我國東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害變化趨勢及其對糧食產(chǎn)量的影響

我國東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害變化趨勢及其對糧食產(chǎn)量的影響

據(jù)統(tǒng)計，平均每年的平均氣候變化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到全國國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.6%。中國東北部的三個省份，包括遼寧省、吉林省和黑龍江省，占中國糧食生產(chǎn)的16.5%。同時,東北地區(qū)地處中高緯度,地理環(huán)境及地貌特征復(fù)雜,熱量資源空間變異性大,受東亞大陸季風(fēng)氣候的控制,降水量時空分布不均,年際變率較大,因此該地區(qū)也是氣象災(zāi)害頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)之一。作為糧食主產(chǎn)區(qū),東北地區(qū)農(nóng)作物受干旱、洪澇、風(fēng)雹、低溫、霜凍等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響較大,特別是近年在全球氣候變暖的大背景下,突發(fā)性及致災(zāi)性的氣象災(zāi)害明顯增多,氣象災(zāi)害成為全國熱點(diǎn)關(guān)注的問題之一。前人對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的相關(guān)研究主要集中在具體省份氣象災(zāi)害的歷史變化趨勢及其對糧食總產(chǎn)的影響,對整個東北地區(qū)氣象災(zāi)害未來發(fā)生趨勢以及對三大糧食作物(水稻、玉米、小麥)產(chǎn)量的影響分析較少。本文擬在前人工作基礎(chǔ)上,分析1971-2009年東北地區(qū)干旱、洪澇、風(fēng)暴及低溫受災(zāi)比的變化特征,結(jié)合R/S法預(yù)測該區(qū)四大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害在未來短時間內(nèi)的變化趨勢,并利用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究氣象災(zāi)害對糧食作物平均產(chǎn)量及三大農(nóng)作物產(chǎn)量的影響,以期了解東北地區(qū)氣象災(zāi)害的變化規(guī)律,為糧食作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1資料來源及統(tǒng)計分析1971-2009年東北地區(qū)糧食作物平均單產(chǎn)、三大糧食作物的單產(chǎn)數(shù)據(jù),主要來自《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料》。同時選取影響東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害即干旱、洪澇、風(fēng)雹、低溫災(zāi)害的受災(zāi)面積和各省總播種面積數(shù)據(jù)。由于每年播種面積不一致,為便于比較氣象災(zāi)害造成的相對損失量或災(zāi)害的危害程度,用受災(zāi)比對受災(zāi)情況進(jìn)行分析,定義當(dāng)年農(nóng)作物受災(zāi)面積與總播種面積的比值為受災(zāi)比。1.2方法1.2.1時間序列長度依賴采用R/S(重標(biāo)度)分析方法,利用Hurst指數(shù)預(yù)測東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)比的未來趨勢。該方法是非參數(shù)分析方法,為定量描述時間序列長度依賴性的主要方法之一,目前已廣泛應(yīng)用于氣象研究領(lǐng)域。其具體計算步驟見文獻(xiàn)。Hurst指數(shù)(H)可反映將來對現(xiàn)有狀態(tài)的持續(xù)性。當(dāng)0.5<H<1時,表明未來會持續(xù)過去的狀態(tài),H值越接近l其趨勢性越強(qiáng);當(dāng)0<H<0.5時,表明將來與現(xiàn)有狀態(tài)趨勢相反,H值越接近0說明未來對過去狀態(tài)的反持續(xù)性越強(qiáng);H=0.5,說明未來時間序列是隨機(jī)獨(dú)立的。1.2.2計算因子關(guān)聯(lián)程度采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究糧食作物產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的相關(guān)程度。該方法是灰色系統(tǒng)理論的一種分析方法,主要依據(jù)因子之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因子間關(guān)聯(lián)程度?；疑P(guān)聯(lián)分析主要體現(xiàn)為對因子之間關(guān)聯(lián)程度大小的關(guān)聯(lián)度計算。關(guān)聯(lián)度越大,表明關(guān)聯(lián)程度也越大;反之,則較低?；疑P(guān)聯(lián)分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象研究領(lǐng)域,該分析方法適于參考序列與比較序列之間不存在嚴(yán)格數(shù)學(xué)關(guān)系的情形,其原理見文獻(xiàn)。2結(jié)果與分析2.1災(zāi)后重建期80-90年代農(nóng)業(yè)干旱是指農(nóng)業(yè)生長季內(nèi)因長期無雨,造成大氣干旱、土壤缺水、農(nóng)作物生長發(fā)育受抑,導(dǎo)致明顯減產(chǎn),甚至絕收的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,主要是由于農(nóng)作物需水過程與降水過程不同步造成的。而洪澇災(zāi)害主要包括洪水和澇害,洪水對農(nóng)業(yè)的危害主要是機(jī)械性的破壞,造成當(dāng)季農(nóng)作物毀滅性危害;澇害是由于農(nóng)田積水,最終導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量明顯下降。由圖1和圖2旱、澇受災(zāi)比的線性變化趨勢及其5a滑動平均的距平變化可見,近39a東北地區(qū)的旱、澇變化趨勢均不顯著,但有一定的階段性特征?？傮w上看,20世紀(jì)70年代干旱受災(zāi)比相對較大,澇災(zāi)的受災(zāi)比相對較小,說明這個時期為相對干旱期;80-90年代旱災(zāi)和澇災(zāi)的受災(zāi)比均比較大,波動劇烈,1982、1989和1997年旱災(zāi)的受災(zāi)比達(dá)到40.7%、37.3%和36.4%,而1985、1994年澇災(zāi)的受災(zāi)比也達(dá)到了40.9%、31.3%,從5a滑動平均的距平來看,該時段旱災(zāi)的受災(zāi)比表現(xiàn)為負(fù)距平,而澇災(zāi)為正距平,說明這個時期為相對濕潤期;2000年以后,旱災(zāi)的受災(zāi)比平均值為33.2%,是澇災(zāi)受災(zāi)比(4.5%)的7倍,而該時段5a滑動平均的距平結(jié)果也表明,2000年以后東北地區(qū)正處于較旱時段。風(fēng)雹災(zāi)害包括大風(fēng)和冰雹兩種災(zāi)害。一般瞬時風(fēng)速超過17m/s時,便可能成災(zāi)。風(fēng)災(zāi)主要可造成農(nóng)作物機(jī)械損傷及生理危害;冰雹的危害主要是由于它降落時的機(jī)械破壞作用,其次是使農(nóng)作物受到突然的低溫脅迫和造成土壤板結(jié)。而低溫災(zāi)害是指在農(nóng)作物生長季內(nèi),若溫度降低不能滿足作物生長、發(fā)育、結(jié)實(shí)等對溫度和熱量的需求,就會發(fā)生的災(zāi)害。東北地區(qū)由于緯度高,發(fā)生夏季低溫的概率較大,造成的糧食減產(chǎn)也最為嚴(yán)重。近39a東北地區(qū)風(fēng)雹受災(zāi)比的線性趨勢表明(圖3),1971-2009年,風(fēng)雹災(zāi)害以1.1個百分點(diǎn)/10a的速率顯著降低(r=0.38,P<0.05)。5a滑動平均距平顯示(圖4),風(fēng)雹受災(zāi)比在1982年以前表現(xiàn)為正距平,1982年后基本為負(fù)距平,說明現(xiàn)階段風(fēng)雹對農(nóng)作物影響相對較弱。1982年前后風(fēng)雹受災(zāi)比平均值分別為6.2%和3.2%,降低了3個百分點(diǎn)。而低溫受災(zāi)比的曲線與風(fēng)雹變化類似,但波動性大,線性趨勢整體變化不明顯。20世紀(jì)70年代東北地區(qū)農(nóng)作物受低溫影響較大,80年代受低溫影響較小,但在90年代初期及21世紀(jì)初期增暖背景下,低溫受災(zāi)比并沒有出現(xiàn)持續(xù)性降低,反而出現(xiàn)反彈趨勢(圖3、圖4),這可能與80年代明顯變暖后東北各地普遍更換品種后生育期更長有關(guān)。因此,未來可通過制定精細(xì)氣候區(qū)劃,指導(dǎo)品種合理布局,遏制越區(qū)種植等手段來降低低溫災(zāi)害對農(nóng)作物的影響。2.2干旱、澇災(zāi)害比、低溫時長特征及變化農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害在時間分布上往往呈現(xiàn)出極強(qiáng)的隨機(jī)性,傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)方法已無法揭示其不確定性行為機(jī)制。分形理論的出現(xiàn),為解釋復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)行為機(jī)制及其預(yù)測預(yù)報等研究提供了有力的工具。對東北地區(qū)1971-2009年洪澇、干旱、風(fēng)雹及低溫等4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的受災(zāi)比進(jìn)行R/S分析,得到它們的Hurst指數(shù),預(yù)測其未來短時間內(nèi)的變化趨勢,計算結(jié)果見圖5。由圖5知,東北地區(qū)旱、洪受災(zāi)比均呈現(xiàn)明顯的Hurst現(xiàn)象,Hurst指數(shù)分別為0.753、0.867,決定系數(shù)均達(dá)0.97,說明該地區(qū)未來旱、澇受災(zāi)比的變化趨勢與過去具有很強(qiáng)的一致性。由于干旱受災(zāi)比在過去39a以2.9個百分點(diǎn)/10a的速率呈增加趨勢(圖1),因此未來東北地區(qū)的干旱受災(zāi)比將繼續(xù)增加;而洪澇受災(zāi)比在過去變化趨勢不明顯且波動性較大,所以未來東北地區(qū)洪澇受災(zāi)比仍將呈現(xiàn)波動幅度較大的趨勢;低溫的未來變化趨勢與其較為相似,Hurst指數(shù)為0.638(圖5d),說明對過去變化不明顯的趨勢具有較弱的持續(xù)性;與前3種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害不同的是,風(fēng)雹受災(zāi)比在1971-2009年分別呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,而Hurst指數(shù)為0.862(圖5c),說明該地區(qū)的風(fēng)雹受災(zāi)比在未來將持續(xù)過去的變化,即風(fēng)雹受災(zāi)比仍將繼續(xù)減少。2.3關(guān)聯(lián)序列及差異根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法以及東北三省現(xiàn)有農(nóng)作物生產(chǎn)情況,將三大農(nóng)作物單產(chǎn)及糧食作物平均單產(chǎn)(kg/hm2)作為參考數(shù)列,將影響農(nóng)作物產(chǎn)量的四大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害1971-2009年的受災(zāi)面積數(shù)據(jù)(hm2)作為比較數(shù)列。根據(jù)灰色建模理論和程序,首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后建立東北三省農(nóng)作物生產(chǎn)灰色系統(tǒng)模型,經(jīng)計算運(yùn)行后得出各農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對農(nóng)作物單產(chǎn)的影響程度見表1。由表1可知,在遼寧省,除小麥外,糧食作物平均單產(chǎn)、兩大農(nóng)作物單產(chǎn)與4種氣象災(zāi)害的關(guān)聯(lián)序列為:干旱>風(fēng)雹>洪澇>低溫災(zāi)害,這與趙先麗等研究結(jié)果稍有差異,可能是由于雙方研究所用資料的時間序列長度不一致造成的。對遼寧小麥而言,其種植區(qū)主要位于遼河平原東部等半濕潤地區(qū),由于遼河平原中南部及遼東灣北部沿岸地區(qū)受臺風(fēng)影響較大,使洪澇災(zāi)害對小麥單產(chǎn)影響最大,其次為干旱、風(fēng)雹和低溫。在吉林省,洪澇對糧食作物平均單產(chǎn)及小麥單產(chǎn)的影響大于干旱,而隨著緯度的升高,低溫的影響也逐步增大,具體排序為:洪澇>干旱>低溫>風(fēng)雹。水稻是喜溫喜濕作物,主要種植在吉林的中東部,而中東部是吉林低溫的高發(fā)區(qū),因此對水稻而言,洪澇、風(fēng)雹、低溫及干旱災(zāi)害對其單產(chǎn)影響逐步增大;對吉林玉米而言,農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對其單產(chǎn)的危害程度從大到小依次為:干旱>洪澇>低溫>風(fēng)雹。在黑龍江省,農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對糧食作物平均單產(chǎn)及水稻單產(chǎn)的影響為:干旱>洪澇>低溫>風(fēng)雹。對小麥而言,隨著近年種植面積逐步減小,氣象災(zāi)害對其的影響也逐步降低,其中干旱和洪澇對其單產(chǎn)影響較大且程度基本一致(關(guān)聯(lián)度分別為0.674及0.673),低溫與風(fēng)雹次之。與其它作物不同的是,黑龍江玉米受洪澇和風(fēng)雹災(zāi)影響較大,這可能是由于玉米主要種植在黑龍江中南部及三江平原南部,而松嫩平原、三江平原及牡丹江為黑龍江省洪澇與風(fēng)雹災(zāi)頻發(fā)區(qū)的原因造成的。3洪澇與低溫災(zāi)害關(guān)聯(lián)序列(1)1971-2009年東北地區(qū)除風(fēng)雹受災(zāi)比呈現(xiàn)明顯下降趨勢外,其余3種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)比變化趨勢均不明顯,但具有階段性特征。20世紀(jì)70年代干旱受災(zāi)比相對較大,洪澇受災(zāi)比相對較小,80-90年代相反,而2000年以后東北地區(qū)又處于較旱階段。就低溫受災(zāi)比而言,20世紀(jì)90年代初期及21世紀(jì)初期出現(xiàn)反彈增加現(xiàn)象,這可能與更換作物品種有關(guān)。R/S分析結(jié)果表明,4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)比的Hurst指數(shù)均>0.5,說明未來變化都將與過去一致。其中,風(fēng)雹受災(zāi)比將持續(xù)減弱,干旱受災(zāi)比將持續(xù)增加,而洪澇與低溫受災(zāi)比仍將呈現(xiàn)波動幅度較大的趨勢。(2)在遼寧省,糧食作物平均單產(chǎn)、兩大農(nóng)作物(水稻、玉米)單產(chǎn)與4種氣象災(zāi)害的關(guān)聯(lián)序列為:旱災(zāi)>風(fēng)雹>洪澇>低溫,對小麥而言,洪澇對其單產(chǎn)影響最大,其次為干旱、風(fēng)雹及低溫;在吉林省,糧食作物平均單產(chǎn)及小麥單產(chǎn)與4種氣象災(zāi)害的關(guān)聯(lián)序列為:洪澇>干旱>低溫>風(fēng)雹,對水稻而言,洪澇、風(fēng)雹、低溫及干旱災(zāi)害對其單產(chǎn)影響逐步增大,而對玉米而言,干旱和洪澇對其單產(chǎn)影響較大,低溫與風(fēng)雹影響較小;在黑龍江省,氣象災(zāi)害對糧食作物平均單產(chǎn)及水稻單產(chǎn)的影響為:干旱>洪澇>低溫>風(fēng)雹,該省小麥種植面積不斷減小,干旱和洪澇對小麥單產(chǎn)影響較大且程度基本一致,低溫與風(fēng)雹次之,而對玉米而言,洪澇對其影響最大,其次為干旱和風(fēng)雹,低溫影響最小。綜上所述,干旱和洪澇是影響東北地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害,而低溫災(zāi)害的影響隨著緯度的升高在不斷增大。在現(xiàn)階段東北地區(qū)干旱不斷增加,洪澇與低溫等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害隨機(jī)發(fā)生的大背景下,如何趨利避害,科學(xué)規(guī)避氣象災(zāi)害是當(dāng)前研究與生產(chǎn)需考慮的重要問題。已有研究指出,東北地區(qū)需要在糧食生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境方面做好適應(yīng)工作,特別是