氣候變化特點對農(nóng)業(yè)的影響

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1資料與方法

1.1資料來源該研究選取新安氣象站1979~2008年逐年的年、季平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫以及逐年、季極端最高氣溫和極端最低氣溫及逐年無霜期、降水量等資料。

1.2劃分標準季節(jié)劃分采用氣象學上的標準:春季是3~5月,夏季是6~8月,秋季是9~11月,冬季是12月和次年1~2月;高溫天數(shù)指氣溫≥35℃的天數(shù),低溫指天數(shù)氣溫≤-5℃的天數(shù);無霜期指從春季的無霜日到秋季的初霜日為無霜期。

1.3研究方法研究主要采用回歸分析、趨勢線分析等方法。通過引入氣候傾向率和氣候趨勢系數(shù)來研究各要素的氣候傾向趨勢和變化幅度,并采用相關系數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,檢驗氣候趨勢系數(shù)是否顯著。

2氣候變化特點

2.1氣溫變化特征

2.1.1平均氣溫年際變化特點。新安1979~2008年30年平均氣溫年際變化如所示。新安歷年平均氣溫是14.3℃。從中可以看到,20世紀80年代初期平均氣溫最低,從80年代中期開始平均氣溫在平均值以上的次數(shù)越來越多,相對峰值和相對谷值都呈明顯升高趨勢;從90年代開始,波動較大,升溫劇烈。新安近30年來,氣溫呈顯著上升趨勢,擬合方程為y=0.046x+13.54,升溫傾向率達0.46℃/10a,相關系數(shù)為0.71,高于中國50年的0.22℃/10a平均水平。

2.1.2氣溫的季節(jié)變化特點。新安1979~2008年各季平均氣溫年際變化如所示。新安春季的平均氣溫是14.8℃,從中可以看出,新安春季增溫比其他各季的增溫都劇烈,波動也比較大,線性增溫傾向率0.92℃/10a,相關系數(shù)為0.73,在四季中增幅最大。從90年代初期開始,氣溫上升速率加快,一直保持在較高水平,特別是從2000年以來,春季氣溫平均值基本都在15℃以上。新安冬季氣溫升高明顯(),線性增溫傾向率達0.36℃/10a。新安冬季的平均溫度是1.9℃,從80年代開始到90年代末,冬季氣溫在波動中上升,波動較小,80年代的平均溫度基本都在2℃以下,1984年出現(xiàn)了30年來冬季的最低值;90年代的平均溫度基本都在2℃以上,從90年代開始,增溫速率加快,冬溫顯著升高,暖冬現(xiàn)象嚴重;進入2000年后,冬季的氣溫波幅遠遠大于其他時期,氣溫忽高忽低,說明新安在冬季氣溫不斷升高的同時,出現(xiàn)暖冬與冷冬的概率也在不斷加大。新安秋季氣溫波動較大(),雖然有升有降,但總體在波動中上升,增溫傾向率為0.36℃/10a,氣候趨勢系數(shù)為0.39,與冬季線性增溫傾向率相同;平均氣溫是14.3℃,與全年平均氣溫相同。由可以看出,從20世紀90年代初期開始,新安的秋季平均氣溫基本都在14℃以上,呈穩(wěn)定上升趨勢。新安夏季氣溫波動較大(),平均氣溫是25.9℃。總體來看,雖然新安夏季氣溫呈上升趨勢,線性增溫傾向率為0.18℃/10a,但氣溫隨年度變化的相關性還不強,尤其是從1997年開始,新安的夏季平均氣溫在波動中有下降趨勢。

2.1.3極端最高(最低)氣溫年際變化特點。新安1979~2008年極端最低氣溫變化如所示。新安極端最低氣溫多出現(xiàn)在1月和12月,極端最低氣溫氣候平均值是-10.9℃,其年際差異十分顯著,2007年最高值-4.7℃比1990年最低值-14.7℃高10℃。極端最低氣溫變暖趨勢十分明顯(),增溫劇烈,30年來極端最低氣溫除1990年的特殊年份外,總體呈明顯的波動上升趨勢,其線性擬合氣候增暖傾向率為每10年1.06℃,氣候趨勢系數(shù)為0.5。新安極端最高氣溫多出現(xiàn)在6~8月份,極端最高氣溫平均值是39.4℃。新安1979~2008年極端最高氣溫年際變化中(),有升溫趨勢,線性升溫傾向率0.26℃/10a。極端最高氣溫差異十分顯著,1993年最低值36.6℃比2005年最高值41.7℃低5.1℃。與極端最低氣溫變暖趨勢相比,極端最高氣溫趨勢波動較大,有明顯的周期性變化規(guī)律,氣溫升高與降低的周期一般為4年。

2.1.4高(低)溫天數(shù)年際變化特點。新安平均高溫天數(shù)是15.4d,在高溫天數(shù)年際變化序列中,其年際差異十分顯著,波動較大,1997年出現(xiàn)高溫43d比1983年出現(xiàn)高溫2d相差41d。新安1979~2008年近30年最高氣溫天數(shù)年際變化如所示。從中可以看出,新安高溫天數(shù)峰值升高趨勢比谷值升高趨勢明顯,高溫天數(shù)的增加也十分明顯,高溫天數(shù)線性上升傾向率為2.29d/10a,氣候趨勢系數(shù)為0.27。新安平均低溫天數(shù)是19.3d,在低溫天數(shù)年際變化序列中,其年際差異十分顯著,波動較大,1976年出現(xiàn)低溫40d比2001年出現(xiàn)低溫5d相差35d。新安1979~2008年近30a最低氣溫天數(shù)年際變化如所示,可以看出新安低溫天數(shù)的減少十分明顯,低溫天數(shù)線性下降傾向率為5.11d/10a,氣候趨勢系數(shù)為0.52。

2.2無霜期年際變化特點新安平均無霜期是220d,在無霜期年際變化序列中,其年際波動不一(),在1979年到1982年間,無霜期波動較大,最大值在2006年的271d與最小值在1976年的195d的差值為76d。從1979年開始到1988年間,無霜期上升趨勢比較穩(wěn)定,是第一個高峰期;從1991年到2002年處于較低的緩慢地上升期;從2004年開始無霜期上升迅速,振幅增大。從無霜期年際變化的總體角度看呈明顯性上升,上升傾向率為10.86d/10a,氣候傾向率為0.55。

2.3降水變化特征

2.3.1降水的年際變化特征。新安1979~2008年降水量的變化序列如圖8所示,新安年平均降水量為646.3mm,降水量總體趨勢是在波動中明顯減少,降水遞減傾向率為3.97mm/10a,干旱化趨勢在不知不覺中發(fā)生。同時還明顯看出,氣候變暖后,年降水量振幅的相對變率比氣候變暖前有明顯的增加,表明隨著氣候的變暖新安年降水量變率增大,出現(xiàn)大旱大澇的可能性增加。就年代變化而言:80年代為豐水期,降水量比較穩(wěn)定,高于平均值34mm,90年代波動中急劇減少,低于平均值44mm,為嚴重干旱期;2000~2008降水量比90年代有所增加,如果不考慮2003年的峰值,仍低于90年代的平均水平,其中,2003年的降水量是30年來最高,為嚴重洪澇年,使得10年平均值增大,其他年度降水量仍相對較少,干旱威脅依然存在。

2.3.2降水的季節(jié)變化特征。新安1979~2008年近30a來各季降水情況如圖9所示。新安平均春季降水量為126.8mm。從圖9中可知,新安春季降水在波動中呈減少趨勢,遞減率為6.87mm/10a,但降水量與年際變化相關性不強,而降水波動性規(guī)律較明顯,春季最大降水量在整體變化趨勢中呈7~8年的周期性,最小降水量在整體變化趨勢中呈5~6年的周期性。春旱現(xiàn)象越來越嚴重。新安年降水主要集中在夏季,夏季平均降水量為322mm,占全年總降水量的50%,對全年降水影響最大。由圖9可以看到:新安夏季降水同春季降水一樣呈減少趨勢,遞增率為3.78mm/10a。雖然夏季降水量與年際變化相關性不強,但夏季最大降水量波動規(guī)律性最強,在整體變化趨勢中呈6~7年的周期性變化,最小降水量波動規(guī)律也相對較明顯,在整體變化趨勢中相對呈5~6年的周期性變化。新安平均秋季降水量為167.4mm。由圖9可知,新安秋季降水略有增加趨勢,其降水量與年際變化相關性不強,降水波動規(guī)律也不明顯,波幅較大,突變性較強。從2003年以來秋季降水量減少明顯。新安平均冬季降水量為34.2mm。由圖9可知,新安冬季降水略有增加,遞增率為3.23mm/10a。由于冬季降水總量較少,故對全年降水變化趨勢影響不大。

3氣候變暖對農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境的影響

3.1氣候變暖對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響氣候是進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然環(huán)境中最基本最重要的條件之一。氣候年復一年,周而復始地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供著光、熱、水、空氣等能量和物質(zhì)資源。因此,從農(nóng)業(yè)的觀點看,氣候是一種重要的農(nóng)業(yè)自然資源。大氣中CO2等溫室氣體含量增多,引起“溫室”效應,使氣候變暖。以氣候變暖為主導的氣候變化必將對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成產(chǎn)生明顯的影響[1]。因為CO2是植物進行光合作用制造有機物質(zhì)所必不可少的原料,是太陽能量的轉(zhuǎn)化和儲存以及地球生物圈賴以生存和平衡的基礎。一般說來,在其他條件不變時,其含量增加將有利于植物的生長發(fā)育,但溫度升高、有效水分減少會抑制作物對CO2的吸收,進而減弱光合同化過程的強度。氣候變暖將導致地表徑流、旱澇災害頻率發(fā)生變化。對氣候變化敏感的傳染性疾病的傳播范圍可能增加;與高溫熱浪天氣有關的疾病和死亡率增加。研究表明,年平均氣溫升高1℃將引起農(nóng)田蒸散量增加10%,地表流經(jīng)量將減少62.9%,水資源總量將減少40%,土壤含水量減少10%,氣溫升高0.5℃耗水每公頃將增加30~75m3,加劇干旱的影響[2-6]。

3.2氣候變暖對農(nóng)業(yè)氣象災害的影響隨著氣溫的升高,不定因素增多,氣候變率加大、振幅增高,時空分布不均,氣象自然災害有明顯的加劇趨勢。主要表現(xiàn)在以下5個方面:①從新安的降水量來看,總體趨勢是在波動中明顯減少,降水遞減傾向率為3.97mm/10a,再加上氣溫升高導致蒸發(fā)力加大,造成作物水分虧缺,產(chǎn)生嚴重干旱;②降水變率加大、振幅增高,在干旱發(fā)生頻繁的同時會導致暴雨、冰雹、大風等氣象自然災害的加劇,甚至出現(xiàn)嚴重洪澇;③從各季氣溫變化振幅來看,冬季的振幅最大,正負差值達到4.2℃,說明在冬季氣溫不斷升高的同時,溫度的不穩(wěn)定程度有所增加,出現(xiàn)暖冬與冷冬的概率也在不斷加大,冬季的寒潮和雪災也會時有發(fā)生,低溫冷害和霜凍會給農(nóng)業(yè)造成損失。④從增溫速度和波動情況來看,春季增溫比其他各季的增溫都劇烈,波動也比較大,說明新安春季的倒春寒發(fā)生概率也很大,對農(nóng)業(yè)影響更大。由于果樹因氣候變暖開花期提前,處在開花、授粉期桃樹、梨樹、核桃、蘋果等抗凍能力下降,倒春寒不僅影響傳粉授精,更嚴重會導致果樹花朵凍枯脫落,產(chǎn)量下降。⑤從高溫天數(shù)和最高氣溫變化情況來看,新安極端最高氣溫以每10年0.26℃的速度上升,高溫天數(shù)以每10年2.29d的速度增加,說明新安炎熱時間不斷延長,干熱風、熱浪和酷暑的影響不斷加大。由于作物生長對適宜溫度、能夠忍受的高溫和低溫都有一定的要求,超過上限的高溫會使作物遭受高溫脅迫危害,生長發(fā)育受到抑制,產(chǎn)量大大降低,如果高溫和干旱結(jié)合,就會導致植株大量失水,迅速枯死。夏季是蘋果、核桃、柿子幼果膨大期,超過35℃以上的高溫會嚴重抑制果實的生長發(fā)育,氣溫高達38℃以上就會對果實產(chǎn)生日灼傷害,使果實停止生長、枯死、脫落。

3.3氣候變暖對糧食作物的影響氣候變暖尤其是隨之而來的異常高溫會給糧食作物帶來以下影響:①會對作物生長產(chǎn)生不利的熱害,脅迫作物來不及灌漿甚至中斷或終止正常的生長發(fā)育進程而提前成熟;②溫度升高加速土壤中肥料的分解和流失,蒸散率增加抵消了原本不多的降水量,從而使作物生長的水分脅迫加重;③較高的溫度加快了作物的生育進程,縮短生育期,使之來不及累積光合同化產(chǎn)物、充盈籽粒而提前成熟,導致籽粒不飽滿或癟粒而減產(chǎn)。玉米、高粱和谷子是耗水量較小的喜溫作物,適應性強,氣溫升高對玉米、高粱和谷子產(chǎn)量影響不大[7];大豆是喜涼作物,氣溫超過25℃,就會抑制其生長,致使減產(chǎn);小麥是喜冷作物,由于冬季變暖、寒冷期縮短,會使其停止生長的越冬期縮短。王石立等的計算揭示了氣溫升高時因蒸發(fā)變大而導致小麥水分虧缺情況,表明小麥全生育期內(nèi)農(nóng)田蒸散量將大于當前氣候8%~12%,以小麥拔節(jié)、抽穗階段更為突出,由于小麥全生育期水分虧缺加劇引起的小麥減產(chǎn)值將比當前氣候下大8%~20%,灌溉將增加25%~33%,有灌溉條件的地區(qū),小麥可能增產(chǎn),但灌溉增加使生產(chǎn)成本提高,而在沒有灌溉條件的地區(qū),水分脅迫加劇則將導致減產(chǎn)。

3.4氣候變暖對作物病蟲害的影響害蟲是變溫動物,其體溫隨環(huán)境溫度的變化而變化。環(huán)境溫度高,其生理代謝旺盛,生長發(fā)育快;環(huán)境溫度低,其生理代謝弱,生長發(fā)育就慢。氣候變暖,特別是冬季溫度升高,將有利于害蟲和病原體安全越冬,使來年春夏的蟲病源基數(shù)增大,引發(fā)危害面積擴大,危害程度加重;春秋季溫度升高,將延長害蟲和病菌的可生育時期,有利于病蟲害春季早發(fā),冬季休眠推遲,危害期延長;而積溫增加,可使1年中病蟲繁育的世代增多,致使農(nóng)作物受害概率增大;空氣中CO2濃度增大,植株中含碳量增高,含氮量下降,致使害蟲的采食量增大,導致對農(nóng)作物的危害加重。

3.5氣候變暖對自然植被的影響地球表面的植被類型及其分布基本上取決于年降水、年生物溫度與濕度3個要素。未來各類自然植被將發(fā)生明顯北移,南方的熱帶季風雨林將逐漸引進,相當多的樹木面臨不適宜的新的氣候條件可能變得更為脆弱,尤其是寒溫帶針葉林將向北移入,部分樹種甚至面臨瀕危狀態(tài)。氣候變暖,降水不能保持與溫度的同步增加,導致植被光合作用所需水分供應不足,相當多的樹種面臨不適應新的氣候條件,會變得更加脆弱、更易遭到病蟲害侵襲。根據(jù)李英年對1987年以來黃河源區(qū)土壤濕度的監(jiān)測結(jié)果分析,黃河源區(qū)下墊面蒸散量的加大使土壤向干暖化發(fā)展。這種氣候因素的影響,導致近十幾年來植被地上凈初級生產(chǎn)力按9.506g/(m2•a)的傾向率下降[8]。

4對策與建議

氣候變暖將導致地球氣候系統(tǒng)的深刻變化,使人類與生態(tài)環(huán)境業(yè)已建立起來的相互適應關系受到顯著影響和擾動。氣候變暖將導致地表流經(jīng)、旱澇災害頻率發(fā)生變化,特別是水資源供需矛盾更加突出;氣候變化將使我國未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加,產(chǎn)量波動大;氣候變化將影響人類居住環(huán)境,最直接的威脅是洪澇、山體滑坡和與高溫熱浪天氣有關的疾病和死亡率增加等。因此研究氣候變化的影響,探討增強新安農(nóng)業(yè)應變能力的對策措施,為新安農(nóng)業(yè)今后的發(fā)展方向和結(jié)構(gòu)布局的調(diào)整提供一些科學依據(jù)和可供選擇的對策方案。

(1)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局,發(fā)展特色農(nóng)業(yè)、旱作農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)。引進農(nóng)業(yè)新技術、新品種,改變傳統(tǒng)的耕作方式,大力發(fā)展經(jīng)濟作物經(jīng)濟林果業(yè)。

(2)水資源在減少,水需求在增加,水危機在加深。面對此環(huán)境,必須合理開發(fā)利用水資源,推廣集雨技術和節(jié)水灌溉技術,推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌滴灌等技術;加大人工影響天氣力度,把開發(fā)空中水資源作為解決新安缺水問題的一條主要途徑。

(3)改變土地利用方式,采取封山育林、人工造林,陡坡耕地退耕還林還草,擴大林草植被覆蓋,減少乃至停止坡地種植,加強天然林保護,加快退耕還林步伐,營造農(nóng)田防護林,發(fā)展農(nóng)田林網(wǎng)和經(jīng)濟林果業(yè),既能增強對二氧化碳的吸收庫容,還能改善農(nóng)田小氣候環(huán)境,提高農(nóng)作物的抗災能力。堅決杜絕砍伐林木,變林地為農(nóng)田的做法,杜絕燒荒、墾荒、“改造”荒地為“良田”補充耕地的辦法。可以通過秸稈還田,減少殘茬生物量的燃燒增加土壤有機質(zhì)和肥力,把治理水土流失與提高土壤肥力、提高土地使用潛力等結(jié)合起來,形成作物-土壤-大氣系統(tǒng)的良性循環(huán)。

(4)加強病蟲害和雜草害的防治。開發(fā)利用各種高效低毒無污染的新型農(nóng)藥,包括應用生物工程技術選育抗病蟲害和抗草害性強的新品種,開展生物防治,發(fā)揮自然天敵對病蟲害的調(diào)控作用,以應對氣候變暖導致的病蟲害和草害可能加重的嚴峻挑戰(zhàn)。(5)重視氣象工作,加大對氣象的投入力度,提高氣象預報準確率,發(fā)揮氣象部門在防御氣象災害中的重要作用。