气候变暖是21世纪全球气候变化最明显的特征之一,IPCC第五次评估报告(AR5)分析表明,与第四次评估报告(AR4)相比,1880—2012年,全球地面温度平均上升了0.85℃,1951—2012年气温上升的速率(0.12℃·10a-1)几乎是1880年以来的2倍,过去3个连续10年比之前自1880年以来任何一个10年都暖[1-2].气候变暖对农业生产及其相关产业的影响已经威胁到全球的粮食安全[3-4],受到了普遍关注[5].中国平均温度增幅略高于全球同期平均值[6],成为受影响的重点区域.温湿度的变化对中国北方雨养农业区农业生产和粮食安全产生严重影响[4,7],位于该区腹地的甘肃省是气候变化的敏感区、生态环境脆弱带和气候变化威胁粮食安全的重灾区[8-11].确保粮食安全是我国的基本国策[12-13],也是区域经济社会健康发展的根本保障.虽然国内外围绕气候变化对农业的影响已经开展了很多研究,但仍不能满足支撑应对策略制定的需求.本文从甘肃省气候变化特征及其对农业光温水土自然资源、作物品种特性、布局、种植制度和产量的影响的角度,综合分析现有气候变化对粮食生产影响的研究进展,并提出深化研究的主要方向.
1甘肃省气候变化的特征
1.1整体暖干化,局部暖湿化
甘肃省气候总体上呈暖干化变化趋势,变化的分界线与黄河走向基本一致,黄河以东地区(简称河东,下同)呈显著暖干化趋势,以西地区(简称河西,下同)呈微弱暖湿化趋势[9-11],温度升高、降水减少,冬暖夏干是甘肃省现代气候变化的基本特征[14].1951—2010年甘肃省气温一直在波动中上升,气温增长率为0.175℃·10a-1,以冬季升温最快,为0.371℃·10a-1,是平均增长率的2.2倍[8].从图1可以看出,1986年为气候向暖干化转型的突变点,转型后1987—2010年与1960—1986年相比,全省年平均气温升高了1.1℃,其中河东和河西地区分别升高了0.9和1.4℃,全年以冬季气温升幅最大,平均为1.3℃,已连续经历了23个暖冬[9-10,14].年最低气温升高是全年气温升高的主要原因[15],气候变暖使极端气候事件增多,加剧了农业生产的波动性和不确定性[16-17].伴随着气温的持续升高,甘肃省降水总体上呈持续减少趋势,年降水分布由东南向西北递减,年降水量河东为减少趋势,河西为增多趋势,分界线也与黄河走向基本一致[10,18].1961—2008年全省平均年降水量总线性趋势变化率为-10.1mm·10a-1.其中,河西为3.4mm·10a-1,河东为-11.0mm·10a-1,全省冬、春、夏、秋四季平均降水量的线性趋势变化率分别为1.02、-2.94、-1.38和-6.77mm·10a-1,秋季降水量减少的趋势更加明显[19].近50年来,全省年平均降水量减少了28mm,河西平均增多12mm,河东平均减少51mm;近37年来河东雨养农业区3月上旬、4月中旬、9月上旬和11月上旬的降水量呈显著减少的变化趋势,但河西西部、陇中北部、陇南、陇东部分地方等区域性地区夏季降水则呈增多趋势,全年降水的不确定性显著增加,使农业生产的风险增大[20].
1.2旱区南移扩大,干旱频发
气候变化使甘肃省河东湿润塬区降水量逐年减少,向暖干化发展,半干旱川区逐年增多,向湿润化发展[21],使河西疏勒河、黑河和石羊河三大河流年出山径流量逐年缓慢下降[22].研究表明,年平均气温每增加1℃,≥0℃的积温等值线将向北推移50km[23],气候变化使甘肃省400mm降水量分界线和年蒸发量1550mm等值线向南扩张,干旱半干旱区整体南移扩大,面积增大[8,19-20,24-25].在祁连山以及青藏高原东侧,陇东西侧,自景泰经定西到陇西、天水、武都和文县,年均降水量200～400mm的区域形成中部由北向南伸展的干舌,成为甘肃旱灾最严重的区域[9].在河西走廊形成了“非灌不植”、“地尽水耕”现象,即没有灌溉就没有农业[26].气候变暖使甘肃省自20世纪90年代以来旱灾频率呈持续上升趋势.近60年来发生率达65%,其中重旱发生率为44%,特大旱灾发生率为21%[9].特大干旱一般都发生在降水年代际变化的少雨时期和年际变化的少雨时期同时出现的阶段,旱灾往往是多个时段连续发生,呈现多季连旱、旱冻叠加、多样化变化趋势[10].干旱发生频率由近500年的志书记载中的平均3.4年出现一次小旱,9年出现一次大旱,发展为近50年来的平均1.7年出现1次小灾,3.5年出现1次大旱的变化趋势和“两年一小旱、三年一大旱、二十年一特大旱”的灾害特征[27-28],旱灾频发与同期气温升高和降水减少密切相关.根据IPCC-AR4模式对中国21世纪气候变化的预估结果综合分析得出,在A1B温室气体排放情景下,预计到2020年,甘肃省平均气温增幅在0.68～0.95℃;到2050年,增幅达1.93～2.45℃,且都以河西西部增温略高,冬季升温最为明显,幅度达2.17～2.82℃.同期降水则呈现出一致的增加趋势,也以河西增加较为明显,达6%～7.6%.预计到2050年,除陇东的降水减少0.04%～1.68%外,其余地方的降水普遍增加5.36%～9.01%,但季节降水变化的不确定性也很大.降水增加、蒸发量剧增,甘肃省特别是极端干旱区和干旱气候区的基本现状没有根本改变.
2气候变化对甘肃省粮食生产的影响
2.1对农业自然资源要素时空变化的影响
气候变化直接导致光、温、水、土等主要农业资源要素时空格局发生变化.1986年气温突变后,全省平均≥0℃积温平均增加了161℃,≥10℃积温平均增加了151℃,热量资源显著增加使生长季延长了10～20d.从地域分布看,河西地区平均增温141℃,河东地区平均增温156℃[14].就河东地区而言,平均气温每增加1℃,≥0℃的积温等值线将向北推移50km[23].气候变化使甘肃农业可利用的水资源量急剧减少.甘肃境内7条主要河流年径流量以每年0.4851×108m3的速度下降[29],1990年代以来的年均径流量比1960年代减少了14.7％～57.1%[10].境内河西内陆河流域冰川面积和冰储量1956年至今分别减少了12.6％和11.5％,冰川厚度减薄5～20m,雪线(平衡线)上升幅度达100～140m,冰川积雪的“固体水库”作用削弱,除黑河和疏勒河外,大部分河流径流量呈减少趋势,使得依靠祁连山雪水灌溉的河西绿洲逐渐成为一条极度干渴的走廊[9,11,25].气候变暖加剧了农业对土壤水分的消耗.水分亏缺成为农田水分平衡的主要特征,导致作物生长发育关键期水分供需错位[30],在作物旺盛生长的6月上旬至7月上旬出现土壤含水量的低值槽区[31-33],在120～130cm土层出现干化现象,土壤含水量与最适宜状态水分含量夏季相差最大为50～100mm,秋季相差最小为20～40mm[34].河西内陆河流地表水资源开发利用率高达95%以上,气温升高、降水减少引发的干旱机率逐年增大[29].气候变化改变了土壤水热环境,进而影响土壤有机质、气体、水分、矿物质、微生物活动和繁殖,从而影响土壤肥力[35].气温升高或降水量减少将导致土壤有机碳含量的降低;降水减少通过影响土壤水分条件和通气性而影响土壤固有有机碳的矿化分解和外源有机碳的降解,进而影响土壤有机碳含量.土壤水分充足,则透气性差,有利于提高土壤有机碳含量;土壤水分不足,孔隙度大,则促进了有机碳的矿化分解.气候变暖影响土壤微生物生物量和微生物活动,改变土壤中养分利用和C、N循环,也加快了土壤有机质的分解和氮的流失[36].降水减少是黄土高原土壤有机质变化的主要原因[37],气候变化导致高温和强降水等极端气候事件增多,通过加剧水土流失造成土壤养分损失使甘肃黄土高原区土壤质量和肥力一直处于下滑状态[3,37].
2.2对粮食安全的影响
2.2.1对主要粮食作物发育特征的影响
小麦、玉米,马铃薯是甘肃省三大主要粮食作物,多年平均播种面积占全省粮食播种总面积的85%左右,对全省粮食安全起着决定性的作用.气温变暖对主要粮食作物生长发育产生了显著的影响,对越冬作物的冬前生长发育及喜温、喜热作物的全生育期生长发育均比较有利.使冬小麦播种期推迟,越冬天数减少7～8d,越冬死亡率下降到2%以下,返青至开花期天数延长7d,返青期与成熟期提前,生殖生长阶段提早,全生育期缩短8～10d;使春小麦生殖生长加快,乳熟至成熟期每10a缩短2～3d,全生育期每10a缩短4～5d;使玉米等喜热、喜温作物的生长发育速度加快,主要发育期提早,生殖生长阶段延长,生育期缩短6～8d;使具有无限生长习性的马铃薯生育前期的营养生长阶段缩短,生殖生长阶段延长,全生育期延长9～13d,但对灌区喜凉作物生长发育的影响相对较小[21,23,38-41].研究表明,冬小麦关键生育期均表现为与日照时数和日较差呈显著正相关,与气温、5月降水总量均呈显著负相关,最低气温升高是冬小麦生育期提前的主要原因[21-24].气温对春小麦产量形成的影响除出苗期和成熟期外均为负效应,降水量的影响除出苗期和成熟期为负效应外,其余时段均为正效应,降水量每减少10mm,生长期缩短约0.8d[14,40].气温变暖为玉米生长发育赢得了更加充足的热量资源,对生长和发育均比较有利[14].
2.2.2对种植制度与布局的影响
气候变暖条件下,有效积温增加、积温带北移使甘肃省主要作物宜种区向北推移、种植高度增加,熟性由早熟型向偏晚熟型发展,冬小麦种植北界向北扩展了50～100km,小麦、玉米、马铃薯种植海拔高度普遍增高了100～200m.1979—2012年35年间,温度升高或降水减少使水热供需错位的小麦播种面积每年平均减少1.5%,其中,冬小麦播种面积相对稳定,春小麦播种面积每年平均减少3.2%;使喜温适水玉米、喜凉适水马铃薯播种面积每年平均增加了3.3%和2.7%(图2).但使主要作物品种的布局发生根本性变化,与变化后温水条件相宜的秋粮播种面积每年平均增加了1.3%,与之错位的夏粮播种面积每年平均减少了1.8%,夏秋比也由1.5:1变为0.5:1(图3);相应的品种熟性也表现为强冬性冬小麦品种逐渐被抗寒抗旱性强的弱冬性品种取代,早熟玉米品种逐渐被中晚熟品种取代,高抗晚疫病、高淀粉含量、丰产性好的马铃薯播种面积逐年扩大[14,22,42].
2.2.3对作物主要病虫害的影响
气候变暖特别是暖冬凸显导致害虫全年可繁殖天数和越冬基数增加,越冬北界北移,向北迁出的时间提前,向南回迁的时间推迟,繁殖世代数增加,危害地理范围扩大、程度加剧.对条锈病、白粉病、蚜虫、红蜘蛛等农作物病虫害的发生和流行均有比较明显的影响[43-44].甘肃省陇南山区是我国小麦条锈病的主要发源地,冬季显著增温使小麦条锈病发生的海拔高度约升高100～300m,危害范围明显扩大,发生时间也由3月提早到2月.从生态系统的角度来看,气候变暖将会引起生物种间关系变化,气温升高将会扰乱生态系统中害虫-捕食者、害虫寄生天敌等种群间的平衡关系,有些害虫的天敌可能因适应不了气候变化而缩减甚至消亡[45].一些对高温敏感的病虫害呈减弱趋势,致使小麦条锈病、蚜虫等病虫由低海拔地区向高海拔地区迁移危害,甚至还有减弱趋势.相反在缺少天敌的有效控制条件下一些害虫则会迅速繁殖,形成流行暴发.小麦蚜虫的发生流行一般主要在5～23℃的温度条件下,大于24℃或小于4℃时,麦蚜虫数都会显著减少;小麦红蜘蛛病的适宜温度约在8～15℃,在20℃以上就会引起死亡;粘虫在冬季繁殖、越冬、春季迁入等均增殖1～2代,在温度升高2.69℃的情景下,粘虫的越冬北界将向北推移3°[14].耕作熟制改进、水肥条件改善也有利于害虫和病原体安全过冬,使作物病虫害的发生世代、越冬北界及分布范围发生变化,病虫害发生面积、危害程度和发生频率逐年增长[43-44].
2.2.4对粮食安全的影响
气候变化对粮食安全的影响已成为气候变化研究的一个重点领域[45-47].气候变暖将使雨养农业区大多数作物的光合速率明显下降,生育期显著缩短,对甘肃省主要粮食作物产量影响的不确定性增加,利弊兼有[17,48].研究表明,平均气温与农业受旱灾面积、粮食产量之间呈显著正相关,降水量与农业受旱灾面积、粮食产量之间呈显著负相关.气温升高,降水减少变率增大,气候暖干化导致了干旱灾害频繁发生,是农业受旱灾面积扩大、粮食减产的主要原因[19].春季低温对粮食生产的影响比冬季低温更明显,春季低温的影响具有显著性和持续性,而冬季低温的影响具有阶段性和滞后性的特点.降水减少是旱地粮食生产的最大威胁[49-50],雨养农业区3—10月年平均降水量与干旱受灾面积和粮食减产量呈显著负相关,平均气温与干旱受灾面积和粮食减产量均呈显著正相关[11,17,48].气候变暖,气温升高,将改变作物生长季节的长短,可能会加剧对光热敏感作物的吸收作用,降低作物干物质积累,最终导致作物产量降低.气候变暖不利于雨养农业,但有利于灌溉农业.研究表明,雨养农业区作物产量主要受降水量的影响,与生育关键期降水量呈正相关,“暖湿型”气候对生产活动更为有利,年气候生产力可增加13.7％～31.2％,而“冷干型”气候对生产活动更为不利,年气候生产力减少5.1％～27.1％.气候变化使绿洲灌溉区农作物的气候产量提高了10％～20％,使雨养旱作区农作物气候产量减少了10％～20％[14,51-52].气候暖干化加剧了水资源危机[10],改变作物种植格局、结构和熟性[23],造成土壤干旱、土壤养分流失,降低了土壤肥力和土地生产力[3],直接导致减产[49],进而威胁区域粮食安全.1950—2010年60年间,甘肃省成灾面积超过100万hm2的重旱就发生了18次,仅20世纪90年代以来就出现了10次.年均受旱面积、成灾面积、成灾率分别为70.94万hm2、52.84hm2和28.5%,旱灾造成粮食年均减产41.64万t,减产率达31.6％,受旱率和成灾率分别增加了1.25和1.6倍(图4,图5)[37,50].
3应对气候变化发展粮食生产的研究方向
温度升高、降水减少导致旱薄叠加负效应对甘肃省粮食生产的威胁最大[15,37,48].生产和实践都表明,以改善和提高有限降水利用率、土壤质量和土壤肥力为核心,治旱与治瘠有机结合,是甘肃省应对气候变化增加食物产出研究发展的主要方向.
3.1选育优势作物新品种,适温适水种植
加快培育和种植较为“强悍”的农作物,合理改变农作物种植方式,是应对全球气候变化、保障粮食生产的有效途径之一.气候变暖使甘肃省冬季气温升高、有效积温显著增加、作物生长周期有效延长,为培育弱冬性中晚熟小麦品种与中晚熟玉米品种提供了可能;使作物生长发育特性,宜种区、熟性和熟制向有利的方向改变,作物布局和种植制度优化调整优势加强,但在大尺度上因降水减少、低温冻害、干旱等极端气候事件的制约难以高效实现.与全国一样,甘肃省在应对气候变化的主要农作物多样性布局、基因资源发掘和新品种培育方面比较滞后,相关的理论和技术储备薄弱,应以发挥作物自身抗逆高效用水的品种特性为突破口,通过生物、分子或转基因育种,选育抗寒抗旱、高水分利用效率、弱冬性、中晚熟作物新品种,逐步取代生产上推广的强冬性、中早熟品种.并以“适水适温种植”、“逃旱避旱”为指导思想,针对喜温作物提早成熟、多熟制北移等气候变暖响应,压缩高耗水、水分利用效率低的作物种植面积,扩大与区域降水季节分布特点相吻合、低耗水、高水分利用效率的作物种植面积,使主要作物向宜种区集中,建立作物需水规律与降水时空分布规律相一致的作物种植布局和种植制度,是保障粮食安全生产的基础[53].
3.2集雨治旱,高效用水主动抗旱
“雨水治旱,主动抗旱”是甘肃省发展旱地农业生产的重要理论依据,传统上就地拦蓄雨水径流蓄墒防旱技术仍是雨水治旱重要的技术支撑[17,48,54].如,利用耐旱作物对降水的适应能力逃旱、避旱,“顺天时,量地力”高效利用自然降水;增施有机肥,以肥调水、以水促肥,提高水肥利用效率;利用精耕细作纳、蓄、保、用水;改变土壤微地形,“和土”集雨蓄墒;采用耕、耙、耱、压土壤精细集约耕作保墒防旱;坡改梯纳雨保墒等,是甘肃省发展现代旱地农业应采用的重要技术措施.富集叠加高效利用雨水主动抗旱是甘肃省应对气候变化发展旱农生产的主要方向.甘肃省依据“雨水富集叠加+就地入渗+覆盖抑蒸”与“作物旱后复水补偿超补偿效应”理论,研究建立了集水高效农业技术体系,组建的以“梯田+品种+施肥+覆盖+水窖+微灌”硬技术综合配套为特征的旱农综合增产技术,解决了降水少、变率大、季节分配不均,与作物需水供需错位等问题,增加了干旱时段水分供应,降低了干旱胁迫,使作物安全度过干旱期,实现稳产丰产,使作物增产31.6%～72.0%[55];提出的旱地稀植作物全膜双垄集雨沟播技术,通过地膜覆盖增温保墒、大小两个垄面集雨提墒改善了作物根区水热微环境,使玉米增产达30%以上[56];提出的密植作物全膜覆土穴播种植技术,有效解决了7—93个月降雨高峰期与高蒸发期同步、棵间蒸发损失大、地膜小麦苗穴错位、人工掏苗工作量大、放苗难等关键问题,使地膜小麦亩产比裸地提高29.1％[57].雨水治旱技术使甘肃省以相当于50%的全国平均人均占有水资源量生产了相当于90%的全国人均占有粮食,用全省1/4的粮食播种面积生产了全省56.3%的粮食,但其配套的水肥精准调控、地力培肥等关键技术仍需深化研究.
3.3治瘠沃土,水肥互促调
水治旱干旱和瘠薄互作负效应恶性循环降低土壤肥力和土地生产力,直接导致减产是甘肃省粮食安全生产的桎梏[10],治旱必治瘠是以肥调水高效用水的关键措施[38].化肥秋深施、有机无机配施、秸秆堆腐秋施还田和豌扁豆轮作是旱薄地地力提升的关键基础技术措施[38,58-59];优化施肥、平衡施肥和缓控施肥是均衡土壤养分供应、平衡作物养分汲取、减少养分损失、提高肥料利用率的重要技术支撑.但是适用于不同作物、不同耕作方式和不同栽培目的的具体培肥措施,以及各种措施的互作效应、集成效应和配套组装方式等仍需深化研究.
3.4结构调整,粮食生产向主产区集中分析
研究表明,甘肃省必须确保333.33万hm2耕地“红线”,才能确保1000万t粮食的有效供给.综合分析近10年生产实践数据认为,粮食作物播种面积应确保稳定在200万hm2以上,经济林果、油料、小杂粮及其他作物种植面积应稳定在133.33万hm2左右.合理的作物种植结构应为全膜双垄沟播玉米、地膜小麦、地膜马铃薯、经济林果、油料、小杂粮等其他作物各66.67万hm2,粮经比例为3:2.结合作者的研究实践分析认为,粮食生产必须向主产区集中.根据甘肃省农业区划[60],在陇东黄土高原农林牧区、陇南山地农业经济林区、甘南高原牧林区、陇中黄土高原农林牧区、河西走廊灌溉农业区、祁连山、马鬃山山地畜牧水源林区6个类型区中,陇东黄土高原农林牧区及陇南山地农业经济林区的大部,陇中黄土高原农林牧区、河西走廊灌溉农业区是甘肃省粮食的主产区,并分别代表年降水量250~550mm及其以上的雨养农业区和250mm及其以下的内陆沿黄和绿洲灌区,涵盖庆阳、平凉、定西、白银、天水大部、中部沿黄灌区和河西绿洲灌区,总耕地336.22万hm2,也是未来甘肃省发展粮食生产的重点区域.雨养农业区应重点发展集水高效农业,沿黄及绿洲灌区应着重发展节水高效农业,通过富集叠加高效利用雨水和节约高效利用灌溉水,达到资源持续高效利用、粮食稳定增产的目的.
3.5研究展望
综上所述,气候变暖使甘肃省半干旱区南移扩大,主要作物的熟性、布局、适种面积和种植制度都发生了变化.虽然气温升高有利于提高光温利用率而增产,但降水减少却直接导致作物减产.暖湿型气候增加了绿洲灌区作物的气候生产力,暖干型气候降低了雨养农业区的气候产量,水分和肥力条件是甘肃省发展粮食生产的决定因素,气候变化对粮食生产影响的不确定性增大.因此,必须把提高有限降水利用率和利用效率、改善和提升土壤质量及土壤肥力作为核心目标强化研究：1)选育强抗逆作物新品种,依靠生物抗旱、耐旱特性高效利用有限自然降水和气温升高后增加的热量资源[61],建立适温适水种植制度,提高有限降水利用率和利用效率的研究必须长期坚持,但在育种目标上必须充分考虑利用温度和水分变化的有利影响.2)与生物节水匹配的农艺高效用水技术的创新研究一直是旱地农业研究的热点问题.“雨水治旱、主动抗旱”是共识,以此为目标提出的雨水就地拦蓄入渗和富集叠加利用技术,如梯田纳雨和垄作覆膜集雨技术等,在梯田建设的标准、垄沟比、覆盖材料、覆盖方式、覆盖时间,及其配套的田间作业机具等,都需要进一步研究,以适应变化了的气候条件和发展现代农业的需求.3)治旱治瘠有机结合是旱地农业发展研究领域的重大命题.干旱和瘠薄是旱农生产发展的桎楛,其互作叠加负效应是旱地粮食减产的重大威胁,在生物、农艺节水的同时,强化水肥精准调控和肥力提升,以肥调水、高效用水是旱薄治理研究发展的主要方向,包括增施有机肥、有机无机配施、配方施肥、缓控施肥、秸秆还田、固氮作物轮作、生物炭土壤改良制剂[62]等,都需要不断研究,才能适应变化了的生态环境和持续提高土地生产力的要求.4)突破水土资源约束,发展旱地高效农业是旱农研究需要拓展的领域.根据变化了的气候条件合理调整作物种植结构与种神经外科期刊植制度,通过合理调整种植制度节水是有效途径;通过结构调整将粮食种植区域向主产区集中,有利于生产要素的优化投入和有限资源的合理利用与保护,应在此方面加强研究.此外,农户对气候变化的认知和应用新技术的意识也需要引导[63].
作者:杨封科 单位:甘肃省农业科学院
