气候变暖对格尔木地区农作物种植结构的影响

陆广彦，王发科，何生录，许学莲，曾国云

(1.青海省都兰县气象局，青海 察汗乌苏 816199；2.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099)

1 引言

近几十年来受自然和人类活动的共同影响，全球气候显著变暖[1，2]。中国气温变化与全球较一致且增温趋势略高于全球水平，达到0.22℃/10a，尤其在北方增温趋势更加明显[3，4]。农业是受全球气候变化影响最大、最直接的行业之一[5，6]，由于高原地区特殊的环境和地理位置，高原地区又属于气候变化的敏感区和生态脆弱区，因此极易受到气候变化的影响[7]。格尔木地区位于青海省柴达木盆地中南部，地处35°10′～37°45′N，90°45′～95°51′E，总面积约8.3×104km2，是柴木盆地重要绿洲农业区，主要种植枸杞、春小麦、油菜、藜麦等农作物。区域内气候干燥，植被稀少，生态环境脆弱，农业生产对气候变化敏感，受全球气候变化的影响，该区的气候也发生一定的变化[8，9]。开展格尔木地区气候变暖对农作物种植结构的影响研究，对增强农业生产应对气候变化的能力，调整和优化农业生产结构，促进农业生产可持续发展等具有一定的指导意义。

2 研究方法和资料

2.1 资料

本研究选用1961～2015年格尔木、小灶火2个气象站点气温、积温及格尔木市粮食、油料、其它(蔬菜、瓜果、枸杞等)作物种植面积数据，农作物种植面积数据来源格尔木市农牧局。

2.2 研究方法

本研究主要引入气候倾向率和气候趋势系数[10]判别分析格尔木地区气象因素及农作物种植面积的时间序列趋势变化及影响，相关数据的统计分析采用Excel 2010实现。

2.2.1 气候倾向率 对序列的趋势变化用一次线性方程表示，即

y(t)=a0+a1t

(1)

y(t)为气象要素、t为时间、a0为常数项、a1为线性趋势项，把a1×10a作为气象要素气候倾向率，a1值的符号反映上升或下降的变化趋势，a1<0表示在计算时段内呈下降趋势，a1>0 表示呈上升趋势。a1值绝对值的大小可以度量其演变趋势上升、下降的程度。

2.2.2 气候趋势系数

n个时刻的气候要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数，即

(2)

3 结果分析

3.1 气温变化特征

3.1.1 气温年际变化 1961～2015年格尔木地区年平均气温为4.8℃，年平均最高气温为6.7℃，年平均最低气温为2.7℃。由图1a可以看出，55 a来年平均气温呈升高趋势，升温倾向率为0.6℃/10a，通过0.01的显著检验。分析其年代变化，各年代平均气温阶段变化明显，20世纪60至80年代初期增温幅度较缓慢，80年代后期至21世纪以来增温幅度明显。21世纪以来较60年代相比年平均气温增加2.5℃(图1b)。

图1 格尔木地区年平均气温年际(a)和年代(b)变化

3.1.2 气温季节变化 进一步分析格尔木地区气温的季节变化，四季气温均呈现上升趋势，其中夏季增温幅度最小，升温倾向率为0.46℃/10a，冬季增温幅度最大，升温倾向率为0.74℃/10a，四季升温趋势均通过0.01的显著检验，增温趋势明显(表1)。

表1 格尔木地区年、季平均气温变化倾向率和趋势系数

3.2 ≥0℃、≥5℃、≥10℃积温的变化特征

3.2.1 积温年际变化 图2a为格尔木地区稳定通过0℃、5℃、10℃的历年积温变化曲线。可以看出，各界限温度积温均呈增加的趋势，增加倾向率为125.6～167.8℃/10a，各界限温度的积温增加趋势均通过0.01的显著检验，增加幅度明显。其中≥0℃积温增加幅度最少，≥10℃的积温增加幅度最多。

图2 格尔木地区年≥0℃、≥5℃、≥10℃积温年际(a)和年代(b)变化

3.2.2 积温年代变化 分析≥0℃、≥5℃、≥10℃的积温年代变化，与年平均气温变化趋势相似，各界限温度积温随年代呈增加趋势，阶段变化明显，20世纪60至80年代初期增加幅度较小，增加幅度达52.5～130.4℃；80年代后期至21世纪以来增加幅度较大，增加幅度达169.2～293.8℃。21世纪以来与60年代相比，≥0℃、≥5℃、≥10℃的积温分别增加569.2℃、604.2℃、720.9℃(图2b)。

4 格尔木地区气候变暖对农作物种植结构的影响

4.1 农作物种植面积变化

由图3a可以看出，1961～2015年格尔木地区粮食作物种植面积呈减少趋势，年平均种植面积为1.88×103hm2，年最大种植面积为5.17×103hm2，年最小种植面积为0.27×103hm2，减少倾向率为404.0 hm2/10a，通过0.01显著检验，减少趋势明显；油料作物种植面积呈略减少趋势，年平均种植面积为0.23×103hm2，年最大种植面积为1.34×103hm2，年最小种植面积为0.03×103hm2，减少倾向率为1.2hm2/10a，未通过0.05显著检验，减少趋势不明显；其它作物种植面积呈增加趋势，年平均种植面积为2.49×103hm2，年最大种植面积为5.92×103hm2，年最小种植面积为0.01×103hm2，增加倾向率为595.0 hm2/10a，通过0.01显著检验，增加趋势明显。

由图3b可以看出，格尔木地区粮食作物种植面积年代变化较明显，20世纪60至70年代变化较平稳，80年代以来减少明显，21世纪以来与60年代相比种植面积减少1.53×103hm2，减少45%；油料作物种植面积各年代变化幅度小，60至80年代增减幅度不明显，90年代呈略增加趋势，21世纪以来呈略减少趋势，21世纪与60年代相比种植面积减少0.07×103hm2，减少23%；其它作物种植面积60至90年代变化幅度不明显，21世纪以来增加明显。21世纪以来与60年代相比种植面积增加2.32×103hm2，增加13.6倍。

图3 格尔木地区农作物种植面积年际(a)和年代(b)变化

分析表明，粮食和油料作物种植面积随年平均气温的增加而减少，其它作物种植面积随年平均气温的增加而增加，粮食和其它作物种植面积变化总体趋势与气温变化有类似性，当气温增加缓慢时，粮食(其它)作物种植面积减少(增加)不明显；当气温增加明显时，粮食(其它)作物种植面积减少(增加)明显。格尔木地区年平均气温20世纪60至80年代初期增温幅度较缓慢，80年代后期至21世纪以来增温明显。粮食作物种植面积60至70年代减少不明显，80年代以来减少明显；其它作物种植面积60至80年代增加不明显，90年代以来呈持续增加趋势，尤其2005年以来增加趋势极明显。

4.2 农作物种植结构变化

根据表2可以看出，格尔木地区20世纪60和70年代农作物种植结构比例分别为88∶8∶4、87∶9∶4，变化不明显；80至90年代粮食作物种植比例呈减小趋势，油料和其它作物种植比例呈增大趋势，其中90年代农作物种植结构变化较明显，粮食作物种植比例减小了13%、油料作物种植比例增大了9%，其它作物种植比例增大了4%；21世纪以来农作物种植结构发生了明显的变化，粮食和油料作物种植比例分别减小了28%、16%，其它作物种植比例增大了44%。21世纪以来与60年代相比粮食作物种植比例减小了48%，油料作物种植比例减小了3%，其它作物种植比例增大了51%。

表2 格尔木地区各年代农作物种植面积(hm2)和种植结构(%)

格尔木地区属灌溉农业区，水源主要来自南部山区降水和冰雪融水，种植区自然降水多寡对农业的影响并不十分明显，气候的冷暖变化则是影响农业发展的主要因素。上述分析表明，格尔木地区气温升高，气候变暖，农作物生长季积温增多，热量资源增加，使区域内农作物生长季延长，种植区域由低海拔向高海拔地区延伸，有利于农作物种植面积扩大和复种指数的提高，同时有利于特色农作物推广和种植，对调整和优化农作物种植结构十分有利。根据统计分析，21世纪以来较20世纪60年代相比农作物生长季延长20～25 d，农作物播种期提前近12～16 d；农作物播种总面积20世纪60年代初期约为3.7×103hm2，2015年约为6.2×103hm2，扩大幅度达60%；农作物种植结构占比20世纪60年代初期为86∶8∶6，2015年占比达4∶1∶95，种植结构变化明显。分析其原因，主要是产量高、经济效益明显的枸杞等特色农作物种植面积扩大所致，尤其是枸杞种植面积迅速扩大导致粮食作物种植面积迅速减少。经统计，2015年枸杞作物种植面积为5.2×103hm2，种植面积占比达84%，枸杞等特色农业成为推动当地农牧业经济增长的主导产业。

4.3 气温变化对农作物种植结构的影响

由图4a可以看出，格尔木地区年平均气温与粮食和油料作物种植面积呈负相关关系，相关系数分别为-0.5401和-0.0141，其中粮食作物通过了0.01显著检验，相关明显，气温每升高1.0℃，粮食作物种植面积减少560.1 hm2，油料作物种植面积减少3.9 hm2。其它作物种植面积与年平均气温呈正相关关系，相关系数为0.5824，通过了0.01显著检验，相关明显，气温每升高1.0℃，其它作物种植面积增加833.9 hm2(图略)。

图4 格尔木地区粮食(a)和油料(b)作物种植面积对年平均气温的响应

综合上述分析，气温升高，气候变暖，热量资源增加，对农作物生长提供了丰富的热量资源，有利于农作物种植面积扩大和复种指数的提高，同时有利于特色农作物推广和种植，是影响农业种植结构调整的主要原因，使区域内粮食作物种植面积明显减少，其它作物种植面积明显增加，导致区域内农作物种植结构发生明显改变。

5 结论与讨论

5.1 格尔木地区年平均气温呈显著增加趋势，升温倾向率为0.6℃/10a

年平均气温20世纪60至80年代初期增温幅度较缓慢，80年代后期至21世纪以来增温明显。21世纪以来较60年代相比平均气温增加2.5℃。

5.2 积温

格尔木地区≥0℃、≥5℃、≥10℃的积温均呈显著增加的趋势，增加倾向率为125.6～167.8℃/10a，其中≥0℃积温增加最少，≥10℃的积温增加最多。各界限温度积温60至70年代增加幅度较小，增加幅度达52.5～130.4℃，90年代以来增加幅度较大，增加幅度达169.2～293.8℃。21世纪以来与上世纪60年代相比，≥0℃、≥5℃、≥10℃的积温分别增加569.2℃、604.2℃、720.9℃。

5.3 作物面积变化

格尔木地区粮食和油料作物种植面积呈减少趋势，减少倾向率分别为404.0 hm2/10a、1.2 hm2/10a；其它作物种植面积呈增加趋势，增加倾向率为595.0 hm2/10a，粮食作物和其他作物种植面积变化趋势明显。

5.4 格尔木地区年平均气温与粮食和油料作物种植面积呈负相关关系，与其它作物种植面积呈正相关关系

气温每升高1.0℃，粮食作物种植面积减少560.1 hm2，油料作物种植面积减少3.9 hm2，其它作物种植面积增加833.9 hm2，粮食和其他作物种植面积变化与年平均气温相关显著。

分析表明，气温升高，气候变暖导致格尔木地区农作物种植结构发生明显改变，但影响农业种植结构的因素除气候因素外，还有农业生产技术水平、经济效益、政策导向等因素[11]，尤其近年来随着市场经济不断发展，无论从政府角度还是农户角度，农业生产以市场为导向，国家农业经济政策的大力实施、农业科学技术的发展和推广等对农作物种植结构产生了较大的影响。因此，在格尔木地区气候趋于明显变暖的背景下，就国家农业经济政策、农业科学技术等对农作物种植结构影响等有待进一步研究。