31（1）：0221—0229生态学报2011，
ActaEcologicaSinica近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征
1*21，罗永忠，成自勇，郭小芹
（1．甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070；2．甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000）
ThornthwaiteMemorial模型计算了全省温度生摘要：根据甘肃省69个气象站1971—2007年温度和降水资料，采用Miami模型、
产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力，分析了影响气候生产潜力的气候驱动力，用经验正交函数（EOF）分析其时空变化特征。
2a－1，·hm－·呈逐渐减少趋势。区域结果表明：温度生产潜力显著增加，降水生产潜力略有减少，平均气候生产潜力为733．86kg
差异性明显，呈东南—西北递减，陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘南草原＞河西走廊，气候生产潜力以1997年为转型年。增湿和增温均有利于气候生产潜力的增加，但增湿增益更为显著，另气候的暖干化趋势是研究区气候生产潜力减少的重要原因。
关键词：气候生产潜力；ThornthwaiteMemorial模型；经验正交函数；时空特征；甘肃省
ThechangingcharacteristicsofpotentialclimateproductivityinGansuProvinceduringnearly40years
*LUOYongzhong1，CHENGZiyong1，，GUOXiaoqin2
1CollegeofForestryinGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China
2WuweiMeteorologicalBureau．Wuwei733000，China
Abstract：Thepotentialclimateproductivityreferstotheproperhighestbiologicalyieldoragriculturalyieldinperunitareawhenclimaticresourcessuchasthelight，heat，andwaterarefullyusedwhiletheotherconditionssuchassoil，nutrient，carbondioxide，andsoonareunderthemostsuitablestatus．GansuProvinceisthemaindrylandfarmingagriculturalregioninnorthwesternChina．Becauseofthelownaturalproductivity，itsagriculturalproductionstillpartlyreliesonclimaticconditions，mainlydependingontheenvironmentalfactorssuchasthelight，heatandwaterresourcesandtheirchanges．Ithasveryimportanttheoreticalandpracticalsignificanceinreasonablyusingofclimaticresources，fullydisplayingthepotentialclimaticproductivity，improvingproductivityapplicationlevel，andprovidingvaluableadvicesforagriculturalproductiontostudythepotentialclimaticdynamicsanditsmaininfluencefactors．
Basedonthetemperatureandprecipitationdatain69meteorologicalstationsduring1971to2007inGansuprovince，thetemporalandspatialdistributionofthepotentialtemperatureproductivity，precipitationproductivity，andclimaticproductivityandtheirdynamicswereanalyzedusingMiamimodelandThornthwaiteMemorialmodel．Atthesametime，thespatialandtemporaldynamicscharacteristicsofpotentialclimaticproductivityintherecent40yearswereanalyzedusingtheEOFfunctionandtheMann-Kendallstatisticalmethod．Also，thedrivingforcestothedynamicsofpotentialclimaticproductivityinGansuprovincewereanalyzed．Theresultsshowedthatthepotentialtemperatureproductivitywassignificantlyincreasedwhilethepotentialprecipitationproductivitywasslightlydecreasedintherecent40yearswiththeirconversionyearin1997and1994．ThemeanpotentialclimaticproductivityinHexiCorridor，GannanGrassland，MiddleGansuPlateau，EasternGansuPlateau，SouthernGansuprovincewere313．36，741．72，763．85，867．52，982．86
2kg·hm－·a－1，respectively．Besides，thepotentialclimaticproductivitywasobviouslyincreasedfrom1979to1996withitsconversionyearin1997，andtheconversionyearwas1997whilesignificantlyandcontinuallydecreasedfrom1997to2007．基金项目：国家863计划项目（2002AA2Z4191）
收稿日期：2010-04-28；修订日期：2010-11-10
*通讯作者Correspondingauthor．E-mail：chengzy@gsau．edu．cn
Thecorrelationcoefficientsbetweenthepotentialclimaticproductivityandthemeanannualprecipitation，andbetweenthepotentialproductivityandthemeanannualtemperaturewere0．94and0．04，respectively．Therefore，theprecipitationwasthekeyfactortodeterminethepotentialclimateproductivityinGansuprovince．ThespatialdistributionofpotentialclimaticproductivityinGansuprovincewasdecreasedfromsoutheasttonorthwest，theminimumandmaximumvaluesmarkedin
22a－1andHuixianwith1094．39kg·hm－·a－1，respectively，whilethemeanpotentialDunhuangwith74．52kg·hm－·
2climateproductivityofthewholeprovincewas733．86kg·hm－·a－1．Accordingtotheaveragedistributionofpotential
climaticproductivity，themaximumvaluewasobtainedinSouthernGansuprovince，followedbyEasternGansuPlateau，MiddleGansuPlateau，GannanGrasslandandHexiCorridorinorder．furthermore，bothtemperatureandhumidityincreasingwerebeneficialtotheagriculturalproductioninthewholeprovincewiththetemperatureincreasingeffectof
22·hm－·a－1andthehumidityincreasingeffectof27．89－34．49kg·hm－·a－1，andthehumidityincreasing5．51－25．34kg
effectwasmuchmoresignificant，especiallyhavingsignificantpromotiontoagriculturaldevelopmentinHexiCorridor．Therefore，theprecipitationwasthemaindrivingforcetoinfluencethepotentialclimateproductivityinGansuprovince．Inaddition，thewarmeranddrierclimaticchangingtrendcanaggravatetothereductionofthepotentialclimateproductivity．KeyWords：climaticpotentialproductivity；thornthwaitememorialmodel；EOF；spatiotemporalcharacteristic；GansuProvince
甘肃省地处黄土、青藏和蒙古三大高原交汇地带，是我国西北主要旱作农业区域。自然生产力水平较低，
“靠天吃饭”农业生产至今未能全面摆脱的局面，农业生产主要取决于区域的光、热和水资源等环境因子及其
变化［1］［2-4］。在全球气候变暖背景之下，。在现有生产力水平保持不变的前提下，植物生产潜力将会普遍下降
作物产量下降、农业生产水资源短缺、粮食产量波动等一系列问题变得更为现实和迫切。因此，研究气候生产潜力变化规律及其主要影响因子，对于合理利用气候资源，充分发挥气候生产潜力，提高生产力应用水平，指
具有重要的理论和现实意义。导农业生产，
气候生产潜力是指当其它条件（如土壤、养分、二氧化碳等）处于最适状况时，充分利用光、热、水气候资单位面积土地上可能获得的最高生物学产量或农业产量源时，
模型［24-26］［5-7］。基于气候资源的差异性，气候生产潜力［8-23］必然具有差异性。近年来，国内外对气候生产潜力的研究已经取得不少成果，并建立了一些比较成熟的，如根据植物生产量与气温、降水相关而建立的Miami模型、表征农作物光温生产力的Wagenigen模型和农业生态区域AEZ模型、通过蒸散量模拟植物生产量的ThornthwaiteMemorial模型等，为气候生产潜力的研究提供了重要的理论基础。由于Miami模型能够反映在自然状态下，水热单因子对潜在生产力的影响，ThornthwaiteMemorial模型以体现多个气象要素综合影响的年平均实际蒸散量来建模，涵盖了太阳辐射、温度降水、饱和度和风等气象因子，更接近生产实际，因此，本研究利用多年气象资料，运用Miami模型、ThornthwaiteMemorial模型分析全省温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力时空分布及其变化规律，同
27］Kendall非参数统计方法［17-18，，时利用EOF经验正交函数及Mann-深入研究了近40a全省气候生产潜力的
时空演变特征，并对甘肃省气候生产潜力变化的驱动力做了分析，为指导全省农业生产，因地制宜、充分利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。
1
1．1区域概况和研究方法研究区概况
42甘肃省土地面积45．44×10km，地理位置介于32°11'—42°57'N和92°13'—108°46'E之间，境内地貌复
杂，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交错分布。年平均气温在0—16℃之间，年日照时数为1700—3800h，年降水量在35—750mm，降水多集中在6—8月份，占全年降水量的50%—70%，气候资源分布极度不均。全省
2农业用地面积占56%，人均占有耕地1806．7m，主要作物有小麦、玉米、马铃薯、糜子、胡麻、甜菜、棉花、大麻、
当归、党参等。
甘肃地形狭长，按照气候、地形特征及地理位置可
其中陇南山区为暖温带将全省划分为五大区域（图1），
是秦岭的西延部分，包括成县、康县、徽县等地湿润区，
位于甘肃中部，包括永市；陇中高原为温带半湿润区，
靖、永登、兰州等地市；陇东高原为温带半干旱区，陕、
甘、宁三省（区）交汇处，居黄土高原西端，水土流失严
重，包括环县、庆阳、平凉等地市；甘南草原为高寒湿润
区，位于甘肃省西南部，南临四川，西界青海，以高寒草
包括夏河、东乡、广河等地市；河西走廊为甸草原为主，
暖温带干旱区，东起乌鞘岭，西至甘新交界处星星峡，
南以祁连山、阿尔金山为界，北与内蒙古自治区相邻，
绿洲、戈壁和沙漠广泛分布，包括马鬃山、敦煌、安西、玉图1Fig．1甘肃省气候区划图ClimatezoningmapofGansuProvince
门镇、鼎新、金塔、肃北、酒泉、高台、临泽、肃南、张掖、民乐、山丹、永昌、武威、民勤、古浪、乌鞘岭等地市。
本文主要数据源为甘肃省69个气象台站温度与降水资料（1971—2007年），该时段内数据完整，无缺失。
1．2气候生产潜力模型
Miami模型为：
Yt=3000/（1+e1．315－0．119t）
Yr=3000/（1－e－0．000664r）
2·hm－·a－1）。生产潜力（kg（1）（2）t为年平均温度（℃），r为年降水量（mm），e=2．7183，Yt、Yr分别为由年平均温度、式中，年降水量决定的
ThornthwaiteMemorial模型为：
Ye=3000（1－e－0．0009695（V－20））
1/2V=1．05R/［1+（1．05R/L）2］（3）（4）
（5）L=300+25T+0．05T3
2·hm－·a－1）。决定的生产潜力（kgR为年平均降水量（mm），L为年平均最大蒸散量（mm），L是年平均温度T的函数，Ye为由蒸散量式中，
1．3Mann-Kendall检验
Mann-Kendall非参数统计方法的优点在于样本并不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，检测范围宽、定量化程度高。
对具有n个样本量的时间序列X，构造其秩序列：
Sk=∑ri（k=2，3，…，n；i=1，2，…，k）（6）
2，…，i）时，ri=1；否则ri=0其中，当xi＞xj（j=1，
定义统计量UFk=［Sk－E（Sk）］/（Var（Sk））1/2（k=1，2，…，n）（7）
UF1=0，E（Sk）、Var（Sk）是Sk的均值和方差。UFi为标准正态分布，其中，给定显著性水平α，若
∣UFi∣＞Uα，则序列存在明显的趋势变化。
1．4EOF经验正交函数
EOF经验正交函数又称为主分量分析方法，在对变量场特征进行分解时能将多个变量的大部分信息最大限度地集中在有限个独立变量的主分量上，即将m个空间点n次观测值构成变量Xm×n分解为p个空间特征向量和对应的时间权重系数的线性组合：Xm×n=Vm×pTp×n
224生态学报31卷
λ1
Λ=0
M
记
T·TT=Λ，则T=V×X数满足T0λ2M0Λ0Λ0Λ0Λ0（8）A=X·XTVTAV=Λ，其中V、Λ分别是A阵特征向量组成的正交阵（即空间函数）和特征值组成的对角阵。时间函
1．5气候生产潜力的驱动力分析
以ThornthwaiteMemorial气候生产潜力模型为基础，假定在降水不变的条件下，温度每增加1℃，气候生
降水每增加10mm，气候生产潜力的变化定义为ΔYr2，前者表示增产潜力的变化定义为ΔYt1；在温度不变时，
后者表示增湿效应，模拟气候生产潜力在该条件下的变化情况，即气候生产潜力的驱动效应。温效应，
2
2．1特征分析温度生产潜力与降水生产潜力特征
可以看出：（1）根据Miami模型对全省温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）平均状况进行分析（图2），
近40a温度生产潜力趋势显著增加（Yt=3．5621X+1161．3），降水生产潜力略有减少（Yr=－0．6892X+689.74）；（2）通过累积距平分析发现，温度生产潜力转折点为1997年，其中1971—1996年倾向系数1．1547，1997—2007倾向系数1．4997；而降水生产潜力转折点为1994年，1971—1993年倾向系数－1．293，1994—2007年倾向系数6．6661，生产潜力发生了显著变化，这实质上是对气候变化的积极响应。
图2
Fig．2甘肃省温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）变化趋势ThechangingtrendofTemperaturepotentialproductivity（Yt）andprecipitationpotentialproductivity（Yr）inGansu
2．2气候生产潜力特征
根据ThornthwaiteMemorial模型对研究区各地的气候生产潜力计算得出，平均气候生产潜力河西走廊为
222313．36kg·hm－·a－1，·hm－·a－1，hm－·a－1，甘南草原为741．72kg陇中高原为763．85kg·陇东高原为867．52
22kg·hm－·a－1，·hm－·a－1。用Mann-Kendall非参数检验分析发现，1979—1996年气候生陇南山地为982．86kg
1997—2007年气候生产潜力显著减少且趋势具有持续性。对气候生产潜产潜力明显增加；1997年是转型点，
力与年均气温和年均降水量进行Pearson相关分析可知，其与研究时段年均温度相关系数为0．04，年均降水
因此，降水量是决定甘肃省气候生产潜力的主导因子。量相关系数为0．94（R=0．5686＞R0．01），
为了分析气候生产潜力与实际粮食产量的关系，验证气候生产潜力估算的精度，本研究利用甘肃省62个县市1999—2002年4a平均粮食单产与气候生产力作双轴曲线进行对比（图3），结果表明：除河西走廊外，研究区粮食实际单产多不足气候生产潜力的30%，但二者的变化趋势基本一致，相关性显著（R=0.696＊＊），这意味着这些地区粮食产量受气候变化的制约影响，只要充分利用好气候资源，粮食单产的提高尚有足够的空间；河西走廊属于灌溉农业区，粮食生产不仅依赖于气候资源，还依赖于水资源的调配和利用，
1期罗永忠等：近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征225气候对粮食产量不是唯一的影响因子，在灌溉水的协同作用下，气候利用率更高，因此河西走廊金塔、酒泉、高台、临泽等地实际产量甚至高于气候产量，这也是河西走廊成为重要产粮区的原因之一。
图3
Fig．3甘肃省气候生产潜力与粮食单产对比分析Contrastbetweengrainproductionandpotentialclimateproductivity
2．3气候生产潜力区域分布特征
2·hm－·a－1），研究区气候生产潜力空间分布呈东南—西北递减趋势，最低值出现在河西走廊的敦煌（74．52kg
22·hm－·a－1），·hm－·a－1。如最高值出现在水热条件较好的陇南山地的徽县（1094．39kg全省平均为733．86kg
从气候生产潜力平均分布状况看，陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘南草原＞河西走廊果忽略地形影响，
（图4）。
2000年以来为增加明显；甘南草原持续缓慢增加；陇中陇河西走廊在20世纪80—90年代为减少时段，
2000年以来略有增加；陇南山区80年代增加显著，90年代以后减少明显。东高原90年代明显减少，
图4
Fig．4区域气候生产潜力分布图Theregionalpotentialclimateproductivitychange
2．4气候生产潜力EOF变化特征
对研究区气候生产潜力进行EOF分析，在特征向量方差贡献值中第一特征向量累计方差为99．31%，可以认为在甘肃省气候生产潜力场中使用第一特征向量就足以揭示对象的整体分布特征。
气候生产潜力第一特征向量的空间分布图（图5）表明，全省气候生产潜力表现出高度一致性（λi＞0），总
东多西少的分布特征，但地理差异依然明显，在东、西两端分别有一个极值中心：高值区在陇体形成南高北低、
南山地的徽县-康县附近，低值区在河西走廊的敦煌一带，等值线在酒泉-民乐之间分布密集，说明河西走廊中
226生态学报31卷部气候生产潜力受地理环境影响变化很大，区域特征差异显著，农业生产状况地域性明显。
图5
Fig．5甘肃省气候生产潜力EOF第一特征向量空间分布ThefirsteigenvectorchangesofEOFspatialdistributionofpotentialproductivityinGansu
对第一特征向量对应的时间序列值进行累积距平
分析（图6），可以看出，过去40a来甘肃省气候生产潜
倾向系数为－7．84，其中力呈逐渐减少的变化趋势，
1990年、1997年分别是极大值、极小值年份。具体来
70年代后期到90年代中期属于气候生产潜力的高说，
值期，虽然期间亦有明显波动，但总体呈上升趋势；
1993—1997年急剧下降，1997年达到最低，1998—2007
年有所增加，但增幅较小。气候生产潜力的时间系数特
尤其与降水量显著相关，其相关性征与气候密切相关，
且通过0．01信度检验，进一步表明降水达到96．2%，
是影响气候生产潜力变化的最关键因素。
2．5气候变化对气候生产潜力的驱动
为了进一步探讨气候生产潜力受单要素影响的变化，基于气候生产潜力模型，模拟气候生产潜力在气候变化条件下的变化情况，即气候生产潜力的驱动效应，可以看出：
（1）河西走廊、甘南草原、陇中高原、陇东高原、陇南山地在增温驱动下气候生产潜力增益分别为5．51、26．86、20．35、23．93、25．34，34．22、31．22、33．14、34．49，在增湿驱动下增益分别为27．89、增湿增温均有利于
但增湿增益更为显著，尤其对河西走廊农业发展具有促进作用。全省农业的发展，
（2）在增温驱动下形成3个显著的增益中心：最大中心在甘南草原的玛曲附近（37．18）；次大中心在陇南
徽县，最后为河西走廊东部的乌鞘岭一带。河西走廊西部地区尤其是临近沙漠边缘地带，增温使山区的康县-
其气候生产潜力增幅几乎为零（图7），这意味着气候变暖将严重抑制这一地区的农业发展进程。
（3）增湿驱动下最大值是玛曲和康县（＞40），陇南山区和甘南草原两个高值区的覆盖范围增大并逐步向陇中、陇东高原地区延伸，增湿驱动尤其使河西走廊中西部地区增益显著（图8）。可以认为降水是全省农业发展的主要驱动力，降水增加将能有效提高气候生产潜力，极大的改善农业生产收益。图6甘肃省气候生产潜力EOF第一特征向量时间系数累积距平变化Fig．6ThetimecoefficientscumulativeanomalyofEOFfirsteigenvectoroftheclimatepotentialproductivityinGansu
1期罗永忠等：近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征227
图7
Fig．7气温升高对甘肃气候生产潜力的驱动效应Thedrivingeffectofpotentialclimateproductivitywithwarming
图8
Fig．8降水增加对甘肃气候生产潜力的驱动效应Thedrivingeffectofpotentialclimateproductivitywithprecipitationincreasing
3结论与讨论
2（1）甘肃省平均气候生产潜力为733．86kg·hm－·a－1，空间分布为陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘
1979—1996为升高时期，1997年是转折点，南草原＞河西走廊；气候生产潜力时间特征总体表现为单峰曲线，
1997—2007年气候生产潜力持续降低。气候生产潜力与实际产量相关系数为0．696。
（2）气候变化对气候生产潜力的驱动分析表明，增湿和增温对全省农业均具有正效应，增温效应为
5.51—25．34，增湿效应为27．89—34．49，增湿效应更为显著，尤其对河西走廊农业发展具有促进作用。增温
陇南山地东南部、河西走廊东部，这些地区由于常年温度较低，温度是驱动有3个增益中心：甘南草原西南部、
限制作物生长的主要因素，故增温对气候生产潜力的驱动较大。河西走廊西部由于地处沙漠边缘，高温干旱
其增温增益几乎为零，而一旦遇到降水，植物即可迅速吸收水分，达到较大的生长量，故河西使植物生长缓慢，
走廊中西部地区增湿增益显著。增湿驱动下陇南山地和甘南草原两个高值区的覆盖范围增大并逐步向陇中、陇东高原延伸。
（3）年均降水量与气候生产潜力相关系数达0．938，而年均气温与气候生产潜力相关系数仅为0．04，降水是研究区气候生产潜力变化的主要驱动力。
由于降水是研究区气候生产潜力变化的主要驱动力，降水增加将会有效提高气候生产潜力，极大的改善农业生产收益，因此实施旱作农业节水、改善并充分利用好有限的水资源是保障农业大面积增产的关键所在。研究区区域性差异大，气候生产潜力与农业生产活动的差异性及针对性特征明显，依据气候生产潜力特征分析结果，提出如下措施：
（1）河西走廊应加快农业节水技术的推广与转化，突出农艺节水和生物节水技术的研究与推广，以土壤
把重点控制灌溉水深层渗漏转移到抑制区域水分的无效蒸发及作物光合水分利用效率的提水分调控为中心，
高上，大力研究和推广节水型种植结构调整、调亏灌溉、免耕覆盖种植、设施农业等适应干暖气候条件下的高效节水农业技术体系，充分利用该区域气候资源。
（2）陇中与陇东高原开展以推广玉米双垄沟播、全覆盖等旱作农业为重点的技术体系，加快农业抗旱体
继续加大水利基础设施建设力度，提高抗旱节水能力，通过间作、套种等加大复种面积，提高对气候资系建设，
源的利用效率，为气候干化背景下农业可持续发展创造有利环境。
（3）陇南山地要发展集雨灌溉为主的雨养生态农业，大力推广经济作物，促进用水结构的合理调整，充分利用该区域较丰富的降水。
（4）甘南草原应提高对气候资源的利用效率，把生态环境保护与建设作为重点，加大畜牧业生产。
气候的暖干化趋势对研究区未来农业发展提出了严峻的挑战。为此，研究区必须科学调整农业生产格趋利避害，因地制宜，为充分利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。局，
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ActaEcologicaSinica近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征
1*21，罗永忠，成自勇，郭小芹
（1．甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070；2．甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000）
ThornthwaiteMemorial模型计算了全省温度生摘要：根据甘肃省69个气象站1971—2007年温度和降水资料，采用Miami模型、
产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力，分析了影响气候生产潜力的气候驱动力，用经验正交函数（EOF）分析其时空变化特征。
2a－1，·hm－·呈逐渐减少趋势。区域结果表明：温度生产潜力显著增加，降水生产潜力略有减少，平均气候生产潜力为733．86kg
差异性明显，呈东南—西北递减，陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘南草原＞河西走廊，气候生产潜力以1997年为转型年。增湿和增温均有利于气候生产潜力的增加，但增湿增益更为显著，另气候的暖干化趋势是研究区气候生产潜力减少的重要原因。
关键词：气候生产潜力；ThornthwaiteMemorial模型；经验正交函数；时空特征；甘肃省
ThechangingcharacteristicsofpotentialclimateproductivityinGansuProvinceduringnearly40years
*LUOYongzhong1，CHENGZiyong1，，GUOXiaoqin2
1CollegeofForestryinGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China
2WuweiMeteorologicalBureau．Wuwei733000，China
Abstract：Thepotentialclimateproductivityreferstotheproperhighestbiologicalyieldoragriculturalyieldinperunitareawhenclimaticresourcessuchasthelight，heat，andwaterarefullyusedwhiletheotherconditionssuchassoil，nutrient，carbondioxide，andsoonareunderthemostsuitablestatus．GansuProvinceisthemaindrylandfarmingagriculturalregioninnorthwesternChina．Becauseofthelownaturalproductivity，itsagriculturalproductionstillpartlyreliesonclimaticconditions，mainlydependingontheenvironmentalfactorssuchasthelight，heatandwaterresourcesandtheirchanges．Ithasveryimportanttheoreticalandpracticalsignificanceinreasonablyusingofclimaticresources，fullydisplayingthepotentialclimaticproductivity，improvingproductivityapplicationlevel，andprovidingvaluableadvicesforagriculturalproductiontostudythepotentialclimaticdynamicsanditsmaininfluencefactors．
Basedonthetemperatureandprecipitationdatain69meteorologicalstationsduring1971to2007inGansuprovince，thetemporalandspatialdistributionofthepotentialtemperatureproductivity，precipitationproductivity，andclimaticproductivityandtheirdynamicswereanalyzedusingMiamimodelandThornthwaiteMemorialmodel．Atthesametime，thespatialandtemporaldynamicscharacteristicsofpotentialclimaticproductivityintherecent40yearswereanalyzedusingtheEOFfunctionandtheMann-Kendallstatisticalmethod．Also，thedrivingforcestothedynamicsofpotentialclimaticproductivityinGansuprovincewereanalyzed．Theresultsshowedthatthepotentialtemperatureproductivitywassignificantlyincreasedwhilethepotentialprecipitationproductivitywasslightlydecreasedintherecent40yearswiththeirconversionyearin1997and1994．ThemeanpotentialclimaticproductivityinHexiCorridor，GannanGrassland，MiddleGansuPlateau，EasternGansuPlateau，SouthernGansuprovincewere313．36，741．72，763．85，867．52，982．86
2kg·hm－·a－1，respectively．Besides，thepotentialclimaticproductivitywasobviouslyincreasedfrom1979to1996withitsconversionyearin1997，andtheconversionyearwas1997whilesignificantlyandcontinuallydecreasedfrom1997to2007．基金项目：国家863计划项目（2002AA2Z4191）
收稿日期：2010-04-28；修订日期：2010-11-10
*通讯作者Correspondingauthor．E-mail：chengzy@gsau．edu．cn
Thecorrelationcoefficientsbetweenthepotentialclimaticproductivityandthemeanannualprecipitation，andbetweenthepotentialproductivityandthemeanannualtemperaturewere0．94and0．04，respectively．Therefore，theprecipitationwasthekeyfactortodeterminethepotentialclimateproductivityinGansuprovince．ThespatialdistributionofpotentialclimaticproductivityinGansuprovincewasdecreasedfromsoutheasttonorthwest，theminimumandmaximumvaluesmarkedin
22a－1andHuixianwith1094．39kg·hm－·a－1，respectively，whilethemeanpotentialDunhuangwith74．52kg·hm－·
2climateproductivityofthewholeprovincewas733．86kg·hm－·a－1．Accordingtotheaveragedistributionofpotential
climaticproductivity，themaximumvaluewasobtainedinSouthernGansuprovince，followedbyEasternGansuPlateau，MiddleGansuPlateau，GannanGrasslandandHexiCorridorinorder．furthermore，bothtemperatureandhumidityincreasingwerebeneficialtotheagriculturalproductioninthewholeprovincewiththetemperatureincreasingeffectof
22·hm－·a－1andthehumidityincreasingeffectof27．89－34．49kg·hm－·a－1，andthehumidityincreasing5．51－25．34kg
effectwasmuchmoresignificant，especiallyhavingsignificantpromotiontoagriculturaldevelopmentinHexiCorridor．Therefore，theprecipitationwasthemaindrivingforcetoinfluencethepotentialclimateproductivityinGansuprovince．Inaddition，thewarmeranddrierclimaticchangingtrendcanaggravatetothereductionofthepotentialclimateproductivity．KeyWords：climaticpotentialproductivity；thornthwaitememorialmodel；EOF；spatiotemporalcharacteristic；GansuProvince
甘肃省地处黄土、青藏和蒙古三大高原交汇地带，是我国西北主要旱作农业区域。自然生产力水平较低，
“靠天吃饭”农业生产至今未能全面摆脱的局面，农业生产主要取决于区域的光、热和水资源等环境因子及其
变化［1］［2-4］。在全球气候变暖背景之下，。在现有生产力水平保持不变的前提下，植物生产潜力将会普遍下降
作物产量下降、农业生产水资源短缺、粮食产量波动等一系列问题变得更为现实和迫切。因此，研究气候生产潜力变化规律及其主要影响因子，对于合理利用气候资源，充分发挥气候生产潜力，提高生产力应用水平，指
具有重要的理论和现实意义。导农业生产，
气候生产潜力是指当其它条件（如土壤、养分、二氧化碳等）处于最适状况时，充分利用光、热、水气候资单位面积土地上可能获得的最高生物学产量或农业产量源时，
模型［24-26］［5-7］。基于气候资源的差异性，气候生产潜力［8-23］必然具有差异性。近年来，国内外对气候生产潜力的研究已经取得不少成果，并建立了一些比较成熟的，如根据植物生产量与气温、降水相关而建立的Miami模型、表征农作物光温生产力的Wagenigen模型和农业生态区域AEZ模型、通过蒸散量模拟植物生产量的ThornthwaiteMemorial模型等，为气候生产潜力的研究提供了重要的理论基础。由于Miami模型能够反映在自然状态下，水热单因子对潜在生产力的影响，ThornthwaiteMemorial模型以体现多个气象要素综合影响的年平均实际蒸散量来建模，涵盖了太阳辐射、温度降水、饱和度和风等气象因子，更接近生产实际，因此，本研究利用多年气象资料，运用Miami模型、ThornthwaiteMemorial模型分析全省温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力时空分布及其变化规律，同
27］Kendall非参数统计方法［17-18，，时利用EOF经验正交函数及Mann-深入研究了近40a全省气候生产潜力的
时空演变特征，并对甘肃省气候生产潜力变化的驱动力做了分析，为指导全省农业生产，因地制宜、充分利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。
1
1．1区域概况和研究方法研究区概况
42甘肃省土地面积45．44×10km，地理位置介于32°11'—42°57'N和92°13'—108°46'E之间，境内地貌复
杂，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交错分布。年平均气温在0—16℃之间，年日照时数为1700—3800h，年降水量在35—750mm，降水多集中在6—8月份，占全年降水量的50%—70%，气候资源分布极度不均。全省
2农业用地面积占56%，人均占有耕地1806．7m，主要作物有小麦、玉米、马铃薯、糜子、胡麻、甜菜、棉花、大麻、
当归、党参等。
甘肃地形狭长，按照气候、地形特征及地理位置可
其中陇南山区为暖温带将全省划分为五大区域（图1），
是秦岭的西延部分，包括成县、康县、徽县等地湿润区，
位于甘肃中部，包括永市；陇中高原为温带半湿润区，
靖、永登、兰州等地市；陇东高原为温带半干旱区，陕、
甘、宁三省（区）交汇处，居黄土高原西端，水土流失严
重，包括环县、庆阳、平凉等地市；甘南草原为高寒湿润
区，位于甘肃省西南部，南临四川，西界青海，以高寒草
包括夏河、东乡、广河等地市；河西走廊为甸草原为主，
暖温带干旱区，东起乌鞘岭，西至甘新交界处星星峡，
南以祁连山、阿尔金山为界，北与内蒙古自治区相邻，
绿洲、戈壁和沙漠广泛分布，包括马鬃山、敦煌、安西、玉图1Fig．1甘肃省气候区划图ClimatezoningmapofGansuProvince
门镇、鼎新、金塔、肃北、酒泉、高台、临泽、肃南、张掖、民乐、山丹、永昌、武威、民勤、古浪、乌鞘岭等地市。
本文主要数据源为甘肃省69个气象台站温度与降水资料（1971—2007年），该时段内数据完整，无缺失。
1．2气候生产潜力模型
Miami模型为：
Yt=3000/（1+e1．315－0．119t）
Yr=3000/（1－e－0．000664r）
2·hm－·a－1）。生产潜力（kg（1）（2）t为年平均温度（℃），r为年降水量（mm），e=2．7183，Yt、Yr分别为由年平均温度、式中，年降水量决定的
ThornthwaiteMemorial模型为：
Ye=3000（1－e－0．0009695（V－20））
1/2V=1．05R/［1+（1．05R/L）2］（3）（4）
（5）L=300+25T+0．05T3
2·hm－·a－1）。决定的生产潜力（kgR为年平均降水量（mm），L为年平均最大蒸散量（mm），L是年平均温度T的函数，Ye为由蒸散量式中，
1．3Mann-Kendall检验
Mann-Kendall非参数统计方法的优点在于样本并不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，检测范围宽、定量化程度高。
对具有n个样本量的时间序列X，构造其秩序列：
Sk=∑ri（k=2，3，…，n；i=1，2，…，k）（6）
2，…，i）时，ri=1；否则ri=0其中，当xi＞xj（j=1，
定义统计量UFk=［Sk－E（Sk）］/（Var（Sk））1/2（k=1，2，…，n）（7）
UF1=0，E（Sk）、Var（Sk）是Sk的均值和方差。UFi为标准正态分布，其中，给定显著性水平α，若
∣UFi∣＞Uα，则序列存在明显的趋势变化。
1．4EOF经验正交函数
EOF经验正交函数又称为主分量分析方法，在对变量场特征进行分解时能将多个变量的大部分信息最大限度地集中在有限个独立变量的主分量上，即将m个空间点n次观测值构成变量Xm×n分解为p个空间特征向量和对应的时间权重系数的线性组合：Xm×n=Vm×pTp×n
224生态学报31卷
λ1
Λ=0
M
记
T·TT=Λ，则T=V×X数满足T0λ2M0Λ0Λ0Λ0Λ0（8）A=X·XTVTAV=Λ，其中V、Λ分别是A阵特征向量组成的正交阵（即空间函数）和特征值组成的对角阵。时间函
1．5气候生产潜力的驱动力分析
以ThornthwaiteMemorial气候生产潜力模型为基础，假定在降水不变的条件下，温度每增加1℃，气候生
降水每增加10mm，气候生产潜力的变化定义为ΔYr2，前者表示增产潜力的变化定义为ΔYt1；在温度不变时，
后者表示增湿效应，模拟气候生产潜力在该条件下的变化情况，即气候生产潜力的驱动效应。温效应，
2
2．1特征分析温度生产潜力与降水生产潜力特征
可以看出：（1）根据Miami模型对全省温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）平均状况进行分析（图2），
近40a温度生产潜力趋势显著增加（Yt=3．5621X+1161．3），降水生产潜力略有减少（Yr=－0．6892X+689.74）；（2）通过累积距平分析发现，温度生产潜力转折点为1997年，其中1971—1996年倾向系数1．1547，1997—2007倾向系数1．4997；而降水生产潜力转折点为1994年，1971—1993年倾向系数－1．293，1994—2007年倾向系数6．6661，生产潜力发生了显著变化，这实质上是对气候变化的积极响应。
图2
Fig．2甘肃省温度生产潜力（Yt）与降水生产潜力（Yr）变化趋势ThechangingtrendofTemperaturepotentialproductivity（Yt）andprecipitationpotentialproductivity（Yr）inGansu
2．2气候生产潜力特征
根据ThornthwaiteMemorial模型对研究区各地的气候生产潜力计算得出，平均气候生产潜力河西走廊为
222313．36kg·hm－·a－1，·hm－·a－1，hm－·a－1，甘南草原为741．72kg陇中高原为763．85kg·陇东高原为867．52
22kg·hm－·a－1，·hm－·a－1。用Mann-Kendall非参数检验分析发现，1979—1996年气候生陇南山地为982．86kg
1997—2007年气候生产潜力显著减少且趋势具有持续性。对气候生产潜产潜力明显增加；1997年是转型点，
力与年均气温和年均降水量进行Pearson相关分析可知，其与研究时段年均温度相关系数为0．04，年均降水
因此，降水量是决定甘肃省气候生产潜力的主导因子。量相关系数为0．94（R=0．5686＞R0．01），
为了分析气候生产潜力与实际粮食产量的关系，验证气候生产潜力估算的精度，本研究利用甘肃省62个县市1999—2002年4a平均粮食单产与气候生产力作双轴曲线进行对比（图3），结果表明：除河西走廊外，研究区粮食实际单产多不足气候生产潜力的30%，但二者的变化趋势基本一致，相关性显著（R=0.696＊＊），这意味着这些地区粮食产量受气候变化的制约影响，只要充分利用好气候资源，粮食单产的提高尚有足够的空间；河西走廊属于灌溉农业区，粮食生产不仅依赖于气候资源，还依赖于水资源的调配和利用，
1期罗永忠等：近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征225气候对粮食产量不是唯一的影响因子，在灌溉水的协同作用下，气候利用率更高，因此河西走廊金塔、酒泉、高台、临泽等地实际产量甚至高于气候产量，这也是河西走廊成为重要产粮区的原因之一。
图3
Fig．3甘肃省气候生产潜力与粮食单产对比分析Contrastbetweengrainproductionandpotentialclimateproductivity
2．3气候生产潜力区域分布特征
2·hm－·a－1），研究区气候生产潜力空间分布呈东南—西北递减趋势，最低值出现在河西走廊的敦煌（74．52kg
22·hm－·a－1），·hm－·a－1。如最高值出现在水热条件较好的陇南山地的徽县（1094．39kg全省平均为733．86kg
从气候生产潜力平均分布状况看，陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘南草原＞河西走廊果忽略地形影响，
（图4）。
2000年以来为增加明显；甘南草原持续缓慢增加；陇中陇河西走廊在20世纪80—90年代为减少时段，
2000年以来略有增加；陇南山区80年代增加显著，90年代以后减少明显。东高原90年代明显减少，
图4
Fig．4区域气候生产潜力分布图Theregionalpotentialclimateproductivitychange
2．4气候生产潜力EOF变化特征
对研究区气候生产潜力进行EOF分析，在特征向量方差贡献值中第一特征向量累计方差为99．31%，可以认为在甘肃省气候生产潜力场中使用第一特征向量就足以揭示对象的整体分布特征。
气候生产潜力第一特征向量的空间分布图（图5）表明，全省气候生产潜力表现出高度一致性（λi＞0），总
东多西少的分布特征，但地理差异依然明显，在东、西两端分别有一个极值中心：高值区在陇体形成南高北低、
南山地的徽县-康县附近，低值区在河西走廊的敦煌一带，等值线在酒泉-民乐之间分布密集，说明河西走廊中
226生态学报31卷部气候生产潜力受地理环境影响变化很大，区域特征差异显著，农业生产状况地域性明显。
图5
Fig．5甘肃省气候生产潜力EOF第一特征向量空间分布ThefirsteigenvectorchangesofEOFspatialdistributionofpotentialproductivityinGansu
对第一特征向量对应的时间序列值进行累积距平
分析（图6），可以看出，过去40a来甘肃省气候生产潜
倾向系数为－7．84，其中力呈逐渐减少的变化趋势，
1990年、1997年分别是极大值、极小值年份。具体来
70年代后期到90年代中期属于气候生产潜力的高说，
值期，虽然期间亦有明显波动，但总体呈上升趋势；
1993—1997年急剧下降，1997年达到最低，1998—2007
年有所增加，但增幅较小。气候生产潜力的时间系数特
尤其与降水量显著相关，其相关性征与气候密切相关，
且通过0．01信度检验，进一步表明降水达到96．2%，
是影响气候生产潜力变化的最关键因素。
2．5气候变化对气候生产潜力的驱动
为了进一步探讨气候生产潜力受单要素影响的变化，基于气候生产潜力模型，模拟气候生产潜力在气候变化条件下的变化情况，即气候生产潜力的驱动效应，可以看出：
（1）河西走廊、甘南草原、陇中高原、陇东高原、陇南山地在增温驱动下气候生产潜力增益分别为5．51、26．86、20．35、23．93、25．34，34．22、31．22、33．14、34．49，在增湿驱动下增益分别为27．89、增湿增温均有利于
但增湿增益更为显著，尤其对河西走廊农业发展具有促进作用。全省农业的发展，
（2）在增温驱动下形成3个显著的增益中心：最大中心在甘南草原的玛曲附近（37．18）；次大中心在陇南
徽县，最后为河西走廊东部的乌鞘岭一带。河西走廊西部地区尤其是临近沙漠边缘地带，增温使山区的康县-
其气候生产潜力增幅几乎为零（图7），这意味着气候变暖将严重抑制这一地区的农业发展进程。
（3）增湿驱动下最大值是玛曲和康县（＞40），陇南山区和甘南草原两个高值区的覆盖范围增大并逐步向陇中、陇东高原地区延伸，增湿驱动尤其使河西走廊中西部地区增益显著（图8）。可以认为降水是全省农业发展的主要驱动力，降水增加将能有效提高气候生产潜力，极大的改善农业生产收益。图6甘肃省气候生产潜力EOF第一特征向量时间系数累积距平变化Fig．6ThetimecoefficientscumulativeanomalyofEOFfirsteigenvectoroftheclimatepotentialproductivityinGansu
1期罗永忠等：近40a甘肃省气候生产潜力时空变化特征227
图7
Fig．7气温升高对甘肃气候生产潜力的驱动效应Thedrivingeffectofpotentialclimateproductivitywithwarming
图8
Fig．8降水增加对甘肃气候生产潜力的驱动效应Thedrivingeffectofpotentialclimateproductivitywithprecipitationincreasing
3结论与讨论
2（1）甘肃省平均气候生产潜力为733．86kg·hm－·a－1，空间分布为陇南山区＞陇东高原＞陇中高原＞甘
1979—1996为升高时期，1997年是转折点，南草原＞河西走廊；气候生产潜力时间特征总体表现为单峰曲线，
1997—2007年气候生产潜力持续降低。气候生产潜力与实际产量相关系数为0．696。
（2）气候变化对气候生产潜力的驱动分析表明，增湿和增温对全省农业均具有正效应，增温效应为
5.51—25．34，增湿效应为27．89—34．49，增湿效应更为显著，尤其对河西走廊农业发展具有促进作用。增温
陇南山地东南部、河西走廊东部，这些地区由于常年温度较低，温度是驱动有3个增益中心：甘南草原西南部、
限制作物生长的主要因素，故增温对气候生产潜力的驱动较大。河西走廊西部由于地处沙漠边缘，高温干旱
其增温增益几乎为零，而一旦遇到降水，植物即可迅速吸收水分，达到较大的生长量，故河西使植物生长缓慢，
走廊中西部地区增湿增益显著。增湿驱动下陇南山地和甘南草原两个高值区的覆盖范围增大并逐步向陇中、陇东高原延伸。
（3）年均降水量与气候生产潜力相关系数达0．938，而年均气温与气候生产潜力相关系数仅为0．04，降水是研究区气候生产潜力变化的主要驱动力。
由于降水是研究区气候生产潜力变化的主要驱动力，降水增加将会有效提高气候生产潜力，极大的改善农业生产收益，因此实施旱作农业节水、改善并充分利用好有限的水资源是保障农业大面积增产的关键所在。研究区区域性差异大，气候生产潜力与农业生产活动的差异性及针对性特征明显，依据气候生产潜力特征分析结果，提出如下措施：
（1）河西走廊应加快农业节水技术的推广与转化，突出农艺节水和生物节水技术的研究与推广，以土壤
把重点控制灌溉水深层渗漏转移到抑制区域水分的无效蒸发及作物光合水分利用效率的提水分调控为中心，
高上，大力研究和推广节水型种植结构调整、调亏灌溉、免耕覆盖种植、设施农业等适应干暖气候条件下的高效节水农业技术体系，充分利用该区域气候资源。
（2）陇中与陇东高原开展以推广玉米双垄沟播、全覆盖等旱作农业为重点的技术体系，加快农业抗旱体
继续加大水利基础设施建设力度，提高抗旱节水能力，通过间作、套种等加大复种面积，提高对气候资系建设，
源的利用效率，为气候干化背景下农业可持续发展创造有利环境。
（3）陇南山地要发展集雨灌溉为主的雨养生态农业，大力推广经济作物，促进用水结构的合理调整，充分利用该区域较丰富的降水。
（4）甘南草原应提高对气候资源的利用效率，把生态环境保护与建设作为重点，加大畜牧业生产。
气候的暖干化趋势对研究区未来农业发展提出了严峻的挑战。为此，研究区必须科学调整农业生产格趋利避害，因地制宜，为充分利用气候资源、提高生产力水平及农业可持续发展创造有利环境。局，
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