氣候變化對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量的影響分析

□陳澤華，張 旭，張雨雨，夏晨茜，劉雨熙，劉夢(mèng)鴿，黎 明

（湖北工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 武漢 430068）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本質(zhì)上與氣候變化和自然資源密切相關(guān)，氣候變化以及由此產(chǎn)生的環(huán)境脆弱性直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力。因此，在氣候變化背景下探索如何維持原有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行及建立適應(yīng)現(xiàn)有氣候變化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)制成為首要問(wèn)題。中國(guó)作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式仍占主導(dǎo)地位，因此氣象因素仍是影響中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素。研究發(fā)現(xiàn)，隨著近年來(lái)溫度的提升，全球糧食減產(chǎn)30%，如果考慮氣候變化所致的降水量減少和極端氣候增加等多種因素，糧食產(chǎn)量的降低可能導(dǎo)致區(qū)域及國(guó)家層面的糧食安全問(wèn)題。

在世界范圍內(nèi)尋求可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以滿(mǎn)足全球日益增加的糧食需求，削減大氣溫室氣體排放水平，防止其對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的人為干擾，成為區(qū)域?qū)用孓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)本身是極其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，氣候變化所導(dǎo)致的氣象因素及極端氣候事件會(huì)即時(shí)性地影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)出。因此，基于地方與區(qū)域需求，探索農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和適應(yīng)能力，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要理論依據(jù)。本研究通過(guò)低成本的運(yùn)算工具，就區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要指標(biāo)和氣候變化因素的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，為未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為管理者制訂相關(guān)政策提供借鑒。

1 研究對(duì)象與材料

1.1 研究對(duì)象

研究選擇2003—2020 年氣候數(shù)據(jù)中的溫度、降水與二氧化碳（CO2）排放量及糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》及CEADs中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)，糧食數(shù)據(jù)取自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》及中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)、天下糧倉(cāng)網(wǎng)。

1.2 研究方法

選取中國(guó)糧食產(chǎn)量為研究樣本，選擇移動(dòng)平均法分析進(jìn)行了模擬。自回歸積分移動(dòng)平均模型1970 年由Box＆Jenkings 提出，并廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列的分析與預(yù)測(cè)。移動(dòng)平均法基于第一項(xiàng)數(shù)值計(jì)算其序時(shí)平均數(shù)，而后逐項(xiàng)移動(dòng)，求出移動(dòng)平均數(shù)。公式如下。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國(guó)歷年氣候變化動(dòng)態(tài)

全國(guó)2003—2020 年溫度動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)如圖1 所示，2003—2020 年年平均溫度為14.4 ℃，近年來(lái)溫度變化極值出現(xiàn)頻率增加，其中，2007 年年平均溫度為14.9 ℃，2012 年年平均溫度為13.8 ℃。

圖1 全國(guó)2003—2022 年平均溫度變化

如圖2 所示，2003—2020 年全國(guó)年平均降水量呈增加態(tài)勢(shì)，總體平均降水量在905.5 mm，2016 年出現(xiàn)最高降水量1 128.9 mm，在2011 年出現(xiàn)最低降水量787 mm。

圖2 全國(guó)2003—2022 年降水量變化

如圖3 所示，在2020 年出現(xiàn)最高二氧化碳排放量達(dá)10 503.75 mt，2003 年出現(xiàn)最低二氧化碳排放量為4 249.68 mt，2003—2020 年平均二氧化碳排放量在8 318.6 mt。

圖3 全國(guó)2003—2022 年二氧化碳排放量變化

2.2 全國(guó)歷年糧食產(chǎn)量變化與預(yù)測(cè)研究

如圖4 所示，2003—2020 年我國(guó)糧食產(chǎn)量變化總體上呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢(shì)。

圖4 全國(guó)2003—2020 年糧食產(chǎn)量

運(yùn)用2003—2020 年全國(guó)糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，基于簡(jiǎn)單移動(dòng)平均預(yù)測(cè)模型，得到歷年糧食的預(yù)測(cè)值，結(jié)果如圖5 所示，2003 年為糧食產(chǎn)量最小，2020 年糧食產(chǎn)量最高，2003—2020 年平均糧食產(chǎn)量為58 133 萬(wàn)t。

圖5 簡(jiǎn)單移動(dòng)平均預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)糧食產(chǎn)量

簡(jiǎn)單移動(dòng)平均預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠較好地?cái)M合實(shí)際全國(guó)糧食產(chǎn)量，說(shuō)明該簡(jiǎn)單移動(dòng)平均預(yù)測(cè)模型具有良好的預(yù)測(cè)效果。根據(jù)殘差分析結(jié)果，數(shù)據(jù)分布為白噪聲，分布為正態(tài)分布，如圖6 所示，該模型滿(mǎn)足分析需求。

圖6 實(shí)際值與預(yù)測(cè)值殘差圖

2.3 氣候變化因素對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

如圖7 所示，對(duì)溫度變化與糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)運(yùn)用Cubic 線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行擬合，R2值為0.316 2。結(jié)果顯示，溫度變化與糧食產(chǎn)量呈顯著性相關(guān)。因此，溫度對(duì)糧食產(chǎn)量的影響在一定程度上反映出氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

對(duì)降水量變化與糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)運(yùn)用Cubic 線(xiàn)性回歸模型來(lái)進(jìn)行擬合，如圖8 所示，R2值為0.446 3。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，降水量變化與糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著性相關(guān)（P＜0.05）。因此，降水量是未來(lái)糧食生產(chǎn)過(guò)程中需要關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

圖7 溫度變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

圖8 降水量變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

由圖9 可知，通過(guò)對(duì)二氧化碳排放量變化與糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)運(yùn)用Cubic 線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行擬合，采用擬合性較高的三階二項(xiàng)式趨勢(shì)線(xiàn)，R2值為0.948 1。可見(jiàn)，二氧化碳排放量變化與糧食產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)較高，因而二氧化碳排放量變化對(duì)糧食產(chǎn)量影響較大，這也在一定程度上反映出二氧化碳（CO2）上升對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn)作用。

3 討論

本研究采用了一種基于簡(jiǎn)單移動(dòng)平均的糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法。結(jié)果表明，簡(jiǎn)單移動(dòng)平均能夠很好地實(shí)現(xiàn)糧食產(chǎn)量的預(yù)測(cè)分析。同時(shí)，基于殘差分析結(jié)果，模型滿(mǎn)足預(yù)測(cè)需求。

農(nóng)業(yè)高度依賴(lài)特定的氣候條件，試圖了解氣候變化對(duì)糧食供應(yīng)的整體影響可能很困難。溫度和二氧化碳（CO2）的增加可能對(duì)某些地方的某些作物有益，但前提是必須滿(mǎn)足養(yǎng)分水平、土壤濕度、水的可用性和其他條件。干旱和洪水的頻率以及其嚴(yán)重程度可能會(huì)給農(nóng)民和牧場(chǎng)主帶來(lái)挑戰(zhàn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，溫度、降水量、二氧化碳（CO2）3 種因素會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、生長(zhǎng)環(huán)境以及種植規(guī)律等方面，進(jìn)而影響糧食的產(chǎn)出數(shù)量。由圖7～圖9可知，二氧化碳（CO2）作為重要的溫室氣體，是造成當(dāng)前氣候變化的重要因素，但同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必需的肥料，一定程度的二氧化碳（CO2）排量升高可以顯著增加植物的光合作用，從而促進(jìn)糧食產(chǎn)量增加，因此糧食產(chǎn)量的變化需要綜合考慮眾多氣候影響因素。

圖9 二氧化碳排放量變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

隨著全球氣候變化，氣溫上升直接影響作物生長(zhǎng)的外部環(huán)境發(fā)生著細(xì)微的變化，這些變化又直接影響到作物的生長(zhǎng)。從作物生長(zhǎng)需求的環(huán)境條件來(lái)說(shuō)，氣候變暖會(huì)使低溫凍害等災(zāi)害減少、作物春季物候期提前、種植期延長(zhǎng)，很大程度上將會(huì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，有利于糧食的生產(chǎn)。

降水量是否適宜取決于地面狀況、土壤性質(zhì)、降水強(qiáng)度、當(dāng)時(shí)的土壤水分狀況和作物的需水量等因素。有效降水是指實(shí)際補(bǔ)充到植物根層土壤水分，故有效降水區(qū)間內(nèi)降水量越大，其對(duì)糧食作物的生長(zhǎng)有益性就越大。

二氧化碳（CO2）等溫室氣體濃度增加會(huì)使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)生一系列變化，并可能影響農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)決策、品種改良、土地利用、農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格政策和技術(shù)改進(jìn)等一系列問(wèn)題。大量研究結(jié)果表明，大氣中的二氧化碳（CO2）濃度升高，大部分農(nóng)作物產(chǎn)量將會(huì)有所增加。

總體而言，氣候變化可能會(huì)直接影響農(nóng)作物種植，氣候變化的影響還需要考慮影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的其他因素。溫度、二氧化碳（CO2）含量以及極端天氣的頻率和強(qiáng)度變化可能對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。溫度升高可能會(huì)使許多作物生長(zhǎng)得更快，但也會(huì)降低作物產(chǎn)量產(chǎn)量。在較溫暖的條件下，作物往往生長(zhǎng)得更快，然而，對(duì)于某些作物（如谷物），快速生長(zhǎng)減少了種子生長(zhǎng)和成熟的時(shí)間，這可能會(huì)降低產(chǎn)量。對(duì)于任何特定作物，溫度升高的影響將取決于作物生長(zhǎng)和繁殖的最佳溫度。在一些地區(qū)，變暖可能有利于區(qū)域通常種植的作物類(lèi)型，但是，如果變暖超過(guò)作物的最佳溫度，產(chǎn)量可能會(huì)下降。

4 結(jié)論

毫無(wú)疑問(wèn)，農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最大的行業(yè)，在未來(lái)幾十年里，滿(mǎn)足世界上日益增長(zhǎng)的糧食需求可能會(huì)變得更加困難，因?yàn)槭澜缟弦恍┳钬毨У貐^(qū)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)面臨著人口增長(zhǎng)和收入增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。氣候變化改變了溫度和降水模式，對(duì)作物生產(chǎn)有直接影響。氣候變化將對(duì)區(qū)域水文產(chǎn)生直接影響，通過(guò)改變作物可用水量來(lái)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，氣候變化下的溫度升高在很大程度上會(huì)增加蒸散量和影響作物的生長(zhǎng)需求。降水變化對(duì)作物產(chǎn)量會(huì)有一定的影響，未來(lái)日照時(shí)數(shù)和降水會(huì)呈下降趨勢(shì)，氣溫會(huì)保持上升趨勢(shì)，而日照時(shí)數(shù)減少、氣溫上升和降水減少不利于糧食增產(chǎn)；非氣候要素投入會(huì)改變氣候要素變化對(duì)糧食作物生產(chǎn)的影響，隨著氣溫上升、降水減少，增加灌溉、化肥投入會(huì)顯著提升糧食產(chǎn)量。因此，未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可從人工光照技術(shù)開(kāi)發(fā)、推廣耐旱作物品種、完善農(nóng)田灌溉設(shè)施等方面予以重點(diǎn)提升，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候韌性。