气候变化特点对农业的影响
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1资料与方法
1.1资料来源该研究选取新安气象站1979~2008年逐年的年、季平均气温、平均最高气温和平均最低气温以及逐年、季极端最高气温和极端最低气温及逐年无霜期、降水量等资料。
1.2划分标准季节划分采用气象学上的标准: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;高温天数指气温≥35℃的天数,低温指天数气温≤-5℃的天数;无霜期指从春季的无霜日到秋季的初霜日为无霜期。
1.3研究方法研究主要采用回归分析、趋势线分析等方法。通过引入气候倾向率和气候趋势系数来研究各要素的气候倾向趋势和变化幅度,并采用相关系数统计检验方法,检验气候趋势系数是否显著。
2气候变化特点
2.1气温变化特征
2.1.1平均气温年际变化特点。新安1979~2008年30年平均气温年际变化如所示。新安历年平均气温是14.3℃。从中可以看到,20世纪80年代初期平均气温最低,从80年代中期开始平均气温在平均值以上的次数越来越多,相对峰值和相对谷值都呈明显升高趋势;从90年代开始,波动较大,升温剧烈。新安近30年来,气温呈显著上升趋势,拟合方程为y=0.046x+13.54,升温倾向率达0.46℃/10a,相关系数为0.71,高于中国50年的0.22℃/10a平均水平。
2.1.2气温的季节变化特点。新安1979~2008年各季平均气温年际变化如所示。新安春季的平均气温是14.8℃,从中可以看出,新安春季增温比其他各季的增温都剧烈,波动也比较大,线性增温倾向率0.92℃/10a,相关系数为0.73,在四季中增幅最大。从90年代初期开始,气温上升速率加快,一直保持在较高水平,特别是从2000年以来,春季气温平均值基本都在15℃以上。新安冬季气温升高明显(),线性增温倾向率达0.36℃/10a。新安冬季的平均温度是1.9℃,从80年代开始到90年代末,冬季气温在波动中上升,波动较小,80年代的平均温度基本都在2℃以下,1984年出现了30年来冬季的最低值;90年代的平均温度基本都在2℃以上,从90年代开始,增温速率加快,冬温显著升高,暖冬现象严重;进入2000年后,冬季的气温波幅远远大于其他时期,气温忽高忽低,说明新安在冬季气温不断升高的同时,出现暖冬与冷冬的概率也在不断加大。新安秋季气温波动较大(),虽然有升有降,但总体在波动中上升,增温倾向率为0.36℃/10a,气候趋势系数为0.39,与冬季线性增温倾向率相同;平均气温是14.3℃,与全年平均气温相同。由可以看出,从20世纪90年代初期开始,新安的秋季平均气温基本都在14℃以上,呈稳定上升趋势。新安夏季气温波动较大(),平均气温是25.9℃。总体来看,虽然新安夏季气温呈上升趋势,线性增温倾向率为0.18℃/10a,但气温随年度变化的相关性还不强,尤其是从1997年开始,新安的夏季平均气温在波动中有下降趋势。
2.1.3极端最高(最低)气温年际变化特点。新安1979~2008年极端最低气温变化如所示。新安极端最低气温多出现在1月和12月,极端最低气温气候平均值是-10.9℃,其年际差异十分显著,2007年最高值-4.7℃比1990年最低值-14.7℃高10℃。极端最低气温变暖趋势十分明显(),增温剧烈,30年来极端最低气温除1990年的特殊年份外,总体呈明显的波动上升趋势,其线性拟合气候增暖倾向率为每10年1.06℃,气候趋势系数为0.5。新安极端最高气温多出现在6~8月份,极端最高气温平均值是39.4℃。新安1979~2008年极端最高气温年际变化中(),有升温趋势,线性升温倾向率0.26℃/10a。极端最高气温差异十分显著,1993年最低值36.6℃比2005年最高值41.7℃低5.1℃。与极端最低气温变暖趋势相比,极端最高气温趋势波动较大,有明显的周期性变化规律,气温升高与降低的周期一般为4年。
2.1.4高(低)温天数年际变化特点。新安平均高温天数是15.4d,在高温天数年际变化序列中,其年际差异十分显著,波动较大,1997年出现高温43d比1983年出现高温2d相差41d。新安1979~2008年近30年最高气温天数年际变化如所示。从中可以看出,新安高温天数峰值升高趋势比谷值升高趋势明显,高温天数的增加也十分明显,高温天数线性上升倾向率为2.29d/10a,气候趋势系数为0.27。新安平均低温天数是19.3d,在低温天数年际变化序列中,其年际差异十分显著,波动较大,1976年出现低温40d比2001年出现低温5d相差35d。新安1979~2008年近30a最低气温天数年际变化如所示,可以看出新安低温天数的减少十分明显,低温天数线性下降倾向率为5.11d/10a,气候趋势系数为0.52。
2.2无霜期年际变化特点新安平均无霜期是220d,在无霜期年际变化序列中,其年际波动不一(),在1979年到1982年间,无霜期波动较大,最大值在2006年的271d与最小值在1976年的195d的差值为76d。从1979年开始到1988年间,无霜期上升趋势比较稳定,是第一个高峰期;从1991年到2002年处于较低的缓慢地上升期;从2004年开始无霜期上升迅速,振幅增大。从无霜期年际变化的总体角度看呈明显性上升,上升倾向率为10.86d/10a,气候倾向率为0.55。
2.3降水变化特征
2.3.1降水的年际变化特征。新安1979~2008年降水量的变化序列如图8所示,新安年平均降水量为646.3mm,降水量总体趋势是在波动中明显减少,降水递减倾向率为3.97mm/10a,干旱化趋势在不知不觉中发生。同时还明显看出,气候变暖后,年降水量振幅的相对变率比气候变暖前有明显的增加,表明随着气候的变暖新安年降水量变率增大,出现大旱大涝的可能性增加。就年代变化而言:80年代为丰水期,降水量比较稳定,高于平均值34mm,90年代波动中急剧减少,低于平均值44mm,为严重干旱期;2000~2008降水量比90年代有所增加,如果不考虑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年来最高,为严重洪涝年,使得10年平均值增大,其他年度降水量仍相对较少,干旱威胁依然存在。
2.3.2降水的季节变化特征。新安1979~2008年近30a来各季降水情况如图9所示。新安平均春季降水量为126.8mm。从图9中可知,新安春季降水在波动中呈减少趋势,递减率为6.87mm/10a,但降水量与年际变化相关性不强,而降水波动性规律较明显,春季最大降水量在整体变化趋势中呈7~8年的周期性,最小降水量在整体变化趋势中呈5~6年的周期性。春旱现象越来越严重。新安年降水主要集中在夏季,夏季平均降水量为322mm,占全年总降水量的50%,对全年降水影响最大。由图9可以看到:新安夏季降水同春季降水一样呈减少趋势,递增率为3.78mm/10a。虽然夏季降水量与年际变化相关性不强,但夏季最大降水量波动规律性最强,在整体变化趋势中呈6~7年的周期性变化,最小降水量波动规律也相对较明显,在整体变化趋势中相对呈5~6年的周期性变化。新安平均秋季降水量为167.4mm。由图9可知,新安秋季降水略有增加趋势,其降水量与年际变化相关性不强,降水波动规律也不明显,波幅较大,突变性较强。从2003年以来秋季降水量减少明显。新安平均冬季降水量为34.2mm。由图9可知,新安冬季降水略有增加,递增率为3.23mm/10a。由于冬季降水总量较少,故对全年降水变化趋势影响不大。
3.1气候变暖对农业气候资源的影响气候是进行农业生产的自然环境中最基本最重要的条件之一。气候年复一年,周而复始地为农业生产提供着光、热、水、空气等能量和物质资源。因此,从农业的观点看,气候是一种重要的农业自然资源。大气中CO2等温室气体含量增多,引起“温室”效应,使气候变暖。以气候变暖为主导的气候变化必将对作物生长发育和产量形成产生明显的影响[1]。因为CO2是植物进行光合作用制造有机物质所必不可少的原料,是太阳能量的转化和储存以及地球生物圈赖以生存和平衡的基础。一般说来,在其他条件不变时,其含量增加将有利于植物的生长发育,但温度升高、有效水分减少会抑制作物对CO2的吸收,进而减弱光合同化过程的强度。气候变暖将导致地表径流、旱涝灾害频率发生变化。对气候变化敏感的传染性疾病的传播范围可能增加;与高温热浪天气有关的疾病和死亡率增加。研究表明,年平均气温升高1℃将引起农田蒸散量增加10%,地表流经量将减少62.9%,水资源总量将减少40%,土壤含水量减少10%,气温升高0.5℃耗水每公顷将增加30~75m3,加剧干旱的影响[2-6]。
3.2气候变暖对农业气象灾害的影响随着气温的升高,不定因素增多,气候变率加大、振幅增高,时空分布不均,气象自然灾害有明显的加剧趋势。主要表现在以下5个方面:①从新安的降水量来看,总体趋势是在波动中明显减少,降水递减倾向率为3.97mm/10a,再加上气温升高导致蒸发力加大,造成作物水分亏缺,产生严重干旱;②降水变率加大、振幅增高,在干旱发生频繁的同时会导致暴雨、冰雹、大风等气象自然灾害的加剧,甚至出现严重洪涝;③从各季气温变化振幅来看,冬季的振幅最大,正负差值达到4.2℃,说明在冬季气温不断升高的同时,温度的不稳定程度有所增加,出现暖冬与冷冬的概率也在不断加大,冬季的寒潮和雪灾也会时有发生,低温冷害和霜冻会给农业造成损失。④从增温速度和波动情况来看,春季增温比其他各季的增温都剧烈,波动也比较大,说明新安春季的倒春寒发生概率也很大,对农业影响更大。由于果树因气候变暖开花期提前,处在开花、授粉期桃树、梨树、核桃、苹果等抗冻能力下降,倒春寒不仅影响传粉授精,更严重会导致果树花朵冻枯脱落,产量下降。⑤从高温天数和最高气温变化情况来看,新安极端最高气温以每10年0.26℃的速度上升,高温天数以每10年2.29d的速度增加,说明新安炎热时间不断延长,干热风、热浪和酷暑的影响不断加大。由于作物生长对适宜温度、能够忍受的高温和低温都有一定的要求,超过上限的高温会使作物遭受高温胁迫危害,生长发育受到抑制,产量大大降低,如果高温和干旱结合,就会导致植株大量失水,迅速枯死。夏季是苹果、核桃、柿子幼果膨大期,超过35℃以上的高温会严重抑制果实的生长发育,气温高达38℃以上就会对果实产生日灼伤害,使果实停止生长、枯死、脱落。
3.3气候变暖对粮食作物的影响气候变暖尤其是随之而来的异常高温会给粮食作物带来以下影响:①会对作物生长产生不利的热害,胁迫作物来不及灌浆甚至中断或终止正常的生长发育进程而提前成熟;②温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,从而使作物生长的水分胁迫加重;③较高的温度加快了作物的生育进程,缩短生育期,使之来不及累积光合同化产物、充盈籽粒而提前成熟,导致籽粒不饱满或瘪粒而减产。玉米、高粱和谷子是耗水量较小的喜温作物,适应性强,气温升高对玉米、高粱和谷子产量影响不大[7];大豆是喜凉作物,气温超过25℃,就会抑制其生长,致使减产;小麦是喜冷作物,由于冬季变暖、寒冷期缩短,会使其停止生长的越冬期缩短。王石立等的计算揭示了气温升高时因蒸发变大而导致小麦水分亏缺情况,表明小麦全生育期内农田蒸散量将大于当前气候8%~12%,以小麦拔节、抽穗阶段更为突出,由于小麦全生育期水分亏缺加剧引起的小麦减产值将比当前气候下大8%~20%,灌溉将增加25%~33%,有灌溉条件的地区,小麦可能增产,但灌溉增加使生产成本提高,而在没有灌溉条件的地区,水分胁迫加剧则将导致减产。
3.4气候变暖对作物病虫害的影响害虫是变温动物,其体温随环境温度的变化而变化。环境温度高,其生理代谢旺盛,生长发育快;环境温度低,其生理代谢弱,生长发育就慢。气候变暖,特别是冬季温度升高,将有利于害虫和病原体安全越冬,使来年春夏的虫病源基数增大,引发危害面积扩大,危害程度加重;春秋季温度升高,将延长害虫和病菌的可生育时期,有利于病虫害春季早发,冬季休眠推迟,危害期延长;而积温增加,可使1年中病虫繁育的世代增多,致使农作物受害概率增大;空气中CO2浓度增大,植株中含碳量增高,含氮量下降,致使害虫的采食量增大,导致对农作物的危害加重。
3.5气候变暖对自然植被的影响地球表面的植被类型及其分布基本上取决于年降水、年生物温度与湿度3个要素。未来各类自然植被将发生明显北移,南方的热带季风雨林将逐渐引进,相当多的树木面临不适宜的新的气候条件可能变得更为脆弱,尤其是寒温带针叶林将向北移入,部分树种甚至面临濒危状态。气候变暖,降水不能保持与温度的同步增加,导致植被光合作用所需水分供应不足,相当多的树种面临不适应新的气候条件,会变得更加脆弱、更易遭到病虫害侵袭。根据李英年对1987年以来黄河源区土壤湿度的监测结果分析,黄河源区下垫面蒸散量的加大使土壤向干暖化发展。这种气候因素的影响,导致近十几年来植被地上净初级生产力按9.506g/(m2•a)的倾向率下降[8]。
4对策与建议
气候变暖将导致地球气候系统的深刻变化,使人类与生态环境业已建立起来的相互适应关系受到显著影响和扰动。气候变暖将导致地表流经、旱涝灾害频率发生变化,特别是水资源供需矛盾更加突出;气候变化将使我国未来农业生产的不稳定性增加,产量波动大;气候变化将影响人类居住环境,最直接的威胁是洪涝、山体滑坡和与高温热浪天气有关的疾病和死亡率增加等。因此研究气候变化的影响,探讨增强新安农业应变能力的对策措施,为新安农业今后的发展方向和结构布局的调整提供一些科学依据和可供选择的对策方案。
(1)调整农业结构和布局,发展特色农业、旱作农业和生态农业。引进农业新技术、新品种,改变传统的耕作方式,大力发展经济作物经济林果业。
(2)水资源在减少,水需求在增加,水危机在加深。面对此环境,必须合理开发利用水资源,推广集雨技术和节水灌溉技术,推广渠道防渗、管道输水、喷灌滴灌等技术;加大人工影响天气力度,把开发空中水资源作为解决新安缺水问题的一条主要途径。
(3)改变土地利用方式,采取封山育林、人工造林,陡坡耕地退耕还林还草,扩大林草植被覆盖,减少乃至停止坡地种植,加强天然林保护,加快退耕还林步伐,营造农田防护林,发展农田林网和经济林果业,既能增强对二氧化碳的吸收库容,还能改善农田小气候环境,提高农作物的抗灾能力。坚决杜绝砍伐林木,变林地为农田的做法,杜绝烧荒、垦荒、“改造”荒地为“良田”补充耕地的办法。可以通过秸秆还田,减少残茬生物量的燃烧增加土壤有机质和肥力,把治理水土流失与提高土壤肥力、提高土地使用潜力等结合起来,形成作物-土壤-大气系统的良性循环。
(4)加强病虫害和杂草害的防治。开发利用各种高效低毒无污染的新型农药,包括应用生物工程技术选育抗病虫害和抗草害性强的新品种,开展生物防治,发挥自然天敌对病虫害的调控作用,以应对气候变暖导致的病虫害和草害可能加重的严峻挑战。(5)重视气象工作,加大对气象的投入力度,提高气象预报准确率,发挥气象部门在防御气象灾害中的重要作用。
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