韓 敏,楊軻然,田 樂,尹昱達(dá),周 泓*

(1.玉溪市紅塔區(qū)氣象局,云南玉溪 653100;2.玉溪市氣象局,云南玉溪 653100)

我國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)之一,氣候變化對我國糧食安全影響不容忽視,糧食作為人類賴以生存的最基本物質(zhì),其安全問題受到了廣泛關(guān)注。我國農(nóng)業(yè)受全球氣候變化的影響利弊共存,一方面,氣候變暖增加熱量,種植面積擴(kuò)大,對增產(chǎn)是有利的,但另一方面,氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響也日益突出。IPCC發(fā)布的第六次評估報(bào)告第二工作組報(bào)告指出,極端天氣氣候事件的發(fā)生造成了一系列難以應(yīng)對的影響,這加劇了數(shù)百萬人的水和糧食危機(jī)[1-2]。玉溪作為滇中山地城市,是典型的“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”,氣候變化對糧食生產(chǎn)水平影響顯著。因此,研究該地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力和氣象要素的關(guān)聯(lián)性以及變化規(guī)律,確保區(qū)域經(jīng)濟(jì)資源以及自然資源利用朝著可持續(xù)方向發(fā)展。

氣候資源與環(huán)境資源一樣,其承載能力或容量是有限的,參考環(huán)境承載力提出“氣候-糧食-人口”框架來評估區(qū)域尺度面向糧食安全的氣候承載力的方法[3],分析氣候資源和人類社會需求之間的供求關(guān)系。大多數(shù)學(xué)者對各地區(qū)從不同角度及不同層面[4-6],并且借助Tharnthwaite-Memorial模型[7]、Miami模型[8]、AEZ模型[9]等方法來針對氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行計(jì)算。於俐等[10]較早提出了氣候承載力概念,盧燕宇等[11-12]基于氣候條件與人類活動的相互作用關(guān)系探討了氣候承載力的空間格局與關(guān)鍵影響因子,鄭開雄等[13]發(fā)展了基于DPSIR和狀態(tài)空間法的氣候承載空間模擬分析。關(guān)于糧食生產(chǎn)氣候承載力,盧燕宇等[14]從糧食生產(chǎn)與光溫水等氣候因子的關(guān)系出發(fā)分析了安徽省的氣候承載力,姬興杰等[9]研究了基于夏玉米和冬小麥2種主糧作物未來氣候變化下的氣候承載力,李蒙等[3]計(jì)算并分析云南氣候生產(chǎn)潛力和氣候承載力指數(shù)的變化特征。鑒于目前可供參考玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的資料較為稀少,關(guān)于玉溪地區(qū)氣象要素對氣候產(chǎn)生潛力方面帶來的影響相關(guān)研究資料十分匱乏。筆者將玉溪地區(qū)作為主要研究區(qū)域,分析該地區(qū)近60年以來氣候生產(chǎn)潛力變化,并基于糧食安全,對該地區(qū)氣候承載力和相對剩余率進(jìn)行計(jì)算,探索該地區(qū)氣候承載力的容量能否滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求,進(jìn)而為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和保障糧食的安全提供指導(dǎo)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源該研究選取玉溪市1961—2020年的逐日氣象資料,降水量、氣溫、風(fēng)速和相對濕度等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)均源自9個(gè)國家大監(jiān)站,數(shù)據(jù)連續(xù)性較好。人口數(shù)據(jù)來源于第七次全國人口普查,耕地面積來源于第三次全國國土調(diào)查。

1.2 研究方法

1.2.1光合生產(chǎn)潛力。光合生產(chǎn)潛力是只考慮太陽輻射條件所確定的土地生產(chǎn)潛力[15]。根據(jù)光合有效系數(shù)計(jì)算法[16],使用以下光合生產(chǎn)潛力計(jì)算模型:

(1)

式中:PQ為光合生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a)];C為能力轉(zhuǎn)換系數(shù),大多數(shù)作物均值為17.8 MJ/kg;F為光能利用率,玉溪地區(qū)糧食作物主要為水稻、玉米和小麥,該研究不分析個(gè)別作物,綜合考慮這3種禾谷作物,3種禾谷作物的光能利用率平均值為2%[17];E為經(jīng)濟(jì)系數(shù),禾谷作物的平均經(jīng)濟(jì)系數(shù)為0.4;Q為太陽輻射[MJ/(m2·a)]。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,分析昆明日射站的太陽輻射和天文輻射的關(guān)系,使用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),最終得出玉溪地區(qū)的太陽輻射計(jì)算公式[18]:

Q=Q0(0.175+0.52S1)

(2)

式中:S1是日照百分率(%),由日照時(shí)數(shù)計(jì)算;Q0是天文輻射[MJ/(m2·a)]。

1.2.2光溫生產(chǎn)潛力。按照溫度有效系數(shù)方法[16],選擇無霜期在全年所占的比值作為光溫生產(chǎn)潛力的系數(shù):

PP=ft×PQ

(3)

ft=n/365

(4)

式中:PP為光溫生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a)];ft為溫度有效系數(shù);n為無霜日(d)。

1.2.3氣候生產(chǎn)潛力。考慮水分對生產(chǎn)潛力的影響,按照水分有效系數(shù)訂正法[16],將降水與蒸發(fā)的比值作為氣候生產(chǎn)潛力的有效系數(shù):

PC=fw×PP

(5)

fw=R/ET

(6)

式中:PC為氣候生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a);fw為水分有效系數(shù);R為年降水量(mm);ET為年蒸散量(mm),由Penman-Monteith公式計(jì)算。

1.2.4氣候承載力和相對剩余率。氣候系統(tǒng)可為經(jīng)濟(jì)活動提供物質(zhì)條件,但其容納能力是有限度的,面向糧食安全的氣候承載力評價(jià),就是在一定的氣候條件下,不超出糧食生產(chǎn)潛力的限度,可支撐空間內(nèi)人口糧食需求的能力,通過定量和定性的評價(jià)確定承載力水平。氣候承載力的評價(jià)內(nèi)容包括氣候生產(chǎn)潛力和糧食消費(fèi)水平[9],計(jì)算公式如下:

氣候承載力=氣候生產(chǎn)潛力/人均糧食需求指標(biāo)

(7)

為評價(jià)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會活動與氣候承載力是否處于協(xié)調(diào)狀態(tài),還應(yīng)掌握該區(qū)域的剩余環(huán)境容量,提出相對剩余率,構(gòu)建氣候承載力的相對剩余率的量化,確定當(dāng)前氣候條件下所評價(jià)對象是否在承載范圍內(nèi),從而幫助人們采取相應(yīng)的控制措施。區(qū)域氣候承載力相對剩余率是一定區(qū)域范圍內(nèi)氣候承載力在保障糧食安全的狀態(tài)下糧食生產(chǎn)承載的人口數(shù)是否還有剩余空間[9,14]。從氣候承載力和實(shí)際人口數(shù)出發(fā),獲得該區(qū)域的相對剩余率計(jì)算公式:

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候生產(chǎn)潛力分析

2.1.1氣候生產(chǎn)潛力時(shí)間變化特征。1961—2020年玉溪地區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),最大值為1968年的21 401.9 kg/(hm2·a),最小值為2019年的10 880.4 kg/(hm2·a);1968年降水量超過1 100 mm,而2019年降水量不足700 mm,相應(yīng)的2019年出現(xiàn)較重的干旱災(zāi)害。從線性傾向率來看(圖1),近60年氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢,減少率為25.8 kg/(hm2·a),但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),說明近60年氣候生產(chǎn)潛力的減少趨勢是不顯著的。各縣的氣候生產(chǎn)潛力均為減少趨勢,減少趨勢最大的為峨山,減少率為73.2 kg/(hm2·a),通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn),減少趨勢明顯;通海、華寧和易門減少趨勢較小(表1)。從氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響來看,雖然1961—2020年溫度呈明顯上升趨勢(通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)),無霜期變長,輻射隨時(shí)間變化平緩,但降水量呈下降趨勢(沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)),并且降水量年際波動較大,導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力年代際波動較大(圖2)。1961—1970年氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢,增加速率為207.3 kg/(hm2·a);1971—1980年氣候生產(chǎn)潛力以740.4 kg/(hm2·a)的速率減少;1981—1990年氣候生產(chǎn)潛力減少,減少速率為190.1 kg/(hm2·a);1991—2000年氣候生產(chǎn)潛力增加,增加速率為401.6 kg/(hm2·a);2001—2010年氣候生產(chǎn)潛力以734.8 kg/(hm2·a)的速率減少;2011—2020年氣候生產(chǎn)潛力增加,增加速率為144.3 kg/(hm2·a);1971—1980和2001—2010年氣候生產(chǎn)潛力減少趨勢通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn),說明20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力減少趨勢明顯。

表1 玉溪地區(qū)各縣(區(qū))氣候生產(chǎn)潛力及其變化趨勢

圖1 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢Fig.1 Change trend of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

圖2 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化率Fig.2 Change rate of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.2氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗(yàn)。借助 Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的突變狀況進(jìn)行檢驗(yàn)分析,結(jié)果表明(圖3),近60年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢,但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),減少趨勢不明顯。出現(xiàn)多個(gè)時(shí)段的增加和減少趨勢,但這些增加和減少趨勢均沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),說明增加和減少趨勢均不顯著。研究時(shí)段內(nèi)UF和UB曲線出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn),且交叉點(diǎn)在臨界線之間,表明近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生多次突變。

圖3 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall mutation test of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.3氣候生產(chǎn)潛力空間分布。根據(jù)玉溪9個(gè)氣象站1961—2020年的逐年日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水量資料,計(jì)算玉溪地區(qū)光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出,玉溪地區(qū)日照資源豐富,其光合生產(chǎn)潛力較大,近60年光合生產(chǎn)潛力的平均值為25 265.9 kg/(hm2·a),年光合生產(chǎn)潛力北低南高;受輻射分布影響,玉溪南部輻射資源較好,相對的光合生產(chǎn)潛力較大,光合生產(chǎn)潛力為25 901.9～25 972.2 kg/(hm2·a);北部光合生產(chǎn)潛力相對較低,為24 650.1～24 675.5 kg/(hm2·a)。玉溪光溫生產(chǎn)潛力與光合生產(chǎn)潛力空間分布特征一致,南高北低,特別是南部河谷地區(qū),氣溫較高,光溫生產(chǎn)潛力的平均值為22 997.4 kg/(hm2·a),南部為24 818.5～25 933.7 kg/(hm2·a),北部為21 077.0～22 861.9 kg/(hm2·a)。光溫水生產(chǎn)潛力也稱為氣候生產(chǎn)潛力,玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力平均值為16 287.7 kg/(hm2·a),氣候生產(chǎn)潛力空間分布受降水變率影響,南部光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的高值區(qū)轉(zhuǎn)為氣候生產(chǎn)潛力的低值區(qū),為12 327.3 kg/(hm2·a),而中部和北部氣候生產(chǎn)潛力增加,為15 805.2～17 920.1 kg/(hm2·a)。可見玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布與地勢相符,地勢相對平坦的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較大;地勢起伏較大,特別是河谷與高山并存,海拔高差較大的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較小。

圖4 1961—2020年玉溪地區(qū)光合生產(chǎn)潛力(a)、光溫生產(chǎn)潛力(b)和氣候生產(chǎn)潛力(c)空間分布[單位:kg/(hm2·a)]Fig.4 Spatial distribution of photosynthetic production potential(a),light temperature production potential(b),and climate production potential(c)in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.4氣候生產(chǎn)潛力限制因素分析。對近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水量進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖5),年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力相關(guān)性系數(shù)分別為-0.346和-0.348(均達(dá)到0.01水平的顯著相關(guān)),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力之間的相關(guān)系數(shù)為0.979(達(dá)到0.01水平的顯著相關(guān)),表明近60年來玉溪地區(qū)年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力呈負(fù)相關(guān),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈正相關(guān),核心限制因素是年降水量。

圖5 玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年日照時(shí)數(shù)(a)、年平均氣溫(b)和年降水量(c)的相關(guān)性Fig.5 Correlation between climate production potential and annual sunshine hours(a),annual average temperature(b),and annual precipitation(c)in Yuxi region

2.2 氣候承載力和相對剩余率分析

2.2.1氣候承載力。參照聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)給出的參考意見,糧食安全線為年人均400 kg[13],陳玲玲等[19]根據(jù)我國糧食生產(chǎn)及消費(fèi)趨勢推算未來人口發(fā)展的年人均糧食需求量,將社會發(fā)展分為寬裕型、小康型和富裕型,相對應(yīng)的年人均糧食消費(fèi)分別為420、460和490 kg。就當(dāng)前云南年人均糧食消費(fèi)水平來看,2011—2020年云南糧食產(chǎn)量在全國糧食產(chǎn)銷平衡中居前列,所以將當(dāng)前玉溪年人均糧食消費(fèi)水平定為400 kg。

用玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力分別求算不同消費(fèi)水平下的氣候承載力,以玉溪地區(qū)當(dāng)前糧食消費(fèi)水平(年人均糧食消費(fèi)400 kg)來計(jì)算,可承載的人口總數(shù)量為817.7萬,寬裕型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為778.8萬,小康型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為711.0萬,富裕型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為667.5萬(圖6)。玉溪地區(qū)常住人口為224.9萬(第七次全國人口普查),低于玉溪地區(qū)不同糧食消費(fèi)水平下可承載的人口數(shù),因此,玉溪地區(qū)糧食生產(chǎn)能夠滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求。從空間分布層面(圖7)來看,由于各縣(區(qū))間地形的制約以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異,各縣(區(qū))間的承載力差異明顯,導(dǎo)致玉溪各縣(區(qū))呈現(xiàn)出明顯的差異性分布特點(diǎn)。新平、華寧、峨山耕地面積較大,并且這3個(gè)縣氣候生產(chǎn)潛力高,所以氣候承載力較其他縣(區(qū))偏高,以小康型社會消費(fèi)水平的氣候承載力來看,新平可承載175.2萬人,華寧可承載101.8萬人,峨山可承載91.9萬人。通海、江川、易門的氣候生產(chǎn)潛力為中等至較高水平,耕地面積也處于中等水平,所以這3個(gè)縣(區(qū))的氣候承載力處于中等水平,以小康型社會消費(fèi)水平的氣候承載力來看,江川可承載63.0萬人,通?？沙休d62.4萬人,易門可承載62.1萬人。元江耕地面積處于中等水平,但氣候生產(chǎn)潛力為全市最低,導(dǎo)致其氣候承載力較低,以小康型社會消費(fèi)水平的氣候承載力來看,元江可承載59.6萬人。澄江氣候生產(chǎn)潛力位于中等水平,但耕地面積較小,導(dǎo)致其氣候承載力低,以小康型社會消費(fèi)水平的氣候承載力來看,澄江可承載54.2萬人。紅塔的城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快,人口較其他縣(區(qū))密集,并且氣候生產(chǎn)潛力為較低水平,耕地面積全市最小,導(dǎo)致其氣候承載力最低,以小康型社會消費(fèi)水平的氣候承載力來看,紅塔可承載43.6萬人,當(dāng)前紅塔常住人口為58.9萬人,糧食生產(chǎn)不能夠滿足紅塔不同消費(fèi)水平的糧食需求,該地區(qū)糧食自給類型為依賴型。

圖6 玉溪地區(qū)不同糧食需求水平下氣候可承載的人口數(shù)Fig.6 Climate capable population under different grain demand levels in the Yuxi region

圖7 玉溪各縣不同糧食需求水平下氣候可承載人口數(shù)Fig.7 Climate capable population under different grain demand levels in Yuxi Counties

2.2.2相對剩余率。用玉溪?dú)夂蛏a(chǎn)潛力的平均值分別求出不同消費(fèi)水平下的相對剩余率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖8),現(xiàn)階段糧食消費(fèi)水平、寬裕型消費(fèi)水平、小康型消費(fèi)水平以及富裕型消費(fèi)水平下相對剩余率分別為263.5%、 246.2%、216.1%、196.7%。從小康水平下看玉溪各縣(區(qū))氣候承載力的相對剩余率分布(表3),除了紅塔的相對剩余率小于0以外,其他縣(區(qū))的相對剩余率均大于0,其中,新平和峨山在小康水平下的相對剩余率大于500%,可見玉溪地區(qū)各縣(區(qū))間的相對剩余率差別較大,但綜合相對剩余率均能表明氣候承載力的容量均大于實(shí)際人口數(shù)。因此,從基于糧食安全的氣候承載力和相對剩余率來看,玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力就保障本地的糧食安全而言有較大的潛力。

表3 玉溪地區(qū)各縣(區(qū))不同糧食需求水平下的相對剩余率

圖8 玉溪地區(qū)不同糧食需求水平下的相對剩余率Fig.8 Relative surplus rate under different levels of grain demand in Yuxi region

3 結(jié)論與討論

1961—2020年玉溪地區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),近60年氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢,但趨勢不顯著,其中,20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初氣候生產(chǎn)潛力減少顯著。玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布與地勢相符,地勢相對平坦的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較大;地勢起伏較大的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較小。對氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行突變檢驗(yàn)表明,近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生多次突變,但年際間的波動趨勢均沒有通過顯著性檢驗(yàn),上升和下降均不顯著。年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力呈負(fù)相關(guān),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈正相關(guān),說明玉溪地區(qū)光照和熱量對氣候生產(chǎn)潛力的限制沒有降水的限制效應(yīng)大,其核心限制因素是年降水量。

對玉溪地區(qū)糧食氣候承載力和相對剩余率進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,全市當(dāng)前人口數(shù)低于氣候承載力,糧食生產(chǎn)能夠滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求。但從空間分布層面來看,玉溪各縣(區(qū))呈現(xiàn)出明顯的差異性。因此需要優(yōu)化玉溪地區(qū)氣候承載力,加強(qiáng)對耕地地力的培育與改造,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,強(qiáng)化信息服務(wù)構(gòu)建水平以及進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)物質(zhì)投入力度,從而提高土地產(chǎn)出率。

承載力的計(jì)算不是簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算,存在著許多方面的問題,該研究僅從不同糧食消費(fèi)水平層面來針對氣候資源承載力進(jìn)行了分析,分析的切入點(diǎn)相對單一。 此外,關(guān)于氣候承載力方面除了包含氣候資源供給水平以外,也需要將氣候?yàn)?zāi)害對于糧食產(chǎn)量帶來的影響納入考慮范圍。因此,系統(tǒng)評估氣候承載力尚且需要進(jìn)一步的完善,尤其是定量化技術(shù)方法、氣候承載力評估框架以及拓寬應(yīng)用對象和應(yīng)用領(lǐng)域等方面依舊需要進(jìn)一步研究。