米脂县近40年来气候变化及其对农业生产的影响,农业基础科学论文

米脂县近40年来气候变化及其对农业生产的影响,农业基础科学论文全球气候变化已成为关系人类将来生存和发展的重大科学问题,遭到世界各国及学术界的关注[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、适宜种植区和灾祸性因子等因素,对农业生产产生宏大影响.当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式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.气候变化能够对农业生产产生积极和消极方面的影响,但如今的研究多集中在负面影响方面[4],如Tomson讨论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,而大幅度变冷将略微增产.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];在当下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];张家诚以为年平均气温增加1℃和降水增加100mm时.我们国家粮食总产将增加l0%左右[8],可见当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由于研究区域、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,也是我们国家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50a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].已有研究结果表示清楚,过去50a来西北地区是我们国家增温最快、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].黄土高原地区是我们国家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步上升,年降水量和植物生长季降水量均逐步减少[13~14],这种气候变化形式必将对该区主要农作物的生产产生影响,需要进行深切进入系统的分析.笔者研究借助米脂县近40a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40a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根据.1材料与方式方法1.1资料来源气象资料为1971年3月至2018年2月米脂县(3740~3806N,10949~11029E)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(1971-2018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研究方式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10a滑动平均;采用阶段性分析法对每10a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).1971-2018年年均气温为9.3℃,华而不实作物生长季为19.0℃,春季为11.4℃,夏季为22.6℃,秋季为8.7℃,冬季为-5.7℃.每10a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40a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,p0.01),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40a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40a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40a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;冬季最低气温出如今1976年(-8.3℃),最高气温出如今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40a平均降水量为419.9mm,最大降水量为691.3mm(1978年),最小降水量为268.3mm(1999年)(图3).米脂县的年降水量波动大并呈增加趋势,40a年均增长0.37mm(图3).20世纪70年代降水变化比拟剧烈;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20.5mm,华而不实20世纪80年代比70年代增加了13.8mm,21世纪00年代比20世纪90年代增加了33.2mm,而20世纪90年代却比80年代减少了26.5mm(表2).近40a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).华而不实20世纪90年代为近40a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;2001-2018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,作物的生长发育遭到抑制,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40a降水量的标准差偏差为91mm,平均降水为420mm,将年降水量位于420mm91mm的年份作为平水年,年降水量小于329mm年份作为劣景年,年降水量大于511mm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40a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拟表示清楚(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,华而不实大豆最大(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.谢云等所研究的我们国家东部地区的年均降水量远大于本研究区域[20],因而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.相关分析结果表示清楚,研究区优势农作物产量主要受夏季降水量的影响,表示清楚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41.1kghm^-2,大豆最小为9.7kghm^-2,玉米、谷子分别为23.5kghm^-2和35.5kghm^-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,降水量明显增加,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),降水的增加(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1971-2018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40a降水量总体呈增长趋势,年均增长率为0.37mm.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9.7~41.1kghm^-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,在农业生产中应能够从农业产业调整、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拍.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,科学调整农业构造和播种期的同时,还必须注重当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.因而,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.因而,要加强农田水利设施工程建设,完善农业灌溉系统,以加强抵御自然灾祸的能力.(4)加强人工影响天气工作.保卫环境,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.关于气候变化对我们国家的影响与防灾对策建议[J].中国科学院院刊,2008,23(03):229-234.[2]IntergovernmentalPanelonClimateChange(IPCC).ClimateChange2001:Impacts,AdaptationandVul-nerability[M].Cambridge:Cam-bridgeUniversityPress,2001:1032[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,2018,(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,2018,(10):54-60.[5]ThomsonM.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]BrownRA,RosenbergNJ.SensitivityofcropyieldandwaterusetochangeinarangeofclimatefactorsandCO2concentrations:asimulationstudyapplyingEPICtothecentralUSA[J].AgriculturalandForestMeteorology,1997,83:171-203.[7]MatthewsRB,KropffMJ,HorieT,etal.SimulatingtheimpactofclimatechangeonriceproductioninAsiaandevaluatingoptionsforadaptation[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]QianWH,ZhuYF.ClimatechangeinChinafrom1880to1998anditsImpactsontheenvironmentalcondition[J].ClimaticChange,2001,50:419-444.[10]ZuoHC,LvSH,HuYQ.Variationstrendofyear-lymeanairtemperatureandprecipitationinChinainthelast50years[J].PlateauMeteorology,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,19