基于气候生产潜力的云南人粮关系及其未来变化*

李 蒙，朱 勇，周建琴，马思源



基于气候生产潜力的云南人粮关系及其未来变化*

李 蒙，朱 勇**，周建琴，马思源

（云南省气候中心，昆明 650034）

基于云南117个气象站1961−2015年观测实况及全球气候模式模拟的2016−2055年年平均气温、降水量数据，使用Thornthwaite Memorial模型计算并分析云南各地气候生产潜力（Tspv）的时空变化特征，构建并计算Tspv的人口承载力（Tspv-人口承载力）和气候承载力指数。结果表明：（1）云南Tspv呈现明显的纬向分布及垂直分布特征，总体表现为南部高于北部，低海拔地区高于高海拔地区，降水是云南Tspv主要限制因子；（2）1961−2015年全省Tspv仅滇西的部分地区显著增加，滇中局部等地显著减少，其余地区变化不显著，全省平均Tspv年际波动大，在2009年前后发生突变；（3）2006−2015年云南人均粮食供应稳定增长，接近或超过小康型粮食需求，耕地的人口承载力（耕地−人口承载力）逐年增加，但远低于Tspv-人口承载力，即使在极端减产年，Tspv-人口承载力水平仍能满足当前人口、耕地规模下富裕型粮食需求，人粮关系状态为盈余；（4）如果保持现有稳定的人口、耕地及生产力水平增幅，未来不同的排放情景下，云南Tspv及Tspv-人口承载力都将稳定增加，人粮关系状态以粮食盈余为主，且高排放情景下承载力和人粮关系状态水平均优于低排放情景。

云南；气候生产潜力；人口承载力；气候承载力；人粮关系；气候变化预估

云南作为一个农业经济为主的省份，是典型的“雨养农业”地区，粮食生产对气候条件十分依赖，而云南独特的地形地貌和气候特征[1-2]对粮食生产水平和保障能力也有十分显著和深远的影响。因此，研究云南气候生产潜力及其承载能力，尤其是气候变化对云南人口承载能力及人粮关系状态的影响对于调整优化农业种植结构，提高农业生产力，积极应对气候变化都有着十分重要的意义。

目前关于人口承载能力或人粮关系的研究[3-7]主要以耕地为基础，以食物为中介，以人口容量的最终测算为目标[4,7]，重点分析基于耕地和粮食供应实况的人口承载力水平及人粮关系状态。虽然在气候领域，研究人员也开展了气候承载力等方面的研究[8]，但是，研究主要围绕气候生产潜力水平[9-18]及人口承载能力[19-21]展开，基于不同气候状态或气候资源水平，使用气候生产潜力评估人粮关系的研究仍然较少，鲜有未来气候变化对人口承载力、人粮关系状态影响方面的研究报道，针对云南地区的相关研究及应用尤为缺乏。

本研究根据“气候—粮食—人口”这一主线，构建基于气候生产潜力的人口承载力和人粮关系状态评估模型，评估当前气候状态及未来气候变化情景对云南人口承载能力和人粮关系状态的影响。

1 资料与方法

1.1 数据来源

选取云南117个资料完整、序列长、受台站搬迁影响较小，能代表当地农业种植区气候特点的气象站，利用各气象站1961−2015年逐年年平均气温和年降水量资料进行气候生产潜力计算。个别年份出现资料短缺时，使用该站点多年平均值代替。

未来气候变化预估数据来自国家气候中心制作完成的中国地区气候变化预估数据集3.0版，数据集选取了24个全球气候模式的数值模拟结果及其集合来进行未来气候变化的预估。本研究采用数据集中RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三种级别的温室气体排放情景对应的年平均气温和年降水量预估数据进行相关计算。

云南地区人口、粮食种植面积（hm2）及产量（kg）实测数据均来取自2006−2015年《云南统计年鉴》。

1.2 气候生产潜力计算及分析

采用Thornthwaite Memorial模型[9,15]计算气候生产潜力（以下简称Tspv，kg·hm−2·a−1），即

（2）

式中，V为年平均实际蒸散量（mm）；L为年最大蒸散量（mm），表征年平均温度的经验函数；T为年平均气温（℃）；R为年降水量（mm）。计算逐年全省平均气候生产潜力（Tspv）时，年平均气温、年降水量用117站的平均值代替。

应用趋势分析法和Mann-Kendall突变检验（简称M-K检验）分析云南各地的Tspv年际变化特征及突变特征。趋势分析用最小二乘法求解线性倾向率，用线性倾向率的大小衡量Tspv的变化趋势及幅度。Mann-Kendall突变检验使用突变点及显著性水平来分析云南Tspv的“转型”时间及变化特征。

1.3 承载力指数

1.3.1气候承载力指数

将评估区域的实际人口数与当地气候生产潜力所能承载的最大人口数量的比值定义为气候承载力指数（Cb），用来评估基于气候生产潜力描述的云南人粮关系状态，数值越小说明粮食盈余越多，人粮关系越协调。

式中，Pa为评估年实际人口数（人）；k为气候-粮食转换指数，用单位面积粮食产量占Tspv的比重表示，表征Tspv转换为粮食的能力，k取值为1时Cb表示理想状态下最大化的气候承载力水平即人粮关系状态；Af为评估年粮食种植面积（hm2）；Cbf为Tspv-人口承载力（人·hm−2），表示一定的生产力水平下，单位面积气候生产潜力所能供养的人口数[19]，即

式中，Tspv为气候生产潜力（kg·hm−2·a−1），Nf为不同水平人均粮食需求标准（kg×人−1×a−1），根据联合国粮农组织公布的人均营养热值标准，结合中国国情把人均年粮食消费350kg、400kg、450kg分别作为温饱型、小康型、富裕型粮食消费标准[20]。

1.3.2 耕地承载力指数

若式（4）中k取值为1，式（5）中Tspv取值实际粮食单产（kg·hm−2），则Cbf表示单位面积耕地的粮食产量所能承载人口数量，即耕地-人口承载力（Clf），Cb可以表示当前耕地粮食产量的人口承载力水平，即耕地承载力指数（Cl），可以描述当前实际粮食供应的人粮关系状态。

1.4 人粮关系状态评估

为了实现云南气候承载力指数（Cb）和耕地承载力指数（Cl）的分级描述，分别评估基于耕地粮食产量及基于Tspv的云南人粮关系状态，参照基于土地资源承载力分级的人粮关系状态评价标准[19-20]，将气候承载力指数（Cb）和耕地承载力指数（Cl）统称承载力指数（C），分为粮食盈余、人粮平衡和人口超载3个大类共8个级别（表1）。

表1 承载力指数（C）评价标准

2 结果与分析

2.1 云南气候生产潜力的时空变化特征

根据云南117个气象站1961−2015年逐年年平均气温和年降水量资料，计算Tspv及其变化趋势，结果见图1a。由图可见，全省多年平均Tspv为14458.9kg·hm−2·a−1，各地Tspv多年平均值在8787.3～20071.9kg·hm−2·a−1，空间差异显著，Tspv的分布与纬度、海拔呈极显著相关（P＜0.001），而与经度相关不显著。云南Tspv呈现明显的纬向分布和立体分布，总体上南部高于北部，低海拔地区高于高海拔地区，最小值为滇西北高海拔地区的德钦县，其值不足滇东南低海拔地区的全省最大值河口县的一半。云南各地常年Tspv与常年平均气温、降水量的分布具有一致性，均呈现极显著正相关（P＜0.001），Tspv高值区集中在滇西南及滇东南的高温高湿区，Tspv大于15000kg·hm−2·a−1，其中普洱、西双版纳等地部分地区大于18000kg·hm−2·a−1，而滇西北、滇东北等地的高寒山区气温低、降水少，Tspv不足12000kg·hm−2·a−1，是云南Tspv最低的地区，其中迪庆州大部地区不足10000kg·hm−2·a−1。

进一步分析发现，1961−2015年全省平均Tspv序列与气温序列的相关系数为0.05，与降水序列的相关系数为0.92（P＜0.001）。各地Tspv序列与年平均气温的相关系数为−0.44～0.84，相关性具有明显的地区差异，仅35%的地区相关显著（P＜0.05），显著正相关的地区主要是滇西南等地的多雨区，显著负相关的地区主要集中在金沙江流域和元江流域的干热河谷区。各地Tspv与年降雨量的相关系数为0.45～0.99，全省表现为一致的极显著正相关，其中80%的地区相关系数超过0.9，相关系数较低的地区主要是滇西南等地降水较多的地区。总体来说，云南大部分地区热量充足，气温不是Tspv主要限制因素，甚至局部地区温度过高不利于Tspv的提高，降水则是Tspv的主要限制因子，但是在部分年降水量高值区，气温对Tspv的影响效应大于降水。

云南各地年Tspv的线性变化趋势分析结果见图1b。由图可见，大部地区Tspv变化趋势并不显著，仅滇西北北部及滇西南南部等地约占全省12%的地区呈显著上升趋势（P＜0.05），递增速率大于100kg·hm−2·10a−1，全省仅滇东北南部等地的局部地区表现为显著下降（P＜0.05）。分析表明，滇西北南部、滇中南部、滇东南北部等地约占全省54%的地区Tspv线性倾向率为负值，表现为递减趋势，而滇西北北部、滇西南大部及滇东北中部等地Tspv线性倾向率为正值，表现为递增趋势。

云南平均Tspv的年际波动较大，整个分析期经历了两次明显的上升阶段和一次明显的下降阶段（图2），上升阶段分别为20世纪60年代初期−70年代中期以及80年代末期−90年代末期，下降阶段主要在2001−2011年。从年代际变化来看（表2），全省平均Tspv在20世纪90年代最大，而2001−2010年和60年代次之，2011−2015年最小。

图1 1961−2015年云南省气候生产潜力平均值（a）和线性变化趋势（b）

Mann-Kendall突变检验分析表明（图3），云南Tspv在2009年前后出现了显著的突变（P＜0.05），由上升趋势转为下降趋势。

2.2 云南人粮关系现状评估

为分析基于实际粮食产量和云南气候生产潜力(Tspv)的人口承载能力与人粮关系状态差异，使用耕地-人口承载力和耕地承载力指数描述当前土地和粮食供应下的人口承载能力及人粮关系状态，使用Tspv-人口承载力（气候生产潜力的人口承载力）和Tspv承载力指数描述理想状态下的人口承载能力和人粮关系状态。

使用《云南统计年鉴》2006−2015年人口、粮食总产计算最近10a（2006−2015年）云南耕地-人口承载力（耕地的人口承载力）和耕地承载力指数。计算表明，云南2006−2015年实际耕地-人口承载力为10.5～11.3人·hm−2，平均10.7人·hm−2，人均粮食拥有量逐年稳定增加，接近或超过小康型粮食需求；2006−2015年云南温饱型的承载力指数为0.850～1.082，处于粮食盈余或人粮平衡状态，以人粮平衡状态为主；小康型承载力指数为0.972～1.236，处于超载-人粮平衡状态，以人粮平衡状态为主；富裕型承载力指数为1.093～1.391，处于临界超载-过载状态，以临界超载-超载为主。从时间变化来看，温饱型、小康型和富裕型需求下的耕地-人口承载力指数均呈现稳定下降的趋势，即人粮关系状态从人口超载逐渐接近人粮平衡，并不断向粮食盈余状态演变。2011−2015年温饱型人粮关系状态基本处于平衡有余或盈余状态，小康型人粮关系状态基本处于临界超载或平衡有余状态，而富裕型人粮关系状态基本处于超载或临界超载状态。

图2 1961−2015年全省平均Tspv的年际变化

图3 全省平均年Tspv的Mann-Kendall突变检验

表2 全省平均Tspv值的年代际变化

使用云南Tspv多年平均值、5%保证率、20%保证率、80%保证率、95%保证率分别代表云南Tspv常年值、灾年值、减产年值、增产年值、丰产年值，使用Tspv极小值、极大值代表极端情况下的Tspv值，从数值上看（表3），全省平均Tspv的多年平均值与80%保证率的值更为接近，说明大部分年份全省平均Tspv偏多，而全省平均Tspv在极端情况下极大值与极小值相差较大，极小值仅为极大值的80%左右，说明气候条件引起的年际差异显著。根据富裕型、小康型、温饱型的人均粮食需求计算Tspv-人口承载力，结果表明（表3），按富裕型需求，全省多年平均Tspv-人口承载力为32.1人，在减产年为29.0～31.0人，丰产年为32.9～34.0人；按照小康型需求，全省多年平均Tspv-人口承载力为36.1人，在减产年为32.7～34.8人，丰产年为37.0～38.3人；按照温饱型需求，全省多年平均Tspv-人口承载力为41.3人，在减产年为37.3～39.8人，丰产年为43.0～43.8人。若按照理想状态下气候-粮食转换指数k取值1，并使用2006−2015年平均粮食种植面积作为耕地供应水平，则即使是在极端减产年Tspv-人口承载力也远远大于富裕型耕地-人口承载力水平，Tspv-承载力指数对应的人粮关系状态在富裕型、小康型、温饱型的人均粮食需求下均为粮食盈余状态，说明理想状态下Tspv承载力水平完全能满足当前人口数量及富裕型粮食需求的需要。

计算发现（表4），近10a平均粮食单产仅占气候生产潜力的30%左右，说明气候-粮食转换指数k为0.3时，气候承载力指数与耕地承载力指数接近，即不同粮食需求水平下的人粮关系状态一致，当气候生产力指数k大于0.3时，人粮关系状态将由人粮平衡向粮食盈余偏移，k越大，气候承载力指数越高，人粮关系越协调。以2015年实际人口和耕地面积为例，当k超过0.37时，富裕型人粮关系状态转为粮食盈余，则云南的粮食供应将能完全保障温饱型、小康型及富裕型的需求。同样，Tspv-人口承载力代表理想状态下的最大承载能力，远远大于耕地-人口承载力。以小康型需求为例，多年平均耕地-人口承载力也仅为Tspv-人口承载力的30%左右，说明目前Tspv-人口承载力远远大于实际需求，耕地-人口承载力相对于当前的Tspv-人口承载力还有较大的可利用空间。因此，在当前的人口规模和粮食需求背景下，影响云南人粮关系状态的是气候生产潜力的利用率及粮食种植面积，在粮食需求逐渐增大的情况下，迫切需要进一步扩大粮食种植面积，重点是提高粮食生产效率，增加粮食供应方能完全满足需要。

表3 1961−2015年不同粮食需求水平下基于气候生产潜力的人口承载力即Tspv-人口承载力统计特征

表4 2006−2015年云南人粮关系状态评估

2.3 云南人粮关系未来变化

基于全球模式的气候变化预估研究[21]表明，云南未来10～30a在不同温室气体排放情景（RCP情景）下，平均气温随着温室气体浓度的升高而呈上升趋势，在RCP2.6、RCP4.5情景下云南年平均降水量在2025年前后略有减少，2030年以后表现出增加趋势，2050年以前三种情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）下的降水增加趋势基本一致，呈略增加趋势，2050年以后增加趋势逐渐明显。根据预估的温度和降水数据，计算云南省2016−2025年、2026−2035年、2036−2045年及2046−2055年共4个年代际的Tspv、Tspv-人口承载力以及气候承载力指数（表5）并与多年（1986−2025年）平均值进行对比[21]。

由表5可见，在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三种排放情景下，云南全省平均Tspv在不同年代都将出现不同程度的增长。在2016−2025年，Tspv在三种排放情景下增幅较一致，均出现约2%的增加，不同粮食需求水平下的Tspv-人口承载力也将出现0.6～0.9人的增加，总体上，RCP4.5、RCP8.5排放情景下的Tspv-人口承载力增幅略低于RCP2.6。在2026−2035年、2036−2045年、2046−2055年，云南平均Tspv在三种排放情景下出现2.9%～7.2%的增加，且随着排放浓度的增加，Tspv越大，人口承载力也越大。

表5 不同排放情景下云南气候承载力预估

Note:A-Tspvis anomaly percentage of Tspv，A-Tspv-people is anomaly of Tspv-people carrying capacity（person）.

按照2006−2015年平均人口增长率、生产力指数增长率以及粮食种植面积增长率，设定未来40a每10年的平均人口、平均生产力指数以及平均粮食种植面积，并对气候承载力指数进行预估，结果表明：在三种排放情境下，同一年代在同一粮食需求水平下，云南平均气候承载力指数等级具有一致性，除2016−2025年的承载力等级为平衡有余外，其余年代在不同的排放情景下及不同粮食需求水平下，人粮关系状态均为富裕或盈余，说明在稳定的粮食种植面积和人口增长下，保持正常稳定的生产力水平，云南在未来气候变化背景下人粮关系为人粮平衡—粮食盈余，大部时段为粮食盈余。

3 结论与讨论

（1）云南大部地区热量充足，雨量充沛，Tspv值高于文献[10-12]中各省份的计算结果，Tspv主要受地形条件及降水分布的制约，呈现明显的纬向分布及垂直分布，总体表现为南部高于北部，低海拔地区高于高海拔地区。与其它研究[11,14]结果一致，云南大部地区Tspv与气温、降水均呈显著正相关，但降水更为敏感，降水是云南Tspv主要限制因子。1961−2015年全省平均Tspv及超过50%的地区Tspv的线性倾向率为负值，表现为递减，但趋势并不显著，全省仅滇西南和滇西北的部分地区呈现显著增加的趋势，滇中等地的局部地区表现为显著减少的趋势。受高敏感因子降水的影响，Tspv总体变化趋势与降水的变化趋势更为一致，全省平均Tspv在2009年前后发生突变，可能是2009年以来全省平均降水量连续6a偏少，干旱灾害影响明显，导致云南Tspv持续下降。

（2）2006−2015年云南耕地-人口承载力呈现明显的增加，人均粮食供应稳定增长，接近或超过小康型粮食需求，小康型人粮关系状态为人粮平衡-粮食盈余。在同等粮食需求水平下，云南平均Tspv-人口承载力远大于耕地-人口承载力，即使在极端减产年，Tspv-人口承载力水平仍能满足当前人口规模富裕型的粮食需求，人粮关系状态为盈余。但是，云南当前的农业生产力水平仅能转化30%左右的Tspv，富裕型人粮关系状态仍处于超载状态，因此，Tspv-人口承载力及气候承载力指数只是一种理想化的承载力水平和人粮关系状态，说明Tspv还有十分巨大的可开发利用空间，要在云南当前人口规模基础上满足更高的粮食需求，还需要进一步加大耕地供应，提升气候生产潜力的利用率。

（3）如果假定未来云南按照过去10a平均的人口增长速度、土地供应增幅及生产力水平增幅，按照全球模式预估数据计算分析，在不同的排放情景下，未来云南Tspv在不同的年代际均会出现增长，Tspv-人口承载力也将对应出现明显的增加，除2016−2025年的人粮关系状态为人粮平衡外，其余年代在不同的排放情景下及不同粮食需求水平下，人粮关系状态等级均为粮食盈余。说明未来的气候背景总体有利于Tspv的增加，如何控制好人口规模，做好土地供应，尤其是提高农业生产力水平将是提高Tspv-人口承载力、气候承载力指数以及改善和提升云南人粮关系的关键所在。

桑斯维特模型是一个经验模型，虽然得到了广泛应用，但在中国这样的季风气候区并未经过充分的验证与参数订正，且该模型计算植物干物质总量时仅考虑了年平均实际蒸散量一个因素，并不全面，蒸发的计算也仅使用了年平均气温一个自变量，在气候变化背景下，桑斯维特模型的蒸散计算公式已不再适用。因此，还需在本研究基础上探索更为全面的适用于云南等低纬高原地区的气候生产潜力计算评估模型。其次，本研究基于全省的总体状况分析了基于耕地和Tspv的人口承载力及人粮关系状态，虽然具有宏观决策的参考价值，但实际上云南各地在不同的时期无论是耕地条件、人口规模、生产力水平还是Tspv特征都具有十分显著的地区差异，各地不论是基于耕地还是基于Tspv的人口承载力和人粮关系状态都不尽相同，因此，还需进一步细化不同研究时期和不同研究区域，开展更加全面的人粮关系现状及变化趋势评估。另外，本研究是在假设未来保持稳定的耕地、人口增长及生产力水平提高的情况下，基于气候模式预估数据进行人口承载力及人粮关系状态分析，实际上气候变化具有很强的不确定性，年际波动也较大，研究结果也不足以完整体现未来气候变化的影响，加之社会经济数据也受到多方因素的影响，未来人口的变化及农业产业结构的调整也具有不确定性，因此，还需要进一步分析不同的社会发展情景及不同模式气候预估产品下，年际气候变化对人粮关系的影响。

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Human-grain Relationship and Its Future Change in Yunnan Based on Climatic Potential Productivity

LI Meng, ZHU Yong, ZHOU Jian-qin, MA Si-yuan

(Yunnan Climate Center, Kunming 650034, China)

In order to analyze and compare population carrying capacity and human-grain relationship based on food supply and climatic potential productivity (Tspv) in Yunnan, population carrying capacity and human-grain relationship under future climate change were predicted. In this study, using average temperature and annual precipitation observed by 117 meteorological stations in Yunnan in 1961−2015 and simulated by the global climate model in 2016−2055, the temporal-spatial changing characteristics of Tspvin various regions of Yunnan were calculated and analyzed by the Thornthwaite Memorial model, and Tspv-population carrying capacity and climate carrying capacity were constructed and calculated. The results showed that: (1) Tspvin Yunnan presented obvious zonal and vertical distribution. Overall, Tspvwas higher in the south than that in the north, and higher in areas at low altitude than that in areas at high altitude. Precipitation is the main limiting factor of Tspvin Yunnan. (2)In 1961−2015, Tspvonly significantly increased in partial areas of western Yunnan, significantly decreased in local areas of central Yunnan, and showed no obvious change in other areas. Average Tspvin Yunnan presented large inter-annual fluctuations and a significant change around 2009. (3)In 2006−2015, per capita grain supply in Yunnan grew steadily, approaching or exceeding the demand of well-off grain. Cultivated land-population carrying capacity increased year by year, but was far lower than Tspv-population carrying capacity. Although during year with a sharp yield reduction, Tspv-population carrying capacity could still meet the demand of affluent grain under current population and cultivated land scale, with a surplus human-grain relationship. (4)With current stable amplitude of population, cultivated land and productivity, Tspvand Tspv-population carrying capacity in Yunnan will increase stably, and human-grain relationship will mainly be grain surplus under different emissions in the future. The carrying capacity and human-grain relationship under high emission will be superior to low emission.

Yunnan; Climate potential productivity; Population carrying capacity; Climate carrying capacity; Human-grain relationship; Climate change prediction

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.02.004

李蒙,朱勇,周建琴,等.基于气候生产潜力的云南人粮关系及其未来变化[J].中国农业气象,2019,40(2):96−104

2018−08−01

。E-mail：windzy78@163.com

中国气象局气候变化专项（CCSF201829；CCSF201508）

李蒙（1978−），硕士，高级工程师，从事气候及气候变化研究。E-mail：limeng5945@sina.com