近60年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化及糧食安全氣候承載力評(píng)估

韓 敏,楊軻然,田 樂,尹昱達(dá),周 泓*

(1.玉溪市紅塔區(qū)氣象局,云南玉溪 653100;2.玉溪市氣象局,云南玉溪 653100)

我國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)之一,氣候變化對(duì)我國糧食安全影響不容忽視,糧食作為人類賴以生存的最基本物質(zhì),其安全問題受到了廣泛關(guān)注。我國農(nóng)業(yè)受全球氣候變化的影響利弊共存,一方面,氣候變暖增加熱量,種植面積擴(kuò)大,對(duì)增產(chǎn)是有利的,但另一方面,氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響也日益突出。IPCC發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告第二工作組報(bào)告指出,極端天氣氣候事件的發(fā)生造成了一系列難以應(yīng)對(duì)的影響,這加劇了數(shù)百萬人的水和糧食危機(jī)[1-2]。玉溪作為滇中山地城市,是典型的“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”,氣候變化對(duì)糧食生產(chǎn)水平影響顯著。因此,研究該地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力和氣象要素的關(guān)聯(lián)性以及變化規(guī)律,確保區(qū)域經(jīng)濟(jì)資源以及自然資源利用朝著可持續(xù)方向發(fā)展。

氣候資源與環(huán)境資源一樣,其承載能力或容量是有限的,參考環(huán)境承載力提出“氣候-糧食-人口”框架來評(píng)估區(qū)域尺度面向糧食安全的氣候承載力的方法[3],分析氣候資源和人類社會(huì)需求之間的供求關(guān)系。大多數(shù)學(xué)者對(duì)各地區(qū)從不同角度及不同層面[4-6],并且借助Tharnthwaite-Memorial模型[7]、Miami模型[8]、AEZ模型[9]等方法來針對(duì)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行計(jì)算。於俐等[10]較早提出了氣候承載力概念,盧燕宇等[11-12]基于氣候條件與人類活動(dòng)的相互作用關(guān)系探討了氣候承載力的空間格局與關(guān)鍵影響因子,鄭開雄等[13]發(fā)展了基于DPSIR和狀態(tài)空間法的氣候承載空間模擬分析。關(guān)于糧食生產(chǎn)氣候承載力,盧燕宇等[14]從糧食生產(chǎn)與光溫水等氣候因子的關(guān)系出發(fā)分析了安徽省的氣候承載力,姬興杰等[9]研究了基于夏玉米和冬小麥2種主糧作物未來氣候變化下的氣候承載力,李蒙等[3]計(jì)算并分析云南氣候生產(chǎn)潛力和氣候承載力指數(shù)的變化特征。鑒于目前可供參考玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的資料較為稀少,關(guān)于玉溪地區(qū)氣象要素對(duì)氣候產(chǎn)生潛力方面帶來的影響相關(guān)研究資料十分匱乏。筆者將玉溪地區(qū)作為主要研究區(qū)域,分析該地區(qū)近60年以來氣候生產(chǎn)潛力變化,并基于糧食安全,對(duì)該地區(qū)氣候承載力和相對(duì)剩余率進(jìn)行計(jì)算,探索該地區(qū)氣候承載力的容量能否滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求,進(jìn)而為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和保障糧食的安全提供指導(dǎo)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源該研究選取玉溪市1961—2020年的逐日氣象資料,降水量、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)均源自9個(gè)國家大監(jiān)站,數(shù)據(jù)連續(xù)性較好。人口數(shù)據(jù)來源于第七次全國人口普查,耕地面積來源于第三次全國國土調(diào)查。

1.2 研究方法

1.2.1光合生產(chǎn)潛力。光合生產(chǎn)潛力是只考慮太陽輻射條件所確定的土地生產(chǎn)潛力[15]。根據(jù)光合有效系數(shù)計(jì)算法[16],使用以下光合生產(chǎn)潛力計(jì)算模型:

(1)

式中:PQ為光合生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a)];C為能力轉(zhuǎn)換系數(shù),大多數(shù)作物均值為17.8 MJ/kg;F為光能利用率,玉溪地區(qū)糧食作物主要為水稻、玉米和小麥,該研究不分析個(gè)別作物,綜合考慮這3種禾谷作物,3種禾谷作物的光能利用率平均值為2%[17];E為經(jīng)濟(jì)系數(shù),禾谷作物的平均經(jīng)濟(jì)系數(shù)為0.4;Q為太陽輻射[MJ/(m2·a)]。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,分析昆明日射站的太陽輻射和天文輻射的關(guān)系,使用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),最終得出玉溪地區(qū)的太陽輻射計(jì)算公式[18]:

Q=Q0(0.175+0.52S1)

(2)

式中:S1是日照百分率(%),由日照時(shí)數(shù)計(jì)算;Q0是天文輻射[MJ/(m2·a)]。

1.2.2光溫生產(chǎn)潛力。按照溫度有效系數(shù)方法[16],選擇無霜期在全年所占的比值作為光溫生產(chǎn)潛力的系數(shù):

PP=ft×PQ

(3)

ft=n/365

(4)

式中:PP為光溫生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a)];ft為溫度有效系數(shù);n為無霜日(d)。

1.2.3氣候生產(chǎn)潛力?？紤]水分對(duì)生產(chǎn)潛力的影響,按照水分有效系數(shù)訂正法[16],將降水與蒸發(fā)的比值作為氣候生產(chǎn)潛力的有效系數(shù):

PC=fw×PP

(5)

fw=R/ET

(6)

式中:PC為氣候生產(chǎn)潛力[kg/(hm2·a);fw為水分有效系數(shù);R為年降水量(mm);ET為年蒸散量(mm),由Penman-Monteith公式計(jì)算。

1.2.4氣候承載力和相對(duì)剩余率。氣候系統(tǒng)可為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供物質(zhì)條件,但其容納能力是有限度的,面向糧食安全的氣候承載力評(píng)價(jià),就是在一定的氣候條件下,不超出糧食生產(chǎn)潛力的限度,可支撐空間內(nèi)人口糧食需求的能力,通過定量和定性的評(píng)價(jià)確定承載力水平。氣候承載力的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括氣候生產(chǎn)潛力和糧食消費(fèi)水平[9],計(jì)算公式如下:

氣候承載力=氣候生產(chǎn)潛力/人均糧食需求指標(biāo)

(7)

為評(píng)價(jià)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)與氣候承載力是否處于協(xié)調(diào)狀態(tài),還應(yīng)掌握該區(qū)域的剩余環(huán)境容量,提出相對(duì)剩余率,構(gòu)建氣候承載力的相對(duì)剩余率的量化,確定當(dāng)前氣候條件下所評(píng)價(jià)對(duì)象是否在承載范圍內(nèi),從而幫助人們采取相應(yīng)的控制措施。區(qū)域氣候承載力相對(duì)剩余率是一定區(qū)域范圍內(nèi)氣候承載力在保障糧食安全的狀態(tài)下糧食生產(chǎn)承載的人口數(shù)是否還有剩余空間[9,14]。從氣候承載力和實(shí)際人口數(shù)出發(fā),獲得該區(qū)域的相對(duì)剩余率計(jì)算公式:

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候生產(chǎn)潛力分析

2.1.1氣候生產(chǎn)潛力時(shí)間變化特征。1961—2020年玉溪地區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),最大值為1968年的21 401.9 kg/(hm2·a),最小值為2019年的10 880.4 kg/(hm2·a);1968年降水量超過1 100 mm,而2019年降水量不足700 mm,相應(yīng)的2019年出現(xiàn)較重的干旱災(zāi)害。從線性傾向率來看(圖1),近60年氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢(shì),減少率為25.8 kg/(hm2·a),但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),說明近60年氣候生產(chǎn)潛力的減少趨勢(shì)是不顯著的。各縣的氣候生產(chǎn)潛力均為減少趨勢(shì),減少趨勢(shì)最大的為峨山,減少率為73.2 kg/(hm2·a),通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn),減少趨勢(shì)明顯;通海、華寧和易門減少趨勢(shì)較小(表1)。從氣候變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響來看,雖然1961—2020年溫度呈明顯上升趨勢(shì)(通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)),無霜期變長,輻射隨時(shí)間變化平緩,但降水量呈下降趨勢(shì)(沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)),并且降水量年際波動(dòng)較大,導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力年代際波動(dòng)較大(圖2)。1961—1970年氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢(shì),增加速率為207.3 kg/(hm2·a);1971—1980年氣候生產(chǎn)潛力以740.4 kg/(hm2·a)的速率減少;1981—1990年氣候生產(chǎn)潛力減少,減少速率為190.1 kg/(hm2·a);1991—2000年氣候生產(chǎn)潛力增加,增加速率為401.6 kg/(hm2·a);2001—2010年氣候生產(chǎn)潛力以734.8 kg/(hm2·a)的速率減少;2011—2020年氣候生產(chǎn)潛力增加,增加速率為144.3 kg/(hm2·a);1971—1980和2001—2010年氣候生產(chǎn)潛力減少趨勢(shì)通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn),說明20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力減少趨勢(shì)明顯。

表1 玉溪地區(qū)各縣(區(qū))氣候生產(chǎn)潛力及其變化趨勢(shì)

圖1 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

圖2 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化率Fig.2 Change rate of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.2氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗(yàn)。借助 Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的突變狀況進(jìn)行檢驗(yàn)分析,結(jié)果表明(圖3),近60年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢(shì),但沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),減少趨勢(shì)不明顯。出現(xiàn)多個(gè)時(shí)段的增加和減少趨勢(shì),但這些增加和減少趨勢(shì)均沒有通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),說明增加和減少趨勢(shì)均不顯著。研究時(shí)段內(nèi)UF和UB曲線出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn),且交叉點(diǎn)在臨界線之間,表明近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生多次突變。

圖3 1961—2020年玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall mutation test of climatic potential productivity in Yuxi region from 1961 to 2020

2.1.3氣候生產(chǎn)潛力空間分布。根據(jù)玉溪9個(gè)氣象站1961—2020年的逐年日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水量資料,計(jì)算玉溪地區(qū)光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出,玉溪地區(qū)日照資源豐富,其光合生產(chǎn)潛力較大,近60年光合生產(chǎn)潛力的平均值為25 265.9 kg/(hm2·a),年光合生產(chǎn)潛力北低南高;受輻射分布影響,玉溪南部輻射資源較好,相對(duì)的光合生產(chǎn)潛力較大,光合生產(chǎn)潛力為25 901.9～25 972.2 kg/(hm2·a);北部光合生產(chǎn)潛力相對(duì)較低,為24 650.1～24 675.5 kg/(hm2·a)。玉溪光溫生產(chǎn)潛力與光合生產(chǎn)潛力空間分布特征一致,南高北低,特別是南部河谷地區(qū),氣溫較高,光溫生產(chǎn)潛力的平均值為22 997.4 kg/(hm2·a),南部為24 818.5～25 933.7 kg/(hm2·a),北部為21 077.0～22 861.9 kg/(hm2·a)。光溫水生產(chǎn)潛力也稱為氣候生產(chǎn)潛力,玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力平均值為16 287.7 kg/(hm2·a),氣候生產(chǎn)潛力空間分布受降水變率影響,南部光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的高值區(qū)轉(zhuǎn)為氣候生產(chǎn)潛力的低值區(qū),為12 327.3 kg/(hm2·a),而中部和北部氣候生產(chǎn)潛力增加,為15 805.2～17 920.1 kg/(hm2·a)。可見玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布與地勢(shì)相符,地勢(shì)相對(duì)平坦的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較大;地勢(shì)起伏較大,特別是河谷與高山并存,海拔高差較大的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較小。

圖4 1961—2020年玉溪地區(qū)光合生產(chǎn)潛力(a)、光溫生產(chǎn)潛力(b)和氣候生產(chǎn)潛力(c)空間分布[單位: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氣候生產(chǎn)潛力限制因素分析。對(duì)近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水量進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖5),年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力相關(guān)性系數(shù)分別為-0.346和-0.348(均達(dá)到0.01水平的顯著相關(guān)),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力之間的相關(guān)系數(shù)為0.979(達(dá)到0.01水平的顯著相關(guān)),表明近60年來玉溪地區(qū)年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力呈負(fù)相關(guān),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈正相關(guān),核心限制因素是年降水量。

圖5 玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年日照時(shí)數(shù)(a)、年平均氣溫(b)和年降水量(c)的相關(guān)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 氣候承載力和相對(duì)剩余率分析

2.2.1氣候承載力。參照聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)給出的參考意見,糧食安全線為年人均400 kg[13],陳玲玲等[19]根據(jù)我國糧食生產(chǎn)及消費(fèi)趨勢(shì)推算未來人口發(fā)展的年人均糧食需求量,將社會(huì)發(fā)展分為寬裕型、小康型和富裕型,相對(duì)應(yīng)的年人均糧食消費(fèi)分別為420、460和490 kg。就當(dāng)前云南年人均糧食消費(fèi)水平來看,2011—2020年云南糧食產(chǎn)量在全國糧食產(chǎn)銷平衡中居前列,所以將當(dāng)前玉溪年人均糧食消費(fèi)水平定為400 kg。

用玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力分別求算不同消費(fèi)水平下的氣候承載力,以玉溪地區(qū)當(dāng)前糧食消費(fèi)水平(年人均糧食消費(fèi)400 kg)來計(jì)算,可承載的人口總數(shù)量為817.7萬,寬裕型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為778.8萬,小康型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為711.0萬,富裕型消費(fèi)水平可承載的人口總數(shù)量為667.5萬(圖6)。玉溪地區(qū)常住人口為224.9萬(第七次全國人口普查),低于玉溪地區(qū)不同糧食消費(fèi)水平下可承載的人口數(shù),因此,玉溪地區(qū)糧食生產(chǎn)能夠滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求。從空間分布層面(圖7)來看,由于各縣(區(qū))間地形的制約以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異,各縣(區(qū))間的承載力差異明顯,導(dǎo)致玉溪各縣(區(qū))呈現(xiàn)出明顯的差異性分布特點(diǎn)。新平、華寧、峨山耕地面積較大,并且這3個(gè)縣氣候生產(chǎn)潛力高,所以氣候承載力較其他縣(區(qū))偏高,以小康型社會(huì)消費(fèi)水平的氣候承載力來看,新平可承載175.2萬人,華寧可承載101.8萬人,峨山可承載91.9萬人。通海、江川、易門的氣候生產(chǎn)潛力為中等至較高水平,耕地面積也處于中等水平,所以這3個(gè)縣(區(qū))的氣候承載力處于中等水平,以小康型社會(huì)消費(fèi)水平的氣候承載力來看,江川可承載63.0萬人,通?？沙休d62.4萬人,易門可承載62.1萬人。元江耕地面積處于中等水平,但氣候生產(chǎn)潛力為全市最低,導(dǎo)致其氣候承載力較低,以小康型社會(huì)消費(fèi)水平的氣候承載力來看,元江可承載59.6萬人。澄江氣候生產(chǎn)潛力位于中等水平,但耕地面積較小,導(dǎo)致其氣候承載力低,以小康型社會(huì)消費(fèi)水平的氣候承載力來看,澄江可承載54.2萬人。紅塔的城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快,人口較其他縣(區(qū))密集,并且氣候生產(chǎn)潛力為較低水平,耕地面積全市最小,導(dǎo)致其氣候承載力最低,以小康型社會(huì)消費(fèi)水平的氣候承載力來看,紅塔可承載43.6萬人,當(dāng)前紅塔常住人口為58.9萬人,糧食生產(chǎn)不能夠滿足紅塔不同消費(fèi)水平的糧食需求,該地區(qū)糧食自給類型為依賴型。

圖6 玉溪地區(qū)不同糧食需求水平下氣候可承載的人口數(shù)Fig.6 Climate capable population under different grain demand levels in the Yuxi region

圖7 玉溪各縣不同糧食需求水平下氣候可承載人口數(shù)Fig.7 Climate capable population under different grain demand levels in Yuxi Counties

2.2.2相對(duì)剩余率。用玉溪?dú)夂蛏a(chǎn)潛力的平均值分別求出不同消費(fèi)水平下的相對(duì)剩余率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖8),現(xiàn)階段糧食消費(fèi)水平、寬裕型消費(fèi)水平、小康型消費(fèi)水平以及富裕型消費(fèi)水平下相對(duì)剩余率分別為263.5%、 246.2%、216.1%、196.7%。從小康水平下看玉溪各縣(區(qū))氣候承載力的相對(duì)剩余率分布(表3),除了紅塔的相對(duì)剩余率小于0以外,其他縣(區(qū))的相對(duì)剩余率均大于0,其中,新平和峨山在小康水平下的相對(duì)剩余率大于500%,可見玉溪地區(qū)各縣(區(qū))間的相對(duì)剩余率差別較大,但綜合相對(duì)剩余率均能表明氣候承載力的容量均大于實(shí)際人口數(shù)。因此,從基于糧食安全的氣候承載力和相對(duì)剩余率來看,玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力就保障本地的糧食安全而言有較大的潛力。

表3 玉溪地區(qū)各縣(區(qū))不同糧食需求水平下的相對(duì)剩余率

圖8 玉溪地區(qū)不同糧食需求水平下的相對(duì)剩余率Fig.8 Relative surplus rate under different levels of grain demand in Yuxi region

3 結(jié)論與討論

1961—2020年玉溪地區(qū)平均氣候生產(chǎn)潛力為16 287.7 kg/(hm2·a),近60年氣候生產(chǎn)潛力呈減少趨勢(shì),但趨勢(shì)不顯著,其中,20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)初氣候生產(chǎn)潛力減少顯著。玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布與地勢(shì)相符,地勢(shì)相對(duì)平坦的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較大;地勢(shì)起伏較大的地區(qū),氣候生產(chǎn)潛力較小。對(duì)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行突變檢驗(yàn)表明,近60年來玉溪地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生多次突變,但年際間的波動(dòng)趨勢(shì)均沒有通過顯著性檢驗(yàn),上升和下降均不顯著。年日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力呈負(fù)相關(guān),年降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈正相關(guān),說明玉溪地區(qū)光照和熱量對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的限制沒有降水的限制效應(yīng)大,其核心限制因素是年降水量。

對(duì)玉溪地區(qū)糧食氣候承載力和相對(duì)剩余率進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,全市當(dāng)前人口數(shù)低于氣候承載力,糧食生產(chǎn)能夠滿足該地區(qū)不同消費(fèi)水平的糧食需求。但從空間分布層面來看,玉溪各縣(區(qū))呈現(xiàn)出明顯的差異性。因此需要優(yōu)化玉溪地區(qū)氣候承載力,加強(qiáng)對(duì)耕地地力的培育與改造,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,強(qiáng)化信息服務(wù)構(gòu)建水平以及進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)物質(zhì)投入力度,從而提高土地產(chǎn)出率。

承載力的計(jì)算不是簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算,存在著許多方面的問題,該研究僅從不同糧食消費(fèi)水平層面來針對(duì)氣候資源承載力進(jìn)行了分析,分析的切入點(diǎn)相對(duì)單一。 此外,關(guān)于氣候承載力方面除了包含氣候資源供給水平以外,也需要將氣候?yàn)?zāi)害對(duì)于糧食產(chǎn)量帶來的影響納入考慮范圍。因此,系統(tǒng)評(píng)估氣候承載力尚且需要進(jìn)一步的完善,尤其是定量化技術(shù)方法、氣候承載力評(píng)估框架以及拓寬應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域等方面依舊需要進(jìn)一步研究。