氣候變化對漢中市主要糧食作物產量的影響

馬 凱,徐玉霞,2*,何文鑫,馬佳俊,馬 楠

(1.寶雞文理學院 地理與環境學院,陜西 寶雞 721013;2.寶雞文理學院 災害監測與機理模擬陜西省重點實驗室,陜西 寶雞 721013)

全球氣候變暖[1-2]已成為備受關注的問題,不僅影響著自然生態環境,還對人類社會影響巨大,特別是對農業生產的影響[3-5],關乎著一個國家的戰略安全和民計民生[6-8]。氣候變化對農業的影響顯著,它不僅對農業帶來積極的影響,更會帶來消極的影響[9-11]。

近年來,對于氣候變化對糧食產量的影響,已有很多學者進行了相關研究。潘根新等和郭建平[12-13]在整個中國的大尺度上對氣候變化給農業生產帶來的影響進行了研究,前者認為氣候的劇烈變化逐漸遏制農業技術發展所帶來的生產效益,后者發現在未來的農業生產中,氣候要素中的降水量可能是影響氣候生產潛力的重要因素。在小尺度上,潘敖大等[14]基于自助采樣法發現江蘇省除蘇南地區外的其他地區糧食產量都對氣候變化要素響應明顯。張亞寧等[15]應用灰色關聯法和皮爾遜相關系數法對農業受氣候變化的影響程度進行了研究,發現河西走廊地區在氣溫、降水量的變化下,小麥產量在顯著下降,玉米產量也在略微減少。

就漢中而言,相關的研究較少且主要集中在氣候對糧食單產的影響上。張小峰等[16]應用Thornthwaite模型和滑動平均分析了漢中24年來氣候變化對糧食產量的影響,結果表明,氣溫和降水量值的增加有益于氣候生產力的上升,1985、1994、1995、2003及2006年為農業氣象減產年,降水量減少對糧食產量縮減影響最大,其次為氣溫升高。除此之外,無更多關于氣候變化對漢中糧食作物影響的研究,同時前者的研究沒有對主要糧食作物產量進行詳細分析。本研究選取1951～2015年的月平均氣溫數據,系統地分析了漢中市氣候變化對主要糧食作物產量的影響規律,以期對漢中市未來氣候變化對主要糧食作物產量的影響趨勢進行預測。

1 數據及方法

1.1 研究區概況

漢中市地處陜西省南部,位于105°30′50″～108°16′45″ E、32°08′54″～33°53′16″ N,面積為2.7246萬km2;地形以山地為主,占全市面積的75%以上。屬于北亞熱帶氣候區,四季變化鮮明、氣候宜人,年均氣溫14 ℃,年均降水量為700～1700 mm。由于地處漢江的源頭,且降水充沛,農業用水充足;研究區周圍有巴山和秦嶺,它們對冷暖氣流有抬升和阻滯作用,使得氣候適于農作物生長。

1.2 數據來源

氣象數據選取于中國氣象科學數據共享網1998～2017年漢中市月均地面氣溫、日照時數和降水量的數據資料,其中日照數據有3個月度缺失，已進行插補處理。農業數據來源于1999～2018年《陜西省統計年鑒》,其中選用的主要糧食作物有小麥、稻谷和玉米；漢中市小麥屬于夏糧,生長期為每年11月～次年5月,稻谷和玉米屬于秋糧,生長期為每年6～10月。

1.3 研究方法

本研究應用線性趨勢法對漢中市1998～2017年的氣象、糧食產量數據進行趨勢分析;糧食產量通常包括隨機波動產量、趨勢產量和氣候產量,其中隨機波動產量一般所占比重較小,因而在此忽略不計,即:

Y=E+C

上式中:Y為糧食的實際產量；E為糧食的趨勢產量；C為糧食的氣候產量。

本研究通過建立回歸模型,應用5年滑動平移法對漢中市主要糧食作物的實際產量進行5年滑動處理[17]:以1998年為起始年,向后滑動5年;從1999年開始向后再滑動5年；依此類推,對每5年的時間段建立一個直線線段方程,隨而得到16個線性方程,計算每個方程在x點上的函數值yi(x);在x點上共有zx個函數值,求算出函數值的均值:

用實際產量y減去趨勢產量ye,得到氣候產量yc；再應用DPS軟件對主要糧食作物單產與氣候產量、氣象因子間的關系進行灰色關聯度分析[17]。

2 結果與分析

2.1 氣候變化特征

2.1.1 年尺度上的氣候變化特征 由圖1可知,近20年來,漢中市氣溫的氣候傾向率為0.48 ℃/10 a,氣溫整體呈上升趨勢,全年平均氣溫均值為15.39 ℃,其中年平均氣溫最高為2016年的16.24 ℃,最低為2003年的14.66 ℃,年平均氣溫從2012年開始持續高于15.39 ℃。漢中市降水也呈增加趨勢,降水的氣候傾向率為53.05 mm/10 a；研究區年均降水量為850.13 mm,最大年降水量為2011年的1298.10 mm,最小年降水量為2016年的563.00 mm,降水量年際變化波動較大。漢中市日照時數呈整體減少趨勢,氣候傾向率為-79.90 h/10 a；全年平均日照時數為1440.68 h,其中全年日照時數最長的2002年(1847.10 h)比日照時數最少的2009年(1169.80 h)要高出677.30 h。

2.1.2 夏糧作物期的氣候變化特征 由圖2可知,漢中市近20年夏糧作物期的氣溫變化呈上升趨勢,氣候傾向率為0.44 ℃/10 a,低于0.48 ℃/10 a的年氣候傾向率；夏糧作物期多年平均氣溫為10.24 ℃,不同年份間夏糧作物期氣溫變化不大,有益于夏糧作物的生長。夏糧作物期的降水呈增加趨勢,氣候傾向率為34.41 mm/10 a,平均降水量為233.39 mm；在2009年前夏糧作物期的降水量波動較大,但在2009年后降水量大多高于多年平均降水量。研究區夏糧作物期的日照時數呈下降趨勢,氣候傾向率為-45 h/10 a；各年間的日照時數差異不明顯,表現為反復螺旋式下降。

圖1 1998～2017年漢中市年尺度的氣候變化特征

圖2 1998～2017年漢中市夏糧作物期的氣候變化特征

2.1.3 秋糧作物期的氣候變化特征 由圖3可知,在近20年的秋糧作物期時間尺度上,氣溫的氣候傾向率為0.55 ℃/10 a,高于0.48 ℃/10 a的年氣候傾向率,增溫趨勢顯著；自2012年后,秋糧作物期的平均氣溫全面高于年平均氣溫。降水的氣候傾向率為21.52 mm/10 a,遠低于年降水的氣候傾向率53.05 mm/10 a；2016年秋糧作物期的降水為近20年最低,為346.3 mm,與2011年的降水量995.3 mm形成強烈對比,兩者相差649.0 mm。1998～2017年秋糧作物期日照時數的氣候傾向率為-34.78 h/10 a；2002年的日照時數1044.00 h為近20年最高值,其余各年大多在平均值709.42 h附近,波動不大。

2.2 主要糧食作物產量的變化特征

表1為近20年漢中市糧食單產、總產量、播種面積的多年平均及標準差。結合表1、圖4可以發現:小麥多年單產和播種面積離散程度最大,小麥單位面積產量以246.65 kg/(hm2·10 a)的速度快速增長,多年平均值為2846.65 kg/hm2,有8年低于平均產量,并自2012年后小麥的單產始終在多年平均值以上并持續增長。小麥播種面積最大為1998年的1009.9 km2,但自1999年以后,從961.1 km2銳減到2000年的464.6 km2,并自此以后小麥播種面積一直維持在平均值530.09 km2附近。小麥的總產量也因播種面積的減少,從1998年的28.2萬kg逐漸減少至2017年的14.8萬kg,其中在1998年出現近20年小麥總產量的最高值。稻谷多年單產的離散程度最小,以71.38 kg/(hm2·10 a)的速度增長；除2003年外(單產為5629.00 kg/hm2),其余各年單產波動在多年平均產量6308.20 kg/hm2附近,整體趨勢較為穩定。稻谷播種面積和總產量均表現為減少趨勢,但下降較為平緩,各年數值波動在多年平均值附近。玉米單位面積產量增長速度最快,為283.69 kg/(hm2·10 a)；玉米最高單產3210 kg/hm2(2009年)與最低單產2193 kg/hm2(1998年)相差1017 kg/hm2,差異顯著。玉米多年播種面積和總產量的離散程度最小,各年間差異小,總體表現為穩定增長趨勢。

表1 各主要糧食作物產量和播種面積的統計特征

2.3 漢中市氣候變化對主要糧食作物產量的影響

2.3.1 氣候變化對小麥產量的影響 由表2可見,小麥單產及其氣候產量分別與平均氣溫、降水量、日照時數、11月～次年5月的平均氣溫、11月～次年5月的降水量、11月～次年5月的日照時數具有不同的關聯度。具體來說，小麥單產受年平均氣溫的影響最大(關聯度為0.547)；受11月～次年5月降水量的影響次之(關聯度為0.504)；年降水量和年日照時數與小麥單產間的關聯程度適中(關聯度分別為0.449和0.436)；11月～次年5月降水量和11月～次年5月日照時數對小麥單產的影響較弱(關聯度分別為0.357和0.354)。小麥氣候單產受11月～次年5月降水量影響最大(關聯度為0.383),其次為年平均氣溫和11月～次年5月平均氣溫(關聯度均為0.361)；11月～次年5月日照時數、年降水量和年日照時數對小麥氣候單產的影響較小(關聯度分別為0.355、0.347和0.341)；所有氣候參數與小麥氣候單產間的關聯度差異不大,表明小麥氣候產量受氣候變化的影響較小。

圖4 1998～2017年漢中市主要糧食作物單產的變化

表2 1998～2017年漢中市小麥產量和氣候參數間的關聯度

由圖5可知,漢中市小麥氣候單產呈上升趨勢,以46.26 kg/(hm2·10 a)的速度在緩慢上升,其中小麥氣候單產最高的一年為2000年(氣候產量為628.13 kg/hm2),最低的一年為2002年(氣候產量為-445.95 kg/hm2),僅相隔1年,小麥氣候單產相差1074.08 kg/hm2,差異尤為顯著。

2.3.2 氣候變化對稻谷產量的影響 由表3可見,稻谷單產與氣溫的關聯度最大,其中最高為和6～10月平均氣溫的關聯度0.772,其次是與年平均氣溫的關聯度0.751。年日照時數和6～10月日照時數與稻谷單產的關聯度相同,均為0.549。年降水量和6～10月降水量在所有氣候參數中對稻谷單產的影響較小,關聯度均為0.483。氣溫對稻谷氣候單產的影響最大,其中6～10月平均氣溫的影響(與稻谷氣候單產的關聯度為0.378)略大于年平均氣溫的影響(關聯度為0.377)；年降水量和6～10月日照時數對稻谷氣候單產的影響次之；稻谷氣候單產與6～10月降水量和年日照時數的關聯度較小,分別為0.362和0.359。因此，稻谷單產和氣候單產整體上均受氣溫的影響最大,但稻谷氣候單產相對于稻谷單產受氣候的影響較小。

由圖5還可知,漢中市稻谷氣候單產的增長速度為65.82 kg/(hm2·10 a),略高于小麥氣候單產的增長速率,整體呈波動上升趨勢。其中稻谷氣候單產最高的一年為2007年(氣候產量為468.55 kg/hm2),最低的一年為2003年(氣候產量為-458.66 kg/hm2)；在2012年之前,各年份之間稻谷氣候產量波動較大,從2012年開始,稻谷氣候產量各年間波動較為平穩。

表3 1998～2017年漢中市稻谷、玉米產量和氣候參數的關聯度

圖5 1998～2017年漢中市主要糧食作物氣候單產的變化

2.3.3 氣候變化對玉米產量的影響 玉米單產受氣溫的影響最大,其中年平均氣溫對玉米單產的影響大于6～10月平均氣溫的影響；6～10月降水量、6～10月日照時數、年降水量和年日照時數對玉米單產的影響次之,且在4個關聯度之間差異較小。玉米氣候單產受年平均氣溫的影響最大(關聯度為0.362),其次為6～10月日照時數和6～10月平均氣溫(關聯度分別為0.361和0.360)；玉米氣候單產受年降水量和6～10月降水量的影響較小(關聯度分別為0.336和0.319)。不論是玉米單產還是氣候單產,均表現為受年平均氣溫的影響最大,受年平均氣溫的影響程度略低于稻谷。

由圖5可知：玉米氣候單產整體呈升高趨勢,上升速度為93.57 kg/(hm2·10 a),高于小麥和稻谷氣候單產的上升速度；玉米氣候單產整體上有兩個峰值,在2000年峰值(氣候產量為344.84 kg/hm2)前后玉米氣候單產先顯著上升后急劇下降,而在2009年峰值(氣候產量為213.72 kg/hm2)前后波動較為平緩；玉米氣候單產最低的一年為1998年(氣候產量為-594.14 kg/hm2)。

3 結論與討論

3.1 結論

漢中市近20年來,年平均氣溫呈上升趨勢,增長傾向率為0.48 ℃/10 a；夏糧作物期和秋糧作物期的平均氣溫同呈增長趨勢,其中秋糧作物期氣溫的增長速度大于年平均氣溫的,為0.55 ℃/10 a。年降水量表現為不斷升高,增長傾向率為53.05 mm/10 a；夏糧作物期和秋糧作物期的降水量也均表現為上升趨勢。年日照時數呈下降趨勢,減小傾向率為-79.9 h/10 a；夏糧作物期和秋糧作物期的日照時數與年日照時數的變化趨勢相同,均表現為下降趨勢。

漢中市小麥、稻谷和玉米的單產和氣候單產均呈上升趨勢,以玉米單產的上升速度最快,增長傾向率為283.69 kg/(hm2·10 a);在三大糧食作物中，以玉米氣候單產的增長最為顯著,增長傾向率為93.57 kg/(hm2·10 a)。玉米單產及氣候單產的顯著增長,說明漢中市的氣候條件變化有益于玉米單產的提升。

研究區各主要糧食作物受氣溫的影響程度大于受降水和日照的影響程度;研究區主要糧食作物的氣候單產與各氣候因素的關聯度不大,表明研究區小麥、稻谷和玉米的氣候單產受氣溫、降水和日照時數的影響不顯著。

3.2 討論

全球范圍大部分地區的主要糧食作物會因全球氣候變暖而減產[19-20],在未來10年的時間,中國主要糧食作物可能會因此減產5%～10%[21-22],因此了解氣候變化對漢中市主要糧食作物的影響規律,可為氣候變暖導致漢中市糧食減產的應對方案制定提供科學依據。

氣候變化會對漢中市糧食產量產生影響。張小峰等[16]研究發現:漢中市糧食氣象產量與氣溫呈負相關,氣象產量對氣溫的敏感性較強;糧食氣象產量與降水、氣溫的相關系數均未通過顯著水平檢驗。本研究發現:漢中市主要糧食作物的產量受氣溫的影響程度較大;主要糧食作物的氣候單產與各氣候因素的關聯度較低,受氣候變化的影響不顯著。本研究在繼承前人的研究成果的基礎上,對漢中市影響農業生產的主要氣候因子(氣溫、降水量與日照時數)和主要糧食作物產量的變化特征，以及氣候因子變化對主要糧食作物產量的影響進行了分析,所得的研究結果可為漢中市農業部門應對氣候變化、制定農業發展政策提供科學依據。