韩 敏,杨轲然,田 乐,尹昱达,周 泓*

(1.玉溪市红塔区气象局,云南玉溪 653100;2.玉溪市气象局,云南玉溪 653100)

我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区之一,气候变化对我国粮食安全影响不容忽视,粮食作为人类赖以生存的最基本物质,其安全问题受到了广泛关注。我国农业受全球气候变化的影响利弊共存,一方面,气候变暖增加热量,种植面积扩大,对增产是有利的,但另一方面,气候变化对农业生产的不利影响也日益突出。IPCC发布的第六次评估报告第二工作组报告指出,极端天气气候事件的发生造成了一系列难以应对的影响,这加剧了数百万人的水和粮食危机[1-2]。玉溪作为滇中山地城市,是典型的“雨养农业”,气候变化对粮食生产水平影响显著。因此,研究该地区的气候生产潜力和气象要素的关联性以及变化规律,确保区域经济资源以及自然资源利用朝着可持续方向发展。

气候资源与环境资源一样,其承载能力或容量是有限的,参考环境承载力提出“气候-粮食-人口”框架来评估区域尺度面向粮食安全的气候承载力的方法[3],分析气候资源和人类社会需求之间的供求关系。大多数学者对各地区从不同角度及不同层面[4-6],并且借助Tharnthwaite-Memorial模型[7]、Miami模型[8]、AEZ模型[9]等方法来针对气候生产潜力进行计算。於俐等[10]较早提出了气候承载力概念,卢燕宇等[11-12]基于气候条件与人类活动的相互作用关系探讨了气候承载力的空间格局与关键影响因子,郑开雄等[13]发展了基于DPSIR和状态空间法的气候承载空间模拟分析。关于粮食生产气候承载力,卢燕宇等[14]从粮食生产与光温水等气候因子的关系出发分析了安徽省的气候承载力,姬兴杰等[9]研究了基于夏玉米和冬小麦2种主粮作物未来气候变化下的气候承载力,李蒙等[3]计算并分析云南气候生产潜力和气候承载力指数的变化特征。鉴于目前可供参考玉溪地区气候生产潜力的资料较为稀少,关于玉溪地区气象要素对气候产生潜力方面带来的影响相关研究资料十分匮乏。笔者将玉溪地区作为主要研究区域,分析该地区近60年以来气候生产潜力变化,并基于粮食安全,对该地区气候承载力和相对剩余率进行计算,探索该地区气候承载力的容量能否满足该地区不同消费水平的粮食需求,进而为该地区农业的发展和保障粮食的安全提供指导参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源该研究选取玉溪市1961—2020年的逐日气象资料,降水量、气温、风速和相对湿度等关键信息数据均源自9个国家大监站,数据连续性较好。人口数据来源于第七次全国人口普查,耕地面积来源于第三次全国国土调查。

1.2 研究方法

1.2.1光合生产潜力。光合生产潜力是只考虑太阳辐射条件所确定的土地生产潜力[15]。根据光合有效系数计算法[16],使用以下光合生产潜力计算模型:

(1)

式中:PQ为光合生产潜力[kg/(hm2·a)];C为能力转换系数,大多数作物均值为17.8 MJ/kg;F为光能利用率,玉溪地区粮食作物主要为水稻、玉米和小麦,该研究不分析个别作物,综合考虑这3种禾谷作物,3种禾谷作物的光能利用率平均值为2%[17];E为经济系数,禾谷作物的平均经济系数为0.4;Q为太阳辐射[MJ/(m2·a)]。根据现有的研究成果,分析昆明日射站的太阳辐射和天文辐射的关系,使用相应的经验系数,最终得出玉溪地区的太阳辐射计算公式[18]:

Q=Q0(0.175+0.52S1)

(2)

式中:S1是日照百分率(%),由日照时数计算;Q0是天文辐射[MJ/(m2·a)]。

1.2.2光温生产潜力。按照温度有效系数方法[16],选择无霜期在全年所占的比值作为光温生产潜力的系数:

PP=ft×PQ

(3)

ft=n/365

(4)

式中:PP为光温生产潜力[kg/(hm2·a)];ft为温度有效系数;n为无霜日(d)。

1.2.3气候生产潜力。考虑水分对生产潜力的影响,按照水分有效系数订正法[16],将降水与蒸发的比值作为气候生产潜力的有效系数:

PC=fw×PP

(5)

fw=R/ET

(6)

式中:PC为气候生产潜力[kg/(hm2·a);fw为水分有效系数;R为年降水量(mm);ET为年蒸散量(mm),由Penman-Monteith公式计算。

1.2.4气候承载力和相对剩余率。气候系统可为经济活动提供物质条件,但其容纳能力是有限度的,面向粮食安全的气候承载力评价,就是在一定的气候条件下,不超出粮食生产潜力的限度,可支撑空间内人口粮食需求的能力,通过定量和定性的评价确定承载力水平。气候承载力的评价内容包括气候生产潜力和粮食消费水平[9],计算公式如下:

气候承载力=气候生产潜力/人均粮食需求指标

(7)

为评价区域经济社会活动与气候承载力是否处于协调状态,还应掌握该区域的剩余环境容量,提出相对剩余率,构建气候承载力的相对剩余率的量化,确定当前气候条件下所评价对象是否在承载范围内,从而帮助人们采取相应的控制措施。区域气候承载力相对剩余率是一定区域范围内气候承载力在保障粮食安全的状态下粮食生产承载的人口数是否还有剩余空间[9,14]。从气候承载力和实际人口数出发,获得该区域的相对剩余率计算公式:

(8)

2 结果与分析

2.1 气候生产潜力分析

2.1.1气候生产潜力时间变化特征。1961—2020年玉溪地区平均气候生产潜力为16 287.7 kg/(hm2·a),最大值为1968年的21 401.9 kg/(hm2·a),最小值为2019年的10 880.4 kg/(hm2·a);1968年降水量超过1 100 mm,而2019年降水量不足700 mm,相应的2019年出现较重的干旱灾害。从线性倾向率来看(图1),近60年气候生产潜力呈减少趋势,减少率为25.8 kg/(hm2·a),但没有通过0.05水平的显著性检验,说明近60年气候生产潜力的减少趋势是不显著的。各县的气候生产潜力均为减少趋势,减少趋势最大的为峨山,减少率为73.2 kg/(hm2·a),通过0.01水平的显著性检验,减少趋势明显;通海、华宁和易门减少趋势较小(表1)。从气候变化对气候生产潜力的影响来看,虽然1961—2020年温度呈明显上升趋势(通过0.01水平的显著性检验),无霜期变长,辐射随时间变化平缓,但降水量呈下降趋势(没有通过0.05水平的显著性检验),并且降水量年际波动较大,导致气候生产潜力年代际波动较大(图2)。1961—1970年气候生产潜力呈增加趋势,增加速率为207.3 kg/(hm2·a);1971—1980年气候生产潜力以740.4 kg/(hm2·a)的速率减少;1981—1990年气候生产潜力减少,减少速率为190.1 kg/(hm2·a);1991—2000年气候生产潜力增加,增加速率为401.6 kg/(hm2·a);2001—2010年气候生产潜力以734.8 kg/(hm2·a)的速率减少;2011—2020年气候生产潜力增加,增加速率为144.3 kg/(hm2·a);1971—1980和2001—2010年气候生产潜力减少趋势通过0.01水平的显著性检验,说明20世纪70年代和21世纪初玉溪地区气候生产潜力减少趋势明显。

表1 玉溪地区各县(区)气候生产潜力及其变化趋势

图1 1961—2020年玉溪地区气候生产潜力变化趋势Fig.1 Change trend of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

图2 1961—2020年玉溪地区气候生产潜力变化率Fig.2 Change rate of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.2气候生产潜力突变检验。借助 Mann-Kendall非参数统计方法对近60年来玉溪地区气候生产潜力的突变状况进行检验分析,结果表明(图3),近60年玉溪地区气候生产潜力呈减少趋势,但没有通过0.05水平的显著性检验,减少趋势不明显。出现多个时段的增加和减少趋势,但这些增加和减少趋势均没有通过0.05水平的显著性检验,说明增加和减少趋势均不显著。研究时段内UF和UB曲线出现多个交叉点,且交叉点在临界线之间,表明近60年来玉溪地区气候生产潜力发生多次突变。

图3 1961—2020年玉溪地区气候生产潜力Mann-Kendall突变检验Fig.3 Mann-Kendall mutation test of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.3气候生产潜力空间分布。根据玉溪9个气象站1961—2020年的逐年日照时数、气温和降水量资料,计算玉溪地区光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力的空间分布图(图4)。从图4可以看出,玉溪地区日照资源丰富,其光合生产潜力较大,近60年光合生产潜力的平均值为25 265.9 kg/(hm2·a),年光合生产潜力北低南高;受辐射分布影响,玉溪南部辐射资源较好,相对的光合生产潜力较大,光合生产潜力为25 901.9～25 972.2 kg/(hm2·a);北部光合生产潜力相对较低,为24 650.1～24 675.5 kg/(hm2·a)。玉溪光温生产潜力与光合生产潜力空间分布特征一致,南高北低,特别是南部河谷地区,气温较高,光温生产潜力的平均值为22 997.4 kg/(hm2·a),南部为24 818.5～25 933.7 kg/(hm2·a),北部为21 077.0～22 861.9 kg/(hm2·a)。光温水生产潜力也称为气候生产潜力,玉溪地区气候生产潜力平均值为16 287.7 kg/(hm2·a),气候生产潜力空间分布受降水变率影响,南部光合生产潜力和光温生产潜力的高值区转为气候生产潜力的低值区,为12 327.3 kg/(hm2·a),而中部和北部气候生产潜力增加,为15 805.2～17 920.1 kg/(hm2·a)。可见玉溪地区气候生产潜力空间分布与地势相符,地势相对平坦的地区,气候生产潜力较大;地势起伏较大,特别是河谷与高山并存,海拔高差较大的地区,气候生产潜力较小。

图4 1961—2020年玉溪地区光合生产潜力(a)、光温生产潜力(b)和气候生产潜力(c)空间分布[单位:kg/(hm2·a)]Fig.4 Spatial distribution of photosynthetic production potential(a),light temperature production potential(b),and climate production potential(c)in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.4气候生产潜力限制因素分析。对近60年来玉溪地区气候生产潜力与日照时数、气温和降水量进行Pearson 相关分析,结果发现(图5),年日照时数、年平均气温与气候生产潜力相关性系数分别为-0.346和-0.348(均达到0.01水平的显著相关),年降水量与气候生产潜力之间的相关系数为0.979(达到0.01水平的显著相关),表明近60年来玉溪地区年日照时数、年平均气温与气候生产潜力呈负相关,年降水量与气候生产潜力呈正相关,核心限制因素是年降水量。

图5 玉溪地区气候生产潜力与年日照时数(a)、年平均气温(b)和年降水量(c)的相关性Fig.5 Correlation between climate production potential and annual sunshine hours(a),annual average temperature(b),and annual precipitation(c)in Yuxi region

2.2 气候承载力和相对剩余率分析

2.2.1气候承载力。参照联合国粮食及农业组织(FAO)给出的参考意见,粮食安全线为年人均400 kg[13],陈玲玲等[19]根据我国粮食生产及消费趋势推算未来人口发展的年人均粮食需求量,将社会发展分为宽裕型、小康型和富裕型,相对应的年人均粮食消费分别为420、460和490 kg。就当前云南年人均粮食消费水平来看,2011—2020年云南粮食产量在全国粮食产销平衡中居前列,所以将当前玉溪年人均粮食消费水平定为400 kg。

用玉溪地区气候生产潜力分别求算不同消费水平下的气候承载力,以玉溪地区当前粮食消费水平(年人均粮食消费400 kg)来计算,可承载的人口总数量为817.7万,宽裕型消费水平可承载的人口总数量为778.8万,小康型消费水平可承载的人口总数量为711.0万,富裕型消费水平可承载的人口总数量为667.5万(图6)。玉溪地区常住人口为224.9万(第七次全国人口普查),低于玉溪地区不同粮食消费水平下可承载的人口数,因此,玉溪地区粮食生产能够满足该地区不同消费水平的粮食需求。从空间分布层面(图7)来看,由于各县(区)间地形的制约以及经济发展水平的差异,各县(区)间的承载力差异明显,导致玉溪各县(区)呈现出明显的差异性分布特点。新平、华宁、峨山耕地面积较大,并且这3个县气候生产潜力高,所以气候承载力较其他县(区)偏高,以小康型社会消费水平的气候承载力来看,新平可承载175.2万人,华宁可承载101.8万人,峨山可承载91.9万人。通海、江川、易门的气候生产潜力为中等至较高水平,耕地面积也处于中等水平,所以这3个县(区)的气候承载力处于中等水平,以小康型社会消费水平的气候承载力来看,江川可承载63.0万人,通海可承载62.4万人,易门可承载62.1万人。元江耕地面积处于中等水平,但气候生产潜力为全市最低,导致其气候承载力较低,以小康型社会消费水平的气候承载力来看,元江可承载59.6万人。澄江气候生产潜力位于中等水平,但耕地面积较小,导致其气候承载力低,以小康型社会消费水平的气候承载力来看,澄江可承载54.2万人。红塔的城镇化进程较快,人口较其他县(区)密集,并且气候生产潜力为较低水平,耕地面积全市最小,导致其气候承载力最低,以小康型社会消费水平的气候承载力来看,红塔可承载43.6万人,当前红塔常住人口为58.9万人,粮食生产不能够满足红塔不同消费水平的粮食需求,该地区粮食自给类型为依赖型。

图6 玉溪地区不同粮食需求水平下气候可承载的人口数Fig.6 Climate capable population under different grain demand levels in the Yuxi region

图7 玉溪各县不同粮食需求水平下气候可承载人口数Fig.7 Climate capable population under different grain demand levels in Yuxi Counties

2.2.2相对剩余率。用玉溪气候生产潜力的平均值分别求出不同消费水平下的相对剩余率,结果发现(图8),现阶段粮食消费水平、宽裕型消费水平、小康型消费水平以及富裕型消费水平下相对剩余率分别为263.5%、 246.2%、216.1%、196.7%。从小康水平下看玉溪各县(区)气候承载力的相对剩余率分布(表3),除了红塔的相对剩余率小于0以外,其他县(区)的相对剩余率均大于0,其中,新平和峨山在小康水平下的相对剩余率大于500%,可见玉溪地区各县(区)间的相对剩余率差别较大,但综合相对剩余率均能表明气候承载力的容量均大于实际人口数。因此,从基于粮食安全的气候承载力和相对剩余率来看,玉溪地区气候生产潜力就保障本地的粮食安全而言有较大的潜力。

表3 玉溪地区各县(区)不同粮食需求水平下的相对剩余率

图8 玉溪地区不同粮食需求水平下的相对剩余率Fig.8 Relative surplus rate under different levels of grain demand in Yuxi region

3 结论与讨论

1961—2020年玉溪地区平均气候生产潜力为16 287.7 kg/(hm2·a),近60年气候生产潜力呈减少趋势,但趋势不显著,其中,20世纪70年代和21世纪初气候生产潜力减少显著。玉溪地区气候生产潜力空间分布与地势相符,地势相对平坦的地区,气候生产潜力较大;地势起伏较大的地区,气候生产潜力较小。对气候生产潜力进行突变检验表明,近60年来玉溪地区气候生产潜力发生多次突变,但年际间的波动趋势均没有通过显著性检验,上升和下降均不显著。年日照时数、年平均气温与气候生产潜力呈负相关,年降水量与气候生产潜力呈正相关,说明玉溪地区光照和热量对气候生产潜力的限制没有降水的限制效应大,其核心限制因素是年降水量。

对玉溪地区粮食气候承载力和相对剩余率进行计算,结果表明,全市当前人口数低于气候承载力,粮食生产能够满足该地区不同消费水平的粮食需求。但从空间分布层面来看,玉溪各县(区)呈现出明显的差异性。因此需要优化玉溪地区气候承载力,加强对耕地地力的培育与改造,改善农业生产条件,强化信息服务构建水平以及进一步提升农业物质投入力度,从而提高土地产出率。

承载力的计算不是简单的数学运算,存在着许多方面的问题,该研究仅从不同粮食消费水平层面来针对气候资源承载力进行了分析,分析的切入点相对单一。 此外,关于气候承载力方面除了包含气候资源供给水平以外,也需要将气候灾害对于粮食产量带来的影响纳入考虑范围。因此,系统评估气候承载力尚且需要进一步的完善,尤其是定量化技术方法、气候承载力评估框架以及拓宽应用对象和应用领域等方面依旧需要进一步研究。