近50年气候驱动下三江平原粮食生产潜力时空演变分析

杜国明, 马敬盼, 张露洋, 孙晓兵, 张志宇, 刘 钊

(1.东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030; 2.东北大学 土地管理研究所,沈阳 110004; 3.中国农业大学 资源与环境学院, 北京 100193)

世界粮农组织把应对气候变化列为解决世界粮食供给和缓解饥饿的全球性重大挑战[1]。中国作为农业和人口大国，人口增长与粮食供给矛盾突出，气候变化背景下的农业生产对国家粮食安全以及社会稳定影响深远[1-3]。在影响粮食产量的众多因素中，单产提高对粮食增产的贡献度最大[4-6]。同时由于耕地面积的有限性，稳定可持续提高粮食单产已成为提高粮食产量的重要举措。目前保障粮食安全的核心已由产量安全逐步转向产能安全。核算粮食产能和生产潜力及其变化，可以为“藏粮于地”、耕地资源绿色可持续发展等国家耕地及粮食安全战略的实施提供依据[7-12]。

在气候变化对区域粮食生产潜力影响的研究中，学者们采用了多种方法和模型，从全国或者局部区域尺度，对区域整体或者个别作物类型的生产潜力进行分析[13-16]。联合国粮农组织和国际应用系统分析研究所共同开发了农业生态区划(Global Agro-Ecological Zones，GAEZ)模型，GAEZ模型经过不断地完善与改进，已被国内外众多学者应用到粮食生产潜力的估算中，结果有较高的准确性和科研意义[17-21]。

三江平原地处中温带北段、东北地区东部，是东北地区乃至全国气候变暖最为显著的区域，农业受气候影响显著[22]。同时，三江平原在新中国成立后陆续进行大规模农业开发，现已成为我国重要的粳稻主产区和商品粮基地，对我国农业发展和粮食供给贡献较大。因此，分析气候驱动下三江平原粮食生产潜力时空演变具有较为重要的现实意义。本文运用GAEZ模型对三江平原粮食生产潜力进行计算，并针对三江平原粮食生产潜力的时间变异和空间差异特征进行分析，旨在为区域耕地资源可持续利用、粮食产能保护及农业适应性研究提供依据，为后续耕地资源优化配置、供给侧结构调整提供参考。

1　研究区概况

三江平原位于黑龙江省东部，地理位置介于43°50′02′′—48°24′41′′N，129°11′49′′—134°46′37′′E。行政区域包括佳木斯、鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河等地级市以及牡丹江市所属的穆棱县和哈尔滨所属的依兰县，共计23个县(市、区)。处于中温带湿润、半湿润大陆性季风气候区。多年平均降水量450～650 mm，平均气温为1～4℃。四季分明，春季气候较为干燥，风力较大；夏季高温日长，雨量丰富；秋季多风，昼夜温差大；冬季严寒干燥。土壤有机质和养分总贮量较高，有较高的潜在肥力。

2　数据来源与研究方法

2.1　数据来源

GAEZ模型综合考虑气象、土壤适宜性、耕地利用等多方面的因素，数据包括：1961—2010年三江平原及周边区域的21个气象站点的气象数据，其中气温数据涉及日均温、日最高温度、日最低温度、积温等；降水数据涉及降水量、相对湿度、降水强度、降水变率等；辐射数据包括日照时数、有效辐射量等。土壤数据包括土壤质地、土壤肥力、土壤类型、侵蚀强度等属性，来自于中国科学院资源环境科学数据中心。地形高程数据包括坡度和坡向信息(分辨率为30 m)，来源于美国奋进号航天飞机的雷达地形测绘数据(SRTM)。耕地数据包括土地利用结构、土地利用方式、耕地灌溉比例等，其中耕地利用数据(2010年)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(比例尺为1∶10万)，耕地灌溉数据来自于黑龙江省统计年鉴等。为分析气候变化对三江平原粮食生产潜力的影响，本文假定研究区土地利用未发生变化，以2010年土地利用数据为基础，利用1961—2010年气候数据分析1 km×1 km栅格单元的粮食生产潜力。

2.2　研究方法

2.2.1GAEZ模型GAEZ模型采用逐级修正的方式计算生产潜力[23]。首先根据生长参数(叶面积指数、收获指数等)和光照辐射条件计算光合生产潜力；再结合降水和气温条件计算光温生产潜力；考虑土壤水限制条件计算光温水生产潜力；综合分析病虫害、霜冻等农业灾害计算气候生产潜力。同时综合考虑土壤肥力、pH值、土壤质地、地貌类型、土壤主要性状指标等信息提取适宜种植区。针对适宜种植区模拟理想的农业生产条件，计算适宜种植区的生产潜力。

GAEZ模型中生产潜力的估算分别考虑雨养和灌溉条件。雨养条件是指有水胁迫条件下作物的生产潜力；灌溉条件是指保障水条件充分，即假设水对生产潜力没有影响。此计算方法与我国实际种植情况相一致，符合农业生产，则总生产潜力计算公式如下：

yieldtotal=yieldrain-fed(1-i)+yieldirrigated×i

(1)

式中：yieldtotal为总生产潜力；yieldrain-fed为雨养条件下的生产潜力；yieldirrigated为灌溉条件下的生产潜力；i为灌溉面积与总耕地面积的比率(%)。

2.2.2Mann-Kendall法世界气象组织推荐的Mann-Kendall法(简称M-K法)是一种非参数统计检验方法，适用于非正态分布的数据，常用来检测气候不连续的变化—突变现象[24]。由于其不要求所分析数据服从某一概率分布，而且其趋势检测能力与参数趋势检测方法相同，因而受到国际水文组织的认可。本文选取了M-K方法对三江平原粮食生产潜力序列进行趋势和突变点检验。

2.2.3HP滤波法气候变化导致粮食生产潜力出现年际差异，即粮食生产潜力的波动。这种波动可以分为长期波动和短期波动。长期波动是粮食生产潜力随着时间的迁移表现出的整体波动情况和特征，短期波动是指粮食生产潜力相对于长期趋势的偏离。本文利用波动指数来反映近50年来三江平原粮食生产潜力的波动情况。为了计算波动指数，本文采用HP滤波方法，将粮食生产潜力的趋势成分及周期成分进行分离．其中的趋势成分即潜在生产潜力，周期成分即生产潜力缺口[25]。

波动指数计算公式为：

(2)

2.2.4线性回归系数用xi表示样本量为n的某一变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi和ti之间的一元线性回归：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(3)

式中：a为回归常数；b为回归系数。a和b用最小二乘法进行估计。

对数据xi及相应的时间ti，回归系数b最小二乘估计为：

(4)

回归系数b的符号表示变量的趋势倾向性，当b>0时，说明变量x随时间的增加呈上升趋势；反之b<0表示随时间的增加变量x呈下降趋势，b值的大小反映了上升或下降的倾向程度。

3　结果与分析

3.1　粮食生产潜力的时间变化分析

将利用GAEZ模型计算的2010年三江平原各县(市、区)的粮食产能与由统计数据得到的粮食产量进行相关性分析，发现Pearson相关性为0.653，两者在0.01水平呈双侧显著相关，粮食生产潜力的模拟效果较好，可以为现实农业进行生产指导。分析50年间长时间尺度三江平原粮食生产潜力演变曲线发现(图1)，1961—2010年的三江平原粮食年均生产潜力在2 964.60～5 127.55 kg/hm2波动，标准差为555.43 kg/hm2，50 a平均值为3 996.78 kg/hm2，以每10年140.39 kg/hm2(y=14.039x-23878，R2=0.13577)的线性倾向率增加。

图11961-2010年三江平原粮食平均生产潜力变化情况

利用Mann-Kendall方法对三江平原粮食生产潜力序列进行趋势和突变点检验。研究发现(图2)，1961—2010年生产潜力长期呈现上升(1961—1965年)—下降(1966—1990年)—上升(1991—2010年)趋势，整体呈现上升趋势。其中1961—1970年生产潜力呈先上升后下降的趋势，并于1970年(UFK=-2.2361)达到α=0.05显著水平；1971—1980年一直呈现下降趋势，并于1979年(UFK=-2.2041)达到α=0.05显著水平；1981—1990年一直呈现下降趋势，并于1982年(UFK=-2.0584)和1983年(UFK=-1.9808)达到α=0.05显著水平；1991—2000年一直呈现上升趋势，并于1996年发生突变，出现显著增长；2001—2010年一直呈现上升趋势，并于2006年(UFK=1.9978)，2007年(UFK=2.0817)，2009年(UFK=2.2412)和2010年(UFK=2.568)达到α=0.05显著水平。

分析1961—2010年三江平原粮食生产潜力的每10年间变化发现(图3)，就生产潜力平均值而言，呈现2001—2010年>1991—2000年>1981—1990年>1961—1970年>1971—1980年的态势。除1971—1980年外，随着时间的推移，不同时间段之间生产潜力平均值均稳步增加，但不同时间段的变化差异显著。1961—1970年，生产潜力以每年95.71 kg/hm2的线性倾向率减少；1971—1980年，生产潜力以每年55.75 kg/hm2的线性倾向率减少；1981—1990年，生产潜力以每年21.72 kg/hm2的线性倾向率增加；1991—2000年，生产潜力以每年5.60 kg/hm2的线性倾向率增加；2001—2010年，生产潜力以每年106.13 kg/hm2的线性倾向率增加。就线性倾向率而言，1961—1980年呈现减少态势，1981—2010年呈现增加态势，且2001—2010年的增加速率较大。

图2　1961-2010年三江平原粮食生产潜力的Mann-Kendall统计量曲线

图3　1961-2010年三江平原粮食的年代变化

以1961—2010年三江平原粮食平均生产潜力为研究对象，运用Hodrick-Prescott Filter(H-P滤波法)进行三江平原粮食生产潜力的波动性观测(平滑参数取100)，得到波动指数(图4)。可以发现，1961—2010年三江平原粮食生产潜力波动幅度不大，为-28.20%～24.02%。就波动幅度来看，呈现1991—2000年>2001—2010年>1981—1990年>1971—1980年>1961—1970年的态势，1981—2010年的波动幅度较大，说明该时间段粮食生产潜力与长期趋势的偏离较大，稳定性较差；就波动次数而言，1991—2010年的波动次数较多。整体看，1991—2010年的粮食生产潜力稳定性较低，波动频繁且幅度较大。

3.2　粮食生产潜力的空间差异分析

三江平原特殊的地理环境致使县域粮食生产潜力分布与变化具有显著差异(表1)：(1) 空间分布上，三江平原北部地区(友谊县、绥滨县、桦川县、集贤县和富锦市)等县域粮食生产潜力平均值较大，而南部的穆棱市、鸡西市市辖区等县域粮食生产潜力平均值较低；(2) 在县域粮食生产潜力的变化上，北部的集贤县和绥滨县以及东部的密山市和虎林市等县域粮食生产潜力的年均增长率较大，而南部的穆棱市和鸡西市市辖区以及西部的依兰县等县域粮食生产潜力的年均增长率较小；(3) 在县域粮食生产潜力的稳定性上，穆棱市、友谊县、汤原县和鸡西市市辖区粮食生产潜力的变异系数较低，较为稳定；密山市、抚远县和虎林市生产潜力的变异系数较高，较为不稳定。

图4　1961-2010年三江平原粮食生产潜力波动指数

县(市、区)平均值/(kg·hm-2)变异系数年均增长率/%友谊县5428．750．130．65绥滨县5052．150．180．68桦川县5039．400．130．68集贤县4827．330．170．82富锦市4815．340．150．67萝北县4488．680．140．49依兰县4390．320．150．33汤原县4285．780．130．51佳木斯市市辖区4232．080．130．47同江市4058．500．170．46鹤岗市市辖区4051．110．150．56虎林市3971．750．190．70桦南县3970．700．170．51宝清县3730．670．170．69密山市3658．180．210．79勃利县3647．710．170．56饶河县3513．700．180．57抚远县3380．000．210．65双鸭山市市辖区3275．780．190．69鸡东县3119．050．190．66七台河市市辖区3078．830．180．68穆棱市2750．470．110．24鸡西市市辖区2650．930．130．39

分析线性回归系数的空间分布(图5)，可以看出三江平原粮食生产潜力的空间变化趋势大致有以下特点：(1) 除西部和南部(桦川县、佳木斯市市辖区、汤原县、穆棱市和鸡西市市辖区)等地的部分区域呈粮食生产潜力的负增长趋势外，其余地区均呈正增长趋势；(2) 各地区正向增长的程度有所差异，东南部(密山市和虎林市)等地的部分区域的正向增长程度较高，中部(集贤县、富锦市和桦川县)等地的部分区域的正向增长程度较低。

图5　1961-2010年三江平原粮食生产潜力线性回归系数

4　讨论与结论

4.1　讨 论

三江平原在经历大规模开荒以及持续不断的小规模农垦活动后，土地利用结构发生显著变化，耕地面积急剧增加，湿地面积大幅度减少，致使三江平原区域气候变化剧烈，且对温度、降水等产生较大的影响[26-27]。20世纪60年代、70年代≥10℃活动积温偏低，夏季低温发生频繁同时伴有降雨量减少突变和增温突变现象[28]；20世纪80年代气候变化显著，主要体现在增温突变、年日照时数和平均风速的减少突变上[29]。气候的极端性变化极大地影响了该区的农业生产，进而对粮食生产潜力产生一定的负面影响，致使三江平原粮食生产潜力长期呈降低趋势。而20世纪90年代后，三江平原气候突变较少，升温显著，且此阶段的升温是全球气候变暖同步的区域响应表现，对区域粮食生产潜力有一定的促进作用[28-30]，致使三江平原粮食生产潜力呈升高趋势。气候通过影响粮食生产潜力进而对区域粮食产能及其稳定性产生深远影响。因而，必须合理适度进行耕地结构性调整，以减轻气候波动对粮食产能稳定性的影响，提升耕地利用与农业生产对气候变化的适应能力。

三江平原粮食生产潜力的空间差异性与其温度、降水的空间差异性密切相关。三江平原北部和东部属于湿润气候，而西部和西南部则属于半湿润气候。同时区域气候变化不仅与土地利用变化有关，而且与地形地貌有较大的关联。三江平原北部和东部多为平原，地势较低，而西部和西南部则多为山地丘陵。三江平原半湿润环境的形成与包括完达山在内的长白山对东南暖湿气流的屏障作用有关，由此在背风的一侧出现气候温和、降水较少的地方性气候，而东部乌苏里江沿岸各县年降水量大于年蒸发量，其余地区则反之[30-31]。温度、降水的空间差异致使三江平原粮食生产潜力均值呈现北高南低；年均增长率呈北部、东部明显高于南部；以及西部、南部生产潜力长期呈负增长的趋势。今后该区进行耕地资源可持续开发利用时，应充分考虑地貌因素对小区域气候的影响，进行适当地种植结构调整，以保护区域粮食产能的稳定正向发展。气候变化背景下，三江平原积温界限北移，促进了区域耕地种植结构的迅速调整，耕地水田化现象凸显。同时，为应对气候变化，农区、垦区两种不同耕地管理模式对区域粮食生产潜力的影响也是值得进一步探讨的问题。为分析气候变化对粮食生产潜力的影响，本文的土地利用数据以2010年数据为基础，没有考虑耕地面积变化、种植业结构调整等对区域粮食综合生产能力的影响，这将是本研究继续深化的方向。

4.2　结 论

(1) 1961—2010年三江平原粮食平均生产潜力长期呈现上升—下降—上升趋势，整体呈现增长态势。50 a粮食平均生产潜力平均值为3 996.78 kg/hm2，每10 a粮食生产潜力增长量为140.39 kg/hm2，年均增长率为0.60%。

(2) 三江平原粮食生产潜力每10 a间的变化特征有所差异。就生产潜力平均值而言，呈现2001—2010年>1991—2000年>1981—1990年>1961—1970年>1971—1980年的态势；就线性倾向率而言，1961—1980年呈现减少态势，1981—2010年呈现增加态势，且2001—2010年的增加速率较大。但1991—2010年的粮食生产潜力稳定性较低，波动频繁且幅度较大。

(3) 三江平原粮食生产潜力的空间差异主要表现为北部区域的高生产潜力和南部地区的低生产潜力。在县域生产潜力的增长率和稳定性上，呈现稳定的高增长率的县市有：桦川县、富锦市、鹤岗市市辖区和友谊县；呈现不稳定的高增长率的县市有：集贤县、密山市、虎林市、宝清县、双鸭山市市辖区、绥滨县、七台河市市辖区、鸡东市、抚远县、饶河市和勃利县；呈现稳定的低增长率的县市有：汤原县、萝北县、佳木斯市市辖区、鸡西市市辖区、依兰县和穆棱市；呈现不稳定的低增长率的县市有：桦南县和同江市。

(4) 三江平原粮食生产潜力线性回归系数在空间上除西部和南部(桦川县、佳木斯市市辖区、汤原县、穆棱市和鸡西市市辖区)等地的部分区域呈粮食生产潜力的负增长趋势外，其余地区均呈正增长趋势；各地区正向增长的程度有所差异，东南部(密山市和虎林市)等地的部分区域的正向增长程度较高，中部(集贤县、富锦市和桦川县)等地的部分区域的正向增长程度较低。

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