黑龍江省氣候生產(chǎn)力時(shí)空分布及糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)

魏子力

(1.信陽師范學(xué)院,河南信陽 464000；2.河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南信陽 464000)

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的第四次和第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出：1880—2012年期間，全球平均地表溫度升高了0.85 ℃，1850—1900年時(shí)期和2003—2012年兩個(gè)時(shí)期平均溫度總升溫幅度為0.78 ℃，預(yù)計(jì)2030—2052年間可能達(dá)到1.5 ℃[1-2]，這將使全球糧食產(chǎn)量面臨重大挑戰(zhàn)。因此加強(qiáng)對(duì)氣候變化監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)對(duì)保障全球糧食安全具有重要作用。

氣象因素對(duì)土地的影響比其它基本要素更為突出[3]。國(guó)內(nèi)外已有大量有關(guān)氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究。Nelson G C等[4]研究發(fā)現(xiàn)氣溫上升、降雨格局的變化和灌溉水量供應(yīng)的變化對(duì)作物產(chǎn)量有重要影響。發(fā)達(dá)國(guó)家的糧食產(chǎn)量受氣候因素的影響小于發(fā)展中國(guó)家，在沒有人為因素影響的條件下，東南亞、東亞、南亞、撒哈拉以南非洲和太平洋地區(qū)重要作物的產(chǎn)量都將大幅度下降。 Piao等[5]研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域氣候變暖延長(zhǎng)了作物的生長(zhǎng)期，使得水稻種植向北擴(kuò)展；受益于氣溫升高，中國(guó)北方溫帶氣候區(qū)的作物產(chǎn)量增加，但害蟲和疾病的活動(dòng)范圍可能相應(yīng)擴(kuò)大，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。崔林麗等[6]研究了不同季節(jié)陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣候變暖的響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國(guó)四個(gè)季節(jié)的陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力都呈顯著增加趨勢(shì)，春季陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力增加速率最快，夏季陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力增加量最大；我國(guó)東部的多數(shù)地區(qū)、內(nèi)蒙古東部、四川盆地、貴州東部、藏南和新疆西部陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)最高，在呼倫貝爾高原、鄂爾多斯高原、黃土高原、青藏高原東部和新疆西北部陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力降低最多。氣候要素對(duì)我國(guó)陜西地區(qū)也有重要影響，鄭小華[7]研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖使陜西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱量資源增加，但降水量減少，氣候生產(chǎn)力降低。張小峰[8]研究得出漢中市熱量條件較好，但降水量不足是限制氣候生產(chǎn)潛力的主要因素，尤其是南部山區(qū)氣候生產(chǎn)力潛力最大。

黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，也是我國(guó)商品糧生產(chǎn)的重要基地。黑龍江省的松嫩平原、三江平原和穆棱河—興凱湖平原是我國(guó)東北大平原的一部分，平原面積遼闊，地勢(shì)低平，廣布肥沃的黑鈣土，因此黑龍江省糧食產(chǎn)量位居我國(guó)首位且糧食品質(zhì)優(yōu)良。高永剛等[9]采用WOFOST作物生長(zhǎng)模型分析了馬鈴薯氣候生產(chǎn)力的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯不同氣候栽培區(qū)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性迥異。李秀芬等[10]從玉米氣候生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)及其空間差異入手，發(fā)現(xiàn)黑龍江省玉米產(chǎn)量在空間分布上均表現(xiàn)為由西南向東北逐漸減少，玉米實(shí)際單產(chǎn)與氣候生產(chǎn)力比率仍有很大上升潛力。目前，研究黑龍江省氣候變化對(duì)某一種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量影響的研究較多，但從氣候生產(chǎn)力的角度研究較少，且缺少1960年代資料的相關(guān)分析。本文利用Thomthwaite Memorial氣候生產(chǎn)力模型和克里金插值法對(duì)該省氣候生產(chǎn)力的時(shí)空分布進(jìn)行深入分析，對(duì)影響氣候生產(chǎn)力的氣象因素開展相關(guān)性分析，并利用GM(2，1)模型對(duì)黑龍江省未來10 a的糧食總產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期分析該區(qū)域近56 a來農(nóng)業(yè)氣候資源和氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征，揭示氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)力影響的時(shí)空規(guī)律，為正確調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，幫助農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選用黑龍江省1961—2017年25個(gè)站點(diǎn)的逐月平均氣溫、平均降水量和年平均糧食產(chǎn)量資料。資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)和黑龍江省1961—2017年統(tǒng)計(jì)年鑒(http://www.stats.gov.cn/)。所用資料經(jīng)過質(zhì)量控制，具有良好的完整性和連續(xù)性。

圖1 研究區(qū)氣象站空間分布

1.2 研究方法

利用黑龍江省25個(gè)站點(diǎn)年平均氣溫和年平均降水量數(shù)據(jù)，在Thornthwaite Memorial模型的基礎(chǔ)上分析了黑龍江各地的氣候生產(chǎn)力；在線性回歸和克里金插值法的支撐下分析了氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化，并用皮爾遜相關(guān)性分析法分析了影響氣候生產(chǎn)力的因素；基于已知?dú)夂蛏a(chǎn)力數(shù)據(jù)，采用灰色系統(tǒng)方法預(yù)測(cè)未來10 a的糧食產(chǎn)量。

1.2.1 Thornthwaite Memorial模型 氣候生產(chǎn)力是指充分、合理地利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，而其它條件處于最適宜狀況時(shí)單位面積土地上可能獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量[11]。計(jì)算氣候生產(chǎn)力的方法有很多，諸如植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)模型、Miami模型、Memorial模型、Chicago模型、筑后數(shù)學(xué)模型等[9]。本文選擇德國(guó)學(xué)者Lieth的方法，該學(xué)者依據(jù)植物生物產(chǎn)量與年平均氣溫、年降水量之間的關(guān)系，提出著名的Thornthwaite Memorial模型[12-14]:

PV=3000[1-e-0.000 956(V-20)]，

(1)

(2)

L=300+25t+0.05t3。

(3)

式中，PV為氣候生產(chǎn)力(kg/(hm2·a))，V為年平均蒸散量(mm)，L為年平均蒸發(fā)量(mm)，t為年平均氣溫(℃)，R為年降水量(mm)。

該方法不受個(gè)別氣象數(shù)據(jù)異常值的干擾，又能有效說明氣候變化的影響，具有包含的環(huán)境因子較全面的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算的結(jié)果優(yōu)于其它模型[12-13]。

1.2.2 克里金插值法，又稱空間局部估計(jì)或空間局部插值法，它是建立在變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，是在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域變化的取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。其實(shí)質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變化的取值進(jìn)行線性無偏、最優(yōu)估計(jì)[15]。

1.2.3 皮爾遜相關(guān)性分析法 皮爾遜相關(guān)性分析法是描述兩個(gè)隨機(jī)氣候要素線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量，主要是通過相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)完成的。相關(guān)系數(shù)rxy，是表示兩要素之間的相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其值介于[-1，1]區(qū)間。rxy>0，表示正相關(guān)，即兩要素同向相關(guān)；rxy<0，表示負(fù)相關(guān)，即兩要素異向相關(guān)。rxy的絕對(duì)值越接近于1，表示兩要素的關(guān)系越密切；越接近于0，表示兩要素的關(guān)系越不密切[15]。

1.2.4 灰色系統(tǒng)方法 灰色系統(tǒng)是由我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授于20世紀(jì)80年代首創(chuàng)的一種系統(tǒng)建模理論。該理論認(rèn)為，客觀世界，既是物質(zhì)的世界，又是信息的世界。它既包含大量的已知信息，也包含大量的未知信息與非確定信息。未知的或非確定的信息稱為黑色信息，已知信息稱為白色信息。既含有已知信息，又含有未知信息和非確定信息的系統(tǒng)，稱為灰色系統(tǒng)。模型具備有不需要大量樣本且樣本不需要有規(guī)律性分布就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未知信息的便捷性[15]。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫和降水量時(shí)間序列變化特征

2.1.1 氣溫變化特征 圖2展示了1961—2017年黑龍江省年平均氣溫時(shí)間序列變化特征。由圖可知：黑龍江省年平均氣溫最大值和最小值分別出現(xiàn)在2007年和1969年，正距平最大值為1.64 ℃，負(fù)距平最小值為-2.09 ℃。一元線性回歸擬合表明，黑龍江省年平均氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，變化傾向率為0.28±0.11 ℃/10 a(通過0.05顯著性檢驗(yàn)，下同)。計(jì)算相鄰年份年平均氣溫的絕對(duì)值(差值正負(fù)僅表示年平均氣溫變化方向)可得黑龍江省年平均氣溫的變化幅度。黑龍江省年平均氣溫多年平均值為2.46 ±0.80 ℃，其中最大變幅出現(xiàn)在1975和1976年，變化幅度為1.87 ℃，最小變幅出現(xiàn)在1967和1968年，相鄰兩年年平均氣溫波動(dòng)變化幅度極小。

圖2 1961—2017年黑龍江省年平均氣溫變化

就年代際變化而言，黑龍江省20世紀(jì)70年代氣溫較低，10 a中有9 a氣溫為負(fù)距平，年代距平為-0.65 ℃；60年代年平均氣溫以負(fù)距平為主，但其寒冷程度未超過70年代，年代均值僅比多年均值低0.04 ℃；80年代年平均氣溫圍繞均值劇烈波動(dòng)，由于負(fù)距平強(qiáng)度較大，年代平均值為-0.05 ℃；90 年代開始黑龍江省年平均氣溫開始急劇上升，年平均氣溫除2000年之外絕大多數(shù)為正距平；21世紀(jì)00年代年平均氣溫較多年平均值高0.61 ℃；2010年后氣溫持續(xù)上升，2011-2017年年平均氣溫較多年平均值高0.42 ℃，介于前兩個(gè)年代之間，高于20世紀(jì)90年代0.02 ℃，低于21世紀(jì)00年代0.20 ℃。

2.1.2 降水量變化特征 圖3為1961—2017年黑龍江省年平均降水量時(shí)間序列變化特征。由圖可知：黑龍江省年平均降水量最大值和最小值分別出現(xiàn)在2013年和2001年，正距平最大值為674.62 mm，負(fù)距平最小值為-152.42 mm。一元線性回歸擬合表明，黑龍江省年平均降水量呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，變化傾向率為7.06 ±10.97 mm/10 a(通過0.05顯著性檢驗(yàn),下同)。計(jì)算相鄰年份年平均降水量差值的絕對(duì)值(差值正負(fù)僅表示年平均降水量變化方向)可得黑龍江省年平均降水量的變化幅度。分析可知，黑龍江省年平均降水量多年平均值為514.47±68.40 mm，其中最大變幅出現(xiàn)在2001和2002年，變化幅度為179.31 mm，最小變幅出現(xiàn)在2014和2015年，相鄰兩年平均降水量幾乎沒有發(fā)生變化。

圖3 1961—2017年黑龍江省年平均降水量

就年代際變化而言，黑龍江省20世紀(jì)70年代平均降水量較少，10 a中有7 a降水量為負(fù)距平，年代距平為-45.58 mm。80年代降水量較多，10 a中有3 a降水量為負(fù)距平，年代距平31.60 mm。20世紀(jì)60、90年代，21世紀(jì)00年代黑龍江省年平均降水量圍繞均值劇烈波動(dòng)，盡管正距平年份和負(fù)距平年份相當(dāng)。但60年代、00年代負(fù)距平強(qiáng)度稍大，降水量距平平均值分別為-7.03 mm和-3.20 mm；90年代正距平強(qiáng)度稍大，該年代平均值為3.59 mm。2010年后年平均降水量持續(xù)上升，2011-2017年平均降水量平均為50.78 mm，較80年代增多19.18 mm。

2.2 氣候生產(chǎn)力變化特征

2.2.1 時(shí)間序列變化特征 圖4為黑龍江省近57 a氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征。由圖可知：近57 a來黑龍江省氣候生產(chǎn)力總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，變化傾向率為117.05 ±52.67 kg/(hm2·10 a)，氣候生產(chǎn)力上升趨勢(shì)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。氣候生產(chǎn)力最高值為7 492.88 kg/(hm2·a)，出現(xiàn)在1990年；最低值為3 036.23 kg/(hm2·a)，出現(xiàn)在2001年；最高值和最低值的差值達(dá)1 456.65 kg/(hm2·a)。分析可知，黑龍江省年均氣候生產(chǎn)力多年平均值為6 846.77 ± 377.35 kg/(hm2·a)(通過0.05顯著性檢驗(yàn))，其中最大變幅出現(xiàn)在2001和2002年，變化幅度為1 213.89 kg/(hm2·a)，最小變幅出現(xiàn)在1961和1962年，相鄰兩年氣候生產(chǎn)力幾乎沒有發(fā)生變化。

圖4 1961—2017年黑龍江省氣候生產(chǎn)力變化

就年代變化而言，黑龍江省20世紀(jì)70年代氣候生產(chǎn)力較低，10 a中有9 a氣候生產(chǎn)力為負(fù)距平，年代距平為-224.25 kg/(hm2·10 a)，盡管60年代黑龍江省年氣候生產(chǎn)力也以負(fù)距平為主，但遠(yuǎn)不及70年代氣候生產(chǎn)力水平；80年代黑龍江省氣候生產(chǎn)力迅速上升，于21世紀(jì)10年代達(dá)到最大值，10年代比前三個(gè)年代氣候生產(chǎn)力分別增高217.85、187.09、255.09 kg/(hm2·10 a)。

2.2.2 空間變化特征分析 如圖5所示，黑龍江省氣候生產(chǎn)力在空間分布上均存在明顯的不均衡性。黑龍江省東北部的富錦市、鶴崗、虎林等地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力較大，均在7 500.00 kg/(hm2·a)以上，氣候生產(chǎn)力最大值在富錦市(11 413.30 kg/(hm2·a))；在黑龍江省中部和東北地區(qū)形成了兩個(gè)低值中心，均在3 500 kg/(hm2·a)以下，最小值在通河縣(3 101.10 kg/(hm2·a))，其次漠河市農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力也較低(4 162.53 kg/(hm2·a))。黑龍江省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的空間變化總體上呈由東南向西北和由東北向西南遞減的特征，中部形成氣候生產(chǎn)力低值中心，各站點(diǎn)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力存在較大的差異。這說明黑龍江省熱量資源空間分配的明顯差異決定了黑龍江省氣候生產(chǎn)力分布的不均，位于小興安嶺南麓山區(qū)的通河縣和位于三江平原腹地的富錦市的氣候生產(chǎn)力的差異說明地形地勢(shì)的空間差異也是影響黑龍江省的氣候生產(chǎn)力的因素之一。

圖5 黑龍江省氣候生產(chǎn)力(單位：kg/(hm2·a))空間分布

2.3 氣候要素對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響

關(guān)于影響氣候生產(chǎn)力的要素，皮爾遜相關(guān)分析表明:1961—2017年黑龍江省各氣候要素與氣候生產(chǎn)力之間呈強(qiáng)正相關(guān)。其中，與氣候生產(chǎn)力相關(guān)性最高的為年平均降水量，二者的相關(guān)系數(shù)為0.72；其次為年平均氣溫，二者的相關(guān)系數(shù)為0.57。一元線性回歸擬合表明：年平均氣溫對(duì)氣候生產(chǎn)力最為敏感，年平均氣溫每升高1 ℃，相當(dāng)于該地氣候生產(chǎn)潛力升高266.22±105.65 kg/(hm2·a)(通過0.05顯著性檢驗(yàn)，下同)；年平均降水量次之，年平均降水量每升高1 mm，相當(dāng)于該地氣候生產(chǎn)力升高3.99±1.03 kg/(hm2·a)。以上研究表明：年平均氣溫對(duì)氣侯生產(chǎn)力最敏感，年平均降水量的敏感性較低。F檢驗(yàn)顯示，回歸方程的F統(tǒng)計(jì)量均大于0.05顯著性水平的臨界值，表明方程均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)(表1)。

表1 影響黑龍江省氣候生產(chǎn)力的氣候要素檢驗(yàn)

2.4 作物產(chǎn)量和潛在生產(chǎn)力的對(duì)比及預(yù)測(cè)

從2000年以來黑龍江省糧食產(chǎn)量、氣候生產(chǎn)力及現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力分析結(jié)果(表2)可知，2000年以來，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力所占的比例逐漸升高，在2010和2011年增長(zhǎng)最快，兩年增幅達(dá)到12.24%，在2014年達(dá)到飽和，這與我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)提升和農(nóng)業(yè)用地比例大幅度增長(zhǎng)有密切的關(guān)系。

表2 21世紀(jì)00年代以來黑龍江省糧食產(chǎn)量、氣候生產(chǎn)力及現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力所占比例

以2000—2017年黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒中的糧食總產(chǎn)量為原始數(shù)據(jù)，建立GM(2，1)預(yù)測(cè)模型，根據(jù)模型計(jì)算得到2021—2030年黑龍江省糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)值見表3。根據(jù)2010—2017年黑龍江省糧食總產(chǎn)量已知數(shù)據(jù)，在灰色系統(tǒng)方法的支撐下，預(yù)估2021—2030年黑龍江省糧食產(chǎn)量依舊保持高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在2030年達(dá)到歷史最高峰，產(chǎn)量達(dá)到11 162.04×104t。

表3 黑龍江省糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)值

3 結(jié)論與討論

利用黑龍江省25個(gè)氣象站1961—2017年平均氣溫、年平均降水量數(shù)據(jù)，分析了近57 a來該地區(qū)平均氣溫、平均降水量氣候因子的時(shí)空變化特征，采用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算氣候生產(chǎn)力，并探討了氣候變化對(duì)該地區(qū)氣候生產(chǎn)力的影響，主要結(jié)論如下。

(1)黑龍江省1961—2017年年平均氣溫、年平均降水量和氣候生產(chǎn)力都呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，率化傾向率分別為0.28 ± 0.11 ℃/10 a、7.06 ± 10.97 mm/10 a、117.05 ± 52.67 kg/(hm2·10 a)，多年平均值分別為2.46 ±0.80 ℃、514.47 ± 68.40 mm和6 846.77±377.35 kg/(hm2·a)。其中，年均溫和氣候生產(chǎn)力的上升幅度最快。

(2)黑龍江省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力具有顯著的空間差異，氣候生產(chǎn)力的空間變化總體上呈由東南向西北和由東北向西南遞減的特征，形成通河縣、漠河縣為中心的兩個(gè)低值中心和一個(gè)以富錦市為中心的高值中心。黑龍江省氣候生產(chǎn)力和年平均降水量緊密相關(guān)，也對(duì)年平均氣溫最敏感。

(3)2000年以來，黑龍江省作物現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力所占的比例逐漸升高，2014年黑龍江省糧食現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力已達(dá)飽和。由灰色預(yù)測(cè)模型可知，黑龍江省未來10 a糧食潛力很大，糧食產(chǎn)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2030年糧食總產(chǎn)量可達(dá)11 162.04×104t。

(4)本研究的不足之處在于僅分析了逐年尺度黑龍江省歷史氣候變化特征、氣候生產(chǎn)潛力變化及未來糧食產(chǎn)量變化趨勢(shì)，在時(shí)間尺度劃分上較為粗略。同時(shí)，僅使用一種氣候生產(chǎn)力模型略顯單薄，后期應(yīng)詳細(xì)劃分研究尺度，利用多模式對(duì)比，從而為黑龍江省應(yīng)對(duì)氣候變化提供更精細(xì)的科學(xué)依據(jù)。