近20年气候变化对粮食作物单产的影响研究

罗靖

[摘要]气候变化对粮食作物产量的影响越来越受社会各界的关注，贵阳市地处西南交通要道，粮食供给在气候变化的背景下可能面临较大的挑战。由此，文章在统计分析贵阳市气候和粮食生产变化情况后，利用气温、降水量和粮食单产的数据对比分析了贵阳市粮食单产与气候的相互关系。研究发现，1998-2018年，贵阳市气温对粮食单产存在负影响，平均气温“低谷”与粮食单产“峰值”同时出现，降水量与粮食单产单位年增减趋势相同，但仍不能忽视其对粮食生产的影响。

[关键词]气温;粮食单产;降水量

中图分类号：S162.5                    文献标识码：A                 DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190705

全球气候变化、自然灾害频发，气候问题已成为国际社会共同关注的话题。IPCC第五次报告关于“全球气候变暖毋庸置疑，1880-2012年全球温度升高0.85（0.65～1.06）℃”的陈述，把气候变化的事实变得非常明确[1]。作为气候变化反应较为敏感的部门之一，农业受其影响最直接和最脆弱，气候变化导致的气温、降水量等自然因素变化将影响农作物的物候，粮食生产将面对种种不定的气候因素冲击，造成粮食产量的波动，导致范围内的“粮食安全”问题凸显。因此，进一步开展气候变化对粮食生产的影响情况研究，对未来制定粮食生产战略、保障粮食持续供给和维护地区稳定都有重要的意义。

目前的研究主要是从社会经济和自然科学两个角度去展开。在社会经济角度研究中，Wheeler等[2]在研究全球气候变化与粮食安全的影响中发现，非洲和南亚地区到2050年粮食作物受气候变暖影响产量将降低8%左右。陈帅[3]利用日值气象数据、小麦种植结构和灌溉条件研究小麦生产力受气候变化影响，发现小麦生产力受总体气温变化和地区降水分布不均的影响明确为负，除去人为与经济因素，气候变化对黄淮海平原的小麦生产力影响每10年减产0.68%。周曙东等[4]通过构建经济-气候模型分析气候变化对南方水稻产量影响，发现南方地区水稻产量受气候变化负影响，地区间存在差异;降水对南方地区水稻产量也有区域异同，气温则会影响整个南方地区。崔静等[5]运用了经典生产函数模型评价1975-2008年的气候变化分别对水稻、小麦和玉米产量的影响情况。相比较而言，经济-气候模型、生产函数模型得到了诸多学者广泛应用[6-8]。

自然科学研究的角度来看，Asseng等[9]通过研究小麦生长过程中，温度、水分和CO2浓度等变化产生的影响，发现平均温度升高1.7 ℃，小麦花期减少11天，造成小麦总产量下降。Chahramania等[10]利用尺度推移的方法研究小麦产量与气候变化的关系表明，2030年气候变暖使澳大利亚小麦产量增长了1%，比20世纪后20年平均水平提高了0.3%。Roy等[11]通过观察水稻，实验中采用控制温室环境和开顶箱方法，结果表明，短期内作物在高CO2濃度下，其光合作用速率和CO2的同化效率增加。林而达等[12]在其控制实验中，利用温室环境、开顶式测定箱和自由CO2施肥实验，观测粮食作物的生长发育与光合作用等物种属性和温度、降水及CO2浓度的相互关系。田展等[13]通过对比分析1961-2010年中国农业气候资源变化表明，由于热量、水分条件及小麦生长期变化，冬小麦的适宜地区在我国出现较明显的南减北增态势，雨养小麦总生产力减少5%，灌溉小麦总生产潜力变化不大。黄川容等[14]应用WOFOST作物生长模型，结合黄淮海平原气象数据、土壤理化数据和作物数据，估算了黄淮海平原冬小麦、夏玉米的光温生产潜力与气候生产潜力。谢立勇等[15]研究发现，作物适宜生长季受气候变暖延长，种植界线改变，且气候变化使未来粮食生产系统表现出较强的敏感性，如冬小麦的生育期日数随温度增高1 ℃而缩短17天左右。

贵州省是全国主要农业省份中，农业生产所需自然条件较差、基础设施比较落后的，粮食产量本来不高，加上地处云贵山区，加大了贵州省粮食外进成本。贵阳市地区黔中腹地，作为贵州省省会城市，市域内多河流，水量较全省其他地区充沛;截至2017年，全市常住人口486.20万人，占全省总人口的13.58%，且贵阳市作为全省经济、教育等主要活动中心，流动人口位列全省之最。“民以食为天”，贵阳市的基础粮食供给保障具有重要的战略意义，也是地区经济发展的持续动力。

本文以实际地区气候数据与粮食生产数据为研究基础，通过分析当地粮食生产变化与气候变化之间的关联，试图呈现地区粮食生产与气候变化的真实反映。

1  数据来源

本文使用的数据组成主要是1998-2018年贵阳市城市气象数据和主要农作物生产变化数据。数据资料来自1999-2017年《贵阳市统计年鉴》和《贵阳市年鉴》，2017-2018年贵阳市国民经济和社会发展统计公报;2005-2017年《中国环境统计年鉴》中“主要城市气候情况”数据;以及国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据共享服务平台（http：//www.geodata.cn）。

2  气候变化与主要粮食作物产量的统计关系

气温、降水量等是评判一个地区气候的重要因素，某个地区连续一个或多个区间内温度高低、降水量多少都直接关系到该地区的气候特征。从全球范围气候特征看，根据已形成的气候特点按温度、降水等条件划分不同气候带，不同气候带间除气候差异外，物种也因此呈现分布差异;同一气候带间，物种分布还受地形地貌、海拔高度等影响;物种分布差异与人类活动等导致不同大自然景观和人文景观的形成，也组成了纷繁复杂的生态系统。但由于人类活动对自然生态系统的破坏加剧，已经打破适宜人类和作物生存的自然均衡，气温升高、降水量减少等对作物生育期产生不可逆的影响。未来，人类生产生存的粮食资料，正面临着气候变化而减质减量，如何清楚把握粮食生产与气候变化之间的相互关系，需要结合不同地区、不同时间跨度和不同粮食种植规模展开分析。

贵阳市是贵州省省会，位于贵州省中心，其不仅经济辐射面广，各个领域的带头带动作用辐射能力也强。贵阳市位于我国西南山区，受亚热带季风影响保障全市雨热同期，适宜农作物生长，加之贵阳市地处西南交通枢纽，是我国链接东西部的重要战略要地。因此，通过研究贵阳市近20年间的粮食生产与气候变化的关系，对提供该地区基础粮食供给和稳定东西部交流都有一定作用。

2.1  贵阳市气候变化情况

近20年来，贵阳市常年平均气温呈现明显增高趋势，平均温度上下幅度逐渐减小，这与贵阳市“生态文明”建设密不可分，生态环境改善减少了气候波动或异常的频率。全市总降水量浮动变化明显，呈现略微上升趋势。

2.1.1  气温呈波动上升趋势

1998-2018年贵阳市平均气温见图1。

据图1可知，贵阳市近20年的气温分布特征较为明显。大体来看，1998-1999年是上一个高温峰值的峰尾，自2000年以后，全市常年平均温度在14.6 ℃，各年平均气温基本低于15 ℃。但1998-2016年贵阳市平均最高气温（注：2017-2018年度该数据暂未更新）基本保持在19.0 ℃以上，多年平均值为19.3 ℃，增减变化趋势也较不明显;平均最低温度徘徊在11.0～12.6 ℃，多年平均值为11.8 ℃，自2013年后，该项数据值稳稳定于12.0 ℃以上，同全市平均气温差距逐渐减小。

在剔除1998-1999年峰尾值后，对贵阳市常年平均气温做线性趋势图（见图2）。

据图2可知，贵阳市平均气温总体上升趋势较为明显，而如此明显的气温特征势必会对农业生产造成影响，甚至会影响整个农业经济。在2011年左右，贵阳市平均气温基本超过近20年来的平均气温值。分时段来看，1998-2010年，平均气温波动幅度较大，这一时期平均气温均值为14.79 ℃，但对其变动趋势做线性分析，得出其R2=0.19。2011-2018年平均气温线性变动趋势分析得R2=0.48，平均气温平均值为14.75℃。虽然两个时间段平均气温均值差别不大，线性拟合不是最优，贵阳市平均气温增高，但不可否认的是后10年来，气温变化幅度开始降低。

据图3可知，平均气温距平为正较多，得出近20年来单个年平均气温高于多年气温平均水平。从多年平均气温距平情况看，年份之间气温不明显，而上升趋势已总体体现。

2.1.2  总降水量上升幅度小

1998-2018年贵阳市总降水量折线见图4。

据图4可知，降水量波动幅度大，略微表现出降水量增加。2000年以前，贵阳市年降水总量较为充沛，总体却出现下降趋势。接下来的7年间，贵阳市的年降水量均保持在较低水平，平均降水量比20年来的平均降水量低106.55 mm。而后的11年中，年降水量波动幅度变大，在2014年出现总降水量峰值，达1 561.90 mm，高出多年平均值444.10 mm。降水量变动情况不确定，干旱、洪涝等自然灾害更加無法预测，为农业生产带来的不利因素增加，农业经济稳定发展也因此受影响。

据图5可知，距平正负交替出现，各年间的波动趋势更加显而易见，增减态势明显。从整体上看，贵阳市降水量在2012年后降水量增加趋势渐显，20年来统计结果也表明降水量呈现微增趋势。

2.2  贵阳市主要粮食作物生产变化情况

1998-2018年贵阳市粮食作物产量见图6。

据图6可知，1998-2018年，贵阳市主要粮食作物产量从61.10万t减少到38.17万t，共减少22.93万t，减幅37.53%;贵阳市近20年主要粮食作物平均产量为52.92万t，2009年出现最高值64.11万t，此后总产量逐年下降，并在2011年低于历年平均值后再无回升迹象。而从数据线性趋势分析发现，贵阳市近20年来主要粮食作物产量呈现明显下降趋势，粮食作物单产也上下波动，在2010年左右随总产量波动幅度最为明显;但2013-2018年，粮食单产开始回升增加，也并未超过历年单产最高值。

从统计结果看历年总产量呈现下降趋势。其中，夏粮产量减少幅度较大，由1998年的11.89万t减少到2018年3.67万t，减少68.37%;秋粮产量变动幅度虽不及夏粮，1998-2018年由49.50万t减少到34.50万t，产量减少11.00万t，减幅30.31%。夏秋粮各单位年产量整体呈下降趋势。

据统计，1998-2018年主要粮食作物各年平均产量52.92万t，以此为参考，将贵阳市近20年来主要粮食作物产量分阶段看，发现1998-2010年每单位年主要粮食作物总产量基本都在平均以上;2011-2018年各年主要粮食作物产量皆未超过历年平均值水平，粮食产量明显减少。

2.3  气温、降水量等与粮食生产的变动关系

在统计分析贵阳市气温、降水量和主要粮食生产情况后，为理清该市粮食产量变动与气候变化之间的变动关系，本部分将1998-2018年贵阳市主要粮食作物单产同气温、降水量等数据进行分析。1998-2018年贵阳市粮食作物单产与气候变动关系见图7。

据图7可知，贵阳市粮食单产与气温、降水量等存在相互关系。

2.3.1  平均气温变动对粮食产量的影响

结合图7平均气温变动与粮食单产变动情况看，平均气温波动出现5次向下的峰谷，而粮食单产出现相反的5次峰值，同样的是处于相同年份。这与已有学者的研究相吻合，即气温与粮食产量间的相关关系为负相关，气温升高会对给粮食生产带来负面影响，导致总产量减少。究其主要原因，从粮食作物生物学特性解释较为合理，因为温度升高，粮食作物的生长发育会加快，原有的生育期由此大幅缩短，粮食作物实际分蘖减少，总的干物质累计下降，导致最终成熟后的粮食作物产量降低。

这就意味着，1998-2018年中有5年因为气温升高使粮食作物单产下降，尤其是后10年出现频率最高，占60.0%左右。而对贵阳市单位年粮食总产量统计结果发现，总产量下降趋势较为明显也是这十年。粮食作物单产降低，种植户从事农业生产获得的报酬也随之减少，从“理性经济人”角度解释，收益率减少种植户会自主选择其他经济效益更高的产业，最终会让贵阳市粮食总产量逐年递减。农业为第二、第三产业提供基础的物质资料，供需不平衡将打破已有的经济发展稳态。

2.3.2  降水量增减对粮食产量的影响

降水量对粮食生产的影响在两个方面：（1）降水量不足，无法满足粮食作物生长发育所需的水分，导致植株生长矮小甚至无法抽穗，同样会抑制作物光合作用，不利于有机物蓄积等;（2）降水量过多给粮食产量带来负影响，原因在于水量过多会阻碍水稻等粮食作物生长发育，灌溉水位过高，使作物根茎长时间浸水，造成植物供氧不足，抑制粮食作物分蘖，这也会对粮食产量产生直接影响。

从贵阳市1998-2018年單位年降水总量与粮食作物单产对比分析结果看出，贵阳市粮食作物单产与降水量单位年变动规律相同。这并不意味着降水量对贵阳市粮食生产不会产生影响，更进一步说明水量供给对粮食生产的重要性。结合贵阳市农业发展历程，该市地处山区，农业生产所需的自然条件恶劣，为克服自然条件不足，贵阳市常年开展基本农田和水利设施建设等多项工作。如2017年贵阳市共完成1 366.66万hm2高标准农田建设，并制定下发《关于贵阳市部分土地出让金用于高标准农田建设的管理规定》;2003全面完成花溪水库扩建、小关水库改建和息烽鱼简河水利启动等农业基础设施建设工作，增强了全区农业生产低于自然风险的能力（资料来源于2018年、2004年《贵阳年鉴》）。

3  结  论

本文通过贵阳市气象数据和粮食生产数据，分析了1998-2018年该市气候变化与粮食生产的影响。首先对贵阳市气温、降水量和粮食生产变化情况进行分析，然后选取了平均温度、降水量与粮食作物单产的数据，通过对比分析证明气候变化对粮食生产确有影响，以此得出以下结论。

（1）1998-2018年，贵阳市年平均气温波动明显，总体呈现上升趋势;历年降水量增减变动幅度大，线性分析后表现出略微上升态势。从平均气温与降水量距平分析发现，1998-2018年前10年气温、降水量年际变动特征突出，后10年虽有波动但较为平缓，说明进入21世纪贵阳市践行“生态文明”建设效果渐显。

（2）从粮食生产情况数据分析发现，贵阳市粮食单位年总产量下降和单产面积呈下降趋势。贵阳市是贵州省经济文化中心，基础粮食供给任务繁重，而粮食产量丰欠不均为地方发展埋下隐患。

（3）结合气候数据与粮食生产数据对比分析看出，气温对贵阳市粮食生产产生负影响，降水量虽然体现出的影响较不明显，但是同样不容忽视。气候变化主要影响粮食作物单产，导致种植户继续从事农业生产积极性降低，本来粮食总产量就不足，而气候变化又加剧了粮食产量提高的威胁。

参考文献

[1]IPCC.Intergovernmental Panel on Climate Change .Fifth Assessment Report （AR5）[EB/OL].（2014-07-08）[2019-06 -13].http：//www.ipcc.ch/.

[2]WHEELER T，VON BRAUN J.Climate change impacts on global food security[J].Science，2013（341）：508-513.

[3]陈帅.气候变化对中国小麦生产力的影响——基于黄淮海平原的实证分析[J].中国农村经济，2015（7）：4-16.

[4]周曙东，朱红根.气候变化对中国南方水稻产量的经济影响及其适应策略[J].中国人口·资源与环境，2010（10）：152-157.

[5]崔静，王秀清，辛贤.气候变化对中国粮食生产的影响研究[J].经济社会体制比较，2011（2）：54-60.

[6]杨宇.气候变化对黄淮海平原粮食生产力影响的实证研究[J].干旱区资源与环境，2017（6）：130-135.

[7]何为，刘昌义，刘杰，等.气候变化和适应对中国粮食产量的影响——基于省级面板模型的实证研究[J].中国人口·资源与环境，2015（S2）：248-253.

[8]尹朝静，李谷成，高雪.气候变化对中国粮食产量的影响——基于省级面板数据的实证[J].干旱区资源与环境，2016（6）：89-94.

[9]ASSENG S，JAMIESON P D，KIMBALL B，et al.Simulated wheat growth affected by rising temperature，increased water deficit and elevated atmospheric CO2[J].Field Crops Research，2004（85）：85-102.

[10]CHAHRAMANIA A，PHILIP N K，ANDREW D，et al.The value of adapting to climate change in Australian wheat farm systems：farm to cross-regional scale[J].Agriculture，Ecosystems g-Environment，2015（211）：112-125.

[11]ROY K S，BHATTACHARYYA P，NEOGI S，et al.Combined effect of elevated CO2 and temperature on dry matter production，net assimilation rate，C and N allocations in tropical rice （Oryza sativa L.）[J].Field Crops Research，2012（139）：71-79.

[12]林而达，张厚宣，王京华.全球气候变化对中国农业影响的模拟[M].北京：中国农业科技出版社，1997.

[13]田展，梁卓然，史军，等.近50年气候变化对中国小麦生产潜力的影响分析[J].中国农学通报，2013（9）：61-69.

[14]黄川容，刘洪.气候变化对黄淮海平原冬小麦与夏玉米生产潜力的影响[J].中国农业气象，2011（S1）：118-123.

[15]谢立勇，李悦，钱凤魁，等.粮食生产系统对气候变化的响应：敏感性与脆弱性[J].中国人口·资源与环境，2014（5）：25-30.