河北地区气候变化及其对农业的影响

2014-08-08刘芳圆肖嗣荣刘寒穆仲义

地理与地理信息科学 2014年4期

刘芳圆，肖嗣荣，刘寒，穆仲义

（1.河北省科学院地理科学研究所，河北石家庄 050021；2.南京大学地理信息科学系，江苏南京 210023）

IPCC第二工作组第四次评估报告指出［1］，全球气候变暖对农牧业、生态系统、水资源及沿海岸带社会经济的影响最为严重。气候变化对农业生产的影响已经引起各国政府、社会和科学界的高度重视，成为了广泛关注的问题。目前国内的研究大多是根据全球气候的变化特点和趋势，或是根据我国大区域的气候特点，分析对农业的影响［2，3］。本文利用河北地区气象站点的实测数据，分析本区的气候变化特征，并据此推测未来气候变化趋势，探讨气候变化对农业生产的影响，为推进应对河北气候变化的农业技术和措施提供科学依据，为河北地区应对气候变化的总体战略提供决策支持。

1 近50年来河北地区气候变化特征

根据中国气象局国家气象信息中心提供的在河北地区（包括京津）均匀分布的23个气象站点数据，分析本区近50年来主要气象要素的时空变化特征。

1.1 气温上升

图1是1956－2007年河北地区气温演变曲线，年均气温表现为波动上升趋势，年均气温的气候倾向率为0.364℃／10a。从1980s开始，各年代气温增幅不断加大，冬季气温增加值最大。冬季气候倾向率为0.559℃／10a，对区域年均气温上升贡献率最大，春季次之，为0.389℃／10a，夏季和秋季略低于年均气温的增幅，增温相对较缓［4］。就空间分布而言，总体上全区气温为升高趋势，张家口、蔚县一带为增温高值区，气候倾向率达0.5℃／10a以上，北京、廊坊及邢台地区略低，气候倾向率在0.45℃／10a以上，而天津、饶阳至南宫等东部平原增温平缓。

图1 1956－2007年河北地区年气温变化趋势Fig.1 The change trend of annual average temperature in Hebei region during 1956－2007

1.2 降水减少

由近50年河北地区年降水变化趋势（图2）可知，年降水量总体呈波动减少趋势，气候倾向率达－20.76mm／10a。四季中夏季降水量减少趋势明显，且幅度最大，气候倾向率为－24.20mm／10a，为影响河北地区全年降水的主要因素；秋冬季降水变化平缓，分别为0.27mm／10a和－0.39mm／10a，而春季则略有增加，气候倾向率为3.56mm／10a。近50年河北地区降水量变化的空间差异性较显著，全区降水量均呈减少趋势，由东北到西南减少幅度基本呈现低－高－低的形态，遵化－北京、保定一带及黄骅附近都存在一降水量减少幅度较大的区域。

图2 1956－2007年河北地区年降水量变化趋势Fig.2 The change trend of annual precipitation in Hebei region during 1956－2007

2 未来气候变化趋势预测

2.1 气候自然变化趋势预估

（1）基于气候自然波动规律的预估。研究当前气候变化在自然波动中的位置意义重大，它是展望未来气候自然变化的出发点。当前气候是明清小冰期结束后的转暖期。历史上冷暖时段的持续期常是对应的，持续较长时段冷期后的暖期也较长，在经历了500年长时期的“小冰期”后，现在的暖期有可能持续较长时期，其特点与隋唐暖期（570－770年）相似［5］。历史上100～1 000a时间尺度的暖期往往伴随着降水的增加。利用旱涝资料计算河北2000年来降水变化系列，得到隋唐暖期年降水比现在多10%～15%［6］。因此，河北气候自然变化趋势很可能是继续变暖而降水有所增加。

20世纪的两次冷暖与两次干湿变化可看做年代际的自然波动，但最近一次暖干过程中伴有一定程度的CO2等温室气体增加的效应。对北京、天津、保定等代表站的降水资料作功率谱分析，得到86.6a、37a和10～11a等准周期［6］。现在的干旱期已持续了近40年，估计2010－2030年可能进入偏湿时期。

总之，从气候演变规律看，目前至本世纪末将处于长周期的偏暖阶段，未来降水量可能比目前增加10%～15%，在这期间会有短周期的冷暖干湿波动。

（2）基于太阳活动影响的预估。太阳活动存在“双千年波”，其强（弱）段与全球气候的暖（冷）期较吻合［7］。1915年开始的强稳太阳活动期可持续到2250年左右，这意味着受太阳本身辐射的驱动，到本世纪末我国气温仍将上升，类似于历史上“春秋暖期”或“隋唐暖期”。但在这个暖期存在着年代尺度的气候波动：从现在到2033年，将会出现太阳黑子周期SCL≥11a的“气候不稳定期”，气温下降，其降幅约为0.1～0.2℃；2033年以后转为SCL≤11a的“气候稳定期”，气温将上升；到2050年气温将上升0.2℃左右。气候模拟也得到相似的结果，太阳辐射变化在中世纪暖期强迫增温值为0.2℃左右，其值可能偏小，现取0.4℃。

2.2 未来人类活动影响气候变化趋势预估

人类活动对气候影响的研究方法一般采用气候模式做数值模拟试验。姜大膀等［8］采用IPCC资料中心提供的7个耦合模式的预测结果，分析SRES A2方案温室气体和气溶胶排放情景下中国内地前30年的10年际气候变化趋势，研究结果表明，2021－2030年，河北地区冬季和夏季表面温度分别升高1.5～1.8℃和1.3～1.6℃；夏季降水零距平在本区中部通过，其北（南）部是微弱的正（负）距平，这表明，未来30年温室气体和气溶胶浓度的持续增加对河北降水可能没有明显的影响。

2.3 未来气候变化趋势综合分析

总结未来气候自然变化和人类活动导致的气候变化，采用简单算术平均的方法综合估算气候的自然因子（如太阳活动、气候周期振动等）和多个气候模式考虑多种人类胁迫（如人为温室气体、人为气溶胶等）联合造成的未来气候变化。其结果如下：河北2030年气温将上升1.2～1.6℃，降水增加3%～6%；2050年气温将上升1.6～2.4℃，降水增加6%～15%；2100年气温将上升3.0～4.5℃，降水增加15%～40%。气候变化极为复杂，预估结果具有不确定性，本文仅对其做一简单的综合分析，以上预测仅是河北未来气候变化的可能情景。

3 气候变化对农业的影响

3.1 气候变化对农业生产环境的影响

3.1.1 气候变化导致井灌面积增加，地下水位逐年下降气候变化影响了整个水循环过程，水环境发生重大变化，地表水资源锐减，供需矛盾日益扩大，农业灌溉结构不断变化。河北省现有2万hm2以上的大型灌区17处，设计灌溉面积共97.87万hm2，有效灌溉面积699.87万hm2，20世纪70年代、80年代、90年代实际灌溉面积分别降为53.27万hm2、41万hm2、38.6万hm2。缩减的地表灌溉面积逐渐由井灌代替，70年代、80年代、90年代已分别由50年代的4.47万 hm2增至15.53万 hm2、19.13万hm2、18.67万hm2。造成地下水超采严重，地下水位逐年下降。

3.1.2 气候变化对土地环境的影响 1）土地干化、干旱威胁加重。由于地下水位明显下降，包气带大大增厚，削弱了地下水对土壤水分的调节功能，使土壤水分降低，加之降水减少和气温升高的影响，土壤湿度必然减少。有关卫星监测资料表明：河北土壤湿度呈下降趋势［9］。这样，干旱威胁加重，其发生频率和强度相应增加。2）土地沙化和草场退化。气温升高和降水量减少导致土地沙化和草场退化。河北省沙化土地面积已经由1949年的122.6万hm2增至272万hm2，占全省土地总面积的14.5%，其中坝上地区沙化最为严重［10］。草原面积日益减少，20世纪50年代初坝上地区草场面积86万hm2，目前已减至51万hm2。草场严重退化，牧草覆盖度由50年代的90%降到44%，草高由60～80cm降到15～20 cm［11］，产草量由4 200kg／hm2降到675kg／hm2［12］。3）湿地减少，农业生态环境恶化。气候暖干化导致湿地萎缩、消亡。湿地中大面积芦苇塘变成了湿草甸，又由湿草甸变成了干草地，局部地区出现了荒漠化。同时，由于人们对湿地功能和作用的认识不足，不少地方人为排水或为引水灌溉，在湿地腹地肆意挖沟、修渠，加速了湿地的破碎化和岛屿化，渠堤切断了植被的天然联系，也切断了鱼类和其他水生动物的迴游通道，破坏了其繁衍规律，瓦解了其季节性的迁徙模式［13］，致使鱼虾及水生动植物资源遭受毁灭性破坏。

3.1.3 气候变化加剧病虫害对农业的影响气候变暖更有利于某些病虫害的发生、流行、越冬，甚至繁殖代数增加，也使病虫害的地理分布扩大，从而使病虫害加重。例如，棉红铃虫现在常发生在河北省南部，气候变暖后，其发生界限将向北移至冀中保定、定州一带。CO2倍增时，棉铃虫增加1代。总之，气候变暖宜于棉铃虫发生，危害加重［14］。近20年来，小麦蚜虫在华北地区的严重发生均与气候变暖有关。气候变暖，尤其是冬季温度增高有利于条锈菌越冬，使菌源基数增大，春季气候条件适宜，将会促使小麦条锈病的发生、流行和加重［15］。

3.2 气候变化对农作物种植的影响

3.2.1 气候变化对种植制度的影响气温升高使各农业界限积温呈增加趋势［16］：全省≥0℃的积温平均每10年增加47.4℃，≥10℃的积温平均每10年增加51.3℃。全省日平均气温稳定通过15℃、20℃的积温也明显增加，20世纪90年代15℃的积温比50年代增加了394.3℃，20℃的积温同期增加了321.7℃。随着热量资源的增加，作物生育期将会改变。冬小麦生育期提前，特别是成熟期提前，对冬小麦产区的种植制度将产生较大影响：1）随着冬季气温显著升高，麦区目前种植的强冬性冬小麦品种因冬季无法经历足够的寒冷期而不能满足春化作用对低温的要求，将会被其他类型的冬小麦品种（如冬半年）所取代。气候变暖使得河北近50年冬小麦种植北界北移了30～50km。2）高用水作物冬小麦种植面积大幅减少。由于气候干化，水资源越来越短缺，在保障粮食安全的前提下，近年来河北省压缩小麦种植面积近50万hm2。3）干旱缺水，促使农业种植的三元经济模式发展。河北省种植业结构基本上是以粮为主，粮经二元结构模式，粮食播种面积占72.9%。随着人们食物需求的多样化，非粮食食物消费对粮食消费的替代作用逐年增大，同时由于气候环境的变化，河北省的种植结构已由传统的粮经二元种植结构转变为粮、经、饲三元种植结构。发展饲料、饲草生产，能较好适应北方降水少，雨季集中在7－8月的气候特点和中、低产田改造的要求。很多牧草是多年生植物，用水量少、产量高、经济效益高，并且通过草、粮轮作可提高土地的肥力。粮、经、饲三元种植结构模式正在黑龙港平原的衡水、沧州及邯郸、邢台东部地区逐渐推广。

3.2.2 气候变化对作物生理生态和品质的不确定影响近百年来气候变化主要是由于大气中CO2等温室气体浓度增加造成的。CO2作为作物光合作用的重要原料之一，可直接在生理上影响作物生长。研究表明［14－21］，CO2增加表现为一种肥效作用，可促进冬小麦等农作物产量增加。但是高温对作物生产也会产生不利影响［22］，尤其是返青后的高温对冬小麦产量不利［23］。王春乙等［20］认为，CO2对冬小麦、棉花和谷子品质有利，对玉米品质不利。但现阶段研究成果多为在封顶或半封顶式生长室及模型模拟的研究成果，其模拟条件只能部分反映气候变化的特征，与野外实际情况有一定差异，作物对CO2反应的长期效应还需继续探索，尚缺乏对作物模型结果的验证［24］。因此气候变化对河北地区作物的最终影响还存在着很大的不确定性，需进一步实验研究。

3.2.3 气候变化对农业生产水平和成本的影响1）对农业生产水平的影响。河北省耕地总资源644.2万hm2，其中干旱－半干旱耕地面积400万hm2左右，占耕地面积的67%左右，完全依赖自然降水的纯旱地211.73万hm2左右，占耕地面积的37%。这些干旱－半干旱农田由于干化、水分胁迫成为中低产田，生产水平呈下降趋势。2）对农业生产成本的影响。气候变化将从不同方面增加农业成本的投入。首先，气候变化引发的灾害需要更多的基础设施建设投入，如气候干旱及超采导致浅层地下水位下降、机井报废与能耗剧增。据调查，河北省每年因地下水位下降、出水量减少造成机井报废、机泵换代导致效率降低、能耗增加等形成直接经济损失约21.6亿元。另一方面，气温升高可能导致农业病虫草害加重，从而增加农药和除草剂的用量。由于气温升高导致土壤有机质的微生物分解加快以及速效氮的释放量增大，需要施用更多的肥料以满足作物的需要。

3.2.4 极端天气气候事件对农业的影响在气候变暖背景下，河北省主要极端天气气候事件的频率和强度出现了明显变化，由于极端天气的直接致灾及短期不可逆性，造成了农业生产的直接经济损失。自1965年以来河北省干旱经常发生且不断加剧。近50年来，河北省干旱面积平均每10年增加约1.4%，农业生产遭受的损失越来越大。例如，2009年河北省大部地区出现严重冬旱，中南部地区旱情重、持续时间长；北部地区夏秋季发生近50年来少见的旱情。全省因旱受灾人口82.7万人，农作物受灾面积170.5万hm2，绝收面积41.8万hm2，直接经济损失52.96亿元。2009年11月8－12日河北省大部地区出现暴雪天气，全省共87个县（市、区）、328.4万人不同程度受灾，其中农作物受灾面积16.27万hm2，倒塌农业大棚22 517个［25］。近50年来，河北省大雾和高温日数呈增加趋势，也给农业生产带来不利影响。

3.3 未来气候变化对农业影响的预估

未来气候变化对农业的影响是多方面的。首先是对农业的生产环境产生重大影响。随着温度显著升高，地表蒸发和作物需水量将大幅度上升，尽管未来降水量可能略有增加，但土壤墒情仍会降低，水资源趋于短缺，加之人口增加和人类不合理活动的影响，干旱化和沙漠化进程可能呈加剧趋势，农业生态环境进一步恶化，严重制约本区农业可持续发展。同时，在气候变暖背景下，气候干旱、高温酷暑和暴雨洪涝等极端天气和气候事件发生频率将会明显增多，农业生产将表现出更大的脆弱性。

4 结论

由于河北处于东亚季风区北缘，受季风年（代）际变化的影响，气候变率大，生态环境脆弱，是气候变化影响最敏感的地区之一。在全球气候变暖的大背景下，河北地区近50年来气候发生了明显变化，暖干化日益严重，极端天气气候事件出现更为频繁，给农业和生态环境带来了严重影响。未来降水虽会有一定程度的增加，但仍将延续暖干效应，将严重制约本区农业可持续发展。当前，气候变化预测及其对农业生产的影响还存在着很大的不确定性，为了更有效地适应气候变化，减缓气候变化对农业的负面影响，需进一步深入研究相关科学问题。

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