陳銳杰 周強(qiáng) 劉峰貴

摘要：建立基準(zhǔn)時段，確定河湟谷地的氣候因子影響系數(shù)，分析氣候變化對河湟谷地糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，作物生長季氣候變暖主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代，氣候變暖對河湟谷地20世紀(jì)90年代糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.6%～17.4%，對21世紀(jì)初糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.3%～20.0%，相對東北黑龍江地區(qū)，氣候變暖對河湟谷地的影響較小。

關(guān)鍵詞：氣候變化；氣候產(chǎn)量；氣候影響因子；氣候貢獻(xiàn)率；河湟谷地

中圖分類號：K903 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）12-0114-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.030

Abstract： The referenced period was selected and the temperature-affecting coefficient was built to analyze the contribution of climate change to food yield. The results showed that warming occurs mainly in the crop growth season in the 1990s. The contribution rate of the climate warming to food yield increasing in 1990s was 12.6%～17.4%，and 12.3%～20.0% in 2000s.

Key words： climate change； climate yield； climate influence coefficient； climate contribution rate； Yellow River-Huangshui River Valley

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)對氣候變化高度敏感，在對氣候變化的響應(yīng)中，農(nóng)作物產(chǎn)量會產(chǎn)生波動[1]。IPCC第五次研究報告顯示，1880-2012年，全球地表的平均溫度升高了0.85 ℃，1983-2012年是過去1 400年來最熱的30年，21世紀(jì)前10年是近百年來最暖的10年[2]。21世紀(jì)末，如果溫度繼續(xù)升高2 ℃或更高，將導(dǎo)致熱帶和溫帶地區(qū)的主要作物產(chǎn)量每10年減少0～2%，而預(yù)估的糧食需求到2050年則每10年將增加14%[2]。而中國自1913年以來地表平均溫度上升了0.91 ℃。最近60年氣溫平均每10年約升高0.23 ℃，接近全球的兩倍[2]。

氣候變化對作物產(chǎn)量、作物分布和相應(yīng)的適應(yīng)措施等研究已有大量報道[3-18]，但大多數(shù)研究是基于氣候變化背景下通過不同的模型，得出作物產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)結(jié)果[3-7]，也趨向于農(nóng)業(yè)的氣候變化事實(shí)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)夂蜃兓倪m應(yīng)策略與對策的研究[8-13]，但總體來說，氣候變化對區(qū)域影響的實(shí)證研究的深度和廣度還不夠[14，15]。從氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究區(qū)域來看，國外相關(guān)研究人員估計了自20世紀(jì)80年代以來美國主要的作物產(chǎn)量對溫度變化的響應(yīng)，但其方法受到其他學(xué)者質(zhì)疑[18-20]。中國學(xué)者方修琦等[14]完善了前人的研究方法，分析了黑龍江地區(qū)氣候變化對水稻的影響。目前中國學(xué)者的研究區(qū)域主要集中在東北農(nóng)業(yè)區(qū)[3，4，7-9，12-16]，也有學(xué)者從全國尺度上進(jìn)行研究[5，6，10，11，17]，但對青藏高原農(nóng)業(yè)區(qū)極少涉及，研究也不夠深入。河湟谷地是青藏高原、內(nèi)蒙古高原與黃土高原三大區(qū)域的過渡地帶和黃河流域氣候變化的敏感區(qū)[21]，其糧食生產(chǎn)受氣候變化的影響顯著。因此，本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，對河湟谷地糧食產(chǎn)量與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行分析，為認(rèn)識青藏高原重要農(nóng)業(yè)區(qū)氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響提供重要實(shí)證。

1 區(qū)域概況

青海農(nóng)業(yè)區(qū)主要集中在黃河谷地和湟水谷地（以下簡稱河湟谷地），其經(jīng)緯度范圍為北緯35°-38°，東經(jīng)100°-103°。該地區(qū)地形西高東低，屬高原大陸性氣候[21]，平均海拔為2 200～3 000 m，年平均氣溫為5.4 ℃，年降水量為290～600 mm，耕地以旱地為主。由于氣候條件相對優(yōu)越，是青藏高原主要的農(nóng)業(yè)區(qū)之一。2010年河湟谷地耕地面積為4.19×105 hm2，占青海省耕地總面積的77.3%，糧食產(chǎn)量為8.71×106 t，占青海省糧食總產(chǎn)量的85.4%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的氣象數(shù)據(jù)為1961-2013年河湟谷地西寧、湟中、湟源、互助、大通、樂都、民和、平安、循化、化隆、尖扎、同仁、貴德等13個氣象站點(diǎn)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)[22]。

因河湟谷地農(nóng)作物的生長季主要集中在5-9月，統(tǒng)計13個站點(diǎn)1961-2013年的逐年5-9月的累計降水量和月平均氣溫，分別以河湟谷地5-9月的累計降水量（R5-9）和累計月平均氣溫的平均值（T5-9）為基準(zhǔn)，計算逐年5-9月降水量的距平值△R5-9累計平均氣溫的距平值△T5-9。應(yīng)用SPSS軟件檢驗(yàn)青海河湟谷地20世紀(jì)60年代（1961-1970年）、80年代（1971-1980年）、90年代（1991-2000年）、21世紀(jì)初（2001-2010年）的氣溫和降水（5-9月）的差異。

2.2 氣候因子影響系數(shù)的定義和計算方法

從實(shí)際糧食產(chǎn)量中提取出氣候產(chǎn)量是本研究的關(guān)鍵問題。前人通常采用統(tǒng)計學(xué)中分析時間序列的方法，認(rèn)為實(shí)際產(chǎn)量由趨勢產(chǎn)量和波動產(chǎn)量兩部分構(gòu)成，時間趨勢產(chǎn)量是反映歷史時期單產(chǎn)發(fā)展水平的長周期的產(chǎn)量分量，產(chǎn)量波動的部分主要是反映氣候要素影響的氣候產(chǎn)量[14]：

Y=Yt+Yw+e （1）

式中，Y為單位面積的糧食產(chǎn)量（kg/hm2）；Yt為趨勢產(chǎn)量（kg/hm2）；Yw為波動產(chǎn)量（kg/hm2）；e是一些隨機(jī)因素影響的產(chǎn)量分量，實(shí)際計算中可以不作考慮。

采用上述方法，對1961-2013年青海河湟谷地糧食的氣候產(chǎn)量進(jìn)行分解。前人多采用三次多項(xiàng)式法和指數(shù)函數(shù)法等擬合分解氣候產(chǎn)量[14，15]。但這些方法所應(yīng)用模型的顯著性水平?jīng)]有HP濾波法高，HP濾波分解方法是純粹的機(jī)械平滑程序，能簡單快速分離糧食產(chǎn)量，分離出的氣候產(chǎn)量精確[23]，因此，本研究使用HP濾波方法來擬合趨勢產(chǎn)量，提取氣候產(chǎn)量。根據(jù)擬合的結(jié)果顯示，1961-2013年河湟谷地的氣候產(chǎn)量與氣溫具有顯著相關(guān)性，與降水不具有顯著相關(guān)性。20世紀(jì)90年代前氣候產(chǎn)量與氣溫的相關(guān)性顯著，與降水的相關(guān)性不顯著，90年代變暖以來，糧食的氣候產(chǎn)量與氣溫的相關(guān)系數(shù)降低，未通過顯著性水平檢驗(yàn)，與降水的相關(guān)性依舊不顯著（表1）。氣候要素具有趨勢變化，會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響，因此在分析糧食作物產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)時，不可避免會產(chǎn)生偏差。這樣擬合分離出來的趨勢產(chǎn)量存在明顯缺陷。

3 結(jié)果與分析

氣溫和降水是影響一個區(qū)域糧食產(chǎn)量的氣候要素，應(yīng)選擇出影響該區(qū)域糧食產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃樱嗪：愉夜鹊丶Z食的氣候產(chǎn)量與氣溫具有顯著相關(guān)性，與降水不具有相關(guān)性，因此，將氣溫確定為氣候影響因子的主要變量。

3.1 青海河湟谷地5-9月的氣溫變化

從年代際尺度看，河湟谷地5-9月的累計平均氣溫距平從20世紀(jì)90年代開始為正值，表明該地區(qū)變暖于20世紀(jì)90年代，方差分析結(jié)果顯示，20世紀(jì)70年代與60年代，80年代與70年代的氣溫差異顯著性水平只有0.895和0.973，而20世紀(jì)90年代與80年代，21世紀(jì)初與20世紀(jì)90年代5-9月的氣溫差異顯著性水平達(dá)到0.021和0.029，通過a=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)（表2）。

3.2 氣溫變化對青海河湟谷地糧食單產(chǎn)的影響

根據(jù)河湟谷地糧食單產(chǎn)的變化趨勢（圖1），糧食單產(chǎn)在1975年、1995年和2007年附近出現(xiàn)較大的增長。對1963-1974年、1975-1994年和1995-2007年3個時段的糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段濾波擬合，分解出波動產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量，計算不同時間段的波動產(chǎn)量占趨勢產(chǎn)量百分比和氣溫的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，河湟谷地1963-1974年時段的相關(guān)系數(shù)為-0.119，1975-1994年時段的相關(guān)系數(shù)為0.544，1995-2007年時段的相關(guān)系數(shù)為0.41，其中，1975-1994年時段的糧食波動產(chǎn)量與氣溫的相關(guān)系數(shù)最高。因此，本研究以1975-1994年時段作為基準(zhǔn)時間段，根據(jù)式（3）建立1975-1994年基準(zhǔn)時段內(nèi)的氣溫影響系數(shù)的函數(shù)式：

3.3 氣候變暖對青海河湟谷地糧食單產(chǎn)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)分析

河湟谷地糧食單產(chǎn)的變化受到技術(shù)與氣候變化的共同影響，在分析氣候變化對青海河湟谷地糧食單產(chǎn)增加的貢獻(xiàn)需要同時考慮氣候和技術(shù)變化兩方面的因素。

以1975-1994年為基準(zhǔn)時段并計算的各年代糧食單產(chǎn)增加量以及氣候變化對糧食單產(chǎn)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率結(jié)果如表3所示。假設(shè)糧食單產(chǎn)保持1975-1994年生產(chǎn)技術(shù)條件下對溫度變化的敏感程度，設(shè)20世紀(jì)70年代（1971-1980年）為第0期，80年代（1981-1990年）為第1期，90年代（1991-2000年）為第2期，21世紀(jì)初（2001-2010年）為第3期，將這4個時期5-9月的累計平均氣溫距平值代入式（7），得到4個時期的氣溫影響系數(shù)，根據(jù)式（4）和式（5）計算出20世紀(jì)80、90年代和21世紀(jì)初的技術(shù)單產(chǎn)和氣候單產(chǎn)，并根據(jù)式（6）計算氣候變暖的貢獻(xiàn)率。

結(jié)果表明，在不考慮生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展時，即技術(shù)單產(chǎn)保持在20世紀(jì)70年代的水平不變，在氣候變暖影響下，80年代的糧食單產(chǎn)增加5.4 kg/hm2，變換對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為0.14%，90年代的糧食單產(chǎn)增加117.59 kg/hm2，變暖對河湟谷地糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.6%，21世紀(jì)初糧食單產(chǎn)增加188.68 kg/hm2，變暖對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.3%；而同時考慮到技術(shù)產(chǎn)量的逐漸增加，80年代變暖影響的增產(chǎn)量為2.17 kg/hm2，變暖的貢獻(xiàn)率為0.41%；90年代變暖影響的增產(chǎn)量為156.41 kg/hm2，貢獻(xiàn)率為17.4%；21世紀(jì)初變暖影響的增產(chǎn)量為307.48 kg/hm2，貢獻(xiàn)率為20%，說明青海河湟谷地氣候變暖主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代。

相對于20世紀(jì)80年代，90年代后河湟谷地變暖的程度較大，同時，技術(shù)因素也對糧食生產(chǎn)具有更大影響。由于技術(shù)的進(jìn)步，提高了糧食產(chǎn)量的同時也降低了氣候因素對糧食生產(chǎn)的影響，因此，用1975-1994年生產(chǎn)技術(shù)條件下的糧食單產(chǎn)對溫度變化的敏感程度估算80年代與90年代變暖對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)更為接近實(shí)際的產(chǎn)量變化情況。由表3可以看出，與70年代相比，90年代單純氣候變暖帶來的增產(chǎn)量占實(shí)際增產(chǎn)量的12.6%，如果同時考慮實(shí)際技術(shù)單產(chǎn)的逐步提高，氣候變暖的貢獻(xiàn)率將上升到17.4%，即對90年代增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.6%～17.4%。同樣可以得出，21世紀(jì)初單純氣候變暖帶來的增產(chǎn)量占實(shí)際增產(chǎn)量的12.3%，如果同時考慮到實(shí)際技術(shù)單產(chǎn)的逐步提高，氣候變暖的貢獻(xiàn)率將上升到20%，即對21世紀(jì)初糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.3%～20.0%。

3.4 氣候變暖對糧食單產(chǎn)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)區(qū)域?qū)Ρ确治?/p>

與東北重要農(nóng)業(yè)區(qū)黑龍江省糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率相比（表4），在20世紀(jì)80年代與90年代青海河湟谷地比黑龍江省氣候變暖對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率均低，21世紀(jì)初青海河湟谷地的氣候貢獻(xiàn)率還達(dá)不到黑龍江省在20世紀(jì)90年代的氣候貢獻(xiàn)率，說明氣候變暖對青海河湟谷地糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)不明顯。從相關(guān)研究結(jié)果可知，青海河湟谷地從20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初，生長季平均氣溫距平分別為-0.40、-0.39、0.18和0.73 ℃，黑龍江省從20世紀(jì)70年代到90年代生長季平均氣溫距平分別為-0.316、0.21和3.26 ℃[14]，說明氣候變暖對不同地區(qū)的影響是不一致的。

對青海河湟谷地與黑龍江近50年的年均氣溫進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)（圖3）[25，26]。青海河湟谷地的UF曲線在20世紀(jì)80年代中期前呈現(xiàn)波動變化的趨勢，之后呈現(xiàn)波動上升趨勢，在20世紀(jì)90年代中后期這種上升趨勢超過了顯著性水平0.05的置信水平，表明河湟谷地從20世紀(jì)90年代中后期開始?xì)鉁氐脑雠厔菝黠@。根據(jù)UF曲線和UB曲線的交點(diǎn)位置，可以知道河湟谷地在20世紀(jì)90年代的增暖是一個突變現(xiàn)象，具體是從1994年開始的，并且通過顯著性水平0.05的置信水平。而黑龍江的UF曲線在20世紀(jì)70年代中期前呈現(xiàn)波動變化的趨勢，之后呈現(xiàn)波動上升趨勢，在20世紀(jì)80年代中后期這種上升趨勢超過了顯著性水平0.05的置信水平，表明黑龍江從20世紀(jì)80年代中后期開始?xì)鉁氐脑雠厔菝黠@。根據(jù)UF曲線和UB曲線的交點(diǎn)位置，可以知道黑龍江在20世紀(jì)80年代的增暖是一個突變現(xiàn)象，具體是從1985年開始的，并且通過顯著性水平0.05的置信水平。這與相關(guān)學(xué)者研究的結(jié)果相符合[4，27-30]。以上分析說明，氣候變暖對不同地區(qū)的影響是不一致的，青藏高原典型農(nóng)業(yè)區(qū)對氣候變暖的響應(yīng)比黑龍江省的響應(yīng)慢，變暖的程度也比黑龍江省的變暖程度低。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1）青海河湟谷地位于青藏高原東北部，特殊的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會條件使得該地區(qū)的氣候變化成為影響糧食產(chǎn)量的敏感性因素，青海河湟谷地糧食單產(chǎn)的增產(chǎn)與氣溫相關(guān)性高，氣溫是氣候影響因子的主要變量，生長季氣候變暖主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代。

2）氣候變暖有利于青海河湟谷地糧食單產(chǎn)的增產(chǎn)，估算了過去40年氣候變化對青海河湟谷地糧食單產(chǎn)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率。氣候變暖對河湟谷地20世紀(jì)90年代增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.6%～17.4%，對21世紀(jì)初糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為12.3%～20.0%。

3）通過氣候變暖對青海河湟谷地與黑龍江省糧食單產(chǎn)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)對比分析可知，氣候變暖對不同地區(qū)糧食生產(chǎn)均有影響，氣候變暖對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)正在加大，但對河湟谷地糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)相對其他地區(qū)來說不明顯。同時，氣候變暖對不同地方的影響是不一致的，青藏高原典型農(nóng)業(yè)區(qū)對氣候變暖的響應(yīng)比其他地區(qū)的響應(yīng)慢，變暖的程度也較低。

4.2 討論

本研究通過一定的數(shù)學(xué)方法計算氣候變暖對青海河湟谷地糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率進(jìn)行估算，得到的貢獻(xiàn)率的相對的，適用于對歷史時期相關(guān)方面的研究，而對于未來氣候變化與糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系，需要進(jìn)行更為深刻的探討。

青海河湟谷地是青海農(nóng)業(yè)、工業(yè)和人口等集中地，隨著城市化和工業(yè)化的不斷加速發(fā)展，各類建設(shè)用地與農(nóng)業(yè)用地之間的矛盾更加激烈，人地關(guān)系日趨緊張，在有限的耕地上提高糧食單產(chǎn)量愈來愈成為關(guān)系國家糧食安全的重要問題。在全球氣候變化和區(qū)域氣候波動的條件下，分析氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響，可以認(rèn)識不同的氣候條件下糧食的生產(chǎn)情況，為未來一定時期內(nèi)的耕地保護(hù)提供重要保障，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。

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