盧燕宇 ，孫維，方硯秋，唐為安，鄧汗青，何冬燕

1.安徽省氣象科學(xué)研究所/大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)，安徽 壽縣 232200；3.安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽省氣象局，安徽 合肥 230031；4.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；5.安徽省氣候中心，安徽省氣象局，安徽 合肥 230031

氣候條件與糧食安全密切相關(guān)，近百年來(lái)全球正經(jīng)歷一場(chǎng)以變暖為主要特征的氣候變化。已有研究表明，盡管氣候變暖總體上改善了熱量條件等農(nóng)業(yè)氣候資源（楊曉光等，2011），在一定程度上有利于糧食生產(chǎn)，但氣候變化的不確定性使氣象災(zāi)害加劇頻發(fā)（郭建平，2015），進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及糧食安全也構(gòu)成一定威脅（Piao et al.，2010）。

氣候生產(chǎn)潛力是科學(xué)評(píng)價(jià)區(qū)域糧食生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)（Bonner，1962；韓榮青等，2014），但由于氣候生產(chǎn)潛力僅體現(xiàn)不同地區(qū)氣候資源對(duì)作物生產(chǎn)的支撐情況，具體到糧食安全問(wèn)題，還需進(jìn)一步考慮人口數(shù)量、需求水平、供需結(jié)構(gòu)等方面（於琍等，2015）?；凇百Y源-食物供給-人口”的框架（Seidl et al.，1999），即以糧食供給為紐帶，可以將氣候生產(chǎn)潛力與社會(huì)需求相聯(lián)系，從而反映氣候資源對(duì)糧食安全的承載能力（盧燕宇等，2017a；姬興杰等，2020）。當(dāng)前，在氣候生產(chǎn)潛力方面已開(kāi)展了較多的研究，通過(guò)綜合考慮光、溫、水等多種因子形成了不同的氣候生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)方法（李三愛(ài)等，2005；張耀耀等，2015；趙俊芳等，2019；宮麗娟等，2020），并且對(duì)氣候承載力也進(jìn)行了一些探索（岳溪柳等，2017；盧燕宇等，2017b）。然而已有的氣候生產(chǎn)潛力分析多是針對(duì)單一作物，從糧食安全的角度來(lái)看，有必要綜合考慮不同地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)（劉珍環(huán)等，2016），從整體上來(lái)分析各地的糧食生產(chǎn)潛力總量，并基于供需關(guān)系來(lái)進(jìn)一步研究氣候承載力，從而為有效應(yīng)對(duì)氣候變化、保障糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

安徽是中國(guó)糧食主產(chǎn)省，由于地處氣候過(guò)渡帶，冷暖空氣交匯頻繁，全省作物種植結(jié)構(gòu)南北差異較大，主要作物種類小麥（Triticumaestivum）、玉米（Zeamays）和水稻（Oryzasativa）等對(duì)氣候變化較為敏感。已有研究表明，在氣候變化背景下，該地區(qū)的光溫水等農(nóng)業(yè)氣候條件已發(fā)生了顯著變化（許瑩等，2012；盧燕宇等，2016；阮新民等，2021；褚榮浩等，2021）。但是不同作物氣候生產(chǎn)潛力對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征仍不明確，特別是在考慮種植結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)該地區(qū)糧食生產(chǎn)潛力總量和糧食安全氣候承載力的分析較少。鑒于此，本研究將采用逐級(jí)訂正法和作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)構(gòu)建氣候生產(chǎn)潛力估算模型，分析不同作物氣候生產(chǎn)潛力的時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步綜合種植結(jié)構(gòu)、糧食需求水平和供需狀況等因素研究面向糧食安全的氣候承載力指標(biāo)，為科學(xué)布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理開(kāi)發(fā)利用氣候資源提供支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽地處暖溫帶與亞熱帶過(guò)渡地區(qū)，氣候多變。省內(nèi)地形地貌呈現(xiàn)多樣性，長(zhǎng)江和淮河自西向東橫貫，全境平原、丘陵和山地各占三分之一，根據(jù)全省地形地貌特點(diǎn)分成8個(gè)分區(qū)（圖1）。

圖1 安徽省地形地貌概況、氣象站點(diǎn)空間分布和分區(qū)編碼Figure 1 Topographic feature, spatial distribution of meteorological stations and zoning code in Anhui Province

小麥、水稻和玉米是安徽省的主要糧食作物，產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的95%，因此，本研究主要考慮冬小麥、夏玉米、一季稻和雙季早、晚稻等作物類型。圖2所示為2000—2015年安徽省小麥、玉米、一季稻和雙季稻種植面積比例的空間分布，可以看出安徽省各地作物種植結(jié)構(gòu)差異較大（圖 2）。小麥種植主要分布在淮北和沿淮地區(qū)，玉米主要種植在淮北地區(qū)，一季稻主要分布在沿淮和淮河以南地區(qū)，雙季稻則以沿江地區(qū)為主。

圖2 安徽省不同作物種植面積比例的空間分布Figure 2 Spatial distribution of the proportion of planted area of different crops in Anhui Province in 2015

1.2 技術(shù)流程

氣候生產(chǎn)潛力是指在一定時(shí)期內(nèi)一定土地面積上，假設(shè)作物品種、土壤性狀和耕作技術(shù)都適宜，在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下作物可能獲得的單位面積最高產(chǎn)量（Lieth et al.，1975）。首先根據(jù)不同地區(qū)的光溫水氣候條件計(jì)算出不同作物的氣候生產(chǎn)潛力，然后基于各地作物種植結(jié)構(gòu)和種植面積求算糧食氣候生產(chǎn)潛力總量，之后依據(jù)當(dāng)?shù)丶Z食自給率和消費(fèi)水平得到氣候條件所能承載的人口規(guī)模，最后與現(xiàn)有人口比較得到在保證糧食安全的前提下氣候承載力的剩余空間（圖3）。

圖3 氣候生產(chǎn)潛力與糧食安全氣候承載力的計(jì)算流程Figure 3 Schematic diagram for calculating climate production potential and climate carrying capacity of food security

1.3 氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法

本文采用“逐級(jí)訂正法”來(lái)計(jì)算氣候生產(chǎn)潛力，首先從太陽(yáng)總輻射出發(fā)，求出作物的光合生產(chǎn)潛力；然后根據(jù)溫度、水分這2個(gè)主要限制因子對(duì)光合生產(chǎn)潛力進(jìn)行逐級(jí)訂正，得到光溫生產(chǎn)潛力和光溫水生產(chǎn)潛力，其中光溫水生產(chǎn)潛力就是通常所稱的氣候生產(chǎn)潛力（盧燕宇等，2020）。計(jì)算方法（式1）如下：

式中：

YC——?dú)夂蛏a(chǎn)潛力（kg·hm-2）；

C——單位換算系數(shù)；

ΣQi——不同生育期內(nèi)的太陽(yáng)總輻射（MJ·m-2），由日照時(shí)數(shù)求得（盧燕宇等，2017c）；

f(Q)——光合有效系數(shù)（式2）；

f(T)——溫度訂正函數(shù)（式3）；

f(W)——水分訂正函數(shù)（式4）。

式中各作物參數(shù)意義和取值如表1所示。

表1 光合生產(chǎn)潛力作物參數(shù)意義及取值Table 1 Values and meanings of photosynthetic potential productivity parameters

式中：

T——某一生育期內(nèi)的平均氣溫（℃）；

T0、T1、T2——該時(shí)間段作物產(chǎn)量形成的最適溫度（℃）、生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度（℃）和上限溫度（℃）。采用的作物不同時(shí)期三基點(diǎn)溫度參照已有研究成果（許艷等，2015；曹衛(wèi)星，2019），如表2所示。

表2 不同作物各生育期三基點(diǎn)溫度Table 2 Three critical points of temperature at different growth stages for different crops

式中：

P——作物生育期降水量（mm）；

MET0——作物生育期潛在蒸散量（mm），由FAO Penman-monteith 方法求得（Allen et al.，1998）；

Kc——作物系數(shù)；

Ky——作物水分虧缺的產(chǎn)量敏感系數(shù)；

Km——水分過(guò)剩的產(chǎn)量敏感系數(shù)（盧燕宇等，2020）。

不同作物各生育期的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 不同作物各生育期作物系數(shù)和水分敏感系數(shù)Table 3 Crop coefficiens and yield sensitivity coefficients of water at different growth stages for different crops

1.4 糧食安全氣候承載力計(jì)算方法

針對(duì)糧食安全，主要基于作物種植結(jié)構(gòu)分布和氣候生產(chǎn)潛力得到不同地區(qū)的糧食潛在生產(chǎn)能力，然后根據(jù)各地區(qū)的糧食供需結(jié)構(gòu)和人均糧食消耗水平確定糧食安全水平，最后依據(jù)生產(chǎn)能力和糧食安全水平提出不同地區(qū)氣候條件所能承載的人口規(guī)模。主要步驟包括：

（1）糧食生產(chǎn)能力計(jì)算。按照光、溫、水等氣候條件計(jì)算不同作物的氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)合行政區(qū)內(nèi)作物播種面積，得到各種作物的潛在產(chǎn)量（式5）。

式中：

G——糧食生產(chǎn)潛在總量（kg）；

YWi——第i種作物的氣候生產(chǎn)潛力（kg·hm-2· a-1）；

Ai——第i種作物的播種面積（hm2）。

（2）糧食安全水平設(shè)定。根據(jù)市和各個(gè)區(qū)縣的土地功能定位（如糧食主產(chǎn)區(qū)、工業(yè)園區(qū)）和糧食供需現(xiàn)狀（陳百明等，2005），確定糧食安全水平。參照已有研究結(jié)果（唐華俊等，2012；盧燕宇等，2017a），380 kg·P-1·a-1為當(dāng)前需求水平，420 kg·P-1·a-1為寬裕型需求水平，460 kg·P-1·a-1為小康型需求水平，490 kg·P-1·a-1為富裕型需求水平。

式中：

S——糧食安全水平（kg·P-1·a-1）；

R——糧食自給率，為糧食產(chǎn)量與消費(fèi)量之比；

L——人均糧食消費(fèi)水平（kg·P-1·a-1）。

（3）糧食安全氣候承載力計(jì)算。依據(jù)糧食潛在生產(chǎn)能力和糧食安全水平計(jì)算人口承載規(guī)模（式7）。

式中：

CP——?dú)夂驐l件所能承載的人口規(guī)模。

在計(jì)算人口承載規(guī)模的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步定量評(píng)估氣候承載力的空間差異及特征，并反映當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況對(duì)氣候承載力的影響，將環(huán)境承載力中相對(duì)剩余率的概念（常春芝，2007）引入到研究中，評(píng)估當(dāng)?shù)貧夂驐l件下糧食生產(chǎn)能否承載現(xiàn)有人口數(shù)量，在保障糧食安全條件下是否存有剩余空間等。氣候承載力的相對(duì)剩余率（Rcp）計(jì)算方法（式8）如下：

式中：

CR——現(xiàn)有實(shí)際人口數(shù)。

1.5 資料來(lái)源與處理方法

1.5.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)：來(lái)源于安徽省氣象信息中心，包括安徽省77個(gè)氣象臺(tái)站1961—2015年逐日降水量、氣溫（平均、最高及最低）、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等資料序列。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：主要包括安徽省各縣的作物種植面積、產(chǎn)量和人口等信息，數(shù)據(jù)來(lái)源于安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒和農(nóng)業(yè)部門(mén)。

地理信息數(shù)據(jù)：主要包括安徽省行政區(qū)劃邊界、地面高程等，數(shù)據(jù)來(lái)源于安徽省基礎(chǔ)地理信息中心。

1.5.2 資料處理

變化趨勢(shì)采用氣候傾向率統(tǒng)計(jì)，序列的離差程度采用變異系數(shù)來(lái)表示?？臻g分布采用站點(diǎn)空間插值形成格點(diǎn)資料，插值方法采用Kriging法，空間分辨率為1 km，并根據(jù)縣級(jí)行政區(qū)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同作物氣候生產(chǎn)潛力的空間格局

安徽省地表太陽(yáng)輻射量為北多南少的分布格局（盧燕宇等，2016），而氣溫和降水則由南向北遞減（安徽省氣象局，2014），因此在光溫水的綜合影響下，安徽省冬小麥的氣候生產(chǎn)潛力呈南北低、中間高的空間格局（圖4a），高值區(qū)位于沿淮地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力基本在 1.3 ×104kg·hm-2·a-1以上；而低值區(qū)則以淮北北部和皖南山區(qū)為主，氣候生產(chǎn)潛力低于 1.1 ×104kg·hm-2·a-1。由于安徽省玉米生長(zhǎng)季主要在夏季，因而氣溫和降水對(duì)其生產(chǎn)潛力的限制不明顯，安徽省玉米氣候生產(chǎn)潛力的空間分布特征為北高南低（圖4b），高值區(qū)位于淮北北部地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力基本在 1.6 ×104kg·hm-2·a-1以上；而低值區(qū)則以皖南山區(qū)為主，氣候生產(chǎn)潛力低于 1.45×104kg·hm-2·a-1。一季稻氣候生產(chǎn)潛力的空間分布基本呈現(xiàn)由南向北遞減的格局（圖4c），高值區(qū)位于沿江西部和沿江江南地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力基本在 1.6 ×104kg·hm-2·a-1以上；而低值區(qū)則以淮北地區(qū)為主，氣候生產(chǎn)潛力低于 1.4×104kg·hm-2·a-1。這主要是由于水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分需求較大（馬曉群等，2010），氣候生產(chǎn)潛力與降水量的空間分布格局基本一致。雙季稻氣候生產(chǎn)潛力的分布與一季稻類似，均呈南高北低的空間格局（圖4d、e），以沿江西部地區(qū)最高，淮河以北則普遍較低。

圖4 不同作物1961—2015年平均氣候生產(chǎn)潛力的空間分布Figure 4 Spatial distribution of annual mean climatic production potential of different crops in 1961-2015

2.2 不同作物氣候生產(chǎn)潛力的變化特征

從圖5a可以看出，1961—2015年安徽省冬小麥的氣候生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)，其多年平均值為1.2391×104kg·hm-2·a-1，氣候傾向率為每 10 年下降112 kg·hm-2（圖5a），但這一趨勢(shì)未通過(guò)置信度95%的顯著性檢驗(yàn)。1961—2015年安徽省夏玉米的氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為 1.5228×104kg·hm-2·a-1，表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，線性傾向率為每10年下降576 kg·hm-2（圖5b），在所有作物中下降最快。安徽省一季稻的氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為 1.4982×104kg·hm-2·a-1，下降趨勢(shì)顯著，線性傾向率為每10年下降231 kg·hm-2（圖5c）。雙季早稻的氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為 8255 kg·hm-2·a-1，變化趨勢(shì)在所有作物中最弱，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（圖5d）。雙季晚稻氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為 9272 kg·hm-2·a-1，線性傾向率為每10年下降167 kg·hm-2，下降趨勢(shì)顯著（圖5e）。

圖5 1961—2015年不同作物氣候生產(chǎn)潛力的變化特征Figure 5 Variation characteristics of climatic production potential of different crops in 1961-2015

從各地作物氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢(shì)看，安徽省冬小麥氣候生產(chǎn)潛力的趨勢(shì)系數(shù)空間差異較大，在淮北和沿淮東部地區(qū)多表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)（圖 6a）。夏玉米氣候生產(chǎn)潛力在全省一致呈下降趨勢(shì)，下降幅度總體呈北高南低的格局（圖6b）。一季稻氣候生產(chǎn)潛力也基本在全省一致呈下降趨勢(shì)（圖6c），但降幅相對(duì)較小，在沿江、大別山區(qū)等地的變化趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，而下降趨勢(shì)較明顯的地區(qū)主要分布在沿淮西部和江南東部地區(qū)。雙季早稻的氣候生產(chǎn)潛力在大部分地區(qū)變化趨勢(shì)不顯著（圖6d），在其主要種植區(qū)內(nèi)的沿江江南零星地區(qū)出現(xiàn)了顯著上升趨勢(shì)。雙季晚稻氣候生產(chǎn)潛力在多數(shù)地區(qū)變化趨勢(shì)不顯著，下降趨勢(shì)較明顯的地區(qū)主要分布在淮北和江南東部地區(qū)（圖6e）。

圖6 1961—2015年不同作物氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)系數(shù)的分布Figure 6 Distribution of trend coefficients of climate production potential change for different crops in 1961-2015

從不同地區(qū)作物氣候生產(chǎn)潛力的變異系數(shù)來(lái)看，冬小麥的主要種植區(qū)淮北北部和沿淮淮北地區(qū)變異系數(shù)有增大趨勢(shì)（圖7a）。夏玉米氣候生產(chǎn)潛力的變異系數(shù)以年代際波動(dòng)為主，但2000s以來(lái)有增加趨勢(shì)（圖7b），不利于夏玉米的穩(wěn)產(chǎn)。一季稻的變化特征與夏玉米類似，對(duì)于一季稻種植比例較高的沿淮、江淮之間等地區(qū)，變異系數(shù)近年來(lái)有增加趨勢(shì)（圖7c）。不同區(qū)域雙季稻氣候生產(chǎn)潛力的變異系數(shù)沒(méi)有一致的變化規(guī)律，對(duì)于雙季稻主要種植的沿江西部和江南南部地區(qū)，變異系數(shù)有所回落（圖7d、e），氣候生產(chǎn)潛力的波動(dòng)減小。

圖7 1961—2015年不同地區(qū)各種作物氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)的年代際變化Figure 7 Interdecadal variation of coefficient of variation of climatic production potential of various crops in different regions in 1961-2015

2.3 基于種植結(jié)構(gòu)的糧食生產(chǎn)潛力

根據(jù)各地種植結(jié)構(gòu)、播種面積和不同作物的氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算得到安徽省糧食潛在生產(chǎn)量，這里僅考慮氣候條件變化以及種植結(jié)構(gòu)的空間差異所帶來(lái)的影響，未考慮種植結(jié)構(gòu)的年際變化，各地種植面積采用2000—2015年的平均值。從圖8可以看出，安徽省糧食潛在生產(chǎn)總量的空間分布呈北高南低特征，主要還是受耕地資源影響，淮北和江淮之間平原多，易于耕種，與氣候資源相配合形成了我省乃至全國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)（印銀銀等，2012）；而皖南地形復(fù)雜，可耕地較少，限制了農(nóng)業(yè)氣候資源的利用和糧食生產(chǎn)（圖8a）。

圖8 安徽省糧食氣候生產(chǎn)潛力總量（a）、地均量（b）和人均量（c）Figure 8 Total (a), land average (b) and per capita (c) food climate production potential in Anhui Province

從地均量來(lái)看（圖8b），由于沿江地區(qū)雙季稻種植比例高，復(fù)種指數(shù)高，因而單產(chǎn)在全省最高，而淮北地區(qū)水熱條件不足，影響了氣候生產(chǎn)潛力，導(dǎo)致地均量較低。從人均量來(lái)看（圖8c），其空間分布特征主要受人均占有耕地資源的影響，以沿淮和淮北東部地區(qū)人均量較高，沿江以及皖南山區(qū)則相對(duì)較低，城市地區(qū)由于人口密度大，人均作物潛在產(chǎn)量最低。

從全省來(lái)看，小麥、一季稻、玉米和雙季稻對(duì)糧食潛在生產(chǎn)總量的貢獻(xiàn)依次為 42%、32%、18%和8%。受種植結(jié)構(gòu)差異的影響，安徽省不同地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的組成類型具有較明顯的差異。從圖 9可知，淮北地區(qū)小麥?zhǔn)钱?dāng)?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力最主要的組成，玉米次之，其他作物由于種植較少，對(duì)氣候生產(chǎn)潛力總量的貢獻(xiàn)微乎其微。沿淮地區(qū)仍然是以小麥為主要作物，但其以淮河為界，南北氣候生產(chǎn)潛力的組成具有明顯差異，淮河以北地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力主要由小麥和玉米貢獻(xiàn)，而淮河以南地區(qū)玉米占比明顯縮小，一季稻的貢獻(xiàn)僅次于小麥。江淮東部地區(qū)一季稻占比進(jìn)一步增加，超過(guò)了小麥，成為占當(dāng)?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力總量最多的作物。江淮中部地區(qū)小麥的貢獻(xiàn)比例繼續(xù)縮減，并且在其南部雙季稻的貢獻(xiàn)逐步增加。大別山區(qū)內(nèi)的作物氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征與江淮中部的類似，雙季稻的占比向南逐步上升。沿江西部地區(qū)雙季稻已成為氣候生產(chǎn)潛力最主要的貢獻(xiàn)作物。江南南部和沿江江南東部地區(qū)由于種植結(jié)構(gòu)多為混合型，因而該地氣候生產(chǎn)潛力的組成也最為多樣，其特點(diǎn)是以一季稻和雙季稻為主，小麥和玉米在該地區(qū)也占有一定比例?？偟膩?lái)看，小麥的分布最為廣泛，其占比基本從北向南遞減；玉米則主要分布在淮河以北地區(qū)；一季稻主要分布在淮河以南，其中占比較高的地區(qū)以江淮之間、江南南部和沿江江南東部地區(qū)為主；雙季稻比一季稻分布更加偏南，貢獻(xiàn)較明顯的地區(qū)主要分布在沿江西部。

圖9 不同作物氣候生產(chǎn)潛力占總量比例的空間分布Figure 9 Spatial distribution of climate production potential of different crops as a proportion of total

2.4 基于種植結(jié)構(gòu)的糧食安全氣候承載力

糧食自給率反映了不同地區(qū)糧食供給和需求的情況，小于1說(shuō)明該地區(qū)糧食生產(chǎn)不能滿足人口的消費(fèi)需求，需要外地糧食調(diào)入；大于1說(shuō)明糧食生產(chǎn)在滿足當(dāng)?shù)厝丝谛枨蟮幕A(chǔ)上還有富余。從安徽省不同地區(qū)的現(xiàn)狀水平下糧食自給率來(lái)看（圖10），大部分地區(qū)糧食生產(chǎn)供應(yīng)能夠滿足當(dāng)?shù)匦枨螅貏e是沿淮和淮北地區(qū)由于耕地資源較多，糧食產(chǎn)量高，自給率可以達(dá)到2以上；而大別山區(qū)和皖南山區(qū)受限于當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，土地資源相對(duì)較為匱乏，糧食供應(yīng)不足；城市地區(qū)由于土地功能定位不同，農(nóng)田較少，并且人口聚集，僅依靠當(dāng)?shù)丶Z食供給也無(wú)法滿足需求?？傮w來(lái)看，安徽省是典型的農(nóng)業(yè)大省，糧食自給率可以達(dá)到1.5以上，生產(chǎn)的糧食不僅滿足省內(nèi)需求，而且還可以供應(yīng)省外市場(chǎng)。

圖10 現(xiàn)狀水平下安徽省不同地區(qū)的糧食自給率Figure 10 Food self-sufficiency rate of different regions in Anhui Province under the current level

以小康人均糧食消費(fèi)水平為糧食安全目標(biāo)，同時(shí)考慮各地的糧食自給率差異，安徽省不同地區(qū)氣候條件所能承載的人口規(guī)模大多超過(guò)了現(xiàn)有人口數(shù)（圖11a）。在空間分布上，全省具有較明顯的差異，沿淮及淮北地區(qū)耕地面積多，雖然復(fù)種指數(shù)低于南部，但氣候承載力仍顯著高于皖南地區(qū)；大別山區(qū)和皖南山區(qū)由于耕地資源少，氣候生產(chǎn)潛力也不突出，因此其氣候承載力也為全省最低。

從小康水平下全省氣候承載力相對(duì)剩余率來(lái)看，其分布總體呈東北向西南遞減的趨勢(shì)（圖11b）。全省大部地區(qū)剩余率大于0，總體可達(dá)50%以上，氣候資源仍有較大潛力可供利用，但需要注意的是，部分地區(qū)存在氣候承載力剩余空間不足的情況。由于相對(duì)剩余率與氣候生產(chǎn)潛力、人口規(guī)模以及糧食自給率有關(guān)，因此對(duì)于一些城市地區(qū)，例如淮北、淮南、蕪湖等城區(qū)，工業(yè)型城市居多，耕地資源匱乏，人口聚集，糧食產(chǎn)量潛力有限，未來(lái)糧食需求承載能力有所不足，需要進(jìn)一步加大外部糧食調(diào)入；而望江、含山等地雖然氣候和耕地資源較好，但由于糧食輸出量相對(duì)較大，加上較高的人口基數(shù)，當(dāng)?shù)貧夂驐l件的承載能力也存在一定缺口，需要對(duì)糧食供給結(jié)構(gòu)做出一定調(diào)整。

圖11 安徽省不同地區(qū)氣候條件承載的人口規(guī)模（a）和相對(duì)剩余率（b）Figure 11 Climate carrying capacity (a) and its remaining space (b) in different areas of Anhui Province

3 討論

如果僅從氣候條件及其變化本身對(duì)作物生產(chǎn)的影響來(lái)看，由于到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射資源減少（盧燕宇等，2016），各種作物的氣候生產(chǎn)潛力總體呈下降趨勢(shì)（圖 5）。但由于不同作物的生育期不同，其氣候生產(chǎn)潛力受氣候條件約束和對(duì)氣候變化響應(yīng)特點(diǎn)也各不相同。對(duì)冬小麥而言，其氣候生產(chǎn)潛力下降趨勢(shì)相對(duì)較小，這是由于氣溫對(duì)冬小麥生產(chǎn)潛力的約束較為顯著，而氣候變暖帶來(lái)的熱量資源上升在一定程度上抵消了輻射資源下降的影響。玉米的氣候生產(chǎn)潛力在所有作物中下降最快，這是由于玉米生長(zhǎng)季主要在夏季，熱量條件在氣候生產(chǎn)潛力中所起的限制作用較?。ú坏?0%），同時(shí)其生育期內(nèi)氣溫的變化趨勢(shì)較弱（陳曉藝等，2018），因此氣候變暖對(duì)玉米生產(chǎn)潛力的影響較小，而輻射資源的下降對(duì)其氣候生產(chǎn)潛力的作用更加明顯。一季稻的生育期與夏玉米接近，其氣候生產(chǎn)潛力變化也具有類似特征，但相比于對(duì)玉米，熱量和水分條件對(duì)安徽省一季稻的限制更加明顯，分別為13%和25%，因而一季稻的氣候生產(chǎn)潛力受光溫水條件的綜合影響也更為顯著，導(dǎo)致其下降趨勢(shì)弱于玉米。雙季早稻的氣候生產(chǎn)潛力在所有糧食作物中下降趨勢(shì)最弱，這主要是由于熱量資源在早稻生長(zhǎng)發(fā)育中約束性較強(qiáng)（謝遠(yuǎn)玉等，2016），而在其生長(zhǎng)季內(nèi)太陽(yáng)輻射資源下降趨勢(shì)相對(duì)較弱，熱量資源上升較明顯，使得其氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)不顯著。對(duì)于雙季晚稻而言，由于其生長(zhǎng)季內(nèi)熱量條件提升相對(duì)較弱，其氣候生產(chǎn)潛力呈顯著下降趨勢(shì)。

從各種作物的氣候生產(chǎn)潛力與現(xiàn)有種植分布格局來(lái)看（圖2、4），二者總體匹配較好，氣候生產(chǎn)潛力的高值區(qū)與相應(yīng)作物的主要種植區(qū)較為吻合，有利于氣候資源的有效利用和發(fā)揮。如果進(jìn)一步分析種植結(jié)構(gòu)的空間格局與氣候變化的綜合影響，可以看出不同作物也呈現(xiàn)了各自的特點(diǎn)。對(duì)小麥而言，雖然全省平均來(lái)看其氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)，但其變化格局為南部下降、北部升高（圖 6a）。由于安徽省小麥種植主要分布在北部地區(qū)，因此氣候變化與種植結(jié)構(gòu)的配合使得這種格局反而有利于農(nóng)業(yè)氣候資源的利用和小麥的種植生產(chǎn)。而對(duì)于玉米，其主要種植的淮北地區(qū)恰是玉米氣候生產(chǎn)潛力下降最顯著的區(qū)域（圖6b），因此這種格局加劇了氣候變化對(duì)玉米種植生產(chǎn)的不利影響。一季稻和雙季稻氣候生產(chǎn)潛力下降最明顯的地區(qū)（圖6c、d、e）其種植相對(duì)較少，因此，在一定程度上降低了氣候變化的負(fù)面作用。同時(shí)需要注意的是，對(duì)于小麥、玉米和一季稻等作物，其主要種植區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)近年來(lái)有升高趨勢(shì)，氣候生產(chǎn)潛力不穩(wěn)定性增強(qiáng)，與已有研究結(jié)果一致（姚筠等，2017；阮新民等，2021），這可能對(duì)糧食穩(wěn)產(chǎn)造成一定不利影響。

本文在逐級(jí)訂正法的框架下通過(guò)考慮不同作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵參數(shù)，建立了小麥、玉米和水稻等糧食作物氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算方法，綜合氣候生產(chǎn)潛力、種植結(jié)構(gòu)、糧食供需關(guān)系等因素得到各地糧食安全氣候承載力。氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算過(guò)程中所涉及的參數(shù)選取，大多參考了本地區(qū)或相近區(qū)域的已有研究成果和相關(guān)文獻(xiàn)記錄（許艷等，2015；姚筠等，2017；曹衛(wèi)星，2019；盧燕宇等，2020），在參數(shù)本地化完善等方面后續(xù)還需要開(kāi)展深入研究。在計(jì)算糧食潛在生產(chǎn)總量過(guò)程中本文僅考慮了種植結(jié)構(gòu)的空間格局，種植結(jié)構(gòu)的逐年變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響仍需進(jìn)一步研究。由于氣候系統(tǒng)與承載對(duì)象的相互作用存在復(fù)雜的時(shí)空變化模式，因而承載力的計(jì)算并非簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還涉及多方面的問(wèn)題（於琍等，2015）。本文所采用的氣候承載力計(jì)算方法，仍然存在一定的概化和假設(shè)，如糧食自給率保持不變等前提條件，這與實(shí)際情況有一定出入，因此有必要進(jìn)一步加強(qiáng)多學(xué)科的知識(shí)融合，開(kāi)展多重因素作用下的氣候承載力綜合研究，實(shí)現(xiàn)氣候承載力的系統(tǒng)性、定量化的評(píng)估分析。

4 結(jié)論

安徽省主要糧食作物的氣候生產(chǎn)潛力空間分布與種植結(jié)構(gòu)格局匹配較好，主要種植區(qū)對(duì)應(yīng)的作物氣候生產(chǎn)潛力較高。氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)潛力產(chǎn)生了一定的不利影響，1961—2015年玉米、一季稻以及雙季晚稻的氣候生產(chǎn)潛力顯著下降，每 10年分別減少576、231、167 kg·hm-2，小麥和雙季早稻有一定下降趨勢(shì)，但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。安徽省糧食種植結(jié)構(gòu)的空間格局在一定程度上緩解了氣候變化對(duì)小麥、一季稻和雙季稻生產(chǎn)的不利影響，但加劇了對(duì)玉米生產(chǎn)的負(fù)面作用。小麥、玉米和一季稻主產(chǎn)區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)近年來(lái)有升高趨勢(shì)，不利于糧食穩(wěn)產(chǎn)。

受糧食種植結(jié)構(gòu)和氣候生產(chǎn)潛力空間差異的共同作用，安徽省糧食潛在生產(chǎn)總量呈北高南低的特征，小麥、一季稻、玉米和雙季稻對(duì)糧食潛在生產(chǎn)總量的貢獻(xiàn)從高到低依次為 42%、32%、18%和8%。各地區(qū)糧食潛在生產(chǎn)的組成類型主要與種植結(jié)構(gòu)有關(guān)，淮北以小麥、玉米為主，江淮之間以小麥、一季稻貢獻(xiàn)最顯著，沿江西部則以雙季稻為主，而江南南部和東部地區(qū)多為混合型。

在小康水平下，安徽省糧食安全氣候承載力還有較大的剩余空間，相對(duì)剩余率可達(dá) 50%，但其地域分異顯著，空間分布總體呈東北向西南遞減的格局，在部分城市地區(qū)和資源不足區(qū)存在一定的超載情況。為充分保障糧食安全，需進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化城鎮(zhèn)格局和糧食供需結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)氣候資源的承載能力。