陈锐杰 周强 刘峰贵

摘要：建立基准时段，确定河湟谷地的气候因子影响系数，分析气候变化对河湟谷地粮食产量的贡献率。结果表明，作物生长季气候变暖主要发生在20世纪90年代，气候变暖对河湟谷地20世纪90年代粮食增产的贡献率为12.6%～17.4%，对21世纪初粮食增产的贡献率为12.3%～20.0%，相对东北黑龙江地区，气候变暖对河湟谷地的影响较小。

关键词：气候变化；气候产量；气候影响因子；气候贡献率；河湟谷地

中图分类号：K903 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）12-0114-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.030

Abstract： The referenced period was selected and the temperature-affecting coefficient was built to analyze the contribution of climate change to food yield. The results showed that warming occurs mainly in the crop growth season in the 1990s. The contribution rate of the climate warming to food yield increasing in 1990s was 12.6%～17.4%，and 12.3%～20.0% in 2000s.

Key words： climate change； climate yield； climate influence coefficient； climate contribution rate； Yellow River-Huangshui River Valley

作为陆地生态系统的重要组成部分，农业对气候变化高度敏感，在对气候变化的响应中，农作物产量会产生波动[1]。IPCC第五次研究报告显示，1880-2012年，全球地表的平均温度升高了0.85 ℃，1983-2012年是过去1 400年来最热的30年，21世纪前10年是近百年来最暖的10年[2]。21世纪末，如果温度继续升高2 ℃或更高，将导致热带和温带地区的主要作物产量每10年減少0～2%，而预估的粮食需求到2050年则每10年将增加14%[2]。而中国自1913年以来地表平均温度上升了0.91 ℃。最近60年气温平均每10年约升高0.23 ℃，接近全球的两倍[2]。

气候变化对作物产量、作物分布和相应的适应措施等研究已有大量报道[3-18]，但大多数研究是基于气候变化背景下通过不同的模型，得出作物产量对气候变化的响应结果[3-7]，也趋向于农业的气候变化事实与农业领域对气候变化的适应策略与对策的研究[8-13]，但总体来说，气候变化对区域影响的实证研究的深度和广度还不够[14，15]。从气候变化对农业影响的研究区域来看，国外相关研究人员估计了自20世纪80年代以来美国主要的作物产量对温度变化的响应，但其方法受到其他学者质疑[18-20]。中国学者方修琦等[14]完善了前人的研究方法，分析了黑龙江地区气候变化对水稻的影响。目前中国学者的研究区域主要集中在东北农业区[3，4，7-9，12-16]，也有学者从全国尺度上进行研究[5，6，10，11，17]，但对青藏高原农业区极少涉及，研究也不够深入。河湟谷地是青藏高原、内蒙古高原与黄土高原三大区域的过渡地带和黄河流域气候变化的敏感区[21]，其粮食生产受气候变化的影响显著。因此，本研究在前人的研究基础上，对河湟谷地粮食产量与气候变化的关系进行分析，为认识青藏高原重要农业区气候变化对粮食生产的影响提供重要实证。

1 区域概况

青海农业区主要集中在黄河谷地和湟水谷地（以下简称河湟谷地），其经纬度范围为北纬35°-38°，东经100°-103°。该地区地形西高东低，属高原大陆性气候[21]，平均海拔为2 200～3 000 m，年平均气温为5.4 ℃，年降水量为290～600 mm，耕地以旱地为主。由于气候条件相对优越，是青藏高原主要的农业区之一。2010年河湟谷地耕地面积为4.19×105 hm2，占青海省耕地总面积的77.3%，粮食产量为8.71×106 t，占青海省粮食总产量的85.4%。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

本研究采用的气象数据为1961-2013年河湟谷地西宁、湟中、湟源、互助、大通、乐都、民和、平安、循化、化隆、尖扎、同仁、贵德等13个气象站点的气温和降水数据[22]。

因河湟谷地农作物的生长季主要集中在5-9月，统计13个站点1961-2013年的逐年5-9月的累计降水量和月平均气温，分别以河湟谷地5-9月的累计降水量（R5-9）和累计月平均气温的平均值（T5-9）为基准，计算逐年5-9月降水量的距平值△R5-9累计平均气温的距平值△T5-9。应用SPSS软件检验青海河湟谷地20世纪60年代（1961-1970年）、80年代（1971-1980年）、90年代（1991-2000年）、21世纪初（2001-2010年）的气温和降水（5-9月）的差异。

2.2 气候因子影响系数的定义和计算方法

从实际粮食产量中提取出气候产量是本研究的关键问题。前人通常采用统计学中分析时间序列的方法，认为实际产量由趋势产量和波动产量两部分构成，时间趋势产量是反映历史时期单产发展水平的长周期的产量分量，产量波动的部分主要是反映气候要素影响的气候产量[14]：

Y=Yt+Yw+e （1）

式中，Y为单位面积的粮食产量（kg/hm2）；Yt为趋势产量（kg/hm2）；Yw为波动产量（kg/hm2）；e是一些随机因素影响的产量分量，实际计算中可以不作考虑。

采用上述方法，对1961-2013年青海河湟谷地粮食的气候产量进行分解。前人多采用三次多项式法和指数函数法等拟合分解气候产量[14，15]。但这些方法所应用模型的显著性水平没有HP滤波法高，HP滤波分解方法是纯粹的机械平滑程序，能简单快速分离粮食产量，分离出的气候产量精确[23]，因此，本研究使用HP滤波方法来拟合趋势产量，提取气候产量。根据拟合的结果显示，1961-2013年河湟谷地的气候产量与气温具有显著相关性，与降水不具有显著相关性。20世纪90年代前气候产量与气温的相关性显著，与降水的相关性不显著，90年代变暖以来，粮食的气候产量与气温的相关系数降低，未通过显著性水平检验，与降水的相关性依旧不显著（表1）。气候要素具有趋势变化，会对作物产量产生影响，因此在分析粮食作物产量对气候变化的响应时，不可避免会产生偏差。这样拟合分离出来的趋势产量存在明显缺陷。

3 结果与分析

气温和降水是影响一个区域粮食产量的气候要素，应选择出影响该区域粮食产量的主要气候因子，青海河湟谷地粮食的气候产量与气温具有显著相关性，与降水不具有相关性，因此，将气温确定为气候影响因子的主要变量。

3.1 青海河湟谷地5-9月的气温变化

从年代际尺度看，河湟谷地5-9月的累计平均气温距平从20世纪90年代开始为正值，表明该地区变暖于20世纪90年代，方差分析结果显示，20世纪70年代与60年代，80年代与70年代的气温差异显著性水平只有0.895和0.973，而20世纪90年代与80年代，21世纪初与20世纪90年代5-9月的气温差异显著性水平达到0.021和0.029，通过a=0.05水平的显著性检验（表2）。

3.2 气温变化对青海河湟谷地粮食单产的影响

根据河湟谷地粮食单产的变化趋势（图1），粮食单产在1975年、1995年和2007年附近出现较大的增长。对1963-1974年、1975-1994年和1995-2007年3个时段的粮食单产数据进行分段滤波拟合，分解出波动产量和趋势产量，计算不同时间段的波动产量占趋势产量百分比和气温的相关系数。结果显示，河湟谷地1963-1974年时段的相关系数为-0.119，1975-1994年时段的相关系数为0.544，1995-2007年时段的相关系数为0.41，其中，1975-1994年时段的粮食波动产量与气温的相关系数最高。因此，本研究以1975-1994年时段作为基准时间段，根据式（3）建立1975-1994年基准时段内的气温影响系数的函数式：

3.3 气候变暖对青海河湟谷地粮食单产增产的贡献分析

河湟谷地粮食单产的变化受到技术与气候变化的共同影响，在分析气候变化对青海河湟谷地粮食单产增加的贡献需要同时考虑气候和技术变化两方面的因素。

以1975-1994年为基准时段并计算的各年代粮食单产增加量以及气候变化对粮食单产增产的贡献率结果如表3所示。假设粮食单产保持1975-1994年生产技术条件下对温度变化的敏感程度，设20世纪70年代（1971-1980年）为第0期，80年代（1981-1990年）为第1期，90年代（1991-2000年）为第2期，21世纪初（2001-2010年）为第3期，将这4个时期5-9月的累计平均气温距平值代入式（7），得到4个时期的气温影响系数，根据式（4）和式（5）计算出20世纪80、90年代和21世纪初的技术单产和气候单产，并根据式（6）计算气候变暖的贡献率。

结果表明，在不考虑生产技术发展时，即技术单产保持在20世纪70年代的水平不变，在气候变暖影响下，80年代的粮食单产增加5.4 kg/hm2，变换对增产的贡献率仅为0.14%，90年代的粮食单产增加117.59 kg/hm2，变暖对河湟谷地粮食增产的贡献率为12.6%，21世纪初粮食单产增加188.68 kg/hm2，变暖对粮食增产的贡献率为12.3%；而同时考虑到技术产量的逐渐增加，80年代变暖影响的增产量为2.17 kg/hm2，变暖的贡献率为0.41%；90年代变暖影响的增产量为156.41 kg/hm2，贡献率为17.4%；21世纪初变暖影响的增产量为307.48 kg/hm2，贡献率为20%，说明青海河湟谷地气候变暖主要发生在20世纪90年代。

相对于20世纪80年代，90年代后河湟谷地变暖的程度较大，同时，技术因素也对粮食生产具有更大影响。由于技术的进步，提高了粮食产量的同时也降低了气候因素對粮食生产的影响，因此，用1975-1994年生产技术条件下的粮食单产对温度变化的敏感程度估算80年代与90年代变暖对粮食增产的贡献更为接近实际的产量变化情况。由表3可以看出，与70年代相比，90年代单纯气候变暖带来的增产量占实际增产量的12.6%，如果同时考虑实际技术单产的逐步提高，气候变暖的贡献率将上升到17.4%，即对90年代增产的贡献率为12.6%～17.4%。同样可以得出，21世纪初单纯气候变暖带来的增产量占实际增产量的12.3%，如果同时考虑到实际技术单产的逐步提高，气候变暖的贡献率将上升到20%，即对21世纪初粮食增产的贡献率为12.3%～20.0%。

3.4 气候变暖对粮食单产增产的贡献区域对比分析

与东北重要农业区黑龙江省粮食增产的贡献率相比（表4），在20世纪80年代与90年代青海河湟谷地比黑龙江省气候变暖对粮食增产的贡献率均低，21世纪初青海河湟谷地的气候贡献率还达不到黑龙江省在20世纪90年代的气候贡献率，说明气候变暖对青海河湟谷地粮食增产的贡献不明显。从相关研究结果可知，青海河湟谷地从20世纪70年代到21世纪初，生长季平均气温距平分别为-0.40、-0.39、0.18和0.73 ℃，黑龙江省从20世纪70年代到90年代生长季平均气温距平分别为-0.316、0.21和3.26 ℃[14]，说明气候变暖对不同地区的影响是不一致的。

对青海河湟谷地与黑龙江近50年的年均气温进行Mann-Kendall突变检验（图3）[25，26]。青海河湟谷地的UF曲线在20世纪80年代中期前呈现波动变化的趋势，之后呈现波动上升趋势，在20世纪90年代中后期这种上升趋势超过了显著性水平0.05的置信水平，表明河湟谷地从20世纪90年代中后期开始气温的增暖趋势明显。根据UF曲线和UB曲线的交点位置，可以知道河湟谷地在20世纪90年代的增暖是一个突变现象，具体是从1994年开始的，并且通过显著性水平0.05的置信水平。而黑龙江的UF曲线在20世纪70年代中期前呈现波动变化的趋势，之后呈现波动上升趋势，在20世纪80年代中后期这种上升趋势超过了显著性水平0.05的置信水平，表明黑龍江从20世纪80年代中后期开始气温的增暖趋势明显。根据UF曲线和UB曲线的交点位置，可以知道黑龙江在20世纪80年代的增暖是一个突变现象，具体是从1985年开始的，并且通过显著性水平0.05的置信水平。这与相关学者研究的结果相符合[4，27-30]。以上分析说明，气候变暖对不同地区的影响是不一致的，青藏高原典型农业区对气候变暖的响应比黑龙江省的响应慢，变暖的程度也比黑龙江省的变暖程度低。

4 结论与讨论

4.1 结论

1）青海河湟谷地位于青藏高原东北部，特殊的自然环境和经济社会条件使得该地区的气候变化成为影响粮食产量的敏感性因素，青海河湟谷地粮食单产的增产与气温相关性高，气温是气候影响因子的主要变量，生长季气候变暖主要发生在20世纪90年代。

2）气候变暖有利于青海河湟谷地粮食单产的增产，估算了过去40年气候变化对青海河湟谷地粮食单产增产的贡献率。气候变暖对河湟谷地20世纪90年代增产的贡献率为12.6%～17.4%，对21世纪初粮食增产的贡献率为12.3%～20.0%。

3）通过气候变暖对青海河湟谷地与黑龙江省粮食单产增产的贡献对比分析可知，气候变暖对不同地区粮食生产均有影响，气候变暖对粮食增产的贡献正在加大，但对河湟谷地粮食增产的贡献相对其他地区来说不明显。同时，气候变暖对不同地方的影响是不一致的，青藏高原典型农业区对气候变暖的响应比其他地区的响应慢，变暖的程度也较低。

4.2 讨论

本研究通过一定的数学方法计算气候变暖对青海河湟谷地粮食产量的贡献率进行估算，得到的贡献率的相对的，适用于对历史时期相关方面的研究，而对于未来气候变化与粮食生产之间的关系，需要进行更为深刻的探讨。

青海河湟谷地是青海农业、工业和人口等集中地，随着城市化和工业化的不断加速发展，各类建设用地与农业用地之间的矛盾更加激烈，人地关系日趋紧张，在有限的耕地上提高粮食单产量愈来愈成为关系国家粮食安全的重要问题。在全球气候变化和区域气候波动的条件下，分析气候变化对粮食产量的影响，可以认识不同的气候条件下粮食的生产情况，为未来一定时期内的耕地保护提供重要保障，促进农业的现代化。

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