全球气候变化已成为关系人类未来生存和发展的重大科学问题,受到世界各国政府及学术界的关注[1].全球范围内气候变暖已成为事实,而且在中高纬度地区变暖的程度要大于低纬度地区.全球温度的升高可能会改变降水的时空分布格局,并对全球各种生态系统产生重要影响[2].
这些气候方面的变化,通常通过改变作物生育进程、适宜种植区和灾害性因子等因素,对农业生产产生巨大影响.目前国内外开展了大量的有关气象要素变化对作物生长发育及产量影响方面的研究,这些研究利用历史观测数据评价了气候变化对农业生产的影响,并且利用实验室或野外控制实验方法和模型工具分析并预测了气候变化对作物产量的影响[3],为系统认识农业生产对气候变化的响应积累了基础资料并奠定了科学基础.
气候变化可以对农业生产产生积极和消极方面的影响,但现在的研究多集中在负面影响方面[4],如 Tomson 探讨了世界上几个主要粮食生产国的农作物产量在气温变化后的增减情况,发现中度变冷世界粮食产量减产,而大幅度变冷将稍微增产.中度变暖对中国、俄罗斯、加拿大小麦产量有利,对美国不利[5]; 利用模型模拟的结果显示,美国中部日均温度增加 3℃会导致玉米、小麦、高粱和大豆的产量降低 16% 左右[6]; 在当前CO2浓度状况下,亚洲水稻主产区平均温度每升高 1℃,水稻产量降低 7%[7]; 张家诚认为年平均气温增加 1℃和降水增加 100 mm 时. 我国粮食总产将增加 l0%左右[8],可见目前气候变化对农业生产的影响方面的认识尚不一致,这方面的不一致性主要是因为研究区域、考虑的气候因子、作物种类不同.
黄土高原处于中国内陆,是典型的雨养旱作农业区,也是我国气候变化和环境变化的敏感地区和生态环境脆弱地区[9,14 ~15].高蓉等对利用线性倾向和脱变分析法研究了西北干旱半干旱过渡区近 50 a 的气象资料及粮食产量变化情况,发现该区受气候暖干化影响,粮食产量明显下降,近年来呈现降幅加剧趋势[10].已有研究结果表明,过去 50 a 来西北地区是我国增温最快、增温幅度最大的地区之一[9 ~12],这种热量条件的改善在短期内会促进对特定区域的农业生产,例如冬麦北移、水稻扩种等[11].黄土高原地区是我国米谷和马铃薯等作物的主产区之一[16 ~17],但是近百年来该区平均气温逐渐上升,年降水量和植物生长季降水量均逐渐减少[13 ~14],这种气候变化模式必将对该区主要农作物的生产产生影响,需要进行深入系统的分析.笔者研究借助米脂县近 40 a 的气象探测资料和玉米、谷子、马铃薯、大豆等优势秋粮农作物的产量资料,研究了米脂县近 40 a 来气候变化及其对农业生产的影响,以明确黄土高原典型区气候变化与粮食生产的关系,为区域粮食生产应对气候变化的决策研究提供依据.
1 材料与方法
1. 1 资料来源
气象资料为 1971 年 3 月至 2011 年 2 月米脂县( 37°40' ~38°06'N,109°49' ~110°29'E) 的气象观测资料,气象要素为平均气温和降水量; 所用粮食产量资料来源于米脂县逐年( 1971 - 2010年) 国民经济统计资料.按自然天气季节划分,3 ~ 5 月为春季,6 ~ 8 月为夏季,9 ~ 11 月为秋季,12 月至翌年 2 月为冬季,该区秋粮作物主要生长期为 4 ~9 月.
1. 2 研究方法
采用线性倾向率进行趋势分析; 采用滑动平均法分析各要素全年及各季节的历史变化曲线及10 a 滑动平均; 采用阶段性分析法对每 10 a 进行阶段性分析.
2 结果与分析
2. 1 气温变化特征分析
米脂县年均气温呈逐年增长趋势( 表 1) .
1971 - 2010 年年均气温为 9. 3℃ ,其中作物生长季为19. 0℃,春季为11. 4℃,夏季为22. 6℃,秋季为 8. 7℃,冬季为 -5. 7℃.每 10 a 年均气温分解增加 0. 1℃、0. 7℃ 和 0. 6℃,1980 年后年均气温明显升高.从图1 可知: 近40 a 来米脂县年均气温呈波动上升趋势.对年均气温进行线性拟合,可得到趋势方程: y = 0. 0482x + 8. 3142( R2 = 0. 5799,n = 40, p < 0. 01 ) , 即 米 脂 县 年 均 增 长 为0. 048℃ ,高于全国年均增温幅度 0. 035℃[18]的平均水平.
从各季节温度线性拟合增长率变化看,4 个季节气温均呈增长趋势,增温趋势为: 夏季 > 冬季 > 春季 > 秋季.春季( 图 2A) 在近 40 a 中年均气温平均每年升高 0. 046℃.20 世纪 80 年代至90 年代中期春季气温相对稳定,其余年份气温波动较大,并呈上升趋势,2008 年时出现近 40 a 春季最高气温,为 12. 9℃.夏季( 图 2B) 是四季中增暖变幅最大的季节,20 世纪 70 年代中期至 90年代中期气温平稳波动上升,之后气温大幅波动上升 ( 表 1) ; 近 40 a 夏 季 平 均 气 温 升 高 了2. 18℃ ,最低气温为 19. 1℃ ( 1974) ,最高气温为24. 5℃ ( 2005) .秋季( 图 2C) 平均气温增长率为四季中最慢的季节,年均增长 0. 040℃,在 20 世纪 80 年代中期至 90 年代中期变化幅度较大,在1992 年出现最低气温( 6. 3℃ ) .冬季( 图 2D) 平均气温持续升高,年均增长 0. 054℃,20 世纪 70年代波动较大,但增温不明显,自 20 世纪 90 年代中期以来,气温在大波动中持续上升; 冬季最低气温出现在 1976 年( -8. 3℃) ,最高气温出现在2000 年( - 3. 3℃ ) .作物生长季( 图 2E) 气温年均增长 0. 049℃,20 世纪 80 年代至 90 年代中期波动呈平稳下降趋势,其余年份呈大波动上升趋势.
2. 2 降水
米脂县属半干旱地区,自然降水是农业用水的主要来源.研究区 40 a 平均降水量为 419. 9mm,最大降水量为 691. 3 mm ( 1978 年) ,最小降水量为 268. 3 mm ( 1999 年) ( 图 3) .米脂县的年降水量波动大并呈增加趋势,40 a 年均增长 0.37 mm ( 图 3) .20 世纪 70 年代降水变化比较激烈; 20 世纪 90 年代降水量在平均值附近波动并有所降低; 20 世纪 80 年代和进入 21 世纪后波动较大并呈增加趋势.
米脂县降水量在 21 世纪 00 年代比 20 世纪70 年代增加了 20. 5 mm,其中 20 世纪 80 年代比70 年代增加了 13. 8 mm,21 世纪 00 年代比 20 世纪 90 年代增加了 33. 2 mm,而 20 世纪 90 年代却比 80 年代减少了 26. 5 mm( 表 2) .
近 40 a 来米脂县春、秋、冬三季平均降水量均有不同程度增加,夏季降水量却明显减少( 表2) .其中 20 世纪 90 年代为近 40 a 来降水量回落最多的时段( 图 3) ,各季节降水量均比 20 世纪80 年代少; 2001 - 2010 年期间秋、冬季多雨,春、秋季降水量减少.
3 气候变化对农业生产的影响
该区的气候变暖和降水的波动对农业生产及农作物生长有着明显的影响.在气温明显上升,农作物获得充足热量资源的情况下,降水的大幅波动造成农业生产的不稳定( 图 3) .年降水量增加时各种粮食作物的产量均呈现出明显的增产;年降水量减少时,农业干旱频率增大,作物的生长发育受到抑制,粮食产量大幅降低.
3. 1 降水对优势农作物生产力的影响
米脂县近 40 a 降水量的标准差偏差为 91mm,平均降水为 420 mm,将年降水量位于 420mm ± 91 mm 的年份作为平水年,年降水量小于329 mm 年份作为劣景年,年降水量大于 511 mm的年份作为优景年.在不考虑人工灌溉和施肥的情况下,对该区近 40 a 优势农作物玉米、谷子、马铃薯和大豆等秋粮作物在不同年景下平均产量的比较表明 ( 表 3) ,米脂县优势作物生产力显着受降水变化的影响.大豆优景年单产是平水年的1. 5 倍,其余 3 种作物优景年单产和平水年单产差异较小; 优、劣年景各类作物产量相差在1. 2 ~1. 7 倍之间,其中大豆最大 ( 1. 7 倍) ,马铃薯最小( 1. 2 倍) ,笔者研究中大豆和马铃薯单产在不同降水年份的相差倍数均小于谢云等对中国东部地区秋粮作物气候生产潜力研究中指出的优、劣年景相差 2. 8 ~ 7. 4 倍的差异[19],这可能与不同研究区之间降水量的差异有关.谢云等所研究的我国东部地区的年均降水量远大于本研究区域[20],因此笔者研究中作物对降水年型的响应小于谢云等的研究结果.相关分析结果表明,研究区优势农作物产量主要受夏季降水量的影响,表明夏季降水量变化是决定研究区农作物对降水变化响应的主要因子.
3. 2 温度、降水波动对优势农作物生产力的影响
在不考虑人工灌溉和施肥的情况下,近 40a来玉米、谷子、马铃薯、大豆等秋季优势作物的产量均呈波动上升趋势,马铃薯增产速率最快,为41. 1 kg·hm^- 2,大豆最小为9. 7 kg·hm^- 2,玉米、谷子分别为 23. 5 kg·hm^- 2和 35. 5 kg·hm^- 2( 图4) .20 世纪 90 年代中期至 2003 年间因受夏季降水减少和温度升高等因素的影响 ( 表 2,图2B) ,玉米、谷子、马铃薯、大豆等秋季优势作物单产均出现了大幅的波动下降.2005 年起为了增加地面有效降水量,米脂县所在榆林地区人工增雨( 雪) 事业得到了大力发展,降水量明显增多,各类农作物产量也明显上升.农作物生长季温度的升高 ( 表 1) ,降水的增多 ( 表 2) ,一定程度上也延长了作物的生长时间,粮食品质也得到了相应的提高.
4 结论与对策
米脂县 1971 - 2010 年年平气温在波动中总体呈现上升趋势,年均增长率为 0. 048℃.米脂县近 40 a 降水量总体呈增长趋势,年均增长率为0. 37 mm.研究区优势农作物玉米、谷子、马铃薯、大豆等的产量均呈波动上升趋势,平均增长速率马铃薯 > 谷子 > 玉米 > 大豆,介于在 9. 7 ~41. 1 kg·hm^- 2之间; 4 种优势农作物产量在优、劣年景差异在 1. 2 ~1. 7 倍之间,研究区优势农作物产量主要受夏季降水量变化的影响.针对研究区气候变化特征,在农业生产中应可以从农业产业调整、病虫害防治、农业生产管理和人工影响天气的方面进行应对,以保障研究区粮食安全.
( 1) 加速农业产业调整节奏.在利用气候变暖、热量条件变好、积温增加、作物生育期延长、低温冻害减轻等有利条件,科学调整农业结构和播种期的同时,还必须注重现代科学技术与传统农业技术相结合,如温室蔬菜、薄膜育苗等措施,充分利用生长季积温增加的有利气候条件,提高对热量资源的利用率,促成农业的优质高产,增加农民收入.
( 2) 加强病虫害防治工作.气候变暖会加重各种病虫害的发生,对农业生产危害严重.因此,要采取有效措施,减少和避免病虫害的发生与危害.
( 3) 加强农业生产管理.气候变暖,田间蒸发量增大,发生旱灾的机率随之增大.因此,要加强农田水利设施工程建设,完善农业灌溉系统,以增强抵御自然灾害的能力.
( 4) 加强人工影响天气工作.保护环境,植树造林,加快人工影响天气事业发展步伐,积极开展人工增雨( 雪) 作业,改善局地小气候,保持生态相对平衡,积极应对气候变化.
参 考 文 献:
[1] 中国科学院学部. 关于气候变化对我国的影响与防灾对策建议[J]. 中国科学院院刊,2008,23( 03) :229-234.
[2] Intergovernmental Panel on Climate Change ( IPCC) .Climate Change 2001: Impacts,Adaptation and Vul-nerability[M]. Cambridge: Cam - bridge UniversityPress,2001: 1 032
[3] 陈鹏狮,米娜,张玉书,等. 气候变化对作物产量影响的研究进展[J]. 作物杂志,2009,( 02) :5-9.
[4] 李建华,刘光萍,抚州市气候变化与粮食作物产量的关系研究[J]. 湖南农业科学,2009,( 10) :54-60.
[5] Thomson M. 蓝鸿第译. 气候变化与世界粮食产量[J]. 气象科技情报,1983,( 02) :16-19.
[6] Brown R A,Rosenberg N J. Sensitivity of crop yieldand water use to change in a range of climate factorsand CO2concentrations: a simulation study app lyingEPIC to the central USA[J]. Agricultural and ForestMeteorology,1997,83: 171-203.
[7] Matthews R B,KropffM J,Horie T,et al. Simulatingthe impact of climate change on rice production in Asiaand evaluating options for adaptation[J]. AgricultureSystem,1997,54: 399-425.
[8] 张家诚. 气候变化对中国农业生产的影响初探[J]. 地理研究,1982,( 02) :54-60.
[9] Qian W H,Zhu Y F. Climate change in China from1880 to 1998 and its Impacts on the environmentalcondition[J]. Climatic Change,2001,50: 419-444.
[10] Zuo H C,Lv S H,Hu Y Q. Variations trend of year-ly mean air temperature and precipitation in China inthe last 50 years[J]. Plateau Meteorology,2004,23( 02) :238-244.
[11] 张家诚. 气候变化对中国农业生产的影响初探[J]. 地理研究,1982,1( 02) :54-60.
[12] 郭江勇,叶燕华,林纾,等. 甘肃河东春季透雨日期与海温的相关分析[J]. 干旱地区农业研究,2004,22( 01) : 18-22.
[13] 高蓉,张燕霞,石圆圆,等. 西北干旱半干旱过渡区近 50 年气候变化特征分析及对粮食产量的影响[J]. 安徽农业科学,2009,37( 14) : 6 493 -6 497.
[14] 姚玉璧,李耀辉,王毅荣,等. 黄土高原气候与气候生产力对全球气候变化的响应[J]. 干旱地区农业研究,2005,23( 02) :202-208.
[15] 姚玉璧,王毅荣,李耀辉,等. 中国黄土高原气候暖干化及其对生态环境的影响[J]. 资源科学,2005,27( 05) : 146-152.
[16] 刘德祥,董安祥,邓振镛. 中国西北地区气候变暖对农业生产的影响[J]. 自然资源学报,2005,20( 01) : 119-125.
[17] 李壁成,安韶山. 黄土高原马铃薯产业化开发的潜力市场与对策[J]. 水土保持研究,2005,12( 03) :151-153.
[18] 丁一汇,王守荣. 中国西北地区气候与生态环境概念[M]. 北京: 气象出版社,2001,77-154.
[19] 谢云,王晓岚. 近 40 a 中国东部地区夏秋粮作物农业气候生产潜力时空变化[J]. 资源科学,2003,25( 02) : 7-13.
[20] 江志红,丁裕. 近 40 a 我国降水量年际变化的区域性特征[J]. 南京气象学报,1994,17( 01) :73-78.
