气候变化对闽东粮食产量影响分析
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第39卷第4期 气象与环境科学 Meteorological and Environmental Sciences Vo1.39 NO.4 NOV.2016 2016年11月 余会康,阮翠冰,陈小英,等.气候变化对闽东粮食产量影响分析[J].气象与环境科学,2016。39(4):62—67. Yu Huikang,Ruan Cuibing,Chen Xiaoying,et a1.Ana ̄sis of Climate Change Impact on the Grmn Yield in Eastern Fujian Provinee[J].Meteorological and En,vironmental Sciences,2016,39(4):62—67. doi:10.16765/j.cnki.1673—7148.2016.04.010 气候变化对闽东粮食产量影响分析 余会康,阮翠冰,陈小英,林兆华 (宁德市气象局,福建宁德352100) 摘 要:气候变化对粮食产量具有重要的影响作用,加强气候变化对粮食产量影响分析和风险评估,对应对气 候变化、进行粮食生产结构合理调整和保障粮食安全具有重要的意义。为此,应用部分经验公式,推导出了一种计 算粮食气候产量评价模式,用以估测气候因子(气温、降水)变化对粮食产量的影响。利用该模式,根据1981--2010年 闽东地区逐年气温降水推算粮食产量,运用聚类分析、概率函数拟合等统计学方法对粮食产量时间序列进行分析。 结果表明,闽东粮食产量与气温相关不显著,而与降水量显著相关。降水的增加有利于产量的增加。气温升高,在一 定条件下,有利于产量增加,但达到一定程度后,气温升高,却可能造成产量的降低。聚类分析闽东粮食产量年型可 分为歉收年、正常略少年、正常略多年和丰产年,闽东粮食产量主要年份为正常略少或略多,大多数年份粮食产量 较为稳定,粮食产量评价结果与历史实况较为一致。本文推算的粮食产量评价模式能够反映出不同气候年景对产 量的变化影响,是一种较为便捷和实用的气候变化对粮食产量的评估方式。 关键词:气候变化;粮食产量;影响 中图分类号:s162.8 文献标识码:A 文章编号:1673—7148(2016)04—0062—06 引 言 全球气候变化及其对粮食产量的影响已经引起 了国内外学者及相关国际组织的广泛关注…。中 候变化对粮食生产影响的评估大致可以分为2类: 1)通过作物模型进行作物生长动态的模拟 , 研究其“气候生产潜力”;2)基于经验数据的统计方 法,得出气候指标变动导致的粮食产量的变 国地处东亚季风区,是世界上气候变化最为显著、 气象灾害最为频繁的国家之一。早在20世纪末,中 化 埔 ,一般较少考虑社会经济因素的影响。近年 来,国内外学者围绕着气候变化对粮食生产的可能 影响开展了大量的相关研究,并认为气温和降水的 变化是影响农业生产的两个主要因子,但对不同国 国就有学者研究粮食产量变化的诸多影响因素 J。 大多基于中国近50 a的粮食产量统计资料,分析各 个年代主要粮食作物产量与影响粮食产量变化的因 家或地区,二者对作物产量的影响(增加或减少)及 幅度有所差别。气温变化对我国不同地区的粮食生 产的影响存在明显的区域性差异¨ 。气温升高对 我国长江流域以南及东部、东半部沿海省份的粮食 生产不利,我国东南部省份的气温升高对粮食产量 素间的关系。研究结果表明,气候变化及其他因素 (如播种面积、农用化肥使用量、农业机械总动力、 自然灾害等)对中国农业生产均有影响 素 ,其中, 气温、降水变化被认为是其中较为显著的影响因 。越来越多的科学证据支持全球气候增暖的 说法 ,在这种背景下,研究区域气候关键指标变 的提升存在小幅抑制作用;我国东南部省份的降水 量过度增加对粮食产量的提升有不利影响 。 闽东宁德市(26。l8 一27。4 N,118。32 ~ 化与粮食变动间的关系渐显重要。中国气象学上气 收稿日期:2014—12—07;修订日期:2015一O1—31 基金项目:宁德市科技计划项目“宁德市主要农业气象灾害风险评估研究”(20130004);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201506016)资助 作者简介:余会康(1969--),男,福建宁德人,高级工程师,从事农业气象和气候变化方面研究及服务.E—mail:hikan@163.corn 第4期 余会康等:气候变化对闽东粮食产量影响分析 63 120。44 E)位于台湾海峡西北岸,地处福建省东北 部,南连福州,北接浙江温州,区内以山地丘陵为主, 面积为13452 km ,2012年耕地面积为13.729万 hm ,粮食产量达65.56万t,主要粮食作物为稻谷、 薯类等。闽东为明显的中亚热带海洋性季风气候,常 年平均气温为15.4~19.6℃,降水量为1415.7~ 2067.8 mm,日照时数为1562.9~1754.9 h,是福建 省多雨地区之一。温和的气候环境为闽东农业粮食 生产创造了良好的条件,作为福建农业大市,有4个 省级商品粮生产基地县,地区粮食生产地位突出。闽 东为福建气候变化显著地区之一,研究气候变化对 粮食作物产量影响,对于保障地区粮食供给、加强结 构调整和合理布局具有重要的意义,能为政府部门 应对气候变化指导粮食生产发挥科学指导和参考作 用。本文应用一种粮食气候产量计算评估模式,探究 闽东主要气候因子(气温、降水)变化对粮食产量的 影响。 1资料与方法 农作物产量受到许多因素影响,主要有两个方 面:一方面是农作物本身的生物特性,即作物遗传本 性,如品种、抗旱性、抗寒性,对光热水等条件的反应 的敏感性等;另一方面是外界条件,即气候、土壤、农 业技术等。对于某一地区来说,如果设定土壤和技 术相对稳定,影响农作物产量形成的主要因素是气 候条件变化,如光温水等。根据郭建平的研究 , 归纳起来农作物产量可表示为 Y=,(Q)‘ )‘,( )・ )・ )・ ,)(1) (1)式中,y为粮食作物产量,f(Q)、f(t)、,(R)、 ) )分别为辐射、气温、降水、土壤特性、农业 技术对产量影响的订正函数,厂(,)为作物固有生物 学特性所决定的粮食产量基础。 对于某一特定地区来说,假定只考虑气候变化 对粮食生产影响,且 ,) s)、厂( )少变,可以设 定这些值为常数,同时假设辐条件的年际变化也不 大,即f(Q)也相对稳定,因此粮食产量即可表示为 气温和降水的函数,即(1)式可简化为 Yocf(R)・ ) (2) 从(2)式可以得出两种不同气候年景下粮食产量问 的关系: Y。y2 ((R)・ )・ (1) (£) (3) (3)式中,下标1和2分别代表两种不同的气候年 景,其他字母同(1)式。 (2)式中 R)和-厂( )分别为: r(1一C)R/E710 0≤(1一C)R≤ETo l厂(R)={【 (1一C)R>E (4) 0 ,0 t≤ f )=2 /【 (tM—t ) < ≤tM (5) 1 t> (4)式中,R为降水量,Ero为潜在蒸散,c为径流系 数;(5)式中,t为作物生育期间的平均气温, 、tm分 别代表作物生育所需的上、下极限温度。 将(4)、(5)式代人(3)式,可以求得粮食产量 对比的公式 Y1 tl・R1・E 2 y2 t2・R2・ETo1 (6) 采用国际通用的Thornthwaite Memorial模型中 计算潜在蒸散量 : —— 塑一 (7)  ̄/1+(1.05R/L) L=300+25t+0.05t (8) (7)式中,E 为年均蒸散量(mm),R为年平均降水 量(mm), 为年平均蒸发量(mm);(8)式中,f为年 平均气温(℃)。 将(7)代人(6)式,把y2作为常年(1981--2010 年)平均产量,同样,t:、R 为常年平均气温和降水 量,可以得到各气候年景下与常年相比较的粮食气 候产量公式: Y。:—t,.  ̄1-.b(I.05R1/L1)2 —二====.y2(9) 2‘√1+(1.05R2/L2) 公式(9)的物理意义明确,作物产量主要与气 温、降水有关,也即作物的气候产量,不同气候年景 条件下,产量的差异主要由当年的平均气温、降水不 同引起的。如果设定y2为较长时间的一种平均状 态产量,t:、R 也为常年平均值,则各气候年景下产 量增减对比就一目了然。因此(9)式较好地反映了 作物对于气候条件的响应特性。利用(9)式计算气 候变化对粮食产量的影响,具有普遍的理论意义和 实用价值。 选择闽东1981--2010年的年均气温、降水量及其 常年平均值,代人公式(9),就能得到一个地区粮食气 气象与环境科学 第39卷 候产量的一种计算模式,它反映了该地区各气候年景 粮食产量的主要特征和对比性。将常年平均粮食产量 y2设为1,由(9)式计算的y 值既能直观地反映出各 气候年景粮食产量相对于常年平均粮食产量的增减 情况,又能反映闽东粮食产量年际变化波动情况。 对粮食产量时间序列应用Mann—Kendall非参 数检验、聚类分析、概率函数拟合及概率计算、变化 趋势显著性检验等统计学方法进行分析。 气象资料采用宁德市气象局1981--2010年逐年 气温、降水,其他数据来源于宁德市统计局、宁德市 防汛办等历史统计资料。 2结果与分析 2.1气候变化趋势 选取2个主要气候变化因子气温和降水,分析 闽东气候变化趋势(图1)。由图1可以明显看出: 闽东地区气温随年际波动上升,呈显著增长趋势,变 化幅度为16.5—18.5℃,近30 a增温达到2 ;降 水随年际波动小,呈微弱增加趋势,变化幅度为 1148.8~2345.5 mm,旱涝年差别较大。通过时间 序列显著性检验,气温变化趋势是显著的(Z= 0.5310>Z。。 =0.2525),而降水变化趋势不显著 (Z=0.0851<Z。。 =0.2525)。通过线性倾向估 计,1981—2010年闽东的气温升温速率为0.40 ℃/10a,降水变率为36.31 mm/10a。根据2012年 华东区域气候变化评估报告,1961—2008年福建省 平均气温升温速率约为0.19℃/10a,降水增加速率 为23.1 mm/10a。闽东气温和降水增加速率都高过 福建全省平均值,成为福建气候变化显著地区之一。 采用Mann.Kendall非参数统计检验方法,可以估算 闽东气温突变年份为1993年左右,降水突变年份为 1987年左右。根据(6)式,气温或降水的增加,有利 于粮食气候产量的增加。 l9.O l8.5 18.O I l7.5 l7.0 进 16.5 16.O 年份 图1 1981--2010年闽东年平均气温、降水量年际变化 2.2粮食产量年际变化 根据1981--2010年闽东年均气温和降水量,按 照公式(9),可以计算出闽东粮食气候产量年际变 化序列(图2)。由图2 -In"以明显看出,闽东粮食产量 随年际波动,呈现略增趋势。 1_4 1・2 1 O 0.8 o. 0.4 O.2 O.O 年份 图2 1981~2010年闽东粮食产量变化 1990、1992、1997、2005、2006、2010年等年份粮 食气候产量明显增加,1986、1991、1993、2003和2004 年等年份,粮食产量明显减少。气温显著升高趋势, 有利于粮食作物的增产,实际粮食气候产量相对常 年(1981--2010年)平均气候产量(取值1)却有增有 减,主要是由于不同气候年景降水量的多少引起粮 食波动。比较产量明显增加或减少年份的降水量与 常年年均降水量(1811.1 mm)可以看出,粮食产量 增加的年份降水量普遍比常年偏多,如1990、1992、 1997、2005、2006、2010年等年份降水量比常年平均 分别偏多376.0、378.7、292.7、447.0、534.3、276.1 mm,减产年份降水量普遍比常年偏少,如1986、 1991、1993、2003和2004年等年份降水量比常年平均 分别偏少367.4,422.6、366.2、662.4、225.6 mm。经 过粮食产量与气温、降水Pearson相关性检验,在 Ot=0.01水平下,产量与气温相关不显著(P= 0.088),而与降水量显著相关(P=0.990),说明闽 东粮食产量主要与降水有显著关系,降水量对产量 影响明显。 2.3 气候变化对粮食产量影响 为了解未来气候变化对粮食产量的影响情况, 设定未来年代气温分别增加0.5℃、1.0 cI=、1.5 cI=, 降水分别增减一15%、一10%、一5%、0%、+5%、 +10%、+15%,组成28种气候年景,按照式(9)计 算闽东粮食增减变化(y /y’)(表1)。 第4期 余会康等:气候变化对闽东粮食产量影响分析 65 由表1可以看出,气温、降水变化对闽东粮食产 量影响大。在气温不变的条件下,产量都是随着降 响,导致粮食产量比常年偏少26.37%,减少近 30%。此外,降水偏少的年份,如1986、1991、1993 和2004年,产量也明显比常年偏少。相反,2005、 水量的增大而增加,降水每增加5%,粮食产量平均 增加约3.8%,反之,减少3.8%。说明降水减少可 2006年年均降水量分别达到2258.1、2345.5 mm, 以明显造成粮食减产,反之,降水增加有利于产量的 提升。在未来气温升高的条件下,根据降水情况,气 温每升高0.5℃,产量在一0.6l%~0.63%变化。 气温升高,在一定条件下,有利于产量增加,但达到 一定程度后,气温升高,却可能造成产量的降低。说 明气温升高,对粮食产量的提升是有限的,而降水的 增加对产量的提升作用明显,可见降水是影响产量 的主要气象因子。从作物产量形成分析,适当的温 度提高,有利于增强酶的活性,增进光合作用的进 行,但温度较大提高,农田蒸散量大,需水量也加大, 如果无法满足增加水分的条件或低于需水临界值, 容易脱水而萎蔫,光合作用降低,就会影响干物质积 累。在作物生长正常温度条件下,作物干物质积累 与光合作用和呼吸作用有很大关系,而温度高低对 光合作用和呼吸作用是不同的。在作物能够生育温 度范围内(约14~37℃),作物光合作用几乎不受 温度影响。而呼吸消耗随温度上升而增大,在许多 情况下,表示物质生产效能的光合作用与呼吸作用 之比,会随温度升高而降低,也即增高呼吸量,影响 到干物质积累 。因此作物产量并非完全随气温 升高而增加。水稻幼穗分化到开花授粉时,气温过 高和过低都会影响幼穗分化和结实率,而气温过高 还会影响籽粒灌浆 ,导致产量的降低。水分是作 物生长发育必不可少的因子,是光合作用的原料之 一,水分也可调节作物的体温,水分的增加,有利于 形成高产 。而作物所需水分主要来源于降水。在 雨水充沛年份,作物产量可以大幅度提高 。上述 分析说明,降水量增减变化明显超过气温变化对产 量的影响。 对历史主要年份相关资料分析结果表明,2003 年闽东年均气温为18.1 oC,为近30 a来较高值,但 年均降水量只有1 148.8 mm,是30 a来最小值,降 水造成粮食减产远远超过了气温升高对粮食的影 降水量比常年偏多24.7%、29.5%,年均气温却比 2003年略低,但产量却增加20%左右。因此,闽东 如果降水少或不足,容易引发干旱,对闽东粮食产量 影响很大。因此未来气候变化增温对闽东粮食并非 都增产,而降水适度增加对粮食增产却有利,但过多 的降水,或台风造成的强降水容易引发洪涝灾害,也 会造成粮食减产。 2.4产量年型分类 采用欧式距离法,对闽东粮食产量时间序列作 聚类分析,分析各年份降水的差异程度,归类相似年 份(图3)。闽东粮食产量可分为4类:歉收年,产量比 常年平均减少10%以上,如1986、1991、1993、2003 年;正常略少年,产量比常年平均减少10%以内,如 1981--1984,1995--1996,1999,2004,2007--2009年; 正常略多年,产量比常年平均增加10%以内,如 1985,1987—1989,1994,1998,2000--2002年;丰产 年,产量比常年平均增加10%以上,如1990、1992、 1997、2005、2006、2010年。可见,闽东大多数年份产 量接近常年。 0 5 10 15 20 25 三]_] I ...._-J .._J I 三丁.] l —T—] } L —J I_______。 一 _J L_ ....__J 图3 1981—2010年闽东粮食产量聚类分布 经过Kolmogorov—Smirnov检验,产量序列符合 正态函数分布,按照正态分布逆累积分布函数,可以 计算出4种类型的发生频率和风险概率(表2)。 66 气象与环境科学 第39卷 表2 1981--2010年闽东粮食产量类型概率 发生频率最大的类型为正常略少年,其次为正 常略多年,这2种类型约占分布总概率的62.1%, 实际发生频率为0.667,较少的是歉收年和丰产年。 从风险概率分析,也是正常略少或略多类型最大,闽 东粮食产量大多年份为正常略少或略多,这2种年 型共有20年,歉收年有4年,丰产年有6年。以上 说明,近30 a来,闽东大多数年份粮食产量较为 稳定。 1981 010年闽东粮食产量增减序列符合正态 函数分布,按照正态分布逆累积分布函数,可以计算 出各概率点的值,正态分布主要概率分布区间 (40%~60%)换算的闽东粮食产量的主要量级区 间为0.9728~1.0304,也即闽东粮食主要产量在常 年产量的一0.272%~0.304%范围波动,也说明了 闽东粮食气候产量较为稳定。 3结论与讨论 1981—2010年闽东气温变化趋势显著,呈现明 显上升趋势,变化幅度大,升温速率超过福建省平 均速率,是福建气候变暖显著地区之一;而降水变化 趋势不显著,变化幅度小,呈现略增趋势,但超过福 建省降水平均增加速率,是福建多雨地区之一。气 温、降水为闽东粮食生产创造了良好气候条件。 闽东粮食气候产量随年际波动,呈现略增趋势。 产量与气温相关不显著,而与降水量显著相关。降 水适当偏多年份(超过常年平均),产量增加,反之, 产量减少,但降水过多会造成洪涝灾害,使产量降 低,总之,降水量对产量影响明显。因此影响粮食产 量的主要气象因子是降水。 通过对未来气候情景设定,计算气温升高和降 水增减变化下的粮食产量变率,可以看出,闽东降水 量的适当增加有利于产量的提高。气温升高,在一 定条件下,有利于产量增加,但达到一定程度后,气 温升高,却可能造成产量的降低。作物产量并非完 全随温度升高而增加。这一点与黄维等 有关我 国东南部省份的气温升高对粮食产量的提升存在小 幅抑制作用的研究结论相一致,气温升高也会造成 闽东产量的小幅降低。降水变化明显超过气温变化 对产量的影响。 通过闽东粮食产量聚类分析和风险概率分析, 闽东粮食产量年型可分歉收年、正常略少年、正常略 多年和丰产年等4种。与常年平均相比较,闽东粮 食产量年型大多是正常略少或略多年,占比66.7%, 为主要气候年景类型,歉收年和丰产年相对发生年 份少。闽东大多数年份粮食产量较为稳定。 本文应用的这种粮食气候产量计算评估模式, 可以比较直观建立起粮食产量与气温降水关系,物 理意义简明,既能够反映气候年景变化对粮食产量 的影响,又能揭示气候因子对产量作用结果,通过与 历史产量增减比较分析,也能够反映出历史粮食产 量丰歉年份。该方法提供了一种较为便捷和实用的 气候变化对粮食产量的评估方式。 参考文献 [1]于贵瑞,牛栋,王秋风.《联合国气候变化框架公约》谈判中的焦 点问题[J].资源科学,2001,23(6):10—16. 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Analysis of Climate Change Impact on the Grain Yield in Eastern Fujian Province Yu Huikang,Ruan Cuibing,Chen Xiaoying,Lin Zhaohua (Ningde Meteorological Office,Ningde 352100,China) Abstract:Climate change has important effect on grain yield,SO it’S of great significance to strengthen effect analysis and risk assessment of grain production for structure adjustment and food securi— ty response to climate change.The new calculating method of climate yield evaluation was derived by U— sing part empirical formula,which could estimate the effects of climatic factors(temperature,precipitati— on)on grain yield.According to the yearly temperature and precipitation in eastern Fujian province in 1981—2010.the grain yield were calculated and analyzed using statistical method such as cluster analy— sis,probability function fitting,etc.The results show that:the grain yield is not signiicantlfy correlated with temperature,but signiicantly correlated with precipitatifon.More precipitation could be conducive to increase the grain yield.Grain yield does not entirely increase with temperature.The rising temperature can increase output under certain conditions,when the temperature elevate to a certain level,higher tern— perature may result in lower yield.Cluster analysis shows:the climate year can be divided into the lean year,slightly less than normal year,slightly more than normal year and high yield year,the main year of grain yield are slightly less or slightly more than normal year,grain yield are stable in most years,the re・ suits of grain yield evaluation are consistent with the historical truth.The grain yield estimate model in this paper can reflect the impact of climate change on the yield,and it is more convenient and practical for cli- mate change assessment on grain yield. Key words:climate change;grain yield;impact