車曉翠, 李洪麗, 張春燕, 郭 聃, 沈海鷗

(吉林農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 長春 130118)

20世紀中后期以來，以溫度升高為代表的氣候變化成為各相關(guān)領域研究的熱點問題[1-3]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化反應最敏感的部門，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已經(jīng)引起各國政府、社會和科學界的高度重視，成為重要的研究課題[4-5]。光照、熱量、降水等農(nóng)業(yè)氣候要素發(fā)生變化，必然導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件與生產(chǎn)水平發(fā)生改變，最終影響農(nóng)業(yè)的量與質(zhì)[6]。研究氣候變化對農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)的影響，分析不同氣候要素對生產(chǎn)力影響的大小，探究其機理，剖析影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，對增加農(nóng)作物產(chǎn)量，保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義。

目前，國內(nèi)外針對氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響已開展了多方面研究。研究內(nèi)容主要圍繞4個方面：一是氣候變化對農(nóng)業(yè)自然資源要素時空分布的影響及特征[7-9]，二是氣候變化影響下農(nóng)作物育種改良適應[10-11]，三是氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)布局與種植制度的影響[12-13]，四是氣候變化對病蟲害、旱澇等災害的影響[14]。研究方法主要有3種，一是經(jīng)驗統(tǒng)計模型方法，即通過確定合理指標，運用統(tǒng)計學的多元回歸、線性相關(guān)分析等方法構(gòu)建氣候變化與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系模型[15-16]；二是農(nóng)業(yè)生態(tài)地帶模型分析方法，即將作物模型運用到土地管理決策中，基于農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域的劃分，分析不同區(qū)域作物生長隨氣候因素變化的研究方法，一般結(jié)合GIS技術(shù)評估土地生產(chǎn)力[17]；三是觀測試驗方法，即通過試驗方法，動態(tài)模擬氣候因素變化與農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，探究氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)影響的內(nèi)在機理[18]，研究多以全球或國家為尺度[19-20]。已有的研究成果為進一步研究氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響奠定了重要的理論基礎與方法指導。然而，氣候變化具有地域性特征，從地區(qū)角度分析氣候變化對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響具有重要的實踐意義。

吉林省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，在保障我國糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。2017年，吉林省耕地面積約占全國耕地面積的5.18%，人均耕地面積是全國平均水平的3.3倍，糧食產(chǎn)量約占全國糧食產(chǎn)量的6.28%。吉林省地處享譽世界的“黃金玉米帶”，玉米總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的比重高達78.3%。然而，氣候變化將使吉林省面臨著較高的極端災害風險和更脆弱的氣候變化影響，嚴重影響到吉林省乃至全國的糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。以往的研究主要體現(xiàn)在氣候變化對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究[21-23]，結(jié)合玉米產(chǎn)量的研究報道較少?；诖?，本文以省域為研究尺度，以吉林省為研究對象，選取年均降水量、年均氣溫、年均日照時數(shù)等為氣候指標，利用5 a滑動平均法，分析20世紀80年代以來吉林省氣候變化特征，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，建立氣候因素與玉米產(chǎn)量的關(guān)系模型，定量分析氣候變化對吉林省玉米產(chǎn)量的影響及作用機理與特征，基于關(guān)系模型，預測未來10 a吉林省玉米氣象產(chǎn)量的發(fā)展趨勢，并提出建議與措施，為推進吉林省應對氣候變化的玉米生產(chǎn)提供理論依據(jù)及決策支持。

1 研究區(qū)概況

吉林省地處東經(jīng)121°38′—131°19′，北緯40°50′—46°19′，位于中緯度歐亞大陸東側(cè)，屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，氣溫、降水、溫度具有明顯的季節(jié)變化和地域差異。多年平均氣溫5.1～6.1℃，多年平均降水量400～600 mm，多年平均日照時數(shù)為2 259～3 016 h，正常年份，光、熱、水分條件可以滿足作物生長需要，是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地。下轄9個地市(州)，面積約18.74萬km2，約占中國國土面積的2%，2017年有耕地689.67萬hm2。吉林省中西部地區(qū)是糧食主要產(chǎn)區(qū)，主要種植玉米、大豆、水稻等溫帶農(nóng)作物和其他經(jīng)濟作物。多年來，吉林省糧食占有量、商品量、玉米出口量和糧食商品率等一直處于全國領先地位[24]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的氣象數(shù)據(jù)來源于歷年的《吉林年鑒》、《吉林統(tǒng)計年鑒》和吉林省氣候公報。玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于歷年的《吉林統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 產(chǎn)量分解 糧食產(chǎn)量受各種自然和經(jīng)濟社會因素的綜合影響。綜合糧食產(chǎn)量與氣候因子關(guān)系的研究，一般將由技術(shù)進步、經(jīng)濟社會發(fā)展等因素引起的糧食單產(chǎn)定義為趨勢產(chǎn)量，由氣候因素影響波動的糧食單產(chǎn)定義為氣象產(chǎn)量[25-27]。將玉米單產(chǎn)分解為3部分：

Y=Xt+Xw+Xe

(1)

式中:Y為玉米實際單產(chǎn)(kg/hm2);Xt為趨勢產(chǎn)量(kg/hm2);Xw為氣象產(chǎn)量(kg/hm2);Xe為隨機波動產(chǎn)量(kg/hm2)，因影響相對較小,可忽略不計。

2.2.2 趨勢產(chǎn)量模擬 趨勢產(chǎn)量表示玉米產(chǎn)量的歷史演變趨勢，一般認為隨著技術(shù)水平進步、經(jīng)濟社會發(fā)展而逐漸上升，本文采用5 a滑動平均法模擬。

2.2.3 氣象產(chǎn)量 為定量分析氣候因素對玉米產(chǎn)量的影響，由公式(1)分離氣象產(chǎn)量得到：

Xw=Y-Xt

(2)

式中:Xw為氣象產(chǎn)量(kg/hm2);Y為玉米實際單產(chǎn)(kg/hm2)，用統(tǒng)計年鑒中玉米單位面積產(chǎn)量的實際數(shù)據(jù)表示;Xt為趨勢產(chǎn)量(kg/hm2)，用5 a滑動平均方法計算獲得。

2.2.4 相對氣象產(chǎn)量 相對氣象產(chǎn)量能較直觀地表征氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響程度[28-29]，公式如下：

(3)

式中:Xr為相對氣象產(chǎn)量(%),定義當Xr>10%時表示當年的氣候因素有利于農(nóng)作物生長,為氣候豐年;當Xr<-10%時表示當年的氣候因素不利于農(nóng)作物生長,為氣候歉年;其他為正常年份。Xt為趨勢產(chǎn)量(kg/hm2);Xw為氣象產(chǎn)量(kg/hm2)。

2.2.5 多元線性回歸模型 模型計算使用SPSS 21.0軟件。多元線性回歸數(shù)學模型為：

yi=βi+β1ix1i+β2ix2i+β3ix3i+εi

(4)

式中:yi為因變量,即第i年糧食的氣象產(chǎn)量;x1i，x2i，x3i為自變量,分別為第i年的年均氣溫、年均降水量、年均日照時數(shù);βi為第i年的常數(shù)項；εi為第i年的誤差項;?1i，?2i，?3i為第i年各自變量的回歸系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候變化特征

3.1.1 氣溫變化特征 由圖1可知，1980—2017年，吉林省年平均氣溫為3.6～6.9℃，平均值為5.5℃，最高年均氣溫6.9℃(1990年)比最低年均氣溫3.6℃(1980年)高3.3℃，氣溫變化波動明顯。38 a間，氣溫變化絕大多數(shù)以正增長為主，其中，有30個年份表現(xiàn)為氣溫較上一年份升高。平均氣溫整體上升趨勢顯著，由1980年3.6℃上升到2017年的6.1℃，擬合曲線的斜率為0.019 9。結(jié)合5 a滑動平均進一步分析，吉林省氣溫變化可以劃分3個階段，1980—1988年為第一階段，此階段氣溫最低，平均氣溫4.8℃，低于平均氣溫水平，但上升趨勢明顯；1989—2008年為第二階段，此階段整體氣溫最高，絕大多數(shù)年份均高于平均氣溫水平，平均氣溫5.9℃，最高達到6.9℃；2009—2017年為第3個階段，連續(xù)幾年出現(xiàn)氣溫較低情況，低于平均氣溫水平，但整體氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢，平均氣溫為5.2℃。溫度升高會使農(nóng)作物生長季節(jié)積溫增加，無霜期延長，適栽作物適宜種植區(qū)域明顯擴大。

圖1 1980-2017年吉林省氣溫變化特征

3.1.2 降水量變化特征 由圖2可知，1980—2017年，吉林省年均降水量為469～821 mm，平均值620 mm，最高降水量821 mm(1985年)比最低降水量469 mm(2001年)高352 mm，降水量變化波動明顯。38 a間，約有22個年份較上一年份降水量變化率為負，且年際變化量較大，年均降水量整體下降趨勢明顯，擬合曲線斜率為-1.34。結(jié)合5 a滑動平均進一步分析，吉林省降水量變化可劃分為3個階段，1980—1998年為降水量充沛階段，雖然整體上呈現(xiàn)急劇下降趨勢，但其平均降水量(648 mm)高于1980—2017年降水量平均值(620 mm)；1999—2009年，降水量最低，大多數(shù)年份降水量均低于1980—2017年降水量平均值，到2001年下降到最低值，平均降水量僅為562 mm；2010年以后降水量有所回升，平均降水量654 mm。但是，降水量總的趨勢是減少，并且降水量波動幅度增大，干旱與降水豐富的年份交替，年際變化降水量差值在增大。

圖2 1980-2017年吉林省降水量變化特征

3.1.3 日照時數(shù)變化特征 由圖3可知，1980—2017年，吉林省年平均日照時數(shù)為1 492～3 399 h，平均值為2 525 h，最高年平均時數(shù)3 398 h(1980年)比最低年平均時數(shù)2 026 h(2008年)多1 362 h。38 a間，有20個年份的日照時數(shù)年變化率為負，擬合曲線斜率為-9.79，說明吉林省年平均日照時數(shù)整體表現(xiàn)為下降趨勢，但趨勢不顯著。結(jié)合5 a滑動平均進一步分析日照時數(shù)變化特征，可將其變化分為3個階段，第一階段為1980—1996年，日照時數(shù)急速下降，從3 399 h下降到2 479 h，11個年份的平均日照時數(shù)低于1980—2017年日照時數(shù)平均值；第二階段為1997—2004年，表現(xiàn)為日照時數(shù)平穩(wěn)階段，日照時數(shù)基本與1980—2017年日照時數(shù)平均值相當；第三階段為2005—2017年，日照時數(shù)顯著下降，平均日照時數(shù)2 362 h，整體低于1980—2017年日照時數(shù)平均值。

3.2 玉米產(chǎn)量變化特征

3.2.1 實際產(chǎn)量、趨勢產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量變化特征 從表1和圖4可看出，1980—2017年，吉林省玉米實際產(chǎn)量年際間不盡相同，在3 015～7 948 kg/hm2波動，總體呈現(xiàn)上升趨勢，但期間波動較大。1980—1984年吉林省玉米實際產(chǎn)量呈現(xiàn)快速上升趨勢，但1985年又急劇下降，由1984年的5 955 kg/hm2下降到1985年的4 725 kg/hm2，從1986年以后整體上呈現(xiàn)快速上升趨勢，最高產(chǎn)量達到7 948 kg/hm2。趨勢產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯上升趨勢，由1985年的4 308 kg/hm2穩(wěn)定上升到2017年7 662 kg/hm2，說明技術(shù)進步、社會經(jīng)濟發(fā)展促使玉米單產(chǎn)產(chǎn)量增加作用顯著[30]。氣象產(chǎn)量差異較大，在-1 400～1 638 kg/hm2波動，說明氣候因素對吉林省玉米產(chǎn)量的影響很大[31]。

圖3 1980-2017年吉林省日照時數(shù)變化特征

表1 1985-2017年吉林省玉米實際產(chǎn)量、趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量 kg/hm2

3.2.2 相對產(chǎn)量變化特征 由圖5可知，1985—2017年吉林省玉米相對產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量變化趨勢一致，變化幅度較大。糧食產(chǎn)量的豐歉與氣象條件密切相關(guān)，高溫、少雨、多日照的年份表現(xiàn)為豐年，而低溫、多雨、少日照的年份是歉年。33 a間，吉林省玉米產(chǎn)量氣候豐年9個，氣候歉年3個，其他為正常年份。

圖4 1980-2017年吉林省玉米產(chǎn)量變化特征

圖5 1985-2017年吉林省玉米氣象產(chǎn)量與相對產(chǎn)量變化特征

3.3 氣候變化與吉林省玉米產(chǎn)量相關(guān)性分析

3.3.1 氣候因子與玉米產(chǎn)量相關(guān)性 使用SPSS 21.0軟件，將氣象產(chǎn)量作為因變量，年均氣溫、年均降水量、年均日照時數(shù)作為協(xié)變量進行線性回歸分析，得到的回歸模型為yi=9.745x1i+0.34x2i+0.007x3i-262.613，即氣象產(chǎn)量與年均氣溫、年均降水量、年均日照時數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

由表2可知，氣溫、降水量、日照對于玉米氣象產(chǎn)量影響均不顯著?？赡艿脑驓w于以下幾方面：氣溫是農(nóng)作物生長的重要因素[32]，雖然吉林省氣溫整體上升趨勢明顯，但年際間波動幅度不大，所以氣象產(chǎn)量對氣溫變化響應不顯著；由于降水量增減變化逐年更替，所以降水量對氣象產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為不顯著[33]；充分的日照有利于農(nóng)作物的生長，雖然吉林省日照時數(shù)呈下降趨勢，但由于玉米為短日照作物，日照時數(shù)在12 h內(nèi)，成熟提早，所以下降的日照時數(shù)對玉米氣象產(chǎn)量影響不顯著[34]。

表2 吉林省玉米氣象產(chǎn)量多元線性回歸結(jié)果

3.3.2 未來10 a吉林省玉米產(chǎn)量趨勢分析 根據(jù)吉林省氣溫、降水量和日照時數(shù)變化趨勢，并結(jié)合擬合回歸模型，可以預測未來10 a吉林省玉米氣象產(chǎn)量(圖6)。結(jié)果表明，到2030年氣象產(chǎn)量為9.7 kg/hm2，因此，吉林省的氣溫升高、降水量與日照減少的變化趨勢會使蒸發(fā)量速率加大，帶來的一系列變化導致農(nóng)作物水分虧缺，易形成干旱，將制約吉林省玉米產(chǎn)量的提高[35-36]。

圖6 吉林省玉米氣象產(chǎn)量變化趨勢

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 1980年以來吉林省年均氣溫波動上升，整體上升趨勢顯著。年均降水量總體呈減少趨勢，波動亦明顯。年均日照時數(shù)的多年平均值為2 525 h，38 a間年均日照時數(shù)整體呈下降趨勢，但趨勢不明顯。吉林省氣候總體以“氣溫明顯升高、降水量、日照時數(shù)減少”為特征的暖干化趨勢。

(2) 吉林省玉米單產(chǎn)呈現(xiàn)上升趨勢，且上升趨勢明顯。趨勢產(chǎn)量呈現(xiàn)快速上升趨勢，說明技術(shù)進步、社會經(jīng)濟發(fā)展促使玉米單產(chǎn)產(chǎn)量增加作用顯著。氣象產(chǎn)量差異較大，說明氣候因素對吉林省玉米產(chǎn)量的影響很大。相對產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量變化趨勢一致，1985—2017年氣候豐年9個、氣候歉年3個，其他為正常年份。

(3) 吉林省玉米氣象產(chǎn)量與年均氣溫、年均降水量、年均日照時數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)氣溫、降水量和日照變化趨勢，并結(jié)合擬合回歸模型，預測未來10 a吉林省玉米氣象產(chǎn)量將呈下降趨勢。

4.2 建 議

(1) 氣候變暖對吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有正效應，應充分適應和利用這一變化趨勢，通過適時調(diào)整玉米品種布局及種植比例，從而達到增產(chǎn)增收的目的。

(2) 吉林省氣候變暖、降水量與日照減少會產(chǎn)生氣候變干、水資源減少、病蟲害嚴重等不利因素，需通過選育抗逆性強的作物品種，調(diào)整播期等適應性措施，緩解未來氣候變化對吉林省玉米生長發(fā)育的負面影響。