劉 昌, 張紅日, 趙相偉, 李明杰

(山東科技大學, 山東 青島 266590)

在全球氣候變暖的背景下，山東省氣候產(chǎn)生了顯著的變化，同時氣溫、降水和日照時數(shù)的時空格局分布也隨之變化。農(nóng)業(yè)作為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對氣候的變化具有很強的敏感性，氣候變化對作物的生長和產(chǎn)量都將產(chǎn)生較大的影響[1]。IPCC第五次研究報告指出，未來平均氣溫還會持續(xù)升高，強降雨的強度和密度都將會上漲[2]，這也引起了國內(nèi)外眾多專家學者的關(guān)注。這不僅影響到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，還關(guān)系到國家糧食生產(chǎn)和糧食安全。

近些年，關(guān)于氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究有很多，Paul等[3]運用開頂式氣室(OTC)方法驗證了觀測試驗法在研究氣候變化對農(nóng)作物影響中的可行性。Easterling等[4]在EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型中加入CO2對作物光合作用和蒸散作用的影響，探討美國MINK (Missouri-Iowa-Nebraska-Kansas)氣候變化對地區(qū)作物影響。王馥棠[5]利用3 種大氣環(huán)流模式預測未來氣候情境下，農(nóng)作物減產(chǎn)的主要原因是大氣中二氧化碳濃度倍增時，氣溫升高、農(nóng)作物發(fā)育速度加快以及生育期縮短。Murat Isik等[6]采用隨機生產(chǎn)函數(shù)的計量經(jīng)濟模型，利用生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)及其彈性的估計來分析預測的氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響，結(jié)果表明，氣候變化對平均作物產(chǎn)量的影響不大，但會大大減少大部分作物的方差和協(xié)方差，這些結(jié)果影響到作物之間的農(nóng)業(yè)用地分配和作物生產(chǎn)組合。黃維等[7]利用已有的氣象和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，揭示氣候因子對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，得出在一定幅度內(nèi)氣溫升高和降水量增加對中國農(nóng)作物產(chǎn)量具有正效應。張潔等[8]在研究河西走廊中部30 a來的氣候變化特征及其對主要農(nóng)作物生育期和產(chǎn)量的影響時發(fā)現(xiàn)，氣溫、降水等氣候因子均不用程度影響春小麥、玉米的生育期及產(chǎn)量，且地域性差異明顯。以往的研究多集中在較大區(qū)域上的定性研究上，作物模型法本身具有一定的局限性，而采用歷史觀測資料統(tǒng)計分析法研究較大區(qū)域的氣候變化情況又無法真實反映省份的氣候變化情況，很難明確省級行政單元氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，為確保糧食安全提出具有針對性的建議。

山東省地處我國東部沿海，屬溫帶季風性氣候，降水集中，雨熱同期，光照資源充足，熱量條件能夠滿足農(nóng)作物一年兩作的需要，且全年無霜期較長，是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，冬小麥—夏玉米是其主要復種方式[9]。作為我國的一個產(chǎn)糧大省，研究山東省氣候變化對冬小麥夏玉米產(chǎn)量的影響具有重要意義。故本文基于現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)，采用線性回歸、非線性回歸及敏感性分析等方法定量研究山東省氣候變化及其對冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的影響，以期為山東省冬小麥—夏玉米種植模式的管理調(diào)整、種植結(jié)構(gòu)的合理布局以及應對氣候變化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需氣象數(shù)據(jù)包括研究區(qū)內(nèi)34個國家基準氣象站(圖1)1983—2015年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)的月值數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺提供。1983—2015年山東省冬小麥、夏玉米的產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《山東統(tǒng)計年鑒》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖1 氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 小波分析 氣候變化過程通常表現(xiàn)為一種周期性波動，其變化造成的損壞也隨之波動[10]。具有時—頻多分辨功能的小波分析(Wavelet Analysis)能夠更好的揭示時間序列問題。Morlet小波函數(shù)的一般形式見公式(1) 。

φ(t)=eicte-t2/2

(1)

式中：c為常數(shù)。選擇好合適的基小波函數(shù)后，通過小波變換獲得小波系數(shù)，利用Surfer軟件繪制小波系數(shù)等值線圖。

1.2.2 HP濾波法分離氣候產(chǎn)量 HP 濾波法是一種狀態(tài)空間中分解時間序列的方法，其假設(shè)產(chǎn)出是由長期趨勢分量和短期波動分量兩部分組成[11]。從時間變化角度來看，農(nóng)作物產(chǎn)量可以分為長時間尺度的平穩(wěn)變化分量和短時間尺度偏離時間變化的顯著波動分量。因此農(nóng)作物的產(chǎn)量y可分解為趨勢產(chǎn)量yt、氣候產(chǎn)量yw和隨機產(chǎn)量Δy，即：

y=yt+yw+Δy

(2)

由于Δy為隨機噪音，對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響無規(guī)律可循，不能用某種固定的函數(shù)來定量估計并列入模型，故忽略不計。因此認為農(nóng)作物產(chǎn)量由趨勢產(chǎn)量(yt)和氣候產(chǎn)量(yw)兩部分組成，即：

y=yt+yw

(3)

因此，可以采用HP 濾波法將其分離。

1.2.3 Lobell多元非線性回歸模型 Lobell多元非線性回歸模型考慮了氣溫、降水量、日照時數(shù)、技術(shù)進步以及政策等因子，其中技術(shù)進步所帶來的產(chǎn)量增加的趨勢以年份的線性趨勢和二次趨勢來代替。Lobell多元非線性回歸模型如下：

lnY=c+d1t+d2t2+β1T+β2P+β3S+ε

(4)

式中：Y是農(nóng)作物的單產(chǎn)；c為固定效應；d是時間趨勢效應；β是自變量參數(shù)；T表示生長期內(nèi)平均氣溫；P表示生長期內(nèi)降水量；S表示生長期內(nèi)日照時數(shù)；ε為誤差項。

2 結(jié)果與分析

2.1 1983-2015年山東省氣候變化

通過對山東省年平均氣溫趨勢分析(圖2A)發(fā)現(xiàn)。1983—2015年山東省年平均氣溫最低出現(xiàn)在1985年為11.76℃，最高出現(xiàn)在2007年為13.79℃，相差達2.03℃。山東省年平均氣溫以較快速度增長，氣候傾向率為0.33℃/10 a。

從山東省降水量變化曲線(圖2B)可以看出，全省降水量在448.52～981.77 mm波動，但總體趨勢是增加的，氣候傾向率達到19.4 mm/10 a。其中，降水最少的一年是出現(xiàn)在2002年，為448.52 mm，降水最豐沛的一年是出現(xiàn)在1990年，為981.77 mm。

圖2C是山東省近33 a日照時數(shù)變化曲線圖，日照時數(shù)最多和最少分別出現(xiàn)在1997年和2007年，分別為2 745.07 h和2 187.46 h。通過線性傾向估計分析得出，山東省日照時數(shù)呈較快速度減少，氣候傾向率為-99.5 h/10 a。

2.2 氣候變化的多時間尺度分析

2.2.1 年平均氣溫的多時間尺度分析 圖3A為1983—2015年山東省年平均氣溫的小波系數(shù)實部等值線圖，其中橫坐標為年份，縱坐標為時間尺度。圖中實線表示正相位，即實部大于0，氣溫處于升高階段；虛線表示負相位，即實部小于0，氣溫正在降低階段，等值線間隔為0.1。近33 a來，山東省的氣溫變化的周期振蕩較為明顯，主要存在4～8 a，10～16 a的變化周期。其中10～16 a的周期振蕩最明顯，振蕩強度最強，為第一主周期；4～8 a為第二主周期。若以小波系數(shù)實部的零值點來劃分冷暖階段，山東省近33 a平均氣溫在10～16 a尺度上大致經(jīng)歷了四次由冷轉(zhuǎn)暖再由暖轉(zhuǎn)冷的過程。

圖2 1983-2015年山東省年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)逐年變化過程

從圖3A中還可以推斷出未來山東省氣溫的演變趨勢，可以看出，除去邊界外，小波系數(shù)實部的正負中心幾乎是成對出現(xiàn)，并且周期大致相同(10～16 a尺度上約為7.5 a)。因此，目前的暖期在一定時間內(nèi)還將持續(xù)發(fā)展下去。

2.2.2 年平均降水量的多時間尺度分析 通過對1983—2015年山東省降水量的小波系數(shù)實部等值線圖(圖3B)分析，可以看出，山東省近33 a降水量主要存在4～5 a，6～8 a，10～13 a，13～16 a的振蕩周期。由小波方差圖可以辨別出13～16 a振蕩在各個階段是最明顯的，是第一主周期，其次是6～8 a，為第二主周期，4～5 a是第三主周期，10～13 a是第四主周期。山東省降水量近33 a在13～16 a尺度上大致經(jīng)歷了升降交替的準三次振蕩，且在整個研究時段內(nèi)表現(xiàn)非常穩(wěn)定，具有全域性。因此從圖3B中推斷未來山東省降水量在經(jīng)歷短暫的增加之后將轉(zhuǎn)入減少的階段。

圖3 1983-2015年山東省年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)小波系數(shù)實部等值線

2.2.3 年平均日照時數(shù)的多時間尺度分析 由1983—2015年山東省日照時數(shù)的小波系數(shù)實部等值線圖(圖3C)可以得出：這33 a山東省年平均日照時數(shù)主要存在3～4 a，6～8 a，9～12 a的變化周期。其中9～12 a尺度的周期振蕩最明顯，振蕩強度最強；3～4 a尺度上的振蕩周期主要存在于2000年以前；6～8 a尺度上的振蕩周期在整個研究身段內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定，且具有全域性。根據(jù)振蕩強度最強的9～12 a尺度上小波系數(shù)實部振蕩情況可以推測，山東省在未來一段時間內(nèi)日照時數(shù)還將繼續(xù)減少。

2.3 冬小麥、夏玉米產(chǎn)量變化分析

通過HP濾波法得到冬小麥和夏玉米的氣候產(chǎn)量，通過其變化分析(圖4)發(fā)現(xiàn)，冬小麥、夏玉米的單產(chǎn)在2005年之前波動較大，而2005年之后產(chǎn)量比較穩(wěn)定。冬小麥單產(chǎn)自1983—1997年一直保持較快速度增長；1997—2002年遭遇較大減產(chǎn)，2002年相比1997年減產(chǎn)997 kg/hm2；2002—2015年又恢復增產(chǎn)態(tài)勢，2015年冬小麥單產(chǎn)達到最高值6 176 kg/hm2。相對于冬小麥，夏玉米在2005年之前單產(chǎn)波動更大，單產(chǎn)呈現(xiàn)波動增長的趨勢，其中1997年減產(chǎn)嚴重，相比1996年，減產(chǎn)達1 499 kg/hm2；2005—2015年玉米單產(chǎn)呈現(xiàn)平穩(wěn)增產(chǎn)的態(tài)勢。冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)同樣在2005年之前波動較大，2002年周年單產(chǎn)相比前一年減少1 029 kg/hm2,2005年之后平穩(wěn)增長。

圖4 冬小麥-夏玉米單產(chǎn)、趨勢產(chǎn)量以及氣候產(chǎn)量年際變化

通過分析還可以看出，冬小麥、夏玉米以及周年單產(chǎn)的趨勢產(chǎn)量都呈現(xiàn)上升趨勢，與實際產(chǎn)量總體變化趨勢相似，這是各種自然和社會因素綜合作用的結(jié)果，其中社會因素占主導地位。冬小麥、夏玉米的氣候產(chǎn)量波動較大，振蕩幅度也非常明顯，這主要是受其生長期內(nèi)各氣候因素影響。山東省近33 a小麥氣候產(chǎn)量在-578.62～547.31 kg/hm2之間波動變化，特別是2005年之前波動較大。夏玉米氣候產(chǎn)量變化同樣在2005年之前波動較大，在-1 309.27～536.98 kg/hm2之間波動變化。冬小麥—夏玉米周年氣候產(chǎn)量在-1 241.12～635.55 kg/hm2之間波動變化，最小值出現(xiàn)在2002年。冬小麥、夏玉米以及冬小麥—夏玉米氣候產(chǎn)量在2005年之后都呈現(xiàn)振幅較小的波動下降。

圖5是冬小麥、夏玉米的氣候產(chǎn)量及其生長期內(nèi)氣候因子的年際變化圖。從圖5A得知，冬小麥氣候產(chǎn)量波動與其生長期內(nèi)平均氣溫、降水量、日照時數(shù)波動趨勢都基本相同。平均氣溫、降水量的增加有利于小麥增產(chǎn)，日照時數(shù)的減少導致光照不足，不利于小麥進行光合作用，影響抽穗結(jié)實，不利于小麥的增產(chǎn)。

圖5 冬小麥-夏玉米氣候產(chǎn)量及其生長期內(nèi)氣候因子年際變化

從圖5B得知，夏玉米氣候產(chǎn)量變化與其生長期內(nèi)平均氣溫變化趨勢大致相同，但步調(diào)不一致，與生長期內(nèi)降水量變化趨勢相同，與日照時數(shù)變化趨勢相反。夏玉米的生長需水較多，只有滿足它對水分的要求才能獲得高產(chǎn)。夏玉米是短日照植物，在短日照條件下可以正常開花結(jié)實，太陽光中的光譜成分對夏玉米影響較大，據(jù)研究白天以藍色等短波光為主，玉米發(fā)育較慢，而早晨和傍晚以紅色等長波光為主玉米發(fā)育較快。

圖5C是冬小麥—夏玉米周年氣候產(chǎn)量與氣候因子年際變化的響應。氣候產(chǎn)量波動僅與降水量波動趨勢一致。不論是冬小麥還是夏玉米生長期內(nèi)降水量增加都有利于作物增產(chǎn)，而生長期內(nèi)平均氣溫增加有利于冬小麥增產(chǎn)，卻導致夏玉米減產(chǎn)，日照時數(shù)對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量影響同樣如此。因此，平均氣溫和日照時數(shù)對冬小麥—夏玉米周年氣候產(chǎn)量的影響并不明顯。

2.4 冬小麥、夏玉米對氣候變化的敏感性分析

農(nóng)作物產(chǎn)量受多種因素影響，本研究利用Lobell多元非線性回歸模型對山東省冬小麥、夏玉米單產(chǎn)及周年單產(chǎn)對氣溫、降水量和日照時數(shù)的敏感性進行分析，氣溫每升高1℃、降水每增加100 mm、日照時數(shù)每增加100 h，冬小麥—夏玉米產(chǎn)量變化結(jié)果如圖6所示。

平均氣溫升高對冬小麥、夏玉米單產(chǎn)的影響明顯不同。冬小麥單產(chǎn)對平均氣溫升高表現(xiàn)為正響應，平均氣溫每升高1℃，小麥增產(chǎn)2.2%；最高氣溫和最低氣溫的升高對冬小麥的單產(chǎn)表示為負影響，但影響程度不大。夏玉米單產(chǎn)對平均氣溫和最低氣溫的升高表現(xiàn)為負響應，平均氣溫每升高1℃，減產(chǎn)1.83%，最低氣溫每升高1℃，減產(chǎn)2.69%，最高氣溫的升高對夏玉米單產(chǎn)的影響是正向的，每升高1℃增產(chǎn)2.8%。平均氣溫升高對山東省冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)僅有小幅促進作用，這主要是由于小麥增產(chǎn)和玉米減產(chǎn)相抵消。相比氣溫，降水量的增加對于冬小麥、夏玉米的增產(chǎn)效果較為明顯。降水量每增加100 mm，冬小麥增產(chǎn)達5.76%，夏玉米增產(chǎn)達3.36%，但是對山東省冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)的增產(chǎn)效果僅為1.16%。日照時數(shù)每增加100 h，冬小麥單產(chǎn)增加3.33%，而夏玉米單產(chǎn)對日照時數(shù)增加表現(xiàn)為負響應，日照時數(shù)每增加100 h，夏玉米減產(chǎn)3.36%。日照時數(shù)增加會山東省冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)有小幅減產(chǎn)，但影響并不明顯，這同樣是由小麥增產(chǎn)和玉米減產(chǎn)相抵消造成。

圖6 山東省冬小麥—夏玉米對氣溫(+1℃)、降水量(+100 mm)和日照時數(shù)(+100 h)的敏感性分析

3 結(jié) 論

(1) 1983—2015年山東省年平均氣溫、降水量呈上升趨勢，但日照時數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢。其中年平均氣溫以0.33 ℃/10 a的速度上升，降水量的10 a變化率為19.4 mm，日照時數(shù)以99.5 h/10 a 的速度減少。

(2) 氣候變化的多時間尺度分析顯示，年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)都存在多時間尺度變化特征。1983—2015年山東省年平均氣溫主要存在4～8 a，10～16 a的變化周期，其中在10～16 a尺度上大致經(jīng)歷了4次由冷轉(zhuǎn)暖再由暖轉(zhuǎn)冷的過程，目前正處于暖期，這一趨勢仍將持續(xù)發(fā)展。降水量主要存在4～5 a，6～8 a，10～13 a，13～16 a的振蕩周期，13～16 a振蕩在各個階段是最明顯的，是第一主周期。日照時數(shù)主要存在3～4 a，6～8 a，9～12 a的變化周期，在9～12 a尺度上顯示日照時數(shù)減少的趨勢將持續(xù)發(fā)展。

(3) 通過對產(chǎn)量變化分析發(fā)現(xiàn)，1983—2015年山東省冬小麥、夏玉米單產(chǎn)及冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)呈明顯的上升趨勢，但氣候產(chǎn)量波動較大，呈波動下降的趨勢，這主要是受生長期內(nèi)氣候因子的影響。

(4) 敏感性分析顯示，平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的增加對冬小麥單產(chǎn)都有促進作用，其中降水量的增加對冬小麥的增產(chǎn)影響最顯著，降水量每增加100 mm，冬小麥增產(chǎn)5.76%。夏玉米對平均氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)的增加表現(xiàn)為負響應，而最高氣溫和降水量的增加均有利于夏玉米增產(chǎn)。冬小麥—夏玉米周年單產(chǎn)對最高氣溫、最低氣溫的響應表現(xiàn)為負效應，降水量的增加能夠小幅提升周年單產(chǎn)。

全球氣候變化以變暖為主要特征已得到各界學者的公認。山東省是中國氣候變化的敏感區(qū)之一，農(nóng)業(yè)氣候資源也發(fā)生顯著變化。

通過分析，3個氣象因子對于冬小麥都存在正向相關(guān)性。因此在冬小麥成長期內(nèi)，要保證水資源的及時供給，避免因干旱而造成的減產(chǎn)。并且在全球變暖的背景下，氣溫的升高以及日照時數(shù)的增加對冬小麥都有正向的影響，起到增產(chǎn)的作用。而夏玉米對于降水和最高氣溫的敏感性較強?？梢娝畬τ谵r(nóng)作物的重要性，這也就啟發(fā)我們要加強水資源的保護及其利用，要加強基礎(chǔ)灌溉設(shè)施的建設(shè)，進一步對接國家高標準農(nóng)田建設(shè)的政策，實現(xiàn)旱能灌、澇能排，有效改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，爭取得到國家資金的支持，保證基本農(nóng)田水利建設(shè)。

但是文章仍有不足之處，本文只研究了冬小麥、夏玉米整個生長期內(nèi)的氣候變化，對于其具體生育階段的氣候變化沒有過多研究。另外氣候變化導致的極端天氣增加，災害性事件頻率和強度增加對農(nóng)作物的影響也極為突出，這都是今后研究的重點方向。只有深刻認識氣候變化特征，才能不斷提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應氣候變化，抵御氣候災害的能力，保障國家糧食安全。