氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略研究

許 迪，李益農(nóng)，龔時宏，張寶忠

氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略研究

許 迪，李益農(nóng)，龔時宏，張寶忠※

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2. 國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

氣候變化導(dǎo)致全球年平均氣溫上升、降水模式變化、河流特性改變、極端氣候事件頻發(fā)等，顯現(xiàn)出其對農(nóng)業(yè)水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響，使全球尤其是干旱和半干旱地區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水管理面臨重大挑戰(zhàn)。該文介紹氣候變化下的極端氣候事件發(fā)生，評價氣候變化通過氣溫和降水的改變以及極端氣候事件頻度和程度加劇等各種方式對農(nóng)業(yè)用水可利用量和水質(zhì)以及作物需水造成的影響，闡述氣候變化通過水要素對灌溉用水、可用耕地、作物產(chǎn)量帶來的影響，綜述氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略，提出在氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略研究上，應(yīng)認(rèn)真考慮氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性，從而有助于因地制宜地制定和合理選用農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略；應(yīng)積極構(gòu)建基于多模型集成模式的氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估方法，從而有利于改善綜合預(yù)測評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；應(yīng)深入進(jìn)行農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略的適應(yīng)-減緩利弊權(quán)衡研究和協(xié)同效用分析，從而有效改進(jìn)和提高應(yīng)對策略的效用。建議國內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)對綜合評估方法和效用分析的研究力度。

氣候變化；農(nóng)業(yè)；水資源；農(nóng)業(yè)水管理；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；應(yīng)對策略；適應(yīng)；減緩

0 引 言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告指出在全球不同區(qū)域、不同領(lǐng)域（自然系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、人類系統(tǒng)）內(nèi)已普遍且廣泛受到來自氣候變化的顯著影響，未來糧食產(chǎn)量持續(xù)下滑、河流特性改變、冰川融水不斷增加等現(xiàn)象加劇[1]，意味著氣候變化已成為當(dāng)今及未來全球尤其是干旱和半干旱地區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻問題和重大挑戰(zhàn)。氣候變化會增加溫度和輻射，影響降水和融雪，改變降水模式，導(dǎo)致更為頻繁的極端氣候事件發(fā)生[2]，進(jìn)而對水資源狀況、灌溉農(nóng)業(yè)、旱地農(nóng)業(yè)以及與水有關(guān)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，并加重農(nóng)業(yè)水管理所面對的諸多經(jīng)濟(jì)和社會問題[3-4]。在當(dāng)今全球食物需求不斷增長以及作物用水與環(huán)境用水間的競爭日趨激烈態(tài)勢下，人們迫切需要認(rèn)真應(yīng)對這一重大挑戰(zhàn)。

農(nóng)業(yè)水管理是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵投入的水資源的管理過程，主要目的是在水資源稀缺現(xiàn)狀下，在滿足全球不斷增長的食物需求同時，起到促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入、應(yīng)對氣候變化、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等支撐作用[5]。隨著全球氣候變化帶來的顯著影響，應(yīng)對氣候變化已成為農(nóng)業(yè)水管理面對的重點任務(wù)，亟待加大關(guān)注力度和相關(guān)研究[6-7]。本文介紹氣候變化下的極端氣候事件發(fā)生，評價氣候變化以各種方式對農(nóng)業(yè)用水和作物需水產(chǎn)生的影響，闡述氣候變化通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響，綜述氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略。在此基礎(chǔ)上，提出在氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略研究當(dāng)中，人們應(yīng)予以關(guān)注的重點和熱點，給出相關(guān)建議。

1 氣候變化下的極端氣候事件

氣候變化不僅影響諸如溫度、降水、輻射等氣候要素的長期變化趨勢，還會影響干旱、洪澇、颶風(fēng)等極端氣候事件發(fā)生的頻度、強(qiáng)度和持續(xù)時間，進(jìn)而導(dǎo)致全球范圍內(nèi)異常溫暖晝夜數(shù)量增加、區(qū)域強(qiáng)降雨事件增多、熱帶氣旋極移、融雪和冰川融化補(bǔ)給類河流的峰值流量提前出現(xiàn)等諸多現(xiàn)象的發(fā)生[8]。氣候變化影響下的極端氣候事件帶來的災(zāi)難性后果，對嚴(yán)重依賴天氣狀況的農(nóng)業(yè)部門而言，已引起人們的廣泛關(guān)注[9-11]。

1.1 干 旱

干旱主要與干燥（降水不足）炎熱（高溫）的天氣條件有關(guān)，在某些極端情況下還伴有熱浪。農(nóng)業(yè)干旱將嚴(yán)重威脅和損害不同區(qū)域尺度上的農(nóng)業(yè)用水供給和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，危及糧食安全[12]。盡管全球許多地區(qū)在過去幾十年里常面臨更為頻繁的嚴(yán)重干旱，但似乎仍無法得出氣候變化引發(fā)全球干旱變化的一般性結(jié)論[13]。然而，在地中海和非洲西部地區(qū)，干旱增長趨勢較為明顯，但在北美中部和澳大利亞西北部地區(qū)則有下降趨勢，預(yù)計在南歐和中歐、中美洲、南部非洲等一些地區(qū)的干旱將有所加劇[14]。此外，熱浪常伴隨著干旱而發(fā)生，持續(xù)升高的溫度最終將帶來農(nóng)作物和牲畜生產(chǎn)的重大損失。如2003年歐洲出現(xiàn)的干旱熱浪就造成1540年以來最溫暖的夏季，導(dǎo)致歐洲總初級生產(chǎn)力下降30%[15]；據(jù)預(yù)測全球21世紀(jì)末的熱浪危害會更為頻繁[16]。

1.2 洪 澇

受氣候變化影響，強(qiáng)降雨事件和降水模式改變常導(dǎo)致土壤水分嚴(yán)重過剩，再加上農(nóng)田排水不暢，由此產(chǎn)生的農(nóng)田洪澇災(zāi)害會嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，預(yù)計洪澇災(zāi)害不僅使美國玉米產(chǎn)量損失在2030年翻番[17]，還將成為美國加利福尼亞州農(nóng)業(yè)保險和災(zāi)害賠償增長的主要誘因[18]。此外，過量的降水和過剩的土壤水分還帶來農(nóng)業(yè)病蟲害損失，延遲田間農(nóng)耕作業(yè)時間，導(dǎo)致土壤侵蝕以及諸多環(huán)境問題，如葉真菌病原體流行以及土傳病原體向非疫區(qū)傳播等[9]。洪澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)造成的損失往往大于非農(nóng)業(yè)，這是由于農(nóng)業(yè)用地普遍位于山前沖洪積扇平原區(qū)，極易遭受洪澇災(zāi)害侵襲[19]。將農(nóng)業(yè)用地作為區(qū)域綜合防洪管理的一部分內(nèi)容，盡管已得到歐洲一些國家的認(rèn)可[20]，但人們對城市洪澇受損較為重視，而對農(nóng)業(yè)洪澇損失卻未給予足夠關(guān)注[21]。

颶風(fēng)、龍卷風(fēng)和臺風(fēng)是造成嚴(yán)重農(nóng)田洪澇災(zāi)害的最具殺傷力極端氣候事件，具有強(qiáng)風(fēng)與暴雨相伴的特點，并常與海平面上升有關(guān)。氣候變化下的颶風(fēng)頻率和強(qiáng)度有可能在未來發(fā)生變化，但不確定性較高，帶來的影響十分復(fù)雜[22]。如美國颶風(fēng)對作物種植面積和作物價格的影響主要取決于受影響地區(qū)的成災(zāi)程度，常受颶風(fēng)影響的路易斯安那州的稻米減產(chǎn)致使本地糧價上漲，并使其他地方稻農(nóng)受益[23]。

2 氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水的影響

氣候變化可能會以各種方式影響農(nóng)業(yè)用水，特別是通過溫度和降水的變化以及極端氣候事件頻度和程度的加劇，顯著影響農(nóng)業(yè)用水的可利用量和水質(zhì)以及作物需水，包括降水和灌溉在內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水供給究竟能在多大程度上滿足作物需水是決定作物產(chǎn)量的一個主要因素。

2.1 農(nóng)業(yè)用水可利用量

2.1.1 地表水

氣候變化對河流、湖泊、水庫和濕地等地表水資源的影響主要取決于降水的時間、地點、數(shù)量和形式（雨水或雪水）等，與溫度相比，氣候變化的局部模式對降水的變化和重要性更大[24]。據(jù)預(yù)測全球中低緯度地區(qū)的降水有下降趨勢，而高緯度地區(qū)的降水在冬季和夏季都會增加。除東亞地區(qū)外，中緯度地區(qū)的夏季降水可能會普遍減少，且許多亞熱帶地區(qū)的降水也可能會減少。此外，大多數(shù)熱帶干旱地區(qū)的年平均徑流量預(yù)計會減少，而高緯度和潮濕熱帶地區(qū)則會增加[2]。在以雨水為主的集匯水區(qū)域，河道水流特性的季節(jié)性變化將加大，這意味著出現(xiàn)高水位和低水位、以及持續(xù)干旱的時間會延長[25]。由于全球許多大型灌溉系統(tǒng)均依賴地表水供給，故氣候變化的影響可能會因流域上下游之間的水量分配問題以及存在于許多區(qū)域內(nèi)的國際分水糾紛而變得異常復(fù)雜[26]。

2.1.2 地下水

氣候變異與變化將直接通過降水入滲補(bǔ)給和陸面蒸發(fā)影響到地下水，并通過對地下水抽取量的增大間接影響地下水位[27]。淺層無壓水更易受到氣候變化的影響，而深層承壓水卻對降水和溫度的變化相對不敏感。D?ll等[28]指出對巴西東北部、非洲西南部和地中海南緣地區(qū)，2050年的潛在地下水補(bǔ)給量可能會減少70%以上，但在西非、中東、中國華北、西伯利亞和美國西部等地卻會增長30%以上。以歐洲中部山區(qū)為例，夏季月平均地下水補(bǔ)給量和河道徑流量可能會減少50%，這對地下水的利用和保護(hù)均帶來潛在挑戰(zhàn)[29]，而隨著澳大利亞中部降雨量減少和氣溫上升，會增加對地下水的壓力[30]。此外，氣候變暖對冰雪融化的影響可能會增大春季河道的徑流量而在夏季卻可能減少，這將進(jìn)一步增加對地下水的需求，且該狀況可能還會因干旱和其他極端氣候事件的增多而繼續(xù)惡化[31]。由于海平面上升和海水倒灌入侵，氣候變化還將對島嶼和沿海地區(qū)的地下水資源造成巨大威脅[24]。

2.1.3 雪和冰川

全球許多灌溉系統(tǒng)的水源都來自上游冰川區(qū)的積雪融化，冬季或早春溫度的升高雖會增加作物生長季節(jié)前后的水量，但卻可能減少作物生長季節(jié)內(nèi)的水量。受長期氣候變化影響，自1980年以來，全球冰川消退愈加迅速和普遍，一些冰川積雪已經(jīng)消失。如美國阿拉斯加州監(jiān)測的2 000條冰川中，已有99%正在消退；歐洲冰川已減少約1/4；中國612條冰川中有95%正在消退[25]。氣候變暖效應(yīng)可能會顯著改變受積雪融化影響地區(qū)的水文循環(huán)狀況和特性，氣溫上升將改變冬季降水模式從雪水向雨水轉(zhuǎn)變地區(qū)的河道流態(tài)季節(jié)性，導(dǎo)致因冰雪融化形成的徑流峰值出現(xiàn)時間發(fā)生明顯改變。與以往相比，提前而至的積雪消失和冰雪融化將增加冬季徑流量而減少夏季流量。且在降雪較少的低海拔地區(qū)對氣候變暖效應(yīng)更為敏感，徑流量峰值在很多情況下甚至?xí)崆爸辽?個月出現(xiàn)，由于水庫的蓄水能力有限，常難以應(yīng)對該最大徑流量的變化，致使大部分水量被棄用排入海洋[32]。如在加拿大草原，較早出現(xiàn)的春季徑流峰值使得在作物需水期只能獲得較少的灌溉用水，積雪減少和降水變異降低了灌溉供水的可靠性[25]。

2.2 農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)

氣候變化不僅通過改變水體溫度直接影響水質(zhì)，還會通過對農(nóng)業(yè)和其他部門的人類活動影響間接造成水質(zhì)退化，導(dǎo)致污水排放和水污染。Whitehead等[33]和Delpla等[34]概述了氣候變化對水質(zhì)產(chǎn)生的潛在影響，介紹了用于評估和預(yù)測氣候變化對水質(zhì)影響的最新方法。

就農(nóng)業(yè)而言，氣候變化對水質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在2個方面，即農(nóng)業(yè)用水是否受到水質(zhì)下降后的制約以及農(nóng)事活動的改變是否導(dǎo)致水質(zhì)下降。由于氣溫升高和降雨強(qiáng)度增加，伴隨著冬季降水模式從雪水向雨水的轉(zhuǎn)變將帶來更高的土壤侵蝕率，進(jìn)而降低農(nóng)業(yè)用水的水質(zhì)[35]，而從沿海地區(qū)含水層中抽取過多水進(jìn)行灌溉則可能引起海水倒灌，且全球變暖引起的海平面上升會加劇該現(xiàn)象[36]。與此同時，溫度和降水的變化還將改變農(nóng)業(yè)土地利用與管理方式，土壤耕作、施肥、施藥等農(nóng)事活動會進(jìn)一步影響水質(zhì)[37]。Bloomfield等[38]觀察到降雨的季節(jié)性和強(qiáng)度變化以及氣溫升高是改變農(nóng)藥施用的主要氣候驅(qū)動因子；Bates等[24]指出許多情況下因農(nóng)事活動的改變將導(dǎo)致水質(zhì)下降，這包括：極端暴雨期間來自農(nóng)田的大量養(yǎng)分負(fù)荷；旱季缺水期間由于水量減少而導(dǎo)致污染稀釋不足；灌溉退水引起土壤鹽漬化、水體富營養(yǎng)化和污染物積累等。

2.3 作物需水

盡管氣候變化對全球作物需水影響的研究已經(jīng)開展，但取得的相關(guān)結(jié)果卻并不完全一致[39]。D?ll[40]預(yù)測氣候變化下的全球作物需水會略有增加，而Elliot等[4]指出當(dāng)不考慮CO2效應(yīng)時，全球作物需水略有增加，否則呈下降態(tài)勢。Ohmura等[41]認(rèn)為氣溫上升理論上會引起蒸散發(fā)增加，但大氣變暖的同時其他氣象因素也發(fā)生變化，因而蒸散發(fā)量并不一定升高。如中國華北和青藏高原觀測的蒸散發(fā)量在過去50 a有下降趨勢，但平均氣溫卻在上升[42]。氣候變暖致使蒸散發(fā)量降低的一個可能原因或許在于日溫度變化范圍（日最高氣溫與日最低氣溫之差）的縮窄，IPCC報告中也表明這是導(dǎo)致蒸散發(fā)下降的主要因素[1]。

氣候變化對區(qū)域作物需水異質(zhì)性的影響顯著。預(yù)計在非洲、澳大利亞和中國等地，氣候變化對作物需水的影響相對較低，而歐洲、印度北部、南美洲東部和美國東部地區(qū)的作物需水則可能受到氣候變化的不利影響[43]。具體而言，受氣候變化的影響，中國北方和南方地區(qū)的作物需水可能會有不同的變化[44]，而西歐的作物需水和水分虧缺則將有所減少，但在東歐卻是增加。由于降水的變化，預(yù)計南歐要比北歐更易缺水，尤其是在地中海國家以及中東歐一些地區(qū)，作物水分脅迫可能會加劇[24]。對特定地區(qū)而言，雒新萍等[45]利用CROPWAT作物模型模擬分析了1961－20l0年間以及IPCC不同排放情景下2020－2029年間中國小麥作物需水量的變化趨勢，探討各排放情景下小麥作物需水量的敏感性，指出高排放情景下的小麥需水量敏感性區(qū)域要比中排放情景下明顯擴(kuò)大，且輕度和中度敏感區(qū)域的擴(kuò)大尤為明顯。Ashofteh等[46]針對2026－2039年間的氣候變化趨勢，利用大氣-海洋全球環(huán)流模型AOGCMs模擬降水、氣溫等氣候要素的變化趨勢與規(guī)律，評估阿塞拜疆Aidoghmoush灌區(qū)各種作物需水量增加所面臨的不確定性。指出未來作物需水將隨水文年型而異，預(yù)計豐水年、平水年和干旱年作物需水量變化的風(fēng)險分別增加3%、17%和33%，相應(yīng)的絕對量值依次為2.5×106、1.6×107和3.1×107m3/a。灌區(qū)內(nèi)種植的小麥和大麥對氣候變化的敏感性要低于其他作物，故可更好抵御氣候變化影響。特定作物生長季節(jié)時間的改變將使得氣候變化對作物需水量影響的估計趨于復(fù)雜化[47]。溫度上升將延長作物生育期，使北半球溫帶地區(qū)提前播種和延遲收獲，這會增加作物需水，而在其他任何地區(qū)則縮短了作物生育期長度[48]。氣候變化也可能使得某種作物不再適合特定地區(qū)內(nèi)種植，致使作物需水估算更為復(fù)雜。

3 氣候變化通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

氣候變化對農(nóng)業(yè)用水可利用量和水質(zhì)以及作物需水產(chǎn)生的作用，將會通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，這主要涉及種植業(yè)和畜牧業(yè)。

3.1 種植業(yè)

3.1.1灌溉用水

目前多基于模擬模型預(yù)測評估氣候變化下的灌溉用水需求以及作物產(chǎn)量的變化。Elliott等[4]比較了基于10個全球水文模型和6個全球網(wǎng)格化作物模型集合預(yù)測的灌溉供需總體結(jié)果，評估了全球未來灌溉供水對作物生產(chǎn)力的潛在影響。當(dāng)考慮CO2施肥效應(yīng)時，氣候變化對玉米、大豆、小麥和水稻的直接影響涉及1.7～5.9×1018J的熱量損失，約占總量的8%～24%；若不考慮CO2施肥效應(yīng)，則為5.9～10.9×1018J，占總量的24%～43%。在美國西部、中國、亞洲西部和南部以及中部地區(qū)，受水資源限制到21世紀(jì)末，將有20～60億hm2的灌溉面積被迫改為旱田，這會進(jìn)一步損失2.5～12.1×1018J熱量的糧食產(chǎn)量，而在美國北部和東部、南美洲部分地區(qū)、歐洲大部分地區(qū)和東南亞地區(qū)，原則上灌溉供需可以達(dá)到平衡。Wada等[49]使用7個全球水文模型量化預(yù)測21世紀(jì)末全球氣候變化對灌溉用水需求和灌溉面積的影響，評估溫室氣體和氣候變化預(yù)測帶來的不確定性。未來全球灌溉用水需求呈增長趨勢，變幅取決于全球變暖的程度以及相關(guān)區(qū)域的降水量變化。在高排放情景下，與2000年相比，到2100年北半球夏季灌溉用水量增加將超過20%，用水高峰期會延長到1個月或更長時間。全球水文模型和全球氣候模型的不確定性都較大，但前者超過后者。

Blanc等[50]將作物減產(chǎn)模型與水資源模型相組合，評估氣候變化以及經(jīng)濟(jì)社會變化對2050年美國灌溉用水需求和作物產(chǎn)量的影響。水資源短缺加劇將大幅減少特定作物（如棉花和飼料）或特定地區(qū)（如美國西南部）的產(chǎn)量。由于受水分脅迫影響最大的流域在美國灌溉面積中所占比例相對較小，故美國作物產(chǎn)量的總體下降幅度很小，減少溫室氣體排放可以減輕水分脅迫對灌溉作物產(chǎn)量的影響，這足以抵消與無約束的溫室氣體排放情景相比所減少的CO2施肥效應(yīng)。Woznicki等[51]使用土壤和水評價模型評估了氣候變化對美國Kalamazoo流域玉米和大豆灌溉用水需求的影響，來自10個全球氣候模型和4種溫室氣體排放情景下的統(tǒng)計偏差校正降尺度氣候變化數(shù)據(jù)被用于SWAT模型，分別預(yù)測2020－2039年和2060－2079年間的灌溉用水需求和作物產(chǎn)量。共設(shè)置了6個改變作物播種期的適應(yīng)方案，以便充分利用雨熱資源。模擬結(jié)果表明玉米和大豆的灌溉用水需求總體上呈下降趨勢，其中提前播種將增加灌溉用水和蒸散發(fā)量，而延遲播種則會減少2種作物的灌溉用水需求。

Saadi等[52]基于ENSEMBLES氣候模型獲得的高分辨率氣候數(shù)據(jù)，評估氣候變暖對地中海地區(qū)作物需水和灌溉用水需求以及產(chǎn)量的影響。在中排放情景下，2000－2050年間的年降水量將減少(39.1±55.1) mm，而氣溫卻上升(1.57±0.27)°C。冬小麥和番茄的種植面積分別增加7%和24%，平均生育期分別縮短15和12 d，蒸散發(fā)分別減少6%和5%，最佳供水條件下的凈灌溉用水需求分別減少11%和5%，中度虧缺供水下則分別下降14%和7%，且雨養(yǎng)小麥的相對產(chǎn)量損失有所增加，但番茄卻不變，這表明氣候變暖對地中海南部冬小麥生長的影響顯著，需采取補(bǔ)充灌溉措施，而對番茄的影響卻較小。胡實等[53]在氣候變化背景下，利用IPCC不同排放情景多模式集成數(shù)據(jù)，分析2011－2059年中國海河流域冬小麥適宜品種、種植范圍和農(nóng)業(yè)種植模式的可能變化，并以研究區(qū)二級子流域為單元，采用VIP模型預(yù)測冬小麥種植區(qū)域的可能變化對其蒸散量、灌溉用水量的影響，結(jié)果表明不同情景下21世紀(jì)50年代海河流域的農(nóng)業(yè)用水缺口將增加3.7×108～34.0×108m3，未來水分將取代熱量成為海河流域北部冬小麥種植面積擴(kuò)張的主要限制因素。

3.1.2 可用耕地

可用耕地之所以受到氣候變化影響是因為適宜耕種的土地常取決于降水、溫度等氣候變量。具體而言，土壤溫度和空氣濕度是決定土地適宜耕種的主要因素之一，其直接受到氣候變化的影響。溫帶地區(qū)的土壤溫度升高常有利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而熱帶地區(qū)過高的土壤溫度則會對作物生長有害，更為潮濕的氣候條件下適宜于土地耕種[54]。Zhang等[55]評價了土地適耕性并評估了全球可用耕地分布狀況，在綜合考慮土壤溫度、空氣濕度、土地坡度、土壤性質(zhì)對可用耕地適宜性影響的基礎(chǔ)上，指出預(yù)測結(jié)果因溫室氣體排放水平和氣候預(yù)測模型而異。中排放情景下可能導(dǎo)致全球可用耕地面積減少，而低排放情景下則略有增加。高緯度地區(qū)可能受惠于全球變暖，而低緯度和中緯度地區(qū)則可能受負(fù)面影響。大氣濕度指數(shù)的降低是熱帶和亞熱帶地區(qū)可用耕地減少的主要驅(qū)動因素，而溫度升高則是高緯度地區(qū)可用耕地增加的主要驅(qū)動力。

Ramankutty等[56]預(yù)測全球可用耕地面積會略有減少，而中國、俄羅斯和中亞地區(qū)卻有顯著增長；Bot等[57]估計受氣候變化影響未來可用耕地將會有不同程度減少。然而，這些研究并未明確考慮氣候變化預(yù)測的不確定性和土地適宜性分類的模糊性。此外，因南歐地區(qū)易受空氣濕度下降和可用耕地隨之減少的影響，一些作物種植區(qū)可能會從當(dāng)?shù)剡w移到北歐或南方更高海拔的地區(qū)[58]。由于CO2濃度增加和氣候變暖為作物生長提供了有利條件，預(yù)計北歐將開發(fā)新的耕作土地[2]；澳大利亞的作物種植邊界很可能要向北移動，還有約24萬hm2的土地可供耕種[59]；氣候變化還可能使地中海等地的土地荒漠化加劇，進(jìn)一步威脅農(nóng)業(yè)用地[60]。總之，氣候變化預(yù)計對高緯度地區(qū)的可用耕地產(chǎn)生正面影響，而對低緯度地區(qū)則為負(fù)面效應(yīng)[1-2]。

3.1.3 作物產(chǎn)量

氣候變化將通過CO2濃度變化、氣溫升高、降水和蒸散發(fā)變化、極端降水事件等影響作物產(chǎn)量，包含積極和消極影響的復(fù)雜區(qū)域模式是這些因素結(jié)合的產(chǎn)物，而這些因素卻因作物、區(qū)域、水管理方法等而異[10]。雖然對作物產(chǎn)量的預(yù)測結(jié)果會因不同作物和情景而變，但根據(jù)來自發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的各種氣候變化預(yù)測可知，到2050年，灌溉小麥和玉米的產(chǎn)量將下降，其中發(fā)展中國家的灌溉小麥產(chǎn)量將下降20%～28%[61]。

針對全球和區(qū)域尺度，人們已利用歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計模型試圖了解影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。IPCC報告[1-2]中指出氣候變化對水稻和大豆產(chǎn)量的影響較小，但對許多地區(qū)的小麥和玉米產(chǎn)量卻影響較大。Lobell等[62]基于用于表征作物生長季節(jié)內(nèi)降水量和溫度增長的一些氣候參數(shù)，部分解釋世界上6種最為廣泛種植作物（小麥、水稻、玉米、大豆、大麥和高粱）的年均產(chǎn)量變化情況。Roberts等[63]指出高溫對干旱環(huán)境下的作物減產(chǎn)至關(guān)重要，全球大多數(shù)地區(qū)的氣溫升高都可能導(dǎo)致產(chǎn)量急劇下降。Lobell等[64]發(fā)現(xiàn)全球玉米和小麥產(chǎn)量預(yù)計將分別減少3.8%和5.5%，而氣候變化對大豆和水稻影響的利弊則互為抵消，主要原因或許是1980~2008年間的氣溫上升趨勢超過了歷史上的年際氣候變化，從而抵消了一些地區(qū)因技術(shù)發(fā)展、CO2施肥效應(yīng)等因素帶來的惠益。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量與飽和水汽壓差（vapour pressure deficit，VPD）有關(guān)，較高的VPD值意味著較高的作物需水。同時，較高的VPD值還與較少的云量和較強(qiáng)的太陽輻射有關(guān)，這可促進(jìn)光合作用；當(dāng)土壤水分受限時，VPD與作物產(chǎn)量間可能會出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。馬玉平等[65]將傳統(tǒng)的積分回歸模型與氣候預(yù)測模型相結(jié)合，建立了中國不同省區(qū)玉米產(chǎn)量與氣象要素間的相關(guān)模型，基于預(yù)測成果探討了未來40 a氣候變化對中國玉米產(chǎn)量的可能影響，指出若不改良現(xiàn)有玉米品種以及科技水平發(fā)展速度不變，則未來玉米單產(chǎn)將以減產(chǎn)為主，并隨時間遞增呈現(xiàn)減幅增大的趨勢，但一般在5%以內(nèi)。

3.2 畜牧業(yè)

3.2.1 牲畜用水

畜牧業(yè)占全球農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的40%，且隨著人口增長和飲食結(jié)構(gòu)變化，人們對畜產(chǎn)品的需求也隨之增長[66]。氣候變化影響下的氣溫升高和降水模式改變均會對畜牧系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。特別是極端氣候事件頻發(fā)將明顯影響畜牧業(yè)生產(chǎn)力，尤其是對非洲等這類敏感地區(qū)。盡管牲畜用水占世界總需水量不到1%，但在一些國家和地區(qū)，該比例卻高得多。如博茨瓦納牲畜用水占總需水量的23%，甚至超過該國灌溉用水的比例[67]。

氣候變化對牲畜用水影響的研究成果較少。由于部分牲畜用水來自飼料中儲存的水分，故牲畜用水須從不同來源中加以估算，而飼料中的水分含量卻隨氣候變化有所差異[68]。目前，工業(yè)化的畜牧系統(tǒng)對發(fā)達(dá)國家畜牧業(yè)貢獻(xiàn)最大，其更易受到來自氣候變化的間接影響而非直接影響，而發(fā)展中國家所普遍采用的放牧-耕作混合畜牧系統(tǒng)卻極易受到自然災(zāi)害的影響，受氣候變化的直接影響強(qiáng)烈，人口增長和對動物產(chǎn)品需求的增加將給此類畜牧系統(tǒng)帶來更大壓力[69]。如牧場占主導(dǎo)地位的地中海東部沿海地區(qū)，由于有效水分的預(yù)期下降，致使牲畜生產(chǎn)力降低[48]。

3.2.2 牧草產(chǎn)量

牧草產(chǎn)量受天氣和氣候條件影響嚴(yán)重，特別是在水分供給上。牧場是許多地區(qū)牲畜的主要飼料來源，如蒙古牲畜每年從牧場獲得超過90%的飼料，溫度和水分變化引起的牧草數(shù)量和質(zhì)量變化可能會影響動物繁殖率[70]。在美國科羅拉多州東北部，受夏季溫度升高和飼料品質(zhì)下降的影響，奶牛的體質(zhì)量會減少[71]；澳大利亞畜牧業(yè)對氣候因素也高度敏感，氣候變化下的畜牧系統(tǒng)將發(fā)生重大改變，特別是該國的熱帶和亞熱帶地域[72]。在南美洲，專用于牧場的土地面積要比農(nóng)作物面積高出4～8倍，而在拉美地區(qū)，由于一些重要的飼料作物生產(chǎn)力下降，致使當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)受阻，影響到食品安全[73]。此外，限制用水有可能惡化高溫帶來的不利影響，迫使牲畜靠近供水點，增加局部地區(qū)放牧壓力，導(dǎo)致土地質(zhì)量退化[66]。

4 氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的應(yīng)對策略

為了應(yīng)對以上氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響，有必要基于科學(xué)的發(fā)展理念和先進(jìn)的技術(shù)與管理方法，研究和制定具有適應(yīng)和/或減緩特點的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略，選用相關(guān)的應(yīng)對措施。適應(yīng)通常是指對這些影響做出被動或主動的響應(yīng)，而減緩則是做出主動的防御，適應(yīng)較為實時，短期效應(yīng)顯著，減緩則具有一定時效滯后，重在中長期效應(yīng)。適應(yīng)和減緩之間一般既有所區(qū)別但又關(guān)系密切，如一些應(yīng)對策略具有適應(yīng)或減緩的特點，而另一些則兩者兼具。

4.1 農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略的選擇和效果評估

在選擇氣候變化影響下的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略上，Hardelin等[74]提出應(yīng)在3個戰(zhàn)略層面上給予重視：一是加強(qiáng)農(nóng)田適應(yīng)能力建設(shè)和營造有利環(huán)境條件，借助技術(shù)手段減少農(nóng)田受氣候變化影響的脆弱性；二是制定農(nóng)業(yè)節(jié)水激勵政策和建立水市場，借助經(jīng)濟(jì)杠桿誘使農(nóng)民對氣候變化影響做出積極響應(yīng)；三是構(gòu)建與極端氣候事件頻發(fā)有關(guān)的氣候風(fēng)險管理機(jī)制，借助保險制度增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化風(fēng)險不確定性的抵御能力。Iglesias等[75]建立起用于選擇和評價農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略的標(biāo)準(zhǔn)，將人們廣為采用的33個適應(yīng)策略歸類為提高靈活性和適應(yīng)能力、應(yīng)對供水變化、響應(yīng)旱澇災(zāi)害、滿足灌溉用水需求、響應(yīng)農(nóng)業(yè)土地利用變化、應(yīng)對水土質(zhì)量惡化、響應(yīng)生物多樣性喪失等7種適應(yīng)策略，在確定各個適應(yīng)策略的特性（行為主體、類型、時間尺度、技術(shù)難度、潛在成本、潛在利益）及其評價等級基礎(chǔ)上，采用效益成本比值分析方法開展相關(guān)經(jīng)濟(jì)效果的評估，據(jù)此提出改善氣候變化監(jiān)測與預(yù)警能力、改進(jìn)受氣候變化影響下的協(xié)調(diào)規(guī)劃方法、提高農(nóng)業(yè)用水效率等8個為區(qū)域?qū)用嫔献顬橛行У倪m應(yīng)策略，而農(nóng)田層面上最為有利的適應(yīng)策略則是修建小水庫、改變作物種類及種植模式以及改善排水系統(tǒng)。在氣候變化影響下的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略效果評估上，Connora等[76]基于作物-水-鹽生產(chǎn)函數(shù)以及相關(guān)模型，針對澳大利亞Murray-Darling灌區(qū)，研究了氣候變化影響下缺水、供水變異和土壤鹽分增加等要素對灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響。當(dāng)氣候變化加劇時，若忽視其對上述所有要素的影響而只關(guān)注缺水時，則勢必夸大應(yīng)對策略的作用并低估其對灌溉農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的潛在影響。供水變異加劇可能會嚴(yán)重影響多年生作物種植區(qū)，低估效益損失高達(dá)20%，應(yīng)對策略應(yīng)是減少多年生作物的種植面積，而應(yīng)對土壤鹽分增加的應(yīng)對策略則是加大灌水量，以便充分淋洗鹽分，但受灌區(qū)供水能力制約須采納休耕部分農(nóng)田的應(yīng)對策略。Khilad等[77]使用離散隨機(jī)規(guī)劃模型，在西班牙Jucar流域開展農(nóng)業(yè)節(jié)水激勵政策下氣候變化對灌溉農(nóng)業(yè)影響的研究，評估了氣候變化對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民采用的長期和短期應(yīng)對策略效果以及相關(guān)政策干預(yù)的影響。指出氣候變化很可能對當(dāng)?shù)毓喔群团c水有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，其嚴(yán)重程度取決于應(yīng)對政策的設(shè)置和農(nóng)民對氣候變化影響的響應(yīng)。就經(jīng)濟(jì)社會效益而言，采用水市場政策要優(yōu)于灌溉補(bǔ)貼政策，這有助于決策者設(shè)計和制定有效的灌溉供水機(jī)制，進(jìn)而應(yīng)對南歐灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展中遇到的氣候變化問題。

Varela-Ortega等[78]將水文模型與經(jīng)濟(jì)模型相耦合，評估了氣候變化對西班牙Guadiana流域灌溉用水的影響，基于多準(zhǔn)則分析法識別和優(yōu)化農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略與措施。提出采用新品種和現(xiàn)代灌溉技術(shù)等處于優(yōu)先位置，修建水庫蓄水建筑物等位于最低等級，而利用保險等公共軟措施則排名居中。由于選擇應(yīng)對策略的標(biāo)準(zhǔn)是環(huán)保、資金可行性和創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，故須加強(qiáng)不同利益相關(guān)群體間的聯(lián)系，共同推進(jìn)適應(yīng)氣候變化的進(jìn)程。Ashofteh等[79]基于大氣環(huán)流模式HadCM3并結(jié)合高溫室氣體排放情景，預(yù)測了2026－2039年間伊朗Aidoghmoush流域各氣候變量的長期變化趨勢，采用IHACRES水文模型和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）蒸散發(fā)模型評價各氣候變量對水庫入流和灌溉用水產(chǎn)生的影響。與基準(zhǔn)期間相比，預(yù)測期內(nèi)的水庫入流和灌溉用水將分別減少0.7%和增加6%。在推遲作物種植日期、虧缺灌溉、改善灌溉效率等應(yīng)對策略中，虧缺灌溉可以提高灌溉供水的可靠性，而改善灌溉效率則能維持當(dāng)?shù)刈魑锂a(chǎn)量。

4.2 農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略的適應(yīng)-減緩利弊權(quán)衡分析

鑒于氣候變化影響下的一些農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略同時兼具適應(yīng)和減緩特點，兩者之間存在著矛盾，故需開展適應(yīng)-減緩的利弊權(quán)衡分析，以便提高這些應(yīng)對策略的功效和作用[80]。如農(nóng)田退耕還林、促進(jìn)土壤固碳等措施可能通過減少沉積物、養(yǎng)分和農(nóng)藥流失達(dá)到改善地表水質(zhì)的目的，但永久性的林地植被覆蓋須在全年內(nèi)消耗水分，反而會增加用水量；采用噴灌和滴灌等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)固然可起到節(jié)水、提高灌溉效率的顯著作用，但卻可能增加應(yīng)用時的能耗和溫室氣體排放。Mushtaq等[81]基于水文與經(jīng)濟(jì)組合的模型，從國家層面上評價了澳大利亞5種節(jié)水灌溉技術(shù)改造方案的實施效果，開展與節(jié)水灌溉技術(shù)替代轉(zhuǎn)型相關(guān)的節(jié)水、能耗、溫室氣體排放、經(jīng)濟(jì)回報間的利弊權(quán)衡分析。其中3種改造方案是通過更換現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)水目的，但卻增加了能耗和溫室氣體排放，如采用棉花滴灌可節(jié)水120GL/a，但卻增加能耗889 TJ/a和溫室氣體排放25萬t/a（CO2當(dāng)量），還每年新增約500萬美元的額外費用；當(dāng)更換低效能源密集型的手動式和滾線式噴灌系統(tǒng)時，特別是被滴灌所取代時，節(jié)水減排的效益明顯。這表明最大的挑戰(zhàn)或許來自在采用先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的同時，不對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成較大的負(fù)面影響，故在應(yīng)對氣候變化影響的同時，需要優(yōu)化對先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的經(jīng)濟(jì)投入。

在影響采納先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的諸多因素中，一般很少考慮氣候變量的作用，這是由于相關(guān)研究多集中在氣候相近的同一地理空間范圍內(nèi)，長期氣候變量的平均值隨時間變化不大，故難以衡量潛在氣候變化產(chǎn)生的影響。此外，狹窄的地理空間范圍也導(dǎo)致氣候變量間的多重共線性，這限制了被評估的氣候變量的個數(shù)[82]。為了確保氣候變量具有足夠的空間變化范圍，F(xiàn)risvold等[83]利用美國農(nóng)業(yè)部經(jīng)濟(jì)研究局提供的農(nóng)牧灌溉調(diào)查數(shù)據(jù)表，基于氣候、農(nóng)田規(guī)模、用水成本、能耗、勞力費用和土壤特性等對美國西部17個州的噴灌與地面灌溉間的技術(shù)選擇開展了應(yīng)用研究，指出采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)對當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化至關(guān)重要。在氣候變暖和干燥的氣候變化條件下，采用噴灌的可能性較小，而利用其他措施（如虧缺灌溉、滴灌等）可能更為適宜。噴灌更適合在相對涼爽和極端降水事件增加的地區(qū)使用，且在片狀和細(xì)溝侵蝕指數(shù)較高的山丘區(qū)使用更多，這反映出較高的降水量、陡峭的地形坡度和較低的土壤持水能力所帶來的影響。

4.3 農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略中的氣候風(fēng)險管理機(jī)制

在氣候變化影響下的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略中，氣候風(fēng)險管理無疑是一個重要的組分。Brown等[84]指出氣候風(fēng)險管理的內(nèi)容應(yīng)該包括：1）在應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略規(guī)劃和決策中系統(tǒng)地利用氣候信息和氣候知識；2）采用可有效減小氣候變化影響脆弱性的氣候信息技術(shù)和管理策略；3）使用有利于農(nóng)村弱勢人口風(fēng)險轉(zhuǎn)移的氣候信息政策和市場干預(yù)措施。與氣候風(fēng)險管理相關(guān)的措施主要有：控水工程系統(tǒng)、抗旱種質(zhì)培育、生計多樣化、早期災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)、金融風(fēng)險轉(zhuǎn)移機(jī)制等，相應(yīng)的投資領(lǐng)域包含：1）氣候信息投資，以提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的恢復(fù)力并刺激投資；2）農(nóng)村氣候信息服務(wù)投資，以支撐對農(nóng)業(yè)用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適應(yīng)管理；3）綜合性的多種災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)投資，以支持對超出農(nóng)村社區(qū)應(yīng)對能力的極端氣候事件做出更及時、更協(xié)調(diào)的反應(yīng)。

極端氣候事件頻度和程度的加劇意味著應(yīng)考慮為由此造成的生產(chǎn)風(fēng)險建立保險和賠償制度，承保災(zāi)難性的氣候風(fēng)險應(yīng)該是農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵措施之一。目前世界各地多基于天氣指數(shù)形式的保險產(chǎn)品形成管理氣候風(fēng)險的機(jī)制與方法，其中天氣指數(shù)保險是根據(jù)天氣指數(shù)（降雨、溫度等）而非個人損失提供賠償，其他類型的保險則是基于單位面積產(chǎn)量損失。天氣指數(shù)保險產(chǎn)品已在或正在埃塞俄比亞（降雨指數(shù)）、印度（降雨、溫度、濕度指數(shù)）、墨西哥（干旱指數(shù)）等國家試行[85]，其性能取決于與天氣風(fēng)險相關(guān)的不確定性程度。一般而言，基于單位面積產(chǎn)量損失的保險似乎效果更佳，但極端氣候下的保費可能非常昂貴，而基于天氣指數(shù)的保險成本則會相對較低[86]。

5 研究重點與建議

全球氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了顯著影響，進(jìn)而影響到農(nóng)業(yè)水管理及其應(yīng)對策略。為此，在相關(guān)研究方面，人們需要重點關(guān)注和研究氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性以及綜合評估方法，開展應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略效用分析研究。

5.1 氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性

氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響，在全球、區(qū)域、局部不同空間尺度上顯現(xiàn)出較大的異質(zhì)性，呈現(xiàn)為“全球難下定論、區(qū)域特點明顯、局部因地而異”的氣候變化尺度效應(yīng)特征。降水在全球范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的一致性趨勢變化，但北半球高緯度區(qū)域的降水及徑流有一定增加，副熱帶區(qū)域和一些內(nèi)陸區(qū)域卻有所減少，且與降水有關(guān)的干旱洪澇極端氣候事件的頻度和強(qiáng)度變化趨勢一般也僅具有區(qū)域性意義。同時，全球作物需水和灌溉用水也表現(xiàn)出非一致性的變化趨勢，但區(qū)域間差異卻較為明顯，受地表溫升影響，高緯度區(qū)域的作物生育期被延長，而其它區(qū)域則被縮短。對降水、作物需水、灌溉用水、可用耕地等而言，因地理地域位置所限，區(qū)域間差異可能較為明顯，但在全球尺度上，這些區(qū)域間的差異則可能被相互平衡或彼此抵消。人們迫切需要深入了解和認(rèn)知氣候變化對區(qū)域和局部農(nóng)業(yè)水管理造成的沖擊和影響。

由此可見，在制定合理的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略中，應(yīng)認(rèn)真考慮和反映氣候變化尺度效應(yīng)特征。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）針對全球氣候變化影響的區(qū)域多樣性和尺度效應(yīng)特征，以地理位置、水問題、氣候變化驅(qū)動力、脆弱性程度等為依據(jù)，將全球主要農(nóng)業(yè)水管理系統(tǒng)歸為7大類型在內(nèi)的24個典型區(qū)域，給出了相應(yīng)的適應(yīng)性程度和響應(yīng)對策的選擇[48]，這有助于人們識別和確定世界各地與主要氣候問題相關(guān)的區(qū)域，包括：1）灌溉受影響的區(qū)域，即以積雪融化為水源的大型自流灌區(qū)和需要更多儲水以調(diào)節(jié)不規(guī)則降雨的補(bǔ)充灌區(qū)；2）受海水入侵、洪澇災(zāi)害、水質(zhì)下降影響的河口三角洲區(qū)域；3）季風(fēng)區(qū)內(nèi)具有季節(jié)性儲水系統(tǒng)的干旱、半干旱區(qū)域以及濕潤熱帶區(qū)域。參照該分類，人們可依據(jù)特定地區(qū)和地點的現(xiàn)狀及條件，因地制宜地制定和選用應(yīng)對氣候變化影響的當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水管理策略。

在以上氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的模擬評價當(dāng)中，模擬預(yù)測結(jié)果的不確定性往往會受到氣候變化預(yù)測與影響評估的不確定性影響，這尤其反映在局部尺度上。氣候變化預(yù)測與影響評估的不確定性來源常歸類為來自全球氣候模型、溫室氣體排放情景、降尺度技術(shù)與方法、水文建模等的不確定性，這些不確定性的累積結(jié)果及其在區(qū)域或局部尺度上的傳播最終導(dǎo)致不確定性范圍的增加和量值的增大[87]。段青云等[88]利用IPCC-AR5氣候模式并通過貝葉斯多模式推理方法，分析預(yù)估了海河和珠江典型流域的氣候變化情況，指出未來情景的不確定性、氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變率的不確定性和表征氣候過程的不確定性是造成氣候變化預(yù)測不確定性的主要來源。盡管在氣候變化預(yù)測與影響評估中存在著不確定性，但仍可在各種氣候變化情景下獲得一些具有一致性變化趨勢的結(jié)果，有助于人們識別和確定不同時空尺度氣候條件下已發(fā)生或正發(fā)生的一些氣候控制因素的變化及其對農(nóng)業(yè)水管理的影響。為了應(yīng)對氣候變化和水文建模中各種不確定性及其對農(nóng)業(yè)水管理的影響，需要繼續(xù)研發(fā)和完善全球（區(qū)域）氣候模型、全球水文模型、全球作物模型等模擬手段和工具，開發(fā)和應(yīng)用降尺度技術(shù)與方法以及水文建模方法，并探索廣義不確定性系統(tǒng)理論與方法，以便更好地探索不確定性問題。

5.2 氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估方法

除了對氣候變化需做出更為準(zhǔn)確的預(yù)測外，氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的評估還應(yīng)基于人們對改變環(huán)境的自然和社會響應(yīng)機(jī)制的更多認(rèn)知。自然響應(yīng)機(jī)制包括作物對氣候和水土環(huán)境變化響應(yīng)的基本生物過程；在社會響應(yīng)機(jī)制上，應(yīng)特別關(guān)注小農(nóng)戶和自給型農(nóng)業(yè)社區(qū)的迫切需求，因其更易受到氣候變化對可利用水量的影響。鑒于與氣候變化有關(guān)的各種控制因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響可能會相互抵消，如滿足作物需水要求不僅取決于作物需水量還與可利用水量有關(guān)，但氣候變化下這兩者既可能增加也可能減少。由于最終影響作物產(chǎn)量的是CO2水平增加、降水和溫度變化、極端氣候事件以及一些社會經(jīng)濟(jì)因素的共同結(jié)果，為此，基于系統(tǒng)方法開展氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估，才能有宜于確定各種控制因素并有效量化氣候變化的影響，為制定和選用更為協(xié)調(diào)一致的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略提供支撐。

在氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響評價以及農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略的效果評估中，基本上是采用全球氣候模型分別與水文模型、作物模型、經(jīng)濟(jì)模型互為組合的方式開展，這固然反映出未來氣候變化影響與一部分控制因素間的關(guān)聯(lián)性，但尚缺乏綜合性的全面評估視野。尤其是在氣候變化影響下的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略效果評估中，需要明晰氣候變化和流域水文狀況與可利用水量的關(guān)系以及農(nóng)業(yè)水管理與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，這迫切需要構(gòu)建適宜的綜合性評估架構(gòu)，建立基于氣候、水文、作物、土壤、經(jīng)濟(jì)、管理等多模型集成模式的綜合評估方法，從而有效提高綜合評估結(jié)果的可靠性?？紤]到預(yù)測互為關(guān)聯(lián)影響的各種控制因素、用水參與者的行為及未來狀況預(yù)測的難度通常較大，在基于情景方案的模擬預(yù)測中，采用逐步綜合評估的解決方式或許是有益的[89]，值得研究探討。魏一鳴等[90]總結(jié)歸類了典型氣候變化影響綜合評估模型與方法，其中涉及的主要問題有模型框架、不確定性、技術(shù)進(jìn)步、公平性和減排機(jī)制等，指出綜合評估模型對技術(shù)進(jìn)步的處理有從外生到內(nèi)生的趨勢。此外，考慮到各種控制要素之間往往相互依存，且受到來自技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理、政策等多方制約，建議在構(gòu)建綜合性評估架構(gòu)中引入優(yōu)化技術(shù)與模型，基于模擬模型與優(yōu)化模型相耦合的模擬-優(yōu)化組合方式，可以更好地綜合評估氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響以及應(yīng)對策略的應(yīng)用效果。

5.3 應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略效用分析

農(nóng)業(yè)水管理主要涉及灌溉排水、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)、水土資源保護(hù)、流域管理、再生水利用等，氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的顯著影響均會程度不一地涉及這些內(nèi)容。應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略是基于資源管理、環(huán)境友好、綠色發(fā)展理念制定的，即發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)、提升雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)水平、維系農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)新流域管理模式、減少再生水利用風(fēng)險等，相應(yīng)的應(yīng)對措施涉及工程、農(nóng)藝、管理、政策等諸多方面。其中工程措施主要包括節(jié)水灌溉方法、渠道襯砌防滲、雨水集蓄等；農(nóng)藝措施主要包含抗旱耐鹽作物品種選育及應(yīng)用、土壤蓄水保墑、保護(hù)性耕作等；管理措施主要含有節(jié)水灌溉制度、輸配水優(yōu)化、用水管理模式等；政策措施主要涉及節(jié)水體制、水權(quán)與水市場、風(fēng)險管理等。選用這些不同的應(yīng)對策略并集成組合發(fā)揮其最大效應(yīng)的努力，不僅僅取決于人們對上述策略的合理抉擇還與其適應(yīng)-減緩利弊權(quán)衡分析密切相關(guān)。

氣候變化影響下一些具有減緩效應(yīng)的應(yīng)對策略可能與適應(yīng)背道而馳，如為了減少石油用量而規(guī)模化種植生物能源作物的做法就可能會嚴(yán)重影響維系當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)所需的水土資源，而一些具備適應(yīng)效應(yīng)的應(yīng)對策略也可能與減緩相悖，如加大地下水開采量用于灌溉則可能會增加溫室氣體排放量，故應(yīng)加強(qiáng)對這些策略的適應(yīng)-減緩利弊權(quán)衡分析。與此同時，考慮到一些應(yīng)對策略兼具適應(yīng)和減緩的特點，如開展稻田水管理既可減少甲烷排放又能提高灌溉用水效率，增加土壤有機(jī)質(zhì)和改善土壤保水性能既能增強(qiáng)應(yīng)對極端氣候事件的復(fù)原力也可增加土壤碳固存，故有必要開展對這些應(yīng)對策略的適應(yīng)-減緩協(xié)同增效作用分析。

在制定應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略當(dāng)中，基于適應(yīng)和減緩的應(yīng)對思路固然十分必要，但有時重大技術(shù)變革或機(jī)制政策改革產(chǎn)生的效應(yīng)可能會遠(yuǎn)超過適應(yīng)和減緩的效應(yīng)與作用。如個體農(nóng)戶對氣候變化的自主適應(yīng)就較為機(jī)動靈活，無需多少行政性干預(yù)，但農(nóng)戶自主選擇各種投入模式和資源利用方式中存在的弊端卻可能危及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的完整性，增大未來氣候風(fēng)險。因此，在制定農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略過程中，應(yīng)充分考慮來自技術(shù)、機(jī)制、政策、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的改變，以便對氣候變化影響做出更為一致和積極有效的響應(yīng)。此外，還應(yīng)關(guān)注與氣候變化預(yù)測不確定性有關(guān)的未知風(fēng)險問題，面對極端氣候事件頻度和強(qiáng)度可能加劇的趨勢，采用傳統(tǒng)的危機(jī)管理方式已無法奏效，應(yīng)將重點放在基于長期或預(yù)備措施的氣候風(fēng)險管理機(jī)制上，并加大與此相關(guān)的研究和應(yīng)用力度。

6 結(jié) 論

全球氣候變化對農(nóng)業(yè)用水和作物需水以及通過水要素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均產(chǎn)生了較大沖擊和影響，進(jìn)而影響到農(nóng)業(yè)水管理及其應(yīng)對策略。應(yīng)對氣候變化已成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)水管理面臨的重大挑戰(zhàn)和重要任務(wù)，迫切需要加大關(guān)注力度和相關(guān)研究深度。就本文提出的氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性、氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估方法、應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略效用分析等研究重點上，現(xiàn)有國外研究多集中在氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性和應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略效應(yīng)分析上，并正在加強(qiáng)對應(yīng)對氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估方法的研究，而國內(nèi)則對氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的尺度效應(yīng)和不確定性的研究較多，應(yīng)對氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理影響的綜合評估方法的研究相對薄弱，對應(yīng)對氣候變化影響的農(nóng)業(yè)水管理策略效應(yīng)分析的研究基本處于空白。為此，亟待加強(qiáng)和深化氣候變化影響下的農(nóng)業(yè)水管理應(yīng)對策略效用分析研究，借助涉及工程、農(nóng)藝、管理、政策等多種要素的各種策略與措施的適宜選擇及其集成組合，是應(yīng)對全球氣候變化影響的重要途徑和可靠手段。

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Impacts of climate change on agricultural water management and its coping strategies

Xu Di, Li Yinong, Gong Shihong, Zhang Baozhong※

(1.,,100038,; 2.,100048,)

Climate change has led to an increase in globally average annual temperature, changes in regional precipitation patterns, changes in river characteristics, and frequently occurrence of extreme climatic events, and so on, showing its inevitable influence to agricultural water resources and agricultural production worldwide. The events above pose great challenge to the sustainable development of agriculture and modern agricultural water management in the world, especially in the arid and semi-arid regions. This paper introduced the occurrence of extreme weather events under climate change, mainly pointing out the adverse effects of drought and flooding on the global agricultural production, and evaluated the effects of climate change on the availability and quality of agricultural water resources and the water requirements for crops caused by climate change, which included the changing patterns of temperature and precipitation, as well as the frequency and extent of extreme weather events. The impacts of climate change on the surface water, groundwater, snow and glaciers, the causes for the changes of water quality, and the differences in crop water requirements across the globe were highlighted. Besides, the paper also explained the effects of climate change on farming and animal husbandry, mainly referring to the irrigation water, available cultivated land area, crop production, livestock water demands and herbage production, caused by water elements. And then reviewed the coping strategies to agriculture water management under the circumstance of climate change, including selection of coping strategies and performance evaluation of agricultural water management, analysis of adaptation-mitigation trade off, and climate risk management mechanism. Based on the research of climate change on agricultural water management and its coping strategies, the paper set forth to the following suggestions. Firstly, scale effect and uncertainties in the influence of climate change to agricultural water management need to be considered, thereby proper strategy and measure should be made and selected to suit the local conditions. Secondly, comprehensive evaluation method based on the integration of models need to be established actively, and thereby the accuracy and reliability of the comprehensive prediction and evaluation results should be improved profitably. Thirdly, analysis of adaptation-mitigation trade off and coordinate benefit of agricultural water management strategies need to be deeply strengthened, thereby the effect of the strategies should be promoted. Finally, the authors of paper suggested that domestic scholars should strengthen their research efforts to the comprehensive evaluation method and effect analysis, and pointed out that the appropriate selection and integration of various strategies with various factors, such as engineering, agronomy, management, policy and so on, was an important and reliable way to deal with the impact of global climate change.

climate change; agriculture; water resources; agricultural water management; agricultural production; coping strategies; adaptation; mitigation

2018-02-27

2019-06-11

國家科技支撐計劃重點項目（2011BAD25B00，2012BAD08B00，2014BAD12B00）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201501016）

許 迪，教授級高級工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)研究。北京 中國水利水電科學(xué)研究院，100048。Email：xudi@iwhr.com

張寶忠，教授級高級工程師，博士，主要從事作物用水理論與技術(shù)研究。北京 中國水利水電科學(xué)研究院，100048。Email：zhangbz@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010

S274, TV93

A

1002-6819(2019)-14-0079-11

許 迪，李益農(nóng)，龔時宏，張寶忠. 氣候變化對農(nóng)業(yè)水管理的影響及應(yīng)對策略研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(14)：79－89. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010 http://www.tcsae.org

Xu Di, Li Yinong, Gong Shihong, Zhang Baozhong. Impacts of climate change on agricultural water management and its coping strategies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 79－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010 http://www.tcsae.org