近60年玉溪地區氣候生產潛力變化及糧食安全氣候承載力評估

韓 敏,楊軻然,田 樂,尹昱達,周 泓*

(1.玉溪市紅塔區氣象局,云南玉溪 653100;2.玉溪市氣象局,云南玉溪 653100)

我國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區之一,氣候變化對我國糧食安全影響不容忽視,糧食作為人類賴以生存的最基本物質,其安全問題受到了廣泛關注。我國農業受全球氣候變化的影響利弊共存,一方面,氣候變暖增加熱量,種植面積擴大,對增產是有利的,但另一方面,氣候變化對農業生產的不利影響也日益突出。IPCC發布的第六次評估報告第二工作組報告指出,極端天氣氣候事件的發生造成了一系列難以應對的影響,這加劇了數百萬人的水和糧食危機[1-2]。玉溪作為滇中山地城市,是典型的“雨養農業”,氣候變化對糧食生產水平影響顯著。因此,研究該地區的氣候生產潛力和氣象要素的關聯性以及變化規律,確保區域經濟資源以及自然資源利用朝著可持續方向發展。

氣候資源與環境資源一樣,其承載能力或容量是有限的,參考環境承載力提出“氣候-糧食-人口”框架來評估區域尺度面向糧食安全的氣候承載力的方法[3],分析氣候資源和人類社會需求之間的供求關系。大多數學者對各地區從不同角度及不同層面[4-6],并且借助Tharnthwaite-Memorial模型[7]、Miami模型[8]、AEZ模型[9]等方法來針對氣候生產潛力進行計算。於俐等[10]較早提出了氣候承載力概念,盧燕宇等[11-12]基于氣候條件與人類活動的相互作用關系探討了氣候承載力的空間格局與關鍵影響因子,鄭開雄等[13]發展了基于DPSIR和狀態空間法的氣候承載空間模擬分析。關于糧食生產氣候承載力,盧燕宇等[14]從糧食生產與光溫水等氣候因子的關系出發分析了安徽省的氣候承載力,姬興杰等[9]研究了基于夏玉米和冬小麥2種主糧作物未來氣候變化下的氣候承載力,李蒙等[3]計算并分析云南氣候生產潛力和氣候承載力指數的變化特征。鑒于目前可供參考玉溪地區氣候生產潛力的資料較為稀少,關于玉溪地區氣象要素對氣候產生潛力方面帶來的影響相關研究資料十分匱乏。筆者將玉溪地區作為主要研究區域,分析該地區近60年以來氣候生產潛力變化,并基于糧食安全,對該地區氣候承載力和相對剩余率進行計算,探索該地區氣候承載力的容量能否滿足該地區不同消費水平的糧食需求,進而為該地區農業的發展和保障糧食的安全提供指導參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源該研究選取玉溪市1961—2020年的逐日氣象資料,降水量、氣溫、風速和相對濕度等關鍵信息數據均源自9個國家大監站,數據連續性較好。人口數據來源于第七次全國人口普查,耕地面積來源于第三次全國國土調查。

1.2 研究方法

1.2.1光合生產潛力。光合生產潛力是只考慮太陽輻射條件所確定的土地生產潛力[15]。根據光合有效系數計算法[16],使用以下光合生產潛力計算模型:

(1)

式中:PQ為光合生產潛力[kg/(hm2·a)];C為能力轉換系數,大多數作物均值為17.8 MJ/kg;F為光能利用率,玉溪地區糧食作物主要為水稻、玉米和小麥,該研究不分析個別作物,綜合考慮這3種禾谷作物,3種禾谷作物的光能利用率平均值為2%[17];E為經濟系數,禾谷作物的平均經濟系數為0.4;Q為太陽輻射[MJ/(m2·a)]。根據現有的研究成果,分析昆明日射站的太陽輻射和天文輻射的關系,使用相應的經驗系數,最終得出玉溪地區的太陽輻射計算公式[18]:

Q=Q0(0.175+0.52S1)

(2)

式中:S1是日照百分率(%),由日照時數計算;Q0是天文輻射[MJ/(m2·a)]。

1.2.2光溫生產潛力。按照溫度有效系數方法[16],選擇無霜期在全年所占的比值作為光溫生產潛力的系數:

PP=ft×PQ

(3)

ft=n/365

(4)

式中:PP為光溫生產潛力[kg/(hm2·a)];ft為溫度有效系數;n為無霜日(d)。

1.2.3氣候生產潛力。考慮水分對生產潛力的影響,按照水分有效系數訂正法[16],將降水與蒸發的比值作為氣候生產潛力的有效系數:

PC=fw×PP

(5)

fw=R/ET

(6)

式中:PC為氣候生產潛力[kg/(hm2·a);fw為水分有效系數;R為年降水量(mm);ET為年蒸散量(mm),由Penman-Monteith公式計算。

1.2.4氣候承載力和相對剩余率。氣候系統可為經濟活動提供物質條件,但其容納能力是有限度的,面向糧食安全的氣候承載力評價,就是在一定的氣候條件下,不超出糧食生產潛力的限度,可支撐空間內人口糧食需求的能力,通過定量和定性的評價確定承載力水平。氣候承載力的評價內容包括氣候生產潛力和糧食消費水平[9],計算公式如下:

氣候承載力=氣候生產潛力/人均糧食需求指標

(7)

為評價區域經濟社會活動與氣候承載力是否處于協調狀態,還應掌握該區域的剩余環境容量,提出相對剩余率,構建氣候承載力的相對剩余率的量化,確定當前氣候條件下所評價對象是否在承載范圍內,從而幫助人們采取相應的控制措施。區域氣候承載力相對剩余率是一定區域范圍內氣候承載力在保障糧食安全的狀態下糧食生產承載的人口數是否還有剩余空間[9,14]。從氣候承載力和實際人口數出發,獲得該區域的相對剩余率計算公式:

(8)

2 結果與分析

2.1 氣候生產潛力分析

2.1.1氣候生產潛力時間變化特征。1961—2020年玉溪地區平均氣候生產潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),最大值為1968年的21 401.9 kg/(hm2·a),最小值為2019年的10 880.4 kg/(hm2·a);1968年降水量超過1 100 mm,而2019年降水量不足700 mm,相應的2019年出現較重的干旱災害。從線性傾向率來看(圖1),近60年氣候生產潛力呈減少趨勢,減少率為25.8 kg/(hm2·a),但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗,說明近60年氣候生產潛力的減少趨勢是不顯著的。各縣的氣候生產潛力均為減少趨勢,減少趨勢最大的為峨山,減少率為73.2 kg/(hm2·a),通過0.01水平的顯著性檢驗,減少趨勢明顯;通海、華寧和易門減少趨勢較小(表1)。從氣候變化對氣候生產潛力的影響來看,雖然1961—2020年溫度呈明顯上升趨勢(通過0.01水平的顯著性檢驗),無霜期變長,輻射隨時間變化平緩,但降水量呈下降趨勢(沒有通過0.05水平的顯著性檢驗),并且降水量年際波動較大,導致氣候生產潛力年代際波動較大(圖2)。1961—1970年氣候生產潛力呈增加趨勢,增加速率為207.3 kg/(hm2·a);1971—1980年氣候生產潛力以740.4 kg/(hm2·a)的速率減少;1981—1990年氣候生產潛力減少,減少速率為190.1 kg/(hm2·a);1991—2000年氣候生產潛力增加,增加速率為401.6 kg/(hm2·a);2001—2010年氣候生產潛力以734.8 kg/(hm2·a)的速率減少;2011—2020年氣候生產潛力增加,增加速率為144.3 kg/(hm2·a);1971—1980和2001—2010年氣候生產潛力減少趨勢通過0.01水平的顯著性檢驗,說明20世紀70年代和21世紀初玉溪地區氣候生產潛力減少趨勢明顯。

表1 玉溪地區各縣(區)氣候生產潛力及其變化趨勢

圖1 1961—2020年玉溪地區氣候生產潛力變化趨勢Fig.1 Change trend of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

圖2 1961—2020年玉溪地區氣候生產潛力變化率Fig.2 Change rate of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.2氣候生產潛力突變檢驗。借助 Mann-Kendall非參數統計方法對近60年來玉溪地區氣候生產潛力的突變狀況進行檢驗分析,結果表明(圖3),近60年玉溪地區氣候生產潛力呈減少趨勢,但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗,減少趨勢不明顯。出現多個時段的增加和減少趨勢,但這些增加和減少趨勢均沒有通過0.05水平的顯著性檢驗,說明增加和減少趨勢均不顯著。研究時段內UF和UB曲線出現多個交叉點,且交叉點在臨界線之間,表明近60年來玉溪地區氣候生產潛力發生多次突變。

圖3 1961—2020年玉溪地區氣候生產潛力Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 Mann-Kendall mutation test of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.3氣候生產潛力空間分布。根據玉溪9個氣象站1961—2020年的逐年日照時數、氣溫和降水量資料,計算玉溪地區光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力的空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出,玉溪地區日照資源豐富,其光合生產潛力較大,近60年光合生產潛力的平均值為25 265.9 kg/(hm2·a),年光合生產潛力北低南高;受輻射分布影響,玉溪南部輻射資源較好,相對的光合生產潛力較大,光合生產潛力為25 901.9～25 972.2 kg/(hm2·a);北部光合生產潛力相對較低,為24 650.1～24 675.5 kg/(hm2·a)。玉溪光溫生產潛力與光合生產潛力空間分布特征一致,南高北低,特別是南部河谷地區,氣溫較高,光溫生產潛力的平均值為22 997.4 kg/(hm2·a),南部為24 818.5～25 933.7 kg/(hm2·a),北部為21 077.0～22 861.9 kg/(hm2·a)。光溫水生產潛力也稱為氣候生產潛力,玉溪地區氣候生產潛力平均值為16 287.7 kg/(hm2·a),氣候生產潛力空間分布受降水變率影響,南部光合生產潛力和光溫生產潛力的高值區轉為氣候生產潛力的低值區,為12 327.3 kg/(hm2·a),而中部和北部氣候生產潛力增加,為15 805.2～17 920.1 kg/(hm2·a)。可見玉溪地區氣候生產潛力空間分布與地勢相符,地勢相對平坦的地區,氣候生產潛力較大;地勢起伏較大,特別是河谷與高山并存,海拔高差較大的地區,氣候生產潛力較小。

圖4 1961—2020年玉溪地區光合生產潛力(a)、光溫生產潛力(b)和氣候生產潛力(c)空間分布[單位:kg/(hm2·a)]Fig.4 Spatial distribution of photosynthetic production potential(a),light temperature production potential(b),and climate production potential(c)in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.4氣候生產潛力限制因素分析。對近60年來玉溪地區氣候生產潛力與日照時數、氣溫和降水量進行Pearson 相關分析,結果發現(圖5),年日照時數、年平均氣溫與氣候生產潛力相關性系數分別為-0.346和-0.348(均達到0.01水平的顯著相關),年降水量與氣候生產潛力之間的相關系數為0.979(達到0.01水平的顯著相關),表明近60年來玉溪地區年日照時數、年平均氣溫與氣候生產潛力呈負相關,年降水量與氣候生產潛力呈正相關,核心限制因素是年降水量。

圖5 玉溪地區氣候生產潛力與年日照時數(a)、年平均氣溫(b)和年降水量(c)的相關性Fig.5 Correlation between climate production potential and annual sunshine hours(a),annual average temperature(b),and annual precipitation(c)in Yuxi region

2.2 氣候承載力和相對剩余率分析

2.2.1氣候承載力。參照聯合國糧食及農業組織(FAO)給出的參考意見,糧食安全線為年人均400 kg[13],陳玲玲等[19]根據我國糧食生產及消費趨勢推算未來人口發展的年人均糧食需求量,將社會發展分為寬裕型、小康型和富裕型,相對應的年人均糧食消費分別為420、460和490 kg。就當前云南年人均糧食消費水平來看,2011—2020年云南糧食產量在全國糧食產銷平衡中居前列,所以將當前玉溪年人均糧食消費水平定為400 kg。

用玉溪地區氣候生產潛力分別求算不同消費水平下的氣候承載力,以玉溪地區當前糧食消費水平(年人均糧食消費400 kg)來計算,可承載的人口總數量為817.7萬,寬裕型消費水平可承載的人口總數量為778.8萬,小康型消費水平可承載的人口總數量為711.0萬,富裕型消費水平可承載的人口總數量為667.5萬(圖6)。玉溪地區常住人口為224.9萬(第七次全國人口普查),低于玉溪地區不同糧食消費水平下可承載的人口數,因此,玉溪地區糧食生產能夠滿足該地區不同消費水平的糧食需求。從空間分布層面(圖7)來看,由于各縣(區)間地形的制約以及經濟發展水平的差異,各縣(區)間的承載力差異明顯,導致玉溪各縣(區)呈現出明顯的差異性分布特點。新平、華寧、峨山耕地面積較大,并且這3個縣氣候生產潛力高,所以氣候承載力較其他縣(區)偏高,以小康型社會消費水平的氣候承載力來看,新平可承載175.2萬人,華寧可承載101.8萬人,峨山可承載91.9萬人。通海、江川、易門的氣候生產潛力為中等至較高水平,耕地面積也處于中等水平,所以這3個縣(區)的氣候承載力處于中等水平,以小康型社會消費水平的氣候承載力來看,江川可承載63.0萬人,通海可承載62.4萬人,易門可承載62.1萬人。元江耕地面積處于中等水平,但氣候生產潛力為全市最低,導致其氣候承載力較低,以小康型社會消費水平的氣候承載力來看,元江可承載59.6萬人。澄江氣候生產潛力位于中等水平,但耕地面積較小,導致其氣候承載力低,以小康型社會消費水平的氣候承載力來看,澄江可承載54.2萬人。紅塔的城鎮化進程較快,人口較其他縣(區)密集,并且氣候生產潛力為較低水平,耕地面積全市最小,導致其氣候承載力最低,以小康型社會消費水平的氣候承載力來看,紅塔可承載43.6萬人,當前紅塔常住人口為58.9萬人,糧食生產不能夠滿足紅塔不同消費水平的糧食需求,該地區糧食自給類型為依賴型。

圖6 玉溪地區不同糧食需求水平下氣候可承載的人口數Fig.6 Climate capable population under different grain demand levels in the Yuxi region

圖7 玉溪各縣不同糧食需求水平下氣候可承載人口數Fig.7 Climate capable population under different grain demand levels in Yuxi Counties

2.2.2相對剩余率。用玉溪氣候生產潛力的平均值分別求出不同消費水平下的相對剩余率,結果發現(圖8),現階段糧食消費水平、寬裕型消費水平、小康型消費水平以及富裕型消費水平下相對剩余率分別為263.5%、 246.2%、216.1%、196.7%。從小康水平下看玉溪各縣(區)氣候承載力的相對剩余率分布(表3),除了紅塔的相對剩余率小于0以外,其他縣(區)的相對剩余率均大于0,其中,新平和峨山在小康水平下的相對剩余率大于500%,可見玉溪地區各縣(區)間的相對剩余率差別較大,但綜合相對剩余率均能表明氣候承載力的容量均大于實際人口數。因此,從基于糧食安全的氣候承載力和相對剩余率來看,玉溪地區氣候生產潛力就保障本地的糧食安全而言有較大的潛力。

表3 玉溪地區各縣(區)不同糧食需求水平下的相對剩余率

圖8 玉溪地區不同糧食需求水平下的相對剩余率Fig.8 Relative surplus rate under different levels of grain demand in Yuxi region

3 結論與討論

1961—2020年玉溪地區平均氣候生產潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),近60年氣候生產潛力呈減少趨勢,但趨勢不顯著,其中,20世紀70年代和21世紀初氣候生產潛力減少顯著。玉溪地區氣候生產潛力空間分布與地勢相符,地勢相對平坦的地區,氣候生產潛力較大;地勢起伏較大的地區,氣候生產潛力較小。對氣候生產潛力進行突變檢驗表明,近60年來玉溪地區氣候生產潛力發生多次突變,但年際間的波動趨勢均沒有通過顯著性檢驗,上升和下降均不顯著。年日照時數、年平均氣溫與氣候生產潛力呈負相關,年降水量與氣候生產潛力呈正相關,說明玉溪地區光照和熱量對氣候生產潛力的限制沒有降水的限制效應大,其核心限制因素是年降水量。

對玉溪地區糧食氣候承載力和相對剩余率進行計算,結果表明,全市當前人口數低于氣候承載力,糧食生產能夠滿足該地區不同消費水平的糧食需求。但從空間分布層面來看,玉溪各縣(區)呈現出明顯的差異性。因此需要優化玉溪地區氣候承載力,加強對耕地地力的培育與改造,改善農業生產條件,強化信息服務構建水平以及進一步提升農業物質投入力度,從而提高土地產出率。

承載力的計算不是簡單的數學運算,存在著許多方面的問題,該研究僅從不同糧食消費水平層面來針對氣候資源承載力進行了分析,分析的切入點相對單一。 此外,關于氣候承載力方面除了包含氣候資源供給水平以外,也需要將氣候災害對于糧食產量帶來的影響納入考慮范圍。因此,系統評估氣候承載力尚且需要進一步的完善,尤其是定量化技術方法、氣候承載力評估框架以及拓寬應用對象和應用領域等方面依舊需要進一步研究。