近60年玉溪地区气候生产潜力变化及粮食安全气候承载力评估

摘要 利用1961—2020年玉溪9个气象站的观测数据，分析玉溪地区近60年的气候生产潜力时空分布情况，同时找出限制气候生产潜力的主要因子。利用气候承载力计算公式，估算玉溪地区在当前气候生产潜力下气候资源对人类社会的气候承载力和不同消费水平下的相对剩余率。结果表明：玉溪地区气候生产潜力分布与地势相符，地势高差较大的地区气候生产潜力较小。近60年气候生产潜力减少，但减少趋势不显著，气候生产潜力年际波动较大，其核心限制因素是年降水量。虽然气候承载力的容量能够满足该地区不同消费水平的粮食需求，但玉溪各县区呈现出明显差异性，因此需要优化玉溪地区气候承载力，提高土地出产率。

关键词 气候生产潜力；气候承载力；相对剩余率；粮食安全；玉溪地区

中图分类号 S162 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）20-0205-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.20.049

Changes of Climate Production Potential and Assessment of Food Security Climate Carrying Capacity in Yuxi Region in the Recent 60 years

HAN Min1， YANG Ke-ran2， TIAN Le2 et al

（1. Hongta Meteorological Bureau， Yuxi，Yunnan 653100;2. Yuxi Meteorological Bureau， Yuxi，Yunnan 653100）

Abstract Based on the observation data of nine meteorological stations in Yuxi from 1961 to 2020， this paper analyzed the spatial and temporal distribution of climatic potential productivity （CPU） in Yuxi Region during the past 60 years， and found out the main factors related to climatic potential productivity. Using the formula of climate capacity， the climate capacity of climate resources to human society and the relative surplus rate of different consumption in Yuxi Region was estimated under the current climate potential productivity. The results showed that the distribution of climatic potential productivity in Yuxi Region was consistent with the topography， and the region with large elevation difference had small climatic potential productivity. In recent 60 years， the climatic potential productivity had decreased， yet not significantly. The inter-annual fluctuation of climatic potential productivity was distinct， which was mostly affected by annual precipitation. Although the capacity of climate carrying capacity could meet the food needs of different consumption levels in the region， there were significant differences among counties and districts in Yuxi. Therefore， it was necessary to optimize the climate carrying capacity of Yuxi region and improve land yield.

Key words Climatic potential productivity;Climatic capacity;Relative surplus rate;Food security;Yuxi Region

我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区之一，气候变化对我国粮食安全影响不容忽视，粮食作为人类赖以生存的最基本物质，其安全问题受到了广泛关注。我国农业受全球气候变化的影响利弊共存，一方面，气候变暖增加热量，种植面积扩大，对增产是有利的，但另一方面，气候变化对农业生产的不利影响也日益突出。IPCC发布的第六次评估报告第二工作组报告指出，极端天气气候事件的发生造成了一系列难以应对的影响，这加剧了数百万人的水和粮食危机［1-2］。玉溪作为滇中山地城市，是典型的“雨养农业”，气候变化对粮食生产水平影响显著。因此，研究该地区的气候生产潜力和气象要素的关联性以及变化规律，确保区域经济资源以及自然资源利用朝着可持续方向发展。

气候资源与环境资源一样，其承载能力或容量是有限的，参考环境承载力提出“气候-粮食-人口”框架来评估区域尺度面向粮食安全的气候承载力的方法［3］，分析气候资源和人类社会需求之间的供求关系。大多数学者对各地区从不同角度及不同层面［4-6］，并且借助Tharnthwaite-Memorial模型［7］、Miami模型［8］、AEZ模型［9］等方法来针对气候生产潜力进行计算。於俐等［10］较早提出了气候承载力概念，卢燕宇等［11-12］基于气候条件与人类活动的相互作用关系探讨了气候承载力的空间格局与关键影响因子，郑开雄等［13］发展了基于DPSIR和状态空间法的气候承载空间模拟分析。关于粮食生产气候承载力，卢燕宇等［14］从粮食生产与光温水等气候因子的关系出发分析了安徽省的气候承载力，姬兴杰等［9］研究了基于夏玉米和冬小麦2种主粮作物未来气候变化下的气候承载力，李蒙等［3］计算并分析云南气候生产潜力和气候承载力指数的变化特征。鉴于目前可供参考玉溪地区气候生产潜力的资料较为稀少，关于玉溪地区气象要素对气候产生潜力方面带来的影响相关研究资料十分匮乏。笔者将玉溪地区作为主要研究区域，分析该地区近60年以来气候生产潜力变化，并基于粮食安全，对该地区气候承载力和相对剩余率进行计算，探索该地区气候承载力的容量能否满足该地区不同消费水平的粮食需求，进而为该地区农业的发展和保障粮食的安全提供指导参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

该研究选取玉溪市1961—2020年的逐日气象资料，降水量、气温、风速和相对湿度等关键信息数据均源自9个国家大监站，数据连续性较好。人口数据来源于第七次全国人口普查，耕地面积来源于第三次全国国土调查。

1.2 研究方法

1.2.1 光合生产潜力。

光合生产潜力是只考虑太阳辐射条件所确定的土地生产潜力［15］。根据光合有效系数计算法［16］，使用以下光合生产潜力计算模型：

式中：PQ为光合生产潜力［kg/（hm2·a）］；C为能力转换系数，大多数作物均值为17.8 MJ/kg；F为光能利用率，玉溪地区粮食作物主要为水稻、玉米和小麦，该研究不分析个别作物，综合考虑这3种禾谷作物，3种禾谷作物的光能利用率平均值为2％［17］；E为经济系数，禾谷作物的平均经济系数为0.4；Q为太阳辐射［MJ/（m2·a）］。根据现有的研究成果，分析昆明日射站的太阳辐射和天文辐射的关系，使用相应的经验系数，最终得出玉溪地区的太阳辐射计算公式［18］：

式中：S1是日照百分率（%），由日照时数计算；Q0是天文辐射［MJ/（m2·a）］。

1.2.2 光温生产潜力。

按照温度有效系数方法［16］，选择无霜期在全年所占的比值作为光温生产潜力的系数：

式中：PP为光温生产潜力［kg/（hm2·a）］；ft为温度有效系数；n为无霜日（d）。

1.2.3 气候生产潜力。

考虑水分对生产潜力的影响，按照水分有效系数订正法［16］，将降水与蒸发的比值作为气候生产潜力的有效系数：

式中：PC为气候生产潜力［kg/（hm2·a）；fw为水分有效系数；R为年降水量（mm）；ET为年蒸散量（mm），由Penman-Monteith公式计算。

1.2.4 气候承载力和相对剩余率。

气候系统可为经济活动提供物质条件，但其容纳能力是有限度的，面向粮食安全的气候承载力评价，就是在一定的气候条件下，不超出粮食生产潜力的限度，可支撑空间内人口粮食需求的能力，通过定量和定性的评价确定承载力水平。气候承载力的评价内容包括气候生产潜力和粮食消费水平［9］，计算公式如下：

气候承载力=气候生产潜力/人均粮食需求指标（7）

为评价区域经济社会活动与气候承载力是否处于协调状态，还应掌握该区域的剩余环境容量，提出相对剩余率，构建气候承载力的相对剩余率的量化，确定当前气候条件下所评价对象是否在承载范围内，从而帮助人们采取相应的控制措施。区域气候承载力相对剩余率是一定区域范围内气候承载力在保障粮食安全的状态下粮食生产承载的人口数是否还有剩余空间［9，14］。从气候承载力和实际人口数出发，获得该区域的相对剩余率计算公式：

相对剩余率=（气候承载力-实际人口数）／实际人口数（8）

2 结果与分析

2.1 气候生产潜力分析

2.1.1 气候生产潜力时间变化特征。1961—2020年玉溪地区平均气候生产潜力为16 287.7 kg/（hm2·a），最大值为1968年的21 401.9 kg/（hm2·a），最小值为2019年的10 880.4 kg/（hm2·a）；1968年降水量超过1 100 mm，而2019年降水量不足700 mm，相应的2019年出现较重的干旱灾害。从线性倾向率来看（图1），近60年气候生产潜力呈减少趋势，减少率为25.8 kg/（hm2·a），但没有通过0.05水平的显著性检验，说明近60年气候生产潜力的减少趋势是不显著的。各县的气候生产潜力均为减少趋势，减少趋势最大的为峨山，减少率为73.2 kg/（hm2·a），通过0.01水平的显著性检验，减少趋势明显；通海、华宁和易门减少趋势较小（表1）。从气候变化对气候生产潜力的影响来看，虽然1961—2020年温度呈明显上升趋势（通过0.01水平的显著性检验），无霜期变长，辐射随时间变化平缓，但降水量呈下降趋势（没有通过0.05水平的显著性检验），并且降水量年际波动较大，导致气候生产潜力年代际波动较大（图2）。1961—1970年气候生产潜力呈增加趋势，增加速率为207.3 kg/（hm2·a）；1971—1980年气候生产潜力以740.4 kg/（hm2·a）的速率减少；1981—1990年气候生产潜力减少，减少速率为190.1 kg/（hm2·a）；1991—2000年气候生产潜力增加，增加速率为401.6 kg/（hm2·a）；2001—2010年气候生产潜力以734.8 kg/（hm2·a）的速率减少；2011—2020年气候生产潜力增加，增加速率为144.3 kg/（hm2·a）；1971—1980和2001—2010年气候生产潜力减少趋势通过0.01水平的显著性检验，说明20世纪70年代和21世纪初玉溪地区气候生产潜力减少趋势明显。

2.1.2 气候生产潜力突变检验。

借助 Mann-Kendall非参数统计方法对近60年来玉溪地区气候生产潜力的突变状况进行检验分析，结果表明（图3），近60年玉溪地区气候生产潜力呈减少趋势，但没有通过0.05水平的显著性检验，减少趋势不明显。出现多个时段的增加和减少趋势，但这些增加和减少趋势均没有通过0.05水平的显著性检验，说明增加和减少趋势均不显著。研究时段内UF和UB曲线出现多个交叉点，且交叉点在临界线之间，表明近60年来玉溪地区气候生产潜力发生多次突变。

2.1.3 气候生产潜力空间分布。根据玉溪9个气象站1961—2020年的逐年日照时数、气温和降水量资料，计算玉溪地区光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力的空间分布图（图4）。从图4可以看出，玉溪地区日照资源丰富，其光合生产潜力较大，近60年光合生产潜力的平均值为25 265.9 kg/（hm2·a），年光合生产潜力北低南高；受辐射分布影响，玉溪南部辐射资源较好，相对的光合生产潜力较大，光合生产潜力为25 901.9～25 972.2 kg/（hm2·a）；北部光合生产潜力相对较低，为24 650.1～24 675.5 kg/（hm2·a）。玉溪光温生产潜力与光合生产潜力空间分布特征一致，南高北低，特别是南部河谷地区，气温较高，光温生产潜力的平均值为22 997.4 kg/（hm2·a），南部为24 818.5～25 933.7 kg/（hm2·a），北部为21 077.0～22 861.9 kg/（hm2·a）。光温水生产潜力也称为气候生产潜力，玉溪地区气候生产潜力平均值为16 287.7 kg/（hm2·a），气候生产潜力空间分布受降水变率影响，南部光合生产潜力和光温生产潜力的高值区转为气候生产潜力的低值区，为12 327.3 kg/（hm2·a），而中部和北部气候生产潜力增加，为15 805.2～17 920.1 kg/（hm2·a）。可见玉溪地区气候生产潜力空间分布与地势相符，地势相对平坦的地区，气候生产潜力较大；地势起伏较大，特别是河谷与高山并存，海拔高差较大的地区，气候生产潜力较小。