氣候變化對(duì)華北農(nóng)業(yè)水資源影響的研究進(jìn)展*

莫興國，夏軍，胡實(shí)，林忠輝

①中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072

氣候變化對(duì)華北農(nóng)業(yè)水資源影響的研究進(jìn)展*

莫興國?①，夏軍??②，胡實(shí)①，林忠輝①

①中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072

水資源是制約華北平原農(nóng)業(yè)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的主要因素。氣候變化對(duì)華北平原水資源和農(nóng)業(yè)需水影響顯著。1950年以來，華北平原氣候總體趨向于暖干化，潛在蒸散呈下降趨勢。近30年實(shí)際蒸散量呈現(xiàn)弱的上升趨勢，與潛在蒸散有互補(bǔ)關(guān)系。未來氣候變化情景下，區(qū)域水分盈余量下降，華北地區(qū)干旱化趨勢加重。作物生育期耗水量和灌溉需水量增加，其中北部地區(qū)水量虧缺更為嚴(yán)重，南部地區(qū)水量盈余則減少。調(diào)整春季高耗水作物種植面積和空間布局，減少農(nóng)業(yè)用水量，是適應(yīng)氣候變化的必要途徑。

華北平原；氣候變化；水資源量

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)有耕地面積32.6×106hm2，約占全國耕地面積的40%，目前小麥產(chǎn)量占全國的一半以上，玉米產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)的40%左右。新中國成立初期，華北平原深受“旱、澇、鹽、堿”等自然災(zāi)害的侵?jǐn)_，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較低，糧食自給不足，是“南糧北調(diào)”的長期輸入地。隨著國家根治海河、治理淮河等重大水利工程的開展，灌溉設(shè)施的建設(shè)和化肥工業(yè)的發(fā)展，以及作物品種、栽培技術(shù)的進(jìn)步，使得華北平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面貌得到了根本改變，糧食產(chǎn)量得到了大幅度的提高，改變了南糧北調(diào)的格局，并成為重要的商品糧基地。

但是，華北平原農(nóng)業(yè)發(fā)展也付出了巨大的環(huán)境代價(jià)。其作物種植制度從傳統(tǒng)的二年三熟轉(zhuǎn)到小麥-玉米一年兩熟為主，大大地提高了作物生產(chǎn)的水分需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嚴(yán)重依賴于灌溉。尤其是在黃河以北的海河流域地區(qū)，600 mm左右的降水難以滿足700 mm左右的作物需水，長期持續(xù)的地下水開采，就成了維系海河流域糧食高產(chǎn)的重要條件?？筛滤Y源的長期供求失衡已經(jīng)成為影響該區(qū)糧食安全、生態(tài)安全，以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的首要因素。近幾十年來華北平原氣侯暖干化的趨勢，更是加劇了華北地區(qū)的水危機(jī)。過去20多年，海河、黃河和淮河流域的地表徑流分別減少了41%、15%和15%[1-2]，雖然在努力壓縮農(nóng)業(yè)用水，但是生活、生態(tài)用水的需求量卻在持續(xù)增加，從而導(dǎo)致地下水開采加劇，地下水采補(bǔ)失衡越來越嚴(yán)重，地下水位持續(xù)下降。近30年來，河北、北京等地的地下水開采量已占總供水量的70%以上，淺層地下水位下降了20～40 m[3-4]。華北平原北部形成了多個(gè)連片的地下水漏斗群，并帶來了地面沉降、海水入侵、地下水污染等嚴(yán)重的環(huán)境問題。此外，社會(huì)生產(chǎn)各部門間用水競爭日益加劇，農(nóng)業(yè)用水所占份額呈持續(xù)下降趨勢。建國初期至2010年，我國農(nóng)業(yè)部門的用水比例由97%下降至64%，農(nóng)業(yè)部門用水日趨嚴(yán)峻[5]。尤其是在海河流域，耕地畝均水資源量約為245 m3，不足全國畝均水資源量的1/8[6]。海河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與社會(huì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)之間的矛盾日益尖銳。在氣候暖干化背景下，日趨緊張的水資源短缺和水環(huán)境問題，已經(jīng)成為制約華北平原生態(tài)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

1 華北平原的氣候變化趨勢

過去60年來，華北平原氣候總體趨向于暖干化。據(jù)實(shí)測氣象資料分析，華北平原多年平均降水量在500～1 100 mm，由東南向西北遞減；年平均氣溫為8 ℃～15 ℃，呈現(xiàn)由北向南遞減的趨勢。1950年以來華北平原的年均降水量呈微弱的下降趨勢，年平均、最低和最高溫度皆呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[7]。1980年之后，降水距平為負(fù)的年份較為頻繁，年均氣溫約在1990年發(fā)生一次突變，形成一個(gè)持續(xù)至今的溫暖期，1980—2000年的平均溫度比1950—1980年高0.7 ℃。對(duì)國家氣候中心提供的WCRP耦合模式比較計(jì)劃-階段5的多模式數(shù)據(jù)(CMIP5)的分析表明，2020—2050年，華北平原降雨量和氣溫均呈現(xiàn)增加趨勢，其增幅由北向南逐漸減少。2050s年代，RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下華北平原氣溫和降雨將分別增加1.6 ℃、2.1 ℃、2.8 ℃和6.5%、9.1%、12.1%。

采用PDSI指數(shù)，SPI和SPEI指數(shù)對(duì)華北平原過去60年和未來干旱狀況的研究表明，溫度升高和降雨減少使得華北平原在過去60年干旱化趨勢明顯，極端干旱發(fā)生頻率增加，極端干旱高發(fā)區(qū)主要集中在降水量小于600 mm的平原北部[8]。最近15年(2000—2013)以來，華北處于極端干旱發(fā)生頻率最高的一個(gè)時(shí)段。未來氣候變化情景下，氣候變暖是華北地區(qū)干旱化趨勢加重的主要原因，降雨的增加未能扭轉(zhuǎn)這一趨勢。2020—2050年華北平原輕、中度干旱發(fā)生頻率有所降低，但極端干旱發(fā)生頻率呈增長趨勢，高排放情景下華北干旱化趨勢更明顯(圖1)。

圖1 不同指數(shù)表征華北平原2021—2100年的旱澇年際變化(上、中和下圖分別為RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5的情景)

2 華北農(nóng)業(yè)水資源的變化趨勢

華北平原的年蒸散量和土壤含水量均呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減的趨勢，與降水和溫度的緯度地帶性變化一致。1990年以來，華北平原年蒸散量在700～900 mm，蒸散的年際變化既受氣候波動(dòng)的影響，也受植被動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)[9]。夏收(冬小麥)和秋收作物(夏玉米)生育期內(nèi)土壤水分的空間分異性明顯。冬小麥季土壤水分增加的區(qū)域主要集中在華北平原中東部地區(qū)，土壤含水量的變異系數(shù)由西向東逐漸降低。玉米季大部分地區(qū)土壤含水量呈現(xiàn)年際增加的趨勢，變異系數(shù)由南向北逐漸減小。實(shí)際蒸散和土壤水分變化主要受潛在蒸散變化的影響，其中華北平原中西部灌溉麥田土壤水分的變化受人類活動(dòng)影響較多[10]。

水分盈虧分析表明，黃河以南區(qū)域水分多有盈余，黃河兩岸及以北地區(qū)，大部分地區(qū)蒸散大于降水，差額由灌溉補(bǔ)充。年尺度上，小麥生育期內(nèi)灌溉量基本上在200 mm以內(nèi)，太行山及燕山山前平原灌溉量最高(150～200 mm)。玉米生長季，黃河以南有100～250 mm降水盈余，而黃河以北地區(qū)，除太行山、燕山山前平原需補(bǔ)充大約50 mm灌水外，水分收支基本持平[9]。

假設(shè)未來作物種植狀況不變，根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告的三種排放情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)，采用VIP模型模擬預(yù)估了2020s—2050s年代際華北地區(qū)地表蒸散和徑流的變化。結(jié)果顯示：年總蒸散量在全流域皆增加，隨著代際增加，ET增幅加大(圖2)，2050s年代，ET增幅在6%～10%，略高于降水增幅。就空間格局而言，ET在北部和南部的增幅高于中部，這是由于北部降水增加較多，土壤濕度上升，導(dǎo)致ET明顯增加的緣故；而南部雨水較豐沛，在增溫明顯的情況下，大氣蒸發(fā)能力的提高導(dǎo)致實(shí)際蒸散較大幅度的上升[11]。ET增幅大于降水表明，未來氣候變化情景下流域的產(chǎn)流能力下降，水資源量將有所減少。

圖2 未來氣候情景下華北地區(qū)年降水量和實(shí)際蒸散的變化

冬小麥生育期因氣溫上升而縮短，其產(chǎn)量和蒸散量呈下降趨勢。CO2濃度增加對(duì)作物生長的益處高于增溫帶來的不利影響[12-13]。以RCP4.5為例，2050s華北平原冬小麥平均產(chǎn)量將增加14.8%(無CO2肥效時(shí)產(chǎn)量下降2.5%)，蒸散量降低2.1%[14]。在三個(gè)情景下，2050s年代水稻-小麥輪作系統(tǒng)的總ET將增加8%～16%；小麥-玉米輪作系統(tǒng)將增加7%～10%。這意味著維持當(dāng)前的耕作制度，農(nóng)業(yè)將消耗更多水資源，勢必加劇區(qū)域水資源的緊張。

對(duì)于地表徑流而言，南部增幅較小甚至略有減少，而北部流域地表徑流深增加明顯，徑流增幅亦較大，在RCP4.5和RCP8.5情景下2050s代際地表徑流增幅可達(dá)20%。在降水量不高的北方地區(qū)，徑流對(duì)降水變化的響應(yīng)呈放大效應(yīng)，亦即地表徑流增幅大于降水增幅；而在華北的南部地區(qū)，增溫導(dǎo)致的高蒸散率抵消了降水的增加，徑流的增幅小于降水的增幅。

由于農(nóng)作物總蒸散量增幅大于降雨量增幅，華北平原北部地區(qū)水分虧缺幅度上升，其中2050s河北平原區(qū)水量虧缺0～100 mm。太行山前平原區(qū)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)，灌溉量大，需要外來調(diào)水和地下水超采補(bǔ)充。華北平原南部地區(qū)水分盈余將減少，其中黃河以南的流域水分盈余量在2050s可以維持在50～250 mm之間；北部和西北的太行山區(qū)流域水量盈余小于50 mm?？傮w而言，未來氣候變化情景下，華北地區(qū)水分盈余量下降，在低到高的排放情景下，全區(qū)域水分盈余量將下降4%～24%(圖3)，其中下降最為明顯的是南部水稻種植區(qū)，水稻灌溉需水升幅可高達(dá)30%～50%。

3 水資源可持續(xù)利用的農(nóng)業(yè)氣候適應(yīng)措施與對(duì)策

在氣候變暖，流域水量盈余減少的背景下，為保障流域糧食、生態(tài)和水資源安全，調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與作物品種布局，減少農(nóng)業(yè)用水量，將是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。未來應(yīng)對(duì)氣候變化的農(nóng)業(yè)措施主要有以下幾方面：①選育抗旱、抗逆、高產(chǎn)的優(yōu)良品種。采用積溫需求更高的品種有利于冬小麥利用CO2肥效提高其產(chǎn)量，但耗水量將有所增加[14]。因此，培育適應(yīng)氣候變化的作物品種的同時(shí)，還需改進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和優(yōu)化農(nóng)田灌溉措施，緩解產(chǎn)量增加帶來的水資源緊張。②壓縮高耗水作物種植面積。鑒于未來氣候變化情景下，海河流域的水資源虧缺可能加劇，通過縮小海河流域冬小麥種植面積能有效緩解該地區(qū)水資源緊張的局面。對(duì)無外來調(diào)水量和保持2000—2010年調(diào)水量水平的評(píng)估顯示，在維持流域地下采補(bǔ)均衡的前提下，2050s研究區(qū)冬小麥種植面積應(yīng)分別減少9.8%～11.3%和7.0%～8.8%，CO2肥效使得黃淮海平原冬小麥總產(chǎn)量將分別增加0～11.9%和3.0%～15.9%。

圖3 未來情景下華北地區(qū)三級(jí)流域水量盈虧的變化

(2016年5月15日收稿)

[1] 國家發(fā)展改革委水利部, 建設(shè)部. 水利發(fā)展“十一五” 規(guī)劃[R]. 2007.

[2] 李玉敏, 王金霞. 農(nóng)村水資源短缺:現(xiàn)狀、趨勢及其對(duì)作物種植結(jié)構(gòu)的影響——基于全國10個(gè)省調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)證分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2009, 24(2): 200-208.

[3] CHEN J Y, TANG C Y, SHEN Y J, et al. Use of water balance calculation and tritium to examine the dropdown of groundwater table in the piedmont of the North China Plain (NCP)[J]. Environmental Geology, 2003, 44: 564-571.

[4] 張兆吉, 費(fèi)宇紅, 陳宗宇, 等. 華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2009: 1-9.

[5] 水利部. 中國水資源公報(bào)[R]. 2005.

[6] 夏軍, 劉昌明, 丁永健, 等. 中國水問題觀察(第一卷): 氣候變化對(duì)我國北方典型區(qū)域水資源影響及適應(yīng)對(duì)策[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

[7] 胡實(shí), 莫興國, 林忠輝. 氣候變化對(duì)海河流域主要作物物候和產(chǎn)量影響[J]．地理研究, 2014, 33(1): 3-12.

[8] 盧洪健, 莫興國, 胡實(shí). 華北平原1960—2009年氣象干旱的時(shí)空變化特征[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2012, 21(60): 72-82.

[9] 莫興國, 劉蘇峽, 林忠輝, 等. 華北平原蒸散和GPP格局及其對(duì)氣候波動(dòng)的響應(yīng)[J]. 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(5): 589-598.

[10] WANG S, MO X, LIU S, et al. Validation and trend analysis of ECV soil moisture data on cropland in North China Plain during 1981—2010 [J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2016, 48: 110-121.

[11] MO X, GUO R P, LIU S X, et al. Impacts of climate change on crop evapotranspiration with ensemble GCM projections in the North China Plain [J]. Climatic Change, 2013, 120: 299-312.

[12] MO X, LIU S, LIN Z, et al. Regional crop productivity and water use ef fi ciency and their responses to climate change in the North China Plain [J]. Agriculture, Ecosystem and Environment, 2009, 134(1/2): 67-78.

[13] LIU S, MO X, LIN Z, et al. Crop yield responses to climate change in the Huang-Huai-Hai Plain of China [J]. Agricultural Water Management, 2010, 97: 1195-1209.

[14] 胡實(shí), 莫興國, 林忠輝. 氣候變化對(duì)黃淮海平原冬小麥產(chǎn)量和耗水的影響及品種適應(yīng)性評(píng)估[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(40): 1153-1161.

(編輯：段艷芳)

Influences of climate changes on agricultural water resources in North China Plain

MO Xingguo①, XIA Jun②, HU Shi①, LIN Zhonghui①
①Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; ②State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Water scarcity affects the stability and sustainable development of agricultural productivity in the North China Plain (NCP). Climate change has noticeable impacts on agricultural water resources. NCP faced a drying trend since 1950. Although the potential evapotranspiration in NCP show a decreased trend, the actual evapotranspiration will have an increasing trend in the near 30 years. Even the precipitation will be increasing signi fi cantly in the future; the effect of air warming overtakes the precipitation enhancement, leading to a decreasing trend of rainfall surplus, which will exaggerate the drought severity. The increasing trends in crop evapotranspiration and irrigation demand will change the pattern of water balance, the water de fi cit in north part of NCP will be exaggerated and the rainfall surplus in the south part of NCP will decrease. Adjusting the proportion and pattern of crops with high water consumption, reducing agricultural water consumption are the ef fi cient ways to improve adaptive capabilities of agricultural system.

North China Plain, climate change, agricultural water resource

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.03.005

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB428400)資助

?通信作者，E-mail: moxg@igsnrr.ac.cn

??中國科學(xué)院院士，研究方向：系統(tǒng)水文學(xué)非線性理論與方法、生態(tài)水文與水資源可持續(xù)管理