孫雪萍，蘇　筠

(1.中國科學院地理科學與資源研究所， 北京 100101； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3. 北京師范大學地理學與遙感科學學院， 北京 100875)

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降水約束條件下的糧食生產(chǎn)適應度評價
——以內(nèi)蒙古烏蘭察布市為例

孫雪萍1，2，3，蘇筠3

(1.中國科學院地理科學與資源研究所， 北京 100101； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3. 北京師范大學地理學與遙感科學學院， 北京 100875)

摘要：基于年際間降水波動性與糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，提出了糧食生產(chǎn)適應度評價的概念模型，并建立評價標準，將糧食生產(chǎn)適應度分為1～4級。以位于北方干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的內(nèi)蒙古烏蘭察布市為例，選取烏蘭察布市1959—2009年逐年糧食產(chǎn)量、播種面積數(shù)據(jù)，逐年逐日氣溫、降水量數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學統(tǒng)計分析揭示了區(qū)域糧食生產(chǎn)適應水平的變化趨勢。氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，該區(qū)域降水在波動中有小幅降低，近30年年平均降水量比20世紀60年代減少約30 mm；同期氣溫升高約3.1℃，區(qū)域整體暖干旱化趨勢明顯。糧食生產(chǎn)狀況統(tǒng)計結(jié)果顯示：這一時段內(nèi)糧食單產(chǎn)上升趨勢明顯、氣象產(chǎn)量波動較大?；谶m應度評價模型，該區(qū)糧食生產(chǎn)適應水平大致經(jīng)歷了由4級降至1級、至1995年后又升至3級的高→低→高的變化過程。在區(qū)域氣候條件變化和技術(shù)經(jīng)濟進步的情況下，人們通過不斷調(diào)整適應措施來應對變化，其間，適應水平呈現(xiàn)高低不同的變化。

關(guān)鍵詞：降水波動性；糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性；適應度;氣候暖干旱化

隨著全球氣候變化及其引發(fā)的極端天氣和氣候事件日益增多，“減緩”已不足以消除氣候變化的不利影響，“適應與減緩”一并成為應對氣候變化的兩個重要措施[1]。IPCC第三次報告[2]中曾指出，氣候變化的影響程度及危害大小由適應和減緩措施共同決定；2007年IPCC第四次工作報告[3]將氣候變化適應性列為其主要研究內(nèi)容之一；此外，世界氣象組織會議(WMO)[4]、巴厘島會議[5]、第二屆全球減災平臺大會、第四屆亞洲部長級減災大會等諸多重要會議中均提出并強調(diào)了“適應”在區(qū)域及全球防災、減災中的重要作用[6-8]。由此可見，在自然災害風險研究領(lǐng)域，繼脆弱性與恢復性研究之后，適應性研究也逐漸成為研究的前沿和熱點科學問題。

在全球氣候變暖大背景下，極端天氣事件尤其是干旱半干旱區(qū)的干旱災害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了很大的威脅，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)也成為適應性研究的重點或優(yōu)先領(lǐng)域。中國北方農(nóng)牧交錯帶是種植業(yè)與畜牧業(yè)的過渡地區(qū)，地處東南季風邊緣，受氣候波動和全球增暖的影響，其農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的氣候條件尤其是降水條件處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，極易形成農(nóng)業(yè)氣象災害[9-10]。干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)水溫條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制作用，使得農(nóng)業(yè)旱災風險較大；在與干旱長期為伴的自然環(huán)境中，適應干旱日漸成為應對干旱的最優(yōu)方案。因此研究該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)旱災適應性戰(zhàn)略，對于制定區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展政策、保護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及國家生態(tài)安全具有重要意義[11]。

當前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)災害或突發(fā)極端事件的適應，大部分都是停留在定性研究上，對適應水平的定量評價欠缺。比如，通過調(diào)查問卷的形式，歸納總結(jié)主要的適應措施，如種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等[12-13]；還有相關(guān)研究通過一些農(nóng)諺來定性探究農(nóng)業(yè)旱災適應措施[14]。在該區(qū)，張建松等[15]從調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、增加非農(nóng)收入、農(nóng)牧交錯的生產(chǎn)方式、生態(tài)建設(shè)以及設(shè)施農(nóng)業(yè)五個方面，對農(nóng)牧交錯帶的農(nóng)業(yè)旱災適應措施進行了深入剖析，提出了三種農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)旱災適應模式：“因地制宜”的空間適應模式，“減輕風險”的時間適應模式；“風險共擔”的社會適應模式。此外，考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應能力、適應水平隨著區(qū)域氣候條件及經(jīng)濟技術(shù)水平的發(fā)展不斷改變，因而適應性的研究應該是動態(tài)的、過程性的，當下適應現(xiàn)狀的研究多是靜態(tài)的，動態(tài)適應性的研究較少。

基于此，本文提出一個基于降水波動性與糧食產(chǎn)量波動性的量化的糧食生產(chǎn)適應度評價模型，并以內(nèi)蒙古烏蘭察布市為例，研究了該區(qū)近50年的糧食生產(chǎn)適應度水平的動態(tài)變化情況。

1降水約束條件下的糧食生產(chǎn)適應度評價模型

1.1降水波動性與糧食生產(chǎn)波動性

降水是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是我國干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的重要制約因子，降水量的多少、降水的年際波動都會影響到區(qū)域糧食生產(chǎn)。降水距平百分率是一個常用的表征降水波動性的指標，見下式：

(1)

糧食生產(chǎn)波動性是表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定水平的重要指標。現(xiàn)今已有學者從氣候、社會經(jīng)濟等不同的角度通過相關(guān)性、回歸分析等統(tǒng)計方法，分析了某一氣候條件，如水熱因子或農(nóng)業(yè)自然災害，如旱澇等對糧食產(chǎn)量變化的影響[16-17]，并以此評價糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性。糧食生產(chǎn)受自然和社會因素共同影響，基于此有研究將糧食產(chǎn)量進一步分解為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，進而通過構(gòu)建評估模型實現(xiàn)了對區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災害糧食損失率的定量化計算和分析[18]。糧食趨勢產(chǎn)量的計算方法主要有直線滑動法[16]、多項式(二、三、四次)逼近擬合法[19-21]等，其中利用多項式逼近擬合糧食趨勢產(chǎn)量的方法較為常用，多項式階數(shù)可由研究區(qū)范圍和模擬效果確定，一般區(qū)域為縣、地區(qū)級時，二次多項式即可滿足要求，如果區(qū)域單位為省或更大級別時，可取三或四次多項式進行擬合。

根據(jù)通常使用的糧食產(chǎn)量預測模型[20]，將作物實際產(chǎn)量分解為糧食趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，即：

Y=Yt+Yw

(2)

式中，Y為糧食實際產(chǎn)量；Yt為趨勢產(chǎn)量；Yw為氣象產(chǎn)量。

利用二次多項式逼近擬合趨勢產(chǎn)量，進而求得氣象產(chǎn)量。氣象產(chǎn)量反映了氣候條件對產(chǎn)量的影響，可以用來衡量糧食生產(chǎn)系統(tǒng)因災損失量。

由糧食生產(chǎn)氣象產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量的比值Yi表征糧食生產(chǎn)氣象條件(這里主要是降水)的影響程度，在趨勢產(chǎn)量不斷增加的情況下，這一數(shù)值亦可以說明在降水作為主導影響因子的前提下，糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性。計算公式為：

Yi=Yw/Yt

(3)

1.2糧食生產(chǎn)適應度評價模型

受單位降水變化影響的糧食產(chǎn)量變化情況可在一定程度上反映降水波動對糧食產(chǎn)量的影響，亦即糧食生產(chǎn)對降水的適應水平。由此，以單位降水變化下的糧食產(chǎn)量波動為依據(jù)，構(gòu)建基于降水約束條件下的糧食生產(chǎn)適應度評價的概念模型(見圖1)。

圖1適應度評價概念模型

Fig.1The conceptual model for evaluation of adaptability

由圖1可以看出，糧食產(chǎn)量波動與降水波動趨勢一致即二者比值為1時，認為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；以此為劃分依據(jù)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的旱災適應能力劃分為強、中、弱三個等級。若降水波動為負、糧食產(chǎn)量波動為正值時，即圖1中第二象限，系統(tǒng)為優(yōu)化狀態(tài)，具有趨利避害的適應能力，且能力較強；若降水波動與糧食產(chǎn)量波動變化趨勢一致即同正同負時，系統(tǒng)為正常狀態(tài)，其中根據(jù)降水波動對糧食產(chǎn)量波動的作用程度，可將適應能力分為中等偏上與中等偏下；若降水波動為正，而糧食產(chǎn)量波動為負值時，系統(tǒng)功能退化，適應能力弱。

為了更好地評價適應水平及效果，利用糧食產(chǎn)量波動值與降水波動值(見公式1、公式3)構(gòu)建基于降水約束的糧食生產(chǎn)適應度指數(shù)Gi，計算公式為：

Gi=Yi/Si

(4)

式中，Yi為第i年糧食單產(chǎn)波動值；Si為第i年降水波動值。

結(jié)合圖1，將系統(tǒng)適應度指數(shù)按弱、中下、中上、強劃分為1～4級，劃分標準如表1。

降水與糧食產(chǎn)量是反映旱災對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的最直接的兩個指標。選取降水波動性及糧食產(chǎn)量穩(wěn)定性為參數(shù)，構(gòu)建適應度評價模型，可直觀且科學地反映降水約束條件下的糧食生產(chǎn)適應度水平。此外，與部分評估模型相比，該模型較簡單易操作，且模型所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為區(qū)域降水及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，較易獲取。

2內(nèi)蒙烏蘭察布市研究實例

2.1區(qū)域降水波動及暖干化趨向

本文研究區(qū)為旱災頻次較高的內(nèi)蒙古中部地區(qū)的烏蘭察布市，這一地區(qū)是農(nóng)牧交錯帶上典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。烏蘭察布市地處中緯度內(nèi)陸地區(qū)，屬中溫帶大陸性季風氣候，其主要氣候特點是日照充足，降雨量少，多風干燥，無霜期較短。其中干旱災害是威脅當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的最主要自然災害(圖2)。該市降雨量分布由南向北逐步減少，由南部年均430 mm降至北部的150 mm。由于自然氣候條件惡劣，加之近代大量開墾種地，造成水土流失和風蝕沙化嚴重，生態(tài)平衡失調(diào)，是較典型的多災、低產(chǎn)農(nóng)牧業(yè)區(qū)，其中干旱及其所造成的災害是制約烏蘭察布農(nóng)牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的最主要自然因素。

圖2烏蘭察布市區(qū)域圖

Fig.2The regional map of Ulanqab City

烏蘭察布市旱災按照發(fā)生季節(jié)分為：春旱、夏旱、秋旱及季節(jié)連旱。統(tǒng)計烏蘭察布市1949—2012年共計64 a間的干旱年份的季節(jié)屬性(圖3)，春旱出現(xiàn)了19 a，頻率為30%，為旱災高發(fā)季節(jié)；連季干旱特別是春夏連旱頻率較高，達22%，僅次于春旱，因此春夏之交季節(jié)亦屬于旱災高發(fā)時期，其它季節(jié)連旱發(fā)生頻率較低。對比分析逐年旱災季節(jié)特征可見，季節(jié)連旱的現(xiàn)象進入20世紀80年代后，呈不斷加重趨勢，與春旱一同成為區(qū)域旱災高發(fā)季節(jié)。

選取烏蘭察布市有氣象站點資料，且可分別代表前山(南部)、中部、后山(北部)地區(qū)的集寧市、化德縣、四子王旗三個旗(縣)，統(tǒng)計三個旗(縣)平均1959—2009年逐年氣溫、降水數(shù)據(jù)，分析區(qū)域水溫逐年變化情況(圖4)。

圖4烏蘭察布市降水及氣溫年際變化情況(1959—2009年)

Fig.4Interannual change situation of precipitation and temperature from 1959 to 2009 in Ulanqab City

烏蘭察布市三旗(縣)降水量變化均經(jīng)歷了不同程度的減少(20世紀60年代)→小幅增加(20世紀70年代)→減少(20世紀80年代以后)的波動性變化過程，增加幅度小于減少幅度，區(qū)域整體降水量在波動中遞減，尤其是20世紀80年代至今的30年內(nèi)，年平均降水量為314 mm，比20世紀60年代減少約30 mm，減少趨勢明顯。

同期，烏蘭察布市年平均溫度上升約3.1℃；尤其是20世紀80年代以后，氣溫上升趨勢明顯。以四子王旗為例，20世紀60年代年平均氣溫為2.9℃，70年代小幅增至3℃，80年代至2009年氣溫升至4℃，比前期增加約1℃。

綜合降水、年均溫及積溫的逐年變化情況，烏蘭察布市整體呈現(xiàn)出降水減少、同期氣溫升高的趨勢，尤其是20世紀80年代以后，氣溫升高、降水減少幅度增大，區(qū)域氣候暖干旱化現(xiàn)象明顯。水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制約作用增大，農(nóng)業(yè)旱災風險增加。

2.2區(qū)域糧食生產(chǎn)的波動性

統(tǒng)計烏蘭察布市1949—2009年糧食作物播種面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算糧食單產(chǎn)，由公式2計算表征糧食生產(chǎn)波動性的糧食氣象產(chǎn)量，亦可稱為糧食單產(chǎn)波動產(chǎn)量(圖5)。

糧食單產(chǎn)整體在波動中上升，20世紀90年代開始上升趨勢明顯。90年代以前，糧食單產(chǎn)平均為0.76 t·hm-2；90年代以后，糧食單產(chǎn)迅速增加，平均為1.82 t·hm-2；2000年以后糧食單產(chǎn)雖然仍存在較大的波動，但上升幅度比前期增大。2004年糧食單產(chǎn)為3.2 t·hm-2，達到近60年來的最大，比建國初期糧食單產(chǎn)(0.5 t·hm-2)提高近6倍。

由逐年糧食單產(chǎn)氣象產(chǎn)量可知，20世紀80年代以前糧食單產(chǎn)波動不大，且主要為正向增加。20世紀80世紀至90年代中后期，糧食單產(chǎn)波動以負向減少為主。20世紀90年代末至2000年以后，糧食單產(chǎn)波動轉(zhuǎn)為正向大幅度增加，尤其是2004年，糧食單產(chǎn)氣象產(chǎn)量為1.18 t·hm-2，為60年內(nèi)最大值；但在2005年以后，既有正向增加亦有負向減少。

綜合糧食單產(chǎn)及氣象產(chǎn)量情況，區(qū)域糧食生產(chǎn)上升趨勢明顯，且單產(chǎn)波動主要以正向增加為主，整體糧食生產(chǎn)力增強。

2.3區(qū)域糧食生產(chǎn)適應度評價

依據(jù)適應能力等級劃分標準及適應指數(shù)的計算公式，計算1959—2009年逐年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)旱災適應等級，見圖6。

圖6烏蘭察布市糧食生產(chǎn)適應等級(1959—2009)

Fig.6Adaptability grades of grain production from1959 to 2009 in Ulanqab City

由圖6可見，適應性等級在20世紀70年代以前多為2級以上，且其中有8 a適應性等級達4級，占51 a內(nèi)全部4級適應年份總數(shù)的60%，整體適應性較好；進入20世紀80年代，適應性等級迅速降為2級，甚至有些年份降至1級，區(qū)域整體適應性下降；1990至1995年期間適應性等級降至最低1級，適應性最差；20世紀90年代后期至2000年以后適應性等級重新升至3級，區(qū)域適應性水平大幅回升。自20世紀60年代至2010年的50 a間，區(qū)域農(nóng)業(yè)適應性等級經(jīng)歷了由前期較高(4級)，中期降低(2、1級)，后期大幅升高(3級)的過程。適應能力的變化原因，有待進一步探討。

3結(jié)論與討論

本研究基于降水波動性與糧食產(chǎn)量穩(wěn)定性構(gòu)建了針對降水約束條件下的糧食生產(chǎn)適應度評價模型，并基于各自數(shù)值屬性及兩者之間的比值關(guān)系，提出可劃分糧食生產(chǎn)適應度等級為1～4級，定量揭示降水變化對糧食產(chǎn)量的影響；且通過逐年適應等級的計算，可直觀呈現(xiàn)年際間適應性水平的動態(tài)變化過程。

在實例研究中，烏蘭察布市地區(qū)氣候暖干旱化趨勢明顯，降水波動變化大，區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)旱災風險加大。應用上述模型進行評價，結(jié)果顯示該區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災適應性年代際變化較大，20世紀70年代以前適應度較高，部分年份出現(xiàn)4級適應；隨氣候暖干旱化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵御旱災能力較低，至90年代中期，適應能力等級降為1級；1995年前后，適應級別開始大幅度上升，至2000年，系統(tǒng)旱災適應能力已大幅升為3級，農(nóng)業(yè)旱災系統(tǒng)得以優(yōu)化，旱災適應能力不斷增強。

選取降水波動性作為該評估模型的唯一氣象指標雖可在一定程度上直觀反應降水對糧食生產(chǎn)的約束作用，但作物可用水資源量減少的誘發(fā)因子除降水外，還可能與溫度升高等因素有關(guān)。因此，如何剔除掉溫度等因子的影響仍需要進一步討論。

區(qū)域糧食生產(chǎn)適應度的高低，受本底資源、氣候條件和生產(chǎn)投入等諸多因素的影響，如農(nóng)作物本身抗旱能力的增強、農(nóng)戶有效的田間抗旱耕作，以及基礎(chǔ)水利設(shè)施建設(shè)等。針對該區(qū)域農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)氣候適應度變化的驅(qū)動因子有待深入研究。

致謝：感謝北京師范大學地理學與遙感科學學院研究生楊帥、趙凡在野外調(diào)查中為本論文付出的辛勤工作。

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Evaluation of adaptation degree for food production under restricted condition of precipitation——A case study in Ulanqab City of Inner Mongolia

SUN Xue-ping1,2,3, SU Yun3

(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.SchoolofGeographyandRemoteSensingScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Keywords:precipitation fluctuation； stability of food production；adaptation degree; climate warming and drying

Abstract：Based on the relationship between fluctuation of interannual precipitation and stability of food production, put forward the conceptual model for adaptability evaluation of the food production and established the evaluation standard. The adaptation degree of food production can be divided into 1 to 4 levels. A case study of Ulanqab City in Inner Mongolia, located in rain feed farming areas and arid and semi-arid of Northern China, selected the grain production, sowed areas, daily temperature and precipitation data from 1959 to 2009 in Ulanqab City year by year, combined with the mathematic statistic analysis, has revealed the change trend of the adaptation level of regional food production. The meteorological statistical analysis results showed that: The precipitation in this region had a slight decrease in the fluctuation. In recent 30 years, the yearly mean precipitation was less than 1960 s about 30 mm, the temperature over the same period has increased about 3.1℃, and the reginal trend of warm and dry on the whole was obvious. The statistical results of grain production showed that: The increasing trend of grain yield was obvious in this period and the fluctuation of meteorological yield was rather big. Based on the adaptation evaluation model, the adaptation level of grain production in this region has roughly experienced the change procedure from high to low to high as from 4 grade decreased to 1grade and after 1995 rised to 3grade again. With the change of regional climate condition and technical economic progress, the people taken constantly adjusting measures to cope with change, between which, the adaptation level has shown the different change in the levels with high and low.

文章編號：1000-7601(2016)03-0234-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.37

收稿日期：2015-05-17

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41171402)

作者簡介：孫雪萍(1988—)，女，山東德州人，博士研究生，研究方向為自然災害風險評估。 E-mail: xues1988@126.com。

中圖分類號：S161.6; F307.11

文獻標志碼：A