气候变化对我国粮食产量的影响分析

□陈泽华，张 旭，张雨雨，夏晨茜，刘雨熙，刘梦鸽，黎 明

（湖北工业大学经济与管理学院，湖北 武汉 430068）

农业生产本质上与气候变化和自然资源密切相关，气候变化以及由此产生的环境脆弱性直接影响到农业生产潜力。因此，在气候变化背景下探索如何维持原有农业生产运行及建立适应现有气候变化的农业生产机制成为首要问题。中国作为传统的农业大国，目前传统农业生产模式仍占主导地位，因此气象因素仍是影响中国农业生产的决定性因素。研究发现，随着近年来温度的提升，全球粮食减产30%，如果考虑气候变化所致的降水量减少和极端气候增加等多种因素，粮食产量的降低可能导致区域及国家层面的粮食安全问题。

在世界范围内寻求可持续的农业生产方式以满足全球日益增加的粮食需求，削减大气温室气体排放水平，防止其对自然生态系统产生较大的人为干扰，成为区域层面农业生产需要关注的重点内容。农业生态系统本身是极其脆弱的生态系统，气候变化所导致的气象因素及极端气候事件会即时性地影响农业产出。因此，基于地方与区域需求，探索农业生态系统的脆弱性和适应能力，可以为农业生产提供重要理论依据。本研究通过低成本的运算工具，就区域农业生产重要指标和气候变化因素的关联性进行分析，为未来农业生产提供基础数据，同时为管理者制订相关政策提供借鉴。

1 研究对象与材料

1.1 研究对象

研究选择2003—2020 年气候数据中的温度、降水与二氧化碳（CO2）排放量及粮食生产数据进行分析。其中，气候数据来源于《中国统计年鉴》及CEADs中国碳核算数据库，粮食数据取自《中国统计年鉴》及中国饲料行业信息网、天下粮仓网。

1.2 研究方法

选取中国粮食产量为研究样本，选择移动平均法分析进行了模拟。自回归积分移动平均模型1970 年由Box＆Jenkings 提出，并广泛应用于时间序列的分析与预测。移动平均法基于第一项数值计算其序时平均数，而后逐项移动，求出移动平均数。公式如下。

2 结果与分析

2.1 全国历年气候变化动态

全国2003—2020 年温度动态变化数据如图1 所示，2003—2020 年年平均温度为14.4 ℃，近年来温度变化极值出现频率增加，其中，2007 年年平均温度为14.9 ℃，2012 年年平均温度为13.8 ℃。

图1 全国2003—2022 年平均温度变化

如图2 所示，2003—2020 年全国年平均降水量呈增加态势，总体平均降水量在905.5 mm，2016 年出现最高降水量1 128.9 mm，在2011 年出现最低降水量787 mm。

图2 全国2003—2022 年降水量变化

如图3 所示，在2020 年出现最高二氧化碳排放量达10 503.75 mt，2003 年出现最低二氧化碳排放量为4 249.68 mt，2003—2020 年平均二氧化碳排放量在8 318.6 mt。

图3 全国2003—2022 年二氧化碳排放量变化

2.2 全国历年粮食产量变化与预测研究

如图4 所示，2003—2020 年我国粮食产量变化总体上呈现出逐年递增的趋势。

图4 全国2003—2020 年粮食产量

运用2003—2020 年全国粮食产量数据，基于简单移动平均预测模型，得到历年粮食的预测值，结果如图5 所示，2003 年为粮食产量最小，2020 年粮食产量最高，2003—2020 年平均粮食产量为58 133 万t。

图5 简单移动平均预测模型预测粮食产量

简单移动平均预测模型的预测结果能够较好地拟合实际全国粮食产量，说明该简单移动平均预测模型具有良好的预测效果。根据残差分析结果，数据分布为白噪声，分布为正态分布，如图6 所示，该模型满足分析需求。

图6 实际值与预测值残差图

2.3 气候变化因素对粮食产量的影响

如图7 所示，对温度变化与粮食产量数据运用Cubic 线性回归模型进行拟合，R2值为0.316 2。结果显示，温度变化与粮食产量呈显著性相关。因此，温度对粮食产量的影响在一定程度上反映出气候变化对农业生产的影响。

对降水量变化与粮食产量数据运用Cubic 线性回归模型来进行拟合，如图8 所示，R2值为0.446 3。数据结果表明，降水量变化与粮食产量呈现显著性相关（P＜0.05）。因此，降水量是未来粮食生产过程中需要关注的重点环节。

图7 温度变化对粮食产量的影响

图8 降水量变化对粮食产量的影响

由图9 可知，通过对二氧化碳排放量变化与粮食产量数据运用Cubic 线性回归模型进行拟合，采用拟合性较高的三阶二项式趋势线，R2值为0.948 1。可见，二氧化碳排放量变化与粮食产量相关系数较高，因而二氧化碳排放量变化对粮食产量影响较大，这也在一定程度上反映出二氧化碳（CO2）上升对农业生产的促进作用。

3 讨论

本研究采用了一种基于简单移动平均的粮食产量预测方法。结果表明，简单移动平均能够很好地实现粮食产量的预测分析。同时，基于残差分析结果，模型满足预测需求。

农业高度依赖特定的气候条件，试图了解气候变化对粮食供应的整体影响可能很困难。温度和二氧化碳（CO2）的增加可能对某些地方的某些作物有益，但前提是必须满足养分水平、土壤湿度、水的可用性和其他条件。干旱和洪水的频率以及其严重程度可能会给农民和牧场主带来挑战。

本研究发现，温度、降水量、二氧化碳（CO2）3 种因素会影响农作物的生长发育、生长环境以及种植规律等方面，进而影响粮食的产出数量。由图7～图9可知，二氧化碳（CO2）作为重要的温室气体，是造成当前气候变化的重要因素，但同时也是农业生产过程中必需的肥料，一定程度的二氧化碳（CO2）排量升高可以显著增加植物的光合作用，从而促进粮食产量增加，因此粮食产量的变化需要综合考虑众多气候影响因素。

图9 二氧化碳排放量变化对粮食产量的影响

随着全球气候变化，气温上升直接影响作物生长的外部环境发生着细微的变化，这些变化又直接影响到作物的生长。从作物生长需求的环境条件来说，气候变暖会使低温冻害等灾害减少、作物春季物候期提前、种植期延长，很大程度上将会促进作物生长，有利于粮食的生产。

降水量是否适宜取决于地面状况、土壤性质、降水强度、当时的土壤水分状况和作物的需水量等因素。有效降水是指实际补充到植物根层土壤水分，故有效降水区间内降水量越大，其对粮食作物的生长有益性就越大。

二氧化碳（CO2）等温室气体浓度增加会使农业生态环境发生一系列变化，并可能影响农业种植生产决策、品种改良、土地利用、农产品价格政策和技术改进等一系列问题。大量研究结果表明，大气中的二氧化碳（CO2）浓度升高，大部分农作物产量将会有所增加。

总体而言，气候变化可能会直接影响农作物种植，气候变化的影响还需要考虑影响农业生产的其他因素。温度、二氧化碳（CO2）含量以及极端天气的频率和强度变化可能对作物产量产生重大影响。温度升高可能会使许多作物生长得更快，但也会降低作物产量产量。在较温暖的条件下，作物往往生长得更快，然而，对于某些作物（如谷物），快速生长减少了种子生长和成熟的时间，这可能会降低产量。对于任何特定作物，温度升高的影响将取决于作物生长和繁殖的最佳温度。在一些地区，变暖可能有利于区域通常种植的作物类型，但是，如果变暖超过作物的最佳温度，产量可能会下降。

4 结论

毫无疑问，农业是受气候变化影响最大的行业，在未来几十年里，满足世界上日益增长的粮食需求可能会变得更加困难，因为世界上一些最贫困地区的农业系统已经面临着人口增长和收入增长的挑战。气候变化改变了温度和降水模式，对作物生产有直接影响。气候变化将对区域水文产生直接影响，通过改变作物可用水量来影响农业生产。此外，气候变化下的温度升高在很大程度上会增加蒸散量和影响作物的生长需求。降水变化对作物产量会有一定的影响，未来日照时数和降水会呈下降趋势，气温会保持上升趋势，而日照时数减少、气温上升和降水减少不利于粮食增产；非气候要素投入会改变气候要素变化对粮食作物生产的影响，随着气温上升、降水减少，增加灌溉、化肥投入会显著提升粮食产量。因此，未来农业生产可从人工光照技术开发、推广耐旱作物品种、完善农田灌溉设施等方面予以重点提升，从而提升农业生产的气候韧性。