潘敖大，曹穎，陳海山，孫善磊

(1．氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;2．廈門市氣象局，福建 廈門361012;3．江蘇省氣象局，江蘇南京210008)

0 引言

溫室氣體增加導(dǎo)致的全球氣候變暖業(yè)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)(孫善磊等，2010a;高慶九等，2012;周國華等，2012);政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次評估報(bào)告(IPCC，2007)指出，過去100 a全球氣溫平均上升了(0.74±0.18)℃。隨著氣候變化的加劇，其對社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的影響不斷加深，已嚴(yán)重威脅到社會和自然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展(孫善磊等，2010b，2011)。農(nóng)業(yè)是人類賴以生存的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，穩(wěn)定和可持續(xù)的糧食生產(chǎn)是其發(fā)展的關(guān)鍵;作為影響糧食生產(chǎn)的主要自然因素，氣候可以通過影響作物生育進(jìn)程、適宜種植區(qū)和災(zāi)害性因子等進(jìn)而影響糧食生產(chǎn)(郭建平，1992)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞著氣候變化對糧食生產(chǎn)的可能影響開展了大量的相關(guān)研究(肖卉等，2011;張佩等，2011)，并認(rèn)為溫度和降水的變化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)主要因子;但對不同國家或地區(qū)，二者對作物產(chǎn)量的影響(增加或減少)及幅度有所差別。基于自助采樣法(bootstrap resampling)，Tao et al．(2008)對中國及各省的主要糧食作物與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了定量分析，指出氣候變化使我國水稻(1951—2002年)和大豆(1979—2002年)總產(chǎn)量趨勢分別增加了3.2×105和0.7×105t·(10 a)－1，而使小麥和玉米(1979—2002年)趨勢分別減少了1.2 ×105t·(10 a)－1和21.2 t·(10 a)－1。Joshi et al．(2011)分析了氣候變化對1987—2007年尼泊爾糧食產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性降水、最低和最高溫度對不同作物的影響存在較大的差異。采用面板數(shù)據(jù)(白仲林，2008)和計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，Isik and Devadoss(2006)定量分析了降水和氣溫變化對美國愛荷華州主要糧食作物單產(chǎn)及其波動(dòng)的影響，結(jié)果顯示降水增加和溫度升高會減小小麥、大麥、土豆和甜菜單產(chǎn)及其波動(dòng)。高永剛等(2007)利用世界糧食研究模型(World Food Studies，WOFOST)研究了近43 a來黑龍江氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，指出氣候變化的空間差異對各主要作物產(chǎn)量變化的空間分布具有重要影響，但不同作物的影響不同。曹廣平和陳永福(2012)通過建立引入氣候因素的種植業(yè)生產(chǎn)函數(shù)模型，實(shí)證分析了1990—2009年氣候因素和非氣候因素對山東省種植業(yè)產(chǎn)出的影響并對產(chǎn)出增長的各要素貢獻(xiàn)進(jìn)行了分解;結(jié)果表明氣候變暖將會對山東省種植業(yè)造成明顯的負(fù)面影響。以上工作分別從不同角度和不同方法上評估了氣候變化對不同作物產(chǎn)量的影響。但大多數(shù)研究往往只針對氣候變化對單一作物產(chǎn)量的影響，缺乏對糧食總產(chǎn)量的相關(guān)分析;且一般考慮整年或整個(gè)作物生長季的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，而忽略了不同時(shí)間尺度(如月尺度)的氣候變化影響，因此很難對糧食產(chǎn)量的影響做出系統(tǒng)而全面的評價(jià)。因此，綜合考慮不同時(shí)間尺度的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，可以更加系統(tǒng)地區(qū)分不同時(shí)間尺度的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，有利于較準(zhǔn)確地評價(jià)氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響。本研究依據(jù)江蘇省1986—2010年氣候(降水、最低和最高溫度、日較差和日照時(shí)數(shù))變化特征，擬利用自助采樣方法定量分析江蘇主要糧食產(chǎn)量對各氣候要素的響應(yīng)關(guān)系，并評價(jià)1986—2010年不同時(shí)間尺度的氣候變化對江蘇省主要糧食總產(chǎn)量變化的貢獻(xiàn)，以期為江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化的政策制定和江蘇農(nóng)業(yè)發(fā)展的科學(xué)規(guī)劃提供初步的決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇地處“江淮沂沭泗”五大江河下游的江淮平原，長江橫穿其南部，面積為1.03×105km2;地形以平原為主，主要有蘇南平原、蘇中江淮平原和蘇北黃淮平原，占全省面積70%以上。該研究區(qū)既屬東亞季風(fēng)區(qū)，又屬亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)，具有明顯的季風(fēng)氣候特征。一般說來，蘇北灌溉總渠(淮河)以南廣大地區(qū)屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，以北地區(qū)為南溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。春夏秋冬四季分明，年日照時(shí)數(shù)2 000～2 600 h，年均氣溫13～16℃，無霜期200～240 d，年均降雨量800～1 200 mm。由于光熱條件兼有南北之長，且降水比較豐富，適于喜溫和中溫作物的生長。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

圖1 江蘇省63個(gè)氣象站分布Fig．1 Distribution of 63 weather stations in Jiangsu Province

本文采用1985—2010年江蘇省70個(gè)氣象站逐日降水(mm)、最低溫度(℃)、最高溫度(℃)、溫度日較差(℃)以及日照時(shí)數(shù)(h)資料。逐日資料缺測的處理方法遵從年內(nèi)缺測時(shí)間均不大于15 d;年內(nèi)缺測時(shí)間超過15 d的站點(diǎn)予以剔除;連續(xù)缺測時(shí)間小于等于15 d的資料，用線性插值法替換缺測值;最后使用到的站點(diǎn)總計(jì)63個(gè)(圖1)。另外，考慮研究對象為糧食產(chǎn)量，其反映的為某一地區(qū)糧食生產(chǎn)的平均狀況;考慮到單個(gè)氣象站點(diǎn)無法準(zhǔn)確代表某一區(qū)域的氣候特征，本文基于ArcGIS 9.2平臺采用樣條函數(shù)(spline function)方法對逐月氣候要素進(jìn)行了空間插值處理，并獲得了江蘇省各市逐月氣候要素的時(shí)間序列。江蘇省糧食生產(chǎn)可以分為夏糧和秋糧;夏糧主要有小麥、大麥和蠶豌豆等作物，生長期主要在11月—次年5月;秋糧主要有水稻、玉米、大豆、綠豆和薯類作物，生長期主要在6—10月。為了找出與糧食產(chǎn)量有密切聯(lián)系的氣候要素，并準(zhǔn)確評價(jià)氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，本文對氣候要素做如下處理:分別計(jì)算11月—次年10月(一個(gè)作物年)、夏糧—秋糧生長季各氣候要素的平均或總和;進(jìn)而獲得三種時(shí)間尺度(作物年、夏糧—秋糧生長季和月尺度)的氣候要素。

根據(jù)江蘇省氣候、地理特點(diǎn)和行政區(qū)域劃分，一般把江蘇分為3個(gè)區(qū)，分別是蘇北、蘇中和蘇南地區(qū)。蘇北地區(qū)包括徐州、連云港、鹽城、宿遷和淮安;蘇中地區(qū)主要有揚(yáng)州、泰州和南通;蘇南地區(qū)則包括南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫和蘇州。研究期間(1986—2010年)13個(gè)地級市糧食產(chǎn)量主要取自《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《數(shù)據(jù)見證輝煌——江蘇60年》《江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì)50年》《江蘇農(nóng)村改革發(fā)展30年》和江蘇省各市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒;過去25 a間(1986—2010年)全省作物播種面積平均為5.64×106hm2，糧食總產(chǎn)量平均為 3.33×1010kg。

1.3 研究方法

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出是在各種自然和非自然因素綜合作用下形成的;而農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響因素主要分為社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素和氣候因素兩部分。為了研究糧食產(chǎn)量與氣候要素之間的關(guān)系，必須將社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)等人為因素的影響從實(shí)際產(chǎn)量中剔除，余下的糧食產(chǎn)量變化可以由氣候變化來解釋。鑒于作物育種、品質(zhì)、播種手段等田間管理水平不斷提高而引起產(chǎn)量大幅增長，為了消除這些非氣候要素引起的產(chǎn)量增長趨勢，眾多學(xué)者(Nicholls，1997;Vesselin and Gerrit，2001;Lobell and Asner，2003;Chen et al．，2004;Christopher and Navin，2005;Lobell et al．，2005;Lobell and Field，2007;Joshi et al．，2010;包云軒等，2012)采用去傾處理的方法(年際差)，就氣候變化對作物產(chǎn)量的影響開展了廣泛研究。本文以ΔYi(kg·hm－2)表示第i年糧食單產(chǎn)的年際差，即第i年與第i－1年糧食單產(chǎn)的差值;分別對不同時(shí)間尺度的氣候要素做相應(yīng)處理;新序列的時(shí)段為1987—2010年。

本研究擬采用Pearson相關(guān)分析確定1987—2010年糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度氣候要素年際差的相關(guān)關(guān)系，并找出與糧食單產(chǎn)呈顯著(p＞0.05)相關(guān)的氣候要素。利用一元線性回歸方程，可以獲得糧食單產(chǎn)對某一氣候要素的響應(yīng);另外，為了解決因樣本容量(n=24)有限帶來的不確定性，引入自助抽樣方法(Tao et al．，2008)，通過1 000次的反復(fù)抽樣獲得1 000組樣本(每組n=24)，并建立新的一元線性回歸方程，最后獲得糧食單產(chǎn)對該氣候要素響應(yīng)的范圍。

評估1986—2010年氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響，可采用下式:

其中:m表示由作物年、夏糧—秋糧生長季和月尺度的氣候要素年際差與糧食產(chǎn)量年際差所建立的模型，分別記為模型A、模型B和模型表示m模型計(jì)算的氣候變化引起的糧食產(chǎn)量變化;N為m模型中與糧食產(chǎn)量有顯著(p＞0.05)相關(guān)的氣候要素個(gè)數(shù);為m模型中糧食單產(chǎn)對第i個(gè)氣候要素的響應(yīng)，即一元回歸方程系數(shù)表示1986—2010年第i個(gè)氣候要素的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧食產(chǎn)量及氣候變化特征

表1為過去25 a蘇北、蘇中、蘇南(以下簡稱三區(qū))和江蘇省糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量和播種面積的多年平均及其標(biāo)準(zhǔn)差?？梢园l(fā)現(xiàn):三區(qū)糧食單產(chǎn)均在5 600 kg·hm－2以上，且由于水熱條件的差異，糧食單產(chǎn)表現(xiàn)為從南(蘇南)到北(蘇北)逐漸遞減的變化特征;而播種面積和總產(chǎn)量從南到北逐漸遞增，與江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間格局基本一致，蘇南地區(qū)對農(nóng)業(yè)的倚重較小，而蘇北和蘇中地區(qū)則相反。就全省平均而言，糧食單產(chǎn)、播種面積和總產(chǎn)量的25 a平均分別為 5 921.03 kg·hm－2、5.64 ×106hm2和3.33×1010kg。1986—2010年，在農(nóng)業(yè)管理措施和技術(shù)等的不斷發(fā)展以及氣候變化的共同作用下，三區(qū)和江蘇省糧食單產(chǎn)顯著(p＞0.01)增加(圖2)，其中，以蘇北地區(qū)增加最多(69.46 kg·hm－2·a－1);而江蘇省增加趨勢為66.89 kg·hm－2·a－1。

近年來，在全球變暖背景下，江蘇省氣候也發(fā)生了相應(yīng)的變化，圖3為1986—2010年三區(qū)和江蘇的不同時(shí)間尺度的主要?dú)夂蛞刈兓厔?。在作物年尺度上，過去25 a江蘇省降水略微增加，日較差和日照時(shí)數(shù)分別以 －0.02 ℃·a－1和 －6.25 h·a－1的速率顯著(p＞0.05)減小，而最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，分別為 0.07℃ ·a－1和0.06℃·a－1;蘇北降水略有增加，而蘇中和蘇南略減少;三區(qū)最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，其中以蘇中最低溫度和蘇南最高溫度最大，分別為0.08℃·a－1和0.07℃·a－1;蘇北和蘇中日較差、蘇北日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)減小。

表1 1986—2010年糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量和播種面積以及氣候要素的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of yield per hectare，total production and sown area of food-crops，and climatic factors from 1986 to 2010

圖2 1986—2010年蘇北、蘇中、蘇南和江蘇省的糧食單產(chǎn)變化Fig．2 Variations of food-crops yield per hectare in north，centeral and south Jiangsu，and Jiangsu from 1986 to 2010

在夏糧—秋糧生長季尺度上，夏糧生長季和秋糧生長季的江蘇降水分別呈微弱下降和上升趨勢，最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，秋糧生長季時(shí)日較差和日照時(shí)數(shù)均顯著(p＞0.01)減小，而夏糧生長季變化不大;就三區(qū)而言，夏糧(秋糧)生長季的降水在蘇北、蘇中和蘇南分別呈減小(增加)、減小(減小)和增加(減小)的趨勢;除蘇北的秋糧生長季最高溫度外，三區(qū)最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)升高，尤以蘇中最低溫度最明顯(0.09℃·a－1以上);蘇北和蘇中秋糧生長季日較差分別以 －0.05℃·a－1和 －0.03℃·a－1的速率顯著(p＞0.01)下降;夏糧和秋糧生長季的蘇北日照時(shí)數(shù)減小，且尤以秋糧生長季最為顯著(－9.88 h·a－1)，而蘇中和蘇南地區(qū)分別增加和減小。

在月尺度上，三區(qū)和江蘇的各氣候要素均發(fā)生了不同程度的變化。對于江蘇，除10月、11月、3月、5月和6月降水減少外，其他月份均增加，但并不顯著;各月最低溫度上升，其中2—10月顯著(p＞0.01);除12月外，最高溫度均升高，以3月、9月和10月顯著(p＞0.01);大部分月份(除3月、4月和6月)日較差減小，其中8—10月顯著(p＞0.05);1月、3月和4月日照時(shí)數(shù)略有增加，其他月份均減小，且9月顯著(p＞0.05)。對于三區(qū)，各月降水變化差異較大，但均不顯著，且以3月或6月減小最多，以1月、7月或8月增加最大;除蘇北1月最低溫度略降，各地均上升，且大部分顯著(p＞0.01)，其中9月或10月上升速率為0.10℃·a－1左右;蘇北和蘇中的1月、蘇南的1月和2月最高溫度略降，其他月份均升高，且以3月升高最為明顯，均在0.11℃·a－1以上;蘇北和蘇中多數(shù)月份的日較差下降，其中8—10月顯著(p＞0.05)，而蘇南3—7月略增，其他月份減小;除蘇北7—9月日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)下降，其他地區(qū)各月日照時(shí)數(shù)變化不明顯。

2.2 糧食產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系

為了找出各地區(qū)對糧食產(chǎn)量有顯著影響的氣候要素，利用Pearson相關(guān)分析，計(jì)算了各地區(qū)糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度的各氣候要素年際差的相關(guān)系數(shù)(圖4)。分析發(fā)現(xiàn):蘇北(圖4a)糧食單產(chǎn)與作物年和夏糧生長季的降水呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān)，與作物年的最高溫度、日較差、日照時(shí)數(shù)和秋糧生長季的最高溫度、日較差以及夏糧生長季的日較差存在顯著(p＞0.05)正相關(guān);蘇中(圖4b)糧食單產(chǎn)與作物年和夏糧生長季的降水呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān);蘇南(圖4c)糧食單產(chǎn)與夏糧生長季的降水呈顯著(p＞0.05)負(fù)相關(guān);就江蘇(圖4d)而言，作物年和夏糧生長季的降水與糧食單產(chǎn)呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān)，而與作物年的日較差呈顯著(p＞0.05)正相關(guān)。另外，從月尺度的氣候要素年際差與糧食單產(chǎn)年際差的相關(guān)系數(shù)來看，糧食單產(chǎn)與逐月氣候要素的相關(guān)關(guān)系與上述分析結(jié)果基本一致;但有趣的是，有的原本與糧食單產(chǎn)并不顯著的氣候要素，在月尺度上顯著(p＞0.05)相關(guān)，例如，蘇北1月最低溫度、蘇南3月以及9月最低和最高溫度、江蘇9月最高溫度。綜上所述，表2列出了與糧食單產(chǎn)年際差呈顯著相關(guān)的不同時(shí)間尺度的氣候要素。

圖3 1986—2010年蘇北、蘇中、蘇南和江蘇氣候要素在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢 a．降水;b．最低溫度;c．最高溫度;d．日較差;e．日照時(shí)數(shù)Fig．3 Trends of climatic factors on different time scales in north，centeral and sounth Jiangsu，and Jiangsu from 1986 to 2010 a．precipitation;b．minimum temperature;c．maximum temperature;d．diurnal temperature range;e．sunshine duration

根據(jù)表2給出的與糧食單產(chǎn)年際差呈顯著相關(guān)的不同時(shí)間尺度的氣候要素，采用一元回歸結(jié)合自助采樣的方法可以獲得糧食單產(chǎn)對單個(gè)氣候因子的響應(yīng)及其范圍(圖5)。就糧食單產(chǎn)對作物年氣候要素的響應(yīng)，除蘇南無明顯響應(yīng)外，蘇北、蘇中和江蘇均表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)關(guān)系，其中，與降水呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系(即隨降水增加而減小，減小而增大)，均值分別 為 － 0.19% · (10 mm)－1、－0.09%·(10 mm)－1和 －0.11% ·(10 mm)－1;隨時(shí)間變化，蘇北和江蘇糧食單產(chǎn)對日較差的正響應(yīng)關(guān)系不變(即隨日較差增加而增加，減小而減小)，均值分別為8.30%·℃－1和5.31%·℃－1;另外，在蘇北地區(qū)最高溫度和日照時(shí)數(shù)對糧食單產(chǎn)也存在顯著影響，分別為－1.07%·℃－1～10.70%·℃－1和 －0.02%·(10 h)－1～0.43%·(10 h)－1。糧食單產(chǎn)對夏糧—秋糧生長季氣候要素的響應(yīng)關(guān)系主要表現(xiàn)為:蘇北、蘇中、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)均與秋糧生長季降水呈正的響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間變化，均值分別為 －0.21%·(10 mm)－1、－0.13%·(10 mm)－1、－0.07%·(10 mm)－1和 －0.15% ·(10 mm)－1;另外，蘇北糧食單產(chǎn)基本表現(xiàn)為隨夏糧生長季最高溫度、日較差及秋糧生長季日較差的升高而增加，范圍分別為－0.50%·℃－1～8.84%·℃－1、－0.44%·℃－1～9.99%·℃－1和 －1.13%·℃－1～11.28%·℃－1。糧食單產(chǎn)對各月氣候要素的響應(yīng)為:1)蘇北，除3月外，糧食單產(chǎn)對2月、6月、7月和8月降水呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系，且對2月最敏感(對比均值)，為－1.33%·℃－1;除2月最高溫度，糧食單產(chǎn)對1月最低溫度、2月和8月日較差以及8月日照時(shí)數(shù)呈正響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間改變。2)蘇中，糧食單產(chǎn)對2—4月和7月降水均呈正的、不隨時(shí)間而變的響應(yīng)關(guān)系，且對2月最敏感(對比均值)，為 －0.66%·℃－1。3)蘇南，糧食單產(chǎn)對7月、9月和12月降水以及9月最低和最高溫度均呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系，而對3月最高溫度基本呈正響應(yīng)關(guān)系，范圍為0.20%·℃－1～1.81%·℃－1。4)江蘇，糧食單產(chǎn)對月降水(2月、3月和7月)和9月最高溫度的響應(yīng)依然表現(xiàn)為負(fù)響應(yīng)關(guān)系，而對2月日較差呈正的響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間而變化。

圖4 糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度的各氣候要素年際差的相關(guān)系數(shù) a．蘇北地區(qū);b．蘇中地區(qū);c．蘇南地區(qū);d．江蘇Fig．4 Correlation coefficients between the interannual difference of the food-crops yield per hectare and each climatic factor on different time scales a．north Jiangsu;b．centeral Jiangsu;c．sourth Jiangsu;d．Jiangsu

表2 與糧食單產(chǎn)呈顯著相關(guān)的氣候要素Table 2 Climatic factors significantly correlated with the interannual difference of the food-crops yield per hectare

2.3 評估1986—2010年氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響

由前述結(jié)果，利用方程(1)，本研究分別計(jì)算了各區(qū)和江蘇省1986—2010年氣候變化對糧食單產(chǎn)(表3)和總產(chǎn)(表4)變化的貢獻(xiàn)及其范圍?？傮w來看(對比平均值)，三類模型的估算結(jié)果均顯示氣候變化使得蘇北、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))減小，但結(jié)果略有差異，其中，模型C估算顯示氣候變化對糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))的影響最大，其均值分別為－6.51%·(10 a)－1(－11.28×108kg·(10 a)－1)、－3.27%·(10 a)－1(－2.36×108kg·(10 a)－1)和－1.34%·(10 a)－1(－4.45×108kg·(10 a)－1)。對于蘇中地區(qū)，模型A和模型B結(jié)果均說明該地區(qū)氣候變化有利于糧食的生產(chǎn)，分別使得糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))趨勢增加了0.09%·(10 a)－1(0.07×108kg·(10 a)－1)和 0.08% ·(10 a)－1(0.07 ×108kg·(10 a)－1);而模型C結(jié)果顯示氣候變化使得該地區(qū)糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))趨勢減小了0.26%·(10 a)－1(0.21×108kg·(10 a)－1)。不同月份同一氣候要素的相反(相同)變化情況，減弱(加劇)了該氣候要素對糧食生產(chǎn)的影響，這可能是模型結(jié)果存在差異(尤其是模型C與其他兩個(gè)模型)的原因。

圖5 蘇北(a)、蘇中(b)、蘇南(c)地區(qū)和江蘇全省(d)糧食單產(chǎn)變化對單一氣候要素變化的響應(yīng)(糧食單產(chǎn)對最低和最高溫度及日較差的響應(yīng):該要素變化1℃，糧食單產(chǎn)相對于1986—2010年平均的變化百分比，單位為%·℃－1;糧食單產(chǎn)對降水和日照時(shí)數(shù)的響應(yīng):該要素變化10 mm或10 h，糧食單產(chǎn)相對于1986—2010年平均的變化百分比，單位分別為%·(10 mm)－1和%·(10 h)－1;誤差線為5% ～95%分位數(shù)，通過自助采樣方法1 000次采樣獲得)Fig．5 Responses of food-crops yield per hectare to variation of one climatic factor in(a)north Jiangsu，(b)centeral Jiangsu，(c)south Jiangsu，and(d)Jiangsu(The responses of food-crops yield per hectare to minimum and maximum temperatures，and diurnal temperature range represent the change of food-crops yield per hectare against the mean from 1986 to 2010 when one of these factors varies at 1 ℃，with the unit of%·℃ －1．The responses of food-crops yield per hectare to precipitation and sunshine duration show the change of food-crops yield per hectare relative to the mean from 1986 to 2010 when precipitation and sunshine duration varies at 10 mm and 10 h，with the unit of%·(10 mm)－1and%·(10 h)－1，respectively．Error bars are between 5th and 95th percentile based on the bootstrap resampling of historical data with 1 000 replications)

表3 1986—2010年氣候變化引起的糧食單產(chǎn)變化(相對1986—2010年多年平均單產(chǎn))Table 3 Percentage variations of food-crops yield per hectare due to climate change from 1986 to 2010(relative to the mean foodcrops yield per hectare from 1986 to 2010)

另外，對比三區(qū)和江蘇省三類模型(除蘇中地區(qū)的模型A)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn):降水變化對糧食產(chǎn)量的影響均得到了體現(xiàn)，說明降水對這些地區(qū)的糧食生產(chǎn)是至關(guān)重要的;同時(shí)，值得注意的是，原本在模型A或模型B中未體現(xiàn)出來氣候因子，在模型C中得以展現(xiàn)，如:溫度、日較差及日照時(shí)數(shù)對蘇北地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響，溫度對蘇南地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響，最高溫度和日較差對江蘇省糧食產(chǎn)量影響;這些都說明月尺度的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響不容忽視;因此，為了系統(tǒng)全面地評價(jià)氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，考慮月尺度氣候變化的影響是十分必要的。

表4 1986—2010年氣候變化引起的糧食總產(chǎn)量變化(播種面積為1986—2010年平均)Table 4 Variations of total food-crops production caused by climate change from 1986 to 2010(the sown area of food-crops is averaged from 1986 to 2010)

3 結(jié)論與討論

結(jié)合1986—2010年江蘇省63個(gè)氣象站的逐日氣候資料，采用樣條函數(shù)方法獲得了蘇北、蘇中、蘇南和江蘇逐月的區(qū)域平均氣候要素，分析了各地區(qū)不同氣候要素在作物年(11月—次年10月)、夏糧—秋糧(11月—次年5月和6—10月)生長季以及月尺度上的變化趨勢;結(jié)合其同期糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量及播種面積，基于自助抽樣方法分析了各區(qū)和江蘇糧食產(chǎn)量對不同時(shí)間尺度氣候要素的響應(yīng);并定量評價(jià)了氣候變化對各區(qū)和江蘇糧食產(chǎn)量的影響及其貢獻(xiàn)，得到以下結(jié)論:

1)作物年尺度上，1986—2010年蘇北和江蘇省降水略增，而蘇中和蘇南略有減少;各區(qū)和江蘇省最低和最高溫度均顯著(p＞0.05)升高，而日較差和日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)下降。另外，在夏糧—秋糧生長季以及月尺度上，25 a間各氣候要素在各區(qū)和江蘇省均發(fā)生了不同程度的變化。而在農(nóng)業(yè)管理措施和技術(shù)的不斷進(jìn)步以及氣候的共同作用下，三區(qū)和江蘇省糧食單產(chǎn)顯著(p＞0.01)增加，其中，江蘇省增加趨勢為66.89 kg·hm－2·a－1。

2)基于一元回歸結(jié)合自助采樣方法，分析發(fā)現(xiàn):除蘇南地區(qū)糧食產(chǎn)量在作物年尺度上對氣候變化的響應(yīng)不顯著外，其他地區(qū)和江蘇省糧食產(chǎn)量均與不同時(shí)間尺度氣候要素呈顯著響應(yīng)關(guān)系。其中，各區(qū)及江蘇省糧食產(chǎn)量對三種時(shí)間尺度的降水基本表現(xiàn)為負(fù)的響應(yīng)關(guān)系(即隨降水的增加而減小，減小而增加)，且不隨時(shí)間而變化。作物年尺度上，蘇北、蘇中和江蘇省糧食單產(chǎn)隨降水的增加(減少)，將分別平均減小(增加)0.19%·(10 mm)－1、0.09%·(10 mm)－1和 0.11%·(10 mm)－1。

3)三類模型估算結(jié)果均顯示氣候變化使得蘇北、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))減小，但不同模型計(jì)算結(jié)果略有差異，其中，利用月氣候要素建立的模型C估算的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響最大，其均值分別為－6.51%·(10 a)－1(－11.28×108kg·(10 a)－1)、－3.27%·(10 a)－1(－2.36×108kg·(10 a)－1)和 －1.34%·(10 a)－1(－4.45×108kg·(10 a)－1)。除蘇中地區(qū)的模型A外，降水對各地區(qū)和江蘇省糧食產(chǎn)量的影響均得到了體現(xiàn)，說明降水對糧食生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。另外，原本在模型A或模型B中未出現(xiàn)的氣候因子，在模型C中得以體現(xiàn)，這說明月尺度的氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響不容忽視;因此，為了系統(tǒng)而全面地評估氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，考慮月尺度氣候變化的影響是十分必要的。

本文利用作物產(chǎn)量和相關(guān)氣候要素，基于自助采樣法評估了氣候變化對江蘇省糧食產(chǎn)量的影響，并獲得了相關(guān)結(jié)論。該方法雖然可以為較快速地評價(jià)氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響提供一個(gè)有效的手段，但依然存在一定的不足之處。作物產(chǎn)量對氣候因子的響應(yīng)規(guī)律十分復(fù)雜，各種氣候因子間及氣候因子對作物的作用都存在交互作用，最終收獲的作物產(chǎn)量是對氣候因子的綜合反映。例如，Sitch et al．(2003)和孫善磊等(2010b)在研究自然植被對氣候變化的響應(yīng)時(shí)，均指出氣候因子之間的相互作用對植被生長的影響甚是重要。因此，利用作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，忽略氣候因子間(如溫度和降水間等)的相互作用對作物產(chǎn)量的影響，勢必會對評估結(jié)果產(chǎn)生一定影響。此外，該方法無法揭示氣候因子影響作物的物理機(jī)制。綜上所述，在今后的工作中仍需利用相關(guān)作物生長模型或田間試驗(yàn)就氣候變化、各因子間的相互作用對作物產(chǎn)量的影響及其機(jī)制進(jìn)行有益的探討。

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