氣候變暖對格爾木地區農作物種植結構的影響

陸廣彥，王發科，何生錄，許學蓮，曾國云

(1.青海省都蘭縣氣象局，青海 察汗烏蘇 816199；2.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099)

1 引言

近幾十年來受自然和人類活動的共同影響，全球氣候顯著變暖[1，2]。中國氣溫變化與全球較一致且增溫趨勢略高于全球水平，達到0.22℃/10a，尤其在北方增溫趨勢更加明顯[3，4]。農業是受全球氣候變化影響最大、最直接的行業之一[5，6]，由于高原地區特殊的環境和地理位置，高原地區又屬于氣候變化的敏感區和生態脆弱區，因此極易受到氣候變化的影響[7]。格爾木地區位于青海省柴達木盆地中南部，地處35°10′～37°45′N，90°45′～95°51′E，總面積約8.3×104km2，是柴木盆地重要綠洲農業區，主要種植枸杞、春小麥、油菜、藜麥等農作物。區域內氣候干燥，植被稀少，生態環境脆弱，農業生產對氣候變化敏感，受全球氣候變化的影響，該區的氣候也發生一定的變化[8，9]。開展格爾木地區氣候變暖對農作物種植結構的影響研究，對增強農業生產應對氣候變化的能力，調整和優化農業生產結構，促進農業生產可持續發展等具有一定的指導意義。

2 研究方法和資料

2.1 資料

本研究選用1961～2015年格爾木、小灶火2個氣象站點氣溫、積溫及格爾木市糧食、油料、其它(蔬菜、瓜果、枸杞等)作物種植面積數據，農作物種植面積數據來源格爾木市農牧局。

2.2 研究方法

本研究主要引入氣候傾向率和氣候趨勢系數[10]判別分析格爾木地區氣象因素及農作物種植面積的時間序列趨勢變化及影響，相關數據的統計分析采用Excel 2010實現。

2.2.1 氣候傾向率 對序列的趨勢變化用一次線性方程表示，即

y(t)=a0+a1t

(1)

y(t)為氣象要素、t為時間、a0為常數項、a1為線性趨勢項，把a1×10a作為氣象要素氣候傾向率，a1值的符號反映上升或下降的變化趨勢，a1<0表示在計算時段內呈下降趨勢，a1>0 表示呈上升趨勢。a1值絕對值的大小可以度量其演變趨勢上升、下降的程度。

2.2.2 氣候趨勢系數

n個時刻的氣候要素序列與自然數列1，2，3，…，n的相關系數，即

(2)

3 結果分析

3.1 氣溫變化特征

3.1.1 氣溫年際變化 1961～2015年格爾木地區年平均氣溫為4.8℃，年平均最高氣溫為6.7℃，年平均最低氣溫為2.7℃。由圖1a可以看出，55 a來年平均氣溫呈升高趨勢，升溫傾向率為0.6℃/10a，通過0.01的顯著檢驗。分析其年代變化，各年代平均氣溫階段變化明顯，20世紀60至80年代初期增溫幅度較緩慢，80年代后期至21世紀以來增溫幅度明顯。21世紀以來較60年代相比年平均氣溫增加2.5℃(圖1b)。

圖1 格爾木地區年平均氣溫年際(a)和年代(b)變化

3.1.2 氣溫季節變化 進一步分析格爾木地區氣溫的季節變化，四季氣溫均呈現上升趨勢，其中夏季增溫幅度最小，升溫傾向率為0.46℃/10a，冬季增溫幅度最大，升溫傾向率為0.74℃/10a，四季升溫趨勢均通過0.01的顯著檢驗，增溫趨勢明顯(表1)。

表1 格爾木地區年、季平均氣溫變化傾向率和趨勢系數

3.2 ≥0℃、≥5℃、≥10℃積溫的變化特征

3.2.1 積溫年際變化 圖2a為格爾木地區穩定通過0℃、5℃、10℃的歷年積溫變化曲線。可以看出，各界限溫度積溫均呈增加的趨勢，增加傾向率為125.6～167.8℃/10a，各界限溫度的積溫增加趨勢均通過0.01的顯著檢驗，增加幅度明顯。其中≥0℃積溫增加幅度最少，≥10℃的積溫增加幅度最多。

圖2 格爾木地區年≥0℃、≥5℃、≥10℃積溫年際(a)和年代(b)變化

3.2.2 積溫年代變化 分析≥0℃、≥5℃、≥10℃的積溫年代變化，與年平均氣溫變化趨勢相似，各界限溫度積溫隨年代呈增加趨勢，階段變化明顯，20世紀60至80年代初期增加幅度較小，增加幅度達52.5～130.4℃；80年代后期至21世紀以來增加幅度較大，增加幅度達169.2～293.8℃。21世紀以來與60年代相比，≥0℃、≥5℃、≥10℃的積溫分別增加569.2℃、604.2℃、720.9℃(圖2b)。

4 格爾木地區氣候變暖對農作物種植結構的影響

4.1 農作物種植面積變化

由圖3a可以看出，1961～2015年格爾木地區糧食作物種植面積呈減少趨勢，年平均種植面積為1.88×103hm2，年最大種植面積為5.17×103hm2，年最小種植面積為0.27×103hm2，減少傾向率為404.0 hm2/10a，通過0.01顯著檢驗，減少趨勢明顯；油料作物種植面積呈略減少趨勢，年平均種植面積為0.23×103hm2，年最大種植面積為1.34×103hm2，年最小種植面積為0.03×103hm2，減少傾向率為1.2hm2/10a，未通過0.05顯著檢驗，減少趨勢不明顯；其它作物種植面積呈增加趨勢，年平均種植面積為2.49×103hm2，年最大種植面積為5.92×103hm2，年最小種植面積為0.01×103hm2，增加傾向率為595.0 hm2/10a，通過0.01顯著檢驗，增加趨勢明顯。

由圖3b可以看出，格爾木地區糧食作物種植面積年代變化較明顯，20世紀60至70年代變化較平穩，80年代以來減少明顯，21世紀以來與60年代相比種植面積減少1.53×103hm2，減少45%；油料作物種植面積各年代變化幅度小，60至80年代增減幅度不明顯，90年代呈略增加趨勢，21世紀以來呈略減少趨勢，21世紀與60年代相比種植面積減少0.07×103hm2，減少23%；其它作物種植面積60至90年代變化幅度不明顯，21世紀以來增加明顯。21世紀以來與60年代相比種植面積增加2.32×103hm2，增加13.6倍。

圖3 格爾木地區農作物種植面積年際(a)和年代(b)變化

分析表明，糧食和油料作物種植面積隨年平均氣溫的增加而減少，其它作物種植面積隨年平均氣溫的增加而增加，糧食和其它作物種植面積變化總體趨勢與氣溫變化有類似性，當氣溫增加緩慢時，糧食(其它)作物種植面積減少(增加)不明顯；當氣溫增加明顯時，糧食(其它)作物種植面積減少(增加)明顯。格爾木地區年平均氣溫20世紀60至80年代初期增溫幅度較緩慢，80年代后期至21世紀以來增溫明顯。糧食作物種植面積60至70年代減少不明顯，80年代以來減少明顯；其它作物種植面積60至80年代增加不明顯，90年代以來呈持續增加趨勢，尤其2005年以來增加趨勢極明顯。

4.2 農作物種植結構變化

根據表2可以看出，格爾木地區20世紀60和70年代農作物種植結構比例分別為88∶8∶4、87∶9∶4，變化不明顯；80至90年代糧食作物種植比例呈減小趨勢，油料和其它作物種植比例呈增大趨勢，其中90年代農作物種植結構變化較明顯，糧食作物種植比例減小了13%、油料作物種植比例增大了9%，其它作物種植比例增大了4%；21世紀以來農作物種植結構發生了明顯的變化，糧食和油料作物種植比例分別減小了28%、16%，其它作物種植比例增大了44%。21世紀以來與60年代相比糧食作物種植比例減小了48%，油料作物種植比例減小了3%，其它作物種植比例增大了51%。

表2 格爾木地區各年代農作物種植面積(hm2)和種植結構(%)

格爾木地區屬灌溉農業區，水源主要來自南部山區降水和冰雪融水，種植區自然降水多寡對農業的影響并不十分明顯，氣候的冷暖變化則是影響農業發展的主要因素。上述分析表明，格爾木地區氣溫升高，氣候變暖，農作物生長季積溫增多，熱量資源增加，使區域內農作物生長季延長，種植區域由低海拔向高海拔地區延伸，有利于農作物種植面積擴大和復種指數的提高，同時有利于特色農作物推廣和種植，對調整和優化農作物種植結構十分有利。根據統計分析，21世紀以來較20世紀60年代相比農作物生長季延長20～25 d，農作物播種期提前近12～16 d；農作物播種總面積20世紀60年代初期約為3.7×103hm2，2015年約為6.2×103hm2，擴大幅度達60%；農作物種植結構占比20世紀60年代初期為86∶8∶6，2015年占比達4∶1∶95，種植結構變化明顯。分析其原因，主要是產量高、經濟效益明顯的枸杞等特色農作物種植面積擴大所致，尤其是枸杞種植面積迅速擴大導致糧食作物種植面積迅速減少。經統計，2015年枸杞作物種植面積為5.2×103hm2，種植面積占比達84%，枸杞等特色農業成為推動當地農牧業經濟增長的主導產業。

4.3 氣溫變化對農作物種植結構的影響

由圖4a可以看出，格爾木地區年平均氣溫與糧食和油料作物種植面積呈負相關關系，相關系數分別為-0.5401和-0.0141，其中糧食作物通過了0.01顯著檢驗，相關明顯，氣溫每升高1.0℃，糧食作物種植面積減少560.1 hm2，油料作物種植面積減少3.9 hm2。其它作物種植面積與年平均氣溫呈正相關關系，相關系數為0.5824，通過了0.01顯著檢驗，相關明顯，氣溫每升高1.0℃，其它作物種植面積增加833.9 hm2(圖略)。

圖4 格爾木地區糧食(a)和油料(b)作物種植面積對年平均氣溫的響應

綜合上述分析，氣溫升高，氣候變暖，熱量資源增加，對農作物生長提供了豐富的熱量資源，有利于農作物種植面積擴大和復種指數的提高，同時有利于特色農作物推廣和種植，是影響農業種植結構調整的主要原因，使區域內糧食作物種植面積明顯減少，其它作物種植面積明顯增加，導致區域內農作物種植結構發生明顯改變。

5 結論與討論

5.1 格爾木地區年平均氣溫呈顯著增加趨勢，升溫傾向率為0.6℃/10a

年平均氣溫20世紀60至80年代初期增溫幅度較緩慢，80年代后期至21世紀以來增溫明顯。21世紀以來較60年代相比平均氣溫增加2.5℃。

5.2 積溫

格爾木地區≥0℃、≥5℃、≥10℃的積溫均呈顯著增加的趨勢，增加傾向率為125.6～167.8℃/10a，其中≥0℃積溫增加最少，≥10℃的積溫增加最多。各界限溫度積溫60至70年代增加幅度較小，增加幅度達52.5～130.4℃，90年代以來增加幅度較大，增加幅度達169.2～293.8℃。21世紀以來與上世紀60年代相比，≥0℃、≥5℃、≥10℃的積溫分別增加569.2℃、604.2℃、720.9℃。

5.3 作物面積變化

格爾木地區糧食和油料作物種植面積呈減少趨勢，減少傾向率分別為404.0 hm2/10a、1.2 hm2/10a；其它作物種植面積呈增加趨勢，增加傾向率為595.0 hm2/10a，糧食作物和其他作物種植面積變化趨勢明顯。

5.4 格爾木地區年平均氣溫與糧食和油料作物種植面積呈負相關關系，與其它作物種植面積呈正相關關系

氣溫每升高1.0℃，糧食作物種植面積減少560.1 hm2，油料作物種植面積減少3.9 hm2，其它作物種植面積增加833.9 hm2，糧食和其他作物種植面積變化與年平均氣溫相關顯著。

分析表明，氣溫升高，氣候變暖導致格爾木地區農作物種植結構發生明顯改變，但影響農業種植結構的因素除氣候因素外，還有農業生產技術水平、經濟效益、政策導向等因素[11]，尤其近年來隨著市場經濟不斷發展，無論從政府角度還是農戶角度，農業生產以市場為導向，國家農業經濟政策的大力實施、農業科學技術的發展和推廣等對農作物種植結構產生了較大的影響。因此，在格爾木地區氣候趨于明顯變暖的背景下，就國家農業經濟政策、農業科學技術等對農作物種植結構影響等有待進一步研究。