基于历史资料研究古代气候变化对粮食收成的作用

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论文摘要

  认识过去气候影响人类社会经济的过程、人类响应和适应气候变化的机理,可以为应对当前及未来全球气候变化的可能影响提供历史借鉴(PAGES,2009)。近年来该领域取得了许多重要的研究成果,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对比,探讨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,2010),证实了气候变化是人类文明兴衰的背景,并指出气候-生态-经济-社会的连锁反应和反馈机制,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过程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探讨,因此难以从过程-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重地制约着农业生产的稳定性,导致中国粮食收成或丰或歉,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,认为“风调雨顺”才能“五谷丰登”,“五谷丰登”才有“国泰民安”.因此,历史气候变化对农业的影响研究在我国的历史气候变化影响研究中一直受到高度关注。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化关系紧密。

  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,难以满足长序列和高分辨率重建的要求,因此,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别。我国反映粮食作物相对产量的作物收成成数数据,主要出现在清代档案记录中,该量化资料连续、准确,而根据收成成数重建的序列,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,不足以完成更长期的序列重建。但同时也应看到,中国有长期连续的、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别,能够体现出程度、范围的差别,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验(竺可桢,1973;中央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)中关于农业丰歉的描述词汇,并将其分级量化,重建西汉至五代(206BC~960AD)10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 资料与方法

  本文选取西汉至五代时期(206BC~960AD)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,2012)(图1),作物种植品种及熟制相对单一,社会反馈调节机制相较简单,农业生产对于气候变化的脆弱性较高。另外,206BC~960AD的1166年间,经历了210BC~180AD(两汉暖期)、541AD~810AD(隋唐暖期)两个相对温暖期,以及181AD~540AD,811AD~930AD两个相对寒冷期(郑景云等,2010)。该时段的农业丰歉序列重建结果有助于对比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;中央气象局气象科学研究院,1981;Zhang,1988;Ge等,2003;Zheng等,2006)的成功经验,将历史文献资料中的农业丰歉文字转化为可以量化的代用指标。其中,可供直接选用的量化记录主要有:粮食产量、收成成数;可供反演、间接应用的量化资料包括粮食价格、自然灾害状况和温饱状况等。

  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),具体以《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以下,记录内容丰富,作物收成、百姓衣食、自然灾害、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206BC~960AD有关我国农业丰歉的直接和间接证据,共搜集到相关记录1636条,形成逐年的农业丰歉原始描述记录。其中,直接证据包括作物收成(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害(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,其中农业灾害记录901条,其他间接证据227条。在206BC~960AD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2~4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206BC~960AD总年份的6.9%,其中连续无资料最长的年限为13年(出现1次,911AD~923AD)、其次为8年(出现3次,3AD~10AD,927AD~934AD和953AD~960AD)。

  1.2 逐年的农业丰歉等级划分

  根据中国文字词汇丰富、语义差别明显的特点,以及各种直接与间接描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1~6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1730~1910年(清代)农业收成成数的含表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具体方法和步骤如下。

  第一,依据分级标准逐年等级。对于有记录的年份,主要依据记录词汇反映的农业丰歉程度定级(表1),以直接证据为主,间接证据为辅。可以根据直接证据定级的年份有403年,占总年份的34.6%;可以根据间接证据定级的年份有405年,占总年份的34.7%;两者合计占总年份的69.3%.其中,有部分证据涉及某个阶段或某个皇帝执政期,记录根据其所涵盖的年限延展至相关年份;还有少数“累/比/频/连/仍/久/屡/积年”的记录,根据语汇含义至少3年以上,延展3年至相关年份,根据延展的直接证据和间接证据定级的年份有134年,占总年份的11.5%.

  第二,区域订正。在依据文字描述定级的过程中,词汇含义相近的记录,依据记录涉及的区域范围来进一步区分级。两汉时期,关中是全国经济重心;魏晋南北朝到隋唐,南方经济有了较大的发展,经济重心开始南移,逐步呈现南北经济并驾齐驱的局面。对于以农为本的古代中国而言,经济中心区即粮食主产区。不同朝代农业区划(樊志民,1991)的变化反映了农耕区在全国的地位,决定了不同区域在农业丰歉定级上重要程度的差别。因此,依据各朝农业区划和农耕区的扩展过程,区分出农业核心区和一般区(表2)。丰歉2级与3级、5级与6级的区分,主要在于记录对应区域范围的大小和区域在全国的经济地位。2级和6级涉及全国(天下/四方)或范围较广(核心区域的1/3,多个州或道),3级和5级限于少数区域或者是一般区。

  表2

  第三,同年内有多条记录的处理。如果一年中多条证据同属一个级别,丰歉级别不累积升(降)级;如果同一年内多条证据反映的丰歉性质一致,但是分属不同级别,按记录相对较多的级别定级,或按照6级优先于5级、1级优先于2级、2级优先于3级的优先序定级;如果同一年内多条证据反映的丰歉情况不一致,有丰有歉,按记录相对较多或偏离正常级别较大的类型判定,并将丰或谦级别调低或提高1级。依此标准确定的年份有43年,占总年份的3.7%.

  第四,无记录年份的处理。无记录的315年(占总年份的27%),可能由于“记异不记常”,也可能是记录缺失。根据历史记录“记异不记常”的基本原则,通常按照“平年”处理,定为“4”级。连续3~4年无任何记录,定其中间的1年为偏丰年(5级),其中57年定为偏丰年份(占无记录年份的18%,占总年份的4.9%)。连续5年以上无资料的,认为确实存在缺记。对照中国古代战争年表(中国军事史编写组,2003)及朝代更替表,有2个连续6年无记录年份(200BC~195BC,598AD~603AD)出现在战争多发时期,有1个连续5年(589AD~593AD)、1个连续6年(894AD~899AD)及1个连续8年(3AD~10AD)无记录年份出现在朝代更替时期;对于上述时段按照每5年中2年为平年(4级)、2年为偏歉年(3级)、1年为歉年(2级)定级;以此标准定级的年份占无记录年份的9.8%(占总年份的2.7%)。其余的连续无记录年份,根据历史丰歉规律,按照每5年中3年为平年、1年为偏歉年(3级)、1年为偏丰年(5级)赋级。

  依照上述方法,确定逐年丰歉等级,结果如表3.严重歉收年(1级)的重现期为8年一遇,歉收年(2级)、偏歉年(3级)的重现期均约5年一遇,而平年(4级)为3~4年一遇,偏丰年(5级)、丰年(6级)分别为9年、14年一遇。

  表3

  成书于西汉的《淮南子·天文训》(编着于公元前140年代)和《盐铁论·水旱篇》(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结构(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,该比例结构及重现期,与上述文献记载的粮食丰歉规律大致相当。

  与中国现代的粮食生产丰歉对比(郑景云,1994),由于粮作物种植区域的扩大、作物品种的复杂多样、农田基础设施的建设,现代粮食损失成数比古代低,但是,农业丰歉等级的结构分布,古代可与现代对比(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)折算的方法构建了10年分辨率的丰歉指数,在此基础上重建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,统计丰歉年的结构构成(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(1~5级)。分级的原则,主要是依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1~5级的年代数量呈正态分布。1~5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,按照逐年收成成数(1~6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成4.0~4.6成,4.6~5.5成,5.5~6.5成,6.5~7.6成,7.6~8.9成,每个级别平均收成为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。目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依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)。其中冬半年(10月至次年4月)温度距平(平均值取1951~1980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,因此,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,2010)。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,分辨率达到年,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°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,探讨两者的关系如下:

  (1)温度状况与农业丰歉的对比。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 西汉至五代农业丰歉变化的基本特征

  依据丰歉指数确定的每10年的农业丰歉等级,117个年代中1~5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%.

  206BC~960AD年农业丰歉具有明显的阶段性(图3),大致可以划分出3个阶段,各阶段的农业丰歉等级的结构构成见表5.

  图3

  表5

  第一阶段,206BC~51BC,农业收成整体偏丰为主,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%,其中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)年代比例只有整个序列平均比例的2/3.

  第二阶段,50BC~590AD,农业收成整体偏歉为主,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,591AD~960AD,农业收成总体偏丰,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70~90年或者140~160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4(a))。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。已有的现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;据我国农业生产的经验,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4(b))。整体来看,农业丰歉与一定范围内的干湿(干湿指数为-0.85~0.80)有对应关系,呈现湿度适中(干湿指数-0.10~0.35)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,-0.1~0.35,>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,即温暖湿润的气候条件更有利于农业丰收。温暖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(1~3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

  2.3 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,也可致灾害,严重影响着农业丰歉。依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,在此范围内,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,则会形成气象灾害,造成农业生产损失(歉收),变异程度越大(极端干湿或冷暖),意味着灾害强度及灾害损失越大。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不足导致的冷冻灾害和降水过少或过多导致的旱、涝灾害。

  受限于热量资源的不足,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。因此,温度变化与粮食丰歉存在正相关关系(图3)。温度对我国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彼此对应的(郑景云等,2005),温度距平为负值的阶段(比如170BC~160BC,270AD~300AD,540AD~560AD,680AD~700AD,740AD~760AD,780AD~830AD),粮食歉收;而变暖可增加我国的热量资源,因变暖发生热害的影响微乎其微。

  我国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,水旱灾害均可造成减产,因此,在偏干或偏湿的阶段(比如320AD~380AD,630AD~700AD,760AD~780AD和830AD~850AD),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。其中,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。

  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,构成比较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),因此,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

  本研究探讨了基于历史文献定性资料、量化粮食生产丰歉等级的方法。通过搜集与农业丰歉有关的作物收成、温饱状况、农业灾害、粮价及仓储、民生等记录,依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现代粮食产量统计显示的农业生产规律一致。进而根据丰歉等级结构确定丰歉指数,进行每10年的农业丰歉等级评定,从1~5级分别对应从歉到丰的粮食生产状况。

  依据上述方法,重建了西汉至五代(206BC~960AD)10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成约6.5~8.9成,5.5~6.5成,4.0~5.5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(206BC~51BC),偏歉(50BC~590AD),偏丰(591AD~960AD),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温暖、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,因此,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,使得只有降水适量时有利于农业生产,而降水偏多或偏少形成水灾或旱灾,均对农业生产产生不良影响。(图标略)

参考文献

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