农业灾害对作物产量影响探析

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1资料来源与处理

1978-2003年全国受灾面积(干旱、洪涝,1950-2003年)、作物播种面积、作物灌溉面积和作物产量资料来源于国家统计局[2]。每年国家统计局《农业统计年报》中作物受灾面积和作物产量均采用增减百分率来表示。为了在农业与生态气象业务服务中应用,为国家政府部门宏观决策、防灾减灾提供科学依据,本文资料处理方法与国家《农业统计年报》保持一致,故作物单产的增减分别用(1)式表示:△Yi=(Yi-Yi-1)/Yi-1×100%(1)由式(1)可得到每个省区域相邻两年作物单产增减百分率。式中,i代表某一年,i–1为第i年的前一年,△Yi为i年与i–1年的产量增减百分率,Yi和Yi-1分别为i年与第i–1年的作物平均单产[3]。1961-2004年气象资料源于国家气象中心。

2农业气象灾害概述

2.1农业干旱

农业干旱不同于气象干旱和水文气象干旱,气象干旱是由降水和蒸发的收支不平衡造成的异常水分短缺现象。农业干旱是由外界环境因素造成作物体内水分失去平衡,发生水分亏缺,影响作物的正常生长发育,进而导致减产或绝收的现象。农业干旱涉及到土壤、作物、大气和人类对资源利用等多方面因素,而且与社会经济关系密切[1]。中国大部地区旱灾严重,干旱缺水对农业生产所造成的损失比洪涝更为严重,是农业稳定发展和粮食安全的主要制约因素。据1950-2003年资料统计,全国平均每年干旱受灾面积为21800×103hm2。建国以来全国最严重的干旱灾害年份分别为2000,1978和2001年。受灾面积分别达40541×103hm2、40170×103hm2和38472×103hm2(图1)。主要旱区发生在东北、西北、华北和江淮、江汉及四川盆地,但北方地区尤为严重。根据1961-2003年北方地区(东北、西北、华北)10个代表站年降水资料分析表明(图2),年降水量有明显减少趋势。虽然近20多a来各地虽然不断地修建水利工程和灌溉技术的改进,使旱灾得到了不同程度的控制。但抗旱能力地区之间差异较大,加之经济的迅速发展、人口增长等原因,导致有限的水资源越来越短缺,干旱仍是制约作物产量的主要灾害,并有进一步加重的趋势。全国各地由于降水量的周期波动,也引起干旱发生的阶段性变化。分析1950-2003年全国旱灾面积的时间序列(图1)可以看出,近50多a来,全国受旱面积存在明显3个低值期,即1950-1956年、1963-1970年、1982-1984年,每年受旱面积一般在20000×103hm2以下。还有3个高值期,即1957-1962年、1971-1981年、1986-2001年,每年受旱面积一般在20000×103hm2以上。其中超过32000×103hm2以上的严重干旱年份有1959,1960,1961,1978,1988,1992,1997,2000和2001。干旱期在逐渐延长,严重干旱年份出现频率有增加的趋势,旱灾面积与时间的相关系数达到0.57,超过了1%的信度检验,表明干旱面积的增加趋势是十分显著的。

2.2农业洪涝

农业洪涝可分为洪灾、涝灾、湿害,这3种类型的洪涝密不可分。洪涝的形成与降水量、地理位置、土壤结构、植被、以及季节、作物生育期、防洪设施等密切相关。但多数情况下是由于持续性暴雨、特大暴雨造成江河洪水泛滥淹没或冲毁作物,造成减产或绝收[4]。全国大部地区年降水量集中在夏季,年际变化十分明显,洪涝灾害较为频繁,是影响作物产量的重要气象灾害。据1950-2003年资料统计,全国历年平均洪涝受灾面积为9378.6×103hm2(图3)。建国以来最严重的洪涝灾害年有1991,1998和1954,受灾面积分别达24596×103hm2、22292×103hm2和16131×103hm2,主要洪涝区发生在长江中下游、华北南部和北部、东北地区中南部[8]。从1950-2003年全国洪涝受灾面积的时间序列图3可以看出,近50多a来,全国洪涝发生的情况具有明显的阶段性。大体上是20世纪50年代至60年代中前期洪涝面积较大,60年代中期至80年代初期洪涝面积较小,80年代中前期以来洪涝面积又呈增加趋势,特别是1991-1998年有明显的增加,平均洪涝面积达16540×103hm2,是1950-2003年平均受洪涝灾害面积(9378.6×103hm2)的1.8倍。其中,1991,1998,2003年全国洪涝面积最大,趋势线可见,洪涝面积有增加的趋势。洪涝面积与时间的相关系数达到0.48,超过了1%的信度检验,表明洪涝面积的增加趋势也十分显著。

2.3农业冷冻害

农业冷冻害主要包括低温冷害和冻害,而冻害包括霜冻害和寒潮冻害。冻害一般发生时间是秋、冬、春季,冷害发生在春、夏、秋季[4]。1978-2003年全国平均每年冷冻害受灾面积为2687.3×103hm2,全国冷冻害最严重的冷冻害年份有1998,1999和1993,分别达8665×103hm2、6626×103hm2和4716×103hm2。冷冻害区域,1998年主要发生在江淮和江汉、江南、华北地区;1999年主要发生在华南和西南地区;1993年主要发生在江淮和江汉、江南、华北地区。由于不同地区作物的种类不同,在某个发育期对温度条件要求的差异。因此,冷害具有明显的地域性,亦有不同的灾害名称。如春季江南和华南出现的低温冷害称为“到春寒”或“低温烂秧”天气;秋季江南和华南晚稻抽穗扬花期出现的低温冷害称为“寒露风”;冬季华南南部和云南南部属于热带和南亚热带季风气候区,出现强降温称为“寒害”;6-8月东北地区出现的低温冷害称为“夏季低温”等[4]。根据1978-2003年全国作物冷冻害受灾面积(图3)可以看出,1978-1992年全国冷冻害面积均在3000×103hm2以下,较为平稳;1993年以来冷冻害面积有所增加,其中1993-1995,1998-1999和2003年冷冻害面积上升明显。虽然冷冻害面积的增加趋势比干旱和洪涝面积的趋势较缓,但其与时间的相关系数达到0.66,也超过了1%的信度检验,表明全国冷冻害面积的增加趋势也是显著的。

3主要农业气象灾害对作物产量的影响分析

农业生产不仅有明显的地域性,而且有很强的季节性。冻害出现在冬季,对寒带和温带地区农业的危害影响不大,但对亚热带或热带地区造成的损失相对要大。例如,1999年2月华南北部极端最低气温降至0~3℃,出现霜冻,喜温作物遭受较为严重的冻害[5]。因此说明,当作物生长季出现灾害性天气时,与作物发育期不同,其危害程度差异较大。作物在营养生长阶段如果遇到灾害性天气或不利天气条件的影响,当后期条件转好后,作物有恢复或弥补这些影响的特性,对最终产量的影响较小;在作物生殖生长阶段,特别是在生殖生长初期,如果遇到灾害性或不利天气条件的影响,即使后期条件转好,作物长势也很难恢复或弥补,最终会对产量造成较大的影响,甚至绝收。例如,1989年东北地区出现历史上少有的伏旱,大部地区8月份前后有35~50d无降水。总受旱面积达7323×103hm2,造成玉米、大豆严重减产,其减产幅度仅次于1972年和1979年严重冷害年[7]。可见灾害发生在关键农时季节,对作物生长发育及产量的影响是十分重要的。

3.1东北地区

东北地区作物产量主要限制因素是夏季气温的不稳定[1]。在主要农业气象灾害中干旱较为突出,冷害对农业的危害比20世纪60-70年代范围小、程度轻。进入近20世纪80年代以来作物生长季气温有明显升高的趋势,基本没有出现大范围的严重冷害[6]。干旱发生频率增加,受旱范围大,是造成粮食减产的主要因素。东北地区近5a有效灌溉面积占总播种面积的27%,其中水稻占55%,旱田仅占总播种面积的12%左右,大部地区为雨养农业。因此,东北地区作物生长季降水量的多少是作物产量增减关键因素。在近26a中东北地区平均受旱面积为3730.7×103hm2,占作物播种面积22.0%;受旱在5000×103hm2以上的年份有1982,1989,1997,2000,2001和2003年。受旱频率最高的是辽宁和吉林,黑龙江略低。在严重干旱的1989年大豆减产31.9%,玉米减产20.3%,一季稻减产17.3%;2000年玉米减产27.5%,大豆减产10.4%(表1);洪涝面积超过5000×103hm2的年份有3a,其中1991受灾面积最大,主要发生吉林和辽宁的西部,基本为非粮食主产区,对产量影响较小,其次是1985年洪涝灾害严重,造成玉米分减产26.7%、一季稻减产18.6%(表1)。东北地区冷冻害最严重的年份是1995年,辽宁受害最重,一季稻减产19.6%。

3.2西北地区

西北地区主要农业气象灾害特点是干旱范围广、持续时间长、频率高。粮食产量波动与干旱发生频率基本一致,尤其是玉米产量的变化更为突出。西北地区中东部(山西、陕西、宁夏、甘肃)有效灌溉面积约占作物播种面积的35%,其中水稻约占播种面积的6%,旱田有效灌溉面积占作物总播种面积的28%左右,主要集中在河套灌区,其余地区基本上为雨养农业,干旱是造成作物减产的主要原因。近26a平均干旱面积为4321.4×103hm2,占作物播种面积34.6%,超过5500×103hm2受旱面积的有7a,即1991,1994,1995和1997年和1999-2001年。有些年份出现了旱冻交加,致使冬小麦死苗率明显上升。如1980年冬季和初春温度异常偏低加之严重干旱,造成冬小麦减产33.1%;1997年和1999年的干旱,造成玉米减产20.6%和11.4%(表1)。新疆各地年平均降水量差异较大,山区降水较为丰沛,平原地区年平均降水量是全国最少的地区[1]。新疆农业有效灌溉面积占作物播种面积的90%左右,基本为灌溉农业。而干旱年份往往是气温偏高,促使高山冰雪融化,来水量增加,有利于满足农业灌溉,因此新疆的干旱年份对粮食产量的影响不大。冻害是新疆的主要农业气象灾害,受冻的作物主要是冬小麦,尤其是北疆冬小麦往往遇冻害而造成减产。当小麦越冬遇到积雪浅薄或融雪过早又冻结的年份,死苗率较高。冬小麦冻害主要发生在初冬和初春,多数冻害发生的地域主要在新疆北部。1999年12月新疆北部遭受严重的冻害,导致2000年冬小麦减产3.0%。在26a中西北地区洪涝面积超过1200×103hm2的年份有1981和2003年。其中1981年西北地区东南部夏涝严重,陕西遭受洪涝面积达1000×103hm2以上,造成玉米减产21.3%;2003年夏末至秋季,西北地区东南部连降大到暴雨,渭河流域出现了历史上罕见的秋汛,先后有900×103hm2以上农田遭受洪涝,由于洪涝发生时大部地区的秋作物已成熟收获,故对产量危害不大,但严重影响了秋播。

3.3华北地区

华北地区干旱对农业生产的影响极大,致使作物减产,甚至绝收[1]。在近26a平均受旱面积为6901×103hm2,占作物总播种面积的20.9%,受旱面积达7000×103hm2以上的年份有1981,1986,1987-1989,1992,1997和1999-2002年。20世纪80年代(1986-1989年)和近10多年(1999-2002年)连续4年出现干旱,但近10a受旱面积略小于20世纪80年代,20世纪80年代受旱面积占作物总播种面积的21.9%,进入20世纪90年代以来受旱面积占作物总播种面积的20.0%。分析华北地区降水表明,年降水量呈减少趋势。受旱面积减少这与灌溉面积逐步扩大有一定的关系,冬小麦灌溉面积达90%左右,增加了抗旱能力;但由于玉米和棉花主要生长期处于雨季,灌溉投入少,干旱仍是影响玉米产量最严重的气象灾害,而棉花相对耐旱,对产量影响则较轻。1997,1999年华北地区发生了春夏连旱,玉米减产幅度分别为11.6%和12.2%(表1)。华北地区遭受洪涝的频率明显低于干旱,受灾面积小。在近26a中洪涝面积超过1000×103hm2的年份有1988,1994和1996年,连降暴雨发生洪涝一般在7月中下旬至8月上旬,发生洪涝的年份对棉花产量的影响大于玉米。华北地区发生冷冻害的频率较低,但个别年份冻害对冬小麦产量影响很大。1980年春季华北地区大部冬小麦遭受严重的冻害,造成冬小麦减产26.5%(表1)。

3.4江淮和江汉地区

江淮、江汉地区处于长江、淮河流域,旱涝灾害是范围最广、危害最大的气象灾害[1]。历史上特大洪涝都是由于梅雨期特别长,暴雨频繁且强度大、范围广而造成的。夏旱则反之,空梅或梅期特别短、降水量异常偏少所造成的。在近26a中干旱面积在5000×103hm2以上的年份有1978,1988,1992,1994和2000-2001年,其中1978年干旱面积最大,达10685×103hm2,占作物播种面积43.6%。大部地区4-9月降水量比常年同期偏少5~7成,为历史上罕见的特大干旱年,造成江淮、江汉大豆减产25.9%,安徽玉米减产22.0%。洪涝面积4000×103hm2以上的年份有1980,1991,1996,1998和2003年,其中1991年受涝面积最大,达12312×103hm2,占作物播种面积51.9%,造成冬小麦减产18.3%(表1)。冷冻害面积500×103hm2以上的有年份有1987,1992,1993,1996,1998-2000和2003年,其中1998年冻害面积最大,达5390×103hm2,占作物播种面积39.9%,冬小麦遭受冻害加之洪涝的影响减产23.5%,油菜减产21.0%(表1)。

3.5江南地区

江南地区春夏之交冷暖气流交汇,暴雨、大暴雨明显增加,洪涝灾害频繁。盛夏受副热带高压影响,常出现晴热高温天气,形成干旱;亦是热带风暴影响东部沿海的频率最大的时期[1]。江南在近26a中遭受洪涝面积3000×103hm2以上的年份有1993,1995,1996,1998和2002年,其中20世纪90年代江南大部地区连续发生洪涝灾害,1998年受灾面积最大,达4938×103hm2,占作物播种面积27.1%,早稻减产12.0%(表1);干旱面积达3000×103hm2以上的年份有1986,1988,1990-1991和2003,其中2003年受旱面积最大,达5278×103hm2,占作物播种面积33.0%,致使江西和湖南晚稻减产4.4%。冷冻害面积在500×103hm2以上的有年份有1987,1998和2000年。其中1998年受冻面积最大,达1425×103hm2,占作物播种面积7•8%,油菜减产21.0%(表1)。

3.6华南地区

华南地区季风进退异常会造成降水和气温变率大,洪涝和早春的低温阴雨、秋季的寒露风及台风等灾害性天气出现频率高,给农业生产造成危害。由于华南大部地区水资源较为丰富,以水田为主,干旱对农业的影响较轻。在近26a中洪涝面积在1500×103hm2以上的年份有1985,1993,1994,1997-1998和2002年。其中1994年受灾面积最大,达3675×103hm2,占作物播种面积25.6%,早稻减产7.9%(表1)。干旱面积达1800×103hm2以上的年份有1980,1986,1988,1990-1991,1999和2002-2003年。其中1991年受灾面积最大,达3242×103hm2,占作物播种面积22.1%。冷冻害面积在500×103hm2以上的有年份有1993,1996,1999-2000和2003年,其中1999年受灾面积最大,占作物播种面积12.7%。由于华南冬季在田作物很少,冻害对作物产量影响不大,主要是12月中旬末至下旬华南大部出现了大面积的冰冻和霜冻,荔枝和香蕉等热带经济林果及蔬菜被冻伤或冻死[9];其次是1988年春季低温和秋季“寒露风”天气严重,早稻减产7.8%,晚稻减产29.2%(表1)。

3.7西南地区

西南地区以山地为主,气候条件复杂,各地发生气象灾害时空差异不尽相同[1]。在近26a中干旱面积在3500×103hm2以上的年份有1978-1979,1985,1987,1990,1992-1994,1997和2001年。其中2001年受灾面积最大,达5660×103hm2,占作物播种面积44.6%,其中棉花和一季稻分别减产19.9%,6.6%。洪涝面积在2000×103hm2以上的年份有1991,1993,1995,1996,1998和2002-2003年。其中2002年受灾面积最大,达2606×103hm2,占作物播种面积11.1%;其中一季稻减产4.2%;冷冻害面积在600×103hm2以上的有年份有1986,1996,1999和2002年。其中1986年受灾面积最大,达977×103hm2,占作物播种面积5.1%,主要是初冬时节冬小麦和油菜受冻严重,其中冬小麦减产14.3%。

4结果与讨论

(1)通过对全国主要农业气象灾害对作物产量的影响分析表明,农业气象灾害是导致作物减产的主要因素,其中干旱是对作物产量影响最大、区域最广、发生最频繁的气象灾害。中国有句俗语:“水灾一条线,旱灾一大片。”干旱缺水对农业生产所造成的损失比水灾更重,已经成为中国农业稳定发展和粮食安全供给的主要制约因素。

(2)科学工作者要积极开展农业气象灾害及其防御措施的研究。特别是对农业干旱、洪涝、冷冻害等主要农业气象灾害的发生发展规律及其对农业的危害机理和防御对策、措施进行应用性研究,提高预警的能力。为各级政府指挥农业生产提供决策服务,可以明显地减轻灾害损失。

(3)受气候变暖的影响,近年来我国水资源日趋紧缺,江河湖库水位锐减,地下水位不断下降。为确保农业可持续发展,要不断地加强农田水利建设,开发地下水资源,多打抗旱井,扩大灌溉面积,是解决农业干旱的重要途径之一,并要广泛推广节水灌溉技术。另外,随着农业科技水平的不断提高,要广泛采取抗旱栽培技术,选取抗旱能力强的作物品种;多施有机肥,改善土壤有机质含量,提高抗旱能力。

(4)需要说明的是国家农业统计资料较为准确,但在分析中个别年份与实际情况有一定的误差。如1988年江南3月下旬至4月上旬、华南3月上旬和下旬及4月上旬平均气温比常年同期偏低4~6℃,日平均气温降至12℃以下,造成早稻大面积烂种;9月中旬至10下旬江南和华南晚稻受“寒露风”危害[10],造成江南早稻和华南晚稻严重的减产(表1);但国家农业统计资料中1988年江南冷冻害面积仅126×103hm2,华南为25×103hm2;这显然说明个别年份有误差,必须在应用时要通过气象资料检验后加以分析,避免与实际不符。