季風(fēng)氣候?qū)r(nóng)作物單產(chǎn)的影響分析——以鎮(zhèn)寧自治縣為例

韋 綺，王 海

（1.鎮(zhèn)寧氣象局，貴州 鎮(zhèn)寧 561200；2.安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 安順 561000）

人類為適應(yīng)氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局與結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響主要表現(xiàn)在種植制度上的變化。應(yīng)因季節(jié)、土壤、灌溉等條件而進(jìn)行各種農(nóng)作物的基本安排。一個(gè)地區(qū)多年所形成的種植制度是當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥赖茸匀粭l件和經(jīng)濟(jì)、文化、種植習(xí)慣等一系列社會經(jīng)濟(jì)條件綜合平衡的結(jié)果，其中氣候條件的影響最為明顯。因此人們?yōu)檫m應(yīng)氣候變化，不僅調(diào)整作物的種植結(jié)構(gòu)、播種面積比例，還包括更換同種熟性不同的作物。

當(dāng)然，未來的氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利有弊，氣候變暖會導(dǎo)致適宜作物種植和多熟種植的北界都會向北移動［1，2］，農(nóng)作物的布局和品種的熟制也會發(fā)生相應(yīng)的變化，也使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加，特別是這將明顯減少中國華南地區(qū)、西藏的土地生產(chǎn)潛力［3，4］；李袆君等［4］在前人的研究成果下分析了氣候變化對中國三大糧食作物布局和種植結(jié)構(gòu)的影響，表明由于氣候變暖，糧食作物種植比例變化明顯，其中，小麥種植比例波動大，水稻種植比例呈現(xiàn)南方和北方相反的趨勢，且玉米種植比例出現(xiàn)持續(xù)增加趨勢［5］；隨著氣候變暖，中國北部地區(qū)水稻的種植比例增加，黑龍江、內(nèi)蒙古和新疆小麥種植比例減少，而藏、黔、豫地區(qū)小麥的種植比例有所增加；復(fù)種指數(shù)變化在總體上呈上升趨勢，氣候變化使中國的主要作物品種布局發(fā)生改變，華北的強(qiáng)冬性小麥將會被半冬性小麥所取代，而耐高溫的水稻品種將在南方占主導(dǎo)地位，同時(shí)東北地區(qū)的早熟玉米品種將逐漸被中、晚熟品種所取代［6，7］。

因此，本研究以典型亞熱帶季風(fēng)區(qū)鎮(zhèn)寧自治縣23年的年平均氣溫、年降雨量、年平均相對濕度、年日照總時(shí)數(shù)、無霜期和積溫等氣象觀測數(shù)據(jù)及大宗作物（主要是水稻、小麥、玉米）的單產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，這對研究亞熱帶季風(fēng)區(qū)氣候變化對農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響具有一定的理論和實(shí)踐意義。

1 數(shù)據(jù)來源與描述

1.1 數(shù)據(jù)來源

從鎮(zhèn)寧自治縣（以下稱鎮(zhèn)寧縣）農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、氣象局和統(tǒng)計(jì)局調(diào)查收集獲得1990—2012年大宗作物（水稻、玉米、小麥、油菜）種植面積、氣溫、降水量、相對濕度、日照、無霜期和積溫23年的數(shù)據(jù)，并對氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單變化分析。本研究以鎮(zhèn)寧縣1990—2012年日平均氣溫穩(wěn)定≥10℃的積溫?cái)?shù)據(jù)作為參考，探討大宗作物（主要是水稻、小麥、玉米）對熱量的要求，調(diào)整其種植結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)量。

1.2 數(shù)據(jù)描述

1.2.1 年平均氣溫 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年年平均氣溫變化（圖1）可以看出，在近23年中，年平均氣溫出現(xiàn)上下波動的變化，但總體而言，變化呈上升趨勢；平均氣溫15.4℃，其中年平均氣溫最高達(dá)16.8℃（2009年），較歷年的年平均氣溫高1.4℃，年平均氣溫最低值為13.6℃，較歷年的年平均氣溫低1.8℃。

圖1 鎮(zhèn)寧縣1990—2012年平均氣溫

1.2.2 年降雨量 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年的年降雨量及年雨日變化（圖2）可以看出，在近23年中，年降雨量的起伏變化較大，出現(xiàn)3個(gè)高峰年份和2個(gè)低值年份，其中，2000年年降雨量最高（1 841.3 mm），2008年次之（1 690.4 mm），最后是2012年（1 619.2mm）；年降雨量最低的是2011年（874.7 mm），其次是1990年（1 033.3 mm）；而年降雨量平均值為1 354.7 mm，最高值較平均值高486.6 mm，最低值較平均值低480.0 mm；在1990—2012年的年雨日最高達(dá)204 d，最低也有132 d，降水量較豐沛。

圖2 鎮(zhèn)寧縣1990—2012年的年降雨量和年雨日

1.2.3 相對濕度 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年的年相對濕度變化（圖3）可以看出，各年各個(gè)季度的相對濕度波動平緩，與歷年平均相對濕度相比變化不大，但總體呈緩慢上升的趨勢。

圖3 鎮(zhèn)寧縣四季相對濕度及年平均相對濕度

1.2.4 年日照總時(shí)數(shù) 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年的年日照總時(shí)數(shù)變化（圖4）可以看出，年日照總時(shí)數(shù)的平均值為1 193.9 h，其中，年日照總時(shí)數(shù)最高出現(xiàn)在1993年，最高達(dá)1 416.7 h，較平均年日照總時(shí)數(shù)高222.8 h；最低出現(xiàn)在2005年，達(dá)917.4 h，與平均年日照總時(shí)數(shù)相比，相差276.5 h；其余各年度的變化波動較大，但總體看來，年日照總時(shí)數(shù)呈波狀增長的趨勢。

圖4 鎮(zhèn)寧縣年日照總時(shí)數(shù)

1.2.5 無霜期 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年的無霜期變化（圖5）可以看出，在近23年中，無霜期的變化起伏較大，其中，無霜期平均是288 d，無霜期最低出現(xiàn)在1994年，為233 d，而最高出現(xiàn)在1991年，達(dá)365 d。從總體來看，無霜期的天數(shù)呈上升趨勢。

圖5 鎮(zhèn)寧縣無霜期

1.2.6 積溫 由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年積溫變化（圖6）可以看出，積溫在4 000～6 000（d·℃）上下波動，總體而言，其變化呈上升趨勢；平均積溫為4 766.94（d·℃），其中，年平均積溫最低達(dá)4 244.60（d·℃）（1991年），較歷年的平均積溫低522.34（d·℃），年平均積溫最高值為5 386.70（d·℃）（2009年），較歷年的平均積溫高619.76（d·℃）。

圖6 鎮(zhèn)寧縣≥10℃活動積溫

2 季風(fēng)氣候?qū)r(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)影響的分析

2.1 變量選擇

在氣候變化對農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響研究中，將年降雨量、年平均氣溫、年日照總時(shí)數(shù)、年平均相對濕度、無霜期和積溫作為分析的自變量，水稻、玉米、小麥的產(chǎn)量（單產(chǎn)）作為分析的因變量（表1），從而分析農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)在氣候變化影響下所發(fā)生的變化。

表1 變量選擇及變量含義

2.2 模型選擇

水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)受多種氣候因子的影響，因此把水稻、玉米、小麥產(chǎn)量3種農(nóng)作物作為解釋變量，而年降雨量、年平均氣溫、年日照總時(shí)數(shù)、年平均相對濕度、無霜期、積溫這幾個(gè)氣候因子共同影響水稻、玉米、小麥。無論解釋變量還是被解釋變量都是連續(xù)變量，所以采用多元線性回歸模型來拓展估計(jì)分析。其逐步回歸方程如下。

式中，yi（i=1，2，3）分別表示水稻、小麥、玉米，x1、x2、x3、x4、x5、x6分別表示年降雨量、年平均氣溫、年日照總時(shí)數(shù)、年平均相對濕度、無霜期、積溫。

2.3 模型運(yùn)行結(jié)果

結(jié)合要解決的實(shí)際問題，運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行估計(jì)分析。其結(jié)果如下。

2.3.1 水稻產(chǎn)量模型運(yùn)行結(jié)果 從模型估計(jì)結(jié)果（表2）來看，因變量y1（水稻產(chǎn)量）對6個(gè)自變量x1、x2、x3、x4、x5、x6回歸的非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.059、35.370、-0.228、-9.745、-0.611、-0.007，對應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)t分別為0.611、0.689、-1.113、-0.388、-0.841、-0.075。年降雨量、年平均氣溫、年日照總時(shí)數(shù)、年平均相對濕度、無霜期、積溫的P均大于0.05，故認(rèn)為回歸方程不顯著。出現(xiàn)這樣的分析結(jié)果，推測在統(tǒng)計(jì)過程中存在一定的誤差，導(dǎo)致該模型的失敗。

青浦區(qū)是全國第三批節(jié)水型社會建設(shè)試點(diǎn)?！稐l例》施行以來，青浦區(qū)繼續(xù)按照《上海市青浦區(qū)節(jié)水型社會建設(shè)試點(diǎn)工作大綱》及規(guī)劃，按照最嚴(yán)格水資源管理的要求，努力形成水資源管理制度、節(jié)水型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、節(jié)水型工程技術(shù)和節(jié)水型行為規(guī)范等四大體系，扎實(shí)開展節(jié)水型社會建設(shè)各項(xiàng)工作。實(shí)行了取水許可和水資源論證制度，開展水平衡測試，實(shí)行定額管理，實(shí)行建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水設(shè)施“三同時(shí)、四到位”管理制度。節(jié)水型社會建設(shè)試點(diǎn)取得初步成效，并于2011年通過了水利部全國節(jié)水型社會建設(shè)中期評估，被評為第三批全國節(jié)水型社會建設(shè)試點(diǎn)優(yōu)秀單位。

表2 水稻產(chǎn)量運(yùn)行結(jié)果

綜上所述，此回歸模型不可用于分析氣候變化對大宗作物的影響。但為了繼續(xù)研究，本研究將運(yùn)用Excel單獨(dú)分析水稻的產(chǎn)量。由鎮(zhèn)寧縣1990—2012年水稻產(chǎn)量變化（圖7）可以看出，鎮(zhèn)寧縣2002年水稻產(chǎn)量最低，為3 460.65 kg/hm2，2003年產(chǎn)量最高，為10 253.70 kg/hm2?？傮w看來，其產(chǎn)量呈上升趨勢，但在2010—2012年其產(chǎn)量有所下降。

圖7 鎮(zhèn)寧縣水稻產(chǎn)量

2.3.2 小麥產(chǎn)量模型運(yùn)行結(jié)果 從模型估計(jì)結(jié)果（表3）可以看出，因變量y1（小麥產(chǎn)量）對6個(gè)自變量x1、x2、x3、x4、x5、x6回歸的非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.036、24.067、0.009、7.659、0.134、0.015，對應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)t分別為2.230、2.858、0.263、1.857、1.124、1.035。年降雨量、年平均氣溫的P分別為0.040、0.011，P在0.01～0.05，可以認(rèn)為回歸方程顯著，而年日照總時(shí)數(shù)、年相對濕度、無霜期、積溫的P大于0.05，可以認(rèn)為回歸方程不顯著。在標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)一列中，可以看到“常數(shù)項(xiàng)”沒有數(shù)值，已經(jīng)被剔除，所以得到標(biāo)準(zhǔn)化的回歸方程如下。

表3 小麥產(chǎn)量運(yùn)行結(jié)果

式中，x1表示年降雨量；x2表示年平均氣溫；y2表示小麥的產(chǎn)量。

2.3.3 玉米產(chǎn)量模型運(yùn)行結(jié)果 從模型估計(jì)結(jié)果（表4）可以看出，因變量y1（玉米產(chǎn)量）對6個(gè)自變量x1、x2、x3、x4、x5、x6回歸的非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.016、-23.310、-0.260、-23.180、-0.476、0.103，對應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)t分別為0.356、-0.955、-2.667、-1.939、-1.377、2.454。年日照總時(shí)數(shù)、積溫的P分別為0.017、0.026，P在0.01～0.05，可以認(rèn)為回歸方程顯著，而年降雨量、年平均氣溫、年平均相對濕度的P大于0.05，可認(rèn)為回歸方程不顯著。在標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)一列中，可以看到“常數(shù)項(xiàng)”沒有數(shù)值，已經(jīng)被剔除，所以標(biāo)準(zhǔn)化的回歸方程如下。

表4 玉米產(chǎn)量運(yùn)行結(jié)果

式中，x3表示年日照總時(shí)數(shù)；x6表示積溫；y3表示玉米的產(chǎn)量。

3 結(jié)果與分析

基于以上分析可以看出，隨著氣候變暖和水熱條件的變化，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，首先，從對水稻產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)分析可以得出，水稻的產(chǎn)量呈上升趨勢。

其次，在分析氣候因子對小麥產(chǎn)量影響中可以看出，年降雨量、年平均氣溫對小麥的產(chǎn)量影響較明顯，表現(xiàn)為隨著氣候的變化，小麥的產(chǎn)量呈逐年下降的趨勢，所以可以得出逐步回歸方程如下。

式中，x1表示年降雨量；x2表示年平均氣溫；y2表示小麥的產(chǎn)量。

由該方程可以看出，年降雨量每增加一個(gè)單位會使小麥的產(chǎn)量增加0.036個(gè)單位；因?yàn)樾←準(zhǔn)悄秃底魑?，所以年平均氣溫每上升一個(gè)單位會使小麥的產(chǎn)量增加24.067個(gè)單位；從多元回歸方程來看，小麥的產(chǎn)量呈逐漸下降的趨勢。

最后，在分析氣候因子對玉米的產(chǎn)量影響中可以看出，無霜期、積溫對玉米的產(chǎn)量影響明顯，表現(xiàn)為隨著氣候的變化，玉米的產(chǎn)量呈波狀且總體呈上升的趨勢，可以得出逐步回歸方程如下。

式中，x3表示日照總時(shí)數(shù)；x6表示積溫；y3表示玉米的產(chǎn)量。

由上述逐步回歸方程可以看出，日照總時(shí)數(shù)每增加一個(gè)單位會使玉米的產(chǎn)量減少0.26個(gè)單位；積溫每增加一個(gè)單位會使玉米的產(chǎn)量增加0.103個(gè)單位；從多元回歸方程來看，玉米的產(chǎn)量總體呈上升的趨勢。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

通過以上的統(tǒng)計(jì)分析和建立多元線性回歸模型分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論。

1）通過氣候因子對農(nóng)作物的影響分析，可以看出隨著降雨量的增加，小麥的產(chǎn)量逐漸下降，反之水稻、玉米的產(chǎn)量增加。在以后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可適當(dāng)增加玉米和水稻的種植面積，適當(dāng)減小小麥的種植面積。

2）通過分析水稻、小麥和玉米的產(chǎn)量可以看出，當(dāng)氣候出現(xiàn)異常變化時(shí)，自然災(zāi)害對水稻、小麥、玉米產(chǎn)量的影響較大。2011年的年降雨量達(dá)到這23年的最低值，進(jìn)而導(dǎo)致該水稻的產(chǎn)量較2010年減產(chǎn)57.5%，玉米則減產(chǎn)58.1%，相反，小麥則增產(chǎn)54.1%。當(dāng)氣候出現(xiàn)異常變化時(shí)，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)布局，直接影響著農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。因此，農(nóng)業(yè)部門有必要及時(shí)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)布局。

3）在進(jìn)行多元線性回歸分析后可以得到，在出現(xiàn)極端天氣時(shí)，如干旱氣候，使農(nóng)作物的產(chǎn)量變化較大，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較單一的情況。

4.2 討論

農(nóng)作物的整個(gè)生長期受到眾多因素影響。但一般情況下，氣溫、降雨量、相對濕度、日照時(shí)數(shù)、無霜期和積溫等氣候因子是直接性影響。農(nóng)戶通常會根據(jù)近年氣候因子的變化進(jìn)行趨勢性判斷當(dāng)年和未來的氣候變化情況，進(jìn)而安排農(nóng)作物種植。

1）氣溫。氣溫升高可以延長農(nóng)作物的生長期，有利于多年生作物生長和熱量不足地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)，但不利于生長期短的作物生長；因?yàn)闇囟鹊纳邥罐r(nóng)作物的生長發(fā)育速度加快，從而減短生長期，使作物的產(chǎn)量下降。同時(shí)，在年平均溫度升高時(shí)，出現(xiàn)最高溫和最低溫的頻率增加，這將會影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。在比較溫暖的氣候條件下，土壤有機(jī)質(zhì)中的微生物分解會加快，在這種情況下，時(shí)間越長，土壤的肥力便會下降，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量減少，進(jìn)而將引起該區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的變化。隨著氣溫的升高，病蟲發(fā)生的時(shí)間可能會提前，害蟲繁殖也將增加，對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響非常大，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致絕收，所以，這也是影響農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的間接原因。

2）降雨量。降雨量是決定一個(gè)地區(qū)種植何種農(nóng)作物的重要因素，降雨量豐沛的年份主要以水稻、玉米種植和一些需要足夠雨水量的作物為主，反之，降雨較少的年份則以耐旱作物種植為主。

3）相對濕度。相對濕度是空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，是影響植物吸水與蒸騰作用的重要因子之一；在相對濕度較小的情況下，植物蒸騰會比較旺盛，植物生長也較好；但如果長時(shí)間空氣濕度處于飽和的情況下，植物的生長將會受抑制，導(dǎo)致谷物子粒的灌漿速度降低。此外，相對濕度大還容易引發(fā)小麥銹病等多種病害發(fā)生。如果相對濕度太小會加重土壤干旱或是引起天氣干旱，特別是在氣溫高而土壤墑情較差時(shí)，植物的水分平衡受到破壞，會阻礙作物生長從而造成減產(chǎn)。

4）日照時(shí)數(shù)是太陽垂直于其光線平面上的輻射強(qiáng)度超過或等于120 W/m2的時(shí)間長度。年日照時(shí)數(shù)是衡量光照條件和表示氣候變化的主要?dú)庀笠刂唬瑢r(nóng)作物的生產(chǎn)有著直接的影響；當(dāng)陽光充足時(shí)，不僅會提高氣溫，增加有效積溫，還有利于農(nóng)作物的光合作用，從而促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長。

5）無霜期。無霜期是指一個(gè)地區(qū)每年的終霜期與初霜期之間的天數(shù)。對農(nóng)作物種植產(chǎn)生影響的是霜凍，5月以前出現(xiàn)終霜凍，僅對育苗移栽的作物有影響，6月出現(xiàn)終霜凍，對大多數(shù)出苗的農(nóng)作物有較大影響；秋季初霜凍如果出現(xiàn)在9月下旬對大多數(shù)作物影響不大，在9月中旬出現(xiàn)初霜凍將影響大多數(shù)作物的成熟，造成減產(chǎn)和水分過大。因此，研究無霜期對于合理調(diào)整農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、提高其產(chǎn)量具有重要作用。

6）積溫。積溫一般指日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫的總和，是研究溫度與生物有機(jī)體發(fā)育速度之間關(guān)系的一種指標(biāo)。積溫在農(nóng)業(yè)氣象中有3個(gè)方面的應(yīng)用：①反映生物體對熱量的要求，為地區(qū)間作物引種和新品種推廣提供依據(jù)；②在農(nóng)業(yè)氣候研究中作為分析地區(qū)熱量資源、編制農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的熱量指標(biāo)；③在農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)、情報(bào)服務(wù)中根據(jù)作物各發(fā)育時(shí)期的積溫指標(biāo)，預(yù)報(bào)作物的發(fā)育時(shí)期。