气候变化对汉中市主要粮食作物产量的影响

马 凯,徐玉霞,2*,何文鑫,马佳俊,马 楠

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013;2.宝鸡文理学院 灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室,陕西 宝鸡 721013)

全球气候变暖[1-2]已成为备受关注的问题,不仅影响着自然生态环境,还对人类社会影响巨大,特别是对农业生产的影响[3-5],关乎着一个国家的战略安全和民计民生[6-8]。气候变化对农业的影响显著,它不仅对农业带来积极的影响,更会带来消极的影响[9-11]。

近年来,对于气候变化对粮食产量的影响,已有很多学者进行了相关研究。潘根新等和郭建平[12-13]在整个中国的大尺度上对气候变化给农业生产带来的影响进行了研究,前者认为气候的剧烈变化逐渐遏制农业技术发展所带来的生产效益,后者发现在未来的农业生产中,气候要素中的降水量可能是影响气候生产潜力的重要因素。在小尺度上,潘敖大等[14]基于自助采样法发现江苏省除苏南地区外的其他地区粮食产量都对气候变化要素响应明显。张亚宁等[15]应用灰色关联法和皮尔逊相关系数法对农业受气候变化的影响程度进行了研究,发现河西走廊地区在气温、降水量的变化下,小麦产量在显著下降,玉米产量也在略微减少。

就汉中而言,相关的研究较少且主要集中在气候对粮食单产的影响上。张小峰等[16]应用Thornthwaite模型和滑动平均分析了汉中24年来气候变化对粮食产量的影响,结果表明,气温和降水量值的增加有益于气候生产力的上升,1985、1994、1995、2003及2006年为农业气象减产年,降水量减少对粮食产量缩减影响最大,其次为气温升高。除此之外,无更多关于气候变化对汉中粮食作物影响的研究,同时前者的研究没有对主要粮食作物产量进行详细分析。本研究选取1951～2015年的月平均气温数据,系统地分析了汉中市气候变化对主要粮食作物产量的影响规律,以期对汉中市未来气候变化对主要粮食作物产量的影响趋势进行预测。

1 数据及方法

1.1 研究区概况

汉中市地处陕西省南部,位于105°30′50″～108°16′45″ E、32°08′54″～33°53′16″ N,面积为2.7246万km2;地形以山地为主,占全市面积的75%以上。属于北亚热带气候区,四季变化鲜明、气候宜人,年均气温14 ℃,年均降水量为700～1700 mm。由于地处汉江的源头,且降水充沛,农业用水充足;研究区周围有巴山和秦岭,它们对冷暖气流有抬升和阻滞作用,使得气候适于农作物生长。

1.2 数据来源

气象数据选取于中国气象科学数据共享网1998～2017年汉中市月均地面气温、日照时数和降水量的数据资料,其中日照数据有3个月度缺失，已进行插补处理。农业数据来源于1999～2018年《陕西省统计年鉴》,其中选用的主要粮食作物有小麦、稻谷和玉米；汉中市小麦属于夏粮,生长期为每年11月～次年5月,稻谷和玉米属于秋粮,生长期为每年6～10月。

1.3 研究方法

本研究应用线性趋势法对汉中市1998～2017年的气象、粮食产量数据进行趋势分析;粮食产量通常包括随机波动产量、趋势产量和气候产量,其中随机波动产量一般所占比重较小,因而在此忽略不计,即:

Y=E+C

上式中:Y为粮食的实际产量；E为粮食的趋势产量；C为粮食的气候产量。

本研究通过建立回归模型,应用5年滑动平移法对汉中市主要粮食作物的实际产量进行5年滑动处理[17]:以1998年为起始年,向后滑动5年;从1999年开始向后再滑动5年；依此类推,对每5年的时间段建立一个直线线段方程,随而得到16个线性方程,计算每个方程在x点上的函数值yi(x);在x点上共有zx个函数值,求算出函数值的均值:

用实际产量y减去趋势产量ye,得到气候产量yc；再应用DPS软件对主要粮食作物单产与气候产量、气象因子间的关系进行灰色关联度分析[17]。

2 结果与分析

2.1 气候变化特征

2.1.1 年尺度上的气候变化特征 由图1可知,近20年来,汉中市气温的气候倾向率为0.48 ℃/10 a,气温整体呈上升趋势,全年平均气温均值为15.39 ℃,其中年平均气温最高为2016年的16.24 ℃,最低为2003年的14.66 ℃,年平均气温从2012年开始持续高于15.39 ℃。汉中市降水也呈增加趋势,降水的气候倾向率为53.05 mm/10 a；研究区年均降水量为850.13 mm,最大年降水量为2011年的1298.10 mm,最小年降水量为2016年的563.00 mm,降水量年际变化波动较大。汉中市日照时数呈整体减少趋势,气候倾向率为-79.90 h/10 a；全年平均日照时数为1440.68 h,其中全年日照时数最长的2002年(1847.10 h)比日照时数最少的2009年(1169.80 h)要高出677.30 h。

2.1.2 夏粮作物期的气候变化特征 由图2可知,汉中市近20年夏粮作物期的气温变化呈上升趋势,气候倾向率为0.44 ℃/10 a,低于0.48 ℃/10 a的年气候倾向率；夏粮作物期多年平均气温为10.24 ℃,不同年份间夏粮作物期气温变化不大,有益于夏粮作物的生长。夏粮作物期的降水呈增加趋势,气候倾向率为34.41 mm/10 a,平均降水量为233.39 mm；在2009年前夏粮作物期的降水量波动较大,但在2009年后降水量大多高于多年平均降水量。研究区夏粮作物期的日照时数呈下降趋势,气候倾向率为-45 h/10 a；各年间的日照时数差异不明显,表现为反复螺旋式下降。

图1 1998～2017年汉中市年尺度的气候变化特征

图2 1998～2017年汉中市夏粮作物期的气候变化特征

2.1.3 秋粮作物期的气候变化特征 由图3可知,在近20年的秋粮作物期时间尺度上,气温的气候倾向率为0.55 ℃/10 a,高于0.48 ℃/10 a的年气候倾向率,增温趋势显著；自2012年后,秋粮作物期的平均气温全面高于年平均气温。降水的气候倾向率为21.52 mm/10 a,远低于年降水的气候倾向率53.05 mm/10 a；2016年秋粮作物期的降水为近20年最低,为346.3 mm,与2011年的降水量995.3 mm形成强烈对比,两者相差649.0 mm。1998～2017年秋粮作物期日照时数的气候倾向率为-34.78 h/10 a；2002年的日照时数1044.00 h为近20年最高值,其余各年大多在平均值709.42 h附近,波动不大。

2.2 主要粮食作物产量的变化特征

表1为近20年汉中市粮食单产、总产量、播种面积的多年平均及标准差。结合表1、图4可以发现:小麦多年单产和播种面积离散程度最大,小麦单位面积产量以246.65 kg/(hm2·10 a)的速度快速增长,多年平均值为2846.65 kg/hm2,有8年低于平均产量,并自2012年后小麦的单产始终在多年平均值以上并持续增长。小麦播种面积最大为1998年的1009.9 km2,但自1999年以后,从961.1 km2锐减到2000年的464.6 km2,并自此以后小麦播种面积一直维持在平均值530.09 km2附近。小麦的总产量也因播种面积的减少,从1998年的28.2万kg逐渐减少至2017年的14.8万kg,其中在1998年出现近20年小麦总产量的最高值。稻谷多年单产的离散程度最小,以71.38 kg/(hm2·10 a)的速度增长；除2003年外(单产为5629.00 kg/hm2),其余各年单产波动在多年平均产量6308.20 kg/hm2附近,整体趋势较为稳定。稻谷播种面积和总产量均表现为减少趋势,但下降较为平缓,各年数值波动在多年平均值附近。玉米单位面积产量增长速度最快,为283.69 kg/(hm2·10 a)；玉米最高单产3210 kg/hm2(2009年)与最低单产2193 kg/hm2(1998年)相差1017 kg/hm2,差异显著。玉米多年播种面积和总产量的离散程度最小,各年间差异小,总体表现为稳定增长趋势。

表1 各主要粮食作物产量和播种面积的统计特征

2.3 汉中市气候变化对主要粮食作物产量的影响

2.3.1 气候变化对小麦产量的影响 由表2可见,小麦单产及其气候产量分别与平均气温、降水量、日照时数、11月～次年5月的平均气温、11月～次年5月的降水量、11月～次年5月的日照时数具有不同的关联度。具体来说，小麦单产受年平均气温的影响最大(关联度为0.547)；受11月～次年5月降水量的影响次之(关联度为0.504)；年降水量和年日照时数与小麦单产间的关联程度适中(关联度分别为0.449和0.436)；11月～次年5月降水量和11月～次年5月日照时数对小麦单产的影响较弱(关联度分别为0.357和0.354)。小麦气候单产受11月～次年5月降水量影响最大(关联度为0.383),其次为年平均气温和11月～次年5月平均气温(关联度均为0.361)；11月～次年5月日照时数、年降水量和年日照时数对小麦气候单产的影响较小(关联度分别为0.355、0.347和0.341)；所有气候参数与小麦气候单产间的关联度差异不大,表明小麦气候产量受气候变化的影响较小。

图4 1998～2017年汉中市主要粮食作物单产的变化

表2 1998～2017年汉中市小麦产量和气候参数间的关联度

由图5可知,汉中市小麦气候单产呈上升趋势,以46.26 kg/(hm2·10 a)的速度在缓慢上升,其中小麦气候单产最高的一年为2000年(气候产量为628.13 kg/hm2),最低的一年为2002年(气候产量为-445.95 kg/hm2),仅相隔1年,小麦气候单产相差1074.08 kg/hm2,差异尤为显著。

2.3.2 气候变化对稻谷产量的影响 由表3可见,稻谷单产与气温的关联度最大,其中最高为和6～10月平均气温的关联度0.772,其次是与年平均气温的关联度0.751。年日照时数和6～10月日照时数与稻谷单产的关联度相同,均为0.549。年降水量和6～10月降水量在所有气候参数中对稻谷单产的影响较小,关联度均为0.483。气温对稻谷气候单产的影响最大,其中6～10月平均气温的影响(与稻谷气候单产的关联度为0.378)略大于年平均气温的影响(关联度为0.377)；年降水量和6～10月日照时数对稻谷气候单产的影响次之；稻谷气候单产与6～10月降水量和年日照时数的关联度较小,分别为0.362和0.359。因此，稻谷单产和气候单产整体上均受气温的影响最大,但稻谷气候单产相对于稻谷单产受气候的影响较小。

由图5还可知,汉中市稻谷气候单产的增长速度为65.82 kg/(hm2·10 a),略高于小麦气候单产的增长速率,整体呈波动上升趋势。其中稻谷气候单产最高的一年为2007年(气候产量为468.55 kg/hm2),最低的一年为2003年(气候产量为-458.66 kg/hm2)；在2012年之前,各年份之间稻谷气候产量波动较大,从2012年开始,稻谷气候产量各年间波动较为平稳。

表3 1998～2017年汉中市稻谷、玉米产量和气候参数的关联度

图5 1998～2017年汉中市主要粮食作物气候单产的变化

2.3.3 气候变化对玉米产量的影响 玉米单产受气温的影响最大,其中年平均气温对玉米单产的影响大于6～10月平均气温的影响；6～10月降水量、6～10月日照时数、年降水量和年日照时数对玉米单产的影响次之,且在4个关联度之间差异较小。玉米气候单产受年平均气温的影响最大(关联度为0.362),其次为6～10月日照时数和6～10月平均气温(关联度分别为0.361和0.360)；玉米气候单产受年降水量和6～10月降水量的影响较小(关联度分别为0.336和0.319)。不论是玉米单产还是气候单产,均表现为受年平均气温的影响最大,受年平均气温的影响程度略低于稻谷。

由图5可知：玉米气候单产整体呈升高趋势,上升速度为93.57 kg/(hm2·10 a),高于小麦和稻谷气候单产的上升速度；玉米气候单产整体上有两个峰值,在2000年峰值(气候产量为344.84 kg/hm2)前后玉米气候单产先显著上升后急剧下降,而在2009年峰值(气候产量为213.72 kg/hm2)前后波动较为平缓；玉米气候单产最低的一年为1998年(气候产量为-594.14 kg/hm2)。

3 结论与讨论

3.1 结论

汉中市近20年来,年平均气温呈上升趋势,增长倾向率为0.48 ℃/10 a；夏粮作物期和秋粮作物期的平均气温同呈增长趋势,其中秋粮作物期气温的增长速度大于年平均气温的,为0.55 ℃/10 a。年降水量表现为不断升高,增长倾向率为53.05 mm/10 a；夏粮作物期和秋粮作物期的降水量也均表现为上升趋势。年日照时数呈下降趋势,减小倾向率为-79.9 h/10 a；夏粮作物期和秋粮作物期的日照时数与年日照时数的变化趋势相同,均表现为下降趋势。

汉中市小麦、稻谷和玉米的单产和气候单产均呈上升趋势,以玉米单产的上升速度最快,增长倾向率为283.69 kg/(hm2·10 a);在三大粮食作物中，以玉米气候单产的增长最为显著,增长倾向率为93.57 kg/(hm2·10 a)。玉米单产及气候单产的显著增长,说明汉中市的气候条件变化有益于玉米单产的提升。

研究区各主要粮食作物受气温的影响程度大于受降水和日照的影响程度;研究区主要粮食作物的气候单产与各气候因素的关联度不大,表明研究区小麦、稻谷和玉米的气候单产受气温、降水和日照时数的影响不显著。

3.2 讨论

全球范围大部分地区的主要粮食作物会因全球气候变暖而减产[19-20],在未来10年的时间,中国主要粮食作物可能会因此减产5%～10%[21-22],因此了解气候变化对汉中市主要粮食作物的影响规律,可为气候变暖导致汉中市粮食减产的应对方案制定提供科学依据。

气候变化会对汉中市粮食产量产生影响。张小峰等[16]研究发现:汉中市粮食气象产量与气温呈负相关,气象产量对气温的敏感性较强;粮食气象产量与降水、气温的相关系数均未通过显著水平检验。本研究发现:汉中市主要粮食作物的产量受气温的影响程度较大;主要粮食作物的气候单产与各气候因素的关联度较低,受气候变化的影响不显著。本研究在继承前人的研究成果的基础上,对汉中市影响农业生产的主要气候因子(气温、降水量与日照时数)和主要粮食作物产量的变化特征，以及气候因子变化对主要粮食作物产量的影响进行了分析,所得的研究结果可为汉中市农业部门应对气候变化、制定农业发展政策提供科学依据。