黑龍江省氣候生產力時空分布及糧食產量預測

魏子力

(1.信陽師范學院,河南信陽 464000；2.河南省水土環境污染協同防治重點實驗室，河南信陽 464000)

聯合國政府間氣候變化專門委員會發布的第四次和第五次氣候變化評估報告指出：1880—2012年期間，全球平均地表溫度升高了0.85 ℃，1850—1900年時期和2003—2012年兩個時期平均溫度總升溫幅度為0.78 ℃，預計2030—2052年間可能達到1.5 ℃[1-2]，這將使全球糧食產量面臨重大挑戰。因此加強對氣候變化監測和預報對保障全球糧食安全具有重要作用。

氣象因素對土地的影響比其它基本要素更為突出[3]。國內外已有大量有關氣候變化對農作物產量影響的研究。Nelson G C等[4]研究發現氣溫上升、降雨格局的變化和灌溉水量供應的變化對作物產量有重要影響。發達國家的糧食產量受氣候因素的影響小于發展中國家，在沒有人為因素影響的條件下，東南亞、東亞、南亞、撒哈拉以南非洲和太平洋地區重要作物的產量都將大幅度下降。 Piao等[5]研究發現中國區域氣候變暖延長了作物的生長期，使得水稻種植向北擴展；受益于氣溫升高，中國北方溫帶氣候區的作物產量增加，但害蟲和疾病的活動范圍可能相應擴大，導致作物減產。崔林麗等[6]研究了不同季節陸地凈初級生產力對氣候變暖的響應，結果發現我國四個季節的陸地凈初級生產力都呈顯著增加趨勢，春季陸地凈初級生產力增加速率最快，夏季陸地凈初級生產力增加量最大；我國東部的多數地區、內蒙古東部、四川盆地、貴州東部、藏南和新疆西部陸地凈初級生產力增長最高，在呼倫貝爾高原、鄂爾多斯高原、黃土高原、青藏高原東部和新疆西北部陸地凈初級生產力降低最多。氣候要素對我國陜西地區也有重要影響，鄭小華[7]研究發現氣候變暖使陜西農業生產的熱量資源增加，但降水量減少，氣候生產力降低。張小峰[8]研究得出漢中市熱量條件較好，但降水量不足是限制氣候生產潛力的主要因素，尤其是南部山區氣候生產力潛力最大。

黑龍江省是農業大省，也是我國商品糧生產的重要基地。黑龍江省的松嫩平原、三江平原和穆棱河—興凱湖平原是我國東北大平原的一部分，平原面積遼闊，地勢低平，廣布肥沃的黑鈣土，因此黑龍江省糧食產量位居我國首位且糧食品質優良。高永剛等[9]采用WOFOST作物生長模型分析了馬鈴薯氣候生產力的空間分布特征，發現馬鈴薯不同氣候栽培區的產量和穩定性迥異。李秀芬等[10]從玉米氣候生產力的變化趨勢及其空間差異入手，發現黑龍江省玉米產量在空間分布上均表現為由西南向東北逐漸減少，玉米實際單產與氣候生產力比率仍有很大上升潛力。目前，研究黑龍江省氣候變化對某一種農產品產量影響的研究較多，但從氣候生產力的角度研究較少，且缺少1960年代資料的相關分析。本文利用Thomthwaite Memorial氣候生產力模型和克里金插值法對該省氣候生產力的時空分布進行深入分析，對影響氣候生產力的氣象因素開展相關性分析，并利用GM(2，1)模型對黑龍江省未來10 a的糧食總產量進行預測，以期分析該區域近56 a來農業氣候資源和氣候生產力的時空變化特征，揭示氣候變化對氣候生產力影響的時空規律，為正確調整農業生產布局，幫助農業領域應對氣候變化提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

選用黑龍江省1961—2017年25個站點的逐月平均氣溫、平均降水量和年平均糧食產量資料。資料來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)和黑龍江省1961—2017年統計年鑒(http://www.stats.gov.cn/)。所用資料經過質量控制，具有良好的完整性和連續性。

圖1 研究區氣象站空間分布

1.2 研究方法

利用黑龍江省25個站點年平均氣溫和年平均降水量數據，在Thornthwaite Memorial模型的基礎上分析了黑龍江各地的氣候生產力；在線性回歸和克里金插值法的支撐下分析了氣候生產力的時空變化，并用皮爾遜相關性分析法分析了影響氣候生產力的因素；基于已知氣候生產力數據，采用灰色系統方法預測未來10 a的糧食產量。

1.2.1 Thornthwaite Memorial模型 氣候生產力是指充分、合理地利用當地氣候資源，而其它條件處于最適宜狀況時單位面積土地上可能獲得的最高生物學產量[11]。計算氣候生產力的方法有很多，諸如植被凈初級生產力(NPP)模型、Miami模型、Memorial模型、Chicago模型、筑后數學模型等[9]。本文選擇德國學者Lieth的方法，該學者依據植物生物產量與年平均氣溫、年降水量之間的關系，提出著名的Thornthwaite Memorial模型[12-14]:

PV=3000[1-e-0.000 956(V-20)]，

(1)

(2)

L=300+25t+0.05t3。

(3)

式中，PV為氣候生產力(kg/(hm2·a))，V為年平均蒸散量(mm)，L為年平均蒸發量(mm)，t為年平均氣溫(℃)，R為年降水量(mm)。

該方法不受個別氣象數據異常值的干擾，又能有效說明氣候變化的影響，具有包含的環境因子較全面的優點，計算的結果優于其它模型[12-13]。

1.2.2 克里金插值法，又稱空間局部估計或空間局部插值法，它是建立在變異函數理論及結構分析基礎上，是在有限區域內對區域變化的取值進行無偏最優估計的一種方法。其實質是利用區域化變量的原始數據和變異函數的結構特點，對未采樣點的區域化變化的取值進行線性無偏、最優估計[15]。

1.2.3 皮爾遜相關性分析法 皮爾遜相關性分析法是描述兩個隨機氣候要素線性相關的統計量，主要是通過相關系數的計算與檢驗完成的。相關系數rxy，是表示兩要素之間的相關程度的統計指標，其值介于[-1，1]區間。rxy>0，表示正相關，即兩要素同向相關；rxy<0，表示負相關，即兩要素異向相關。rxy的絕對值越接近于1，表示兩要素的關系越密切；越接近于0，表示兩要素的關系越不密切[15]。

1.2.4 灰色系統方法 灰色系統是由我國學者鄧聚龍教授于20世紀80年代首創的一種系統建模理論。該理論認為，客觀世界，既是物質的世界，又是信息的世界。它既包含大量的已知信息，也包含大量的未知信息與非確定信息。未知的或非確定的信息稱為黑色信息，已知信息稱為白色信息。既含有已知信息，又含有未知信息和非確定信息的系統，稱為灰色系統。模型具備有不需要大量樣本且樣本不需要有規律性分布就能準確預測未知信息的便捷性[15]。

2 結果分析

2.1 氣溫和降水量時間序列變化特征

2.1.1 氣溫變化特征 圖2展示了1961—2017年黑龍江省年平均氣溫時間序列變化特征。由圖可知：黑龍江省年平均氣溫最大值和最小值分別出現在2007年和1969年，正距平最大值為1.64 ℃，負距平最小值為-2.09 ℃。一元線性回歸擬合表明，黑龍江省年平均氣溫呈顯著增加趨勢，變化傾向率為0.28±0.11 ℃/10 a(通過0.05顯著性檢驗，下同)。計算相鄰年份年平均氣溫的絕對值(差值正負僅表示年平均氣溫變化方向)可得黑龍江省年平均氣溫的變化幅度。黑龍江省年平均氣溫多年平均值為2.46 ±0.80 ℃，其中最大變幅出現在1975和1976年，變化幅度為1.87 ℃，最小變幅出現在1967和1968年，相鄰兩年年平均氣溫波動變化幅度極小。

圖2 1961—2017年黑龍江省年平均氣溫變化

就年代際變化而言，黑龍江省20世紀70年代氣溫較低，10 a中有9 a氣溫為負距平，年代距平為-0.65 ℃；60年代年平均氣溫以負距平為主，但其寒冷程度未超過70年代，年代均值僅比多年均值低0.04 ℃；80年代年平均氣溫圍繞均值劇烈波動，由于負距平強度較大，年代平均值為-0.05 ℃；90 年代開始黑龍江省年平均氣溫開始急劇上升，年平均氣溫除2000年之外絕大多數為正距平；21世紀00年代年平均氣溫較多年平均值高0.61 ℃；2010年后氣溫持續上升，2011-2017年年平均氣溫較多年平均值高0.42 ℃，介于前兩個年代之間，高于20世紀90年代0.02 ℃，低于21世紀00年代0.20 ℃。

2.1.2 降水量變化特征 圖3為1961—2017年黑龍江省年平均降水量時間序列變化特征。由圖可知：黑龍江省年平均降水量最大值和最小值分別出現在2013年和2001年，正距平最大值為674.62 mm，負距平最小值為-152.42 mm。一元線性回歸擬合表明，黑龍江省年平均降水量呈現微弱增加趨勢，變化傾向率為7.06 ±10.97 mm/10 a(通過0.05顯著性檢驗,下同)。計算相鄰年份年平均降水量差值的絕對值(差值正負僅表示年平均降水量變化方向)可得黑龍江省年平均降水量的變化幅度。分析可知，黑龍江省年平均降水量多年平均值為514.47±68.40 mm，其中最大變幅出現在2001和2002年，變化幅度為179.31 mm，最小變幅出現在2014和2015年，相鄰兩年平均降水量幾乎沒有發生變化。

圖3 1961—2017年黑龍江省年平均降水量

就年代際變化而言，黑龍江省20世紀70年代平均降水量較少，10 a中有7 a降水量為負距平，年代距平為-45.58 mm。80年代降水量較多，10 a中有3 a降水量為負距平，年代距平31.60 mm。20世紀60、90年代，21世紀00年代黑龍江省年平均降水量圍繞均值劇烈波動，盡管正距平年份和負距平年份相當。但60年代、00年代負距平強度稍大，降水量距平平均值分別為-7.03 mm和-3.20 mm；90年代正距平強度稍大，該年代平均值為3.59 mm。2010年后年平均降水量持續上升，2011-2017年平均降水量平均為50.78 mm，較80年代增多19.18 mm。

2.2 氣候生產力變化特征

2.2.1 時間序列變化特征 圖4為黑龍江省近57 a氣候生產力的時空變化特征。由圖可知：近57 a來黑龍江省氣候生產力總體呈波動上升趨勢，變化傾向率為117.05 ±52.67 kg/(hm2·10 a)，氣候生產力上升趨勢通過了0.05的顯著性檢驗。氣候生產力最高值為7 492.88 kg/(hm2·a)，出現在1990年；最低值為3 036.23 kg/(hm2·a)，出現在2001年；最高值和最低值的差值達1 456.65 kg/(hm2·a)。分析可知，黑龍江省年均氣候生產力多年平均值為6 846.77 ± 377.35 kg/(hm2·a)(通過0.05顯著性檢驗)，其中最大變幅出現在2001和2002年，變化幅度為1 213.89 kg/(hm2·a)，最小變幅出現在1961和1962年，相鄰兩年氣候生產力幾乎沒有發生變化。

圖4 1961—2017年黑龍江省氣候生產力變化

就年代變化而言，黑龍江省20世紀70年代氣候生產力較低，10 a中有9 a氣候生產力為負距平，年代距平為-224.25 kg/(hm2·10 a)，盡管60年代黑龍江省年氣候生產力也以負距平為主，但遠不及70年代氣候生產力水平；80年代黑龍江省氣候生產力迅速上升，于21世紀10年代達到最大值，10年代比前三個年代氣候生產力分別增高217.85、187.09、255.09 kg/(hm2·10 a)。

2.2.2 空間變化特征分析 如圖5所示，黑龍江省氣候生產力在空間分布上均存在明顯的不均衡性。黑龍江省東北部的富錦市、鶴崗、虎林等地區的農業氣候生產力較大，均在7 500.00 kg/(hm2·a)以上，氣候生產力最大值在富錦市(11 413.30 kg/(hm2·a))；在黑龍江省中部和東北地區形成了兩個低值中心，均在3 500 kg/(hm2·a)以下，最小值在通河縣(3 101.10 kg/(hm2·a))，其次漠河市農業氣候生產力也較低(4 162.53 kg/(hm2·a))。黑龍江省農業氣候生產力的空間變化總體上呈由東南向西北和由東北向西南遞減的特征，中部形成氣候生產力低值中心，各站點的農業氣候生產力存在較大的差異。這說明黑龍江省熱量資源空間分配的明顯差異決定了黑龍江省氣候生產力分布的不均，位于小興安嶺南麓山區的通河縣和位于三江平原腹地的富錦市的氣候生產力的差異說明地形地勢的空間差異也是影響黑龍江省的氣候生產力的因素之一。

圖5 黑龍江省氣候生產力(單位：kg/(hm2·a))空間分布

2.3 氣候要素對氣候生產力的影響

關于影響氣候生產力的要素，皮爾遜相關分析表明:1961—2017年黑龍江省各氣候要素與氣候生產力之間呈強正相關。其中，與氣候生產力相關性最高的為年平均降水量，二者的相關系數為0.72；其次為年平均氣溫，二者的相關系數為0.57。一元線性回歸擬合表明：年平均氣溫對氣候生產力最為敏感，年平均氣溫每升高1 ℃，相當于該地氣候生產潛力升高266.22±105.65 kg/(hm2·a)(通過0.05顯著性檢驗，下同)；年平均降水量次之，年平均降水量每升高1 mm，相當于該地氣候生產力升高3.99±1.03 kg/(hm2·a)。以上研究表明：年平均氣溫對氣侯生產力最敏感，年平均降水量的敏感性較低。F檢驗顯示，回歸方程的F統計量均大于0.05顯著性水平的臨界值，表明方程均通過了0.05的顯著性檢驗(表1)。

表1 影響黑龍江省氣候生產力的氣候要素檢驗

2.4 作物產量和潛在生產力的對比及預測

從2000年以來黑龍江省糧食產量、氣候生產力及現實生產力分析結果(表2)可知，2000年以來，現實生產力所占的比例逐漸升高，在2010和2011年增長最快，兩年增幅達到12.24%，在2014年達到飽和，這與我國農業技術提升和農業用地比例大幅度增長有密切的關系。

表2 21世紀00年代以來黑龍江省糧食產量、氣候生產力及現實生產力所占比例

以2000—2017年黑龍江省統計年鑒中的糧食總產量為原始數據，建立GM(2，1)預測模型，根據模型計算得到2021—2030年黑龍江省糧食產量預測值見表3。根據2010—2017年黑龍江省糧食總產量已知數據，在灰色系統方法的支撐下，預估2021—2030年黑龍江省糧食產量依舊保持高速增長的趨勢，在2030年達到歷史最高峰，產量達到11 162.04×104t。

表3 黑龍江省糧食產量預測值

3 結論與討論

利用黑龍江省25個氣象站1961—2017年平均氣溫、年平均降水量數據，分析了近57 a來該地區平均氣溫、平均降水量氣候因子的時空變化特征，采用Thornthwaite Memorial模型計算氣候生產力，并探討了氣候變化對該地區氣候生產力的影響，主要結論如下。

(1)黑龍江省1961—2017年年平均氣溫、年平均降水量和氣候生產力都呈現顯著的上升趨勢，率化傾向率分別為0.28 ± 0.11 ℃/10 a、7.06 ± 10.97 mm/10 a、117.05 ± 52.67 kg/(hm2·10 a)，多年平均值分別為2.46 ±0.80 ℃、514.47 ± 68.40 mm和6 846.77±377.35 kg/(hm2·a)。其中，年均溫和氣候生產力的上升幅度最快。

(2)黑龍江省農業氣候生產力具有顯著的空間差異，氣候生產力的空間變化總體上呈由東南向西北和由東北向西南遞減的特征，形成通河縣、漠河縣為中心的兩個低值中心和一個以富錦市為中心的高值中心。黑龍江省氣候生產力和年平均降水量緊密相關，也對年平均氣溫最敏感。

(3)2000年以來，黑龍江省作物現實生產力所占的比例逐漸升高，2014年黑龍江省糧食現實生產力已達飽和。由灰色預測模型可知，黑龍江省未來10 a糧食潛力很大，糧食產量呈增長趨勢，到2030年糧食總產量可達11 162.04×104t。

(4)本研究的不足之處在于僅分析了逐年尺度黑龍江省歷史氣候變化特征、氣候生產潛力變化及未來糧食產量變化趨勢，在時間尺度劃分上較為粗略。同時，僅使用一種氣候生產力模型略顯單薄，后期應詳細劃分研究尺度，利用多模式對比，從而為黑龍江省應對氣候變化提供更精細的科學依據。