洱源縣農作物產量對氣候變化響應的敏感性分析

陳遠翔

(云南省環境科學研究院，云南 昆明 650034)

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洱源縣農作物產量對氣候變化響應的敏感性分析

陳遠翔

(云南省環境科學研究院，云南 昆明 650034)

摘要：以洱源縣為試點，采用農作物產量分解方法和氣候生產潛力計算方法，定量分析農作物產量受歷史氣候變化影響的程度。分析結果顯示：1952—2012年，洱源縣溫度生產潛力呈上升趨勢，降水生產潛力呈下降趨勢；氣候生產潛力與研究時段年均溫度相關系數為-0.11，與年均降水量相關系數為0.96，表明降水量是決定洱源縣氣候生產潛力的主導因子。研究表明，近60a來洱源縣農作物產量受氣候變化影響的程度正不斷上升，以負面影響為主。

關鍵詞：農作物產量；氣候變化；敏感性分析；氣候生產潛力；洱源縣

0引言

氣候變化對我國農業發展已產生了重要影響，近50年來中國平均地表溫度升高了1.1℃，增溫速率達0.22℃/10a，高溫、干旱、強降水等極端氣候事件屢有發生，且頻率不斷加大。氣候變化對我國農業生產的影響以負面影響為主，如冷害、霜凍、干旱、洪澇、冰雹等，加之因氣候條件改變引起的病蟲害等的危害范圍、時間、程度的改變，對農業發展產生了明顯影響，且影響范圍和程度正不斷加強[1]。

近年來云南省農業自然災害不斷加劇加頻，其中2010年受旱災影響最為嚴重，全省農作物因旱受災面積達2.84×106hm2，成災面積達1.85×106hm2，絕收面積達8.81×105hm2[2]。隨著氣候變暖的事實日益明顯，干旱、洪澇等災害的頻次和強度將有可能增加，從而進一步加劇氣候變化對云南省農業的負面影響。洱源縣是高原湖泊洱海的發源地，同時也是國家級生態文明試點縣和大理州的農業大縣，通過對洱源縣開展農業領域氣候變化影響評估分析，對因氣候變化引起的農作物產量變化進行定量分析，能夠為全縣開展農業領域應對和適應氣候變化工作、研究提供依據。

1研究方法與數據來源

1.1研究方法

采用農作物產量分解方法和氣候生產潛力計算方法，定量分析洱源縣農作物產量受歷史氣候變化影響的程度。

1.1.1農作物產量分解

影響農作物產量的關鍵因素以農業技術措施、氣象條件為主，此外還包括了一些隨機影響因素，對應可將農作物的實際產量分解為趨勢產量、氣候產量和隨機波動產量，其中隨機波動產量因所占比例很小可不作考慮[3]。即：

Y=E+C

式中：Y為實際產量，E為趨勢產量，C為氣候產量。由于上式分離出的氣候產量C存在較大的波動性，因此，對其采取相對化處理[4]，即：

C′=(Y-E)/E×100%

式中：Y為實際產量，E為趨勢產量，C′為相對氣象產量。

采用5a直線滑動平移法對洱源縣農作物的產量進行分解，其具體計算過程如下：

首先以1952年為起始年，向后5a，即以1952——1956年作為第一時間段，利用一元回歸或二元回歸擬合該時間段內的直線模型：

Yi=ai+bit

1952—1989年，共計得到34個線性方程。

然后計算每個方程在某一年度的擬合值，多數年度有5個擬合值，其中1986—1989年分別有4、3、2、1個值。

第三，求算各年度5個擬合值的平均值：

yc=y-ye

農作物產量的分解在本文中主要用于去除其趨勢產量，以便于展開氣象因子對產量定量分析的研究。

1.1.2氣候生產潛力計算

Miami模型：利用年平均溫度和年平均降水量作為環境變量，用最小二乘法分別建立生產潛力與兩個變量之間的定量表達式[5]：

Pt=3000/(1+e1.315-0.119t)

Pr=3000/(1-e-0.000664r)

式中：t為年平均溫度(℃)，r為年降水量(mm)，e=2.7183，Pt、Pr分別為由年平均溫度、年降水量決定的生產潛力(kg/(hm2·a))。

ThornthwaiteMemorial模型：以實際蒸散量為變量計算生產潛力：

Pe=3000(1-e-0.0009695(V-20))

V=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2

L=300+2.5T+0.05T3

式中：R為年平均降水量(mm)，V為年平均最大蒸散量(mm)，L是年平均溫度T的函數，Pe為由蒸散量決定的生產潛力(kg·/(hm2·a)[6]。

1.2數據來源

洱源縣1958 —2012年氣象數據均來自于洱源縣氣象站，1952—1989年小春糧豆和大春糧豆的播種面積、總產量等統計數據均來自《洱源縣志》。

2討論與分析

2.1氣候變化對洱源縣糧食作物產量的影響

農作物產量隨時間變化可分為呈某種趨勢的緩慢變化和偏離該趨勢的波動。前者稱為趨勢產量，主要受社會經濟等反映社會生產力水平的因素影響，后者稱為波動產量，主要受糧食產量形成過程中的不穩定因素影響。氣候條件作為農業生產的關鍵要素之一，其年際間的變化對農作物產量影響較為顯著。在農業生產中，農作物產量對氣候條件的變化有著較高的敏感性。影響農作物產量的各種不穩定因素中，氣候要素在年際間的變化率最大，難以準確預測且不可控制。波動產量主要反映的是氣候條件對于農業生產的影響，因此波動產量也可稱作氣候產量，其變化情況反映的是農作物產量因氣候變化引起的年際間的變異程度。

根據洱源縣1952—1989年小春糧豆和大春糧豆的播種面積、總產量統計數據，計算出小春糧豆和大春糧豆平均單產，從中分離出趨勢產量，如圖1。利用一元回歸方程對大春糧豆和小春糧豆進行多項式擬合，可見一元二次的回歸結果對大春、小春糧豆趨勢產量的擬合效果更好，這也與潘曉磊[7]對玉米產量分離的分析結果相同，相應的擬合方程為：

Yt1=3.2093T2-90.35T+2796.9

Yt2=0.5904T2-0.0068T+1365.6

式中：Yt1、Yt2分別代表大春糧豆和小春糧豆的趨勢產量，T代表年代序列，其中R12=0.6917，R22=0.6540。

大春糧豆趨勢產量的擬合公式表明，洱源縣大春糧豆在1952— 1989年的產量存在先降后升的趨勢。根據對小春糧豆趨勢產量的擬合結果，1952 —1989年小春糧豆趨勢產量呈加速趨勢，產量的拐點出現在1952年之前，這反映了洱源縣小春糧豆歷史生產的產量較低、相對地也說明其增產潛力較大。

利用趨勢產量的分離結果，可分離出大春糧豆和小春糧豆的氣候產量，同時采用公式，可得到逐年兩者的相對氣象產量，如圖2。當氣象條件有利于農業生產，實現氣候增產時，相對氣象產量為正值；當氣象條件不利于農業生產，出現氣候減產，相對氣象產量為負值。大春糧豆的相對氣象產量正負變化頻繁，38a間出現了16個氣候減產年和22個氣候增產年，上下波動程度較為平均，其中正值最大年份出現在1958年，達到9.3%，負值最小年份出現在1977年，達到 -13.12%。小春糧豆的相對氣象產量也出現正負變化交替出現的情況，38a間也出現了16個氣候減產年和22個氣候增產年，但上下波動程度先小后大，從20世紀80年代開始波動幅度明顯變大，其中正值最大年份出現在1985年，達到14.22%，負值最小年份出現在1986年，達到 -20.97%。

2.2農業氣候生產潛力分析

氣候生產潛力是由光、溫、水共同決定的生態系統生產力，是一個地區在最佳自然環境及農業管理條件下的農作物產量上限，一般表示為單位時間、單位面積土地產生和積累的綠色植物數量[8]。氣候生產潛力是凈第一性生產力的一個方面，其理論意義和實踐意義都是比較突出的，通過Miami模型和Thornthsaite Memorial模型，可計算由年平均溫度、年平均降水量決定的生產潛力及由蒸散量決定的氣候生產潛力，并可對氣候變化與農作物產量的關系進行分析。

2.2.1溫度生產潛力與降水生產潛力特征

對洱源縣1958 — 2012年的溫度生產潛力(Yt)與降水生產潛力(Yr)平均狀況進行分析，如圖3。近55a間，溫度生產潛力呈上升趨勢(Yt= 1.7246x+ 1728.1)，而降水生產潛力呈下降趨勢(Yr= -1.8632x+ 1195.6)。通過累計距平分析發現，如圖4，Yt在20世紀60—90年代初偏低，傾向系數為 -0.043，在此期間大多數年份為負距平值，90年代初至今Yt呈波動上升的趨勢，傾向系數為0.023，這一階段實質上是對氣候變化的積極響應；Yr在55a間出現了“升—降—升—降”的情況，具體表現為20世紀60—70年代中呈上升趨勢(傾向系數為0.011)，70—80年代末呈下降趨勢(傾向系數為 -0.011)，90年代初—90年代末呈上升趨勢(傾向系數為0.017)，2000年之后呈下降趨勢(傾向系數為 -0.010)。

2.2.2氣候生產潛力特征

根據Thornthsaite Memorial模型對洱源縣1958 — 2012年的氣候生產潛力(Ye)進行計算，如圖5所示。55a間平均氣候生產潛力為1192.80kg/hm2·a，從累計距平分析來看，Ye也出現了“升—降—升—降”的變化情況，具體表現為，20世紀60—70年代中呈上升趨勢(傾向系數為0.018)，70年代中—80年代末呈下降趨勢(傾向系數為 -0.022)，90年代初—90年代末呈上升趨勢(傾向系數為0.023)，2000年之后呈下降趨勢(傾向系數為 -0.020)。將氣候生產潛力分別與年均溫度和年均降水量進行Pearson相關分析，其與研究時段年均溫度相關系數為 -0.11，與年均降水量相關系數為0.96，因此可說明在近55a間，降水量是決定洱源縣氣候生產潛力的主導因子。

2.3農作物產量對氣候變化響應的敏感性分析

農作物產量對氣候條件波動響應的敏感性指數可定義為氣候產量(△C)與氣候生產潛力變化(△P)的比值，它反映了農業生產系統中，由于氣候要素決定的農作物產量對于氣候條件波動響應的敏感程度。比值越大，表示農業生產系統對氣候條件波動的反應越敏感，反之則不敏感。結合上述2.1和2.2中對洱源縣氣候產量和氣候生產潛力的計算結果，求出氣候敏感性指數，如表1。考慮到數量級的差異，先對序列進行標準化處理。由于本文主要分析氣候因素對作物產量的影響，不考慮人類活動的影響，因此用△C和△P取絕對值后的標準化數值求比值[9]。

從表1可知，20世紀60—80年代，大春、小春糧豆敏感性指數基本都呈現出上升的趨勢，但兩者在30多年中的變化趨勢又各有不同。大春糧豆產量受氣候影響最明顯的時期出現在70年代，而小春作物則是在80年代，造成這一差異的原因除不同作物類型對氣候的響應程度不同以外，也與氣溫、降水等氣象因素存在季節性差異有關。總體來說，農業生產對氣候資源波動響應敏感的地區主要分布于一些邊緣地帶，由于這些邊緣地帶的降水、溫度、光照等的年際變化率往往很大，導致農作物產量的波動性較強。在中國主要以西南季風與東南季風的交界地帶、中部季風區、亞熱帶的沿海地區、溫帶與寒溫帶交界的東北北部地區這4個區域的農業生產受氣候變化的影響較為明顯，洱源縣并不屬于這4個區域，因此洱源縣糧食作物生產受氣候變化影響較小。但隨著時間推移，洱源縣糧食作物產量對于氣候資源波動響應的敏感性正不斷增強。

表1　洱源縣糧食作物產量對氣候變化的敏感性指數

3結論

從相對氣象產量來看，洱源縣大春糧豆的相對氣象產量正負變化較為頻繁；小春糧豆的相對氣象產量也出現正負變化交替出現的情況，但上下波動程度先小后大，從20世紀80年代開始波動幅度明顯變大。

從氣候生產潛力來看，洱源縣溫度生產潛力呈上升趨勢，而降水生產潛力呈下降趨勢。其中，溫度生產潛力呈先減后增的趨勢，轉折點出現在20世紀90年代初，而降水生產潛力在55a間出現了“升—降—升—降”的情況。對氣候生產潛力與年均溫度和年均降水量分別進行相關性分析可知，其與研究時段年均溫度相關系數為-0.11，與年均降水量相關系數為0.96，因此可說明在近55a間，降水量是決定洱源縣氣候生產潛力的主導因子。

從敏感性指數來看，洱源縣大春、小春糧豆敏感性指數基本都呈現出上升的趨勢，但兩者在30多a中的變化趨勢又各有不同。大春糧豆產量受氣候影響最明顯的時期出現在20世紀70年代，而小春作物則是在80年代。造成這一差異的原因除不同作物類型對氣候的響應程度不同以外，也與氣溫、降水等氣象因素存在季節性差異有關。

總體而言，在氣候變化情景下，研究作物產量變化是一個相當復雜的問題。洱源縣農作物產量受氣候變化影響程度正不斷上升，隨著全球氣候變暖趨勢加劇，洱源縣農業發展受氣候變化負面影響也將進一步顯現。應積極著手開展農業領域應對和適應氣候變化相關研究和工作。從農業生態環境建設來看，需要積極發展生態農業，建立和恢復良好的農業生態環境。

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Analysis of Sensitivity of Crop Yields to Climate Change Function in Eryuan County

CHEN Yuan-xiang

(Yunnan Institute of Environmental Science，Kunming Yunnan 650034,China)

Abstract：In order to examone the impacts of historical climate change on agricultural production in different areas of Yunnan, Eryuan county, as the study area, was selected to quantify the impacs using crop yield decomposition method and climatic potential productivity calculation method．The results indicated that the temperature potential productivity showed a trend of escalation in Eryuan from 1952 to 2012, and the rainfall potential productivity was tending to decline. The correlation coefficient between climatic potential productivity and annual temperature was -0.11. The correlation coefficient between climatic potential productivity and average annual precipitation was 0.96, which indicated that precipitation was the driving factor influencing climatic potential productivity in Eryuan．It also showed that the crop yields have tend to be influenced by climate change more easily than before in an adverse way in Eryuan over the past 60 years．

Key words：crop yields;climate change;sensitivity analysis;climate potential productivity;Eryuan county

收稿日期：2015-08-18

基金項目：中國清潔發展機制基金贈款項目，云南省適應氣候變化行動與政策研究。

中圖分類號：X16

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)02-0016-05