王琳佳，許永姿

(安徽省宿州市靈璧縣氣象局，安徽宿州 234200 )

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氣候變化對宿州市夏糧產(chǎn)量的影響

王琳佳，許永姿

(安徽省宿州市靈璧縣氣象局，安徽宿州 234200 )

[目的]研究氣候變化對宿州市夏糧產(chǎn)量的影響。[方法]利用1982～2014年宿州降水量、氣溫觀測資料和夏糧產(chǎn)量資料，采用M-K檢驗(yàn)、灰色關(guān)聯(lián)、GM(1，1)模型等方法，通過計(jì)算氣候產(chǎn)量來評估一定時間尺度上氣候變化對宿州夏糧生產(chǎn)的影響。[結(jié)果]1982～2014年宿州市夏季糧食生產(chǎn)時間段(6～9月)的氣溫處于持續(xù)上升的趨勢，并在1993年氣溫發(fā)生突變，在1996年以后顯著上升；夏糧生產(chǎn)期的降水則呈現(xiàn)波動上漲趨勢。通過相關(guān)分析，選取氣溫作為主要?dú)夂蛞蜃臃治鱿募Z氣候產(chǎn)量變化。近33 a來宿州市夏糧產(chǎn)量不斷增長，利用GM(1，1)模型計(jì)算期間趨勢產(chǎn)量，研究氣候因子對氣象產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，隨著夏糧單產(chǎn)的顯著增加，氣候變化給宿州夏糧生產(chǎn)帶來的損失也越來越大。[結(jié)論]該研究為宿州市夏糧生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

宿州；夏糧；氣候變化；GM(1，1)模型；氣候產(chǎn)量

根據(jù)IPCC第四次評估報告，全球地表氣溫在過去100 a上升了0.74 ℃，如果不采取措施，這一增長將繼續(xù)增加。盡管氣候變化是在一個較長時期內(nèi)發(fā)生的變化，但它從各方面影響著人類社會的生存和發(fā)展。由于氣候變化的復(fù)雜性、多樣性和全面性，氣候變化已逐漸成為21世紀(jì)最棘手的挑戰(zhàn)之一[1]。越來越多的學(xué)者表示必須盡快重視氣候變化帶來的影響，并做出應(yīng)對之策來減輕氣候變化帶來的影響。

農(nóng)業(yè)對氣候變化非常敏感，是受氣候變化影響最大的行業(yè)之一[2-3]；氣候始終是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要決定因子[4]，全球絕大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接受控于氣候要素和氣候系統(tǒng)[5-6]。宿州市位于安徽省東北部，東與江蘇淮安接壤，南依蚌埠，西與河南省商丘市、安徽淮北為鄰，北與山東省菏澤毗鄰，是典型的暖溫帶半濕潤氣候，年均降水量720.9 mm，年均氣溫15.3 ℃。宿州是我國重要商品糧生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)種植制度是一年兩熟，冬季主要糧食作物為冬小麥，夏季主要栽培夏玉米、夏大豆和夏甘薯。宿州自然條件適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展，但處于北亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，氣候資源兼有南北方之利弊，氣象災(zāi)害多發(fā)，糧食產(chǎn)量很不穩(wěn)定[7]。宿州夏糧栽種主要在6月中上旬～9月下旬，正處于宿州雨季，澇漬災(zāi)害頻發(fā)，特別是近些年來全球變暖大背景下極端天氣事件頻發(fā)，這對宿州糧食生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。該研究是在氣象要素存在趨勢性變化的前提下，通過計(jì)算氣候產(chǎn)量來評估一定時間尺度上氣候變化對宿州夏糧生產(chǎn)的影響。

1　資料與方法

1.1資料來源選用宿州、靈璧和泗縣1982～2014年降水量和氣溫資料，用其平均值代表夏糧主要產(chǎn)區(qū)氣候，夏糧產(chǎn)量資料利用宿州市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年限資料。

1.2分析方法由于糧食生產(chǎn)受到經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、技術(shù)條件等多方面的影響，研究氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響，必須直觀地體現(xiàn)氣候因子對糧食生產(chǎn)的影響，這就需要將氣候產(chǎn)量[8]分解出來。但氣候因子存在變化趨勢的影響，為了避免常規(guī)算法中氣候因子的趨勢影響，要選取氣候因子變化不存在明顯變化趨勢的時段作為基準(zhǔn)時段，這就需要對氣候變化趨勢進(jìn)行分析。由于氣候突變具有非線性性質(zhì)，較適宜使用M-K檢驗(yàn)，在此采用M-K檢驗(yàn)對宿州氣候變化趨勢進(jìn)行分析。同時氣候因子包括多種，但只有個別氣候因子會對糧食生產(chǎn)產(chǎn)生比較明顯的影響，為選取影響力較大的因子，在此采用灰色關(guān)聯(lián)進(jìn)行相關(guān)分析。

關(guān)于氣候產(chǎn)量的前期研究有很多[9-12]，大部分學(xué)者都是根據(jù)產(chǎn)量的波動來研究，認(rèn)為圍繞趨勢產(chǎn)量上下波動的就是氣候產(chǎn)量[13]。隨著時間的發(fā)展、研究的深入，有學(xué)者開始關(guān)注技術(shù)發(fā)展對糧食產(chǎn)量的影響，將糧食產(chǎn)量分為趨勢產(chǎn)量、社會波動產(chǎn)量和氣候產(chǎn)量[14]。但以往的研究中，很多研究忽略了氣象要素的趨勢變化，這樣得出的結(jié)果不能準(zhǔn)確反映出氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響，在此采用改進(jìn)的氣候產(chǎn)量計(jì)算方法，更好地分離氣候變化對夏糧的影響[15]。其計(jì)算公式為：

Y=Yt+Yw+e

(1)

式中，Y代表夏糧實(shí)際產(chǎn)量(t/hm2)；Yt代表趨勢產(chǎn)量(t/hm2)，該研究中Yt代表趨勢產(chǎn)量，采用灰色預(yù)測模型GM(1，1)模型進(jìn)行計(jì)算；Yw代表氣候產(chǎn)量(t/hm2)；e代表受隨機(jī)因素影響的單產(chǎn)產(chǎn)量，在實(shí)際計(jì)算中忽略不計(jì)。為了反映氣候因子變化對糧食產(chǎn)量變化的影響程度，引入氣候影響系數(shù)，該系數(shù)用來描述某一時期氣候因子對糧食單產(chǎn)的影響水平，表示為[16]：

(2)

帶入(1)式中可得

(3)

再通過公式(2)計(jì)算出氣候影響因子α，即氣溫影響的產(chǎn)量占趨勢產(chǎn)量的比例大小。通過計(jì)算可以看出歷年氣候影響因子序列α與相應(yīng)的氣候因子之間有明顯的熟練關(guān)系，用二次函數(shù)表示為：

α=ax2+bx+c

(4)

式中，x為氣候因子，a、b、c為系數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1夏糧區(qū)氣候變化

2.1.1氣溫變化。宿州夏糧栽種主要是6月中上旬～9月下旬，因此選取1982～2014年6～9月4個月氣溫求平均值，采用M-K突變法對宿州的夏糧區(qū)氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)。從圖1可以看出，1982～2014年宿州市夏糧生產(chǎn)的氣溫處于上升趨勢，在1993年氣溫發(fā)生突變，1996年以后，UF線超過臨界值1.96(顯著水平α=0.05)，表明宿州氣溫上升顯著。

2.1.2降水變化。從圖2可以看出，近33 a來宿州夏糧生產(chǎn)階段的年降水變化波動較大，UF線在2005年以前基本均處于零線之下，表明降水有所減少，特別是1987～1988年，UF線超過臨界值-1.96(顯著水平α=0.05)，表明降水顯著下降；從2005年以后降水增多，但沒有超過臨界值，表明降水增加并不顯著。UF和UB在臨界區(qū)域內(nèi)有多個交點(diǎn)，表明降水沒有發(fā)生突變。

2.2氣候因子對夏糧產(chǎn)量的影響

2.2.1選取基準(zhǔn)時段。從以上夏糧生產(chǎn)區(qū)氣溫和降水的分析可以看出，20世紀(jì)80～90年代宿州市氣候(氣溫、降水)變化均在氣候基準(zhǔn)時期，且通過對宿州市夏糧單產(chǎn)分析，產(chǎn)量變化平緩，未出現(xiàn)突變，基于以上考慮，選取1985～1995作為基準(zhǔn)時段。

2.2.2選取氣候影響因子。在基準(zhǔn)時間時段內(nèi)采用GM(1，1)模型計(jì)算趨勢產(chǎn)量，從圖3可以看出，1985～1995年宿州夏糧生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)量散點(diǎn)與趨勢線較為匹配(R2=0.800)，表明點(diǎn)線匹配效果較好，擬合優(yōu)度高，說明GM(1，1)模型適用于所研究對象。

圖3　1985～1995年宿州市夏糧單產(chǎn)GM(1，1)模型擬合分析Fig. 3　Fitting analysis of GM(1，1) model of summer grain unity yield in Suzhou City from 1985 to 1995

利用GM(1，1)模型計(jì)算1982～2014年宿州市趨勢產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，計(jì)算出的趨勢產(chǎn)量總體趨勢與實(shí)際產(chǎn)量相符(圖4)，個別年份兩者重合，而有些年份差距較大，這是氣候產(chǎn)量和隨機(jī)誤差造成的。計(jì)算出趨勢產(chǎn)量后再參考實(shí)際單產(chǎn)資料，根據(jù)公式(1)算出氣候產(chǎn)量(圖5)，再利用公式(2)計(jì)算出氣候影響因子α，即氣溫影響的產(chǎn)量占趨勢產(chǎn)量的比例大小。再帶入公式(4)，計(jì)算出二次函數(shù)，這里公式(4)中的氣候因子通過上文分析，選取夏糧生產(chǎn)階段的年均氣溫。

圖4　1982～2014年宿州市夏糧實(shí)際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量Fig. 4　Actual yield and trend yield of summer grain in Suzhou City from 1982 to 2014

圖5　1982～2014年宿州市夏糧氣候產(chǎn)量Fig. 5　Climate yield of summer grain in Suzhou City from 1982 to 2014

2.2.3氣候產(chǎn)量變化。從宿州市夏糧趨勢產(chǎn)量(圖4)可以看出，由于技術(shù)發(fā)展、品種改良和種植方式的改進(jìn)等，宿州市夏季糧食生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，實(shí)際單產(chǎn)呈現(xiàn)整體上升，而氣候產(chǎn)量與夏糧實(shí)際單產(chǎn)變化明顯不同，呈一個“U”形變化(圖5)，即兩頭高中間低，可見氣候產(chǎn)量呈現(xiàn)了一個先下降后上升的趨勢，在20世紀(jì)90年代中后期到21世紀(jì)初氣候產(chǎn)量達(dá)到一個低值，這是由于20世紀(jì)90年代中后期頻現(xiàn)重大氣象災(zāi)害，1996年出現(xiàn)大洪水、持續(xù)洪澇災(zāi)害，2000年出現(xiàn)嚴(yán)重的旱災(zāi)，總的來看，氣候產(chǎn)量呈現(xiàn)一個下降的趨勢。

圖6　1982～2014年宿州市夏糧氣候影響因子變化Fig. 6　Changes of climate influencing factor of summer grain in Suzhou City from 1982 to 2014

從圖6可以看出，氣溫影響夏糧產(chǎn)量的波動幅度較大，在2004年之前氣候影響因子為-30%～30%，1982～1988年氣候變化對夏糧的影響整體是正面的，1988～2003年氣候影響因子普遍為負(fù)數(shù)，說明氣候變化給夏糧生產(chǎn)帶來了負(fù)面影響，即減產(chǎn)。而2000年以后，影響因子呈現(xiàn)出先上升再下跌再上升，盡管略有波動，但整體均在零線之上，說明氣候影響因子整體帶來的影響從現(xiàn)階段來看是正面的。另一方面，隨著實(shí)際單產(chǎn)的增加，氣候影響因子對夏糧單產(chǎn)的影響越來越大，20世紀(jì)80年代夏糧單產(chǎn)僅在100萬t左右，如影響因子是-10%，則損失10萬t/hm2，而現(xiàn)階段夏糧單產(chǎn)可達(dá)200萬t左右，同樣的-10%的影響程度，損失則可達(dá)20萬t/hm2，是原來的1倍，說明氣候變化對夏糧生產(chǎn)影響越來愈大。3結(jié)論與討論

近33 a來宿州市夏季糧食生產(chǎn)時間段(6～9月)的氣溫處于持續(xù)上升的趨勢，并在1993年氣溫發(fā)生突變，在1996年以后顯著上升。夏糧生產(chǎn)期的降水先減少后增多，整體呈現(xiàn)略有上調(diào)的趨勢，通過對夏糧單產(chǎn)量和夏糧生產(chǎn)期的氣溫、降水的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，氣溫變化與夏糧產(chǎn)量關(guān)系密切，故選取夏糧生產(chǎn)期的氣溫作為主要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行分析。

該研究針對1982～2014年宿州市夏糧生產(chǎn)與氣候因子(氣溫)之間的響應(yīng)和相關(guān)分析得出，除了社會發(fā)展、品種改良、技術(shù)革新等變化給宿州市夏糧產(chǎn)量帶來增長，而氣候產(chǎn)量與夏糧實(shí)際單產(chǎn)變化明顯不同，由于遭受到極端天氣影響，氣候產(chǎn)量呈現(xiàn)了一個先下降后上升的趨勢。從總的來看，由于受氣候變化影響越來越大，氣候產(chǎn)量波動性在20世紀(jì)90年代中后期到21世紀(jì)初較大，隨后趨于平緩，但從整體看來氣候產(chǎn)量呈現(xiàn)一個下降的趨勢。同時氣溫造成夏糧產(chǎn)量波動幅度為-30%～30%，但隨著夏糧單產(chǎn)的顯著增加，氣候變化給宿州夏糧生產(chǎn)帶來的損失也越來越大。

該研究在計(jì)算氣候變化對夏糧產(chǎn)量影響時，采取了沒有突變的時間段作為基準(zhǔn)時段，更多地考慮了影響夏糧產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞亍獨(dú)鉁?。但單純研究氣溫對夏糧氣候產(chǎn)量的影響還是存在一定片面性，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)算法，綜合考慮多種氣象要素對夏糧產(chǎn)量的影響，以期更科學(xué)地得出氣候變化對宿州糧食生產(chǎn)的影響。

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The Impact of Climate Change on Summer Grain Yield of Suzhou City

WANG Lin-jia, XU Yong-zi

(Lingbi Meteorological Bureau, Suzhou, Anhui 234200)

[Objective] To research the effects of climate change on summer grain yield of Suzhou City. [Method] We adopted the precipitation, temperature observation data and summer grain yield of Suzhou City from 1982 to 2014. M-K test, grey correlation, GM(1, 1) model were used to calculate the effects climate yield, so that the impacts of climate change in certain time scale on summer grain yield of Suzhou City was evaluated. [Result] Temperature of summer grain production period (June-September) was in a rising trend in Suzhou City from 1982 to 2014. Temperature changed suddenly in 1993, and then enhanced significantly after 1996. Precipitation in summer grain production period showed increasing trend with fluctuation. Correlation analysis showed that temperature was selected as the major climate factors to analyze the climate yield change of summer grain. In the past 33 years, summer grain yield kept increasing. Yield trend in this period was calculated by GM (1, 1) model. Research on the impacts of climate factor on meteorological yield showed that with the significant increase of unit yield of summer grain, climate change brought more and more loss for the summer grain production of Suzhou City. [Conclusion] This research provides theoretical foundation for the summer grain production of Suzhou City.

Suzhou; Summer grain; Climate change; GM (1, 1) model; Climate yield

安徽省2015年碩博人才基金項(xiàng)目(RC201519)。

王琳佳(1989-)，女，江蘇南京人，助理工程師，從事氣候變化與公共氣象、農(nóng)業(yè)氣象研究。

2016-04-13

S 162

A

0517-6611(2016)18-175-03