陳遠(yuǎn)翔

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034)

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洱源縣農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性分析

陳遠(yuǎn)翔

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034)

摘要：以洱源縣為試點(diǎn)，采用農(nóng)作物產(chǎn)量分解方法和氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法，定量分析農(nóng)作物產(chǎn)量受歷史氣候變化影響的程度。分析結(jié)果顯示：1952—2012年，洱源縣溫度生產(chǎn)潛力呈上升趨勢(shì)，降水生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)；氣候生產(chǎn)潛力與研究時(shí)段年均溫度相關(guān)系數(shù)為-0.11，與年均降水量相關(guān)系數(shù)為0.96，表明降水量是決定洱源縣氣候生產(chǎn)潛力的主導(dǎo)因子。研究表明，近60a來洱源縣農(nóng)作物產(chǎn)量受氣候變化影響的程度正不斷上升，以負(fù)面影響為主。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物產(chǎn)量；氣候變化；敏感性分析；氣候生產(chǎn)潛力；洱源縣

0引言

氣候變化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展已產(chǎn)生了重要影響，近50年來中國(guó)平均地表溫度升高了1.1℃，增溫速率達(dá)0.22℃/10a，高溫、干旱、強(qiáng)降水等極端氣候事件屢有發(fā)生，且頻率不斷加大。氣候變化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以負(fù)面影響為主，如冷害、霜凍、干旱、洪澇、冰雹等，加之因氣候條件改變引起的病蟲害等的危害范圍、時(shí)間、程度的改變，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了明顯影響，且影響范圍和程度正不斷加強(qiáng)[1]。

近年來云南省農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害不斷加劇加頻，其中2010年受旱災(zāi)影響最為嚴(yán)重，全省農(nóng)作物因旱受災(zāi)面積達(dá)2.84×106hm2，成災(zāi)面積達(dá)1.85×106hm2，絕收面積達(dá)8.81×105hm2[2]。隨著氣候變暖的事實(shí)日益明顯，干旱、洪澇等災(zāi)害的頻次和強(qiáng)度將有可能增加，從而進(jìn)一步加劇氣候變化對(duì)云南省農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響。洱源縣是高原湖泊洱海的發(fā)源地，同時(shí)也是國(guó)家級(jí)生態(tài)文明試點(diǎn)縣和大理州的農(nóng)業(yè)大縣，通過對(duì)洱源縣開展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域氣候變化影響評(píng)估分析，對(duì)因氣候變化引起的農(nóng)作物產(chǎn)量變化進(jìn)行定量分析，能夠?yàn)槿h開展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化工作、研究提供依據(jù)。

1研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1研究方法

采用農(nóng)作物產(chǎn)量分解方法和氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法，定量分析洱源縣農(nóng)作物產(chǎn)量受歷史氣候變化影響的程度。

1.1.1農(nóng)作物產(chǎn)量分解

影響農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素以農(nóng)業(yè)技術(shù)措施、氣象條件為主，此外還包括了一些隨機(jī)影響因素，對(duì)應(yīng)可將農(nóng)作物的實(shí)際產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量、氣候產(chǎn)量和隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)量，其中隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)量因所占比例很小可不作考慮[3]。即：

Y=E+C

式中：Y為實(shí)際產(chǎn)量，E為趨勢(shì)產(chǎn)量，C為氣候產(chǎn)量。由于上式分離出的氣候產(chǎn)量C存在較大的波動(dòng)性，因此，對(duì)其采取相對(duì)化處理[4]，即：

C′=(Y-E)/E×100%

式中：Y為實(shí)際產(chǎn)量，E為趨勢(shì)產(chǎn)量，C′為相對(duì)氣象產(chǎn)量。

采用5a直線滑動(dòng)平移法對(duì)洱源縣農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行分解，其具體計(jì)算過程如下：

首先以1952年為起始年，向后5a，即以1952——1956年作為第一時(shí)間段，利用一元回歸或二元回歸擬合該時(shí)間段內(nèi)的直線模型：

Yi=ai+bit

1952—1989年，共計(jì)得到34個(gè)線性方程。

然后計(jì)算每個(gè)方程在某一年度的擬合值，多數(shù)年度有5個(gè)擬合值，其中1986—1989年分別有4、3、2、1個(gè)值。

第三，求算各年度5個(gè)擬合值的平均值：

yc=y-ye

農(nóng)作物產(chǎn)量的分解在本文中主要用于去除其趨勢(shì)產(chǎn)量，以便于展開氣象因子對(duì)產(chǎn)量定量分析的研究。

1.1.2氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算

Miami模型：利用年平均溫度和年平均降水量作為環(huán)境變量，用最小二乘法分別建立生產(chǎn)潛力與兩個(gè)變量之間的定量表達(dá)式[5]：

Pt=3000/(1+e1.315-0.119t)

Pr=3000/(1-e-0.000664r)

式中：t為年平均溫度(℃)，r為年降水量(mm)，e=2.7183，Pt、Pr分別為由年平均溫度、年降水量決定的生產(chǎn)潛力(kg/(hm2·a))。

ThornthwaiteMemorial模型：以實(shí)際蒸散量為變量計(jì)算生產(chǎn)潛力：

Pe=3000(1-e-0.0009695(V-20))

V=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2

L=300+2.5T+0.05T3

式中：R為年平均降水量(mm)，V為年平均最大蒸散量(mm)，L是年平均溫度T的函數(shù)，Pe為由蒸散量決定的生產(chǎn)潛力(kg·/(hm2·a)[6]。

1.2數(shù)據(jù)來源

洱源縣1958 —2012年氣象數(shù)據(jù)均來自于洱源縣氣象站，1952—1989年小春糧豆和大春糧豆的播種面積、總產(chǎn)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來自《洱源縣志》。

2討論與分析

2.1氣候變化對(duì)洱源縣糧食作物產(chǎn)量的影響

農(nóng)作物產(chǎn)量隨時(shí)間變化可分為呈某種趨勢(shì)的緩慢變化和偏離該趨勢(shì)的波動(dòng)。前者稱為趨勢(shì)產(chǎn)量，主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)等反映社會(huì)生產(chǎn)力水平的因素影響，后者稱為波動(dòng)產(chǎn)量，主要受糧食產(chǎn)量形成過程中的不穩(wěn)定因素影響。氣候條件作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一，其年際間的變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響較為顯著。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)氣候條件的變化有著較高的敏感性。影響農(nóng)作物產(chǎn)量的各種不穩(wěn)定因素中，氣候要素在年際間的變化率最大，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)且不可控制。波動(dòng)產(chǎn)量主要反映的是氣候條件對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，因此波動(dòng)產(chǎn)量也可稱作氣候產(chǎn)量，其變化情況反映的是農(nóng)作物產(chǎn)量因氣候變化引起的年際間的變異程度。

根據(jù)洱源縣1952—1989年小春糧豆和大春糧豆的播種面積、總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出小春糧豆和大春糧豆平均單產(chǎn)，從中分離出趨勢(shì)產(chǎn)量，如圖1。利用一元回歸方程對(duì)大春糧豆和小春糧豆進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可見一元二次的回歸結(jié)果對(duì)大春、小春糧豆趨勢(shì)產(chǎn)量的擬合效果更好，這也與潘曉磊[7]對(duì)玉米產(chǎn)量分離的分析結(jié)果相同，相應(yīng)的擬合方程為：

Yt1=3.2093T2-90.35T+2796.9

Yt2=0.5904T2-0.0068T+1365.6

式中：Yt1、Yt2分別代表大春糧豆和小春糧豆的趨勢(shì)產(chǎn)量，T代表年代序列，其中R12=0.6917，R22=0.6540。

大春糧豆趨勢(shì)產(chǎn)量的擬合公式表明，洱源縣大春糧豆在1952— 1989年的產(chǎn)量存在先降后升的趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)小春糧豆趨勢(shì)產(chǎn)量的擬合結(jié)果，1952 —1989年小春糧豆趨勢(shì)產(chǎn)量呈加速趨勢(shì)，產(chǎn)量的拐點(diǎn)出現(xiàn)在1952年之前，這反映了洱源縣小春糧豆歷史生產(chǎn)的產(chǎn)量較低、相對(duì)地也說明其增產(chǎn)潛力較大。

利用趨勢(shì)產(chǎn)量的分離結(jié)果，可分離出大春糧豆和小春糧豆的氣候產(chǎn)量，同時(shí)采用公式，可得到逐年兩者的相對(duì)氣象產(chǎn)量，如圖2。當(dāng)氣象條件有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)氣候增產(chǎn)時(shí)，相對(duì)氣象產(chǎn)量為正值；當(dāng)氣象條件不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，出現(xiàn)氣候減產(chǎn)，相對(duì)氣象產(chǎn)量為負(fù)值。大春糧豆的相對(duì)氣象產(chǎn)量正負(fù)變化頻繁，38a間出現(xiàn)了16個(gè)氣候減產(chǎn)年和22個(gè)氣候增產(chǎn)年，上下波動(dòng)程度較為平均，其中正值最大年份出現(xiàn)在1958年，達(dá)到9.3%，負(fù)值最小年份出現(xiàn)在1977年，達(dá)到 -13.12%。小春糧豆的相對(duì)氣象產(chǎn)量也出現(xiàn)正負(fù)變化交替出現(xiàn)的情況，38a間也出現(xiàn)了16個(gè)氣候減產(chǎn)年和22個(gè)氣候增產(chǎn)年，但上下波動(dòng)程度先小后大，從20世紀(jì)80年代開始波動(dòng)幅度明顯變大，其中正值最大年份出現(xiàn)在1985年，達(dá)到14.22%，負(fù)值最小年份出現(xiàn)在1986年，達(dá)到 -20.97%。

2.2農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力分析

氣候生產(chǎn)潛力是由光、溫、水共同決定的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，是一個(gè)地區(qū)在最佳自然環(huán)境及農(nóng)業(yè)管理?xiàng)l件下的農(nóng)作物產(chǎn)量上限，一般表示為單位時(shí)間、單位面積土地產(chǎn)生和積累的綠色植物數(shù)量[8]。氣候生產(chǎn)潛力是凈第一性生產(chǎn)力的一個(gè)方面，其理論意義和實(shí)踐意義都是比較突出的，通過Miami模型和Thornthsaite Memorial模型，可計(jì)算由年平均溫度、年平均降水量決定的生產(chǎn)潛力及由蒸散量決定的氣候生產(chǎn)潛力，并可對(duì)氣候變化與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析。

2.2.1溫度生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力特征

對(duì)洱源縣1958 — 2012年的溫度生產(chǎn)潛力(Yt)與降水生產(chǎn)潛力(Yr)平均狀況進(jìn)行分析，如圖3。近55a間，溫度生產(chǎn)潛力呈上升趨勢(shì)(Yt= 1.7246x+ 1728.1)，而降水生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)(Yr= -1.8632x+ 1195.6)。通過累計(jì)距平分析發(fā)現(xiàn)，如圖4，Yt在20世紀(jì)60—90年代初偏低，傾向系數(shù)為 -0.043，在此期間大多數(shù)年份為負(fù)距平值，90年代初至今Yt呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，傾向系數(shù)為0.023，這一階段實(shí)質(zhì)上是對(duì)氣候變化的積極響應(yīng)；Yr在55a間出現(xiàn)了“升—降—升—降”的情況，具體表現(xiàn)為20世紀(jì)60—70年代中呈上升趨勢(shì)(傾向系數(shù)為0.011)，70—80年代末呈下降趨勢(shì)(傾向系數(shù)為 -0.011)，90年代初—90年代末呈上升趨勢(shì)(傾向系數(shù)為0.017)，2000年之后呈下降趨勢(shì)(傾向系數(shù)為 -0.010)。

2.2.2氣候生產(chǎn)潛力特征

根據(jù)Thornthsaite Memorial模型對(duì)洱源縣1958 — 2012年的氣候生產(chǎn)潛力(Ye)進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。55a間平均氣候生產(chǎn)潛力為1192.80kg/hm2·a，從累計(jì)距平分析來看，Ye也出現(xiàn)了“升—降—升—降”的變化情況，具體表現(xiàn)為，20世紀(jì)60—70年代中呈上升趨勢(shì)(傾向系數(shù)為0.018)，70年代中—80年代末呈下降趨勢(shì)(傾向系數(shù)為 -0.022)，90年代初—90年代末呈上升趨勢(shì)(傾向系數(shù)為0.023)，2000年之后呈下降趨勢(shì)(傾向系數(shù)為 -0.020)。將氣候生產(chǎn)潛力分別與年均溫度和年均降水量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，其與研究時(shí)段年均溫度相關(guān)系數(shù)為 -0.11，與年均降水量相關(guān)系數(shù)為0.96，因此可說明在近55a間，降水量是決定洱源縣氣候生產(chǎn)潛力的主導(dǎo)因子。

2.3農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性分析

農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)氣候條件波動(dòng)響應(yīng)的敏感性指數(shù)可定義為氣候產(chǎn)量(△C)與氣候生產(chǎn)潛力變化(△P)的比值，它反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，由于氣候要素決定的農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)于氣候條件波動(dòng)響應(yīng)的敏感程度。比值越大，表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)氣候條件波動(dòng)的反應(yīng)越敏感，反之則不敏感。結(jié)合上述2.1和2.2中對(duì)洱源縣氣候產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算結(jié)果，求出氣候敏感性指數(shù)，如表1?？紤]到數(shù)量級(jí)的差異，先對(duì)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于本文主要分析氣候因素對(duì)作物產(chǎn)量的影響，不考慮人類活動(dòng)的影響，因此用△C和△P取絕對(duì)值后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值求比值[9]。

從表1可知，20世紀(jì)60—80年代，大春、小春糧豆敏感性指數(shù)基本都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但兩者在30多年中的變化趨勢(shì)又各有不同。大春糧豆產(chǎn)量受氣候影響最明顯的時(shí)期出現(xiàn)在70年代，而小春作物則是在80年代，造成這一差異的原因除不同作物類型對(duì)氣候的響應(yīng)程度不同以外，也與氣溫、降水等氣象因素存在季節(jié)性差異有關(guān)?？傮w來說，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候資源波動(dòng)響應(yīng)敏感的地區(qū)主要分布于一些邊緣地帶，由于這些邊緣地帶的降水、溫度、光照等的年際變化率往往很大，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量的波動(dòng)性較強(qiáng)。在中國(guó)主要以西南季風(fēng)與東南季風(fēng)的交界地帶、中部季風(fēng)區(qū)、亞熱帶的沿海地區(qū)、溫帶與寒溫帶交界的東北北部地區(qū)這4個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候變化的影響較為明顯，洱源縣并不屬于這4個(gè)區(qū)域，因此洱源縣糧食作物生產(chǎn)受氣候變化影響較小。但隨著時(shí)間推移，洱源縣糧食作物產(chǎn)量對(duì)于氣候資源波動(dòng)響應(yīng)的敏感性正不斷增強(qiáng)。

表1　洱源縣糧食作物產(chǎn)量對(duì)氣候變化的敏感性指數(shù)

3結(jié)論

從相對(duì)氣象產(chǎn)量來看，洱源縣大春糧豆的相對(duì)氣象產(chǎn)量正負(fù)變化較為頻繁；小春糧豆的相對(duì)氣象產(chǎn)量也出現(xiàn)正負(fù)變化交替出現(xiàn)的情況，但上下波動(dòng)程度先小后大，從20世紀(jì)80年代開始波動(dòng)幅度明顯變大。

從氣候生產(chǎn)潛力來看，洱源縣溫度生產(chǎn)潛力呈上升趨勢(shì)，而降水生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)。其中，溫度生產(chǎn)潛力呈先減后增的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初，而降水生產(chǎn)潛力在55a間出現(xiàn)了“升—降—升—降”的情況。對(duì)氣候生產(chǎn)潛力與年均溫度和年均降水量分別進(jìn)行相關(guān)性分析可知，其與研究時(shí)段年均溫度相關(guān)系數(shù)為-0.11，與年均降水量相關(guān)系數(shù)為0.96，因此可說明在近55a間，降水量是決定洱源縣氣候生產(chǎn)潛力的主導(dǎo)因子。

從敏感性指數(shù)來看，洱源縣大春、小春糧豆敏感性指數(shù)基本都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但兩者在30多a中的變化趨勢(shì)又各有不同。大春糧豆產(chǎn)量受氣候影響最明顯的時(shí)期出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，而小春作物則是在80年代。造成這一差異的原因除不同作物類型對(duì)氣候的響應(yīng)程度不同以外，也與氣溫、降水等氣象因素存在季節(jié)性差異有關(guān)。

總體而言，在氣候變化情景下，研究作物產(chǎn)量變化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。洱源縣農(nóng)作物產(chǎn)量受氣候變化影響程度正不斷上升，隨著全球氣候變暖趨勢(shì)加劇，洱源縣農(nóng)業(yè)發(fā)展受氣候變化負(fù)面影響也將進(jìn)一步顯現(xiàn)。應(yīng)積極著手開展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化相關(guān)研究和工作。從農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)來看，需要積極發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，建立和恢復(fù)良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

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Analysis of Sensitivity of Crop Yields to Climate Change Function in Eryuan County

CHEN Yuan-xiang

(Yunnan Institute of Environmental Science，Kunming Yunnan 650034,China)

Abstract：In order to examone the impacts of historical climate change on agricultural production in different areas of Yunnan, Eryuan county, as the study area, was selected to quantify the impacs using crop yield decomposition method and climatic potential productivity calculation method．The results indicated that the temperature potential productivity showed a trend of escalation in Eryuan from 1952 to 2012, and the rainfall potential productivity was tending to decline. The correlation coefficient between climatic potential productivity and annual temperature was -0.11. The correlation coefficient between climatic potential productivity and average annual precipitation was 0.96, which indicated that precipitation was the driving factor influencing climatic potential productivity in Eryuan．It also showed that the crop yields have tend to be influenced by climate change more easily than before in an adverse way in Eryuan over the past 60 years．

Key words：crop yields;climate change;sensitivity analysis;climate potential productivity;Eryuan county

收稿日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目，云南省適應(yīng)氣候變化行動(dòng)與政策研究。

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2016)02-0016-05