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摘要 利用1961～2010年涟水及其周边11个站点年平均气温、降水量资料，应用Thornthwaite Memorial模型，估算了历年涟水蒸散量气候生产潜力（TspV），分析了其时空分布规律及气候生产潜力与温度或降水量的关系。结果表明，1961～2010年涟水县温度呈上升趋势，降水总体没有明显的增加或减少趋势；涟水TspV值的变化趋势与年降水量的趋于一致，其空间分布特征表现为明显的纬向递减特征；气温与气候生产潜力相关系数极小，区域气候生产潜力与气温关系甚微；降水与同期气候生产潜力关系密切，气候生产潜力和降水量时间变化趋势基本一致；降水是区域作物产量的主要限制因子。
关键词 涟水；气候变化；气候生产潜力；趋势；影响
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06731-03
作物生长是在光照、温度、水分、空气、土壤、微生物等一系列环境要素的共同影响和综合作用下而进行的，在这众多的诸要素中只有光照、气温最不容易人为控制。人类对自然水分状况的改变也还比较有限，因而可将在一定的气候条件下，光照、气温、降水及它们的年变化为确定情况时一地区作物产量的上限称为该地的气候生产潜力[1-2]。气候生产潜力的估算对充分利用气候资源、合理安排农业生产等具有非常重要的意义，因而近年来引起了有关研究人员的广泛重视[3-7]。常用的比较成熟的模型有根据植物生产量与气温降水相关而建立的Miami模型、通过蒸散量模拟植物生产量的Thornthwait Memorial模型、表征农作物光温生产力的Wageningen模型（WOFOST作物模型）、农业区域生态AEZ模型和筑后（Chikugo）模型等。相对而言，Thornthwaite Memorial模型综合了水热等气候因子，更为周密、准确、合理，在一定程度上能代表区域的实际产量。笔者主要利用计算简便、能明确表达气候变化对NPP（Net Primary Productivity）影响的Thornthwaite Memorial模型所提供的计算方法，对涟水县的气候生产潜力进行计算分析。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
涟水县位于江蘇北部（33°45′～33°05′N、119°～119°35′E），连宿淮盐四市之间，东与阜宁、滨海、响水三县为邻，西与淮阴区、沭阳县接壤，南与楚州区隔河相望，北与灌南县毗连。全县东西长60 km，南北宽51.5 km，总面积1 676.34 km2，人口108万。全县辖19个乡镇、3个园区。涟水县地处季风气候区，冬季风时气温低、天气寒冷；夏季风时气温高，前期炎热；冬夏季风交替的春秋两季气温适中。
1.2 资料来源
主要选取涟水县及其周边11个站点1961～2010年温度、降水资料，并对所有资料进行严格的质量检查，人工剔除明显错误记录，缺测记录用邻近站点插补。
1.3 计算方法
1.3.1
线性倾向估计。首先用xi表示样本量为n的温度或降水变量，对其进行快速傅里叶变换滑动平均后，用ti所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归：xi=a+bti（i=1，2，…，n），此式可以看作一种特殊的、最简单的线性回归形式[8]。它的含意是用一条合理的直线表示xi与其时间ti之间的关系。式中，a为回归常数，b为回归系数。回归系数b的符号表示温度或降水量的趋势倾向。b的符号为正，即当b>0时，说明随时间t的增加，温度或降水呈上升趋势；当b的符号为负，即b<0时，说明随时间t的增加，温度或降水呈下降趋势。
1.3.2
气候生产潜力的估算。
在综合分析和分析试验的基础上，采用比较成熟、国际上通用的Thornthwaite Memorial纪念模型计算区域气候生产潜力，即
TspV=3 000/（1-e-0.000 969 5（V-20）），式中，TspV是以实际蒸发量计算得到的作物干物质产量[g/（m2·a）]；V 为年平均实际蒸发量（mm），可用Turc公式计算，即V=1.05R/[1+（1.05R/L）2]1/2，
式中，L为年最大蒸散量（mm），表征为年平均温度的经验函数，L=300+25T+0.005T3 （只有当R>0.316L才适用，否则V=R）。
1.3.3
气候生产潜力与气温和降水的相关关系。
利用SPSS软件得出温度、降水及温度与降水量线性回归后与气候生产潜力回归标准化残差的标准P-P图。在回归分析中，测定值与按回归方程预测的值之差，以δ表示。残差δ遵从正态分布N（0，σ2）。（δ-残差的均值）/残差的标准差，称为标准化残差，以δ*表示。δ*遵从标准正态分布N（0，1）。试验点的标准化残差落在（-2，2）区间以外的概率≤0.05。若某一试验点的标准化残差落在（-2，2）区间以外，可在95%置信度将其判为异常试验点，不参与回归直线拟合。同时计算出温度与降水分别与气候生产潜力的相关性，借以估计气候生产潜力与气温与降水的关系，得出气候生产潜力的主要限制因子。
2 结果与分析
2.1 涟水县气候变化特征分析
2.1.1
温度。1961～2010年涟水县年平均气温14.2 ℃，1月最冷，平均气温0.7 ℃，7月最热，平均气温26.8 ℃，全县年平均气温分布呈纬向递减特征，东南、西南部比北部温度高（图1a）。1978年7月8日极端最高气温达38.4 ℃，1991年12月30日极端最低气温达-14.3 ℃。1961～2010年涟水年平均气温呈上升趋势，且通过0.01水平的显著性检验，气温上升幅度达0.18 ℃/10a；20世纪90年代中期之后气温上升趋势更为显著，2000年之后，年平均气温频频出现高值。 2.1.2
降水。涟水县年平均降水量979.5 mm，春、夏、秋、冬季降水量分别为167.9、555.3、182.6、73.7 mm。夏季降水最多，占全年的52%，冬季最少，占8%。最长连续降水日14 d，为1972年5月10～23日，降水176.3 mm，最长连续无降水日44 d，为2010年12月15日～2011年1月27日。涟水降水呈纬向递减特征，南部比北部平均降水量多（图2a）。
图1 1961～2010年涟水县平均温度的空间分布（a）和时间变化（b）
图2 1961～2010年涟水县年总降水量的空间分布（a）和时间变化（b）
从图2b可以看出，1961～2010年涟水县年降水量总体没有明显的增加或减少趋势，从趋势曲线看（通过0.10水平的显著性检验），1961～1967年其趋势下降，1968～1970年趋势上升，1971～1979年趋势下降，1980～1999年其趋势比较稳定，从2000年之后其趋势缓慢上升；75%的年份在800.0 mm以上；降水最多年份为1962年，达1 455.7 mm，降水最少年份为2004年，达473.8 mm。
2.2 气候生产潜力时空分布特征分析
2.2.1
时间变化。从涟水县平均气候生产潜力（图3）来看，2004年最小，为934.596 3 g/（m2·a），2000年最大，为1 334.338 g/（m2·a）；1961～2010年涟水县气候生产潜力总体没有明显的增加或减少趋势，1961～1968年气候生产潜力呈下降趋势，1961～1990年基本在平均值上下平稳波动，1991～2010年呈现上升趋势。
2.2.2
频率直方图及空间分布特征。由图4a可见，涟水县1961～2010年气候生产潜力呈正态分布，其气候生产潜力分布在934.6～1 334.3 g/（m2·a），而其又主要集中在1 100～1 300 g/（m2·a）。图4b显示，涟水县气候生产潜力空间分布特征表现出较为明显的纬向递减特征，高值区位于水热条件较好的南部地区，在陈师镇、朱码镇、大东镇及以南地区，气候生产潜力在1 219.2 g/（m2·a）以上；低值区主要分布在水热条件较差的北部地区，高沟镇、灰墩、义兴镇，气候生产潜力仅有1 208.6～1 213.8 g/（m2·a）。
图3 1961～2010年涟水县气候生产潜力变化
2.3 气候生产潜力与气温和降水的相关关系
从气候生产潜力与同期气温和降水的相关关系的计算（表1）可以看出，气温与气候生产潜力相关系数（0.128）极小，未通过显著性检验，说明区域气候生产潜力与气温关系甚微，气温并非区域农业生产的限制因子；降水与同期气候生产潜力的相关系数在0.9以上，通过了α=0.001水平的显著性检验，表明关系密切，可以认为降水量与气候生产潜力存在线性正相关关系；另外，对比2b、图3和图5不难看出，气候生产潜力和降水量时间变化趋势基本一致，进一步说明涟水县大部分地区热量条件相对充足，降水是区域作物产量的主要限制因子。
3 小结
（1）在气候变暖的背景下，1961～2010年涟水县温度呈上升趋势，降水总体没有明显的增加或减少趋势。
（2）涟水县气候生产潜力的气候生产潜力并没有表现为明显的增加或减少趋势，1961～2010年气候生产潜力在934.6～1 334.3 g/（m2·a）间波动，其空间分布特征表现出较为明显的纬向递减特征，高值区位于水热条件较好的南部地区，低值区主要分布在水热条件较差的北部地区，最高值与最低值相差达15.9 g/（m2·a）。
（3）气温与气候生产潜力相关系数极小，区域气候生产潜力与气温关系甚微。降水与同期气候生产潜力相关关系密切，气候生产潜力和降水量时间变化趋势基本一致，降水是区域作物产量的主要限制因子。
（4）在此仅采用了Thornthwaite Memorial模型对涟水县气候生产潜力及其与温度、降水量做了大致相关性分析，至于温度、降水与实际产量的关系、涟水县气候生产潜力的利用率和可增产潜力的情况尚未做出研究，还需要从区域气候变化等影响来进一步研究，这样才能为气候生产潜力的定量预测做出全面的科学依据。
参考文献
[1]
黄秉维.关于农业生产潜力研究[M]//石玉林.中国土地资源的人口承载能力研究.北京：中国科学技术出版社，1992：13.
[2] LEITH H.Modeling the primary productivity of the world[J].Nature and Resources，1972，8（5）：10.
[3] 党安荣，阎守邕，吴宏歧，等.基于GIS的中国土地生产潜力研究[J].生态学报，2000，20（6）：910-915.
[4] 康西言，马辉杰.河北省气候生产潜力的估算与区划[J].中国农业气象，2008，29（1）：37-41.
[5] 武永利，卢淑贤，王云峰，等.近45年山西省气候生产潜力时空变化特征分析[J].生态环境学报，2009，18（2）：567-571.
[6] 张旭晖，霍金兰，谢小萍.极端降水对淮河流域氣候生产潜力的影响分析[J].中国农业气象，2011（S1）：130-134.
[7] 谢云，王晓岚.近40年中国东部地区夏秋朗视作物气候生产潜力时空变化[J].资源科学，2003，25（2）：7-13.
[8] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京：气象出版社，2000：135-144.
关键词 涟水；气候变化；气候生产潜力；趋势；影响
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06731-03
作物生长是在光照、温度、水分、空气、土壤、微生物等一系列环境要素的共同影响和综合作用下而进行的，在这众多的诸要素中只有光照、气温最不容易人为控制。人类对自然水分状况的改变也还比较有限，因而可将在一定的气候条件下，光照、气温、降水及它们的年变化为确定情况时一地区作物产量的上限称为该地的气候生产潜力[1-2]。气候生产潜力的估算对充分利用气候资源、合理安排农业生产等具有非常重要的意义，因而近年来引起了有关研究人员的广泛重视[3-7]。常用的比较成熟的模型有根据植物生产量与气温降水相关而建立的Miami模型、通过蒸散量模拟植物生产量的Thornthwait Memorial模型、表征农作物光温生产力的Wageningen模型（WOFOST作物模型）、农业区域生态AEZ模型和筑后（Chikugo）模型等。相对而言，Thornthwaite Memorial模型综合了水热等气候因子，更为周密、准确、合理，在一定程度上能代表区域的实际产量。笔者主要利用计算简便、能明确表达气候变化对NPP（Net Primary Productivity）影响的Thornthwaite Memorial模型所提供的计算方法，对涟水县的气候生产潜力进行计算分析。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
涟水县位于江蘇北部（33°45′～33°05′N、119°～119°35′E），连宿淮盐四市之间，东与阜宁、滨海、响水三县为邻，西与淮阴区、沭阳县接壤，南与楚州区隔河相望，北与灌南县毗连。全县东西长60 km，南北宽51.5 km，总面积1 676.34 km2，人口108万。全县辖19个乡镇、3个园区。涟水县地处季风气候区，冬季风时气温低、天气寒冷；夏季风时气温高，前期炎热；冬夏季风交替的春秋两季气温适中。
1.2 资料来源
主要选取涟水县及其周边11个站点1961～2010年温度、降水资料，并对所有资料进行严格的质量检查，人工剔除明显错误记录，缺测记录用邻近站点插补。
1.3 计算方法
1.3.1
线性倾向估计。首先用xi表示样本量为n的温度或降水变量，对其进行快速傅里叶变换滑动平均后，用ti所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归：xi=a+bti（i=1，2，…，n），此式可以看作一种特殊的、最简单的线性回归形式[8]。它的含意是用一条合理的直线表示xi与其时间ti之间的关系。式中，a为回归常数，b为回归系数。回归系数b的符号表示温度或降水量的趋势倾向。b的符号为正，即当b>0时，说明随时间t的增加，温度或降水呈上升趋势；当b的符号为负，即b<0时，说明随时间t的增加，温度或降水呈下降趋势。
1.3.2
气候生产潜力的估算。
在综合分析和分析试验的基础上，采用比较成熟、国际上通用的Thornthwaite Memorial纪念模型计算区域气候生产潜力，即
TspV=3 000/（1-e-0.000 969 5（V-20）），式中，TspV是以实际蒸发量计算得到的作物干物质产量[g/（m2·a）]；V 为年平均实际蒸发量（mm），可用Turc公式计算，即V=1.05R/[1+（1.05R/L）2]1/2，
式中，L为年最大蒸散量（mm），表征为年平均温度的经验函数，L=300+25T+0.005T3 （只有当R>0.316L才适用，否则V=R）。
1.3.3
气候生产潜力与气温和降水的相关关系。
利用SPSS软件得出温度、降水及温度与降水量线性回归后与气候生产潜力回归标准化残差的标准P-P图。在回归分析中，测定值与按回归方程预测的值之差，以δ表示。残差δ遵从正态分布N（0，σ2）。（δ-残差的均值）/残差的标准差，称为标准化残差，以δ*表示。δ*遵从标准正态分布N（0，1）。试验点的标准化残差落在（-2，2）区间以外的概率≤0.05。若某一试验点的标准化残差落在（-2，2）区间以外，可在95%置信度将其判为异常试验点，不参与回归直线拟合。同时计算出温度与降水分别与气候生产潜力的相关性，借以估计气候生产潜力与气温与降水的关系，得出气候生产潜力的主要限制因子。
2 结果与分析
2.1 涟水县气候变化特征分析
2.1.1
温度。1961～2010年涟水县年平均气温14.2 ℃，1月最冷，平均气温0.7 ℃，7月最热，平均气温26.8 ℃，全县年平均气温分布呈纬向递减特征，东南、西南部比北部温度高（图1a）。1978年7月8日极端最高气温达38.4 ℃，1991年12月30日极端最低气温达-14.3 ℃。1961～2010年涟水年平均气温呈上升趋势，且通过0.01水平的显著性检验，气温上升幅度达0.18 ℃/10a；20世纪90年代中期之后气温上升趋势更为显著，2000年之后，年平均气温频频出现高值。 2.1.2
降水。涟水县年平均降水量979.5 mm，春、夏、秋、冬季降水量分别为167.9、555.3、182.6、73.7 mm。夏季降水最多，占全年的52%，冬季最少，占8%。最长连续降水日14 d，为1972年5月10～23日，降水176.3 mm，最长连续无降水日44 d，为2010年12月15日～2011年1月27日。涟水降水呈纬向递减特征，南部比北部平均降水量多（图2a）。
图1 1961～2010年涟水县平均温度的空间分布（a）和时间变化（b）
图2 1961～2010年涟水县年总降水量的空间分布（a）和时间变化（b）
从图2b可以看出，1961～2010年涟水县年降水量总体没有明显的增加或减少趋势，从趋势曲线看（通过0.10水平的显著性检验），1961～1967年其趋势下降，1968～1970年趋势上升，1971～1979年趋势下降，1980～1999年其趋势比较稳定，从2000年之后其趋势缓慢上升；75%的年份在800.0 mm以上；降水最多年份为1962年，达1 455.7 mm，降水最少年份为2004年，达473.8 mm。
2.2 气候生产潜力时空分布特征分析
2.2.1
时间变化。从涟水县平均气候生产潜力（图3）来看，2004年最小，为934.596 3 g/（m2·a），2000年最大，为1 334.338 g/（m2·a）；1961～2010年涟水县气候生产潜力总体没有明显的增加或减少趋势，1961～1968年气候生产潜力呈下降趋势，1961～1990年基本在平均值上下平稳波动，1991～2010年呈现上升趋势。
2.2.2
频率直方图及空间分布特征。由图4a可见，涟水县1961～2010年气候生产潜力呈正态分布，其气候生产潜力分布在934.6～1 334.3 g/（m2·a），而其又主要集中在1 100～1 300 g/（m2·a）。图4b显示，涟水县气候生产潜力空间分布特征表现出较为明显的纬向递减特征，高值区位于水热条件较好的南部地区，在陈师镇、朱码镇、大东镇及以南地区，气候生产潜力在1 219.2 g/（m2·a）以上；低值区主要分布在水热条件较差的北部地区，高沟镇、灰墩、义兴镇，气候生产潜力仅有1 208.6～1 213.8 g/（m2·a）。
图3 1961～2010年涟水县气候生产潜力变化
2.3 气候生产潜力与气温和降水的相关关系
从气候生产潜力与同期气温和降水的相关关系的计算（表1）可以看出，气温与气候生产潜力相关系数（0.128）极小，未通过显著性检验，说明区域气候生产潜力与气温关系甚微，气温并非区域农业生产的限制因子；降水与同期气候生产潜力的相关系数在0.9以上，通过了α=0.001水平的显著性检验，表明关系密切，可以认为降水量与气候生产潜力存在线性正相关关系；另外，对比2b、图3和图5不难看出，气候生产潜力和降水量时间变化趋势基本一致，进一步说明涟水县大部分地区热量条件相对充足，降水是区域作物产量的主要限制因子。
3 小结
（1）在气候变暖的背景下，1961～2010年涟水县温度呈上升趋势，降水总体没有明显的增加或减少趋势。
（2）涟水县气候生产潜力的气候生产潜力并没有表现为明显的增加或减少趋势，1961～2010年气候生产潜力在934.6～1 334.3 g/（m2·a）间波动，其空间分布特征表现出较为明显的纬向递减特征，高值区位于水热条件较好的南部地区，低值区主要分布在水热条件较差的北部地区，最高值与最低值相差达15.9 g/（m2·a）。
（3）气温与气候生产潜力相关系数极小，区域气候生产潜力与气温关系甚微。降水与同期气候生产潜力相关关系密切，气候生产潜力和降水量时间变化趋势基本一致，降水是区域作物产量的主要限制因子。
（4）在此仅采用了Thornthwaite Memorial模型对涟水县气候生产潜力及其与温度、降水量做了大致相关性分析，至于温度、降水与实际产量的关系、涟水县气候生产潜力的利用率和可增产潜力的情况尚未做出研究，还需要从区域气候变化等影响来进一步研究，这样才能为气候生产潜力的定量预测做出全面的科学依据。
参考文献
[1]
黄秉维.关于农业生产潜力研究[M]//石玉林.中国土地资源的人口承载能力研究.北京：中国科学技术出版社，1992：13.
[2] LEITH H.Modeling the primary productivity of the world[J].Nature and Resources，1972，8（5）：10.
[3] 党安荣，阎守邕，吴宏歧，等.基于GIS的中国土地生产潜力研究[J].生态学报，2000，20（6）：910-915.
[4] 康西言，马辉杰.河北省气候生产潜力的估算与区划[J].中国农业气象，2008，29（1）：37-41.
[5] 武永利，卢淑贤，王云峰，等.近45年山西省气候生产潜力时空变化特征分析[J].生态环境学报，2009，18（2）：567-571.
[6] 张旭晖，霍金兰，谢小萍.极端降水对淮河流域氣候生产潜力的影响分析[J].中国农业气象，2011（S1）：130-134.
[7] 谢云，王晓岚.近40年中国东部地区夏秋朗视作物气候生产潜力时空变化[J].资源科学，2003，25（2）：7-13.
[8] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京：气象出版社，2000：135-144.