均值为 12 391 kg/hm2，其中沿淮和江淮之间最高[14];邢兰芹等分析江苏省沿海地区作物气候生产潜力，发现水稻和玉米气候生产潜力呈现自南向北递减趋势，小麦南北差异小[15];王继人等认为，2000—2017年湖南省气候生产潜力为19 530～40 375 kg/hm2，整体呈东南高西北低[16];刘丹等分析1961—2014年江西省双季晚稻的气候生产潜力，发现其呈上升趋势[17]。但目前对于长江中下游地区整个区域的研究却很少。气候生产潜力的模型主要有Thornthwaite Memorial[18]、Miami[19-20]、AEZ[21]、Chikugo[22]、Wagenigen[23]等模型。由于Thornthwaite Memorial模型和Miami模型计算方便，所需参数少，应用于区域气候生产潜力变化研究较广。因此，本研究以长江中下游地区为研究对象，利用该区域及周边共177个气象站点1960—2019年的降水量与气温历史数据，基于Miami模型和Thornthwaite Memorial模型计算出气温生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力，探讨长江中下游地区气候生产潜力时空变化特征及未来变化趋势，以期为长江中下游地区粮食生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

本研究区域为长江中下游6省1市（24°29′～35°07′N、108°22′～122°30′E），包括湖北省、湖南省、安徽省、江西省、江苏省、浙江省、上海市（图1）。大部分地区属于北亚热带，少部分属中亚热带北缘。年降水量为1 000～1 400 mm，降水主要集中于夏季。该区域降水相对丰沛，雨热同期，年均气温为14～18 ℃，≥10 ℃的年积温为4 300～5 500 ℃·d。该地区是我国重要的商品粮基地。

本研究数据包括气象数据与粮食单位面积产量（简称单产）数据。气象数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），主要有长江中下游地区6省1市及周边地区1960—2019年177个气象站点（其中周边地区31个站点）的降水量与气温数据;粮食单位面积产量数据来源于《中国统计年鉴》，包含1960—2018年长江中下游地区6省1市的年粮食单位面积产量数据。

1.2 研究方法

1.2.1 气候生产潜力模型

1.2.1.1 Miami模型[19-20]

1.2.2 R/S分析 重标极差分析（rescaled range analysis，记为R/S分析），最初是由英国科学家郝斯特归纳尼罗河水位水文观测资料时提出[24]。R/S分析法能将1个随机序列与1个非随机序列区分开来，利用R/S分析通过对气候要素时间序列而计算出Hurst指数，揭示气候要素时间序列的趋势性。当H=0.5时，表明未来时间序列与過去变化无关;当0

1.2.3 气候资源利用率 气候资源利用率为实际单产与气候生产潜力之比[25]。

1.2.4 其他分析方法 本研究还采用气候倾向率、M-K突变检验与IDW插值等分析方法[26]。

2 结果与分析

2.1 气候生产潜力时间变化分析

2.1.1 气象因子时间变化特征 依据长江中下游地区59年（1960—2019年）的气温和降水量数据，气温、降水量均呈现波动上升趋势，气候倾向率分别为0.22 ℃/10 年、21.41 mm/10 年（图2）。59年的年均气温为16.51 ℃，年均气温最低值、最高值分别为 15.57 ℃（1984年）、17.55 ℃（2007年），最值相差 1.98 ℃;年降水量均值为1 326.4 mm，年降水最低值、最高值依次为954.0 mm（1978年）、1 664.8 mm（2016年），差值为710.8 mm。

气温的UF统计值在1964—1994年小于0，说明该时段的气温总体呈现下降趋势;而在1961、1995—2019年大于0，表明该时段气温呈上升趋势，且UF和UB在2000年相交，UF统计值于2002年大于1.96（0.05显著性水平），表明2000年为突变点，2002—2019年上升趋势显著。降水的UF与UB统计存在多个交点，但未通过显著性检验，故降水不存在突变点;1969—1992年降水的UF统计值在0附近波动，说明该时期降水保持稳定;UF统计值在1964—1969年小于0，表明降水呈下降趋势;而在1960—1963、1993—2019年处于0～196，说明降水呈上升趋势（图3）。

2.1.2 气候生产潜力变化特征及突变检验 由图4可知，气温生产潜力（yt）、降水生产潜力（yr）、气候生产潜力（ye）呈现波动上升趋势，气候倾向率依次为17.55、15.71、15.94 g/（m2·10 年）。yt均值为1 966.9 g/（m2·年），最低值、最高值分别为 1 891.5（1984年）、2 049.0 g/（m2·年）（2007年），最值相差157.5 g/（m2·年）。yr均值为 1 712.2 g/（m2·年），最低值、最高值分别为 1 371.0（1978年）、1 959.2 g/（m2·年）（2016年），最值相差588.2 g/（m2·年）。ye均值为 1 526.9 g/（m2·年），最低值、最高值分别为 1 379.6（1978年）、1 651.8 g/（m2·年）（2016年），最值相差272.2 g/（m2·年）。

由图5可知，yt的UF统计值在1964—1994年小于0，在1960—1961、1995—2019年大于0，且UF和UB于2000年相交，UF统计值在2002年超过196，说明yt在1964—1994年呈下降趋势，在1960—1961、1995—2019年呈上升趋势，突变点为2000年， 在2002—2019年上升趋势显著。yr的UF与UB统计值存在多个交点，但都未超过显著性水平，说明不存在突变点;UF在1964—1972年小于0，说明该时段呈下降趋势;UF统计值在1964—1988年在0附近波动，说明该时期较稳定;而在1961—1962、1990—2019年大于0，表明该时段呈下降趋势。ye的UF值在1963—1989小于0，说明呈现下降趋势;而在1961—1962、1990—2019年大于0，说明该时段ye呈上升趋势，且UF与UB统计值于1998年相交，并在2003年超过1.96，表明1998年为突变点，在2003—2019年上升趋势显著。

2.2 气候生产潜力空间分布及未来变化

2.2.1 气候生产潜力空间分布特征 由图6可知，yt年均空间变化范围是1 253～2 230 g/（m2·年），总体呈南高北低、自南向北递减趋势;高值区[2 051～2 230 g/（m2·年）]主要分布在湖南省南部、浙江省南部、江西省中南部，最高值位于江西省赣州市;低值区[1 253～1 670 g/（m2·年）]分布在安徽省北部及黄山地区、江苏省中南部以及湖北省西部，最低值为安徽省黄山市（图6-a）。yt气候倾向率空间分布主要呈现自东北向西南递减趋势;高值区为上海市中部及湖北省南部，最高值位于湖北省五峰县，为43.00 g/（m2·10年）;低值区为湖北省十堰市、恩施州、神农架林区、宜昌市等，湖南省张家界市、湘西州吉首市，最低值位于湖北省宜昌市，为2.07 g/（m2·10年）（图6-b）。yr、ye平均空间分布基本一致，均呈现自南向西递减趋势，两者空间分布范围是1 773～2 316、1 153～1 834 g/（m2·年）（图6-c、图6-e）;yr、ye在低值区分布一致，为湖北、安徽及江苏3省南部，高值区存在一定差异，yr高值区分布在江西省绝大部分地区、安徽省南部、浙江省西部及湖南省东部，最高值位于安徽省黄山市，而ye高值区分布在江西省绝大部分地区、浙江及湖南2省南部，最高值位于江西省鹰潭市。yr、ye的气候倾向率分布也较一致，总体表现为东部高、北部西部低，两者空间分布范围是 -37.00～6302、-10.36～46.43 g/（m2·10年），均出现气候倾向率负值（图 6-d、图 6-f）;yr、ye气候倾向率高值区均主要为上海市、浙江省宁波市、江苏省苏州市，最高值均位于上海市;yr气候倾向率负值主要位于安徽省北部、江苏省东北部、湖北省西北部以及湖南省东部，ye气候倾向率负值出现在湖北省十堰市、襄阳市、神农架昆区以及江苏省徐州地区。

2.2.2 气候生产潜力未来变化 利用R/S分析，计算出长江中下游地区气候生产潜力Hurst指数为0.91>0.5，说明总体上该区域未来气候生产潜力与过去59年（1960—2019年）变化趋势一致，表现为上升趋势（图7）。由图8可知，江苏省徐州市邳州市和湖北省襄阳市枣阳市、恩施州建始县、神农架等地区的Hurst值介于0.43～0.48之间，说明未来气候生产潜力与过去59年变化趋势有较弱的负相关性;湖北省襄阳市老河口市、江西省赣州市寻乌县Hurst值为 0.49～0.51，即該地区未来气候生产潜力与过去变化无联系;除了以上个别地区，长江中下游地区其他地区的未来气候生产潜力与过去变化趋势具有不同程度的正相关性，其中浙江省和上海市全部、江苏省东南部、安徽省南部、江西省北部、湖南省中部及湖北省南部个别地区Hurst值大于0.8，表明这些区域的过去气候生产潜力变化趋势很好地反映了未来的变化趋势。

2.3 粮食产量对气候生产潜力响应

1960—2018年长江中下游地区的气候资源利用率、气候生产潜力、粮食单产总体呈波动上升趋势，平均每10年分别以4.8%、16.6 g/（m2·10 年）、78.8 g/m2的速度增长（图9）。气候资源利用率与气候生产潜力的相关系数为0.147，呈正相关但不显著，气候资源利用率与粮食单产相关系数为0989，呈现显著的正相关性，说明提高粮食单产是提高气候资源利用率的主要措施（图10）。

在20世纪60年代，粮食单产、气候资源利用率均值分别为225.6 g/m2、15.08%，在21世纪10年代分别上升至603.9 g/m2、38.36%，21世纪10年代的粮食单产、气候资源利用率分别比20世纪60年代增加了1.7、1.5倍（表1）。1960—1990年气候资源利用率偏低，主要是因为当时科技水平受限，肥料利用率低、作物品种品质低;1990年以后，农业科技快速发展，气候资源利用率显著提高。自2010年以来，长江中下游地区气候资源利用率达382%，说明未来粮食产量还有很大的提升空间，气候资源利用率有待进一步提高。

3 结论与讨论

1960—2019年长江中下游地区的气温与降水呈波动上升趋势，分别以0.22 ℃/10 年、21.41 mm/10 年的趋势上升。yt、yr、ye也呈现波动上升趋势，59年均值分别为1 966.9、1 712.2、1 526.9 g/（m2·年），依次为yt>yr>ye，ye值与侯西勇关于1951—2000年中国区域内长江中下游地区的年气候生产潜力均值为1 250～1 750 g/（m2·年）[27]基本一致。气温与yt自1995年开始上升，并于2001年起上升趋势显著，降水与yr自1989年开始呈现增加趋势，但增加趋势不显著，ye自2003年开始上升趋势显著。

长江中下游地区气候生产潜力空间分布差异明显，总体来看，南部地区气候生产潜力高于北部地区。yt、yr、ye均表现为自南向北递减的趋势，空间分布范围分别是1 253～2 230、1 773～2 316、1 153～1 834 g/（m2·年）。yt、ye的高值区主要位于湖南、浙江2省南部及江西省绝大部分地区，yr高值区主要位于安徽省南部、浙江省西南部以及江西省绝大部分区域;yt低值区主要位于安徽、江苏2省北部，yr、ye低值区位于安徽省、江苏省以及湖北3省北部地区。褚荣浩等认为，江苏省一季稻气候生产潜力高值区位于江苏省西南部[28]，这与本研究江苏省气候生产潜力高值区位于江苏西南部结果一致。

长江中下游地区气候生产潜力Hurst指数为091，气候生产潜力倾向率为15.94 g/（m2·10 年），说明未来该区域气候生产潜力与过去59年（1960—2019年）变化趋势一致，呈现上升趋势，这与徐雨晴等认为的2021—2099年中国气候生产潜力在大部分地区（包含长江中下游地区）都呈增加趋势[12]一致。从空间分布来看，江苏省徐州市邳州市和湖北省襄阳市枣阳市、恩施州建始县、神农架等地区与过去气候生产潜力呈现负相关趋势;湖北省襄阳市老河口、江西省赣州市寻乌县Hurst值为0.49～051，与过去气候生产潜力变化趋势无关;长江中下游其他地区的气候生产潜力与过去59年变化趋势一致。

1960—2018年长江中下游地区的气候资源利用率、粮食单产总体呈波动上升趋势，平均每10年分别以4.8%、78.8 g/m2的速度增长。2010—2018年长江中下游地区气候资源利用率达38.4%，气候资源利用率与粮食单产呈显著正相关性，说明提高粮食单产是未来提高气候资源利用率的主要措施。

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