气候变暖及适应行为对黑龙江省水稻产量的影响

气候变暖及适应行为对黑龙江省水稻产量的影响

现在，世界气候变化及其影响的事实引起了社会各界和各国政府的高度关注。在气候变化影响的各个方面，农业是一个对气候变化更敏感的行业，气候变化对农业影响的研究仍处于初步阶段。2001年的报告指出，这项研究仍然很困难。很难将气候影响与社会经济影响进行定量区分，这进一步表明了这项研究的必要性。目前，关于气候变化对农业影响的研究主要是基于未来的气候条件。事实上，人类逐渐适应了自己的行为，适应了气候变化的影响。事实上，人类适应性气候变化的行为是多样的。在这项工作中，我们希望通过气候变化研究并调整人类在农业和土地上适应气候变化的信息，以适应气候变化对农业影响的影响，并研究和调整人类在农业和土地上适应气候变化的典型行为。本文列举了气候变化对人类适应性的影响，并对人类适应性行为进行了调整。黑龙江省是我国商品率最高的商品粮生产基地,该地区农业生产状况的好坏对我国的粮食安全影响极大.从气候与农业生产的关系看,黑龙江省是冷暖变化表现最显著的地区,作物和品种都存在明显的北界,温度变化对农业生产的影响十分显著.近20年来黑龙江省地区水稻生产异军突起,水稻种植面积和总产均占我国北方水稻的40%,商品稻占我国北方商品稻总量的65%,农村人均稻米占有量占全国第二位,水稻已成为黑龙江省在种植面积上仅次于大豆和玉米,而在总产上居第一位的作物.本文以黑龙江省水稻总产与气候变暖的关系作为研究对象,定量评估气候变暖与人类适应行为对水稻总产增加的贡献,以期为评估全球变暖对农业影响提供一个区域实证,为进一步制定适应气候变暖的措施奠定科学基础.1学习方法1.1实际产出影响农作物的总产由种植面积和单位面积产量决定,可以用下式表示式中Q为农作物总产,Y为农作物单产,S为农作物种植面积.设变化前为第i-1期,变化后为第i期,农作物实际总产的变化受实际单产变化(面积不变)的影响(A1)、实际种植面积变化(单产不变)的影响(A2)和两者的交互影响(A3)(图1(a)),三者对总产的影响量分别为式中ΔY为实际单产变化量,ΔS为实际的面积变化量.1.2气候变色对水稻联产的影响气候变暖对农作物总产量的实际影响不可能是单纯的自然问题,气候变暖和人类适应气候变暖的行为共同影响着农作物的单产和种植面积,从而对总产产生影响,包括气候变暖影响下的单产变化的影响(Aw1)、面积变化的影响(Aw2)和两者交织作用的影响(Aw3)(图1(b)).总产中受气候变暖影响的增加量(ΔQC)可以表示为化简之:式中ΔYw为气候变暖影响的单产变化量,ΔSw为气候变暖影响的面积变化量.气候变暖对水稻总产变化的贡献率可以用受气候影响的总产变化量(ΔQC)占实际总产变化量(ΔQ)的百分比来表示,表达式为式中WQ为气候变暖对水稻总产变化的贡献率.从(6)式可以看出,受气候变暖影响的单产变化量(ΔYw)和面积变化量(ΔSw)是计算的关键.其中对于ΔYw的求取过程,笔者曾根据黑龙江省水稻单产和生长季气温逐年对应的关系进行过详细的研究,计算出黑龙江省全省的平均情况是气候变暖影响的水稻单产增加量约占实际单产增加量的23%—30%.1.3影响农作物播种的因素水稻是单位耕地面积上产量和收益最大的粮食作物,从经济效益来看:水稻的纯收益为2100元/hm2左右,玉米的纯收益为1050元/hm2左右,大豆的纯收益为1200元/hm2左右,小麦的纯收益只有600元/hm2左右.因此只要热量条件允许,在有灌溉条件(包括提水灌区和井灌区)的地区,人们更倾向于种植能带来更多经济收益的水稻.气候变暖引起的种植结构调整带来的收益变化如表1所示,在这种有利影响的刺激下,农民会采取扩展水稻面积这种适应气候变暖的行为,这样会加倍提高水稻总产量和粮食总产量,而且一旦种植面积发生变化,单位耕地上的收益也将会成倍的扩大.另一方面农作物价格的上升、农业技术的发展、政策的影响同样也可能刺激农民调整农作物播种面积,这方面的因素和气候变暖的影响交织在一起,将其进行区分是很困难的事情;而且作物种植面积的变化并不像单产的变化那样与气候要素的年际波动有很好的对应关系,建立气温变化与作物面积变化的相关曲线只能定性的看出种植面积对气候要素变化的响应具有时滞性,无法定量准确区分出实际水稻种植面积的变化在多大程度上可归于气候变暖的影响.因此本文试通过分析黑龙江省不同区域气温与水稻的关系,采用半定量的方法确定气候变暖对水稻面积的影响程度.根据黑龙江省1986—2000年的22个站点的逐日的气温资料,黑龙省生长季真正变暖是在20世纪90年代中、后期,选取气候变暖前后的对比期为20世纪80年代中、后期(1986—1990年)和20世纪90年代中、后期(1996—2000年),统计每个站点≥10℃积温在这两个时期的年平均值.根据黑龙江省的水稻种植区划,黑龙江省可以分为适宜水稻种植区、次适宜水稻种植区(包括冷凉次适宜区与干旱次适宜区)和不适宜水稻种植区,该区划代表的时间为20世纪80年代,以此区划为基准背景.20世纪90年代气候变暖后,各区水稻种植的适宜性也发生变化,而在不同区域内,气温升高对水稻影响的程度不同,而且由于水分、地形等因素的影响,气候变暖对水稻种植面积变化的影响存在区域差异,结合专家的意见和对当地农户的调查走访,根据各区域内温度因素对水稻生产的限制程度和实际水稻面积的扩展情况,对不同区域面积变化中直接对气候变暖适应的部分赋予不同的权重(k),则气候变暖影响的面积变化量为根据(6)和(8)式推导不同地区总产中受气候变暖影响的增加量.不同区域内气候变暖对面积增长的贡献k值具有一定的不确定性,同时农业生产技术的发展也可能在一定程度上影响面积的变化,需要结合黑龙江省各区域的自然条件与水稻生产的具体情况进行分析,给出k值可能的范围.2气候变化对黑龙江省水稻生产和产量的贡献2.1不同区域10的不同积水条件下水稻区域的扩大关系2.1.1气候条件分析根据黑龙江省的水稻种植区划,20世纪80年代不适宜水稻种植区在北部高寒区,包括漠河、塔河、呼玛、黑河、嫩江、孙吴、逊克、德都(五大连池)、伊春、嘉荫,还有农垦系统大约22%左右的耕地也分布在黑河地区小兴安岭山麓附近.该区域热量资源匮乏,在20世纪80年代中、后期(1986—1990年)的热量条件下,≥10℃积温小于2400℃,低温是限制水稻种植的主要因子,属于北部高寒不适宜稻作区,90年代变暖后(1996—2000年),该区域≥10℃积温增加了50—130℃(图2),这些地区的水稻面积扩展的主要原因很可能是气候变暖.2.1.2气候突变对面积扩大率与温度的影响20世纪80年代初黑龙江省冷凉次适宜水稻种植区在三江平原东北部和偏北部的讷河、克山一带的起伏平原地带,包括北安、抚远、海伦、鹤岗、虎林、克东、克山、萝北、讷河、饶河、绥棱、铁力、依安、拜泉,黑龙江省垦区的农场大部分也分布在这些地区,农垦总局大约68%的耕地分布在三江平原一带,约98%的水稻都种植在该区域(1998年),还有一部分分布在北安、讷河一带.在20世纪80年代中、后期(1986—1990年)的热量条件下,≥10℃积温在2400—2600℃之间,属于冷凉次适宜区,热量资源仅可以保证种植水稻早熟品种,易发生低温冷害,稳产度在53%—58%,在20世纪90年代中、后期(1996—2000年)的热量条件下,≥10℃积温增加了100—110℃(图2),气候变暖对该地区水稻面积的扩展有比较大的贡献.2.1.3农业热量资源西部干旱区包括肇东、安达、大庆、杜尔伯特、富裕、甘南、兰西、林甸、龙江、明水、青冈、泰来、望奎、肇东、肇源、肇州,大约9%的垦区耕地位于此地区.该区域热量资源最丰富,在20世纪80年代中、后期(1986—1990年)的热量条件下≥10℃积温在2600—3000℃之间,但该地区降水量较少,在20世纪90年代中、后期(1996—2000年)的热量条件下,≥10℃积温增加到2800℃以上,增幅达到200℃以上.但是该地区水稻几乎不受热量的胁迫(图2),水稻面积的扩展主要是由于水利设施的建设.2.1.4社会热量薄弱增加了水稻的种植南部地区、中部的松花江平原、三江平原少部分地区在20世纪80年代属于水稻种植的适宜区,在当时的热量条件下,大部分区域≥10℃积温在2500—2800℃之间,为水稻的主产区,在20世纪90年代中、后期(1996-2000年)≥10℃积温增加了60—250℃.因为该地区原属于水稻种植适宜地区(图2),受热量限制作用较弱,水稻面积的扩展很可能主要是由于社会经济原因.2.2气候变色后水稻面积、产出的变化比较不适宜区、冷凉次适宜区、干旱次适宜区和适宜区的实际水稻单产、面积和总产(表2).在20世纪80年代中、后期(1986—1990年)的热量条件下,适宜区的水稻面积和总产都是最大的,90年代中、后期(1996—2000年)气候变暖后最显著的变化就是原冷凉次适宜区的水稻面积、总产都超过原适宜区的水稻面积和总产,在各稻作区中居于首位,这主要是由于位于三江平原的农垦区水稻的种植面积大幅度增加.而不适宜区和干旱次适宜区水稻面积和总产增幅相对较小.就单产来看,变暖后适宜区水稻的单产还是最高的,但冷凉次适宜区的水稻单产大幅度增加,增加幅度已经远远高于干旱次适宜区和不适宜区,不适宜区的水稻单产也大幅度增加,已经接近干旱次适宜区.比较垦区和地方各县、市的水稻面积的统计数据,可以发现水稻大面积扩展主要发生在农垦系统,农垦总局水稻扩展量占总扩展量的67%(表3),而农垦系统的水稻绝大部分种植在属于冷凉次适宜区的三江平原地区.2.3对水稻气候变色的适应根据上述对不同地区的实际热量和水稻种植面积的变化情况,同时考虑技术发展、社会、经济等因素使k值具有一定的不确定性,将不同的k值上下限代入(9)式对上述4个区域内气候变暖对总产的影响进行计算,将其结果代入(7)式,得到气候变暖对水稻总产增产的贡献率,计算结果如表4所示.相对于20世纪80年代中、后期(1986—1990年)的较冷时期,在20世纪90年代中、后期(1996—2000年)较暖时期内,得到以下结果:(1)在水稻不适宜种植区内,热量条件是限制水稻发展的主要因素,设适应变暖对面积扩展影响的权重k在0.7—1之间,人类为适应气候变暖的面积扩展行为不仅扩大了气候变暖的增产效益,也扩大了技术影响的增产效益,气候变暖对总产增产的贡献率可以达到64%—88%.(2)在水稻冷凉次适宜种植区内,气候变暖明显改善了该地区水稻种植的热量条件,其中部分地区由次适宜区变为适宜区,实际水稻面积也扩展了7.63倍,远远高于其他区域,考虑到技术的发展和政策的引导也有一定影响,而且这种影响具有一定的不确定性,设适应变暖对面积扩展影响的权重k在0.3—0.7之间,由于气候变暖对单产的增产效益和适应变暖的面积扩展的共同影响,对总产增产的贡献率可以达到37%—71%.(3)在水稻适宜种植区和干旱次适宜区内,干旱次适宜区内大部分水稻面积的扩展主要是由于水利设施的发展;适宜区内热量资源比较充足,气候变暖对面积影响也较小,设在上述两区域内适应变暖对面积扩展影响的权重k在0—0.3之间,气候变暖对总产增产的贡献主要来自于气候变暖带来的单产的增加,干旱次适宜区内气候变暖对总产增加的贡献率只占13%—36%,适宜区内的贡献率为18%—34%.(4)全省总计气候变暖影响的总产变化量占实际总产变化量的29%—57%.3不适宜区气候变质贡献率分析如果没有种植面积的变化,变暖所带来的效益只限定在气候变暖所导致的单产增加的部分.种植面积的扩展可将气候变暖带来的单产增产效益进一步放大.比较面积不变和面积变化两种情况下气候变暖对总产的影响,如果按照水稻单产增产量中气候变暖的贡献率为23%计算,在不适宜区气候变暖使每公顷耕地上增加水稻产量515kg,如果没有面积的扩展,种植面积维持1228hm2,总产只能增加632×103kg,而实际水稻的面积扩展到了3651hm2,总产将增加1880×103kg,由于面积扩展而增产197%;在冷凉次适宜区如果没有面积的扩展,变暖影响下总产只能增加78138×103kg,而实际水稻的面积扩展了5倍多,总产将增加596364×103kg,由于面积扩展而增产663%;干旱次适宜区和适宜区,单产变化的影响也因为面积的扩展而成倍增加,由于面积扩展而分别增产98%和33%.从绝对数量上来看,冷凉次适宜区因面积扩展而增加的总产量最大,其次是适宜区(表5).4气候变色对水稻联产的影响气候变暖对农作物总产量的实际影响不可能是单纯的自然问题,人类适应行为强烈影响着气候变暖的实际结果,面积的变化与技术的进步交织在一起可以加倍地扩大气候变暖的有利影响.初步估计黑龙江省水稻总产增产量中有大约29%—57%的份额是由于气候变暖及其适应行为产生的,这里只进行了比较粗略的估算,还有一些情况可能会影