河北地區(qū)氣候變化及其對農(nóng)業(yè)的影響

劉芳圓，肖嗣榮，劉寒，穆仲義

（1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021；2.南京大學(xué)地理信息科學(xué)系，江蘇 南京 210023）

IPCC第二工作組第四次評估報告指出［1］，全球氣候變暖對農(nóng)牧業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)、水資源及沿海岸帶社會經(jīng)濟(jì)的影響最為嚴(yán)重。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已經(jīng)引起各國政府、社會和科學(xué)界的高度重視，成為了廣泛關(guān)注的問題。目前國內(nèi)的研究大多是根據(jù)全球氣候的變化特點和趨勢，或是根據(jù)我國大區(qū)域的氣候特點，分析對農(nóng)業(yè)的影響［2，3］。本文利用河北地區(qū)氣象站點的實測數(shù)據(jù)，分析本區(qū)的氣候變化特征，并據(jù)此推測未來氣候變化趨勢，探討氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，為推進(jìn)應(yīng)對河北氣候變化的農(nóng)業(yè)技術(shù)和措施提供科學(xué)依據(jù)，為河北地區(qū)應(yīng)對氣候變化的總體戰(zhàn)略提供決策支持。

1 近50年來河北地區(qū)氣候變化特征

根據(jù)中國氣象局國家氣象信息中心提供的在河北地區(qū)（包括京津）均勻分布的23個氣象站點數(shù)據(jù)，分析本區(qū)近50年來主要氣象要素的時空變化特征。

1.1 氣溫上升

圖1是1956－2007年河北地區(qū)氣溫演變曲線，年均氣溫表現(xiàn)為波動上升趨勢，年均氣溫的氣候傾向率為0.364℃／10a。從1980s開始，各年代氣溫增幅不斷加大，冬季氣溫增加值最大。冬季氣候傾向率為0.559℃／10a，對區(qū)域年均氣溫上升貢獻(xiàn)率最大，春季次之，為0.389℃／10a，夏季和秋季略低于年均氣溫的增幅，增溫相對較緩［4］。就空間分布而言，總體上全區(qū)氣溫為升高趨勢，張家口、蔚縣一帶為增溫高值區(qū)，氣候傾向率達(dá)0.5℃／10a以上，北京、廊坊及邢臺地區(qū)略低，氣候傾向率在0.45℃／10a以上，而天津、饒陽至南宮等東部平原增溫平緩。

圖1 1956－2007年河北地區(qū)年氣溫變化趨勢Fig.1 The change trend of annual average temperature in Hebei region during 1956－2007

1.2 降水減少

由近50年河北地區(qū)年降水變化趨勢（圖2）可知，年降水量總體呈波動減少趨勢，氣候傾向率達(dá)－20.76mm／10a。四季中夏季降水量減少趨勢明顯，且幅度最大，氣候傾向率為－24.20mm／10a，為影響河北地區(qū)全年降水的主要因素；秋冬季降水變化平緩，分別為0.27mm／10a和－0.39mm／10a，而春季則略有增加，氣候傾向率為3.56mm／10a。近50年河北地區(qū)降水量變化的空間差異性較顯著，全區(qū)降水量均呈減少趨勢，由東北到西南減少幅度基本呈現(xiàn)低－高－低的形態(tài)，遵化－北京、保定一帶及黃驊附近都存在一降水量減少幅度較大的區(qū)域。

圖2 1956－2007年河北地區(qū)年降水量變化趨勢Fig.2 The change trend of annual precipitation in Hebei region during 1956－2007

2 未來氣候變化趨勢預(yù)測

2.1 氣候自然變化趨勢預(yù)估

（1）基于氣候自然波動規(guī)律的預(yù)估。研究當(dāng)前氣候變化在自然波動中的位置意義重大，它是展望未來氣候自然變化的出發(fā)點。當(dāng)前氣候是明清小冰期結(jié)束后的轉(zhuǎn)暖期。歷史上冷暖時段的持續(xù)期常是對應(yīng)的，持續(xù)較長時段冷期后的暖期也較長，在經(jīng)歷了500年長時期的“小冰期”后，現(xiàn)在的暖期有可能持續(xù)較長時期，其特點與隋唐暖期（570－770年）相似［5］。歷史上100～1 000a時間尺度的暖期往往伴隨著降水的增加。利用旱澇資料計算河北2000年來降水變化系列，得到隋唐暖期年降水比現(xiàn)在多10%～15%［6］。因此，河北氣候自然變化趨勢很可能是繼續(xù)變暖而降水有所增加。

20世紀(jì)的兩次冷暖與兩次干濕變化可看做年代際的自然波動，但最近一次暖干過程中伴有一定程度的CO2等溫室氣體增加的效應(yīng)。對北京、天津、保定等代表站的降水資料作功率譜分析，得到86.6a、37a和10～11a等準(zhǔn)周期［6］?，F(xiàn)在的干旱期已持續(xù)了近40年，估計2010－2030年可能進(jìn)入偏濕時期。

總之，從氣候演變規(guī)律看，目前至本世紀(jì)末將處于長周期的偏暖階段，未來降水量可能比目前增加10%～15%，在這期間會有短周期的冷暖干濕波動。

（2）基于太陽活動影響的預(yù)估。太陽活動存在“雙千年波”，其強（弱）段與全球氣候的暖（冷）期較吻合［7］。1915年開始的強穩(wěn)太陽活動期可持續(xù)到2250年左右，這意味著受太陽本身輻射的驅(qū)動，到本世紀(jì)末我國氣溫仍將上升，類似于歷史上“春秋暖期”或“隋唐暖期”。但在這個暖期存在著年代尺度的氣候波動：從現(xiàn)在到2033年，將會出現(xiàn)太陽黑子周期SCL≥11a的“氣候不穩(wěn)定期”，氣溫下降，其降幅約為0.1～0.2℃；2033年以后轉(zhuǎn)為SCL≤11a的“氣候穩(wěn)定期”，氣溫將上升；到2050年氣溫將上升0.2℃左右。氣候模擬也得到相似的結(jié)果，太陽輻射變化在中世紀(jì)暖期強迫增溫值為0.2℃左右，其值可能偏小，現(xiàn)取0.4℃。

2.2 未來人類活動影響氣候變化趨勢預(yù)估

人類活動對氣候影響的研究方法一般采用氣候模式做數(shù)值模擬試驗。姜大膀等［8］采用IPCC資料中心提供的7個耦合模式的預(yù)測結(jié)果，分析SRES A2方案溫室氣體和氣溶膠排放情景下中國內(nèi)地前30年的10年際氣候變化趨勢，研究結(jié)果表明，2021－2030年，河北地區(qū)冬季和夏季表面溫度分別升高1.5～1.8℃和1.3～1.6℃；夏季降水零距平在本區(qū)中部通過，其北（南）部是微弱的正（負(fù)）距平，這表明，未來30年溫室氣體和氣溶膠濃度的持續(xù)增加對河北降水可能沒有明顯的影響。

2.3 未來氣候變化趨勢綜合分析

總結(jié)未來氣候自然變化和人類活動導(dǎo)致的氣候變化，采用簡單算術(shù)平均的方法綜合估算氣候的自然因子（如太陽活動、氣候周期振動等）和多個氣候模式考慮多種人類脅迫（如人為溫室氣體、人為氣溶膠等）聯(lián)合造成的未來氣候變化。其結(jié)果如下：河北2030年氣溫將上升1.2～1.6℃，降水增加3%～6%；2050年氣溫將上升1.6～2.4℃，降水增加6%～15%；2100年氣溫將上升3.0～4.5℃，降水增加15%～40%。氣候變化極為復(fù)雜，預(yù)估結(jié)果具有不確定性，本文僅對其做一簡單的綜合分析，以上預(yù)測僅是河北未來氣候變化的可能情景。

3 氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響

3.1 氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的影響

3.1.1 氣候變化導(dǎo)致井灌面積增加，地下水位逐年下降 氣候變化影響了整個水循環(huán)過程，水環(huán)境發(fā)生重大變化，地表水資源銳減，供需矛盾日益擴大，農(nóng)業(yè)灌溉結(jié)構(gòu)不斷變化。河北省現(xiàn)有2萬hm2以上的大型灌區(qū)17處，設(shè)計灌溉面積共97.87萬hm2，有效灌溉面積699.87萬hm2，20世紀(jì)70年代、80年代、90年代實際灌溉面積分別降為53.27萬hm2、41萬hm2、38.6萬hm2?？s減的地表灌溉面積逐漸由井灌代替，70年代、80年代、90年代已分別由50年代的4.47萬 hm2增至15.53萬 hm2、19.13萬hm2、18.67萬hm2。造成地下水超采嚴(yán)重，地下水位逐年下降。

3.1.2 氣候變化對土地環(huán)境的影響 1）土地干化、干旱威脅加重。由于地下水位明顯下降，包氣帶大大增厚，削弱了地下水對土壤水分的調(diào)節(jié)功能，使土壤水分降低，加之降水減少和氣溫升高的影響，土壤濕度必然減少。有關(guān)衛(wèi)星監(jiān)測資料表明：河北土壤濕度呈下降趨勢［9］。這樣，干旱威脅加重，其發(fā)生頻率和強度相應(yīng)增加。2）土地沙化和草場退化。氣溫升高和降水量減少導(dǎo)致土地沙化和草場退化。河北省沙化土地面積已經(jīng)由1949年的122.6萬hm2增至272萬hm2，占全省土地總面積的14.5%，其中壩上地區(qū)沙化最為嚴(yán)重［10］。草原面積日益減少，20世紀(jì)50年代初壩上地區(qū)草場面積86萬hm2，目前已減至51萬hm2。草場嚴(yán)重退化，牧草覆蓋度由50年代的90%降到44%，草高由60～80cm降到15～20 cm［11］，產(chǎn)草量由4 200kg／hm2降到675kg／hm2［12］。3）濕地減少，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化。氣候暖干化導(dǎo)致濕地萎縮、消亡。濕地中大面積蘆葦塘變成了濕草甸，又由濕草甸變成了干草地，局部地區(qū)出現(xiàn)了荒漠化。同時，由于人們對濕地功能和作用的認(rèn)識不足，不少地方人為排水或為引水灌溉，在濕地腹地肆意挖溝、修渠，加速了濕地的破碎化和島嶼化，渠堤切斷了植被的天然聯(lián)系，也切斷了魚類和其他水生動物的迴游通道，破壞了其繁衍規(guī)律，瓦解了其季節(jié)性的遷徙模式［13］，致使魚蝦及水生動植物資源遭受毀滅性破壞。

3.1.3 氣候變化加劇病蟲害對農(nóng)業(yè)的影響 氣候變暖更有利于某些病蟲害的發(fā)生、流行、越冬，甚至繁殖代數(shù)增加，也使病蟲害的地理分布擴大，從而使病蟲害加重。例如，棉紅鈴蟲現(xiàn)在常發(fā)生在河北省南部，氣候變暖后，其發(fā)生界限將向北移至冀中保定、定州一帶。CO2倍增時，棉鈴蟲增加1代。總之，氣候變暖宜于棉鈴蟲發(fā)生，危害加重［14］。近20年來，小麥蚜蟲在華北地區(qū)的嚴(yán)重發(fā)生均與氣候變暖有關(guān)。氣候變暖，尤其是冬季溫度增高有利于條銹菌越冬，使菌源基數(shù)增大，春季氣候條件適宜，將會促使小麥條銹病的發(fā)生、流行和加重［15］。

3.2 氣候變化對農(nóng)作物種植的影響

3.2.1 氣候變化對種植制度的影響 氣溫升高使各農(nóng)業(yè)界限積溫呈增加趨勢［16］：全省≥0℃的積溫平均每10年增加47.4℃，≥10℃的積溫平均每10年增加51.3℃。全省日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃、20℃的積溫也明顯增加，20世紀(jì)90年代15℃的積溫比50年代增加了394.3℃，20℃的積溫同期增加了321.7℃。隨著熱量資源的增加，作物生育期將會改變。冬小麥生育期提前，特別是成熟期提前，對冬小麥產(chǎn)區(qū)的種植制度將產(chǎn)生較大影響：1）隨著冬季氣溫顯著升高，麥區(qū)目前種植的強冬性冬小麥品種因冬季無法經(jīng)歷足夠的寒冷期而不能滿足春化作用對低溫的要求，將會被其他類型的冬小麥品種（如冬半年）所取代。氣候變暖使得河北近50年冬小麥種植北界北移了30～50km。2）高用水作物冬小麥種植面積大幅減少。由于氣候干化，水資源越來越短缺，在保障糧食安全的前提下，近年來河北省壓縮小麥種植面積近50萬hm2。3）干旱缺水，促使農(nóng)業(yè)種植的三元經(jīng)濟(jì)模式發(fā)展。河北省種植業(yè)結(jié)構(gòu)基本上是以糧為主，糧經(jīng)二元結(jié)構(gòu)模式，糧食播種面積占72.9%。隨著人們食物需求的多樣化，非糧食食物消費對糧食消費的替代作用逐年增大，同時由于氣候環(huán)境的變化，河北省的種植結(jié)構(gòu)已由傳統(tǒng)的糧經(jīng)二元種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z、經(jīng)、飼三元種植結(jié)構(gòu)。發(fā)展飼料、飼草生產(chǎn)，能較好適應(yīng)北方降水少，雨季集中在7－8月的氣候特點和中、低產(chǎn)田改造的要求。很多牧草是多年生植物，用水量少、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益高，并且通過草、糧輪作可提高土地的肥力。糧、經(jīng)、飼三元種植結(jié)構(gòu)模式正在黑龍港平原的衡水、滄州及邯鄲、邢臺東部地區(qū)逐漸推廣。

3.2.2 氣候變化對作物生理生態(tài)和品質(zhì)的不確定影響 近百年來氣候變化主要是由于大氣中CO2等溫室氣體濃度增加造成的。CO2作為作物光合作用的重要原料之一，可直接在生理上影響作物生長。研究表明［14－21］，CO2增加表現(xiàn)為一種肥效作用，可促進(jìn)冬小麥等農(nóng)作物產(chǎn)量增加。但是高溫對作物生產(chǎn)也會產(chǎn)生不利影響［22］，尤其是返青后的高溫對冬小麥產(chǎn)量不利［23］。王 春乙等［20］認(rèn)為，CO2對冬小麥、棉花和谷子品質(zhì)有利，對玉米品質(zhì)不利。但現(xiàn)階段研究成果多為在封頂或半封頂式生長室及模型模擬的研究成果，其模擬條件只能部分反映氣候變化的特征，與野外實際情況有一定差異，作物對CO2反應(yīng)的長期效應(yīng)還需繼續(xù)探索，尚缺乏對作物模型結(jié)果的驗證［24］。因此氣候變化對河北地區(qū)作物的最終影響還存在著很大的不確定性，需進(jìn)一步實驗研究。

3.2.3 氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和成本的影響1）對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的影響。河北省耕地總資源644.2萬hm2，其中干旱－半干旱耕地面積400萬hm2左右，占耕地面積的67%左右，完全依賴自然降水的純旱地211.73萬hm2左右，占耕地面積的37%。這些干旱－半干旱農(nóng)田由于干化、水分脅迫成為中低產(chǎn)田，生產(chǎn)水平呈下降趨勢。2）對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的影響。氣候變化將從不同方面增加農(nóng)業(yè)成本的投入。首先，氣候變化引發(fā)的災(zāi)害需要更多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入，如氣候干旱及超采導(dǎo)致淺層地下水位下降、機井報廢與能耗劇增。據(jù)調(diào)查，河北省每年因地下水位下降、出水量減少造成機井報廢、機泵換代導(dǎo)致效率降低、能耗增加等形成直接經(jīng)濟(jì)損失約21.6億元。另一方面，氣溫升高可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)病蟲草害加重，從而增加農(nóng)藥和除草劑的用量。由于氣溫升高導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的微生物分解加快以及速效氮的釋放量增大，需要施用更多的肥料以滿足作物的需要。

3.2.4 極端天氣氣候事件對農(nóng)業(yè)的影響 在氣候變暖背景下，河北省主要極端天氣氣候事件的頻率和強度出現(xiàn)了明顯變化，由于極端天氣的直接致災(zāi)及短期不可逆性，造成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接經(jīng)濟(jì)損失。自1965年以來河北省干旱經(jīng)常發(fā)生且不斷加劇。近50年來，河北省干旱面積平均每10年增加約1.4%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受的損失越來越大。例如，2009年河北省大部地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重冬旱，中南部地區(qū)旱情重、持續(xù)時間長；北部地區(qū)夏秋季發(fā)生近50年來少見的旱情。全省因旱受災(zāi)人口82.7萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積170.5萬hm2，絕收面積41.8萬hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失52.96億元。2009年11月8－12日河北省大部地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣，全省共87個縣（市、區(qū)）、328.4萬人不同程度受災(zāi)，其中農(nóng)作物受災(zāi)面積16.27萬hm2，倒塌農(nóng)業(yè)大棚22 517個［25］。近50年來，河北省大霧和高溫日數(shù)呈增加趨勢，也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

3.3 未來氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的預(yù)估

未來氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響是多方面的。首先是對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。隨著溫度顯著升高，地表蒸發(fā)和作物需水量將大幅度上升，盡管未來降水量可能略有增加，但土壤墑情仍會降低，水資源趨于短缺，加之人口增加和人類不合理活動的影響，干旱化和沙漠化進(jìn)程可能呈加劇趨勢，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重制約本區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同時，在氣候變暖背景下，氣候干旱、高溫酷暑和暴雨洪澇等極端天氣和氣候事件發(fā)生頻率將會明顯增多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將表現(xiàn)出更大的脆弱性。

4 結(jié)論

由于河北處于東亞季風(fēng)區(qū)北緣，受季風(fēng)年（代）際變化的影響，氣候變率大，生態(tài)環(huán)境脆弱，是氣候變化影響最敏感的地區(qū)之一。在全球氣候變暖的大背景下，河北地區(qū)近50年來氣候發(fā)生了明顯變化，暖干化日益嚴(yán)重，極端天氣氣候事件出現(xiàn)更為頻繁，給農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響。未來降水雖會有一定程度的增加，但仍將延續(xù)暖干效應(yīng)，將嚴(yán)重制約本區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，氣候變化預(yù)測及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響還存在著很大的不確定性，為了更有效地適應(yīng)氣候變化，減緩氣候變化對農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響，需進(jìn)一步深入研究相關(guān)科學(xué)問題。

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［24］ 房世波，沈斌，譚凱炎，等.大氣CO2濃度和溫度升高對農(nóng)作物生理及生產(chǎn)的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，18（5）：1116－1124

［25］ 河北省氣候中心.河北省2009年氣候公報［Z］.2009.