近50年氣候驅動下三江平原糧食生產潛力時空演變分析

杜國明, 馬敬盼, 張露洋, 孫曉兵, 張志宇, 劉 釗

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.東北大學 土地管理研究所,沈陽 110004; 3.中國農業大學 資源與環境學院, 北京 100193)

世界糧農組織把應對氣候變化列為解決世界糧食供給和緩解饑餓的全球性重大挑戰[1]。中國作為農業和人口大國，人口增長與糧食供給矛盾突出，氣候變化背景下的農業生產對國家糧食安全以及社會穩定影響深遠[1-3]。在影響糧食產量的眾多因素中，單產提高對糧食增產的貢獻度最大[4-6]。同時由于耕地面積的有限性，穩定可持續提高糧食單產已成為提高糧食產量的重要舉措。目前保障糧食安全的核心已由產量安全逐步轉向產能安全。核算糧食產能和生產潛力及其變化，可以為“藏糧于地”、耕地資源綠色可持續發展等國家耕地及糧食安全戰略的實施提供依據[7-12]。

在氣候變化對區域糧食生產潛力影響的研究中，學者們采用了多種方法和模型，從全國或者局部區域尺度，對區域整體或者個別作物類型的生產潛力進行分析[13-16]。聯合國糧農組織和國際應用系統分析研究所共同開發了農業生態區劃(Global Agro-Ecological Zones，GAEZ)模型，GAEZ模型經過不斷地完善與改進，已被國內外眾多學者應用到糧食生產潛力的估算中，結果有較高的準確性和科研意義[17-21]。

三江平原地處中溫帶北段、東北地區東部，是東北地區乃至全國氣候變暖最為顯著的區域，農業受氣候影響顯著[22]。同時，三江平原在新中國成立后陸續進行大規模農業開發，現已成為我國重要的粳稻主產區和商品糧基地，對我國農業發展和糧食供給貢獻較大。因此，分析氣候驅動下三江平原糧食生產潛力時空演變具有較為重要的現實意義。本文運用GAEZ模型對三江平原糧食生產潛力進行計算，并針對三江平原糧食生產潛力的時間變異和空間差異特征進行分析，旨在為區域耕地資源可持續利用、糧食產能保護及農業適應性研究提供依據，為后續耕地資源優化配置、供給側結構調整提供參考。

1　研究區概況

三江平原位于黑龍江省東部，地理位置介于43°50′02′′—48°24′41′′N，129°11′49′′—134°46′37′′E。行政區域包括佳木斯、雞西、鶴崗、雙鴨山、七臺河等地級市以及牡丹江市所屬的穆棱縣和哈爾濱所屬的依蘭縣，共計23個縣(市、區)。處于中溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候區。多年平均降水量450～650 mm，平均氣溫為1～4℃。四季分明，春季氣候較為干燥，風力較大；夏季高溫日長，雨量豐富；秋季多風，晝夜溫差大；冬季嚴寒干燥。土壤有機質和養分總貯量較高，有較高的潛在肥力。

2　數據來源與研究方法

2.1　數據來源

GAEZ模型綜合考慮氣象、土壤適宜性、耕地利用等多方面的因素，數據包括：1961—2010年三江平原及周邊區域的21個氣象站點的氣象數據，其中氣溫數據涉及日均溫、日最高溫度、日最低溫度、積溫等；降水數據涉及降水量、相對濕度、降水強度、降水變率等；輻射數據包括日照時數、有效輻射量等。土壤數據包括土壤質地、土壤肥力、土壤類型、侵蝕強度等屬性，來自于中國科學院資源環境科學數據中心。地形高程數據包括坡度和坡向信息(分辨率為30 m)，來源于美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪數據(SRTM)。耕地數據包括土地利用結構、土地利用方式、耕地灌溉比例等，其中耕地利用數據(2010年)來源于中國科學院資源環境科學數據中心(比例尺為1∶10萬)，耕地灌溉數據來自于黑龍江省統計年鑒等。為分析氣候變化對三江平原糧食生產潛力的影響，本文假定研究區土地利用未發生變化，以2010年土地利用數據為基礎，利用1961—2010年氣候數據分析1 km×1 km柵格單元的糧食生產潛力。

2.2　研究方法

2.2.1GAEZ模型GAEZ模型采用逐級修正的方式計算生產潛力[23]。首先根據生長參數(葉面積指數、收獲指數等)和光照輻射條件計算光合生產潛力；再結合降水和氣溫條件計算光溫生產潛力；考慮土壤水限制條件計算光溫水生產潛力；綜合分析病蟲害、霜凍等農業災害計算氣候生產潛力。同時綜合考慮土壤肥力、pH值、土壤質地、地貌類型、土壤主要性狀指標等信息提取適宜種植區。針對適宜種植區模擬理想的農業生產條件，計算適宜種植區的生產潛力。

GAEZ模型中生產潛力的估算分別考慮雨養和灌溉條件。雨養條件是指有水脅迫條件下作物的生產潛力；灌溉條件是指保障水條件充分，即假設水對生產潛力沒有影響。此計算方法與我國實際種植情況相一致，符合農業生產，則總生產潛力計算公式如下：

yieldtotal=yieldrain-fed(1-i)+yieldirrigated×i

(1)

式中：yieldtotal為總生產潛力；yieldrain-fed為雨養條件下的生產潛力；yieldirrigated為灌溉條件下的生產潛力；i為灌溉面積與總耕地面積的比率(%)。

2.2.2Mann-Kendall法世界氣象組織推薦的Mann-Kendall法(簡稱M-K法)是一種非參數統計檢驗方法，適用于非正態分布的數據，常用來檢測氣候不連續的變化—突變現象[24]。由于其不要求所分析數據服從某一概率分布，而且其趨勢檢測能力與參數趨勢檢測方法相同，因而受到國際水文組織的認可。本文選取了M-K方法對三江平原糧食生產潛力序列進行趨勢和突變點檢驗。

2.2.3HP濾波法氣候變化導致糧食生產潛力出現年際差異，即糧食生產潛力的波動。這種波動可以分為長期波動和短期波動。長期波動是糧食生產潛力隨著時間的遷移表現出的整體波動情況和特征，短期波動是指糧食生產潛力相對于長期趨勢的偏離。本文利用波動指數來反映近50年來三江平原糧食生產潛力的波動情況。為了計算波動指數，本文采用HP濾波方法，將糧食生產潛力的趨勢成分及周期成分進行分離．其中的趨勢成分即潛在生產潛力，周期成分即生產潛力缺口[25]。

波動指數計算公式為：

(2)

2.2.4線性回歸系數用xi表示樣本量為n的某一變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi和ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(3)

式中：a為回歸常數；b為回歸系數。a和b用最小二乘法進行估計。

對數據xi及相應的時間ti，回歸系數b最小二乘估計為：

(4)

回歸系數b的符號表示變量的趨勢傾向性，當b>0時，說明變量x隨時間的增加呈上升趨勢；反之b<0表示隨時間的增加變量x呈下降趨勢，b值的大小反映了上升或下降的傾向程度。

3　結果與分析

3.1　糧食生產潛力的時間變化分析

將利用GAEZ模型計算的2010年三江平原各縣(市、區)的糧食產能與由統計數據得到的糧食產量進行相關性分析，發現Pearson相關性為0.653，兩者在0.01水平呈雙側顯著相關，糧食生產潛力的模擬效果較好，可以為現實農業進行生產指導。分析50年間長時間尺度三江平原糧食生產潛力演變曲線發現(圖1)，1961—2010年的三江平原糧食年均生產潛力在2 964.60～5 127.55 kg/hm2波動，標準差為555.43 kg/hm2，50 a平均值為3 996.78 kg/hm2，以每10年140.39 kg/hm2(y=14.039x-23878，R2=0.13577)的線性傾向率增加。

圖11961-2010年三江平原糧食平均生產潛力變化情況

利用Mann-Kendall方法對三江平原糧食生產潛力序列進行趨勢和突變點檢驗。研究發現(圖2)，1961—2010年生產潛力長期呈現上升(1961—1965年)—下降(1966—1990年)—上升(1991—2010年)趨勢，整體呈現上升趨勢。其中1961—1970年生產潛力呈先上升后下降的趨勢，并于1970年(UFK=-2.2361)達到α=0.05顯著水平；1971—1980年一直呈現下降趨勢，并于1979年(UFK=-2.2041)達到α=0.05顯著水平；1981—1990年一直呈現下降趨勢，并于1982年(UFK=-2.0584)和1983年(UFK=-1.9808)達到α=0.05顯著水平；1991—2000年一直呈現上升趨勢，并于1996年發生突變，出現顯著增長；2001—2010年一直呈現上升趨勢，并于2006年(UFK=1.9978)，2007年(UFK=2.0817)，2009年(UFK=2.2412)和2010年(UFK=2.568)達到α=0.05顯著水平。

分析1961—2010年三江平原糧食生產潛力的每10年間變化發現(圖3)，就生產潛力平均值而言，呈現2001—2010年>1991—2000年>1981—1990年>1961—1970年>1971—1980年的態勢。除1971—1980年外，隨著時間的推移，不同時間段之間生產潛力平均值均穩步增加，但不同時間段的變化差異顯著。1961—1970年，生產潛力以每年95.71 kg/hm2的線性傾向率減少；1971—1980年，生產潛力以每年55.75 kg/hm2的線性傾向率減少；1981—1990年，生產潛力以每年21.72 kg/hm2的線性傾向率增加；1991—2000年，生產潛力以每年5.60 kg/hm2的線性傾向率增加；2001—2010年，生產潛力以每年106.13 kg/hm2的線性傾向率增加。就線性傾向率而言，1961—1980年呈現減少態勢，1981—2010年呈現增加態勢，且2001—2010年的增加速率較大。

圖2　1961-2010年三江平原糧食生產潛力的Mann-Kendall統計量曲線

圖3　1961-2010年三江平原糧食的年代變化

以1961—2010年三江平原糧食平均生產潛力為研究對象，運用Hodrick-Prescott Filter(H-P濾波法)進行三江平原糧食生產潛力的波動性觀測(平滑參數取100)，得到波動指數(圖4)。可以發現，1961—2010年三江平原糧食生產潛力波動幅度不大，為-28.20%～24.02%。就波動幅度來看，呈現1991—2000年>2001—2010年>1981—1990年>1971—1980年>1961—1970年的態勢，1981—2010年的波動幅度較大，說明該時間段糧食生產潛力與長期趨勢的偏離較大，穩定性較差；就波動次數而言，1991—2010年的波動次數較多。整體看，1991—2010年的糧食生產潛力穩定性較低，波動頻繁且幅度較大。

3.2　糧食生產潛力的空間差異分析

三江平原特殊的地理環境致使縣域糧食生產潛力分布與變化具有顯著差異(表1)：(1) 空間分布上，三江平原北部地區(友誼縣、綏濱縣、樺川縣、集賢縣和富錦市)等縣域糧食生產潛力平均值較大，而南部的穆棱市、雞西市市轄區等縣域糧食生產潛力平均值較低；(2) 在縣域糧食生產潛力的變化上，北部的集賢縣和綏濱縣以及東部的密山市和虎林市等縣域糧食生產潛力的年均增長率較大，而南部的穆棱市和雞西市市轄區以及西部的依蘭縣等縣域糧食生產潛力的年均增長率較小；(3) 在縣域糧食生產潛力的穩定性上，穆棱市、友誼縣、湯原縣和雞西市市轄區糧食生產潛力的變異系數較低，較為穩定；密山市、撫遠縣和虎林市生產潛力的變異系數較高，較為不穩定。

圖4　1961-2010年三江平原糧食生產潛力波動指數

縣(市、區)平均值/(kg·hm-2)變異系數年均增長率/%友誼縣5428．750．130．65綏濱縣5052．150．180．68樺川縣5039．400．130．68集賢縣4827．330．170．82富錦市4815．340．150．67蘿北縣4488．680．140．49依蘭縣4390．320．150．33湯原縣4285．780．130．51佳木斯市市轄區4232．080．130．47同江市4058．500．170．46鶴崗市市轄區4051．110．150．56虎林市3971．750．190．70樺南縣3970．700．170．51寶清縣3730．670．170．69密山市3658．180．210．79勃利縣3647．710．170．56饒河縣3513．700．180．57撫遠縣3380．000．210．65雙鴨山市市轄區3275．780．190．69雞東縣3119．050．190．66七臺河市市轄區3078．830．180．68穆棱市2750．470．110．24雞西市市轄區2650．930．130．39

分析線性回歸系數的空間分布(圖5)，可以看出三江平原糧食生產潛力的空間變化趨勢大致有以下特點：(1) 除西部和南部(樺川縣、佳木斯市市轄區、湯原縣、穆棱市和雞西市市轄區)等地的部分區域呈糧食生產潛力的負增長趨勢外，其余地區均呈正增長趨勢；(2) 各地區正向增長的程度有所差異，東南部(密山市和虎林市)等地的部分區域的正向增長程度較高，中部(集賢縣、富錦市和樺川縣)等地的部分區域的正向增長程度較低。

圖5　1961-2010年三江平原糧食生產潛力線性回歸系數

4　討論與結論

4.1　討 論

三江平原在經歷大規模開荒以及持續不斷的小規模農墾活動后，土地利用結構發生顯著變化，耕地面積急劇增加，濕地面積大幅度減少，致使三江平原區域氣候變化劇烈，且對溫度、降水等產生較大的影響[26-27]。20世紀60年代、70年代≥10℃活動積溫偏低，夏季低溫發生頻繁同時伴有降雨量減少突變和增溫突變現象[28]；20世紀80年代氣候變化顯著，主要體現在增溫突變、年日照時數和平均風速的減少突變上[29]。氣候的極端性變化極大地影響了該區的農業生產，進而對糧食生產潛力產生一定的負面影響，致使三江平原糧食生產潛力長期呈降低趨勢。而20世紀90年代后，三江平原氣候突變較少，升溫顯著，且此階段的升溫是全球氣候變暖同步的區域響應表現，對區域糧食生產潛力有一定的促進作用[28-30]，致使三江平原糧食生產潛力呈升高趨勢。氣候通過影響糧食生產潛力進而對區域糧食產能及其穩定性產生深遠影響。因而，必須合理適度進行耕地結構性調整，以減輕氣候波動對糧食產能穩定性的影響，提升耕地利用與農業生產對氣候變化的適應能力。

三江平原糧食生產潛力的空間差異性與其溫度、降水的空間差異性密切相關。三江平原北部和東部屬于濕潤氣候，而西部和西南部則屬于半濕潤氣候。同時區域氣候變化不僅與土地利用變化有關，而且與地形地貌有較大的關聯。三江平原北部和東部多為平原，地勢較低，而西部和西南部則多為山地丘陵。三江平原半濕潤環境的形成與包括完達山在內的長白山對東南暖濕氣流的屏障作用有關，由此在背風的一側出現氣候溫和、降水較少的地方性氣候，而東部烏蘇里江沿岸各縣年降水量大于年蒸發量，其余地區則反之[30-31]。溫度、降水的空間差異致使三江平原糧食生產潛力均值呈現北高南低；年均增長率呈北部、東部明顯高于南部；以及西部、南部生產潛力長期呈負增長的趨勢。今后該區進行耕地資源可持續開發利用時，應充分考慮地貌因素對小區域氣候的影響，進行適當地種植結構調整，以保護區域糧食產能的穩定正向發展。氣候變化背景下，三江平原積溫界限北移，促進了區域耕地種植結構的迅速調整，耕地水田化現象凸顯。同時，為應對氣候變化，農區、墾區兩種不同耕地管理模式對區域糧食生產潛力的影響也是值得進一步探討的問題。為分析氣候變化對糧食生產潛力的影響，本文的土地利用數據以2010年數據為基礎，沒有考慮耕地面積變化、種植業結構調整等對區域糧食綜合生產能力的影響，這將是本研究繼續深化的方向。

4.2　結 論

(1) 1961—2010年三江平原糧食平均生產潛力長期呈現上升—下降—上升趨勢，整體呈現增長態勢。50 a糧食平均生產潛力平均值為3 996.78 kg/hm2，每10 a糧食生產潛力增長量為140.39 kg/hm2，年均增長率為0.60%。

(2) 三江平原糧食生產潛力每10 a間的變化特征有所差異。就生產潛力平均值而言，呈現2001—2010年>1991—2000年>1981—1990年>1961—1970年>1971—1980年的態勢；就線性傾向率而言，1961—1980年呈現減少態勢，1981—2010年呈現增加態勢，且2001—2010年的增加速率較大。但1991—2010年的糧食生產潛力穩定性較低，波動頻繁且幅度較大。

(3) 三江平原糧食生產潛力的空間差異主要表現為北部區域的高生產潛力和南部地區的低生產潛力。在縣域生產潛力的增長率和穩定性上，呈現穩定的高增長率的縣市有：樺川縣、富錦市、鶴崗市市轄區和友誼縣；呈現不穩定的高增長率的縣市有：集賢縣、密山市、虎林市、寶清縣、雙鴨山市市轄區、綏濱縣、七臺河市市轄區、雞東市、撫遠縣、饒河市和勃利縣；呈現穩定的低增長率的縣市有：湯原縣、蘿北縣、佳木斯市市轄區、雞西市市轄區、依蘭縣和穆棱市；呈現不穩定的低增長率的縣市有：樺南縣和同江市。

(4) 三江平原糧食生產潛力線性回歸系數在空間上除西部和南部(樺川縣、佳木斯市市轄區、湯原縣、穆棱市和雞西市市轄區)等地的部分區域呈糧食生產潛力的負增長趨勢外，其余地區均呈正增長趨勢；各地區正向增長的程度有所差異，東南部(密山市和虎林市)等地的部分區域的正向增長程度較高，中部(集賢縣、富錦市和樺川縣)等地的部分區域的正向增長程度較低。

參考文獻:

[1]Food and Agriculture Organization. FAO Profile for Climate Change[R].Rome: FAO,2009.

[2]Tubiello F N, Fischer G. Reducing climate change impacts on agriculture: Global and regional effects of mitigation, 2000—2080[J]. Technological Forecasting and Social Change, 2007,74(7):1030-1056.

[3]尹朝靜,李谷成,高雪.氣候變化對中國糧食產量的影響：基于省級面板數據的實證[J].干旱區資源與環境,2016,30(6):89-94.

[4]封志明,孫通,楊艷昭.2003—2013年中國糧食增產格局及其貢獻因素研究[J].自然資源學報,2016,31(6):895-907.

[5]劉玉,高秉博,潘瑜春,等.基于LMDI模型的中國糧食產量變化及作物構成分解研究[J].自然資源學報,2014,29(10):1709-1720.

[6]李月,孔祥斌,張安錄,等.基于LMDI模型的我國省域糧食生產變化影響因素分析[J].中國農業大學學報,2016,21(1):129-140.

[7]杜國明,劉彥隨,于鳳榮,等.耕地質量觀的演變與再認識[J].農業工程學報,2016,32(14):243-249.

[8]倪超,雷國平.黑龍江省糧食生產與耕地利用耦合分析[J].水土保持研究,2013,20(1):246-259.

[9]余海龍,黃菊瑩,王亭荷.寧夏中部干旱帶56年來氣候生產潛力變化特征研究:以寧夏中寧縣為例[J].水土保持研究,2012,19(6):172-175.

[10]Zhang Y, Cai Y, Beach R H, et al. Modeling climate change impacts on the US agricultural exports[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014,13(4):666-676.

[11]黃志英,梁彥慶,葛京鳳,等.河北省作物生產潛力及人口承載力研究[J].農業現代化研究,2005,26(2):93-96.

[12]Ben Zaied Y, Zouabi O. Climate change impacts on agriculture: A panel cointegration approach and application to Tunisia[N]. Mpra Paper, 2015-6-3(64711).

[13]Yao F, Xu Y, Lin E, et al. Assessing the impacts of climate change on rice yields in the main rice areas of China[J]. Climatic Change, 2007,80(3):395-409.

[14]Li F, Zhang S, Xu X, et al. The response of grain potential productivity to land use change: A case study in western Jilin, China[J]. Sustainability, 2015,7(11):14729-14744.

[15]Li T S, Wu H H, Zhao H Z. Grain potential productivity of cultivated land in Baoji, Shaanxi Province, China[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013,295/298:2631-2634.

[16]Izaurralde R C, Rosenberg N J, Brown R A, et al. Integrated assessment of Hadley Center (HadCM2) climate-change impacts on agricultural productivity and irrigation water supply in the conterminous United States: Part II. Regional agricultural production in 2030 and 2095[J]. Agricultural & Forest Meteorology,2003,117(1):73-96.

[17]趙媛媛,何春陽,李曉兵,等.干旱化與土地利用變化對中國北方草地與農牧交錯帶耕地自然生產潛力的綜合影響評價[J].自然資源學報,2009,24(1):123-135.

[18]Lv Z, Liu X, Cao W, et al. Climate change impacts on regional winter wheat production in main wheat production regions of China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2013,171/172(3):234-248.

[19]Liu L, Xu X, Chen X. Assessing the impact of urban expansion on potential crop yield in China during 1990—2010[J]. Food Security, 2015,7(1):33-43.

[20]杜國明,張露洋,徐新良,等.近50年氣候驅動下東北地區玉米生產潛力時空演變分析[J].地理研究,2016,35(5):864-874.

[21]毛留喜,趙俊芳,徐玲玲,等.我國“鐮刀彎”地區春玉米種植的氣候適宜性與調整建議[J].應用生態學報,2016,27(12):3935-3943.

[22]欒兆擎,章光新,鄧偉,等.三江平原50 a來氣溫及降水變化研究[J].干旱區資源與環境,2007,21(11):39-43.

[23]International Institute for Applied Systems Analysis, Food and Agriculture Organization of the United Nations. Global Agro-ecological Zones (GAEZ v3.0)[R]. Laxenburg: IIASA and Rome: FAO,2012.

[24]魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社,2007.

[25]Razzak W. The Hodrick-Prescott technique: A smoother versus a filter: An application to New Zealand GDP[J]. Economics Letters, 1997,57(2):163-168.

[26]杜國明,于鳳榮,張樹文,等.21世紀初期三江平原北部土地利用時空特征分析[J].中國農村水利水電,2012,54(2):72-74.

[27]杜國明,杜蕾,楊厚翔,等.三江平原北部近55年來土地墾殖的時空格局研究[J].水土保持研究,2013,20(1):156-160.

[28]閆敏華,鄧偉,陳泮勤.三江平原氣候突變分析[J].地理科學,2003,23(6):661-667.

[29]鄒立堯,國世友,牛寧.三江平原1960—2004年農業氣候環境年代際變化[J].地球科學進展,2010,25(8):844-850.

[30]閆敏華,陳泮勤,鄧偉,等.三江平原氣候變暖的進一步認識:最高和最低氣溫的變化[J].生態環境,2005,14(2):151-156.

[31]王宗明,宋開山,劉殿偉,等.地形因子對三江平原土地利用/覆被變化的影響研究[J].水土保持通報,2008,28(6):10-15.