中国粮食生产对气候资源波动响应的敏感性分析，本文主要内容关键词为：气候资源论文,敏感性论文,中国论文,粮食生产论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：S162.5[+]3 文献标识码：A文章编号：1007 —7588（1999）06—0013—05
气候变化的影响评价研究，已成为气候变化研究的重要内容之一。由政府间气候变化委员会（IPCC）每两年进行的气候变化评估报告，其核心内容便是对气候变化及其影响进行评价。气候变化的影响包括自然、经济、社会等各个方面。其中农业生产是极易受到气候变化影响的部门，目前气候变化的这种趋势和规模，足以对其产生强烈影响。IPCC第二工作组1994年的评估报告指出（IPCC，1994）：自然生态系统、社会经济系统和人类健康都对气候变化的程度和速度敏感。虽然目前对许多影响过程理解有限，加之区域尺度气候变化预测的不确定性，以及多个系统之间的非线性胁迫，影响结果难以量化，但可以肯定的是，因气候变化带来的农作物产量变化，随地域有很大差异。脆弱的自然和经济系统，承受气候变化影响的风险性将大大增加。如广大的热带或亚热带地区，以及干旱和半干旱地区。
我国地处季风气候区，农业气候资源不稳定，气候变化将使我国气候资源的波动性亦发生相应变化。加之我国农业生产对气候资源的依赖性较强，因此定量分析农业生产对气候资源波动响应的敏感性十分重要，但同时也十分困难。针对我国农业以粮食生产为主的特点，本文初步探讨：如何定量分析粮食生产对气候资源波动响应的敏感性。
1 敏感性指标的确定
敏感性是指一个系统对外界条件变化的反应程度，如由一定的温度或降水变化引起的生态系统的构成、结构、功能、以及初级生产力的变化程度（IPCC，1996年）。可以表示为：
RI＝△y／△x
式中，△y是系统输出量的变化，△x是系统输入量的变化。为了探讨粮食生产对气候波动响应的敏感性，用上式定义粮食生产的气候敏感性指数。显然，该指数的核心是确定系统的输出量△y和系统的输入量△x。
1.1 气候波动对粮食生产影响的度量——气候产量
粮食生产是社会经济因素与自然因素共同作用的结果，为探讨气候波动对粮食生产的影响，关键是如何区分社会经济因素与自然因素在其中的作用。粮食单产作为粮食生产系统的输出，应是社会经济因素与自然因素共同作用的体现，这样问题演变为：如何区分出粮食单产变化中，由社会经济因素决定的部分和由自然因素决定的部分。
粮食单产随时间的变化可分为长时间尺度呈某种趋势的缓慢变化，短时间尺度偏离该趋势的波动。将前者称为趋势项或趋势产量，反映比较稳定的社会经济因素的作用，表征社会生产力水平的变化。将后者称为波动项，反映粮食产量形成过程中不稳定因素的影响。在比较稳定的粮食生产系统中，该项产量波动幅度小。在不稳定的粮食生产系统中，该项产量波动幅度大。考虑到影响粮食生产各种不稳定因素中，气候要素的年际变率最大，而且不可控，因此可以推断：波动产量主要反映了粮食生产中气候因素的影响，称为气候产量。从这个意义上说，气候产量可用以表征气候波动对粮食生产的影响。
如何推求趋势产量和气候产量，许多学者对此做了深入研究，一般多以时间序列趋势拟合作为趋势项，拟合形式有线性和非线性。这种方法以数理统计为基础，虽然相关程度很高，但趋势产量中没有具体揭示出经济因素在其中的意义。为此本研究在采用时间序列趋势拟合方法的同时，利用柯布—道格拉斯生产函数（Cobb-Douglas Function ）分析粮食单产的变化。生产函数是经济学生产理论的核心概念（ David F.Heathfield,et al,1978），认为生产过程是将一系列投入转化为产出的过程，生产函数定量描述了一定技术水平下，各种投入要素与产出的关系，这样据此计算的产出不仅反映了各种经济因素的作用结果，而且揭示了它们的意义。根据我国粮食生产的投入状况，以及统计资料的可获得性，我们用物质投入表示生产要素的投入，包括化肥施用量，有效灌溉面积，农业机械，农村用电量，劳动力投入，它们分别表征了农业化学化、水利化、机械化、电力化的水平。为了与产出量一致，上述物质投入分别采用单位面积上的投入量，其数学表达式为：
式中Yt是经济产量，x[,1]是单位面积上的化肥施用量，x[,2 ] 是有效灌溉面积占农作物播种面积的百分比，x[,3] 是单位面积农业机械量，x[,4]是单位面积农村用电量，x[,5]是单位面积农村劳动力投入（15×10[4]人／hm[2]）。对应的指数大小反映了该要素在经济产量形成中作用的大小，指数越大，表示该要素的作用越大；反之则越小。计算结果表明：单产经济产量中贡献最大的投入要素是化肥施用，其次是电力水平。劳动力投入的变化呈明显下降趋势。
在实际单产中，剔除经济产量部分便获得由自然因素决定的产量。考虑到在所有自然要素中，气候的波动最为明显且不可控，因此这部分波动产量应主要反映气候的影响，故称为气候产量，表达式为：
Yc＝Y－Yt
我们进行了两种方法的对比，即同时用生产函数方法和时间序列趋势拟合方法求出两种气候产量，它们有着很好的对应关系，相关系数均在0.6以上，通过信度为0.01水平的显著性检验。这表明， 用两种方法推求气候产量均为可行，其差别在于：生产函数方法在给出经济产量的同时，揭示了其中经济因素的作用过程；时间趋势方法则只给出了经济因素的作用结果。对于只关心作用结果的研究而言，两种方法均可行。这样我们用时间趋势方法将气候产量的时间序列延长至建国初期，克服了物质投入资料序列不够长的限制。本文以下均采用此结果。计算表明，气候产量变化与灾情变化相关性亦非常好，尤其在灾情严重的极值年份，灾情峰值和气候产量谷值的反向对应关系十分显著，说明气候产量的确可以表征气候波动对粮食产量的影响（图1）。 这样气候产量便可作为反映系统敏感性的输出量。
图1 气候产量与灾情变化
Fig.1 Changes of climate yield and disasters
1.2 气候资源的度量——气候生产潜力
气候生产潜力是指目前生产和管理水平下，其它环境条件适宜时，由当地光、热、水等气候资源决定的单位面积农作物的产量。我国许多学者对气候生产潜力进行了深入研究，根据作物生长对光、热、水各要素的利用和作用生理过程，确定生产潜力的计算公式。本文采用公式如下：
Yc＝（E·C[,h]·∑Q）·f（T）·f（W）
E是理论光能利用率。C[,h]是作物经济系数，表示收获产量占生物产量的比例。∑Q是作物生长季内太阳总辐射。f（T）是温度影响函数， 主要有线性和非线性两种形式。本文采用公式如下：
喜凉作物（李克煌，1981）喜温作物（侯光良，1985）
t是不同生长期的温度。f（W）是水分影响函数。 水分供给的满足程度可由水分的收入和支出之比表示：
f（W）＝（P+I）／ET[,m]
P是降水量。 ET[ ,m] 是作物需水量（最大可能蒸散量）， 由修订的Penman公式计算（陶祖文等，1979）。I是灌溉水量。
气候生产潜力综合而定量描述了气候资源状况，它的年际变化反映了农业气候资源的波动，以及对粮食生产的最终影响。因此在探讨粮食生产系统对农业气候资源波动响应的敏感性时，可以用粮食作物气候生产潜力代表该系统的输入量。根据气候产量和气候生产潜力的意义，粮食生产对气候资源波动响应的敏感性指数可定义为气候产量（△y ）与气候生产潜力变化（△x）的比值。考虑到数量级的差异， 先对序列进行标准化处理，然后求出气候敏感性指数（表1）。
2 我国粮食生产对气候资源波动响应的敏感性分析
2.1 敏感性分析
气候敏感性指数实质反映了粮食生产系统中，由气候因素决定的那部分产量对于气候资源波动响应的敏感程度，该值越大，表示粮食生产系统对气候资源波动的反应越敏感，反之则不敏感。我国粮食生产的气候敏感性指数呈东西分布特征，比较敏感的区域有东北（黑、吉、辽）、华北（京、晋、冀、豫）、黄淮（苏、浙）、和西南（桂、贵、川）地区，其中黑、冀、苏三省最为敏感。值得注意的是，人类活动的影响（如投入增加使自然条件的改善，尤其是对限制因子的改变），会使气候产量变化与气候生产潜力变化并不同步，甚至反向，因此对气候敏感性指数的计算采用了两种处理方法：一是直接用标准化数值求比值（图 2a），二是用取绝对值后的标准化数值求比值（图2b）。 前者包含了人类活动的影响，指数小于零的省（区）反映出人类活动对粮食生产的影响比较强烈，可能主要与水分的利用有关。它们往往是我国产粮大省：吉林、辽宁、河北、河南、湖北、湖南。后者只是反映粮食产量波动幅度对于气候资源波动的敏感性，没有考虑人类活动的影响，敏感性指数大的区域与前者基本一致。我国粮食生产对气候资源波动响应敏感的地区主要分布在一些边缘地带：一是西南季风与东南季风的交界地带，如广西、贵州和四川省；二是中部季风区（东部季风边缘区），如山西、河南、湖北和湖南；三是亚热带的沿海地区，江苏和浙江；四是温带与寒温带交界的东北北部地区，吉林和黑龙江。这些边缘地带的水分或热量的年际变率往往很大，导致粮食生产的波动较强。
图2 粮食生产气候敏感性指数分布
Fig.2 Distribution of climatic sensitive index of grains
表1 各省（市、区）粮食生产对气候变化的响应指数
Table 1 Responsive index to climatic change of grains invarious provinces(municipalities,regions)
省 气 候 响 应 指 数
(市、区)50年代60年代70年代80年代平均
全国 0.71
0.42 2.31 25.71 8.01
安徽省
0.34
0.52 3.29 -1.02 0.83
北京市
1.24
5.98 6.23 0.12 3.53
甘肃省 -4.26 -0.17-0.56 0.11-0.79
广东省 -0.29
1.78 1.20 -1.99 0.27
广西壮族自治区
3.08 -0.15 0.69 17.83 5.54
贵州省 11.48
8.61-4.14 5.13 4.31
河北省
1.32
0.17-0.59 -1.07-0.09
黑龙江省-1.27 -0.9649.67 -0.2613.26
河南省
3.64 -0.23 0.25-39.00
-10.33
湖北省
0.17 -0.23 0.09-7.91 2.22
湖南省 -3.86
0.23-1.54 0.81 -0.71
江苏省 -0.78 -0.51 0.4758.73 16.89
吉林省
0.35 -12.32-4.28 0.80 -4.45
辽宁省
2.91
7.40-0.25 0.31 2.48
内蒙古自治区 0.21 0.35 1.38 0.44 0.88
宁夏回族自治区 -0.76 1.78 -1.15 1.07 0.37
山东省 -0.50 -0.17 1.32 0.15 0.27
陕西省
2.58 1.37 0.11-2.65 0.18
山西省 -0.49 2.26 0.69 5.64 2.27
四川省
0.55 0.18 0.00 1.30 0.48
天津市
0.32 -7.22 0.65 1.63 -1.37
云南省 -1.24 0.71 -0.62 4.61 1.17
浙江省
1.52 0.22 0.1618.60 5.47
表2 气候—经济指数分级
Table 2 Classification of climatic-economic index
省
气 候
经 济 指 数 分级
(市、区)50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 平均
全国 2
3
4
4
4
4
安徽省1
2
2
4
3
2
北京市1
2
2
4
3
3
福建省2
3
3
4
4
3
甘肃省1
1
2
4
3
2
广东省4
2
4
4
3
2
广西壮族自治区2
3
2
1
3
2
贵族省2
2
4
2
4
3
河北省2
2
3
4
4
3
黑龙江省 3
1
1
2
3
2
河南省1
1
4
3
4
2
湖北省2
2
4
4
4
4
湖南省2
3
4
4
4
4
江苏省3
2
4
4
4
4
江西省3
4
3
4
4
4
吉林省2
3
2
2
4
2
辽宁省1
2
3
1
3
2
内蒙古自治区 1
2
2
2
3
2
宁夏回族自治区2
2
2
3
4
2
青海省1
1
3
4
4
2
山东省1
2
4
3
2
2
上海市3
4
4
4
4
4
陕西省2
2
4
3
2
3
山西省2
2
2
3
2
2
四川省2
3
3
4
4
4
天津市2
1
1
3
4
2
新疆维吾尔自治区 1
1
3
3
4
2
西藏自治区1
1
2
2
4
1
云南省4
4
4
4
4
4
浙江省2
3
3
4
4
4
* 1级：CE≥0.15；2级：0.08≤CE＜0.15；3级：0.06≤CE＜0.08；4级：0≤CE＜0.06
2.2 气候影响程度分析
为了揭示气候对粮食生产的影响程度，定义气候—经济指数：反映气候影响程度的气候产量，与反映经济影响程度的趋势产量的比值，表达式为：
CE＝Yc／Yt
式中Yc是气候产量，Yt是经济（趋势）产量。该指数反映了气候影响程度相对于经济影响程度的比例，指数越大，表示气候影响程度越强，反之则越弱。
a：1949年～1996年平均；b：50年代；c：60年代；d：70年代；e ：80年代；f：90年代
图3 粮食生产气候—经济指数分布
Fig.3 Distribution of climatic-economic index of grains
将全国各省（区、市）气候—经济指数（表2）分为4个等级：一级表示气候影响最强；二级表示气候影响强；三级表示气候影响弱；四级表示气候影响最弱。从全国平均水平看，目前气候对粮食生产的影响程度大约相当于经济影响程度大约相当于经济影响程度的8.0%， 各省（市、区）为4.4%～13.4%，影响最大的省（市、区）是西藏、广西、 内蒙古，影响程度在11.0%以上。我国北方地区气候对粮食生产的影响程度强于南方（图3），这是由气候资源状况决定的。 随着经济产量的不断提高，气候对粮食产量的影响程度越来越小：50年代气候影响程度为5%～23%，60年代为2%～22%，70年代为1%～15%，80年代为2%～21%，90年代为1%～11%，从70年代以后影响强度降了一级， 影响强的地区不断减少，其中影响强度减弱最为明显的是西北地区，主要通过实施灌溉，改善水分不足的限制，减小气候对粮食生产的影响。目前我国气候对粮食生产的影响主要体现在两个方面：一是气候的平均状态决定了粮食生产的结构，如地域分布特征，种植制度，作物品种结构等。这方面的影响评价着重探讨气候长期变化趋势的影响，如气候平均状态改变对粮食生产的影响。二是气候波动对于产量的影响，主要表现在极值年份和敏感地区，如严重的干旱、洪涝等灾害对粮食生产的影响，以及水热年际变率较大地区粮食生产对气候波动的反应比较敏感。气候波动的影响强度不仅取决于气候资源波动强度，还与经济水平决定的系统的承受和抵抗能力有关。
收稿日期：1998—12—20；收到修改稿日期：1999—04—28