潘敖大，曹穎，陳海山，孫善磊

(1．氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;2．廈門(mén)市氣象局，福建 廈門(mén)361012;3．江蘇省氣象局，江蘇南京210008)

0 引言

溫室氣體增加導(dǎo)致的全球氣候變暖業(yè)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)(孫善磊等，2010a;高慶九等，2012;周?chē)?guó)華等，2012);政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第4次評(píng)估報(bào)告(IPCC，2007)指出，過(guò)去100 a全球氣溫平均上升了(0.74±0.18)℃。隨著氣候變化的加劇，其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的影響不斷加深，已嚴(yán)重威脅到社會(huì)和自然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展(孫善磊等，2010b，2011)。農(nóng)業(yè)是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，穩(wěn)定和可持續(xù)的糧食生產(chǎn)是其發(fā)展的關(guān)鍵;作為影響糧食生產(chǎn)的主要自然因素，氣候可以通過(guò)影響作物生育進(jìn)程、適宜種植區(qū)和災(zāi)害性因子等進(jìn)而影響糧食生產(chǎn)(郭建平，1992)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞著氣候變化對(duì)糧食生產(chǎn)的可能影響開(kāi)展了大量的相關(guān)研究(肖卉等，2011;張佩等，2011)，并認(rèn)為溫度和降水的變化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)主要因子;但對(duì)不同國(guó)家或地區(qū)，二者對(duì)作物產(chǎn)量的影響(增加或減少)及幅度有所差別?；谧灾蓸臃?bootstrap resampling)，Tao et al．(2008)對(duì)中國(guó)及各省的主要糧食作物與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了定量分析，指出氣候變化使我國(guó)水稻(1951—2002年)和大豆(1979—2002年)總產(chǎn)量趨勢(shì)分別增加了3.2×105和0.7×105t·(10 a)－1，而使小麥和玉米(1979—2002年)趨勢(shì)分別減少了1.2 ×105t·(10 a)－1和21.2 t·(10 a)－1。Joshi et al．(2011)分析了氣候變化對(duì)1987—2007年尼泊爾糧食產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性降水、最低和最高溫度對(duì)不同作物的影響存在較大的差異。采用面板數(shù)據(jù)(白仲林，2008)和計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，Isik and Devadoss(2006)定量分析了降水和氣溫變化對(duì)美國(guó)愛(ài)荷華州主要糧食作物單產(chǎn)及其波動(dòng)的影響，結(jié)果顯示降水增加和溫度升高會(huì)減小小麥、大麥、土豆和甜菜單產(chǎn)及其波動(dòng)。高永剛等(2007)利用世界糧食研究模型(World Food Studies，WOFOST)研究了近43 a來(lái)黑龍江氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，指出氣候變化的空間差異對(duì)各主要作物產(chǎn)量變化的空間分布具有重要影響，但不同作物的影響不同。曹廣平和陳永福(2012)通過(guò)建立引入氣候因素的種植業(yè)生產(chǎn)函數(shù)模型，實(shí)證分析了1990—2009年氣候因素和非氣候因素對(duì)山東省種植業(yè)產(chǎn)出的影響并對(duì)產(chǎn)出增長(zhǎng)的各要素貢獻(xiàn)進(jìn)行了分解;結(jié)果表明氣候變暖將會(huì)對(duì)山東省種植業(yè)造成明顯的負(fù)面影響。以上工作分別從不同角度和不同方法上評(píng)估了氣候變化對(duì)不同作物產(chǎn)量的影響。但大多數(shù)研究往往只針對(duì)氣候變化對(duì)單一作物產(chǎn)量的影響，缺乏對(duì)糧食總產(chǎn)量的相關(guān)分析;且一般考慮整年或整個(gè)作物生長(zhǎng)季的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，而忽略了不同時(shí)間尺度(如月尺度)的氣候變化影響，因此很難對(duì)糧食產(chǎn)量的影響做出系統(tǒng)而全面的評(píng)價(jià)。因此，綜合考慮不同時(shí)間尺度的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，可以更加系統(tǒng)地區(qū)分不同時(shí)間尺度的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，有利于較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響。本研究依據(jù)江蘇省1986—2010年氣候(降水、最低和最高溫度、日較差和日照時(shí)數(shù))變化特征，擬利用自助采樣方法定量分析江蘇主要糧食產(chǎn)量對(duì)各氣候要素的響應(yīng)關(guān)系，并評(píng)價(jià)1986—2010年不同時(shí)間尺度的氣候變化對(duì)江蘇省主要糧食總產(chǎn)量變化的貢獻(xiàn)，以期為江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策制定和江蘇農(nóng)業(yè)發(fā)展的科學(xué)規(guī)劃提供初步的決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇地處“江淮沂沭泗”五大江河下游的江淮平原，長(zhǎng)江橫穿其南部，面積為1.03×105km2;地形以平原為主，主要有蘇南平原、蘇中江淮平原和蘇北黃淮平原，占全省面積70%以上。該研究區(qū)既屬東亞季風(fēng)區(qū)，又屬亞熱帶和暖溫帶過(guò)渡區(qū)，具有明顯的季風(fēng)氣候特征。一般說(shuō)來(lái)，蘇北灌溉總渠(淮河)以南廣大地區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，以北地區(qū)為南溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。春夏秋冬四季分明，年日照時(shí)數(shù)2 000～2 600 h，年均氣溫13～16℃，無(wú)霜期200～240 d，年均降雨量800～1 200 mm。由于光熱條件兼有南北之長(zhǎng)，且降水比較豐富，適于喜溫和中溫作物的生長(zhǎng)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

圖1 江蘇省63個(gè)氣象站分布Fig．1 Distribution of 63 weather stations in Jiangsu Province

本文采用1985—2010年江蘇省70個(gè)氣象站逐日降水(mm)、最低溫度(℃)、最高溫度(℃)、溫度日較差(℃)以及日照時(shí)數(shù)(h)資料。逐日資料缺測(cè)的處理方法遵從年內(nèi)缺測(cè)時(shí)間均不大于15 d;年內(nèi)缺測(cè)時(shí)間超過(guò)15 d的站點(diǎn)予以剔除;連續(xù)缺測(cè)時(shí)間小于等于15 d的資料，用線(xiàn)性插值法替換缺測(cè)值;最后使用到的站點(diǎn)總計(jì)63個(gè)(圖1)。另外，考慮研究對(duì)象為糧食產(chǎn)量，其反映的為某一地區(qū)糧食生產(chǎn)的平均狀況;考慮到單個(gè)氣象站點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確代表某一區(qū)域的氣候特征，本文基于ArcGIS 9.2平臺(tái)采用樣條函數(shù)(spline function)方法對(duì)逐月氣候要素進(jìn)行了空間插值處理，并獲得了江蘇省各市逐月氣候要素的時(shí)間序列。江蘇省糧食生產(chǎn)可以分為夏糧和秋糧;夏糧主要有小麥、大麥和蠶豌豆等作物，生長(zhǎng)期主要在11月—次年5月;秋糧主要有水稻、玉米、大豆、綠豆和薯類(lèi)作物，生長(zhǎng)期主要在6—10月。為了找出與糧食產(chǎn)量有密切聯(lián)系的氣候要素，并準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，本文對(duì)氣候要素做如下處理:分別計(jì)算11月—次年10月(一個(gè)作物年)、夏糧—秋糧生長(zhǎng)季各氣候要素的平均或總和;進(jìn)而獲得三種時(shí)間尺度(作物年、夏糧—秋糧生長(zhǎng)季和月尺度)的氣候要素。

根據(jù)江蘇省氣候、地理特點(diǎn)和行政區(qū)域劃分，一般把江蘇分為3個(gè)區(qū)，分別是蘇北、蘇中和蘇南地區(qū)。蘇北地區(qū)包括徐州、連云港、鹽城、宿遷和淮安;蘇中地區(qū)主要有揚(yáng)州、泰州和南通;蘇南地區(qū)則包括南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫和蘇州。研究期間(1986—2010年)13個(gè)地級(jí)市糧食產(chǎn)量主要取自《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《數(shù)據(jù)見(jiàn)證輝煌——江蘇60年》《江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì)50年》《江蘇農(nóng)村改革發(fā)展30年》和江蘇省各市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒;過(guò)去25 a間(1986—2010年)全省作物播種面積平均為5.64×106hm2，糧食總產(chǎn)量平均為 3.33×1010kg。

1.3 研究方法

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出是在各種自然和非自然因素綜合作用下形成的;而農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響因素主要分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素和氣候因素兩部分。為了研究糧食產(chǎn)量與氣候要素之間的關(guān)系，必須將社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)等人為因素的影響從實(shí)際產(chǎn)量中剔除，余下的糧食產(chǎn)量變化可以由氣候變化來(lái)解釋。鑒于作物育種、品質(zhì)、播種手段等田間管理水平不斷提高而引起產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)，為了消除這些非氣候要素引起的產(chǎn)量增長(zhǎng)趨勢(shì)，眾多學(xué)者(Nicholls，1997;Vesselin and Gerrit，2001;Lobell and Asner，2003;Chen et al．，2004;Christopher and Navin，2005;Lobell et al．，2005;Lobell and Field，2007;Joshi et al．，2010;包云軒等，2012)采用去傾處理的方法(年際差)，就氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響開(kāi)展了廣泛研究。本文以ΔYi(kg·hm－2)表示第i年糧食單產(chǎn)的年際差，即第i年與第i－1年糧食單產(chǎn)的差值;分別對(duì)不同時(shí)間尺度的氣候要素做相應(yīng)處理;新序列的時(shí)段為1987—2010年。

本研究擬采用Pearson相關(guān)分析確定1987—2010年糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度氣候要素年際差的相關(guān)關(guān)系，并找出與糧食單產(chǎn)呈顯著(p＞0.05)相關(guān)的氣候要素。利用一元線(xiàn)性回歸方程，可以獲得糧食單產(chǎn)對(duì)某一氣候要素的響應(yīng);另外，為了解決因樣本容量(n=24)有限帶來(lái)的不確定性，引入自助抽樣方法(Tao et al．，2008)，通過(guò)1 000次的反復(fù)抽樣獲得1 000組樣本(每組n=24)，并建立新的一元線(xiàn)性回歸方程，最后獲得糧食單產(chǎn)對(duì)該氣候要素響應(yīng)的范圍。

評(píng)估1986—2010年氣候變化對(duì)糧食單產(chǎn)的影響，可采用下式:

其中:m表示由作物年、夏糧—秋糧生長(zhǎng)季和月尺度的氣候要素年際差與糧食產(chǎn)量年際差所建立的模型，分別記為模型A、模型B和模型表示m模型計(jì)算的氣候變化引起的糧食產(chǎn)量變化;N為m模型中與糧食產(chǎn)量有顯著(p＞0.05)相關(guān)的氣候要素個(gè)數(shù);為m模型中糧食單產(chǎn)對(duì)第i個(gè)氣候要素的響應(yīng)，即一元回歸方程系數(shù)表示1986—2010年第i個(gè)氣候要素的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧食產(chǎn)量及氣候變化特征

表1為過(guò)去25 a蘇北、蘇中、蘇南(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三區(qū))和江蘇省糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量和播種面積的多年平均及其標(biāo)準(zhǔn)差?？梢园l(fā)現(xiàn):三區(qū)糧食單產(chǎn)均在5 600 kg·hm－2以上，且由于水熱條件的差異，糧食單產(chǎn)表現(xiàn)為從南(蘇南)到北(蘇北)逐漸遞減的變化特征;而播種面積和總產(chǎn)量從南到北逐漸遞增，與江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間格局基本一致，蘇南地區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)的倚重較小，而蘇北和蘇中地區(qū)則相反。就全省平均而言，糧食單產(chǎn)、播種面積和總產(chǎn)量的25 a平均分別為 5 921.03 kg·hm－2、5.64 ×106hm2和3.33×1010kg。1986—2010年，在農(nóng)業(yè)管理措施和技術(shù)等的不斷發(fā)展以及氣候變化的共同作用下，三區(qū)和江蘇省糧食單產(chǎn)顯著(p＞0.01)增加(圖2)，其中，以蘇北地區(qū)增加最多(69.46 kg·hm－2·a－1);而江蘇省增加趨勢(shì)為66.89 kg·hm－2·a－1。

近年來(lái)，在全球變暖背景下，江蘇省氣候也發(fā)生了相應(yīng)的變化，圖3為1986—2010年三區(qū)和江蘇的不同時(shí)間尺度的主要?dú)夂蛞刈兓厔?shì)。在作物年尺度上，過(guò)去25 a江蘇省降水略微增加，日較差和日照時(shí)數(shù)分別以 －0.02 ℃·a－1和 －6.25 h·a－1的速率顯著(p＞0.05)減小，而最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，分別為 0.07℃ ·a－1和0.06℃·a－1;蘇北降水略有增加，而蘇中和蘇南略減少;三區(qū)最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，其中以蘇中最低溫度和蘇南最高溫度最大，分別為0.08℃·a－1和0.07℃·a－1;蘇北和蘇中日較差、蘇北日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)減小。

表1 1986—2010年糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量和播種面積以及氣候要素的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of yield per hectare，total production and sown area of food-crops，and climatic factors from 1986 to 2010

圖2 1986—2010年蘇北、蘇中、蘇南和江蘇省的糧食單產(chǎn)變化Fig．2 Variations of food-crops yield per hectare in north，centeral and south Jiangsu，and Jiangsu from 1986 to 2010

在夏糧—秋糧生長(zhǎng)季尺度上，夏糧生長(zhǎng)季和秋糧生長(zhǎng)季的江蘇降水分別呈微弱下降和上升趨勢(shì)，最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)上升，秋糧生長(zhǎng)季時(shí)日較差和日照時(shí)數(shù)均顯著(p＞0.01)減小，而夏糧生長(zhǎng)季變化不大;就三區(qū)而言，夏糧(秋糧)生長(zhǎng)季的降水在蘇北、蘇中和蘇南分別呈減小(增加)、減小(減小)和增加(減小)的趨勢(shì);除蘇北的秋糧生長(zhǎng)季最高溫度外，三區(qū)最低和最高溫度均顯著(p＞0.01)升高，尤以蘇中最低溫度最明顯(0.09℃·a－1以上);蘇北和蘇中秋糧生長(zhǎng)季日較差分別以 －0.05℃·a－1和 －0.03℃·a－1的速率顯著(p＞0.01)下降;夏糧和秋糧生長(zhǎng)季的蘇北日照時(shí)數(shù)減小，且尤以秋糧生長(zhǎng)季最為顯著(－9.88 h·a－1)，而蘇中和蘇南地區(qū)分別增加和減小。

在月尺度上，三區(qū)和江蘇的各氣候要素均發(fā)生了不同程度的變化。對(duì)于江蘇，除10月、11月、3月、5月和6月降水減少外，其他月份均增加，但并不顯著;各月最低溫度上升，其中2—10月顯著(p＞0.01);除12月外，最高溫度均升高，以3月、9月和10月顯著(p＞0.01);大部分月份(除3月、4月和6月)日較差減小，其中8—10月顯著(p＞0.05);1月、3月和4月日照時(shí)數(shù)略有增加，其他月份均減小，且9月顯著(p＞0.05)。對(duì)于三區(qū)，各月降水變化差異較大，但均不顯著，且以3月或6月減小最多，以1月、7月或8月增加最大;除蘇北1月最低溫度略降，各地均上升，且大部分顯著(p＞0.01)，其中9月或10月上升速率為0.10℃·a－1左右;蘇北和蘇中的1月、蘇南的1月和2月最高溫度略降，其他月份均升高，且以3月升高最為明顯，均在0.11℃·a－1以上;蘇北和蘇中多數(shù)月份的日較差下降，其中8—10月顯著(p＞0.05)，而蘇南3—7月略增，其他月份減小;除蘇北7—9月日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)下降，其他地區(qū)各月日照時(shí)數(shù)變化不明顯。

2.2 糧食產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系

為了找出各地區(qū)對(duì)糧食產(chǎn)量有顯著影響的氣候要素，利用Pearson相關(guān)分析，計(jì)算了各地區(qū)糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度的各氣候要素年際差的相關(guān)系數(shù)(圖4)。分析發(fā)現(xiàn):蘇北(圖4a)糧食單產(chǎn)與作物年和夏糧生長(zhǎng)季的降水呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān)，與作物年的最高溫度、日較差、日照時(shí)數(shù)和秋糧生長(zhǎng)季的最高溫度、日較差以及夏糧生長(zhǎng)季的日較差存在顯著(p＞0.05)正相關(guān);蘇中(圖4b)糧食單產(chǎn)與作物年和夏糧生長(zhǎng)季的降水呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān);蘇南(圖4c)糧食單產(chǎn)與夏糧生長(zhǎng)季的降水呈顯著(p＞0.05)負(fù)相關(guān);就江蘇(圖4d)而言，作物年和夏糧生長(zhǎng)季的降水與糧食單產(chǎn)呈顯著(p＞0.01)負(fù)相關(guān)，而與作物年的日較差呈顯著(p＞0.05)正相關(guān)。另外，從月尺度的氣候要素年際差與糧食單產(chǎn)年際差的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，糧食單產(chǎn)與逐月氣候要素的相關(guān)關(guān)系與上述分析結(jié)果基本一致;但有趣的是，有的原本與糧食單產(chǎn)并不顯著的氣候要素，在月尺度上顯著(p＞0.05)相關(guān)，例如，蘇北1月最低溫度、蘇南3月以及9月最低和最高溫度、江蘇9月最高溫度。綜上所述，表2列出了與糧食單產(chǎn)年際差呈顯著相關(guān)的不同時(shí)間尺度的氣候要素。

圖3 1986—2010年蘇北、蘇中、蘇南和江蘇氣候要素在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì) a．降水;b．最低溫度;c．最高溫度;d．日較差;e．日照時(shí)數(shù)Fig．3 Trends of climatic factors on different time scales in north，centeral and sounth Jiangsu，and Jiangsu from 1986 to 2010 a．precipitation;b．minimum temperature;c．maximum temperature;d．diurnal temperature range;e．sunshine duration

根據(jù)表2給出的與糧食單產(chǎn)年際差呈顯著相關(guān)的不同時(shí)間尺度的氣候要素，采用一元回歸結(jié)合自助采樣的方法可以獲得糧食單產(chǎn)對(duì)單個(gè)氣候因子的響應(yīng)及其范圍(圖5)。就糧食單產(chǎn)對(duì)作物年氣候要素的響應(yīng)，除蘇南無(wú)明顯響應(yīng)外，蘇北、蘇中和江蘇均表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)關(guān)系，其中，與降水呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系(即隨降水增加而減小，減小而增大)，均值分別 為 － 0.19% · (10 mm)－1、－0.09%·(10 mm)－1和 －0.11% ·(10 mm)－1;隨時(shí)間變化，蘇北和江蘇糧食單產(chǎn)對(duì)日較差的正響應(yīng)關(guān)系不變(即隨日較差增加而增加，減小而減小)，均值分別為8.30%·℃－1和5.31%·℃－1;另外，在蘇北地區(qū)最高溫度和日照時(shí)數(shù)對(duì)糧食單產(chǎn)也存在顯著影響，分別為－1.07%·℃－1～10.70%·℃－1和 －0.02%·(10 h)－1～0.43%·(10 h)－1。糧食單產(chǎn)對(duì)夏糧—秋糧生長(zhǎng)季氣候要素的響應(yīng)關(guān)系主要表現(xiàn)為:蘇北、蘇中、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)均與秋糧生長(zhǎng)季降水呈正的響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間變化，均值分別為 －0.21%·(10 mm)－1、－0.13%·(10 mm)－1、－0.07%·(10 mm)－1和 －0.15% ·(10 mm)－1;另外，蘇北糧食單產(chǎn)基本表現(xiàn)為隨夏糧生長(zhǎng)季最高溫度、日較差及秋糧生長(zhǎng)季日較差的升高而增加，范圍分別為－0.50%·℃－1～8.84%·℃－1、－0.44%·℃－1～9.99%·℃－1和 －1.13%·℃－1～11.28%·℃－1。糧食單產(chǎn)對(duì)各月氣候要素的響應(yīng)為:1)蘇北，除3月外，糧食單產(chǎn)對(duì)2月、6月、7月和8月降水呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系，且對(duì)2月最敏感(對(duì)比均值)，為－1.33%·℃－1;除2月最高溫度，糧食單產(chǎn)對(duì)1月最低溫度、2月和8月日較差以及8月日照時(shí)數(shù)呈正響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間改變。2)蘇中，糧食單產(chǎn)對(duì)2—4月和7月降水均呈正的、不隨時(shí)間而變的響應(yīng)關(guān)系，且對(duì)2月最敏感(對(duì)比均值)，為 －0.66%·℃－1。3)蘇南，糧食單產(chǎn)對(duì)7月、9月和12月降水以及9月最低和最高溫度均呈不隨時(shí)間變化的負(fù)響應(yīng)關(guān)系，而對(duì)3月最高溫度基本呈正響應(yīng)關(guān)系，范圍為0.20%·℃－1～1.81%·℃－1。4)江蘇，糧食單產(chǎn)對(duì)月降水(2月、3月和7月)和9月最高溫度的響應(yīng)依然表現(xiàn)為負(fù)響應(yīng)關(guān)系，而對(duì)2月日較差呈正的響應(yīng)關(guān)系，且不隨時(shí)間而變化。

圖4 糧食單產(chǎn)年際差與不同時(shí)間尺度的各氣候要素年際差的相關(guān)系數(shù) a．蘇北地區(qū);b．蘇中地區(qū);c．蘇南地區(qū);d．江蘇Fig．4 Correlation coefficients between the interannual difference of the food-crops yield per hectare and each climatic factor on different time scales a．north Jiangsu;b．centeral Jiangsu;c．sourth Jiangsu;d．Jiangsu

表2 與糧食單產(chǎn)呈顯著相關(guān)的氣候要素Table 2 Climatic factors significantly correlated with the interannual difference of the food-crops yield per hectare

2.3 評(píng)估1986—2010年氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

由前述結(jié)果，利用方程(1)，本研究分別計(jì)算了各區(qū)和江蘇省1986—2010年氣候變化對(duì)糧食單產(chǎn)(表3)和總產(chǎn)(表4)變化的貢獻(xiàn)及其范圍?？傮w來(lái)看(對(duì)比平均值)，三類(lèi)模型的估算結(jié)果均顯示氣候變化使得蘇北、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))減小，但結(jié)果略有差異，其中，模型C估算顯示氣候變化對(duì)糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))的影響最大，其均值分別為－6.51%·(10 a)－1(－11.28×108kg·(10 a)－1)、－3.27%·(10 a)－1(－2.36×108kg·(10 a)－1)和－1.34%·(10 a)－1(－4.45×108kg·(10 a)－1)。對(duì)于蘇中地區(qū)，模型A和模型B結(jié)果均說(shuō)明該地區(qū)氣候變化有利于糧食的生產(chǎn)，分別使得糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))趨勢(shì)增加了0.09%·(10 a)－1(0.07×108kg·(10 a)－1)和 0.08% ·(10 a)－1(0.07 ×108kg·(10 a)－1);而模型C結(jié)果顯示氣候變化使得該地區(qū)糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))趨勢(shì)減小了0.26%·(10 a)－1(0.21×108kg·(10 a)－1)。不同月份同一氣候要素的相反(相同)變化情況，減弱(加劇)了該氣候要素對(duì)糧食生產(chǎn)的影響，這可能是模型結(jié)果存在差異(尤其是模型C與其他兩個(gè)模型)的原因。

圖5 蘇北(a)、蘇中(b)、蘇南(c)地區(qū)和江蘇全省(d)糧食單產(chǎn)變化對(duì)單一氣候要素變化的響應(yīng)(糧食單產(chǎn)對(duì)最低和最高溫度及日較差的響應(yīng):該要素變化1℃，糧食單產(chǎn)相對(duì)于1986—2010年平均的變化百分比，單位為%·℃－1;糧食單產(chǎn)對(duì)降水和日照時(shí)數(shù)的響應(yīng):該要素變化10 mm或10 h，糧食單產(chǎn)相對(duì)于1986—2010年平均的變化百分比，單位分別為%·(10 mm)－1和%·(10 h)－1;誤差線(xiàn)為5% ～95%分位數(shù)，通過(guò)自助采樣方法1 000次采樣獲得)Fig．5 Responses of food-crops yield per hectare to variation of one climatic factor in(a)north Jiangsu，(b)centeral Jiangsu，(c)south Jiangsu，and(d)Jiangsu(The responses of food-crops yield per hectare to minimum and maximum temperatures，and diurnal temperature range represent the change of food-crops yield per hectare against the mean from 1986 to 2010 when one of these factors varies at 1 ℃，with the unit of%·℃ －1．The responses of food-crops yield per hectare to precipitation and sunshine duration show the change of food-crops yield per hectare relative to the mean from 1986 to 2010 when precipitation and sunshine duration varies at 10 mm and 10 h，with the unit of%·(10 mm)－1and%·(10 h)－1，respectively．Error bars are between 5th and 95th percentile based on the bootstrap resampling of historical data with 1 000 replications)

表3 1986—2010年氣候變化引起的糧食單產(chǎn)變化(相對(duì)1986—2010年多年平均單產(chǎn))Table 3 Percentage variations of food-crops yield per hectare due to climate change from 1986 to 2010(relative to the mean foodcrops yield per hectare from 1986 to 2010)

另外，對(duì)比三區(qū)和江蘇省三類(lèi)模型(除蘇中地區(qū)的模型A)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn):降水變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響均得到了體現(xiàn)，說(shuō)明降水對(duì)這些地區(qū)的糧食生產(chǎn)是至關(guān)重要的;同時(shí)，值得注意的是，原本在模型A或模型B中未體現(xiàn)出來(lái)氣候因子，在模型C中得以展現(xiàn)，如:溫度、日較差及日照時(shí)數(shù)對(duì)蘇北地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響，溫度對(duì)蘇南地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響，最高溫度和日較差對(duì)江蘇省糧食產(chǎn)量影響;這些都說(shuō)明月尺度的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響不容忽視;因此，為了系統(tǒng)全面地評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，考慮月尺度氣候變化的影響是十分必要的。

表4 1986—2010年氣候變化引起的糧食總產(chǎn)量變化(播種面積為1986—2010年平均)Table 4 Variations of total food-crops production caused by climate change from 1986 to 2010(the sown area of food-crops is averaged from 1986 to 2010)

3 結(jié)論與討論

結(jié)合1986—2010年江蘇省63個(gè)氣象站的逐日氣候資料，采用樣條函數(shù)方法獲得了蘇北、蘇中、蘇南和江蘇逐月的區(qū)域平均氣候要素，分析了各地區(qū)不同氣候要素在作物年(11月—次年10月)、夏糧—秋糧(11月—次年5月和6—10月)生長(zhǎng)季以及月尺度上的變化趨勢(shì);結(jié)合其同期糧食單產(chǎn)、總產(chǎn)量及播種面積，基于自助抽樣方法分析了各區(qū)和江蘇糧食產(chǎn)量對(duì)不同時(shí)間尺度氣候要素的響應(yīng);并定量評(píng)價(jià)了氣候變化對(duì)各區(qū)和江蘇糧食產(chǎn)量的影響及其貢獻(xiàn)，得到以下結(jié)論:

1)作物年尺度上，1986—2010年蘇北和江蘇省降水略增，而蘇中和蘇南略有減少;各區(qū)和江蘇省最低和最高溫度均顯著(p＞0.05)升高，而日較差和日照時(shí)數(shù)顯著(p＞0.05)下降。另外，在夏糧—秋糧生長(zhǎng)季以及月尺度上，25 a間各氣候要素在各區(qū)和江蘇省均發(fā)生了不同程度的變化。而在農(nóng)業(yè)管理措施和技術(shù)的不斷進(jìn)步以及氣候的共同作用下，三區(qū)和江蘇省糧食單產(chǎn)顯著(p＞0.01)增加，其中，江蘇省增加趨勢(shì)為66.89 kg·hm－2·a－1。

2)基于一元回歸結(jié)合自助采樣方法，分析發(fā)現(xiàn):除蘇南地區(qū)糧食產(chǎn)量在作物年尺度上對(duì)氣候變化的響應(yīng)不顯著外，其他地區(qū)和江蘇省糧食產(chǎn)量均與不同時(shí)間尺度氣候要素呈顯著響應(yīng)關(guān)系。其中，各區(qū)及江蘇省糧食產(chǎn)量對(duì)三種時(shí)間尺度的降水基本表現(xiàn)為負(fù)的響應(yīng)關(guān)系(即隨降水的增加而減小，減小而增加)，且不隨時(shí)間而變化。作物年尺度上，蘇北、蘇中和江蘇省糧食單產(chǎn)隨降水的增加(減少)，將分別平均減小(增加)0.19%·(10 mm)－1、0.09%·(10 mm)－1和 0.11%·(10 mm)－1。

3)三類(lèi)模型估算結(jié)果均顯示氣候變化使得蘇北、蘇南和江蘇糧食單產(chǎn)(總產(chǎn))減小，但不同模型計(jì)算結(jié)果略有差異，其中，利用月氣候要素建立的模型C估算的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響最大，其均值分別為－6.51%·(10 a)－1(－11.28×108kg·(10 a)－1)、－3.27%·(10 a)－1(－2.36×108kg·(10 a)－1)和 －1.34%·(10 a)－1(－4.45×108kg·(10 a)－1)。除蘇中地區(qū)的模型A外，降水對(duì)各地區(qū)和江蘇省糧食產(chǎn)量的影響均得到了體現(xiàn)，說(shuō)明降水對(duì)糧食生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。另外，原本在模型A或模型B中未出現(xiàn)的氣候因子，在模型C中得以體現(xiàn)，這說(shuō)明月尺度的氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響不容忽視;因此，為了系統(tǒng)而全面地評(píng)估氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，考慮月尺度氣候變化的影響是十分必要的。

本文利用作物產(chǎn)量和相關(guān)氣候要素，基于自助采樣法評(píng)估了氣候變化對(duì)江蘇省糧食產(chǎn)量的影響，并獲得了相關(guān)結(jié)論。該方法雖然可以為較快速地評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響提供一個(gè)有效的手段，但依然存在一定的不足之處。作物產(chǎn)量對(duì)氣候因子的響應(yīng)規(guī)律十分復(fù)雜，各種氣候因子間及氣候因子對(duì)作物的作用都存在交互作用，最終收獲的作物產(chǎn)量是對(duì)氣候因子的綜合反映。例如，Sitch et al．(2003)和孫善磊等(2010b)在研究自然植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)時(shí)，均指出氣候因子之間的相互作用對(duì)植被生長(zhǎng)的影響甚是重要。因此，利用作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，忽略氣候因子間(如溫度和降水間等)的相互作用對(duì)作物產(chǎn)量的影響，勢(shì)必會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生一定影響。此外，該方法無(wú)法揭示氣候因子影響作物的物理機(jī)制。綜上所述，在今后的工作中仍需利用相關(guān)作物生長(zhǎng)模型或田間試驗(yàn)就氣候變化、各因子間的相互作用對(duì)作物產(chǎn)量的影響及其機(jī)制進(jìn)行有益的探討。

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