全球氣候變化已成為關系人類未來生存和發展的重大科學問題,受到世界各國政府及學術界的關注[1].全球范圍內氣候變暖已成為事實,而且在中高緯度地區變暖的程度要大于低緯度地區.全球溫度的升高可能會改變降水的時空分布格局,并對全球各種生態系統產生重要影響[2].
這些氣候方面的變化,通常通過改變作物生育進程、適宜種植區和災害性因子等因素,對農業生產產生巨大影響.目前國內外開展了大量的有關氣象要素變化對作物生長發育及產量影響方面的研究,這些研究利用歷史觀測數據評價了氣候變化對農業生產的影響,并且利用實驗室或野外控制實驗方法和模型工具分析并預測了氣候變化對作物產量的影響[3],為系統認識農業生產對氣候變化的響應積累了基礎資料并奠定了科學基礎.
氣候變化可以對農業生產產生積極和消極方面的影響,但現在的研究多集中在負面影響方面[4],如 Tomson 探討了世界上幾個主要糧食生產國的農作物產量在氣溫變化后的增減情況,發現中度變冷世界糧食產量減產,而大幅度變冷將稍微增產.中度變暖對中國、俄羅斯、加拿大小麥產量有利,對美國不利[5]; 利用模型模擬的結果顯示,美國中部日均溫度增加 3℃會導致玉米、小麥、高粱和大豆的產量降低 16% 左右[6]; 在當前CO2濃度狀況下,亞洲水稻主產區平均溫度每升高 1℃,水稻產量降低 7%[7]; 張家誠認為年平均氣溫增加 1℃和降水增加 100 mm 時. 我國糧食總產將增加 l0%左右[8],可見目前氣候變化對農業生產的影響方面的認識尚不一致,這方面的不一致性主要是因為研究區域、考慮的氣候因子、作物種類不同.
黃土高原處于中國內陸,是典型的雨養旱作農業區,也是我國氣候變化和環境變化的敏感地區和生態環境脆弱地區[9,14 ~15].高蓉等對利用線性傾向和脫變分析法研究了西北干旱半干旱過渡區近 50 a 的氣象資料及糧食產量變化情況,發現該區受氣候暖干化影響,糧食產量明顯下降,近年來呈現降幅加劇趨勢[10].已有研究結果表明,過去 50 a 來西北地區是我國增溫最快、增溫幅度最大的地區之一[9 ~12],這種熱量條件的改善在短期內會促進對特定區域的農業生產,例如冬麥北移、水稻擴種等[11].黃土高原地區是我國米谷和馬鈴薯等作物的主產區之一[16 ~17],但是近百年來該區平均氣溫逐漸上升,年降水量和植物生長季降水量均逐漸減少[13 ~14],這種氣候變化模式必將對該區主要農作物的生產產生影響,需要進行深入系統的分析.筆者研究借助米脂縣近 40 a 的氣象探測資料和玉米、谷子、馬鈴薯、大豆等優勢秋糧農作物的產量資料,研究了米脂縣近 40 a 來氣候變化及其對農業生產的影響,以明確黃土高原典型區氣候變化與糧食生產的關系,為區域糧食生產應對氣候變化的決策研究提供依據.
1 材料與方法
1. 1 資料來源
氣象資料為 1971 年 3 月至 2011 年 2 月米脂縣\\( 37°40' ~38°06'N,109°49' ~110°29'E\\) 的氣象觀測資料,氣象要素為平均氣溫和降水量; 所用糧食產量資料來源于米脂縣逐年\\( 1971 - 2010年\\) 國民經濟統計資料.按自然天氣季節劃分,3 ~ 5 月為春季,6 ~ 8 月為夏季,9 ~ 11 月為秋季,12 月至翌年 2 月為冬季,該區秋糧作物主要生長期為 4 ~9 月.
1. 2 研究方法
采用線性傾向率進行趨勢分析; 采用滑動平均法分析各要素全年及各季節的歷史變化曲線及10 a 滑動平均; 采用階段性分析法對每 10 a 進行階段性分析.
2 結果與分析
2. 1 氣溫變化特征分析
米脂縣年均氣溫呈逐年增長趨勢\\( 表 1\\) .
1971 - 2010 年年均氣溫為 9. 3℃ ,其中作物生長季為19. 0℃,春季為11. 4℃,夏季為22. 6℃,秋季為 8. 7℃,冬季為 -5. 7℃.每 10 a 年均氣溫分解增加 0. 1℃、0. 7℃ 和 0. 6℃,1980 年后年均氣溫明顯升高.從圖1 可知: 近40 a 來米脂縣年均氣溫呈波動上升趨勢.對年均氣溫進行線性擬合,可得到趨勢方程: y = 0. 0482x + 8. 3142\\( R2 = 0. 5799,n = 40, p < 0. 01 \\) , 即 米 脂 縣 年 均 增 長 為0. 048℃ ,高于全國年均增溫幅度 0. 035℃[18]的平均水平.
從各季節溫度線性擬合增長率變化看,4 個季節氣溫均呈增長趨勢,增溫趨勢為: 夏季 > 冬季 > 春季 > 秋季.春季\\( 圖 2A\\) 在近 40 a 中年均氣溫平均每年升高 0. 046℃.20 世紀 80 年代至90 年代中期春季氣溫相對穩定,其余年份氣溫波動較大,并呈上升趨勢,2008 年時出現近 40 a 春季最高氣溫,為 12. 9℃.夏季\\( 圖 2B\\) 是四季中增暖變幅最大的季節,20 世紀 70 年代中期至 90年代中期氣溫平穩波動上升,之后氣溫大幅波動上升 \\( 表 1\\) ; 近 40 a 夏 季 平 均 氣 溫 升 高 了2. 18℃ ,最低氣溫為 19. 1℃ \\( 1974\\) ,最高氣溫為24. 5℃ \\( 2005\\) .秋季\\( 圖 2C\\) 平均氣溫增長率為四季中最慢的季節,年均增長 0. 040℃,在 20 世紀 80 年代中期至 90 年代中期變化幅度較大,在1992 年出現最低氣溫\\( 6. 3℃ \\) .冬季\\( 圖 2D\\) 平均氣溫持續升高,年均增長 0. 054℃,20 世紀 70年代波動較大,但增溫不明顯,自 20 世紀 90 年代中期以來,氣溫在大波動中持續上升; 冬季最低氣溫出現在 1976 年\\( -8. 3℃\\) ,最高氣溫出現在2000 年\\( - 3. 3℃ \\) .作物生長季\\( 圖 2E\\) 氣溫年均增長 0. 049℃,20 世紀 80 年代至 90 年代中期波動呈平穩下降趨勢,其余年份呈大波動上升趨勢.
2. 2 降水
米脂縣屬半干旱地區,自然降水是農業用水的主要來源.研究區 40 a 平均降水量為 419. 9mm,最大降水量為 691. 3 mm \\( 1978 年\\) ,最小降水量為 268. 3 mm \\( 1999 年\\) \\( 圖 3\\) .米脂縣的年降水量波動大并呈增加趨勢,40 a 年均增長 0.37 mm \\( 圖 3\\) .20 世紀 70 年代降水變化比較激烈; 20 世紀 90 年代降水量在平均值附近波動并有所降低; 20 世紀 80 年代和進入 21 世紀后波動較大并呈增加趨勢.
米脂縣降水量在 21 世紀 00 年代比 20 世紀70 年代增加了 20. 5 mm,其中 20 世紀 80 年代比70 年代增加了 13. 8 mm,21 世紀 00 年代比 20 世紀 90 年代增加了 33. 2 mm,而 20 世紀 90 年代卻比 80 年代減少了 26. 5 mm\\( 表 2\\) .
近 40 a 來米脂縣春、秋、冬三季平均降水量均有不同程度增加,夏季降水量卻明顯減少\\( 表2\\) .其中 20 世紀 90 年代為近 40 a 來降水量回落最多的時段\\( 圖 3\\) ,各季節降水量均比 20 世紀80 年代少; 2001 - 2010 年期間秋、冬季多雨,春、秋季降水量減少.
3 氣候變化對農業生產的影響
該區的氣候變暖和降水的波動對農業生產及農作物生長有著明顯的影響.在氣溫明顯上升,農作物獲得充足熱量資源的情況下,降水的大幅波動造成農業生產的不穩定\\( 圖 3\\) .年降水量增加時各種糧食作物的產量均呈現出明顯的增產;年降水量減少時,農業干旱頻率增大,作物的生長發育受到抑制,糧食產量大幅降低.
3. 1 降水對優勢農作物生產力的影響
米脂縣近 40 a 降水量的標準差偏差為 91mm,平均降水為 420 mm,將年降水量位于 420mm ± 91 mm 的年份作為平水年,年降水量小于329 mm 年份作為劣景年,年降水量大于 511 mm的年份作為優景年.在不考慮人工灌溉和施肥的情況下,對該區近 40 a 優勢農作物玉米、谷子、馬鈴薯和大豆等秋糧作物在不同年景下平均產量的比較表明 \\( 表 3\\) ,米脂縣優勢作物生產力顯著受降水變化的影響.大豆優景年單產是平水年的1. 5 倍,其余 3 種作物優景年單產和平水年單產差異較小; 優、劣年景各類作物產量相差在1. 2 ~1. 7 倍之間,其中大豆最大 \\( 1. 7 倍\\) ,馬鈴薯最小\\( 1. 2 倍\\) ,筆者研究中大豆和馬鈴薯單產在不同降水年份的相差倍數均小于謝云等對中國東部地區秋糧作物氣候生產潛力研究中指出的優、劣年景相差 2. 8 ~ 7. 4 倍的差異[19],這可能與不同研究區之間降水量的差異有關.謝云等所研究的我國東部地區的年均降水量遠大于本研究區域[20],因此筆者研究中作物對降水年型的響應小于謝云等的研究結果.相關分析結果表明,研究區優勢農作物產量主要受夏季降水量的影響,表明夏季降水量變化是決定研究區農作物對降水變化響應的主要因子.
3. 2 溫度、降水波動對優勢農作物生產力的影響
在不考慮人工灌溉和施肥的情況下,近 40a來玉米、谷子、馬鈴薯、大豆等秋季優勢作物的產量均呈波動上升趨勢,馬鈴薯增產速率最快,為41. 1 kg·hm^- 2,大豆最小為9. 7 kg·hm^- 2,玉米、谷子分別為 23. 5 kg·hm^- 2和 35. 5 kg·hm^- 2\\( 圖4\\) .20 世紀 90 年代中期至 2003 年間因受夏季降水減少和溫度升高等因素的影響 \\( 表 2,圖2B\\) ,玉米、谷子、馬鈴薯、大豆等秋季優勢作物單產均出現了大幅的波動下降.2005 年起為了增加地面有效降水量,米脂縣所在榆林地區人工增雨\\( 雪\\) 事業得到了大力發展,降水量明顯增多,各類農作物產量也明顯上升.農作物生長季溫度的升高 \\( 表 1\\) ,降水的增多 \\( 表 2\\) ,一定程度上也延長了作物的生長時間,糧食品質也得到了相應的提高.
4 結論與對策
米脂縣 1971 - 2010 年年平氣溫在波動中總體呈現上升趨勢,年均增長率為 0. 048℃.米脂縣近 40 a 降水量總體呈增長趨勢,年均增長率為0. 37 mm.研究區優勢農作物玉米、谷子、馬鈴薯、大豆等的產量均呈波動上升趨勢,平均增長速率馬鈴薯 > 谷子 > 玉米 > 大豆,介于在 9. 7 ~41. 1 kg·hm^- 2之間; 4 種優勢農作物產量在優、劣年景差異在 1. 2 ~1. 7 倍之間,研究區優勢農作物產量主要受夏季降水量變化的影響.針對研究區氣候變化特征,在農業生產中應可以從農業產業調整、病蟲害防治、農業生產管理和人工影響天氣的方面進行應對,以保障研究區糧食安全.
\\( 1\\) 加速農業產業調整節奏.在利用氣候變暖、熱量條件變好、積溫增加、作物生育期延長、低溫凍害減輕等有利條件,科學調整農業結構和播種期的同時,還必須注重現代科學技術與傳統農業技術相結合,如溫室蔬菜、薄膜育苗等措施,充分利用生長季積溫增加的有利氣候條件,提高對熱量資源的利用率,促成農業的優質高產,增加農民收入.
\\( 2\\) 加強病蟲害防治工作.氣候變暖會加重各種病蟲害的發生,對農業生產危害嚴重.因此,要采取有效措施,減少和避免病蟲害的發生與危害.
\\( 3\\) 加強農業生產管理.氣候變暖,田間蒸發量增大,發生旱災的機率隨之增大.因此,要加強農田水利設施工程建設,完善農業灌溉系統,以增強抵御自然災害的能力.
\\( 4\\) 加強人工影響天氣工作.保護環境,植樹造林,加快人工影響天氣事業發展步伐,積極開展人工增雨\\( 雪\\) 作業,改善局地小氣候,保持生態相對平衡,積極應對氣候變化.
參 考 文 獻:
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