近 50 多年來,我國氣候變化顯著。1951 年至 2009 年的數據表明,全國升溫趨勢為 0. 23℃ /10a,年平均降水量雖然總體上沒有明顯的趨勢性變化,但東部從黃河流域到東北呈減少的變化特征。伴隨著氣候變化,位于我國昆侖 - 秦嶺 - 淮河一線以北,地處干旱、半干旱和半濕潤易旱地區的北方旱地農田生態系統出現了以沙漠化為特征的環境問題,生態系統演變趨勢受到了科學界的關注與重視。北方旱地農業土地面積占全國的 52. 5%,是我國農業發展的重要組成部分。研究表明,我國北方地區增溫明顯,年均氣溫增幅在 0. 2 -0. 8℃ /10a 之間。氣候變化對我國北方旱地農業產生了更為顯著的影響。為此,開展氣候變化對旱地農田生態系統演變影響研究對于促進旱地農業可持續發展具有重要意義。
水是北方旱地農田生態系統最關鍵的生態環境因子,也是制約當地經濟發展和農田生產力的主要因素。水資源與生態環境之間的相互作用決定了旱地農田生態系統的環境動態與環境狀況。研究揭示,生態缺水是導致生態系統退化的主要原因。
文中以武川縣為例,研究氣候變化背景下旱地農田生態系統生態缺水的變化趨勢,并進一步研究生態缺水與氣候變化之間的相互關系,探討當前氣候變化對旱地農田生態系統生態缺水的影響。該研究對于促進旱地農田生態系統的可持續發展具有重要的理論和實踐意義。
1、 材料與研究方法
1. 1 研究區域概況
研究區域為內蒙古呼和浩特市武川縣\\(N41°08. 344',E 111°17. 580'\\) ,海拔 1555m,屬溫帶大陸性季風氣候,春季干旱多風沙,降雨集中在夏季,是典型的半干旱偏旱農牧交錯區。該地區晝夜溫差大,年平均溫度 2. 5℃; 降水少,變率大,年降水量 250 -400mm; 蒸發力強,年蒸發量可達 1993mm -2752mm,約是年降水量的 5 倍多; 全年月平均風速為 4. 5m/s; 土壤為鈣栗土,0 -100cm 土壤容重 1. 2 -1. 7g/cm3。無霜期90 - 120d。種植制度為 1 年 1 熟。
1. 2 研究對象與數據來源
研究對象為武川縣農田生態系統\\(作物分別為馬鈴薯、春小麥\\) ,研究數據來源于內蒙古自治區武川縣氣象局的氣象數據\\(1961 -2010 年\\) 和課題組在武川縣長期定位試驗獲得的土壤含水量\\(1983 - 2010年\\) 等數據。
1. 3 生態缺水量的計算
生態缺水量是指特定狀態下的生態系統對于預期的生態目標,系統缺乏的、需要加以補充的水量。當系統的水分供應不能滿足生態需水的時候,生態系統就會缺水,面臨退化甚至崩潰的風險。生態缺水量為生態需水量與生態耗水量的差值。
生態需水量是指生態系統達到某種生態水平或者維持某一生態水平的動態平衡狀態所需要的水量,對不同地區不同的生態目標,生態需水量不同。農田生態需水量為一定生態水平下植被需水量與土壤需水量之和,其中植被需水量可應用一定生態水平下植被實際蒸散量來表示,土壤需水量以對應水平下土壤含水量表示。生態需水量與生態目標之間存在著定量關系,一般分為最小、適宜和最大三個等級。植被實際蒸散量可用下式計算: ETa= ET0·Kc·Ks\\(1\\)式中: ETa為作物實際蒸散量\\(mm\\) ; ET0為作物參考蒸散量\\(mm\\) ; Kc為作物系數; Ks為土壤水分脅迫系數; 文中 Kc 值\\(表 1\\)。Ks采用三基點公式計算得到,公式如下:
式中: Sw為實際含水量\\(m3/ m3\\) ,Lw為臨界含水量\\(m3/ m3\\) ,Pw為土壤凋萎濕度\\(m3/ m3\\) 。ET0可由FAO 推薦的 Penman - Monteith 公式求的:
式中: Rn為地表凈輻射\\(MJ·m- 2d- 1\\) ; G 為土壤熱通量\\(MJ·m- 2d- 1\\) ; T 為 2m 高處日平均氣溫\\(℃\\) ; U2為 2m 高處風速\\(m·s- 1\\) ; es為飽和水氣壓\\(KPa\\) ; ea為實際水氣壓\\(KPa\\) ; △為飽和水氣壓曲線斜率\\(KPa·℃- 1\\) ;γ 為干濕表常數\\(KPa·℃- 1\\) 。
由上述公式可以求出生育期內逐日作物參考蒸騰量,累計相加可求出生育期內作物的參考蒸騰量,進而得到適宜狀態下的植被生態需水量,與對應的土壤需水量相加,即為適宜狀態下的農田生態系統的生態需水量。
農田生態系統的水分消耗主要是作物耗水,因此作物耗水量即為農田生態耗水量,一般由土壤水分平衡方程計算得到。農田水量平衡方程一般可用下式表示:△W = P + I + G - ET - R - D \\(4\\)式中: △W 為土壤水分在某一時段的變化量,P 為同期降水量,I 為灌溉量,ET 為農田蒸散量,R 是徑流量,D 為滲漏量,G 為毛管抬升量,單位均為 mm。武川縣地處半干旱地區,降水少,地下水位均在 7m 以下,犁底層基本上位于 15 -23cm 之間,犁底層的存在,破壞了土壤水分上下層運行的連續性,致使表層接納的自然降水向深層入滲減慢,無灌溉,故滲漏量 D、毛管水抬升量 G、灌溉量 I 和徑流量 R 可忽略不計。因此,農田水分平衡方程可以簡化為: ET = P - △W \\(5\\)其中△W 為作物生育期內土壤\\(0 -50cm\\) 土層貯水變化量,等于生育期末土壤貯水量與生育期初土壤貯水量之差。
2、 結果分析
2. 1 武川縣氣候變化特征
基于 Mann - Kendall\\(M - K\\) 非參數檢驗法和趨勢線法分析武川縣氣候因子的突變時期和變化特征。由圖 1 可知,武川縣年平均溫度在 90 年代初期發生突變,增溫明顯,略晚于全國 1978 年的氣溫突變時期。年平均風速在90 年代初期發生突變,并顯著減小。年平均相對濕度在80 年代中期到90 年代初期發生突變,1990 年之后相對濕度迅速降低。年平均日較差\\(日最高溫與日最低溫差的平均值\\) 整體上呈顯著的減小特征,年降水量具有微弱的減小特征,年日照時數呈現一個波動的變化,突變發生在 1990 年前后?？紤]到氣溫的主導作用,文中將 1991 年作為武川縣氣候變化的突變時期。
961 -2010 年武川縣年平均溫度上升幅度為0. 44℃ /10a,并通過了99%顯著性檢驗; 年降水量、年平均風速、年平均相對濕度、年日照時數和年平均日較差下降幅度分別為 7. 57mm/10a、0. 20m/\\(s·10a\\) 、0. 95% /10a、15. 86h/10a 和 0. 43℃ /10a,其中年平均風速、年平均相對濕度、年平均日較差通過了 99%顯著性檢驗。近 20 年來,武川縣除年平均風速外,其余氣象因子變化幅度都有所增加,其中年平均溫度上升幅度為 0. 65℃ /10a,年降水量、年平均相對濕度、年日照時數和年平均日較差下降幅度分別為29. 67mm /10a、2. 17% /10a、64. 01h /10a 和 0. 90℃ /10a,其中年平均溫度的變化通過了 95% 顯著性檢驗,年平均日較差的變化通過了 99%顯著性檢驗。
比較各氣象因子前30 年平均值和近20 年平均值\\(表2\\) 也可以發現,90 年代以來,年平均溫度增加了1. 26℃ ,年降水量、年平均風速、年平均相對濕度、年日照時數和年平均日較差分別減少了 18. 39mm、0.66m / s、1. 90% 、39. 81h 和 0. 79℃ 。以上分析表明,武川縣氣候干暖化趨勢明顯,且 90 年代以后變化更為顯著。
2. 2 武川縣生態缺水量變化特征
馬鈴薯和春小麥生態需水量在 1991 - 2010 年呈上升的特征 ,上升幅度為馬鈴薯 10. 78mm/10a,春小麥 12. 98mm /10a。生態需水量逐漸增加表明生態系統需要更多的水來維持其最基本的消耗,降水量的減少使得水分的供應越來越難以滿足生態環境的正常運轉,生態環境處于退化狀態。
隨著武川縣氣候逐漸向干暖化方向發展,馬鈴薯和春小麥的耗水量呈現下降的變化特,下降幅度為馬鈴薯 35. 35mm/10a,春小麥 42. 02mm/10a。
生態缺水量是表征農田生態系統演變趨勢的重要指標,也是衡量生態系統健康狀況的一個重要指標。為了實現一定的生態目標,當生態系統發生缺水的時候,就要增加水分的供應,保證生態系統的健康發展。
馬鈴薯和春小麥的生態需水量整體上呈上升特征\\(圖 5\\) ,上升幅度為馬鈴薯 45. 99mm/10a,春小麥 55.40mm /10a。作物生態缺水量不斷增加表明,武川縣農田生態系統水分供應不能滿足其生態需水量的要求。如果這種缺水狀態持續發展,超過了生態系統的自我調節能力,農田生態系統就將退化。
2. 3 武川縣生態缺水量與生育期各氣象因子的相關性分析
對作物生態需水量、生態耗水量及生態缺水量與生育期各氣象因子進行偏相關分析\\(表 3\\) 可知,作物生態需水量與生育期平均溫度、生育期平均相對濕度、生育期平均風速和生育期日照時數的相關性較高,且通過了 99%顯著性檢驗; 生態耗水量和生態缺水量主要受生育期降水量的影響。
為了進一步討論生態缺水量\\(Y\\) 與生育期降水量\\(X1\\) 、生育期平均溫度\\(X2\\) 、生育期平均相對濕度\\(X3\\) 、生育期平均風速\\(X4\\) 、生育期平均日較差\\(X5\\) 和生育期日照時數\\(X6\\) 的關系,進行多元回歸分析可知,馬鈴薯生態缺水量 Y = -0.912X1+13. 435X2- 0. 063X3+ 15. 648X4+ 7. 478X5+ 0. 003X6+ 80. 303,R2= 0. 956,回歸顯著; 春小麥生態缺水量 Y = - 0. 903X1+ 1. 702X2- 2. 489X3+ 18. 389X4- 2.074X5+ 0. 085X6+ 441. 045,R2= 0. 964,回歸顯著。將上述多元回歸分析中的系數標準化\\(表 4\\) ,可以看出,各氣象因子對生態缺水量的影響由大到小分別為: 馬鈴薯為生育期降水量、生育期平均溫度、生育期平均日較差、生育期平均風速、生育期平均相對濕度及生育期日照時數; 春小麥為生育期降水量、生育期平均相對濕度、生育期日照時數、生育期平均風速、生育期平均日較差及生育期平均溫度。
綜上所述,生態需水量主要受生育期平均溫度、生育期平均相對濕度、生育期平均風速和生育期日照時數的影響。生態耗水量主要受生育期降水量的影響。生育期降水量是影響生態缺水量的最顯著影響因子,且生態缺水量隨降水量的減少而增加。在當前干暖化背景下,降水量的減少加大了武川縣農田生態系統的生態缺水,進而加劇了農田生態系統的退化。
3、 討論
如何定量研究氣候變化對生態系統演變的影響是當前氣候變化背景下的熱點科學問題。由于表征生態系統演變的指標可以從結構、功能及環境等多個方面來選擇,為此可以基于結構、功能、環境等不同指標變量與氣候要素之間的相互關系來研究氣候變化對生態系統的影響。前人基于土壤濕度、作物產量等指標初步揭示了生態系統有關要素的變化趨勢,但有關氣候變化對生態系統演變的研究還少見報道。生態缺水是表征農田生態系統演變趨勢的重要指標,也是衡量生態系統健康狀況的一個重要指標。文中通過對武川縣農田生態系統生態缺水的研究,討論了氣象因子與生態缺水之間的關系,進而探討了氣候變化對北方旱地農田生態系統演變的影響,對于促進旱地農田生態系統的可持續發展具有重要的理論和實踐意義。由于氣候變化對農田生態系統的影響非常復雜,文中是研究氣候變化對生態系統演變影響的初步嘗試,今后需要開展更為系統、更為深入的研究。
4、 結論
文中以武川縣為例,從生態缺水的角度研究了旱地農田生態系統的演變趨勢,探討了氣候變化對旱地農田生態系統演變的影響,研究表明:
\\(1\\) 1961 -2010 年武川縣平均溫度呈上升趨勢,上升幅度為 0. 44℃ /10a; 降水量、風速、相對濕度、日照時數和日較差呈下降趨勢,下降幅度分別為 7. 57mm/10a、0. 20m/\\(s·10a\\) 、0. 95% /10a、15. 86h/10a 和 0.43℃ /10a。90 年代以來,氣象因子\\(除風速外\\) 的變化幅度更為明顯,平均溫度上升幅度為 0. 65℃ /10a,降水量、相對濕度、日照時數和日較差下降幅度分別為 29.67mm/10a、2.17% /10a、64.01h/10a 和 0.90℃ /10a。武川縣氣候干暖化趨勢明顯,90 年代以后變化更為顯著。
\\(2\\) 1991 -2010 年武川縣農田生態缺水量呈上升趨勢,上升幅度分別為馬鈴薯 45. 99mm/10a,春小麥55. 40mm /10a,武川縣農田生態系統正逐漸退化。
\\(3\\) 生態需水量主要受生育期平均溫度、生育期平均相對濕度、生育期平均風速和生育期日照時數的影響。生態耗水量主要受生育期降水量的影響。生育期降水是造成生態缺水的主要影響因素。在當前干暖化背景下,生態缺水量隨降水的減少而增加。氣候變化加劇了武川縣農田生態系統的生態退化。
參考文獻:
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