近百年来，在人类活动和自然因素的共同影响下，全球正经历着以变暖为显著特征的气候变化，已深刻影响着全球自然生态系统和人类的生存与发展^［1］。特别是在全球增暖1.5 ℃和2.0 ℃时的未来变化情境下，全球降雨的变异性和极端情况将加剧^［2］，中国区域平均气温、极端气温和极端降水均会增加，其中西北地区为增温的高值区域^［3］。变暖的气候将影响西北干旱区植被的空间分布和生态系统的结构与功能^［4］，并诱发植物物候的变化，加剧植被生产能力和生态环境质量的年际变化^［5］；极端气温和降水事件也会给区域防灾减灾提出新挑战^［6］。因此，开展西北地区气候及其生产潜力变化的研究可为全球气候变化背景下科学合理地利用气候资源及促进新阶段农业可持续发展提供科学依据，具有重要而深远的现实意义。

气候生产潜力是当土壤、养分等条件处于最适宜期，气温、降水等气候资源可充分合理利用的条件下，单位面积土地上可产出的最高植物生物学产量或经济产量^［7-8］，它是评估区域植被生产潜力的重要指标，对全球陆地生态系统气候资源储量具有重要表征作用^［9］。当前，学者们利用WOFOST模型^［10］、逐级订正模型^［11-12］、黄秉维光合生产潜力估算模型^［13］、Miami模型和Thornthwaite Memorial模型^{［8，14-15］}等气候生产潜力估算模型分析了不同区域的气候生产潜力及其变化。李焱等^［8］基于Thornthwaite Memorial和Miami模型分析了1901—2017年藏西南高原气候及其生产潜力的时空分布特征，认为藏西南高原“暖干化”的气候变化趋势不利于气候生产潜力的增加。徐雨晴等^［16］利用Thornthwaite Memorial模型探究了1986—2005年中国气候生产潜力及其时空分布特征，发现中国东南部气候生产潜力优于西北部。罗海平等^［17］通过对1981—2015年中国粮食气候生产潜力及其时空演化的研究，发现气候资源对粮食生产的影响有限，但对粮食气候生产潜力的影响显著。由此可知，气候是农业发展最重要的资源，直接影响着农作物生长、病虫害、气候生产力、产量和品质等农业生产及气候资源的储量^{［16，18］}。河西走廊是甘肃省经济作物的集中种植区，也是中国重要的商品粮基地^［18-19］。已有学者阐述了河西走廊地区气候变化对玉米、小麦等农作物^［20-21］和植被净初级生产力^［5］的影响，为该地区农业应对气候变化和合理利用气候资源提供了科学依据。也有学者分析2002—2018年河西走廊净初级生产力变化时空格局^［22］和1971—2006年河西走廊气候生产潜力时空分布特征及其变化规律^［19］，但时间序列较短。鉴于近年气候变暖及各类极端气候事件频发，从更长的时间尺度去探究河西走廊气候生产潜力显得尤为重要。

为此，以1960—2022年河西走廊地区年降水量和年均气温数据为基础，利用Miami和Thornthwaite Memorial模型计算气候生产潜力，并分析了河西走廊地区近63 a气温、降水及气候生产潜力的时空变化规律，以期为全球气候环境变化下的河西走廊地区气候资源的科学利用和农业资源的科学管理及可持续利用提供科学支撑和决策依据。

河西走廊（37°17′—42°48′N，92°23′—104°12′E）位于祁连山北麓的甘肃省境内，东西长约1 200 km，面积约3.016×10⁵ km²。地理上自东向西依次连通着武威、金昌、张掖、嘉峪关和酒泉5个地级市^［23］，相应地串联着石羊河、黑河和疏勒河等内陆河流域^［24］（图1）。气候上属于典型的大陆性干旱气候，年均气温为5.86 ℃，年降水量为264.92 mm。区内地势起伏大，南北海拔差异明显，南部地势高，多高山，北部地势平坦，多沙漠和戈壁，分布有林地、草地、农田和荒漠等植被类型^［5，22］。

河西走廊1960—2022年的古浪县、金川区、高台县和敦煌市等20个县（区、自治县）的年均气温和年降水量数据来源于欧洲及欧洲中期天气预报中心等组织发布的ERA5-Land数据集（https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysis-era5-land-monthly-means？tab=overview），各县（区、自治县）插值点位数据来源于国家统计局官网网站（http：//www.stats.gov.cn/sj/tjbz/tjyqhdmhcxhfdm/2022/index.html），第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）未来气候数据源自https：//aims2.llnl.gov/search/？project=CMIP6/。需要说明的是本研究的年降水量是基于各地当年日降水量计算获得。

Miami模型考虑了与陆地生物生长和分布关系密切的气温和有效水分，且该模型实用性强，应用较为广泛^{［16，25-26］}。

式中：Y_t、t、Y_p和p分别为气温生产潜力（kg·hm^-2·a^-1）、年均气温（℃）、降水生产潜力（kg·hm^-2·a^-1）和年降水量（mm）。

Thornthwaite Memorial模型综合了水热等气候因子，具有简洁实用、计算值与实测值偏差小、涉及参数较少且在中国适用性强等优点^［27］，被广泛用于大范围的气候生产潜力变化研究。

式中：Y_e为蒸散生产潜力（kg·hm^-2·a^-1）；e为自然对数的底；E为实际年蒸散量（mm）；p为年降水量（mm）；L为研究区年均最大蒸散量（mm）；t为年均气温（℃）。对于实际年蒸散量，若对应的年降水量出现P0.316 L的情况，则需按公式（4）和（5）进行计算；若年降水量P≤0.316 L，则E=P。

基于气温、降水量和蒸散量计算所得的3个气候生产潜力值，根据Liebig最小因素定律取较低值^［8］，即为河西走廊的标准气候生产潜力（Y_s）。

利用线性回归法进行河西走廊气候和气候生产潜力变化趋势拟合^［28］，分别采用小波分析^［29］和Mann-Kendall检验^［30］研究河西走廊年均气温和年降水量及气候生产潜力的周期变化和变化趋势突变。

河西走廊年均气温在1960—2022年表现为波动增加的趋势，以0.28 ℃/10a的速率逐渐增加，尤其是自1967年起，波动增长趋势更为显著（图2A）。多年平均气温为5.86 ℃，2022年的年均气温最高，为7.26 ℃，较历年平均值偏高1.40 ℃，1967年的年均气温最低，为4.29 ℃。河西走廊年降水量表现为微弱的降低趋势，以1.75 mm/10a的速率缓慢减少，多年平均降水量为264.92 mm。其中1964年为历史最高，达到了338.11 mm，1965年为历史最低，为182.17 mm（图2B），较历年平均值偏低82.75 mm。

河西走廊近63 a年均气温和年降水量的年际变化存在显著的周期变化（图3）。由图3A可知，年均气温在21~35 a时间尺度上存在较为平缓的振荡；0~21 a时间尺度上存在6次振荡，振荡程度强烈且频繁；在35~63 a时间存在1次明显且强度较高的振荡。年均气温在整个时间尺度上存在4个明显的峰值（图4A），根据峰值大小分别为49、13、31 a和6 a的时间尺度，依次对应的是气温周期性能量波动的第一、二、三和第四主周期。这表明在较大的时间尺度上年均气温的周期性振荡强烈，而在较小的时间尺度上周期性振荡趋于减弱，且正-负相位交替较为频繁。

对于年降水量而言，在0~27 a的时间尺度上存在多次由负向正的相位交替性振荡，尤其自1980年后更为显著（图3B），表明在该时间尺度内年降水量从“短缺”到“丰盈”的周期性变化。而在27~63 a的时间尺度上存在2次类似的振荡，相较0~27 a时间尺度上振荡程度减小、振荡频率较低的振荡现象，整个时间尺度上振荡现象总体表现为降低趋势。年降水量在3、6、12、18 a和45 a的时间尺度上达到峰值，其中18、12 a和45 a的峰值较为显著（图4B），分别代表年降水量的第一、二和第三主周期。这表明在研究时间段内河西走廊的年降水量经历了短缺-丰盈的交替变化，尤其是在较短的时间尺度上该现象更加突出（图3B）。

河西走廊近63 a年均气温和年降水量变化的Mann-Kendall检验（显著性水平为0.05）结果显示，年均气温的UF曲线除在1960—1965年和1967—1987年小于0外，其余年份的UF值都大于0，总体上表现为上升趋势。1997年的UF和UB曲线相交并超过临界值（+1.96），发生突变，开始呈显著的增加趋势（图5A）。年降水量的UF曲线波动变化较为频繁，除在1960—1969、1971—1985、1994、1996、2002—2004、2006—2008年大于0外，其余时间段小于0，表现出波动增长和波动降低交替变化的特征。自2008年开始，UF与UB曲线在临界线内频繁相交，但均未超过临界值（±1.96）且未发生突变，总体表现为降低趋势（图5B）。

河西走廊近63 a年均气温总体上自北向南依次递减。南部的阿克塞哈萨克族自治县、肃南裕固族自治县和天祝藏族自治县等地的年均气温普遍低于0 ℃，而北部民勤县、敦煌市和肃北蒙古族自治县等近荒漠地区的年均气温则高于10 ℃（图6A）。年降水量表现为南多北少的空间分布格局，总体偏少。北部的敦煌市、金塔县和民勤县等地的年降水量不足100 mm，相比之下，南部的天祝藏族自治县、肃南裕固族自治县和阿克塞哈萨克族自治县等地的年降水量超过500 mm（图6B）。

河西走廊在1960—2022年气温生产潜力（Y_t）表现为波动上升的趋势（图7A），以248.4 kg·hm^-2·（10a）^-1的速率增加。多年平均Y_t为10 851.19 kg·hm^-2；1967年的Y_t最低，为9 618.51 kg·hm^-2，2022年的Y_t最高，为12 003.20 kg·hm^-2。降水生产潜力（Y_p）表现为波动降低的趋势（图7B），以28.0 kg·hm^-2·（10a）^-1的速率降低；多年平均Y_p为4 832.30 kg·hm^-2，1965年的Y_p最低，为3 417.86 kg·hm^-2，1964年的Y_p最高，为6 032.42 kg·hm^-2。蒸散生产潜力（Y_e）以7.8 kg·hm^-2·（10a）^-1的速率增长，多年平均Y_e为5 700.08 kg·hm^-2，1965年的Y_e最低，为4 464.99 kg·hm^-2，1964年的Y_e最高，为6 683.93 kg·hm^-2。标准气候生产潜力（Y_s）以28.0 kg·hm^-2·（10a）^-1的速率降低；多年平均Y_s为4 832.30 kg·hm^-2，1965年的Y_s最低，为3 417.86 kg·hm^-2，1964年的Y_s最高，为6 032.42 kg·hm^-2。

河西走廊近63 a来Y_t、Y_p、Y_e和Y_s的Mann-Kendall趋势检验（显著性水平为0.05）显示，Y_t的UF曲线在1960—1964年和1967—1987年小于0，呈降低趋势；1965年和1987—1996年的UF曲线大于0，呈逐年增加趋势（图8A）。自1997年开始，UF与UB曲线相交并超过临界值（+1.96）且发生突变，呈显著的增长趋势。Y_p的UF曲线在1960—1969、1971—1985、1994、1996、2002—2004、2006—2008年大于0，呈增长趋势。在整个时间序列上Y_p的UF曲线一直处于临界值内且未出现突变。自2008年开始，其UF与UB曲线多次相交，总体表现为波动降低趋势（图8B）。Y_e的UF曲线在1968—1970、1972、1985—1992、2022年小于0，呈降低趋势。在整个时间序列上Y_e的UF曲线未超过临界值且未发生突变，总体呈增长趋势（图8C）。Y_s在数值上等同于Y_p，二者突变检验曲线具有相同的变化特征（图8B、图8D）。

近63 a河西走廊气候生产潜力受海拔影响，空间差异明显。Y_t的高值区集中于北部近沙漠地区，其中敦煌市、肃北蒙古族自治县的北部地区和民勤县的Y_t均高于14 000 kg·hm^-2·a^-1；而南部高海拔地区的阿克塞哈萨克族自治县和肃北蒙古族自治县的南部地区Y_t则低于5 300 kg·hm^-2·a^-1（图9A）。Y_t的气候倾向率呈现出由张掖市甘州区和武威市凉州区向阿克塞哈萨克族自治县、民勤县等边缘地区递减的趋势（图9B）。Y_p的高值区集中于南部高海拔地区，其中阿克塞哈萨克族自治县、肃北蒙古族自治县南部地区和肃南裕固族自治县等地的Y_p均超过8 800 kg·hm^-2·a^-1；而北部近沙漠地区的敦煌市、金塔县和民勤县等地的Y_p则均低于1 000 kg·hm^-2·a^-1（图9C）。Y_p的气候倾向率呈现出由瓜州县西北部地区和凉州区向阿克塞哈萨克族自治县、金塔县和民勤县等外部边缘地区增加的趋势（图9D）。Y_e的高值区集中于肃北蒙古族自治县、民乐县和山丹县等南部高海拔地区，Y_e均高于5 400 kg·hm^-2·a^-1；而低值区主要分布于酒泉北部的肃北蒙古族自治县、瓜州县、金塔县、敦煌市等地区（图9E），Y_e均低于800 kg·hm^-2·a^-1。Y_e的气候倾向率在空间上整体自北向南依次递增（图9F）。

河西走廊1960—2022年的标准生产潜力（Y_s）的整体空间分布不均，空间分布特征与Y_e相似（图10A）。南部肃北蒙古族自治县、张掖市、金昌市和武威市中部等地区的Y_s高于4 000 kg·hm^-2·a^-1，敦煌市、瓜州县、玉门市、金塔县和民勤县的Y_s则普遍低于800 kg·hm^-2·a^-1

Y_p/Y_t的比值是反映河西走廊水热配比状况的关键指标。当Y_p/Y_t1时，表明区域主要受Y_t的影响；当Y_p/Y_t接近1时，指示水热配比较为均衡；而Y_p/Y_t1时则意味着该区域更多受Y_p的影响^［8］。由图10B可知，1960—2022年河西走廊的水热配比由南向北依次递减且呈条带状特征。其中阿克塞哈萨克族自治县、肃北蒙古族自治县南部地区、山丹县和天祝藏族自治县等南部近绿洲地区，降水量较为充沛，Y_p/Y_t1.27，受Y_p的影响较大。河西走廊中部一些县区的Y_p/Y_t值接近1，指示水热配比较为均衡。敦煌市、肃北蒙古族自治县北部地区、金塔县、临泽县、金川区和民勤县等北部近荒漠地区的Y_p/Y_t0.33，受Y_t的影响较大。

基于河西走廊1960—2022年的年均气温（t）、年降水量（p）和气候生产潜力（Y_e）的数据，利用SPSS 26.0软件建立多元线性回归模型，以探究近63 a来河西走廊地区气候生产潜力的动态变化特征。结果显示该地区近63 a来的t、p和Y_e的多元线性回归方程为Y_e=93.96t+15.78p-969.80（R²=0.995）。由方程可知，年均气温和年降水量与Y_e均呈正相关关系，年均气温每增加1 ℃，年降水量每增加1 mm，Y_e相应分别增加15.78 kg·hm^-2和93.96 kg·hm^-2。

基于CMIP6模式数据预估河西走廊地区在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5共4种情景下未来时期（2022—2100年）5种气候情景（t升高或降低1 ℃或2 ℃和t不变，p升高或降低10%和20%和p不变）模式下的气候生产潜力变化^［31-32］。由表1可知，4种情景下仅考虑单一要素变化时，降水对Y_e均起主要的增加作用。当降水量保持不变，气温升高1 ℃或2 ℃时，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e相应增加2.66%或5.16%、2.40%或4.64%、2.35%或4.56%和2.34%或4.53%；当降水量保持不变，气温降低1 ℃或2 ℃时，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e相应降低2.84%或5.88%、2.56%或5.29%、2.50%或5.17%和2.48%或5.12%；当气温保持不变，降水量增加10%或20%时，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e相应增加4.85%或9.04%、5.21%或9.75%、5.21%或9.75%和5.18%或9.70%；当气温保持不变，降水量降低10%或20%时，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e相应增加5.63%或12.16%、5.98%或12.84%、5.97%或12.82%和5.95%或12.76%。

同时考虑气温和降水量对气候生产潜力的影响，当降水量分别减少10%和20%且气温分别减少1 ℃和2 ℃时，气候类型趋于“冷干化”，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e分别减少8.04%~16.28%、8.13%~16.47%、8.08%~16.36%和8.03%~16.27%；当降水分别减少10%和20%且气温增加1 ℃和2 ℃时，气候类型趋于“暖干化”，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e分别减少1.30%~10.34%、2.12%~11.24%、2.19%~11.25%和2.18%~11.20%；当降水量分别增加10%和20%且气温降低1 ℃和2 ℃时，气候类型趋于“冷湿化”，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e分别增加-1.84%~5.41%、-0.88%~6.42%、-0.74%~6.48%和-0.71%~6.46%；当降水量分别增加10%和20%且气温分别增加1 ℃和2 ℃时，气候类型趋于“暖湿化”，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景对应的Y_e分别增加7.92%~15.78%、8.00%~15.93%、7.95%~15.82%和7.90%~15.73%。由此可见，年均气温和年降水量共同影响着河西走廊地区气候生产潜力的变化，在未来（2022—2100年）4种情景路径下，“暖湿化”的气候特征最有利于区域植被的生长。由河西走廊气候的时空变化特征及趋势可知，未来河西走廊南部地区的气候类型向“暖湿化”的趋势发展，预示着未来该地区植被生长将进入快速发展的阶段。而北部肃北蒙古族自治县、敦煌市、瓜州县、金塔县、民勤县等近沙漠地带气候特征表现为“暖干化”，未来该地区植被生长及农业生产主要受“降水”制约。

气候是影响气候生产潜力变化的重要因素。作为甘肃省经济作物集中生产区的河西走廊，其特殊的地理位置和独特的气候环境造就了复杂多变的生态环境及脆弱且敏感的气候特征^［19］。研究表明，近63 a河西走廊年均气温呈现出波动增长的趋势，年降水量表现为微弱的降低趋势。特别是在20世纪90年代后期，年均气温出现明显的周期性振荡和突变。这与孙兰东等^［33］和侯启等^［34］研究得出同期该地区极端高温日数和干热风天数均出现增加的现象相符。年降水量在整个时间尺度上虽存在明显的周期性振荡，但未有突变现象的发生，这可能预示着未来干旱少雨现象会频发。河西走廊地域狭长、气候多样^［35］，不同区域的气候和地貌特征存在显著差异。南部高海拔地区降水资源相对充足，多为绿洲区，气候趋向“暖湿化”，有利于作物生长。随着气温的升高，部分作物种植区域正向高海拔地区迁移^［36］。而北部靠近沙漠地区，如肃北蒙古族自治县、敦煌市、金塔县和民勤县等地，气温资源相对充足，多为山地和荒漠区，气候偏“暖干化”。丰富的气温资源有利于这些地区的小麦和玉米等喜温作物的生长和产量的提升，这与杨华等^［20］和姚玉璧等^［37］的研究具有一致性。

对于气候生产潜力而言，近63 a河西走廊的生产潜力与年均气温和年降水量的时空变化紧密相关，气温和蒸散生产潜力表现为逐年波动增长的趋势，而降水生产潜力和标准气候生产潜力则逐年呈波动下降趋势。在空间分布上，气温生产潜力表现出北部高南部低的特征，而降水、蒸散和标准气候生产潜力则与之相反。郭小芹等^［19］对1971—2006年河西走廊气候生产潜力及李传华等^［5］对2002—2017年河西走廊净初级生产力的研究中也得出了相同的结论。由此可见，河西走廊地区的气候生产潜力表现出显著的时空差异性，其中降水量是气候生产潜力的主要限制因素。尽管这种胁迫现象难以改变，但可人为改善^［38］。在降水资源相对匮乏和气候生产潜力受限的北部地区，可以通过封山育林^［22］、生态环境修复^［39］和发展节水牧业^［40］等措施来改善植被生长条件，从而积极影响气候生产潜力。而在南部降水充足、气候生产潜力较高的地区，应充分利用气候变化带来的气候生产潜力增长优势，同时综合考虑虫害^{［18，41］}和自然灾害^［34］等带来的影响，确保农业生产的高质量可持续发展。

气候生产潜力的变化不仅受气温、降水量、蒸散量和地形地貌的影响，还与辐射条件、日照时间、土壤肥沃度、植物生长属性和耕作技术等因素有关^［8，42］，仅从部分要素进行探究，仍存在一定不足。未来需进一步深化气候生产潜力研究，结合辐射条件、土壤和植物生长属性等影响气候生产潜力因素进行综合的精细化研究。

1960—2022年，河西走廊的年均气温和年降水量呈现为显著的时空不均性，年均气温总体上呈显著上升趋势，但伴有周期性振荡和突变现象。年降水量整体上呈微弱降低趋势，虽存在明显的周期性振荡，但未出现突变现象。在空间分布上，年均气温自北向南依次递减，而年降水量则与之相反。

河西走廊气候生产潜力与年均气温和年降水量紧密相关。受年均气温的影响，气温和蒸散生产潜力呈逐年波动增长趋势；受年降水量的制约，降水和标准气候生产潜力呈逐年波动下降趋势。空间上，由于气候变化、地形地貌和海拔差异的综合影响，气候生产潜力低值区分布于高海拔的绿洲地带，高值区分布于低海拔的近荒漠地带，蒸散、降水和标准气候生产潜力则与之相反。

在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5预估情景下，河西走廊地区年均气温和年降水量变化共同影响着该地区气候生产潜力的变化，“暖湿化”的气候特征最有利于河西走廊地区植被的生长。未来河西走廊南部高海拔的绿洲地带和北部近沙漠地带气候类型分别有向“暖湿化”和“暖干化”的发展趋势。