氣候變化對青海河湟谷地糧食產量的貢獻

陳銳杰 周強 劉峰貴

摘要：建立基準時段，確定河湟谷地的氣候因子影響系數，分析氣候變化對河湟谷地糧食產量的貢獻率。結果表明，作物生長季氣候變暖主要發生在20世紀90年代，氣候變暖對河湟谷地20世紀90年代糧食增產的貢獻率為12.6%～17.4%，對21世紀初糧食增產的貢獻率為12.3%～20.0%，相對東北黑龍江地區，氣候變暖對河湟谷地的影響較小。

關鍵詞：氣候變化；氣候產量；氣候影響因子；氣候貢獻率；河湟谷地

中圖分類號：K903 文獻標識碼：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

作為陸地生態系統的重要組成部分，農業對氣候變化高度敏感，在對氣候變化的響應中，農作物產量會產生波動[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世紀前10年是近百年來最暖的10年[2]。21世紀末，如果溫度繼續升高2 ℃或更高，將導致熱帶和溫帶地區的主要作物產量每10年減少0～2%，而預估的糧食需求到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]。

氣候變化對作物產量、作物分布和相應的適應措施等研究已有大量報道[3-18]，但大多數研究是基于氣候變化背景下通過不同的模型，得出作物產量對氣候變化的響應結果[3-7]，也趨向于農業的氣候變化事實與農業領域對氣候變化的適應策略與對策的研究[8-13]，但總體來說，氣候變化對區域影響的實證研究的深度和廣度還不夠[14，15]。從氣候變化對農業影響的研究區域來看，國外相關研究人員估計了自20世紀80年代以來美國主要的作物產量對溫度變化的響應，但其方法受到其他學者質疑[18-20]。中國學者方修琦等[14]完善了前人的研究方法，分析了黑龍江地區氣候變化對水稻的影響。目前中國學者的研究區域主要集中在東北農業區[3，4，7-9，12-16]，也有學者從全國尺度上進行研究[5，6，10，11，17]，但對青藏高原農業區極少涉及，研究也不夠深入。河湟谷地是青藏高原、內蒙古高原與黃土高原三大區域的過渡地帶和黃河流域氣候變化的敏感區[21]，其糧食生產受氣候變化的影響顯著。因此，本研究在前人的研究基礎上，對河湟谷地糧食產量與氣候變化的關系進行分析，為認識青藏高原重要農業區氣候變化對糧食生產的影響提供重要實證。

1 區域概況

青海農業區主要集中在黃河谷地和湟水谷地（以下簡稱河湟谷地），其經緯度范圍為北緯35°-38°，東經100°-103°。該地區地形西高東低，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越，是青藏高原主要的農業區之一。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%，糧食產量為8.71×106 t，占青海省糧食總產量的85.4%。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究采用的氣象數據為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個氣象站點的氣溫和降水數據[22]。

因河湟谷地農作物的生長季主要集中在5-9月，統計13個站點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，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。應用SPSS軟件檢驗青海河湟谷地20世紀60年代（1961-1970年）、80年代（1971-1980年）、90年代（1991-2000年）、21世紀初（2001-2010年）的氣溫和降水（5-9月）的差異。

2.2 氣候因子影響系數的定義和計算方法

從實際糧食產量中提取出氣候產量是本研究的關鍵問題。前人通常采用統計學中分析時間序列的方法，認為實際產量由趨勢產量和波動產量兩部分構成，時間趨勢產量是反映歷史時期單產發展水平的長周期的產量分量，產量波動的部分主要是反映氣候要素影響的氣候產量[14]：

Y=Yt+Yw+e （1）

式中，Y為單位面積的糧食產量（kg/hm2）；Yt為趨勢產量（kg/hm2）；Yw為波動產量（kg/hm2）；e是一些隨機因素影響的產量分量，實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量進行分解。前人多采用三次多項式法和指數函數法等擬合分解氣候產量[14，15]。但這些方法所應用模型的顯著性水平沒有HP濾波法高，HP濾波分解方法是純粹的機械平滑程序，能簡單快速分離糧食產量，分離出的氣候產量精確[23]，因此，本研究使用HP濾波方法來擬合趨勢產量，提取氣候產量。根據擬合的結果顯示，1961-2013年河湟谷地的氣候產量與氣溫具有顯著相關性，與降水不具有顯著相關性。20世紀90年代前氣候產量與氣溫的相關性顯著，與降水的相關性不顯著，90年代變暖以來，糧食的氣候產量與氣溫的相關系數降低，未通過顯著性水平檢驗，與降水的相關性依舊不顯著（表1）。氣候要素具有趨勢變化，會對作物產量產生影響，因此在分析糧食作物產量對氣候變化的響應時，不可避免會產生偏差。這樣擬合分離出來的趨勢產量存在明顯缺陷。

3 結果與分析

氣溫和降水是影響一個區域糧食產量的氣候要素，應選擇出影響該區域糧食產量的主要氣候因子，青海河湟谷地糧食的氣候產量與氣溫具有顯著相關性，與降水不具有相關性，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90年代開始為正值，表明該地區變暖于20世紀90年代，方差分析結果顯示，20世紀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90年代與80年代，21世紀初與20世紀90年代5-9月的氣溫差異顯著性水平達到0.021和0.029，通過a=0.05水平的顯著性檢驗（表2）。

3.2 氣溫變化對青海河湟谷地糧食單產的影響

根據河湟谷地糧食單產的變化趨勢（圖1），糧食單產在1975年、1995年和2007年附近出現較大的增長。對1963-1974年、1975-1994年和1995-2007年3個時段的糧食單產數據進行分段濾波擬合，分解出波動產量和趨勢產量，計算不同時間段的波動產量占趨勢產量百分比和氣溫的相關系數。結果顯示，河湟谷地1963-1974年時段的相關系數為-0.119，1975-1994年時段的相關系數為0.544，1995-2007年時段的相關系數為0.41，其中，1975-1994年時段的糧食波動產量與氣溫的相關系數最高。因此，本研究以1975-1994年時段作為基準時間段，根據式（3）建立1975-1994年基準時段內的氣溫影響系數的函數式：

3.3 氣候變暖對青海河湟谷地糧食單產增產的貢獻分析

河湟谷地糧食單產的變化受到技術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增加的貢獻需要同時考慮氣候和技術變化兩方面的因素。

以1975-1994年為基準時段并計算的各年代糧食單產增加量以及氣候變化對糧食單產增產的貢獻率結果如表3所示。假設糧食單產保持1975-1994年生產技術條件下對溫度變化的敏感程度，設20世紀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，根據式（4）和式（5）計算出20世紀80、90年代和21世紀初的技術單產和氣候單產，并根據式（6）計算氣候變暖的貢獻率。

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

相對于20世紀80年代，90年代后河湟谷地變暖的程度較大，同時，技術因素也對糧食生產具有更大影響。由于技術的進步，提高了糧食產量的同時也降低了氣候因素對糧食生產的影響，因此，用1975-1994年生產技術條件下的糧食單產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的貢獻更為接近實際的產量變化情況。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量占實際增產量的12.6%，如果同時考慮實際技術單產的逐步提高，氣候變暖的貢獻率將上升到17.4%，即對90年代增產的貢獻率為12.6%～17.4%。同樣可以得出，21世紀初單純氣候變暖帶來的增產量占實際增產量的12.3%，如果同時考慮到實際技術單產的逐步提高，氣候變暖的貢獻率將上升到20%，即對21世紀初糧食增產的貢獻率為12.3%～20.0%。

3.4 氣候變暖對糧食單產增產的貢獻區域對比分析

與東北重要農業區黑龍江省糧食增產的貢獻率相比（表4），在20世紀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的貢獻率均低，21世紀初青海河湟谷地的氣候貢獻率還達不到黑龍江省在20世紀90年代的氣候貢獻率，說明氣候變暖對青海河湟谷地糧食增產的貢獻不明顯。從相關研究結果可知，青海河湟谷地從20世紀70年代到21世紀初，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年的年均氣溫進行Mann-Kendall突變檢驗（圖3）[25，26]。青海河湟谷地的UF曲線在20世紀80年代中期前呈現波動變化的趨勢，之后呈現波動上升趨勢，在20世紀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90年代中后期開始氣溫的增暖趨勢明顯。根據UF曲線和UB曲線的交點位置，可以知道河湟谷地在20世紀90年代的增暖是一個突變現象，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70年代中期前呈現波動變化的趨勢，之后呈現波動上升趨勢，在20世紀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80年代中后期開始氣溫的增暖趨勢明顯。根據UF曲線和UB曲線的交點位置，可以知道黑龍江在20世紀80年代的增暖是一個突變現象，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。這與相關學者研究的結果相符合[4，27-30]。以上分析說明，氣候變暖對不同地區的影響是不一致的，青藏高原典型農業區對氣候變暖的響應比黑龍江省的響應慢，變暖的程度也比黑龍江省的變暖程度低。

4 結論與討論

4.1 結論

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

2）氣候變暖有利于青海河湟谷地糧食單產的增產，估算了過去40年氣候變化對青海河湟谷地糧食單產增產的貢獻率。氣候變暖對河湟谷地20世紀90年代增產的貢獻率為12.6%～17.4%，對21世紀初糧食增產的貢獻率為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增產的貢獻對比分析可知，氣候變暖對不同地區糧食生產均有影響，氣候變暖對糧食增產的貢獻正在加大，但對河湟谷地糧食增產的貢獻相對其他地區來說不明顯。同時，氣候變暖對不同地方的影響是不一致的，青藏高原典型農業區對氣候變暖的響應比其他地區的響應慢，變暖的程度也較低。

4.2 討論

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

青海河湟谷地是青海農業、工業和人口等集中地，隨著城市化和工業化的不斷加速發展，各類建設用地與農業用地之間的矛盾更加激烈，人地關系日趨緊張，在有限的耕地上提高糧食單產量愈來愈成為關系國家糧食安全的重要問題。在全球氣候變化和區域氣候波動的條件下，分析氣候變化對糧食產量的影響，可以認識不同的氣候條件下糧食的生產情況，為未來一定時期內的耕地保護提供重要保障，促進農業的現代化。

參考文獻：

[1] 覃志豪，唐華俊，李文娟，等.氣候變化對農業和糧食生產影響的研究進展與發展方向[J].中國農業資源與區劃，2013，34（5）：1-7.

[2] IPCC. Climate Change 2013：The physical science basis[EB/OL].https：//www.globalchange.gov/browse/reports/ipcc-climate-change-

2013-physical-science-basis.

[3] 謝立勇，郭明順，曹敏建，等.東北地區農業應對氣候變化的策略與措施分析[J].氣候變化研究進展，2009，5（3）：174-178.

[4] 張建平，王春乙，楊曉光，等.未來氣候變化對中國東北三省玉米需水量的影響預測[J].農業工程學報，2009，25（7）：50-55.

[5] 熊 偉，楊 婕，林而達，等.未來不同氣候變化情景下我國玉米產量的初步預測[J].地球科學進展，2008，23（10）：1092-1101.

[6] 杜瑞英，楊武德，許吟隆，等.氣候變化對我國干旱/半干旱區小麥生產影響的模擬研究[J].生態科學，2006，25（1）：34-37.

[7] 田 展，劉紀遠，曹明奎.氣候變化對中國黃淮海農業區小麥生產影響模擬研究[J].自然資源學報，2006，21（4）：598-607.

[8] 劉志娟，楊曉光，王文峰，等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅳ.未來氣候變暖對東北三省春玉米種植北界的可能影響[J].中國農業科學，2010，43（11）：2280-2291.

[9] 袁 靜.氣候變化對小麥生產的影響及適應措施分析[D].北京：中國農業科學院，2008.

[10] 居 輝，熊 偉，許吟隆，等.氣候變化對我國小麥產量的影響[J].作物學報，2005，31（10）：1340-1343.

[11] 錢鳳魁，王文濤，劉燕華.農業領域應對氣候變化的適應措施與對策[J].中國人口·資源與環境，2014，24（5）：19-24.

[12] 紀瑞鵬，張玉書，姜麗霞，等.氣候變化對東北地區玉米生產的影響[J].地理研究，2012，31（2）：290-298.

[13] 王培娟，韓麗娟，周廣勝，等.氣候變暖對東北三省春玉米布局的可能影響及其應對策略[J].自然資源學報，2015，30（8）：1343-1355.

[14] 方修琦，王 媛，徐 錟，等.近20年氣候變暖對黑龍江省水稻增產的貢獻[J].地理學報，2004，59（6）：820-828.

[15] 王 媛，方修琦，徐 錟.氣候變化背景下“氣候產量”計算方法的探討[J].自然資源學報，2004，19（4）：531-536.

[16] 陳 群，耿 婷，侯雯嘉，等.近20年東北氣候變暖對春玉米生長發育及產量的影響[J].中國農業科學，2014，47（10）：1904-1916.

[17] 趙 錦，楊曉光，劉志娟，等.全球氣候變暖對中國種植制度的可能影響Ⅹ.氣候變化對東北三省春玉米氣候適宜性的影響[J].中國農業科學，2014，47（16）：3143-3156.

[18] LOBELL D B，ASNER G P. Climate and management contributions to recent trends in US agricultural yields[J].Science， 2003，299（5609）：1032-1032.

[19] LOBELL D，ASNER G. Comment on“Climate and management contributions to recent trends in US agricultural yields”[J].Science，2003，300（5625）：1505-1505.

[20] 熊四華.清至民國時期青海河湟地區農業地理研究[D].蘭州：西北師范大學，2013.

[21] 趙燕寧，時興合，王式功，等.青海河湟谷地氣候及干旱變化研究[J].中國沙漠，2006，26（1）：54-59.

[22] 中國氣象數據網[EB/OL].http：//data.cma.cn/.

[23] 王桂芝，陸金帥，陳克垚，等.基于HP濾波的氣候產量分離方法探討[J].中國農業氣象，2014，35（2）：195-199.

[24] 王宗明，宋開山，李曉燕，等.近40年氣候變化對松嫩平原玉米帶單產的影響[J].干旱區資源與環境，2007，21（9）：112-117.

[25] ALLY R B，MAROTZKE J，NORDHAUS W D，et al. Abrupt climate change[J].Encyclopedia of Ocean Sciences，2003，299（5615）：2005-2010.

[26] 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007.

[27] 李 爽，王 羊，李雙成.中國近30年氣候要素時空變化特征[J].地理研究，2009，28（6）：1593-1605.

[28] 賀 偉，布仁倉，熊在平，等.1961—2005年東北地區氣溫和降水變化趨勢[J].生態學報，2013，33（2）：519-531.

[29] 董滿宇，吳正方.近50年來東北地區氣溫變化時空特征分析[J].資源科學，2008，30（7）：1093-1099.

[30] 丁一匯，張 莉.青藏高原與中國其他地區氣候突變時間的比較[J].大氣科學，2008，32（4）：794-805.