四川省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)與氣候變化耦合協(xié)調(diào)性研究

黎景銳，王 謝，羅懷良，張建華

（1四川省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066；2四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610101；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，成都 610066）

0 引言

農(nóng)業(yè)是對氣候變化響應最為敏感的部門之一[1]。農(nóng)業(yè)在應對全球糧食安全方面面臨巨大挑戰(zhàn)，預計在氣候變化下將面臨更大挑戰(zhàn)[2-4]，尤其是中國這樣人口眾多的發(fā)展中國家[5-8]。預計到2050年，由于全球變暖，發(fā)展中國家的整體潛在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率會下降9%～21%[9]。21世紀以來，中國不同區(qū)域農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)都發(fā)生了顯著變化，四川是全國13個糧食主產(chǎn)省之一[10]，也是中國西部的水果、蔬菜種植大省[11]。2000年以來，隨著四川省經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程推進，農(nóng)村勞動力大量向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)村常住人口由2000年的6941.2萬人降至2019年的3870.1萬人。四川是長江上游生態(tài)屏障建設(shè)的重點地區(qū)，坡耕地面積較大，但水土流失嚴重、城市建筑用地不斷擴展、人口的城市化使大量農(nóng)用地撂荒、退耕還林使耕地轉(zhuǎn)換為林地、耕地污染等因素，都使得耕地面積不斷減少[12]。此外，規(guī)?；疤厣r(nóng)作物種植的發(fā)展等對農(nóng)田利用狀況也產(chǎn)生著深刻的影響。

目前，關(guān)于農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響因素研究主要集中在氣候變化、土壤狀況、耕地規(guī)模、不同作物的比較優(yōu)勢差異、社會需求、政策引導、農(nóng)民意愿等方面[13-15]。四川省于2019年提出了加快建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“10+3”產(chǎn)業(yè)體系的規(guī)劃，致力于將四川省由農(nóng)業(yè)大省轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)強省。區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)狀況關(guān)系著區(qū)域的第一產(chǎn)業(yè)水平、農(nóng)民的收益、資源的配置、相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局等問題[16-18]。尋求合理的作物種植結(jié)構(gòu)，可以提升土地利用效率、提高農(nóng)民收入、改善區(qū)域環(huán)境，實現(xiàn)多方效益的共贏[19-21]。鑒于此，本研究以氣候變化為背景，對四川省2000—2018年主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的變化特征進行分析，以期為四川省未來氣候變化背景下農(nóng)業(yè)發(fā)展的科學規(guī)劃、合理布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來源與處理

農(nóng)作物產(chǎn)量受氣候等自然因素影響較大，易出現(xiàn)異常值，且已有研究中應用播種面積數(shù)據(jù)開展研究的較多。因此，采用播種面積數(shù)據(jù)劃分種植結(jié)構(gòu)類型[22]。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源于2000—2018年《四川省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》，涉及農(nóng)作物種類包括水稻、小麥、玉米、豆類、薯類、果園、油料作物等。氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，收集了四川省43個農(nóng)業(yè)氣象觀測站2000—2018年的逐日降水量、平均氣溫，≥10℃積溫等數(shù)據(jù)。

采用Excel和Origin 2018軟件，對主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的變化特征進行分析；對43個氣象站逐日數(shù)據(jù)進行分類匯總，計算出全省年際平均降水量，根據(jù)逐日平均氣溫數(shù)據(jù)，對≥10℃的日值數(shù)據(jù)進行加總，得到≥10℃年際積溫；對降水量和積溫進行趨勢分析，探討氣候變化趨勢。

1.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

為評價四川省主要農(nóng)作物與氣候變化的協(xié)調(diào)關(guān)系，本文借鑒物理學中的容量耦合模型，采用農(nóng)作物播種面積和降水及積溫數(shù)據(jù)，構(gòu)建農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)與氣候變化的耦合度和協(xié)調(diào)度模型[23]。耦合度反映了區(qū)域農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)與氣候變化的同步性，協(xié)調(diào)度模型則可以更好地評價農(nóng)作物與氣候變化的協(xié)調(diào)與不協(xié)調(diào)關(guān)系，具體公式如式(1)所示。

式中：C表示2個系統(tǒng)的耦合度，U1和U2分別表示氣候變化和農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化的綜合指數(shù)。當C=1時，耦合度極大，表示氣候變化與農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化兩系統(tǒng)之間達到良性共振耦合；當C=0時，耦合度極低，表示氣候變化與農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化兩系統(tǒng)之間處于無序狀態(tài)。系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度如式(2)～(3)所示。

式中：D為系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度；T為系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，反映系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)效應，α、β為待定參數(shù)，其值大小根據(jù)氣候變化與農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化的重要程度確定。參考已有研究，認為氣候變化與農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化兩個系統(tǒng)同等重要，故令α＝β＝0.5。協(xié)調(diào)度越高說明氣候變化與農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化屬于良性相互促進關(guān)系，當D=0時表示兩個系統(tǒng)之間處于無序耦合狀態(tài)，反之，2個系統(tǒng)之間相互作用和關(guān)聯(lián)性較大。根據(jù)目前學者的研究[24]，可以劃分以下4個區(qū)間：當D≤0.3時，表示低度協(xié)調(diào)類型；當0.3＜D≤0.5時，表示中度協(xié)調(diào)類型；當0.5＜D≤0.8時，屬于高度協(xié)調(diào)類型；當0.8＜D≤1.0時，屬于極度協(xié)調(diào)類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川省氣候變化特征

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)資料，對四川省2000—2018年年降水量與≥10℃積溫進行分析，如圖1所示。

圖1 四川省2000—2018年降水量(a)與積溫(b)變化情況

由圖1可以看出，四川省2000—2018年間降水量、≥10℃積溫均呈顯著上升趨勢。從整體變化趨勢來看，降水量10年傾向率為53.5 mm/10 a，≥10℃積溫10年傾向率為123.7℃/10 a；從波動情況來看，降水量年際波動相對較小，年際降水量均值為916.4 mm，2016年降水量達到最大值1108.6 mm，2006年降水量達到最小值768.2 mm，極差為340 mm?！?0℃積溫年際波動較大，在2004、2007、2013—2014年出現(xiàn)3次大的漲跌，積溫均值為3981.6℃，2004年達到最大值4480℃，2000年達到最小值3617℃，極差為863℃。

2.2 主要農(nóng)作物播種面積數(shù)量變化特征

四川省主要農(nóng)作物由糧食作物構(gòu)成，糧食作物中又以水稻、小麥、玉米、薯類為主。根據(jù)農(nóng)作物所占比重，將水稻、小麥、玉米、薯類、油料、豆類、果園之外的作物歸類為其他作物。2000年以來，四川省農(nóng)作物總播種面積變化不大，在956.2萬hm2上下波動，但各農(nóng)作物播種面積變化差異較大（圖2）。

由圖2可以看出，作物播種面積明顯增加的有玉米、油料作物、豆類、果園；薯類播種面積保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；作物播種面積明顯下降的有水稻、小麥和其他作物，玉米和小麥在2016年發(fā)生較大波動。

圖2 2000—2018年四川省主要農(nóng)作物播種面積變化情況

玉米播種面積大幅增加，2018年播種面積185.6萬 hm2，較2000年增加62.1萬hm2，增長率為45.7%；油料作物播種面積呈扁平“S”狀增長，2018年為149.1hm2，比2000年增加46.5hm2，增長率為52.2%；豆類2018年播種面積52.5萬hm2，較2000年增加8.0萬hm2，增長率為19.9%；果園播種面積增長較大，2018年播種面積74.4萬hm2，較2000年增加43.8萬hm2，增長率高達為162.2%。

薯類播種面積較為穩(wěn)定，多年均值為121.5 hm2，增長率僅為4.2%。

水稻2018年播種面積187.4萬hm2，較2000年減少24.9萬hm2，增長率為-11.5%；小麥播種面積大幅下降，2018年播種面積63.5萬hm2，較2000年減少96.9萬hm2，增長率為-53.3%；

2.3 主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)占比變化特征

由圖3可知，各主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)占比變化明顯。四川省農(nóng)作物種植占比前3種為水稻、玉米和薯類，多年平均占比分別為21%、17%和13%，且水稻在所有種類中占比較穩(wěn)定；小麥種植占比正在逐年降低，特別是16年開始大幅下降（由11%降至7%），播種面積占比由2000年的17%降至2018年的7%；玉米占比逐年增加，播種面積占比由2000年的13%增至2018年的19%；豆類總體占比較小且穩(wěn)定，在5%～6%之間；薯類占比變化不大，在12%～13%之間；果園占比較小，但播種面積占比呈逐年增加趨勢，且增加趨勢較明顯，播種面積占比由2000年的3%增至2018年的8%；油料作物播種面積有增加趨勢，播種面積占比由2000年的11%增至2018年的15%；其他作物占比在13%～17%之間，且呈逐年減少趨勢。

圖3 2000—2018年四川省主要農(nóng)作種植結(jié)構(gòu)占比變化趨勢

2.4 作物種植結(jié)構(gòu)與氣候變化的協(xié)調(diào)性分析

根據(jù)各氣候要素對農(nóng)作物影響的程度，用積溫表示氣候變化指數(shù)。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化指數(shù)由主要作物構(gòu)成，根據(jù)各農(nóng)作物的耐溫特性，將農(nóng)作物分為喜涼作物、喜溫作物和喜熱作物三大種類。結(jié)合四川省農(nóng)作物實際種植情況，喜涼作物主要包括小麥、薯類、甜菜、豆類（豌豆和蠶豆為主）；喜溫作物主要包括水稻、玉米等。喜溫作物對積溫增長的響應為正向指數(shù)，喜涼作物對積溫增長的響應為負向指數(shù)，對所有數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，計算得到農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度如下表1所示：

表1 2000—2018年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度

四川省2000—2018年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化整體耦合度與耦合協(xié)調(diào)度均較高。從耦合度來看，除2000年和2007年外，耦合度C值均≥0.79，說明農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化具有很高的同步性。從耦合協(xié)調(diào)度來看，2000年和2007年處于無序耦合狀態(tài)；2003、2004、2006年D值≥0.8，說明農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化極度協(xié)調(diào)，氣候變化與農(nóng)作物相互適應；其他年份D值在[0.5，0.8]之間，說明農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化協(xié)調(diào)度較高。此外，隨著四川省積溫總體增加的趨勢，未來積溫還將進一步提升，喜溫作物包括水稻、玉米等種植面積可適度擴大，而喜涼作物如小麥、薯類、甜菜、豆類（豌豆和蠶豆為主）等的產(chǎn)量則可能會受到氣候變暖的負面影響。

3 結(jié)論

為了探究四川省作物種植結(jié)構(gòu)與氣候變化的協(xié)調(diào)關(guān)系。本研究基于四川省氣候數(shù)據(jù)與農(nóng)作物播種面積數(shù)據(jù)，分析了2000—2018年四川氣候變化、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化以及它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）四川省2000—2018年間降水量、≥10℃積溫均呈顯著上升趨勢。降水量10年傾向率為53.5 mm/10 a，≥10℃積溫10年傾向率為123.7℃/10 a。

（2）作物播種面積明顯增加的有玉米、油料作物、豆類、果園；薯類播種面積保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；作物播種面積明顯下降的有水稻、小麥和其他作物，玉米和小麥在2016年發(fā)生較大波動。

（3）各主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)占比變化明顯。四川省農(nóng)作物種植占比前三種為水稻、玉米和薯類，多年平均占比分別為21%、17%和13%，且水稻在所有種類中占比較穩(wěn)定；小麥種植占比正在逐年降低。

（4）四川省2000—2018年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化整體耦合度與耦合協(xié)調(diào)度均較高。變化具有很高的同步性。2003、2004、2006年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化極度協(xié)調(diào)，氣候變化與農(nóng)作物相互適應；其他年份農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與氣候變化協(xié)調(diào)度較高。