氣候變化對我國糧食產量的影響分析

□陳澤華，張 旭，張雨雨，夏晨茜，劉雨熙，劉夢鴿，黎 明

（湖北工業大學經濟與管理學院，湖北 武漢 430068）

農業生產本質上與氣候變化和自然資源密切相關，氣候變化以及由此產生的環境脆弱性直接影響到農業生產潛力。因此，在氣候變化背景下探索如何維持原有農業生產運行及建立適應現有氣候變化的農業生產機制成為首要問題。中國作為傳統的農業大國，目前傳統農業生產模式仍占主導地位，因此氣象因素仍是影響中國農業生產的決定性因素。研究發現，隨著近年來溫度的提升，全球糧食減產30%，如果考慮氣候變化所致的降水量減少和極端氣候增加等多種因素，糧食產量的降低可能導致區域及國家層面的糧食安全問題。

在世界范圍內尋求可持續的農業生產方式以滿足全球日益增加的糧食需求，削減大氣溫室氣體排放水平，防止其對自然生態系統產生較大的人為干擾，成為區域層面農業生產需要關注的重點內容。農業生態系統本身是極其脆弱的生態系統，氣候變化所導致的氣象因素及極端氣候事件會即時性地影響農業產出。因此，基于地方與區域需求，探索農業生態系統的脆弱性和適應能力，可以為農業生產提供重要理論依據。本研究通過低成本的運算工具，就區域農業生產重要指標和氣候變化因素的關聯性進行分析，為未來農業生產提供基礎數據，同時為管理者制訂相關政策提供借鑒。

1 研究對象與材料

1.1 研究對象

研究選擇2003—2020 年氣候數據中的溫度、降水與二氧化碳（CO2）排放量及糧食生產數據進行分析。其中，氣候數據來源于《中國統計年鑒》及CEADs中國碳核算數據庫，糧食數據取自《中國統計年鑒》及中國飼料行業信息網、天下糧倉網。

1.2 研究方法

選取中國糧食產量為研究樣本，選擇移動平均法分析進行了模擬。自回歸積分移動平均模型1970 年由Box＆Jenkings 提出，并廣泛應用于時間序列的分析與預測。移動平均法基于第一項數值計算其序時平均數，而后逐項移動，求出移動平均數。公式如下。

2 結果與分析

2.1 全國歷年氣候變化動態

全國2003—2020 年溫度動態變化數據如圖1 所示，2003—2020 年年平均溫度為14.4 ℃，近年來溫度變化極值出現頻率增加，其中，2007 年年平均溫度為14.9 ℃，2012 年年平均溫度為13.8 ℃。

圖1 全國2003—2022 年平均溫度變化

如圖2 所示，2003—2020 年全國年平均降水量呈增加態勢，總體平均降水量在905.5 mm，2016 年出現最高降水量1 128.9 mm，在2011 年出現最低降水量787 mm。

圖2 全國2003—2022 年降水量變化

如圖3 所示，在2020 年出現最高二氧化碳排放量達10 503.75 mt，2003 年出現最低二氧化碳排放量為4 249.68 mt，2003—2020 年平均二氧化碳排放量在8 318.6 mt。

圖3 全國2003—2022 年二氧化碳排放量變化

2.2 全國歷年糧食產量變化與預測研究

如圖4 所示，2003—2020 年我國糧食產量變化總體上呈現出逐年遞增的趨勢。

圖4 全國2003—2020 年糧食產量

運用2003—2020 年全國糧食產量數據，基于簡單移動平均預測模型，得到歷年糧食的預測值，結果如圖5 所示，2003 年為糧食產量最小，2020 年糧食產量最高，2003—2020 年平均糧食產量為58 133 萬t。

圖5 簡單移動平均預測模型預測糧食產量

簡單移動平均預測模型的預測結果能夠較好地擬合實際全國糧食產量，說明該簡單移動平均預測模型具有良好的預測效果。根據殘差分析結果，數據分布為白噪聲，分布為正態分布，如圖6 所示，該模型滿足分析需求。

圖6 實際值與預測值殘差圖

2.3 氣候變化因素對糧食產量的影響

如圖7 所示，對溫度變化與糧食產量數據運用Cubic 線性回歸模型進行擬合，R2值為0.316 2。結果顯示，溫度變化與糧食產量呈顯著性相關。因此，溫度對糧食產量的影響在一定程度上反映出氣候變化對農業生產的影響。

對降水量變化與糧食產量數據運用Cubic 線性回歸模型來進行擬合，如圖8 所示，R2值為0.446 3。數據結果表明，降水量變化與糧食產量呈現顯著性相關（P＜0.05）。因此，降水量是未來糧食生產過程中需要關注的重點環節。

圖7 溫度變化對糧食產量的影響

圖8 降水量變化對糧食產量的影響

由圖9 可知，通過對二氧化碳排放量變化與糧食產量數據運用Cubic 線性回歸模型進行擬合，采用擬合性較高的三階二項式趨勢線，R2值為0.948 1?？梢?，二氧化碳排放量變化與糧食產量相關系數較高，因而二氧化碳排放量變化對糧食產量影響較大，這也在一定程度上反映出二氧化碳（CO2）上升對農業生產的促進作用。

3 討論

本研究采用了一種基于簡單移動平均的糧食產量預測方法。結果表明，簡單移動平均能夠很好地實現糧食產量的預測分析。同時，基于殘差分析結果，模型滿足預測需求。

農業高度依賴特定的氣候條件，試圖了解氣候變化對糧食供應的整體影響可能很困難。溫度和二氧化碳（CO2）的增加可能對某些地方的某些作物有益，但前提是必須滿足養分水平、土壤濕度、水的可用性和其他條件。干旱和洪水的頻率以及其嚴重程度可能會給農民和牧場主帶來挑戰。

本研究發現，溫度、降水量、二氧化碳（CO2）3 種因素會影響農作物的生長發育、生長環境以及種植規律等方面，進而影響糧食的產出數量。由圖7～圖9可知，二氧化碳（CO2）作為重要的溫室氣體，是造成當前氣候變化的重要因素，但同時也是農業生產過程中必需的肥料，一定程度的二氧化碳（CO2）排量升高可以顯著增加植物的光合作用，從而促進糧食產量增加，因此糧食產量的變化需要綜合考慮眾多氣候影響因素。

圖9 二氧化碳排放量變化對糧食產量的影響

隨著全球氣候變化，氣溫上升直接影響作物生長的外部環境發生著細微的變化，這些變化又直接影響到作物的生長。從作物生長需求的環境條件來說，氣候變暖會使低溫凍害等災害減少、作物春季物候期提前、種植期延長，很大程度上將會促進作物生長，有利于糧食的生產。

降水量是否適宜取決于地面狀況、土壤性質、降水強度、當時的土壤水分狀況和作物的需水量等因素。有效降水是指實際補充到植物根層土壤水分，故有效降水區間內降水量越大，其對糧食作物的生長有益性就越大。

二氧化碳（CO2）等溫室氣體濃度增加會使農業生態環境發生一系列變化，并可能影響農業種植生產決策、品種改良、土地利用、農產品價格政策和技術改進等一系列問題。大量研究結果表明，大氣中的二氧化碳（CO2）濃度升高，大部分農作物產量將會有所增加。

總體而言，氣候變化可能會直接影響農作物種植，氣候變化的影響還需要考慮影響農業生產的其他因素。溫度、二氧化碳（CO2）含量以及極端天氣的頻率和強度變化可能對作物產量產生重大影響。溫度升高可能會使許多作物生長得更快，但也會降低作物產量產量。在較溫暖的條件下，作物往往生長得更快，然而，對于某些作物（如谷物），快速生長減少了種子生長和成熟的時間，這可能會降低產量。對于任何特定作物，溫度升高的影響將取決于作物生長和繁殖的最佳溫度。在一些地區，變暖可能有利于區域通常種植的作物類型，但是，如果變暖超過作物的最佳溫度，產量可能會下降。

4 結論

毫無疑問，農業是受氣候變化影響最大的行業，在未來幾十年里，滿足世界上日益增長的糧食需求可能會變得更加困難，因為世界上一些最貧困地區的農業系統已經面臨著人口增長和收入增長的挑戰。氣候變化改變了溫度和降水模式，對作物生產有直接影響。氣候變化將對區域水文產生直接影響，通過改變作物可用水量來影響農業生產。此外，氣候變化下的溫度升高在很大程度上會增加蒸散量和影響作物的生長需求。降水變化對作物產量會有一定的影響，未來日照時數和降水會呈下降趨勢，氣溫會保持上升趨勢，而日照時數減少、氣溫上升和降水減少不利于糧食增產；非氣候要素投入會改變氣候要素變化對糧食作物生產的影響，隨著氣溫上升、降水減少，增加灌溉、化肥投入會顯著提升糧食產量。因此，未來農業生產可從人工光照技術開發、推廣耐旱作物品種、完善農田灌溉設施等方面予以重點提升，從而提升農業生產的氣候韌性。