1957—2019年沁水縣氣候變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響分析

李亞軍 張 燕

（1山西省氣象信息中心，山西太原 030006；2沁水縣氣象局，山西沁水 048200）

近年來，全球氣候變化加劇導(dǎo)致極端氣候及天氣事件發(fā)生的空間區(qū)域、時(shí)間持續(xù)性、頻率和強(qiáng)度等顯著變化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大影響，降低了我國(guó)糧食產(chǎn)量[1]。近100年來，全球氣溫上升趨勢(shì)明顯。第五次IPCC評(píng)估報(bào)告指出1880—2012年全球平均溫度升高0.85℃[2]。全球氣候變化引起地表溫度、降水量以及日照等氣象要素發(fā)生不同程度的變化，并對(duì)農(nóng)作物種植類型及其生產(chǎn)管理方式產(chǎn)生較大影響[3-4]。研究區(qū)域氣候變化規(guī)律，掌握當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣候資源變化情況，對(duì)進(jìn)一步為農(nóng)民做好農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、提高作物適應(yīng)氣候變化的能力、保障國(guó)家糧食安全具有積極意義[5-7]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者就氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響進(jìn)行了很多研究。肖國(guó)舉等[8]研究指出，全球氣候變化已經(jīng)影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其生態(tài)系統(tǒng)，尤其對(duì)華北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響更為顯著。肖風(fēng)勁等[9]根據(jù)不同的氣候變化情景，分析了氣候變化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，主要包括作物的種植結(jié)構(gòu)、區(qū)域布局、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面。郭建平[10]介紹了氣候變化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響研究的現(xiàn)狀、進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)分析了氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響，以及對(duì)農(nóng)作物品種分布、農(nóng)作物種植方式和氣候資源利用率等方面的影響。武 芳等[7]認(rèn)為1955—2001年安徽省大別山區(qū)旱災(zāi)發(fā)生頻率顯著升高，對(duì)當(dāng)?shù)丶Z油作物生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。許多學(xué)者研究省、市氣候變化特征，認(rèn)為氣候顯著變暖，降雨量年際間大幅波動(dòng)以及日照時(shí)數(shù)顯著下降影響水熱資源平衡性，對(duì)各類農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育以及作物病蟲害發(fā)生產(chǎn)生很大影響[11-14]。 同 時(shí)，Asian Development Bank[15]研究 認(rèn)為，預(yù)計(jì)在2080年氣候變化將導(dǎo)致中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值下降1.4%、糧食作物減產(chǎn)7.4%、畜牧業(yè)減產(chǎn)5.9%。目前，基于長(zhǎng)時(shí)間序列（60年）氣候變化對(duì)縣域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響相關(guān)研究較少。

沁水縣位于山西省東南部，太行、太岳和中條三山銜接處。在全球氣溫變暖的大背景下，沁水縣也存在明顯暖化、降水量減少等氣候變化現(xiàn)象[16]，導(dǎo)致階段性干旱概率增加，從而影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文擬采用長(zhǎng)時(shí)間序列氣象資料分析沁水縣氣候變化及其對(duì)當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物生產(chǎn)的影響，合理調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化管理措施應(yīng)對(duì)氣候變化，推動(dòng)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)振興，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于山西省沁水縣氣象站1957—2019年逐日氣象觀測(cè)資料，使用1957—2019年沁水縣逐月氣溫、降水、≥0℃積溫和初霜日、終霜日、無霜期等氣象資料及氣象災(zāi)害普查資料。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)：春季為3—5月，夏季為 6—8月，秋季為9—11月，冬季為當(dāng)年12月至次年2月[17]。

1.2 分析方法

基于氣候統(tǒng)計(jì)原理，采用線性趨勢(shì)、氣候傾向率等方法對(duì)氣溫和降水進(jìn)行氣候變化趨勢(shì)分析，其中氣候傾向率計(jì)算方法公式如下：

式中，a、b可以由最小二乘法求出，b為回歸常數(shù)，t為年份，a為氣候傾向率，其大小反映了增加和減小的速率。同時(shí)，對(duì)氣溫進(jìn)行10年滑動(dòng)平均變化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 年季平均氣溫變化特征。沁水縣1957—2019年年平均氣溫上升趨勢(shì)明顯，相關(guān)系數(shù)為0.13，其氣溫上升傾向率為0.10℃/10 a，略低于山西省年平均氣溫0.3℃/10 a的上升幅度[18]。年平均氣溫為9.4～11.4℃，所有年份平均氣溫為10.4℃（圖1）。年平均氣溫呈現(xiàn)明顯的周期振蕩特征，與周 威等[19]研究報(bào)道一致。沁水縣1957—2019年年代際氣溫呈年代上升趨勢(shì)，上升幅度不一（表1），20世紀(jì)90年代之前年代際氣溫顯著低于20世紀(jì)90年代之后年代際氣溫，證明該時(shí)間段增溫最明顯。研究發(fā)現(xiàn)極端高溫事件對(duì)于增溫有很大影響，1999年、2006年、2007年和2013年是沁水縣歷史上平均氣溫最高的4年，年平均氣溫達(dá)到了11.4℃，相比于正常年份平均偏高1.0℃。此外，由圖2可知，極端高溫事件在21世紀(jì)發(fā)生的次數(shù)顯著高于20世紀(jì)，且出現(xiàn)頻率明顯增加?！?5℃天數(shù)最高值出現(xiàn)在2005年，為8 d；其次為2019年的7 d。該研究結(jié)果與張寧[20]報(bào)道氣溫變化極端事件的次數(shù)和強(qiáng)度在21世紀(jì)均有一定程度增加的結(jié)論一致。

表1 沁水縣氣溫年代際變化

由圖3可知，1957—2019年的冬、春、秋季平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中：春季增溫最為顯著，氣候傾向率為0.20℃/10 a；其相關(guān)性R2也達(dá)到最大，為0.2（圖3）；冬季次之，氣候傾向率為0.13℃/10 a；秋季氣候傾向率最小，僅為0.10℃/10 a，升溫不明；夏季呈現(xiàn)降溫趨勢(shì)。楊 軍等[18]研究山西省近60年春、夏、秋、冬季平均氣溫上升幅度分別為0.30、0.10、0.20、0.40℃/10 a。 任國(guó)玉等[21]研究 1951—2004年全國(guó)春、夏、秋、冬季平均氣溫變化傾向率分別為0.28、0.15、0.20、0.39℃/10 a。沁水縣季節(jié)氣溫變化傾向率均小于山西省以及全國(guó)，而造成這種現(xiàn)象的原因可能是局地小氣候的影響。四季平均氣溫在不同年代際均呈現(xiàn)不同程度的變化特征。冬季平均氣溫在20世紀(jì)50—80年代增溫不明顯，20世紀(jì)90年代增溫幅度為36%，年代際幅度最大。而在21世紀(jì)10年代出現(xiàn)了明顯的降溫，平均值為-2.5℃。同樣秋季在20世紀(jì)90年代也出現(xiàn)了明顯的增溫，增加了0.5℃。春、夏季年代際變化平穩(wěn)。

2.1.2 ≥0℃積溫變化特征?！?℃積溫作為一種指標(biāo)，對(duì)研究農(nóng)作物生長(zhǎng)、發(fā)育對(duì)熱量的要求和評(píng)價(jià)熱量資源具有重要作用[22]。相關(guān)人員通過0℃的初日與終日科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)作物管理：初日開展小麥返青、土壤解凍、果樹萌動(dòng)等農(nóng)事活動(dòng)；終日會(huì)導(dǎo)致土壤凍結(jié)、草木休眠、冬小麥停止生長(zhǎng)而進(jìn)入冬眠期，因而冬日不進(jìn)行施肥、灌溉等農(nóng)事活動(dòng)[4]。60多年來，沁水縣≥0℃積溫呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)（圖4），平均增加18℃/10 a；特別是在1997年之后，≥0℃積溫增加明顯，1998—2019年均積溫比20世紀(jì)60年代增加163.0℃，作物生長(zhǎng)季（4—10月）平均積溫也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。各個(gè)季節(jié)積溫的增加差異也比較大，其中：春季增加最多；秋季和冬季次之；夏季變化不大，在2003年之后呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。春、秋季積溫的增加能夠?qū)е麓翰ヌ崆?、秋播推遲，使農(nóng)作物生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，春季小麥返青、果樹萌動(dòng)等發(fā)育期提前，并且使春季凍害概率增加、凍害程度明顯加強(qiáng)[23]。

2.2 降水變化特征

從圖5可以看出，1957—2019年沁水縣降水量波動(dòng)整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-5.7 mm/10 a，減少趨勢(shì)明顯。沁水縣近62年的年均降水量為560.7 mm，年降水量最大值和最小值分別是936.9 mm和206.2 mm，分別出現(xiàn)在2003年和1957年。年降水量最大值與最小值之間的差值為730.7mm，高于歷年平均值，說明沁水縣降水年際起伏變化比較大，極易造成當(dāng)?shù)睾禎碁?zāi)害。在降水偏少年份，例如1957年、1965年、1972年、1980年、1997年、2008年、2019年的年降水量不足400 mm，容易發(fā)生干旱災(zāi)害，不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)。年代際降水量變化也有所不同：20世紀(jì)70年代最多，達(dá)到年平均611.3 mm；20世紀(jì)60年代次之，為604.8 mm；20世紀(jì)50年代降水量最小，僅為422.5 mm。

分析1957—2019年沁水縣四季降水量變化數(shù)據(jù)（表2）可知，降水主要集中在夏季，并呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為1.9 mm/10 a，而春、秋、冬季平均降水均呈下降趨勢(shì)，春、秋季下降速率高于冬季，春、秋、冬季的氣候傾向率分別為-1.9、-5.3、-0.5 mm/10 a。通過上述分析可知，沁水縣降水減少趨勢(shì)主要是由于春、秋季降水減少引起的。

表2 1957—2019年沁水縣四季降水量變化情況統(tǒng)計(jì)

2.3 氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

2.3.1 氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。通過對(duì)1957—2019年沁水縣發(fā)生的氣象災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)沁水縣干旱、風(fēng)雹等氣象災(zāi)害成為影響該地經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要?dú)庀鬄?zāi)害。干旱是沁水縣主要災(zāi)害性天氣之一[24]，占該縣自然災(zāi)害的35%。因此，干旱對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成的影響比較嚴(yán)重。將年降水量少于平均值的30%的年份定義為干旱年，從有氣象資料以來，沁水縣出現(xiàn)干旱的年份分別是1965年、1986年、1991年、1997年、2015年，其對(duì)應(yīng)的距平分別為-40%、-30%、-30%、-40%、30%。60多年來沁水縣冰雹總共出現(xiàn)81次，占沁水縣自然災(zāi)害的16%，并且冰雹對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害也很嚴(yán)重。從沁水縣歷史資料統(tǒng)計(jì)來看，冰雹出現(xiàn)的主要時(shí)段在5月下旬至8月中旬，最早出現(xiàn)在3月上旬，最遲出現(xiàn)在10月下旬。

氣候變暖導(dǎo)致熱量條件得到一定程度的改善，從而引起農(nóng)業(yè)耕作制度發(fā)生變化[25]。小麥、玉米和谷子為沁水縣主要農(nóng)作物。根據(jù)上文分析可以看出，沁水縣≥0℃積溫和≥10℃積溫都在增加，冬、春季氣溫升高，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)。該地冬小麥的播種期大約推遲了5 d，由20世紀(jì)9月23日推遲到9月28日前后。另外，沁水縣城東部玉米的播種方式逐步變?yōu)樘追N，改變了原來的直播方式；當(dāng)?shù)胤N植的農(nóng)作物品種也有變化，中晚熟品種得到更廣泛的播種。

冬季低溫日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，有利于沁水縣越冬作物的安全越冬，同時(shí)也為冬季和春季的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。盡管如此，氣候變暖常常造成倒春寒和晚霜凍等現(xiàn)象，使農(nóng)作物生產(chǎn)存在不穩(wěn)定性[26]。例如1998年、2004年發(fā)生的倒春寒，造成了嚴(yán)重的作物凍害現(xiàn)象，導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。

2.3.2 氣候變化對(duì)農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量的影響。沁水縣1957—2019年主要農(nóng)作物小麥和谷子種植面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。小麥種植面積受全球氣溫變化的影響，自20世紀(jì)90年代開始以1 001 hm2/a的速率顯著下降。谷子種植面積從20世紀(jì)80年代開始下降，平均速率為262 hm2/a；2003年之后保持相對(duì)穩(wěn)定。玉米種植面積在20世紀(jì)70—80年代呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初保持相對(duì)穩(wěn)定；2003年之后顯著增加，從2003年的7 429 hm2增加到2019年的19 765 hm2。耐旱農(nóng)作物玉米種植面積總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。總體而言，氣候條件變化對(duì)沁水縣農(nóng)作物種植類型及產(chǎn)量具有顯著影響。自1957年以來，沁水縣小麥、谷子和玉米單產(chǎn)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。究其原因，一是農(nóng)田管理水平不斷提高，二是得益于有利的氣候條件。小麥每年單產(chǎn)波動(dòng)比較大，氣候變化嚴(yán)重影響了沁水縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與討論

1957—2019年沁水縣年平均氣溫在波動(dòng)中上升，氣候傾向率達(dá)0.10℃/10 a，氣溫的上升集中在冬季和春季；而夏季氣溫呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；沁水縣冬暖夏涼現(xiàn)象較為明顯。沁水縣≥0℃積溫逐年增多。但是，沁水縣降水呈現(xiàn)逐年遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為-5.7 mm/10 a，降水減少不明顯。四季降水主要集中在夏季，并且降水量呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，降水量的減少主要發(fā)生在夏、秋季。

氣候變暖，使春播期提前、秋播期推遲、作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)、小麥播種期推遲、玉米由直播轉(zhuǎn)變?yōu)樘追N、品種向中晚熟轉(zhuǎn)變。氣候變暖導(dǎo)致小麥和谷子種植面積顯著降低，而耐旱農(nóng)作物玉米種植面積則呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。各種農(nóng)作物單產(chǎn)均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。