基于历史资料研究古代气候变化对粮食收成的作用,农业基础科学论文.docx

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1、基于历史资料研究古代气候变化对粮食收成的作用,农业基础科学论文认识过去气候影响人类社会经济的经过、人类响应和适应气候变化的机理，能够为应对当下及将来全球气候变化的可能影响提供历史借鉴PAGES,2018。近年来该领域获得了很多重要的研究成果，国内外学者基于高分辨率古气候和历史气候重建结果，通过与人类历史文化代用序列比照，讨论了历史气候变化影响下的农业生产变化、人口数量增减与迁徙、疾病传播与人类健康、人类聚落进退、社会动乱及古文明兴衰等许靖华，1998;章典等，2004;ZhangD等，2006,2007;ZhangP等，2008;Haug等，2003;Lee等，2008;Fan,2018，证实

2、了气候变化是人类文明兴衰的背景，并指出气候-生态-经济-社会的连锁反响和反应机制，是气候影响社会和历史发展的途径。 农业社会中，农业生产是理解气候变化对社会经济影响经过和机理的关键环节之一。但是，由于定量的农业生产序列的欠缺，导致缺少对于驱动和结果之间的关键环节的讨论，因而难以从经过-机理上理解气候变化的社会经济影响，甚至可能引发诸如季风能否 吹垮 唐朝等关于气候变化对历史影响的不同观点和争论Yancheva等，2007;张德二，2008。 中国是一个历史悠久的传统农业大国，人民生活水平和国家综合实力均建立在农业的基础之上。中国主要的粮食生产区位于东部的季风气候区，有限的热量条件和高降水变率严

3、重地制约着农业生产的稳定性，导致中国粮食收获或丰或歉，粮食生产对气候变化具有很高的敏感性。粮食丰歉作为粮食安全的基础，则会进一步影响到人口增减、经济盛衰和社会稳定。在中国古代，以为 风调雨顺 才能 五谷丰收 , 五谷丰收 才有 国泰民安 .因而，历史气候变化对农业的影响研究在我们国家的历史气候变化影响研究中一直遭到高度关注。自20世纪80年代以来，大量研究成果揭示出作物生长季长度及种植制度竺可桢，1973;邹逸麟，1995;倪根金，1988、作物产量张家诚，1982;龚高法等，1983;郑斯中，1983、作物与宜农土地分布张养才，1982;倪根金，1988;方修琦，1999等与历史时期的气候变

4、化关系严密。 由于中国古代粮食产量的记载零散见于历史文献中，缺乏系统而准确的连续定量统计数据，从时间分辨率上，难以知足长序列和高分辨率重建的要求，因而，尚缺少过去农业丰歉序列的重建。已有关于产量及丰歉的研究结果余也非，1980;吴慧，1985;吴存浩，1996，主要是某几个朝代或某一时期的产量折算值，但研究结果存在较大差异不同。我们国家反映粮食作物相对产量的作物收获成数数据，主要出如今清代档案记录中，该量化资料连续、准确，而根据收获成数重建的序列，主要集中在清朝以来葛全胜和王维强，1992;王铮等，1995;郝志新等，2003，但是时段较短，缺乏以完成更长期的序列重建。但同时也应看到，中国有长

5、期连续的、丰富的历史文献记录，中国文字词汇丰富，不同词汇语义有明确的差异不同，能够具体表现出出程度、范围的差异不同，被国际上公认是重建历史气候变化的重要信息源，在基于历史文字描绘叙述重建中国过去气候冬季温度和干湿指数等变化序列方面已有成功的案例和经历体验竺可桢，1973;气象局气象科学研究院，1981;Zhang,1988;Ge等，2003;Zheng等，2006，证明了用文字记录重建历史气候变化的可行性和可靠性。在中国历史文献中同样有大量与农业生产相关的记录，历史气候变化重建方面的成果为重建古代中国农业丰歉序列提供了借鉴。本论文拟通过搜集整理(二十四史许嘉璐和安平秋，2004中关于农业丰歉的

6、描绘叙述词汇，并将其分级量化，重建西汉至五代206BC960AD10年分辨率的农业丰歉序列，并分析气候变化对农业丰歉的影响。 1 资料与方式方法 本文选取西汉至五代时期206BC960AD为研究时段。该时期农耕区域主要集中于中国东部的黄河中下游及长江下游地区邹逸麟，2007;韩茂莉，2020图1，作物种植品种及熟制相对单一，社会反应调节机制相较简单，农业生产对于气候变化的脆弱性较高。另外，206BC960AD的1166年间，经历了210BC180AD两汉暖期、541AD810AD隋唐暖期两个相对暖和期，以及181AD540AD,811AD930AD两个相对严寒期郑景云等，2018。该时段的农业

7、丰歉序列重建结果有助于比照分析不同冷暖阶段气候变化影响的差异。 图1 1.1 农业丰歉历史记录来源 本研究借鉴历史气候变化重建竺可桢，1973;气象局气象科学研究院，1981;Zhang,1988;Ge等，2003;Zheng等，2006的成功经历体验，将历史文献资料中的农业丰歉文字转化为能够量化的代用指标。华而不实，可供直接选用的量化记录主要有：粮食产量、收获成数；可供反演、间接应用的量化资料包括粮食价格、自然灾祸状况和温饱状况等。 历史农业丰歉的基础资料来源于(二十四史许嘉璐和安平秋，2004，详细以(汉书、(后汉书、(三国志、(晋书、(魏书、(隋书、(旧唐书、(新唐书、(旧五代史和(新五

8、代史等着作中的(帝王本纪为主，(五行志和(食货志等为辅助资料。 以上史书分别涵盖了各朝统治时期，资料的时间分辨率最高可达年及年下面，记录内容丰富，作物收获、百姓衣食、自然灾祸、饥荒疾疫等均记录在册，用词准确严谨。 从上述史书中，逐年搜集整理206BC960AD有关我们国家农业丰歉的直接和间接证据，共搜集到相关记录1636条，构成逐年的农业丰歉原始描绘叙述记录。华而不实，直接证据包括作物收获丰歉、温饱状况因灾引发的饥荒等，共508条记录；间接证据包括主要农业灾祸水、旱、霜、虫和雹、社会民生、粮价及粮食仓储状况等，共1128条记录，华而不实农业灾祸记录901条，其他间接证据227条。在206BC9

9、60AD的1166年中，有记录的年份851年，占73%,无记录的年份315年占27%。无记录年份除较为集中于五代时期外，基本均匀分布于各个时期，多为偶有1年或连续24年无资料，占无记录年份的75.8%;连续5年以上无资料的年份占24.2%,相当于206BC960AD总年份的6.9%,华而不实连续无资料最长的年限为13年出现1次，911AD923AD、其次为8年出现3次，3AD10AD,927AD934AD和953AD960AD。 1.2 逐年的农业丰歉等级划分 根据中国文字词汇丰富、语义差异不同明显的特点，以及各种直接与间接描绘叙述农业丰歉词汇语义在丰歉程度上的可区分度，共分为6个级别，从16

10、级分别代表了从歉收到丰收，分级标准如表1.该分级词汇的语义，可与17301910年清代农业收获成数的含表1义相对应葛全胜和王维强，1992。 表1 逐年进行农业丰歉评级的详细方式方法和步骤如下。 编着于公元前50年代中均提到 三岁而一饥，六岁而一衰，十二岁而一康荒 ,主要反映了西汉时期的农业丰歉规律。统计西汉时期逐年农业丰歉等级构造表4，结果显示：表4严重歉收年1级的重现期为11年，歉收年2级约6年一遇，而偏歉年3级约为5年一遇，丰年5级、6级分别为7或8年一遇，该比例构造及重现期，与上述文献记载的粮食丰歉规律大致相当。 与中国当代的粮食生产丰歉比照郑景云，1994，由于粮作物种植区域的扩大、

11、作物品种的复杂多样、农田基础设施的建设，当代粮食损失成数比古代低，但是，农业丰歉等级的构造分布，古代可与当代比照表4。 表4 1.3 10年分辨率的丰歉指数构建与丰歉等级序列重建 为揭示年代际以上尺度的丰歉变化特征，消除逐年丰歉等级年际波动的影响，同时降低连续缺记年份逐年赋值在时间和丰歉状况上可能存在的不确定性，本文采用基于平年与丰歉年出现年数的比例相对当量折算的方式方法构建了10年分辨率的丰歉指数，在这里基础上重建10年分辨率的丰歉等级序列。 根据逐年农业丰歉等级的评定结果，统计丰歉年的构造构成表3。以平年为1,根据平年与丰歉年出现年数的比例关系，折算丰、歉年相对于平年的当量Ci,其含义是第

12、i类年份每出现1次，平年出现的平均年数，以10年为单位，计算各年代的农业丰歉指数，见公式1。 公式1 式中，H为10年丰歉指数，i为逐年丰歉等级i=1,2, ，6，Ci为i级的丰歉折算当量表3，Pi为同期10年内各i级的年数。 根据计算得到的丰歉指数值评定每10年相对的丰歉等级，从歉到丰共分为五级15级。分级的原则，主要是根据丰歉指数的分值频次曲线，在频次出现明显差异的转折点处确定划界阈值图2，亦是频次低值点；其次考虑15级的年代数量呈正态分布。15级的丰歉指数的数值区间分别为-2.0,-1.4，-1.4,-0.7，-0.7,0.4，0.4,1.4，1.4,3.1。该阈值，根据逐年收获成数16

13、级分别取3.5,4.5,6,7,8和9.5折算，大致分别相当于作物收获4.04.6成，4.65.5成，5.56.5成，6.57.6成，7.68.9成，每个级别平均收获为4.3,5.2,6.1,6.9和8.2,各级之间相差约0.9成。 1.4 气候变化与农业丰歉的关系分析 气候变化通过改变生长季水热资源条件影响农业生产。当前研究区内尚无可覆盖研究时段的高分辨率生长季气温重建序列，可覆盖研究时段的高分辨率定量冷暖序列有根据历史文献证据重建的过去2000年中国东部冬半年温度距平序列Ge等，2003和利用北京石花洞石笋重建的8月气温变化序列谭明等，1997。华而不实冬半年10月至次年4月温度距平平均值

14、取19511980年序列重建所采用的历史文献证据与农业生产密切相关包括：物候，初终霜日期，柑橘等亚热带作物及茶、竹等经济作物的分布与北界，作物霜灾、冻害，农事活动和农作制度的时空分布，等等，分辨率可达30年，部分时段可达10年，其变化与生长季热量资源的变化存在对应关系，因而，选择过去2000年中国东部冬半年温度距平序列反映冷暖变化Ge等，2003;葛全胜等，2018。干湿变化选用 过去1500年中国东部干湿比率序列 Zheng等，2006，该序列是利用中国历史文献及器测资料重建的中国东部的干湿比率，分辨率到达年，集成了华北、江淮和江南三个子区域及序列。上述两个序列在空间上25 40 N,105

15、 E以东基本覆盖本文的研究区图1。 图1 将气候变化冷暖和干湿与重建的农业丰歉等级进行比对，讨论两者的关系如下： 1温度状况与农业丰歉的比照。计算与温度距平值对应的同期每30年的农业丰歉等级均值，并进一步统计各个温度距平值对应的农业丰歉等级均值，以此分析温度状况与农业丰歉的关系。 2干湿状况与农业丰歉。计算每个年代的干湿指数均值，并计算不同干湿指数区间所对应的丰歉等级均值，以此分析干湿状况与农业丰歉。 3温湿组合状况与农业丰歉。综合考虑温度和干湿条件，得到不同的气候组合类型，再与同期的农业丰歉等级进行比对，以此分析不同温湿组合类型下农业的丰歉差异。 2、讨论分析与结果 2.1 西汉至五代农业丰

16、歉变化的基本特征 根据丰歉指数确定的每10年的农业丰歉等级，117个年代中15级的年代分别有9个、23个、47个、28个和10个，以一般3级年景最多，占40.2%. 206BC960AD年农业丰歉具有明显的阶段性图3，大致能够划分出3个阶段，各阶段的农业丰歉等级的构造构成见表5. 图3 表5 第一阶段，206BC51BC,农业收获整体偏丰为主，丰歉等级的平均值为3.8.丰收年代4级和5级比例占53.8%,华而不实5级年代占34.6%,是整个序列的平均比例8.6%的4倍，歉收年代的比例较低，没有1级年代，偏歉2级年代比例只要整个序列平均比例的2/3. 第二阶段，50BC590AD,农业收获整体偏

17、歉为主，丰歉等级的平均值为2.7.歉收年代1级和2级比例占到36%、平年占46.8%,均高于整个序列的平均比例分别为27.3%和40.2%，丰收年代的比例较低，没有5级的年代。 第三阶段，591AD960AD,农业收获总体偏丰，丰歉等级的平均值为3.4.丰收年代4级和5级比例占到51.4%,高于整个序列的平均比例32.5%；而偏歉年2级和平年3级的比例偏低。 在各阶段内，存在次一级的丰歉波动，丰或歉的持续时长一般为7090年或者140160年表6。 表6 2.2 气候变化对农业丰歉的影响 整体来看，农业偏丰的阶段对应于气候偏暖的时段，农业偏歉的时段对应于气候偏冷的时段图4。 根据冬半年温度距平

18、值计算同期每30年的农业丰歉等级均值，并进一步统计各个温度距平值对应的农业丰歉等级均值图4a。农业丰歉与气温变化，呈正相关关系。根据均值拟合的趋势线，温度距平为0，丰歉等级约为3,即平年。温度每升高1.2左右，则农业丰歉等级约升高1级，增产0.9成，即温度升高1，粮食增收0.75成。已有的当代农业生产的研究指出：气温每变化1，各季作物的熟级均可相应变化1级；据我们国家农业生产的经历体验，每相差一个熟级，产量变化约为10%即1成张家诚，1982，其结果相当。 图4 计算每个年代的干湿指数均值，并计算不同干湿指数区间所对应的丰歉等级均值图4b。整体来看，农业丰歉与一定范围内的干湿干湿指数为-0.8

19、50.80有对应关系，呈现湿度适中干湿指数-0.100.35产量偏丰，偏干、偏湿均减产，且偏干减产幅度大于偏湿。 根据图4,把温度距平 0， 0分别定义为暖和冷，把干湿指数 -0.1,-0.10.35, 0.35分别定义为干、适宜和湿，进而划分出6种温湿组合，分别计算各类温湿组合情况所对应的丰歉等级均值表7，统计显示，丰歉等级均值为暖宜 暖湿 冷湿 冷宜 暖干 冷干，即暖和湿润的气候条件更有利于农业丰收。暖和且降水适宜或偏湿的条件下，丰收4级和5级发生率超过62%;而在冷干条件下，歉收和平年13级发生率达84%.同等降水条件下，暖胜于冷；同等温度条件下，降水适宜最佳，其次是湿、干。 表7 2.

20、3 冷暖和干湿变化对农业丰歉影响差异的可能机制 对农业生产而言，水热条件可作资源，可以致灾祸，严重影响着农业丰歉。根据土地生产潜力及作物生长机理，区域农业生产有其适宜的气温和降水范围，在这里范围内，气候作为资源是农业生产的基础；超出其适宜范围及适应能力的气候异变，则会构成气象灾祸，造成农业生产损失歉收，变异程度越大极端干湿或冷暖，意味着灾祸强度及灾祸损失越大。中国人多地少，对土地和气候资源的利用常趋极致。季风气候下，中国农业生产面对的突出问题是热量资源缺乏导致的冷冻灾祸和降水过少或太多导致的旱、涝灾祸。 受限于热量资源的缺乏，长期以来各地区通过改革耕作熟制、充分利用热量资源以达增产目的。气温的

21、升高，不仅使得积温和生长天数增加，还使得冷害频次减少，有利于改善农作物生长的热量条件，挖掘粮食增产潜力和提高作物产量及生产稳定性。因而，温度变化与粮食丰歉存在正相关关系图3。温度对我们国家农业生产的不利影响主要在相对低温环境，偏冷时段与霜灾和冻害相对严重是相互对应的郑景云等,2005，温度距平为负值的阶段比方170BC160BC,270AD300AD,540AD560AD,680AD700AD,740AD760AD,780AD830AD，粮食歉收；而变暖可增加我们国家的热量资源，因变暖发生热害的影响微乎其微。 我们国家季风气候下的降水常趋极端，降水适量的情况下作为资源被利用，而降雨多或少对于农

22、业生产都会产生不利影响：降水少以发生旱灾为主，降水多则以发生水灾为主，水旱灾祸均可造成减产，因而，在偏干或偏湿的阶段比方320AD380AD,630AD700AD,760AD780AD和830AD850AD，粮食多为歉收。 2.4 不确定性分析 基于历史文献定性资料构建的农业丰歉序列，尚存在一定的不确定性。首先，逐年的丰歉定级中，对于多条记录和无记录年份的处理，存在一定的主观性。其次，每10年中无记录年份的多少会影响到年代丰歉指数及定级的准确性。华而不实，每10年中有5个无记录年份的年代有10个，每10年中有5个以上无记录年份的年代有9个，合计占所有年代的16%.上述年代，主要分布在西汉和五代

23、。 在气候变化与农业丰歉关系的分析中，存在对应关系不显着的阶段，可能存在两方面的原因。一方面，可能是由于气候变化及组合条件存在区域差异。相关研究结果显示，温度与降水年际变率之间的关系，构成比拟复杂的区域分布型式，相关系数的符号也不一致郑斯中和冯丽文，1985，东部的南北方干湿存在反位相的跃变格局张德二等，1997，因而，会导致不同地区的农业丰歉变化不同。另一方面，除了气候因素，土地制度、动乱和战争等因素对农业生产、产量造成的重要影响也是不可忽略的，而本文中没有进一步分析。 3、结论 本研究讨论了基于历史文献定性资料、量化粮食生产丰歉等级的方式方法。通过搜集与农业丰歉有关的作物收获、温饱状况、农

24、业灾祸、粮价及仓储、民生等记录，根据词意分级及其影响区域范围，进行逐年农业丰歉定级。逐年定级的丰歉年重现期，与西汉时期文献记载和当代粮食产量统计显示的农业生产规律一致。进而根据丰歉等级构造确定丰歉指数，进行每10年的农业丰歉等级评定，从15级分别对应从歉到丰的粮食生产状况。 根据上述方式方法，重建了西汉至五代206BC960AD10年分辨率的农业丰歉序列。该序列丰收、平收和歉收对应的收获约6.58.9成，5.56.5成，4.05.5成，构成的年代比例分别为32.5%,40.2%,27.3%. 该序列可划分为3个阶段：偏丰206BC51BC，偏歉50BC590AD，偏丰591AD960AD，分别对应中国历史上的西汉中前期、西汉末至南北朝、隋唐时期。 本研究尝试解释温度和干湿对于粮食丰歉产生不同影响的机理。丰收通常对应着气候暖和、降水适宜或偏湿的条件，而歉收则多为冷干的气候条件。由于中国东部季风气候区有限的热量条件，农业丰歉与气温具有正相关关系，温度升高1，粮食增收约0.75成，因而，暖期多带来丰收，而冷期多导致歉收。 中国气候高降水变率的特点，使得只要降水适量时有利于农业生产，而降水偏多或偏少构成水灾或旱灾，均对农业生产产生不良影响。图标略