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全球氣候變暖對西北地區旱作農業生態的作用分析

時間:2018-09-28 來源:生態學雜志 作者:姚玉璧,楊金虎,肖國舉 本文字數:17639字

  摘    要: 以全球年平均地表氣溫升髙為主要特征的全球氣候變暖給農業、農業生態和區域糧食安全帶來嚴峻挑戰。氣候變暖對農業發展、農業生態的影響已成為社會各界關注的熱點。氣候變暖對作物生育期、形態特征、植物生理、產量形成和品質的影響及其機理的研究, 是認識氣候變暖對農業影響, 制定應對氣候變化策略的科學基礎。本文在給出西北區域氣候變化基本特征的基礎上, 綜述了氣候變暖對西北旱作區主要糧食作物、經濟作物和特色林果生長發育、生理生態、產量和品質影響研究的進展, 以及氣候變暖對農田生態環境、農業氣象災害及病蟲害影響的主要進展。提出了以往研究中存在的問題, 展望了未來西北地區應對全球變暖的農業研究重點, 即:充分利用模擬、試驗、觀測手段, 揭示氣候變化多因子對主要農作物的綜合影響;探索氣候變暖對主要作物生理生態的影響;開展農業氣象災害對氣候變暖的響應特征研究, 開展農業氣象災害風險評估與應對技術研究;進行精細化動態農業種植區劃、農業結構布局及種植制度方面應對氣候變暖的技術策略研究。

  關鍵詞: 氣候變暖; 農業; 農業生態; 西北;
 

全球氣候變暖對西北地區旱作農業生態的作用分析
 

  Abstract: Climate-related challenges for agricultural ecosystems and regional food safety have become a major concern due to projected global warming characterized by the increase of annual global average land surface temperature. The impacts of climate warming on agricultural development and ecosystems have become a focused issue for society. Studies on the impact and mechanism of climate warming on crop growing periods, morphological characteristics, physiology, yield formation and quality are the scientific basis for identifying the impact of climate warming on agriculture and making policies against climate warming. Based on the basic characteristic of climate warming in Northwest China, we summarized the research advances in the impacts of climatic warming on the growth, physiology, ecology, yield and quality of main food crops, economic crops and special fruit trees, farmland ecological environment, agricultural meteorological disasters, plant diseases and insect pests, and discussed the deficiency in current researches.This review makes a further prospect for the key points in future research on the impact of climate warming on agriculture and agricultural ecology in Northwest China: ( 1) Sufficiently use simulating, testing, and observing measures to disclose the impacts of multi-factors of climate change on major crops; ( 2) Study the impacts of climate warming on the physiology and ecology of major crops; ( 3) Study the responses of agricultural meteorological disasters to climate warming and take risk evaluations on agricultural meteorological disasters and find out countermeasures; ( 4) Study technological strategy in the refined dynamic agricultural planting regional division, agricultural structural distribution and planting system to cope with the climate warming.

  Keyword: climatic warming; agriculture; agricultural ecology; Northwest China;

  全球氣候變暖已成為不爭的事實, 1880—2012年, 全球地表平均溫度增高0.85℃ (升溫速率為0.065℃·10 a-1) (IPCC, 2013) 。并且20世紀中葉以來, 升溫速率呈現加速提高的趨勢。1951—2012年, 全球平均地表溫度的升溫速率0.12℃·10 a-1, 20世紀中葉以來的增溫速率幾乎是1880年以來增溫速率的兩倍;1983—2012年的3個10 a段是1850年以來最暖的3個10 a段 (IPCC, 2013) 。值得高度關注是, 氣候變暖的許多影響可能是不可逆的 (IPCC, 2014) , 尤其對農、林、牧業生產、水資源與水循環、生態與自然環境等造成重大影響, 對人類生存與可持續發展構成嚴峻挑戰。

  全球氣候變暖背景下, 中國地表年平均氣溫以0.23℃·10 a-1速率增加, 高于全球及北半球陸地表面平均氣溫增溫速率 (中國氣象局氣候變化中心, 2017) 。中國西北區域氣溫呈顯著上升趨勢的同時, 降水量新疆自治區北部、祁連山區、柴達木盆地等區域增加, 但甘肅黃河以東、青海省東部、陜西省、寧夏自治區等區域明顯減少, 導致中國西北區域整體暖干化趨勢明顯和局部暖濕現象 (張強等, 2010) 。

  氣候變暖已經對西北農業生產構成顯著影響。已引起西北有限生長習性的農作物 (如玉米、小麥和大豆等) 營養生長期縮短, 生殖生育期略延長, 全生育期縮短, 引起無限生長習性的農作物 (棉花、馬鈴薯和胡麻等) 營養生長期略縮短, 生殖生育期延長, 全生育期延長 (姚玉璧等, 2013;張強等, 2015) 。氣溫升高, 導致葉片氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率等作物生理發生改變 (Rawson, 1988;Zhou et al., 2011) 。在植物生態環境閾值范圍, 隨著環境溫度升高, 葉片氣孔導度增加, 當葉片凈光合速率的增幅大于蒸騰速率的增幅時, 植物葉片水分利用效率提高;但當氣溫超過臨界閾值時, 氣溫升高, 蒸騰速率增加, 又導致葉片水分利用效率降低 (Rodin, 1992;王潤元等, 2006;Ben-Asher et al., 2008;) 。氣候變暖在加速作物同化作用的同時, 也使作物異化作用增強, 高溫環境下作物呼吸作用增強, 異化消耗增加, 干物質積累減少, 導致生物量和產量降低 (Wang et al., 2008;趙鴻等, 2007, 2016) , 例如, 氣溫每升高1℃, 玉米產量將減少3%。小麥產量也會因升溫和降水量減少而減產 (Parry et al., 1992) 。氣候變暖通過對作物痕量元素利用率的影響, 直接影響作物品質以及食品安全 (Li et al., 2012) 。增溫使土壤養分降低、土壤鹽堿化程度加重 (肖國舉等, 2010) 。氣候變暖使農業氣象災害的強度頻率和時空特征發生變化, 農業干旱災害、高溫災害和干熱風災害的頻率增加, 強度增大, 危害加重, 作物病蟲害增加 (張強等, 2012) 。

  由此來看, 農業是對全球變暖響應最為敏感的行業之一, 尤其是中國西北脆弱的農業生態環境對氣候變暖的響應可能更加明顯, 糧食安全壓力和農業生產的不穩定性增加, 不同農業氣候區域的生產布局和結構出現變動, 農業成本和投資大幅度增加。因此, 開展氣候變暖對西北旱作農業及農業影響的研究, 對西北農業可持續發展, 保障糧食安全具有重要意義。

  1、 西北地區氣候變化的基本事實

  1.1、 氣溫變化

  西北區域氣溫趨勢變化呈現出顯著上升的特征。1961—2012年氣溫變化曲線線性擬合傾向率為0.312℃·10 a-1 (R2=0.60, P<0.001) 。其中, 冬季升溫更為顯著, 其傾向率達0.50℃·10 a-1;秋季氣溫上升速率僅次于冬季, 傾向率為0.34℃·10a-1;春季、夏季氣溫也呈持續上升趨勢, 傾向率分別為0.27℃·10 a-1、0.25℃·10 a-1;該區域年均或季節的增溫幅度, 均顯著高于中國地表增溫的平均值 (張秀云等, 2017) 。

  從20世紀60年代至21世紀, 年氣溫增幅增加, 進入90年代后, 增幅更大。20世紀90年代氣溫較60增加了0.83℃、較70年代增加了0.63℃、較80年代增加了0.47℃;2001—2010年比20世紀90年代又升高了0.56℃, 2001—2010年為該區域近50 a來最暖的時段。

  由西北年氣溫線性變化擬合傾向率空間分布可見, 氣溫線性擬合傾向率除個別站點為負值外, 其余均為正值, 呈現出一致上升的趨勢特征。年氣溫線性擬合傾向率≥0.3℃·10 a-1的區域位于新疆自治區北部、南疆東南部、青海省、甘肅省河西走廊、甘肅隴中北部、隴東、寧夏自治區大部。其他區域傾向率在0.1~0.3℃·10 a-1變化。

  氣候突變檢測表明, 年氣溫順序統計曲線UF從1971年開始持續上升, 在1991年超過了顯著性信度檢驗臨界線 (α=0.05) 。氣溫突變檢測順序統計曲線與逆序統計曲線相交于1991年, 可以確定, 西北區域氣候變暖的突變年發生在1991年左右。

  1.2、 降水量變化

  西北區域年降水量呈表現為波動振蕩特征, 20世紀70年代、20世紀90年代兩個時段是降水量相對偏少期, 20世紀60年代、20世紀80年代和21世紀初10 a的3個時段是降水量相對偏多期, 反映出西北降水量20 a左右的周期性振蕩特征。年代際變化特征顯著, 趨勢變化特征不顯著。

  西北區域西部與中部降水量呈增多趨勢, 東部降水量呈減少趨勢;降水量線性擬合傾向率趨勢變化的區域性差異顯著。以黃河沿線為界, 降水量線性擬合傾向率黃河以西區域增加, 黃河以東區域減少, 就傾向率變幅而言, 其遞減的速率明顯大于遞增的速率;其中, 青海省中部、甘肅省河西中部年降水量傾向率≥10 mm·10 a-1, 其最大值位于青海省德令哈, 降水量線性擬合傾向率≥25.1 mm·10 a-1;而黃河以東區域降水量傾向率≤-10 mm·10 a-1, 陜南降水量線性擬合傾向率≤-40 mm·10 a-1, 降水量傾向率負中心位于陜西南部的寧強, 其值為-53.6mm·10 a-1 (張秀云等, 2017) 。

  西北區域氣候變化表現為整體暖干, 局部暖濕現象。近50 a來西北地區干燥指數變化特征說明, 西北中西部盡管降水量有所增加, 但干燥指數的變化不顯著, 而西北東部地區干燥度指數增加顯著, 表明西北中西部地區變濕不明顯, 而東部暖干趨勢明顯 (張強等, 2010) 。

  2、 氣候變暖對作物生理過程的影響

  氣溫升高會降低作物葉片光合酶的活性, 從而破壞葉片葉綠體結構, 引起氣孔關閉, 進而影響光合作用 (Peng et al., 2004) 。高溫導致農作物呼吸強度增強, 消耗明顯增多, 而使凈光合積累減少。氣候變暖使植物蒸騰增加, 對西北半干旱區春小麥、豌豆等夏糧作物生產造成不利影響。增溫使春小麥穗分化和形成受到抑制, 孕穗期同化作用及干物質的累積受到抑制, 穗粒數、千粒重、產量減小, 增溫越高, 減小越明顯。增溫1.0~2.5℃, 春小麥穗粒數減少1~5粒, 千粒重降低1.3~8.8 g;增溫2.0~2.5℃, 春小麥穗粒數減少5粒, 千粒重降低6.5~8.8 g (肖國舉等, 2011a) 。

  增溫使春小麥最大光能轉換效率 (Fv/Fm) 下降, 但不同時期表現不一樣, 孕穗期較遲鈍, 開花期和灌漿期比較敏感, 特別在增溫3℃時, 極顯著低于對照。在孕穗期、開花期、灌漿期, 實際光化學效率 (ΦPSⅡ) 隨著溫度的升高而降低, 高溫限制了春小麥的光化學效率。春小麥超氧化物歧化酶 (SOD) 、過氧化氫酶 (CAT) 、過氧化物酶 (POD) 和抗壞血酸過氧化物酶 (APX) 隨溫度升高而提高, 增溫使春小麥抗氧化能力有一定的提高 (王鶴齡, 2013) 。

  CO2濃度增加有利于作物株高和葉面積指數增加。當大氣中CO2濃度增加250μL·L-1后, 春小麥株高和葉面積指數 (LAI) 在拔節期FACE處理與對照區雖有差異, 但沒有達到顯著水平 (P>0.05) ;從抽穗期以后, 株高顯著增高, LAI顯著增大 (P≤0.05) 。CO2濃度增加有利于半干旱區春小麥植株長高和LAI增大 (張凱, 2016) 。

  3、 氣候變暖對作物生育期的影響

  增溫使西北春小麥生育期縮短。增溫0.5~2.5℃, 寧夏引黃灌區春小麥全生長期縮短1~22 d;增溫2.0~2.5℃, 全生育期縮短18~22 d。CO2濃度升高春小麥的生殖生長階段延長。當前濃度下春小麥從播種~成熟的全生育期為143 d, CO2濃度升高250μL·L-1后, 生育期天數平均延長了5 d, 共148d, 其中主要是灌漿-乳熟期延長了4 d, 為變化極明顯的一個生育時期 (肖國舉等, 2011a;張凱等, 2014) 。

  氣溫增高使冬小麥越冬停止生長時段縮短, 返青后營養生長期加快, 全生育期縮短。近30多年來, 隨著氣候變暖, 西北冬小麥播種期推遲2~3 d·10 a-1;返青期提前4~5 d·10 a-1, 開花期和成熟期提前5~6 d·10 a-1。冬小麥越冬期縮短5~6 d·10a-1、全生育期縮短7~8 d·10 a-1 (姚玉璧, 2012) 。

  氣候變暖使玉米播種期提前2 d, 灌溉區玉米營養生長期變化不大, 但生殖生長期延長6 d, 全生育期延長6 d;雨養區玉米受暖干氣候共同作用, 營養生長期提早4~5 d, 生殖生長期提早6~7 d, 全生育期縮短6 d (姚玉璧等, 2013) 。

  由于氣候變暖, 甘肅省冬油菜播種期20世紀90年代較20世紀80年代推遲7~13 d, 冬季越冬停止生長期也推遲16~24 d, 返青期提前8~12 d, 甘肅省冬油菜全生育期縮短17~32 d。陜西省作物生育期熱量資源增加, 其中, 冬油菜生長發育期≥0℃積溫的增速為12.8℃·10 a-1, 油菜全生育期平均縮短4 d。

  氣候變暖使西北棉花播種期提前5~12 d, 營養階段提前;棉花開花期提前4~12 d, 停止生長期推后6~9 d, 生殖生長階段延長6~12 d, 棉花全生育期延長14~18 d (張強等, 2012) 。

  氣溫增高, 馬鈴薯花序形成期提早8~9 d·10a-1, 開花期提早4~5 d·10 a-1, 花序形成至可收期延長了9~10 d·10 a-1, 馬鈴薯全生育期也延長9~10 d·10 a-1 (姚玉璧等, 2010a;張凱等, 2012) ;胡麻生育前期的營養生長階段縮短, 生殖生長階段延長, 全生育期延長 (姚玉璧等, 2011) 。

  4、 氣候變暖對作物產量及種植區的影響

  研究表明, 冬小麥越冬死亡率與冬季≤0℃負積溫呈顯著相關, 冬季增溫, ≤0℃負積溫逐年減少, 冬小麥越冬風險大大降低 (Xiao et al., 2008, 2010) 。甘肅省隴東區域冬小麥越冬死亡率降低速率為2.4%·10 a-1, 至1994年以后, 冬小麥越冬死亡接近于0。但拔節-開花期氣溫對產量影響為負效應, 此時段氣溫對冬小麥產量影響的敏感階段, 旬平均氣溫每上升1℃, 冬小麥產量下降10~15 g·m-2。

  土壤貯水量對冬小麥產量及其構成要素的影響更為顯著。土壤貯水量增加, 千粒重、穗粒數增加, 不孕小穗率下降, 產量提高。拔節期2 m深度土壤貯水量與千粒重呈極顯著相關, 其貯水量每增加10mm, 千粒重提高0.8 g。氣溫升高、降水減少導致土壤貯水量明顯減少, 氣候產量下降。20世紀90年代以來, 甘肅河東區域土壤貯水量明顯下降, 導致冬小麥氣候產量下降, 冬小麥氣候產量20世紀90年代比80年代下降了125.7% (鄧振鏞等, 2011) 。

  氣候變暖使冬小麥最適宜栽培區域縮小, 不適宜種植區也縮小, 適宜栽培區域、次適宜栽培區域、可種植區卻快速擴大, 適宜種植區域西移北擴。近30多年來, 西北東部冬小麥適宜種植區域向北擴展了50~120 km;甘肅冬小麥西伸尤為明顯。冬小麥種植海拔上限提高200 m左右, 從1900 m提高到2100 m;適宜種植面積擴大20%~30%;寧夏自治區冬小麥海拔也上升明顯, 種植面積快速擴大;陜西省自1985年來, 冬小麥種植界限北移西伸, 目前, 全省大部分區域均能種冬小麥 (張強等, 2015;吳乾慧等, 2017) 。

  氣候變暖使春小麥成熟期提前、氣候產量下降、適宜種植區域和面積減少。不增加灌溉量時, 增溫0.5~2.5℃, 春小麥減產0.5%~18.5%;增溫2.0~2.5℃, 減產16.5%~18.5% (王鶴齡等, 2015) 。寧夏引黃灌區氣溫上升, 其突變發生在1988年, 氣溫突變前的1961—1988年氣溫對春小麥產量的影響系數為0.0269, 突變后的1989—2004年氣溫對春小麥產量的影響系數為0.0081, 突變后影響系數下降, 春小麥氣候產量突變前為84.8 kg·hm-2, 突變后為39.8 kg·hm-2, 氣候變暖對春小麥產量的貢獻率為-2.6%, 氣候變暖使寧夏區域春小麥氣候產量下降 (劉玉蘭等, 2008a) 。

  氣候變暖、變干, 使西北半干旱區春小麥最適宜種植區域縮小, 適宜種植區也縮小, 不適宜種植區擴大;半濕潤區春小麥適宜種植區擴大, 不適宜種植區縮小。甘肅省春小麥種植海拔上限也提高100~200m, 春小麥種植海拔上限達2800 m (王鶴齡等, 2017) 。

  氣溫升高對玉米增產有正效應、玉米適宜種植區擴展 (張強等, 2008) 。甘肅省河西灌區玉米氣候產量與≥10℃積溫呈顯著正相關 (P<0.01) , 氣象因素對玉米產量的貢獻率在52%~60%, 其貢獻率超過其它因素對產量的貢獻率。甘肅省河西氣溫突變點在1991年, 氣溫突變后的氣候產量較突變前增加了124%~301%。寧夏灌區玉米產量與各生育期平均最高氣溫呈正相關, 氣溫升高, 玉米產量增產。該區域1981—1993年氣溫對玉米氣候產量的影響系數為0.0329, 而1994—2004年氣溫對玉米氣候產量的影響系數為0.0382, 提高了0.0053。1994—2004年平均最高氣溫較1981—1993年升高0.5~0.6℃, 1994—2004年玉米氣候產量較1981—1993年相應提高119.92 kg·hm-2 (劉玉蘭等, 2008b) 。

  而甘肅河東雨養農業區玉米氣候產量與全生育期土壤貯水量呈極顯著正相關 (P<0.001) , 與拔節-乳熟期土壤貯水量也呈極顯著正相關 (P<0.001) 。氣候變暖導致土壤貯水量下降, 玉米氣候產量相應降低。

  氣候變暖使玉米最適宜種植區擴大, 次適宜種植區也擴大;玉米適宜種植區縮小, 可種植區也縮小;不適宜種植區域變化不大。玉米種植區向北擴展, 種植區上限海拔提高150 m左右, 玉米種植上限海拔提高到1900 m;玉米最適宜種植區海拔在1200~1400 m。品種向偏中晚熟高產品種變化 (張強等, 2012) 。

  馬鈴薯屬于喜涼作物, 氣候變暖對馬鈴薯產量增加為負效應。氣候變暖使馬鈴薯生長季延長、氣候產量年際波動增大。長期定點觀測研究表明 (姚玉璧等, 2016) , 馬鈴薯產量年際波動在溫度愈高的地域波動愈大。馬鈴薯塊莖膨大期氣溫與其氣候產量呈顯著負相關, 氣溫增高, 馬鈴薯產量下降。夏季高溫易導致馬鈴薯塊莖形成受阻, 薯塊發育停滯, 造成畸形薯和屑薯率增加。

  氣候變暖, 馬鈴薯最適宜種植區和適宜種植區均縮小, 次適宜種植區和可種植區快速擴大。馬鈴薯種植海拔上限提高100~200 m, 種植海拔上限可到3000 m左右 (姚玉璧等, 2017) 。

  氣候變暖使棉花播種期提前、氣候產量增加、面積擴大、品質提高。生長期積溫對棉花產量有顯著的正效應。近30多年來, 甘肅省河西棉花主產區棉花生育期≥10℃積溫增加了131℃, 棉花裂鈴至停止生長階段≥10℃積溫增加了30℃。棉花氣候產量在20世紀90年代較80年代提高54.3%, 氣候產量增加81.5 kg·hm-2;棉花霜前花增加了30%, 棉花衣分率提高2.0%, 品質提高 (鄧振鏞, 2005) 。甘肅省棉花種植面積擴大, 棉花適宜種植海拔上限提高了100 m, 棉花種植海拔上限達到1400 m。

  氣候變暖使冬油菜播種期推遲、氣候產量增加、種植面積逐年擴大。由于冬季變暖, 冬油菜越冬死亡率下降, 豐產品種面積比例增大, 種植面積逐年擴大。冬季平均氣溫對冬油菜氣候產量影響顯著, 每升高1℃, 氣候產量增加172 kg·hm-2。近30多年來, 種植帶向北擴展約100 km, 種植高度提高150~200 m (蒲金涌等, 2006) 。

  氣候變暖使胡麻播種期提前, 氣候產量下降, 胡麻氣候產量與籽粒形成期 (6—7月) 平均氣溫負相關顯著, 氣溫升高, 產量降低。氣溫每升高1℃, 甘肅中部胡麻產量下降2.6%、隴東胡麻產量下降2.1%、隴東南胡麻產量下降1.9%、河西胡麻產量下降1.5%。近30多年來, 胡麻適宜種植區擴大。適宜種植海拔上限提高100~200 m (姚玉璧等, 2006) 。

  氣候變暖使新疆農業熱量資源更為豐富, 農作物潛在的適宜生長季延長, 兩年三熟的種植區域北移擴大;使棉花的播種期提早, 全生育期延長, 產量提高;而冬小麥的播種期推遲, 全生育期縮短 (曹占洲等, 2013) 。

  5、 氣候變暖對林果、中藥材的影響

  氣候變暖, 蘋果的生長發育速度加快, 蘋果果實成熟之前的發育期期均提前, 果實成熟后至果樹葉變色階段延長, 果樹落葉期推后。根據1984—2005年觀測數據表明, 甘肅隴東蘋果葉芽開放期、展葉盛期和開花盛期線性擬合傾向率為7 d·10 a-1 (P<0.01) , 而葉變色、落葉期平均推后線性趨勢傾向率均為5 d·10 a-1 (P<0.1) (蒲金涌等, 2008) 。

  桃樹休眠期縮短, 花芽萌動提前, 生育期間隔縮短, 整個物候期明顯提前, 特別是早熟品種表現尤甚。桃樹早熟種20世紀90年代物候期較80年代提前5~7 d, 2000—2005年比20世紀80年代提前10 d左右 (萬梓文等, 2016) 。

  蘋果、桃、大櫻桃氣候產量與4月最低氣溫均呈顯著正相關, 4月最低氣溫上升, 減少對果樹花的凍害, 有利提高產量 (王潤元等, 2015) 。花期溫度升高、凍害減輕有利于果樹產量的提高。

  西北區域釀酒葡萄主產區中早熟品種生長發育期在170~180 d, 生育期≥10℃積溫在3100~3400℃, 葡萄幼果出現至成熟期≥10℃積溫在2150~2230℃。釀酒葡萄成熟期8—9月平均氣溫在2001—2007年較20世紀70年代增加了1.1℃, 積溫相應增加, 使葡萄生長速度加快, 生長期縮短, 產量提高。葡萄果實含糖量積累階段主要在8月, 其含糖量積累與≥10℃積溫及氣溫日較差呈正相關, 積溫增加, 氣溫日較差, 葡萄果實含糖量增加, 果品質量提高 (趙東旭等, 2015) 。

  氣溫穩定通過10℃日期時移栽黨參、黃芪、甘草、枸杞等中藥材, 產量最高, 為最佳移栽期。歷史觀測資料表明 (王潤元等, 2015) :中藥材主產區氣候變暖使穩定通過≥10℃初日提前, 黨參根生長量與≥10℃積溫、甘草鮮根重與≥15℃積溫均呈顯著正相關, 熱量增加有利于中藥材產量提高。

  近30多年來, 氣候變暖導致西北主產區桃樹、大櫻桃等果樹以及黨參、黃芪、甘草、枸杞等中藥材種植高度提高100~150 m, 釀酒葡萄種植高度提高50~100 m, 優質種植區向西北擴展, 適宜種植區域擴大, 給西北地區發展果業和中藥材提供了機遇。

  氣候變暖使新疆農業熱量資源更為豐富, 冬季溫度升高, 利于特色林果等安全越冬 (曹占洲等, 2013) 。

  6、 氣候變暖對作物品質及微量元素含量的影響

  氣候變暖已經顯著地改變了西北地區小麥籽蛋白質、營養與非營養元素等品質指標。生長發育期平均氣溫每升高1℃, 春小麥淀粉含量下降1.6%, 而春小麥蛋白質含量卻增加0.8% (王鶴齡等, 2015) 。

  氣候變暖將導致小麥籽粒中營養元素與非營養元素的含量發生變化, 直接影響小麥品質及食品安全。最高升溫3℃處理使西旱1號、2號和3號小麥籽粒中鎘 (Cd) 濃度相比對照分別下降43.4%、11.1%和13.4%, 銅 (Cu) 濃度相比對照處理分別下降了30.4%、25.1%和10.8%。但鐵 (Fe) 和鋅 (Zn) 的情況卻不同, 1℃和2℃升溫處理使西旱1號籽粒中鋅 (Zn) 濃度比對照處理分別增加了28.9%和35.8%。隨著全球氣候變暖, 預計到2050年, 西北半干旱區域春小麥籽粒中銅 (Cu) 含量將保持在限量標準值安全范圍之內, 而鋅 (Zn) 將超過限量標準值27%, 鎘 (Cd) 將超過限量標準值490% (李裕等, 2011) 。

  3℃的升溫處理導致馬鈴薯塊莖中鎘 (Cd) 、鉛 (Pb) 、鐵 (Fe) 、鋅 (Zn) 和銅 (Cu) 濃度分別下降了27.27%、54.68%、41.18%、29.16%和22.62%, 1~3℃的升溫處理使馬鈴薯葉片中銅 (Cu) 、鋅 (Zn) 和鐵 (Fe) 濃度分別提高4.68%~25.27%、6.04%~27.36%和6.35%~24.05%, 但葉片中鎘 (Cd) 和鉛 (Pb) 濃度卻分別下降4.81%~10.58%和8.32%~20.21% (肖國舉等, 2012) 。

  氣候變暖帶來的食品營養品質的改變, 尤其是小麥非營養毒性元素鎘富集對人體健康的潛在風險, 有必要進一步深入研究。

  7、 氣候變暖對農田生態環境的影響

  溫度升高導致土壤中養分分解速度加快, 土壤中有機質含量提高;但溫度升高, 土壤酶活性下降。研究表明, 冬季土壤增溫0.5~2.5℃與未增溫對照土壤比較, 則增溫土壤中有機質含量增加0.01~0.62 g·kg-1;而土壤過氧化氫酶活性下降0.08~1.20 m L·g-1, 脲酶活性下降0.004~0.019 mg·g-1, 磷酸酶活性下降0.10~0.25 mg·kg-1 (肖國舉等, 2012) 。

  增溫使土壤鹽化程度加重。近35年在寧夏引黃灌區開展土壤鹽分定位觀測, 該區域隨著年平均氣溫的升高, 土壤中全鹽含量呈顯著增加趨勢。其中, 輕鹽化土壤中全鹽增加了0.08 g·kg-1, 中鹽化土壤中全鹽增加了0.13 g·kg-1, 重鹽化土壤中全鹽增加0.19 g·kg-1 (肖國舉, 2010) 。

  增溫使土壤p H值、總堿度增加明顯。試驗研究表明, 冬季土壤增溫0.5~2.0℃與對照土壤比較, 土壤p H值提高0.14~0.39;冬季土壤增溫1.0~2.5℃與對照土壤比較, 土壤0~60 cm層中總堿度上升0.01~0.03 cmol·kg-1 (肖國舉, 2010) 。

  研究表明, 冬季土壤增溫后, 土壤中CO32-、HCO3-、Na+和Mg2+等離子向上移動聚集在表面, 導致土壤鹽堿化增加。其機理主要是氣候變暖加速了土壤水分蒸發, 水分蒸發帶動土壤鹽離子向地表移動, 導致耕作層土壤鹽離子增加, 耕作層土壤鹽漬化加重 (肖國舉等, 2011b) 。

  利用寧夏引黃灌區溫度升高和土壤全鹽變化的模擬研究表明 (肖國舉等, 2011b) , 預測未來氣溫升高0.5~3.0℃, 該區域輕鹽化土壤全鹽、中鹽化土壤全鹽和重鹽化土壤全鹽分別提高0.03~0.17 g·kg-1、0.06~0.24 g·kg-1和0.09~0.32 g·kg-1。據此預計, 寧夏引黃灌區每年淋洗由于氣候變暖引起的土壤鹽分增加所需要的灌水量為1.29×108~1.40×108m3。

  8、 氣候變暖對農業氣象災害及病蟲害的影響

  受氣候變暖影響, 西北地區≥30℃以上的高溫天數逐年增加, 1996年以來增加明顯, 高溫災害加劇。近50年來, 西北干旱頻率、強度、受災面積增加, 旱災損失加重。春、秋季干旱發生的頻次增加, 夏季干旱發生頻次下降, 春、秋干旱多于夏旱, 特重旱多出現在春季。根據全球氣候系統模式的預估結果, 模擬分析表明, 到2100年, 甘肅省的干旱災損的風險值將會由目前的10.6%增加到12.6%~31.5%, 即甘肅省未來氣候變化情景下農業干旱災害綜合風險會呈持續上升趨勢。西北區域干旱災害頻率增加, 危害加重 (張強等, 2017) 。

  西北霜凍初日略有推遲, 結束日提前, 無霜期逐年沿長, 霜凍頻率減小、強度增加, 災害損失有加重趨勢。初霜凍日出現最早是青海高原西南部, 向北逐次推遲, 東南部的陜西省出現最晚。終霜日結束最早的為西北區東南部, 最晚的是在青海高原西南部。西北無霜期從東向西南逐漸縮短。≤-10℃、≤-20℃的低溫天數在減少, 低溫對作物、果樹越冬及設施農業的危害減輕 (陳少勇等, 2013) 。

  西北干熱風災害呈加重趨勢。甘肅省6—7月干熱風次數逐年增加, 其中, 1961—1975年為干熱風多發階段, 1976—1989年為干熱風偏少階段, 1990—2006年干熱風增多階段。寧夏灌區、柴達木盆地干熱風對氣候變暖的響應也有類似結果。干熱風次數與同期平均溫度指標、蒸發量呈顯著正相關 (張強等, 2012) 。

  西北冰雹災害年際變化地域差異較大, 一些區域冰雹災害次數呈增加趨勢, 而有些區域呈波動變化, 部分區域呈減少趨勢。

  甘肅省馬鈴薯主產區晚疫病表現為增加趨勢特征。馬鈴薯主產區晚疫病發病率逐年上升顯著, 其年際變化曲線線性擬合傾向率為0.355%·10 a-1 (姚玉璧等, 2009, 2010b) 。統計分析表明, 馬鈴薯主產區晚疫病發病率與馬鈴薯生育期主要氣象要素如相對濕度、降水量和氣溫表現為正相關關系, 而與生育期日照時數、平均風速表現為負相關關系。

  西北區域玉米田棉鈴蟲危害也表現為加重趨勢。冬季氣溫升高, 導致蟲蛹越冬基數增加, 蟲蛹越冬界限北移, 春季氣溫升高, 使棉鈴蟲羽化期提早, 繁育和危害期也相應提早, 棉鈴蟲危害時段延長。研究表明, 棉鈴蟲幼蟲發育起點溫度8~9℃, 蛹期發育起點溫度12~13℃。由于氣候變暖, ≥10℃積溫増加, 玉米田棉鈴蟲生育周期加快, 生育代數增加, 危害加劇 (鄧振鏞等, 2012) 。

  氣溫升高使紅蜘蛛的發生和蔓延加劇。觀測表明, 甘肅省武威市在1991年之前未觀測到紅蜘蛛危害;在1991—1998年觀測到紅蜘蛛危害年平均面積0.1×104hm2;而1999年開始紅蜘蛛危害急劇增加, 在1999—2006年紅蜘蛛危害年平均危害面積2.9×104hm2 (鄧振鏞, 2012) 。

  大田模擬試驗表明, 在半干旱地區, 隨著溫度的升高, 春小麥蚜蟲呈先增后減趨勢, 而條銹病發病率呈上升趨勢。蚜蟲數量與溫度增加呈二次拋物線型關系, 其臨界溫度是增溫1.3℃;條銹病的發病率與溫度增加呈指數曲線關系, 溫度平均升高1℃, 條銹病發病率上升10.5% (鄧振鏞, 2012) 。

  氣候變暖對西北旱作農業已經產生了諸多影響, 利弊兼有。總體來看, 變暖的影響利大于弊, 開發利用變暖的氣候資源、減小不利影響將有助于西北農業的可持續發展。

  9、 研究不足之處

  氣候變暖對西北旱作農業及農業生態影響研究取得了重大進展, 為應對氣候變化奠定了一定的基礎, 但仍存在以下不足。

  (1) 氣候變化對作物生長發育、產量形成影響的研究大多基于大氣增溫、水分變化和CO2濃度升高等單因子或雙因子的影響研究, 缺乏交互協同影響研究, 在長期、多因子的綜合模擬及觀測試驗等方面進展不足, 制約著氣候變化對西北糧食安全影響的全面認識。

  (2) 氣候變化對作物生理生態、品質和耕作環境的研究尚不夠深入和系統化, 如氣溫升高、土壤水分變化和CO2濃度倍增等多因素交互作用對主要作物碳交換過程, 包括光合作用和呼吸作用過程以及胞間二氧化碳濃度變化等;水分生理生態過程, 包括蒸騰速率變化、氣孔導度變化、水勢梯度、葉片水平水分利用效率和產量水平水分利用效率等;以及品質變化等的影響, 需要通過綜合模擬, 系統觀測試驗深入研究。

  (3) 氣候變化對農業氣象災害和農業病蟲害的影響及其與農業產量的相互作用研究不夠深入, 氣候變化對農業氣象災害和農業病蟲害強度、頻率和持續性特征的影響機理有待進一步加強, 氣候變化對農業氣象災害和農業病蟲害與農業生產的定量關系需要進一步深化。

  (4) 氣候變暖背景下農業氣象災害風險變化特征及其評估尚不夠全面系統。如何全面認識農業氣象災害風險特征及其形成機制, 動態、定量、全面地評估農業氣象災害風險需要進一步深入研究。

  1 0、 氣候變化對西北農業與農業生態影響研究展望

  IPCC第五次評估報告預估, 采用“典型濃度目標”情景, 用全球變化評估模式 (GCAM) 模擬, 在中低排放情景 (RCP4.5) 下, 當2100年后輻射強迫穩定在4.5 W·m-2, 大氣CO2濃度穩定在650 m L·m-3左右。全球地表平均溫度與1986—2005年對比, 預計2016—2035年全球平均地表溫度將升高0.3~0.7℃;2081—2100年升溫可能在1.1~2.6℃范圍 (IPCC, 2013) 。熱量將從海表傳向深海, 并影響海洋環流;高溫熱浪、干旱、強降水等極端事件發生頻率將增加, 干的區域變得更干 (秦大河, 2014) 。氣候變暖的影響將產生不可逆轉的效應 (IPCC, 2014) 。與20世紀末比較, 全球地表平均氣溫上升≥2℃, 將對熱帶區域和溫帶區域的小麥、玉米和水稻等主要糧食作物生產造成負效應;全球地表平均氣溫上升≥4℃, 則對全球糧食安全產生重大負效應 (鄭冬曉, 2014;周廣勝, 2015) 。

  氣候變化對西北農業與農業生態的影響研究關系到西北區域應對氣候變化戰略, 關系西北區域糧食安全與生態安全, 需要針對氣候變化背景下西北農業面臨的挑戰和資源特點, 開展針對性研究, 及時采取應對氣候變化策略, 為西部農業高產、優質、高效、生態、安全和可持續發展提供科技支撐。

  (1) 充分利用模擬試驗觀測手段, 揭示氣候變化多因子綜合效應對主要農作物的影響。隨著科學技術創新和綜合試驗研究手段的進一步發展, 氣候變化對作物影響研究的模擬試驗條件也將進一步完善。充分利用綜合試驗模擬觀測手段, 如紅外輻射增溫試驗與CO2-FACE試驗 (CO2free-air concentration enrichment) 結合、改進新型OTC (open-top chamber) 結合溫室、人工氣候室等模擬控制試驗, 開展增溫、水分條件變化和CO2濃度升高交互綜合作用對主要農作物生長發育產量形成的影響, 結合長序列田間觀測資料分析、作物模型模擬方法, 研究氣候變化背景下氣溫增高、CO2濃度增加、水分脅迫等的綜合影響效應, 深入研究氣候變化因子影響的機理和閾值, 揭示主要農作物對氣候變暖, CO2濃度增加、水分脅迫等響應的特征。

  (2) 緊盯國際前沿, 深入研究氣候變化對主要作物生理生態的影響。氣候變化對作物生理反應過程與生態環境的影響研究是全球變化研究的重要領域, 也是國內外相關學者關注的熱點課題之一 (Moreno-Sotomayor et al., 2002;Awada et al., 2003;Damesin, 2003;葉子飄, 2010) 。分析大氣增溫、CO2濃度升高和水分變化對作物光合作用、呼吸作用和胞間CO2濃度等碳交換的影響特征, 模擬植物光響應過程 (Ye, 2007;Ye et al., 2012;閆小紅等, 2013) , 揭示凈光合速率與光合有效輻射通量密度之定量關系, 確定植物光響應曲線特征及其葉片光合能力重要參數。分析研究水分生理過程, 作物蒸騰、葉片氣孔導度、作物水勢梯度、葉片水平及產量水平水分利用效率對氣候變化的響應特征及其機理 (Ainsworth, 2008;Ali et al., 2004;Asseng et al., 2004;邵在勝等, 2014) 。揭示氣候變化對作物品質與痕量元素及其土壤環境等的響應特征 (吳楊周等, 2016) 。

  (3) 圍繞問題導向, 開展農業氣象災害對氣候變化的響應特征研究。研究氣候變暖背景下, 農業氣象災害變化及其對作物的影響特征, 揭示高溫、干旱、洪澇、霜凍、低溫冷害等農業氣象災害對作物生理、產量和品質的影響與機制, 開發農作物生育期天氣氣候條件、農業氣象災害對作物生育、產量和品質影響評估技術方法和系統模型, 建立基于不同區域、不同作物的農作物生長發育農業氣象指標體系。

  (4) 針對農業氣象災害危害, 開展農業氣象災害風險評估與應對研究。各類災害的風險分析方法是研究具有不確定性系統的有效技術途徑, 農業氣象災害種類繁多, 形成機理復雜, 不確定程度較高, 區域差異顯著。因此, 將災害風險理論應用于西北農業氣象災害風險研究非常迫切 (姚玉璧等, 2013;張強等, 2017) , 充分應用災害風險理論最新進展和成果, 應用災害風險量化、風險評價技術結合農業氣象災害損失, 研究農業重大氣象災害的風險識別技術, 揭示致災因子危險性, 孕災環境敏感性, 承災體暴露度和脆弱性特征, 開展農業氣象災害風險評估, 提高風險等級評估可靠性與可信度, 給出動態、定量的不同區域農業氣象災害風險分布結論, 提出分層次風險應對策略與防御措施。

  (5) 結合區域資源特征, 開展精細化動態農業種植區劃及結構布局研究。圍繞西北主要糧食作物和經濟作物, 通過田間試驗和長序列定位觀測, 研發基于氣候資源的精細化農業氣候區劃指標體系, 建立年際尺度精細化動態農業種植區劃。研究適應氣候變化的作物布局結構和種植制度, 揭示氣候變化背景下, 西北作物布局結構和種植制度變化特征, 基于高分辨率地理信息系統, 給出適應氣候變化的農業結構調整方案和農業種植制度優化方案。為應對氣候變化提供科學依據。

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