四川省农作物种植结构与气候变化耦合协调性研究

2022-06-01黎景锐罗怀良张建华

中国农学通报 2022年12期

黎景锐，王谢，罗怀良，张建华

（1四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066；2四川师范大学地理与资源科学学院，成都 610101；3农业农村部西南山地农业环境重点实验室，成都 610066）

0 引言

农业是对气候变化响应最为敏感的部门之一[1]。农业在应对全球粮食安全方面面临巨大挑战，预计在气候变化下将面临更大挑战[2-4]，尤其是中国这样人口众多的发展中国家[5-8]。预计到2050年，由于全球变暖，发展中国家的整体潜在农业生产率会下降9%～21%[9]。21世纪以来，中国不同区域农作物种植结构都发生了显著变化，四川是全国13个粮食主产省之一[10]，也是中国西部的水果、蔬菜种植大省[11]。2000年以来，随着四川省经济的高速发展和城镇化进程推进，农村劳动力大量向城镇转移，农村常住人口由2000年的6941.2万人降至2019年的3870.1万人。四川是长江上游生态屏障建设的重点地区，坡耕地面积较大，但水土流失严重、城市建筑用地不断扩展、人口的城市化使大量农用地撂荒、退耕还林使耕地转换为林地、耕地污染等因素，都使得耕地面积不断减少[12]。此外，规模化及特色农作物种植的发展等对农田利用状况也产生着深刻的影响。

目前，关于农作物种植结构的影响因素研究主要集中在气候变化、土壤状况、耕地规模、不同作物的比较优势差异、社会需求、政策引导、农民意愿等方面[13-15]。四川省于2019年提出了加快建设现代农业“10+3”产业体系的规划，致力于将四川省由农业大省转变为农业强省。区域作物种植结构状况关系着区域的第一产业水平、农民的收益、资源的配置、相关产业布局等问题[16-18]。寻求合理的作物种植结构，可以提升土地利用效率、提高农民收入、改善区域环境，实现多方效益的共赢[19-21]。鉴于此，本研究以气候变化为背景，对四川省2000—2018年主要农作物种植结构的变化特征进行分析，以期为四川省未来气候变化背景下农业发展的科学规划、合理布局提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据资料来源与处理

农作物产量受气候等自然因素影响较大，易出现异常值，且已有研究中应用播种面积数据开展研究的较多。因此，采用播种面积数据划分种植结构类型[22]。农业数据来源于2000—2018年《四川省农村统计年鉴》，涉及农作物种类包括水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、果园、油料作物等。气象数据来自中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，收集了四川省43个农业气象观测站2000—2018年的逐日降水量、平均气温，≥10℃积温等数据。

采用Excel和Origin 2018软件，对主要农作物种植结构的变化特征进行分析；对43个气象站逐日数据进行分类汇总，计算出全省年际平均降水量，根据逐日平均气温数据，对≥10℃的日值数据进行加总，得到≥10℃年际积温；对降水量和积温进行趋势分析，探讨气候变化趋势。

1.2 耦合协调度模型

为评价四川省主要农作物与气候变化的协调关系，本文借鉴物理学中的容量耦合模型，采用农作物播种面积和降水及积温数据，构建农作物种植结构与气候变化的耦合度和协调度模型[23]。耦合度反映了区域农作物种植结构与气候变化的同步性，协调度模型则可以更好地评价农作物与气候变化的协调与不协调关系，具体公式如式(1)所示。

式中：C表示2个系统的耦合度，U1和U2分别表示气候变化和农作物种植结构变化的综合指数。当C=1时，耦合度极大，表示气候变化与农作物种植结构变化两系统之间达到良性共振耦合；当C=0时，耦合度极低，表示气候变化与农作物种植结构变化两系统之间处于无序状态。系统耦合协调度如式(2)～(3)所示。

式中：D为系统耦合协调度；T为系统综合协调指数，反映系统整体协调效应，α、β为待定参数，其值大小根据气候变化与农作物种植结构变化的重要程度确定。参考已有研究，认为气候变化与农作物种植结构变化两个系统同等重要，故令α＝β＝0.5。协调度越高说明气候变化与农作物种植结构变化属于良性相互促进关系，当D=0时表示两个系统之间处于无序耦合状态，反之，2个系统之间相互作用和关联性较大。根据目前学者的研究[24]，可以划分以下4个区间：当D≤0.3时，表示低度协调类型；当0.3＜D≤0.5时，表示中度协调类型；当0.5＜D≤0.8时，属于高度协调类型；当0.8＜D≤1.0时，属于极度协调类型。

2 结果与分析

2.1 四川省气候变化特征

根据气象数据资料，对四川省2000—2018年年降水量与≥10℃积温进行分析，如图1所示。

图1 四川省2000—2018年降水量(a)与积温(b)变化情况

由图1可以看出，四川省2000—2018年间降水量、≥10℃积温均呈显著上升趋势。从整体变化趋势来看，降水量10年倾向率为53.5 mm/10 a，≥10℃积温10年倾向率为123.7℃/10 a；从波动情况来看，降水量年际波动相对较小，年际降水量均值为916.4 mm，2016年降水量达到最大值1108.6 mm，2006年降水量达到最小值768.2 mm，极差为340 mm。≥10℃积温年际波动较大，在2004、2007、2013—2014年出现3次大的涨跌，积温均值为3981.6℃，2004年达到最大值4480℃，2000年达到最小值3617℃，极差为863℃。

2.2 主要农作物播种面积数量变化特征

四川省主要农作物由粮食作物构成，粮食作物中又以水稻、小麦、玉米、薯类为主。根据农作物所占比重，将水稻、小麦、玉米、薯类、油料、豆类、果园之外的作物归类为其他作物。2000年以来，四川省农作物总播种面积变化不大，在956.2万hm2上下波动，但各农作物播种面积变化差异较大（图2）。

由图2可以看出，作物播种面积明显增加的有玉米、油料作物、豆类、果园；薯类播种面积保持相对稳定状态；作物播种面积明显下降的有水稻、小麦和其他作物，玉米和小麦在2016年发生较大波动。

图2 2000—2018年四川省主要农作物播种面积变化情况

玉米播种面积大幅增加，2018年播种面积185.6万 hm2，较2000年增加62.1万hm2，增长率为45.7%；油料作物播种面积呈扁平“S”状增长，2018年为149.1hm2，比2000年增加46.5hm2，增长率为52.2%；豆类2018年播种面积52.5万hm2，较2000年增加8.0万hm2，增长率为19.9%；果园播种面积增长较大，2018年播种面积74.4万hm2，较2000年增加43.8万hm2，增长率高达为162.2%。

薯类播种面积较为稳定，多年均值为121.5 hm2，增长率仅为4.2%。

水稻2018年播种面积187.4万hm2，较2000年减少24.9万hm2，增长率为-11.5%；小麦播种面积大幅下降，2018年播种面积63.5万hm2，较2000年减少96.9万hm2，增长率为-53.3%；

2.3 主要农作物种植结构占比变化特征

由图3可知，各主要农作物种植结构占比变化明显。四川省农作物种植占比前3种为水稻、玉米和薯类，多年平均占比分别为21%、17%和13%，且水稻在所有种类中占比较稳定；小麦种植占比正在逐年降低，特别是16年开始大幅下降（由11%降至7%），播种面积占比由2000年的17%降至2018年的7%；玉米占比逐年增加，播种面积占比由2000年的13%增至2018年的19%；豆类总体占比较小且稳定，在5%～6%之间；薯类占比变化不大，在12%～13%之间；果园占比较小，但播种面积占比呈逐年增加趋势，且增加趋势较明显，播种面积占比由2000年的3%增至2018年的8%；油料作物播种面积有增加趋势，播种面积占比由2000年的11%增至2018年的15%；其他作物占比在13%～17%之间，且呈逐年减少趋势。

图3 2000—2018年四川省主要农作种植结构占比变化趋势

2.4 作物种植结构与气候变化的协调性分析

根据各气候要素对农作物影响的程度，用积温表示气候变化指数。农作物种植结构变化指数由主要作物构成，根据各农作物的耐温特性，将农作物分为喜凉作物、喜温作物和喜热作物三大种类。结合四川省农作物实际种植情况，喜凉作物主要包括小麦、薯类、甜菜、豆类（豌豆和蚕豆为主）；喜温作物主要包括水稻、玉米等。喜温作物对积温增长的响应为正向指数，喜凉作物对积温增长的响应为负向指数，对所有数据进行无量纲化处理，计算得到农作物种植结构变化与气候变化的耦合度和耦合协调度如下表1所示：

表1 2000—2018年农作物种植结构变化与气候变化的耦合度和耦合协调度

四川省2000—2018年农作物种植结构变化与气候变化整体耦合度与耦合协调度均较高。从耦合度来看，除2000年和2007年外，耦合度C值均≥0.79，说明农作物种植结构变化与气候变化具有很高的同步性。从耦合协调度来看，2000年和2007年处于无序耦合状态；2003、2004、2006年D值≥0.8，说明农作物种植结构变化与气候变化极度协调，气候变化与农作物相互适应；其他年份D值在[0.5，0.8]之间，说明农作物种植结构变化与气候变化协调度较高。此外，随着四川省积温总体增加的趋势，未来积温还将进一步提升，喜温作物包括水稻、玉米等种植面积可适度扩大，而喜凉作物如小麦、薯类、甜菜、豆类（豌豆和蚕豆为主）等的产量则可能会受到气候变暖的负面影响。