近20年河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)對氣候變化的響應(yīng)

陳有祿，周 強(qiáng)，陳 瓊，毛旭峰，劉峰貴

(青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008)

近百年來由于溫室效應(yīng)的影響，全球平均氣溫升高了0.5℃[1,2]，特別是北半球高緯度地區(qū)氣候變暖比較明顯[3]。因而影響到區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和全球糧食安全，已成為全球變化研究的熱點(diǎn)[4]。研究表明，氣候變暖對中國農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量、熟制種植結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生一定影響[5-6]。未來氣候繼續(xù)變暖將使我國農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大改變，據(jù)初步估算，2030年我國種植業(yè)產(chǎn)量將因全球變暖而減少5%～10%，其中小麥、水稻和玉米三大農(nóng)作物都可能會(huì)減產(chǎn)[7]，西北地區(qū)的研究也表明溫度升高對該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量產(chǎn)生了重大影響[8-12]。熱量資源增加使喜溫農(nóng)作物的范圍向高海拔地區(qū)擴(kuò)展，在水資源條件適當(dāng)?shù)那闆r下對喜溫農(nóng)作物的種植非常有益。河湟谷地地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，屬于干旱、半干旱氣候，全球氣候變化背景下該地區(qū)氣候如何變化？該地區(qū)糧食作物的種植結(jié)構(gòu)對氣候變化如何響應(yīng)？本文試圖通過對河湟谷地氣候變化的實(shí)際和糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化來探討糧食作物種植結(jié)構(gòu)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，以期為地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

河湟谷地位于青藏高原東北部，區(qū)域范圍包括湟水河流域及黃河流域龍羊峽至寺溝峽一段，行政單元包括青海省的西寧市(含城西、城北、城中、城東、大通、湟中、湟源等4區(qū)3縣)、海東市(含平安、樂都、民和、互助、化隆、循化等2區(qū)4縣)以及海南藏族自治州的貴德縣和黃南藏族自治州的同仁縣、尖扎縣，共6區(qū)10縣，總面積約3.3×104km2。

河湟谷地系湟水河、黃河及其支流沖積形成的河谷地區(qū)[13]，地勢相對于青海其它地區(qū)海拔較低，氣候溫和，是青海省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，但是由于溫度條件的限制，河湟谷地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)熟制為一年一熟，單位產(chǎn)量較低，耕地面積有限，隨著近20年來氣候變化和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，部分地區(qū)由原來的一年一熟逐漸演變?yōu)槎耆靃14，15]，且這種種植區(qū)域有擴(kuò)大的趨勢，尤其是氣候變化使河湟谷地農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 氣象數(shù)據(jù) 本文選取1991～2010年河湟谷地12個(gè)氣候站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)主要來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

2.1.2 糧食作物數(shù)據(jù) 1990～2012年各縣、區(qū)的糧食作物數(shù)據(jù)來自《青海省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[16]和《青海省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》[17]。

2.1.3 問卷數(shù)據(jù) 樣點(diǎn)主要均勻的分布在民和、互助、平安、大通、湟中、湟源、海晏一區(qū)六縣的25個(gè)村，總共發(fā)放825份問卷，收回800份問卷，有效率達(dá)97%。

2.2 分析方法

2.2.1 數(shù)據(jù)分析 實(shí)測經(jīng)驗(yàn)和理論推算均認(rèn)為降水量在350～500 mm的地區(qū)發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)比較可靠，“有收無收在于水”是旱作農(nóng)業(yè)的普遍共識(shí)，河湟谷地地區(qū)降水量在400 mm左右，是適合旱作農(nóng)業(yè)的地區(qū)，同時(shí)春、夏季節(jié)降水量接近300 mm，占全年降水量的3/4左右，雨熱同季，有利于農(nóng)作物生長。但與其它旱作農(nóng)業(yè)區(qū)相比較，該地區(qū)屬于青藏高原與黃土高原的過渡區(qū)域，海拔在1 650 m到3 500 m之間，農(nóng)作物生長不僅受到水分因素的影響，同時(shí)也受因海拔導(dǎo)致的溫度變化而產(chǎn)生的影響，其影響因素具有雙重性，部分地區(qū)溫度因素的限制可能大于水分因素。

氣溫和海拔高度影響下的積溫是農(nóng)作物生長的重要物理基礎(chǔ)，本文選擇1991～2010年積溫變化作為本地區(qū)重要的限制性因子。河湟谷地近年氣溫上升比較顯著，秋季和冬季的增溫變化比較顯著，20世紀(jì)90年代比60年代和80年代的平均氣溫增高了0.3～0.5℃[18]。河湟谷地川水地區(qū)收獲后，≥0℃的余熱資源為1 068～1 613℃·d,占全年的39%～47%；淺山地區(qū)作物收獲后，≥0℃的余熱資源為496～622℃·d，占全年的35%～40%[14]。收獲后余熱資源的總量較大，適合于農(nóng)作物的生長，如冬小麥，蔬菜等，為河湟谷地余熱資源的有效利用和種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到了鋪墊作用。

河湟谷地糧食作物的種植結(jié)構(gòu)主要有小麥、薯類、青稞、油菜和蠶豆等經(jīng)濟(jì)作物，熟制為一年一熟。近20年來河湟谷地農(nóng)作物總播種面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢，其中經(jīng)濟(jì)作物的播種面積增加趨勢明顯，糧食作物的種植面積明顯下降，冬小麥和喜溫作物玉米的種植是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)[19]，并且近20年來種植面積不斷擴(kuò)大。因此，選擇小麥、薯類、玉米3種主要糧食作物的播種面積變化來反映農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化。一般作物種植結(jié)構(gòu)的變化可用作物各自所占總播種面積的百分比(A)或者作物各自占主要糧食作物的播種面積(糧食作物總播種面積之和)的百分比(B)進(jìn)行判斷，前者百分比變化往往受經(jīng)濟(jì)作物種植面積變化的影響較大，無法準(zhǔn)確判斷糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化是經(jīng)濟(jì)作物增加導(dǎo)致的還是氣候變化導(dǎo)致的，影響分析判斷的結(jié)果；后者則是在糧食作物播種總面積的內(nèi)部進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)比較，總面積的變化不會(huì)影響其內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果，能夠真實(shí)反映糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化判斷。因此，本文采用后者(B)對河湟谷地糧食作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。

2.2.2 快速聚類分析及數(shù)據(jù)處理 河湟谷地糧食作物的種植結(jié)構(gòu)雖然只有三大類,但近20年的不同地區(qū)的組合類型相對復(fù)雜，屬于大樣本資料,因此需要將數(shù)據(jù)對象進(jìn)行深度挖掘，按照其相似性歸成若干類別。聚類分析是數(shù)據(jù)深度挖掘常用的技術(shù)和方法，其目的是可以將數(shù)據(jù)對象分成若干個(gè)類，使同一個(gè)類中的對象高度相似，而不同類中的對象差異最大[20]。

快速聚類法是采用歐氏距離法進(jìn)行計(jì)算，其原則是每個(gè)樣本點(diǎn)距離本組的矩心(本組數(shù)據(jù)平均值所構(gòu)成的點(diǎn))的最近距離來進(jìn)行分類。聚類過程中必須使得組內(nèi)的因子和預(yù)測量的方差變小，而使組間的距離增大。一般先給出一定的判別值，作為變動(dòng)范圍的限制值，其公式可寫為[21]：

(1)

其中，k表示每個(gè)樣本中有k個(gè)變量；xi表示第一個(gè)樣本在第i個(gè)變量上的取值；yi表示第二個(gè)樣本在第i個(gè)變量上的取值。

(1)初定組別。

(2)組的分割。計(jì)算4組內(nèi)每一個(gè)因子的標(biāo)準(zhǔn)差及在該組中預(yù)報(bào)量的凝聚直徑記為因子的標(biāo)準(zhǔn)差。

CK=maxyi-minyi(i∈nk;k=1，2，…，G)

將4組內(nèi)每一個(gè)因子的標(biāo)準(zhǔn)差和每一組的極值與事先給定的閾值δ及θ進(jìn)行比較，

若在3個(gè)因子中，每一個(gè)因子的標(biāo)準(zhǔn)差最大者大于δ或Ck>θ，則將該組以α值分裂為兩組。確定α值的辦法：若每一組的極值≤θ，則取第k組預(yù)報(bào)量y的中值，否則取標(biāo)準(zhǔn)差最大的那個(gè)因子的平均值作為分組界限。

(3)計(jì)算組間的距離，重復(fù)(2)-(3)步，直到組無法分割或合并為止[22]。

在實(shí)際操作中，我們將1990、1995、2003、2006、2010年各縣的小麥、薯類、玉米種植面積占3種作物總播種面積的百分比用快速聚類方法結(jié)合河湟谷地的實(shí)際情況我們把河湟谷地過去20年的種植結(jié)構(gòu)分為4類，即以小麥為主、以小麥和薯類為主、以薯類為主、以薯類、小麥和玉米多元發(fā)展趨勢為主(表1)，在此過程中共有840個(gè)數(shù)據(jù)參加了分組，從而獲得了每種種植結(jié)構(gòu)類型的空間分布及其多年來的變化。

表1 河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)類型及其聚類中心

3 結(jié)果分析

通過實(shí)測氣象數(shù)據(jù)分析(圖2)和800份問卷的訪談?wù){(diào)查證明(圖3)，河湟地區(qū)近20年來降水穩(wěn)定，水分條件基本能夠保證大部分區(qū)域農(nóng)作物生長的需求，熱量條件的變化可能是造成河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)差異的主要原因。器測氣溫變化和農(nóng)戶對氣溫變化的感知基本一致。氣象數(shù)據(jù)顯示近20年降水變化不大，一直處在350～400 mm左右，適宜于農(nóng)作物的生長，但在調(diào)查中67.75%的農(nóng)戶認(rèn)為氣候比較干燥，只有24.88%的人認(rèn)為氣候比較濕潤，與實(shí)際降水相差較大，存在差異的主要原因可能是河湟谷地降水趨于集中，降水變率增大，頻度減小，春夏季節(jié)降水集中，秋冬季降水減少。

圖2 近20年河湟谷地年均溫度和降水變化Fig.2 Nearly 20 years in Yellow River-Huangshui River Valley(YHV) annual average temperature and precipitation changes

圖3 河湟谷地農(nóng)戶對氣候變化感知Fig.3 Farmers perceive the intensity of climate change in YHV

本文將1990、1995、2003、2006、2010年作為典型年份，其中1990年代表氣候變暖開始的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)[23]，1995年代表氣候顯著變暖的年份，2003、2006、2010年分別代表河湟谷地玉米、新經(jīng)濟(jì)作物等新種農(nóng)作物的種植及擴(kuò)大年份。然后根據(jù)河湟谷地各縣、市、區(qū)小麥、薯類、玉米3種糧食作物的播種面積占其總播種面積的百分比劃分不同的種植類型，再根據(jù)其變化情況劃分為不同的結(jié)構(gòu)類型?？焖倬垲愡^程中運(yùn)用5年的數(shù)據(jù)得出河湟谷地過去20年的4類種植結(jié)構(gòu)類型，1990和1995年河湟谷地種植結(jié)構(gòu)以小麥為主，2003年河湟谷地種植結(jié)構(gòu)演變?yōu)樾←満褪眍悶橹鳎?006年河湟谷地種植結(jié)構(gòu)演變?yōu)槭眍悶橹鳎?010年后河湟谷地種植結(jié)構(gòu)演變成以薯類、小麥和玉米等多元化農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)。

1990年以來，河湟谷地薯類的種植面積隨著溫度的升高不斷地?cái)U(kuò)大[24]。種植結(jié)構(gòu)的更大變化主要發(fā)生在2003年左右，積溫的變化可能是導(dǎo)致種植結(jié)構(gòu)變化的主要原因，2000年以后貴德縣、樂都區(qū)、民和回族土族自治縣、尖扎縣、循化撒拉族自治縣≥10℃的積溫均已達(dá)到≥2 700℃，部分地區(qū)當(dāng)時(shí)就出現(xiàn)了喜溫農(nóng)作物玉米的種植(表2、圖5、圖6)，因?yàn)橛衩兹谒枰摹?0℃的積溫為≥2 700℃[25,26]。由表2和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況可知河湟谷地≥10℃積溫≥2 700℃的地區(qū)都有玉米的種植，進(jìn)一步說明積溫的升高才使得玉米種植范圍不斷地?cái)U(kuò)大。

表2 青藏高原≥10℃有效積溫區(qū)劃與相關(guān)作物系統(tǒng)[26]

3.1 糧食作物播種面積變化

近20年來河湟谷地主要糧食作物的總播種面積呈現(xiàn)減少趨勢(圖4)，糧食作物內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)的面積比重也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖5)。

圖4 近20年河湟谷地主要糧食作物播種面積的變化Fig.4 Changes of main grain crops planting areas in nearly 20 years in YHV

注：(a)1995年積溫等值線;(b)1995年薯類比重;(c)1995年小麥比重;(d)2003年玉米比重;(e)2010年積溫等值線;(f)2010年薯類比重;(g)2010年小麥比;(h)2010年玉米比重;(o)1995～2003年積溫變化;(p)1995～2010年積溫變化;(q)1990年;(r)1995年Note: (a)accumulated temperature contour line in 1995;(b)potato proportion in 1995;(c)wheat proportion in 1995;(d)cornproportion in 1995;(e) accumulated temperature contour line in 2010;(f)potato proportion in 2010;(g)wheat proportion in 2010;(h)cornproportion in 2010;(o)variation of accumulated temperature between 1995 to 2003;(p)variation of accumulated temperature between 1995 to 2010;(q)1990 year;(r)1995 year圖5 1995和2010年代河湟谷地10℃積溫均值變化與主要糧食作物播種面積百分比變化Fig.5 Changes of the mean accumulative temperature and the planting percentage in the 1995s and 2010s in YHV

20世紀(jì)90年代前半葉，河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)主要以小麥為主，播種面積約為123.5×104hm2，1992年開始下降，至2010年減少至52.1×104hm2，播種面積在3種農(nóng)作物中的比例從80%下降到37.4%；薯類種植面積在2000年之前一直徘徊在33×104hm2左右，約占當(dāng)時(shí)3種糧食作物總播種面積的19%左右，2000年以后播種面積呈現(xiàn)上升趨勢，至2010年播種面積增加到78.9×104hm2，約占3種糧食作物播種面積的56.7%；2001年新的變化是本地區(qū)開始出現(xiàn)喜溫作物玉米的種植[27]，播種面積一直呈現(xiàn)增加趨勢，糧食作物種植結(jié)構(gòu)由原來的以小麥為主逐漸演變?yōu)橐允眍悺⑿←満陀衩锥嘣l(fā)展趨勢的種植結(jié)構(gòu)。

3.2 糧食作物種植格局的變化

20世紀(jì)90年代，河湟谷地小麥種植區(qū)域主要分布在湟水中游的西寧、大通、湟中與民和等市、縣(圖5)，種植結(jié)構(gòu)比重分別為11.81%(西寧)、10.32%(大通)、14.60%(湟中)、5.36%(民和)，至2010年，該地區(qū)小麥種植結(jié)構(gòu)比重降低到0.54%(西寧)、6.05%(大通)、6.06%(湟中)、3.04%(民和)，遠(yuǎn)小于上世紀(jì)90年代。

薯類和玉米的種植結(jié)構(gòu)比重則呈現(xiàn)大幅增加的趨勢(薯類播種面積所占的比重由1995年的18.96%增加到現(xiàn)在的56.60%；玉米播種面積由2003年的0.68%增加到了現(xiàn)在的6.03%)，其空間分布格局也呈現(xiàn)出顯著變化的趨勢，20 世紀(jì)90年代，薯類作物主要分布在大通河流域的門源縣，至2010年，薯類種植范圍擴(kuò)大到河湟谷地的互助、民和、樂都和大通等區(qū)縣，2003年玉米種植出現(xiàn)在河湟河下游氣候較好地區(qū)，其種植面積和種植結(jié)構(gòu)比重不斷增加(湟水河下游民和回族土族自治縣玉米的種植面積由2003年的0.64%增加到2010年的5.8%，湟水河中游互助縣2010年開始種植玉米，黃河上游的貴德縣玉米種植面積由2003年的0.002%增加到了2010年的0.09%)。樂都區(qū)、尖扎縣、循化撒拉族自治縣等從2001年出現(xiàn)了玉米的種植(圖5、圖6)。

注：(a)2003年;(b)2006年;(c)2010年。圖6 10℃積溫差值和不同時(shí)期河湟谷地主要糧食作物種植格局Fig.6 10 ℃ accumulated temperature difference with main grain crops structure in different periods in YHV

3.3 糧食作物種植格局同溫度變化間的關(guān)系

河湟谷地主要糧食作物的種植結(jié)構(gòu)伴隨著該地區(qū)積溫的變化而變化，該區(qū)域的北部、西南和東南地區(qū)積溫變化明顯和實(shí)際農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化相吻合。由(圖6)可知積溫變化明顯的地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化較大，特別是西北地區(qū)、西南地區(qū)、東南地區(qū)變化比較明顯。1990年到1995年積溫基本沒有發(fā)生變化，同期小麥和薯類的種植面積基本沒有發(fā)生變化。到了2003年，河湟谷地的東部積溫較高基本都≥2 500℃，同期河湟谷地的東部地區(qū)較1990年糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化非常明顯，由原來的以小麥為主的種植結(jié)構(gòu)變成了21世紀(jì)初的以小麥和薯類為主的種植結(jié)構(gòu)和以薯類為主的種植結(jié)構(gòu)，說明積溫的升高促進(jìn)了該地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)比重的變化。已有相關(guān)研究證明，小麥和薯類屬于喜涼作物，但是薯類生長所需要的溫度比小麥的高[28]，因此隨著積溫的增加薯類的種植結(jié)構(gòu)比重也會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢[24]。

從整個(gè)河湟谷地來看，其糧食作物的種植結(jié)構(gòu)的變化和積溫的變化存在一定程度的關(guān)系，積溫的差值圖變化明顯的地區(qū)糧食作物的種植結(jié)構(gòu)也有所變化，特別是河湟谷地北部、西南和東南地區(qū)積溫變化較明顯。其中，貴德縣、尖扎縣、民和縣、樂都區(qū)和門源縣的種植結(jié)構(gòu)由原來的以小麥為主的種植結(jié)構(gòu)變成了現(xiàn)在以薯類和玉米為主的種植結(jié)構(gòu)。

4 討論和結(jié)論

4.1 討 論

本文在論述河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)變化和氣候變化之間的關(guān)系時(shí)，借鑒了云雅如，方修琦(2005)假定其它氣候因子不變的方法。假定近20年來河湟谷地土壤肥力、地形、海拔因素不變，考慮氣溫和降水因素的方法，相關(guān)數(shù)據(jù)表明河湟谷地近20年來降水一直保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平，因此重點(diǎn)考慮溫度因素的影響，較真實(shí)的分析出河湟谷地近20年來種植結(jié)構(gòu)和種植格局與溫度的關(guān)系。

表3 河湟谷地過去20年主要糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化結(jié)果

由于河湟谷地處于特殊的地理位置，故將實(shí)際氣候數(shù)據(jù)和人們的感知數(shù)據(jù)相結(jié)合，有助于更加明確地了解河湟谷地氣候的變化。雖然本文和云雅如，方修琦(2005)的思想基本一致，但是在文章中也存在較大的差異。在處理數(shù)據(jù)的過程中，本文總結(jié)出了青藏高原≥10℃有效積溫區(qū)劃與相關(guān)作物系統(tǒng)之間的關(guān)系和河湟谷地過去20年主要糧食作物種植結(jié)構(gòu)的變化，為河湟谷地農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。除了氣溫對河湟谷地種植結(jié)構(gòu)的影響外，政府政策因素，農(nóng)業(yè)技術(shù)還有人類活動(dòng)對糧食作物的種植格局都會(huì)影響糧食作物的種植結(jié)構(gòu)。在此由于特殊地區(qū)的條件限制故沒有加入這些影響因素的分析。

4.2 結(jié) 論

1)過去20年，在河湟谷地糧食作物種植結(jié)構(gòu)比重方面，小麥的種植結(jié)構(gòu)比重呈現(xiàn)下降的趨勢，薯類和玉米的種植比重明顯增加，該地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)由原來的以小麥為主的種植結(jié)構(gòu)變成了21世紀(jì)初的以小麥、薯類和玉米不同組合的種植結(jié)構(gòu)方式。

2)在種植格局方面，薯類的種植格局向北部和東部地區(qū)移動(dòng)，小麥的種植格局在整個(gè)河湟谷地都在大范圍減少，玉米的種植格局向西南和東南地區(qū)移動(dòng)。

3)河湟谷地主要糧食作物的種植格局和溫度之間存在一定程度的關(guān)系。過去20年里，隨著積溫的增加，喜溫作物的種植面積大幅度增加，溫度變化越明顯的地區(qū)糧食作物的種植結(jié)構(gòu)的變化也越明顯。整個(gè)河湟谷地的喜溫農(nóng)作物的種植界線隨著溫度的增加向西南和東南移動(dòng)并呈現(xiàn)增加的趨勢。