氣候變暖及適應行為對黑龍江省水稻產量的影響

現在，世界氣候變化及其影響的事實引起了社會各界和各國政府的高度關注。在氣候變化影響的各個方面，農業是一個對氣候變化更敏感的行業，氣候變化對農業影響的研究仍處于初步階段。2001年的報告指出，這項研究仍然很困難。很難將氣候影響與社會經濟影響進行定量區分，這進一步表明了這項研究的必要性。目前，關于氣候變化對農業影響的研究主要是基于未來的氣候條件。事實上，人類逐漸適應了自己的行為，適應了氣候變化的影響。事實上，人類適應性氣候變化的行為是多樣的。在這項工作中，我們希望通過氣候變化研究并調整人類在農業和土地上適應氣候變化的信息，以適應氣候變化對農業影響的影響，并研究和調整人類在農業和土地上適應氣候變化的典型行為。本文列舉了氣候變化對人類適應性的影響，并對人類適應性行為進行了調整。黑龍江省是我國商品率最高的商品糧生產基地,該地區農業生產狀況的好壞對我國的糧食安全影響極大.從氣候與農業生產的關系看,黑龍江省是冷暖變化表現最顯著的地區,作物和品種都存在明顯的北界,溫度變化對農業生產的影響十分顯著.近20年來黑龍江省地區水稻生產異軍突起,水稻種植面積和總產均占我國北方水稻的40%,商品稻占我國北方商品稻總量的65%,農村人均稻米占有量占全國第二位,水稻已成為黑龍江省在種植面積上僅次于大豆和玉米,而在總產上居第一位的作物.本文以黑龍江省水稻總產與氣候變暖的關系作為研究對象,定量評估氣候變暖與人類適應行為對水稻總產增加的貢獻,以期為評估全球變暖對農業影響提供一個區域實證,為進一步制定適應氣候變暖的措施奠定科學基礎.1學習方法1.1實際產出影響農作物的總產由種植面積和單位面積產量決定,可以用下式表示式中Q為農作物總產,Y為農作物單產,S為農作物種植面積.設變化前為第i-1期,變化后為第i期,農作物實際總產的變化受實際單產變化(面積不變)的影響(A1)、實際種植面積變化(單產不變)的影響(A2)和兩者的交互影響(A3)(圖1(a)),三者對總產的影響量分別為式中ΔY為實際單產變化量,ΔS為實際的面積變化量.1.2氣候變色對水稻聯產的影響氣候變暖對農作物總產量的實際影響不可能是單純的自然問題,氣候變暖和人類適應氣候變暖的行為共同影響著農作物的單產和種植面積,從而對總產產生影響,包括氣候變暖影響下的單產變化的影響(Aw1)、面積變化的影響(Aw2)和兩者交織作用的影響(Aw3)(圖1(b)).總產中受氣候變暖影響的增加量(ΔQC)可以表示為化簡之:式中ΔYw為氣候變暖影響的單產變化量,ΔSw為氣候變暖影響的面積變化量.氣候變暖對水稻總產變化的貢獻率可以用受氣候影響的總產變化量(ΔQC)占實際總產變化量(ΔQ)的百分比來表示,表達式為式中WQ為氣候變暖對水稻總產變化的貢獻率.從(6)式可以看出,受氣候變暖影響的單產變化量(ΔYw)和面積變化量(ΔSw)是計算的關鍵.其中對于ΔYw的求取過程,筆者曾根據黑龍江省水稻單產和生長季氣溫逐年對應的關系進行過詳細的研究,計算出黑龍江省全省的平均情況是氣候變暖影響的水稻單產增加量約占實際單產增加量的23%—30%.1.3影響農作物播種的因素水稻是單位耕地面積上產量和收益最大的糧食作物,從經濟效益來看:水稻的純收益為2100元/hm2左右,玉米的純收益為1050元/hm2左右,大豆的純收益為1200元/hm2左右,小麥的純收益只有600元/hm2左右.因此只要熱量條件允許,在有灌溉條件(包括提水灌區和井灌區)的地區,人們更傾向于種植能帶來更多經濟收益的水稻.氣候變暖引起的種植結構調整帶來的收益變化如表1所示,在這種有利影響的刺激下,農民會采取擴展水稻面積這種適應氣候變暖的行為,這樣會加倍提高水稻總產量和糧食總產量,而且一旦種植面積發生變化,單位耕地上的收益也將會成倍的擴大.另一方面農作物價格的上升、農業技術的發展、政策的影響同樣也可能刺激農民調整農作物播種面積,這方面的因素和氣候變暖的影響交織在一起,將其進行區分是很困難的事情;而且作物種植面積的變化并不像單產的變化那樣與氣候要素的年際波動有很好的對應關系,建立氣溫變化與作物面積變化的相關曲線只能定性的看出種植面積對氣候要素變化的響應具有時滯性,無法定量準確區分出實際水稻種植面積的變化在多大程度上可歸于氣候變暖的影響.因此本文試通過分析黑龍江省不同區域氣溫與水稻的關系,采用半定量的方法確定氣候變暖對水稻面積的影響程度.根據黑龍江省1986—2000年的22個站點的逐日的氣溫資料,黑龍省生長季真正變暖是在20世紀90年代中、后期,選取氣候變暖前后的對比期為20世紀80年代中、后期(1986—1990年)和20世紀90年代中、后期(1996—2000年),統計每個站點≥10℃積溫在這兩個時期的年平均值.根據黑龍江省的水稻種植區劃,黑龍江省可以分為適宜水稻種植區、次適宜水稻種植區(包括冷涼次適宜區與干旱次適宜區)和不適宜水稻種植區,該區劃代表的時間為20世紀80年代,以此區劃為基準背景.20世紀90年代氣候變暖后,各區水稻種植的適宜性也發生變化,而在不同區域內,氣溫升高對水稻影響的程度不同,而且由于水分、地形等因素的影響,氣候變暖對水稻種植面積變化的影響存在區域差異,結合專家的意見和對當地農戶的調查走訪,根據各區域內溫度因素對水稻生產的限制程度和實際水稻面積的擴展情況,對不同區域面積變化中直接對氣候變暖適應的部分賦予不同的權重(k),則氣候變暖影響的面積變化量為根據(6)和(8)式推導不同地區總產中受氣候變暖影響的增加量.不同區域內氣候變暖對面積增長的貢獻k值具有一定的不確定性,同時農業生產技術的發展也可能在一定程度上影響面積的變化,需要結合黑龍江省各區域的自然條件與水稻生產的具體情況進行分析,給出k值可能的范圍.2氣候變化對黑龍江省水稻生產和產量的貢獻2.1不同區域10的不同積水條件下水稻區域的擴大關系2.1.1氣候條件分析根據黑龍江省的水稻種植區劃,20世紀80年代不適宜水稻種植區在北部高寒區,包括漠河、塔河、呼瑪、黑河、嫩江、孫吳、遜克、德都(五大連池)、伊春、嘉蔭,還有農墾系統大約22%左右的耕地也分布在黑河地區小興安嶺山麓附近.該區域熱量資源匱乏,在20世紀80年代中、后期(1986—1990年)的熱量條件下,≥10℃積溫小于2400℃,低溫是限制水稻種植的主要因子,屬于北部高寒不適宜稻作區,90年代變暖后(1996—2000年),該區域≥10℃積溫增加了50—130℃(圖2),這些地區的水稻面積擴展的主要原因很可能是氣候變暖.2.1.2氣候突變對面積擴大率與溫度的影響20世紀80年代初黑龍江省冷涼次適宜水稻種植區在三江平原東北部和偏北部的訥河、克山一帶的起伏平原地帶,包括北安、撫遠、海倫、鶴崗、虎林、克東、克山、蘿北、訥河、饒河、綏棱、鐵力、依安、拜泉,黑龍江省墾區的農場大部分也分布在這些地區,農墾總局大約68%的耕地分布在三江平原一帶,約98%的水稻都種植在該區域(1998年),還有一部分分布在北安、訥河一帶.在20世紀80年代中、后期(1986—1990年)的熱量條件下,≥10℃積溫在2400—2600℃之間,屬于冷涼次適宜區,熱量資源僅可以保證種植水稻早熟品種,易發生低溫冷害,穩產度在53%—58%,在20世紀90年代中、后期(1996—2000年)的熱量條件下,≥10℃積溫增加了100—110℃(圖2),氣候變暖對該地區水稻面積的擴展有比較大的貢獻.2.1.3農業熱量資源西部干旱區包括肇東、安達、大慶、杜爾伯特、富裕、甘南、蘭西、林甸、龍江、明水、青岡、泰來、望奎、肇東、肇源、肇州,大約9%的墾區耕地位于此地區.該區域熱量資源最豐富,在20世紀80年代中、后期(1986—1990年)的熱量條件下≥10℃積溫在2600—3000℃之間,但該地區降水量較少,在20世紀90年代中、后期(1996—2000年)的熱量條件下,≥10℃積溫增加到2800℃以上,增幅達到200℃以上.但是該地區水稻幾乎不受熱量的脅迫(圖2),水稻面積的擴展主要是由于水利設施的建設.2.1.4社會熱量薄弱增加了水稻的種植南部地區、中部的松花江平原、三江平原少部分地區在20世紀80年代屬于水稻種植的適宜區,在當時的熱量條件下,大部分區域≥10℃積溫在2500—2800℃之間,為水稻的主產區,在20世紀90年代中、后期(1996-2000年)≥10℃積溫增加了60—250℃.因為該地區原屬于水稻種植適宜地區(圖2),受熱量限制作用較弱,水稻面積的擴展很可能主要是由于社會經濟原因.2.2氣候變色后水稻面積、產出的變化比較不適宜區、冷涼次適宜區、干旱次適宜區和適宜區的實際水稻單產、面積和總產(表2).在20世紀80年代中、后期(1986—1990年)的熱量條件下,適宜區的水稻面積和總產都是最大的,90年代中、后期(1996—2000年)氣候變暖后最顯著的變化就是原冷涼次適宜區的水稻面積、總產都超過原適宜區的水稻面積和總產,在各稻作區中居于首位,這主要是由于位于三江平原的農墾區水稻的種植面積大幅度增加.而不適宜區和干旱次適宜區水稻面積和總產增幅相對較小.就單產來看,變暖后適宜區水稻的單產還是最高的,但冷涼次適宜區的水稻單產大幅度增加,增加幅度已經遠遠高于干旱次適宜區和不適宜區,不適宜區的水稻單產也大幅度增加,已經接近干旱次適宜區.比較墾區和地方各縣、市的水稻面積的統計數據,可以發現水稻大面積擴展主要發生在農墾系統,農墾總局水稻擴展量占總擴展量的67%(表3),而農墾系統的水稻絕大部分種植在屬于冷涼次適宜區的三江平原地區.2.3對水稻氣候變色的適應根據上述對不同地區的實際熱量和水稻種植面積的變化情況,同時考慮技術發展、社會、經濟等因素使k值具有一定的不確定性,將不同的k值上下限代入(9)式對上述4個區域內氣候變暖對總產的影響進行計算,將其結果代入(7)式,得到氣候變暖對水稻總產增產的貢獻率,計算結果如表4所示.相對于20世紀80年代中、后期(1986—1990年)的較冷時期,在20世紀90年代中、后期(1996—2000年)較暖時期內,得到以下結果:(1)在水稻不適宜種植區內,熱量條件是限制水稻發展的主要因素,設適應變暖對面積擴展影響的權重k在0.7—1之間,人類為適應氣候變暖的面積擴展行為不僅擴大了氣候變暖的增產效益,也擴大了技術影響的增產效益,氣候變暖對總產增產的貢獻率可以達到64%—88%.(2)在水稻冷涼次適宜種植區內,氣候變暖明顯改善了該地區水稻種植的熱量條件,其中部分地區由次適宜區變為適宜區,實際水稻面積也擴展了7.63倍,遠遠高于其他區域,考慮到技術的發展和政策的引導也有一定影響,而且這種影響具有一定的不確定性,設適應變暖對面積擴展影響的權重k在0.3—0.7之間,由于氣候變暖對單產的增產效益和適應變暖的面積擴展的共同影響,對總產增產的貢獻率可以達到37%—71%.(3)在水稻適宜種植區和干旱次適宜區內,干旱次適宜區內大部分水稻面積的擴展主要是由于水利設施的發展;適宜區內熱量資源比較充足,氣候變暖對面積影響也較小,設在上述兩區域內適應變暖對面積擴展影響的權重k在0—0.3之間,氣候變暖對總產增產的貢獻主要來自于氣候變暖帶來的單產的增加,干旱次適宜區內氣候變暖對總產增加的貢獻率只占13%—36%,適宜區內的貢獻率為18%—34%.(4)全省總計氣候變暖影響的總產變化量占實際總產變化量的29%—57%.3不適宜區氣候變質貢獻率分析如果沒有種植面積的變化,變暖所帶來的效益只限定在氣候變暖所導致的單產增加的部分.種植面積的擴展可將氣候變暖帶來的單產增產效益進一步放大.比較面積不變和面積變化兩種情況下氣候變暖對總產的影響,如果按照水稻單產增產量中氣候變暖的貢獻率為23%計算,在不適宜區氣候變暖使每公頃耕地上增加水稻產量515kg,如果沒有面積的擴展,種植面積維持1228hm2,總產只能增加632×103kg,而實際水稻的面積擴展到了3651hm2,總產將增加1880×103kg,由于面積擴展而增產197%;在冷涼次適宜區如果沒有面積的擴展,變暖影響下總產只能增加78138×103kg,而實際水稻的面積擴展了5倍多,總產將增加596364×103kg,由于面積擴展而增產663%;干旱次適宜區和適宜區,單產變化的影響也因為面積的擴展而成倍增加,由于面積擴展而分別增產98%和33%.從絕對數量上來看,冷涼次適宜區因面積擴展而增加的總產量最大,其次是適宜區(表5).4氣候變色對水稻聯產的影響氣候變暖對農作物總產量的實際影響不可能是單純的自然問題,人類適應行為強烈影響著氣候變暖的實際結果,面積的變化與技術的進步交織在一起可以加倍地擴大氣候變暖的有利影響.初步估計黑龍江省水稻總產增產量中有大約29%—57%的份額是由于氣候變暖及其適應行為產生的,這里只進行了比較粗略的估算,還有一些情況可能會影