摘 要： 以全球年平均地表气温升髙为主要特征的全球气候变暖给农业、农业生态和区域粮食安全带来严峻挑战。气候变暖对农业发展、农业生态的影响已成为社会各界关注的热点。气候变暖对作物生育期、形态特征、植物生理、产量形成和品质的影响及其机理的研究, 是认识气候变暖对农业影响, 制定应对气候变化策略的科学基础。本文在给出西北区域气候变化基本特征的基础上, 综述了气候变暖对西北旱作区主要粮食作物、经济作物和特色林果生长发育、生理生态、产量和品质影响研究的进展, 以及气候变暖对农田生态环境、农业气象灾害及病虫害影响的主要进展。提出了以往研究中存在的问题, 展望了未来西北地区应对全球变暖的农业研究重点, 即:充分利用模拟、试验、观测手段, 揭示气候变化多因子对主要农作物的综合影响;探索气候变暖对主要作物生理生态的影响;开展农业气象灾害对气候变暖的响应特征研究, 开展农业气象灾害风险评估与应对技术研究;进行精细化动态农业种植区划、农业结构布局及种植制度方面应对气候变暖的技术策略研究。
关键词： 气候变暖; 农业; 农业生态; 西北;
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;
全球气候变暖已成为不争的事实, 1880—2012年, 全球地表平均温度增高0.85℃ (升温速率为0.065℃·10 a-1) (IPCC, 2013) 。并且20世纪中叶以来, 升温速率呈现加速提高的趋势。1951—2012年, 全球平均地表温度的升温速率0.12℃·10 a-1, 20世纪中叶以来的增温速率几乎是1880年以来增温速率的两倍;1983—2012年的3个10 a段是1850年以来最暖的3个10 a段 (IPCC, 2013) 。值得高度关注是, 气候变暖的许多影响可能是不可逆的 (IPCC, 2014) , 尤其对农、林、牧业生产、水资源与水循环、生态与自然环境等造成重大影响, 对人类生存与可持续发展构成严峻挑战。
全球气候变暖背景下, 中国地表年平均气温以0.23℃·10 a-1速率增加, 高于全球及北半球陆地表面平均气温增温速率 (中国气象局气候变化中心, 2017) 。中国西北区域气温呈显着上升趋势的同时, 降水量新疆自治区北部、祁连山区、柴达木盆地等区域增加, 但甘肃黄河以东、青海省东部、陕西省、宁夏自治区等区域明显减少, 导致中国西北区域整体暖干化趋势明显和局部暖湿现象 (张强等, 2010) 。
气候变暖已经对西北农业生产构成显着影响。已引起西北有限生长习性的农作物 (如玉米、小麦和大豆等) 营养生长期缩短, 生殖生育期略延长, 全生育期缩短, 引起无限生长习性的农作物 (棉花、马铃薯和胡麻等) 营养生长期略缩短, 生殖生育期延长, 全生育期延长 (姚玉璧等, 2013;张强等, 2015) 。气温升高, 导致叶片气孔导度、净光合速率和蒸腾速率等作物生理发生改变 (Rawson, 1988;Zhou et al., 2011) 。在植物生态环境阈值范围, 随着环境温度升高, 叶片气孔导度增加, 当叶片净光合速率的增幅大于蒸腾速率的增幅时, 植物叶片水分利用效率提高;但当气温超过临界阈值时, 气温升高, 蒸腾速率增加, 又导致叶片水分利用效率降低 (Rodin, 1992;王润元等, 2006;Ben-Asher et al., 2008;) 。气候变暖在加速作物同化作用的同时, 也使作物异化作用增强, 高温环境下作物呼吸作用增强, 异化消耗增加, 干物质积累减少, 导致生物量和产量降低 (Wang et al., 2008;赵鸿等, 2007, 2016) , 例如, 气温每升高1℃, 玉米产量将减少3%。小麦产量也会因升温和降水量减少而减产 (Parry et al., 1992) 。气候变暖通过对作物痕量元素利用率的影响, 直接影响作物品质以及食品安全 (Li et al., 2012) 。增温使土壤养分降低、土壤盐碱化程度加重 (肖国举等, 2010) 。气候变暖使农业气象灾害的强度频率和时空特征发生变化, 农业干旱灾害、高温灾害和干热风灾害的频率增加, 强度增大, 危害加重, 作物病虫害增加 (张强等, 2012) 。
由此来看, 农业是对全球变暖响应最为敏感的行业之一, 尤其是中国西北脆弱的农业生态环境对气候变暖的响应可能更加明显, 粮食安全压力和农业生产的不稳定性增加, 不同农业气候区域的生产布局和结构出现变动, 农业成本和投资大幅度增加。因此, 开展气候变暖对西北旱作农业及农业影响的研究, 对西北农业可持续发展, 保障粮食安全具有重要意义。
1、 西北地区气候变化的基本事实
1.1、 气温变化
西北区域气温趋势变化呈现出显着上升的特征。1961—2012年气温变化曲线线性拟合倾向率为0.312℃·10 a-1 (R2=0.60, P<0.001) 。其中, 冬季升温更为显着, 其倾向率达0.50℃·10 a-1;秋季气温上升速率仅次于冬季, 倾向率为0.34℃·10a-1;春季、夏季气温也呈持续上升趋势, 倾向率分别为0.27℃·10 a-1、0.25℃·10 a-1;该区域年均或季节的增温幅度, 均显着高于中国地表增温的平均值 (张秀云等, 2017) 。
从20世纪60年代至21世纪, 年气温增幅增加, 进入90年代后, 增幅更大。20世纪90年代气温较60增加了0.83℃、较70年代增加了0.63℃、较80年代增加了0.47℃;2001—2010年比20世纪90年代又升高了0.56℃, 2001—2010年为该区域近50 a来最暖的时段。
由西北年气温线性变化拟合倾向率空间分布可见, 气温线性拟合倾向率除个别站点为负值外, 其余均为正值, 呈现出一致上升的趋势特征。年气温线性拟合倾向率≥0.3℃·10 a-1的区域位于新疆自治区北部、南疆东南部、青海省、甘肃省河西走廊、甘肃陇中北部、陇东、宁夏自治区大部。其他区域倾向率在0.1~0.3℃·10 a-1变化。
气候突变检测表明, 年气温顺序统计曲线UF从1971年开始持续上升, 在1991年超过了显着性信度检验临界线 (α=0.05) 。气温突变检测顺序统计曲线与逆序统计曲线相交于1991年, 可以确定, 西北区域气候变暖的突变年发生在1991年左右。
1.2、 降水量变化
西北区域年降水量呈表现为波动振荡特征, 20世纪70年代、20世纪90年代两个时段是降水量相对偏少期, 20世纪60年代、20世纪80年代和21世纪初10 a的3个时段是降水量相对偏多期, 反映出西北降水量20 a左右的周期性振荡特征。年代际变化特征显着, 趋势变化特征不显着。
西北区域西部与中部降水量呈增多趋势, 东部降水量呈减少趋势;降水量线性拟合倾向率趋势变化的区域性差异显着。以黄河沿线为界, 降水量线性拟合倾向率黄河以西区域增加, 黄河以东区域减少, 就倾向率变幅而言, 其递减的速率明显大于递增的速率;其中, 青海省中部、甘肃省河西中部年降水量倾向率≥10 mm·10 a-1, 其最大值位于青海省德令哈, 降水量线性拟合倾向率≥25.1 mm·10 a-1;而黄河以东区域降水量倾向率≤-10 mm·10 a-1, 陕南降水量线性拟合倾向率≤-40 mm·10 a-1, 降水量倾向率负中心位于陕西南部的宁强, 其值为-53.6mm·10 a-1 (张秀云等, 2017) 。
西北区域气候变化表现为整体暖干, 局部暖湿现象。近50 a来西北地区干燥指数变化特征说明, 西北中西部尽管降水量有所增加, 但干燥指数的变化不显着, 而西北东部地区干燥度指数增加显着, 表明西北中西部地区变湿不明显, 而东部暖干趋势明显 (张强等, 2010) 。
2、 气候变暖对作物生理过程的影响
气温升高会降低作物叶片光合酶的活性, 从而破坏叶片叶绿体结构, 引起气孔关闭, 进而影响光合作用 (Peng et al., 2004) 。高温导致农作物呼吸强度增强, 消耗明显增多, 而使净光合积累减少。气候变暖使植物蒸腾增加, 对西北半干旱区春小麦、豌豆等夏粮作物生产造成不利影响。增温使春小麦穗分化和形成受到抑制, 孕穗期同化作用及干物质的累积受到抑制, 穗粒数、千粒重、产量减小, 增温越高, 减小越明显。增温1.0~2.5℃, 春小麦穗粒数减少1~5粒, 千粒重降低1.3~8.8 g;增温2.0~2.5℃, 春小麦穗粒数减少5粒, 千粒重降低6.5~8.8 g (肖国举等, 2011a) 。
增温使春小麦最大光能转换效率 (Fv/Fm) 下降, 但不同时期表现不一样, 孕穗期较迟钝, 开花期和灌浆期比较敏感, 特别在增温3℃时, 极显着低于对照。在孕穗期、开花期、灌浆期, 实际光化学效率 (ΦPSⅡ) 随着温度的升高而降低, 高温限制了春小麦的光化学效率。春小麦超氧化物歧化酶 (SOD) 、过氧化氢酶 (CAT) 、过氧化物酶 (POD) 和抗坏血酸过氧化物酶 (APX) 随温度升高而提高, 增温使春小麦抗氧化能力有一定的提高 (王鹤龄, 2013) 。
CO2浓度增加有利于作物株高和叶面积指数增加。当大气中CO2浓度增加250μL·L-1后, 春小麦株高和叶面积指数 (LAI) 在拔节期FACE处理与对照区虽有差异, 但没有达到显着水平 (P>0.05) ;从抽穗期以后, 株高显着增高, LAI显着增大 (P≤0.05) 。CO2浓度增加有利于半干旱区春小麦植株长高和LAI增大 (张凯, 2016) 。
3、 气候变暖对作物生育期的影响
增温使西北春小麦生育期缩短。增温0.5~2.5℃, 宁夏引黄灌区春小麦全生长期缩短1~22 d;增温2.0~2.5℃, 全生育期缩短18~22 d。CO2浓度升高春小麦的生殖生长阶段延长。当前浓度下春小麦从播种~成熟的全生育期为143 d, CO2浓度升高250μL·L-1后, 生育期天数平均延长了5 d, 共148d, 其中主要是灌浆-乳熟期延长了4 d, 为变化极明显的一个生育时期 (肖国举等, 2011a;张凯等, 2014) 。
气温增高使冬小麦越冬停止生长时段缩短, 返青后营养生长期加快, 全生育期缩短。近30多年来, 随着气候变暖, 西北冬小麦播种期推迟2~3 d·10 a-1;返青期提前4~5 d·10 a-1, 开花期和成熟期提前5~6 d·10 a-1。冬小麦越冬期缩短5~6 d·10a-1、全生育期缩短7~8 d·10 a-1 (姚玉璧, 2012) 。
气候变暖使玉米播种期提前2 d, 灌溉区玉米营养生长期变化不大, 但生殖生长期延长6 d, 全生育期延长6 d;雨养区玉米受暖干气候共同作用, 营养生长期提早4~5 d, 生殖生长期提早6~7 d, 全生育期缩短6 d (姚玉璧等, 2013) 。
由于气候变暖, 甘肃省冬油菜播种期20世纪90年代较20世纪80年代推迟7~13 d, 冬季越冬停止生长期也推迟16~24 d, 返青期提前8~12 d, 甘肃省冬油菜全生育期缩短17~32 d。陕西省作物生育期热量资源增加, 其中, 冬油菜生长发育期≥0℃积温的增速为12.8℃·10 a-1, 油菜全生育期平均缩短4 d。
气候变暖使西北棉花播种期提前5~12 d, 营养阶段提前;棉花开花期提前4~12 d, 停止生长期推后6~9 d, 生殖生长阶段延长6~12 d, 棉花全生育期延长14~18 d (张强等, 2012) 。
气温增高, 马铃薯花序形成期提早8~9 d·10a-1, 开花期提早4~5 d·10 a-1, 花序形成至可收期延长了9~10 d·10 a-1, 马铃薯全生育期也延长9~10 d·10 a-1 (姚玉璧等, 2010a;张凯等, 2012) ;胡麻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 (姚玉璧等, 2011) 。
4、 气候变暖对作物产量及种植区的影响
研究表明, 冬小麦越冬死亡率与冬季≤0℃负积温呈显着相关, 冬季增温, ≤0℃负积温逐年减少, 冬小麦越冬风险大大降低 (Xiao et al., 2008, 2010) 。甘肃省陇东区域冬小麦越冬死亡率降低速率为2.4%·10 a-1, 至1994年以后, 冬小麦越冬死亡接近于0。但拔节-开花期气温对产量影响为负效应, 此时段气温对冬小麦产量影响的敏感阶段, 旬平均气温每上升1℃, 冬小麦产量下降10~15 g·m-2。
土壤贮水量对冬小麦产量及其构成要素的影响更为显着。土壤贮水量增加, 千粒重、穗粒数增加, 不孕小穗率下降, 产量提高。拔节期2 m深度土壤贮水量与千粒重呈极显着相关, 其贮水量每增加10mm, 千粒重提高0.8 g。气温升高、降水减少导致土壤贮水量明显减少, 气候产量下降。20世纪90年代以来, 甘肃河东区域土壤贮水量明显下降, 导致冬小麦气候产量下降, 冬小麦气候产量20世纪90年代比80年代下降了125.7% (邓振镛等, 2011) 。
气候变暖使冬小麦最适宜栽培区域缩小, 不适宜种植区也缩小, 适宜栽培区域、次适宜栽培区域、可种植区却快速扩大, 适宜种植区域西移北扩。近30多年来, 西北东部冬小麦适宜种植区域向北扩展了50~120 km;甘肃冬小麦西伸尤为明显。冬小麦种植海拔上限提高200 m左右, 从1900 m提高到2100 m;适宜种植面积扩大20%~30%;宁夏自治区冬小麦海拔也上升明显, 种植面积快速扩大;陕西省自1985年来, 冬小麦种植界限北移西伸, 目前, 全省大部分区域均能种冬小麦 (张强等, 2015;吴乾慧等, 2017) 。
气候变暖使春小麦成熟期提前、气候产量下降、适宜种植区域和面积减少。不增加灌溉量时, 增温0.5~2.5℃, 春小麦减产0.5%~18.5%;增温2.0~2.5℃, 减产16.5%~18.5% (王鹤龄等, 2015) 。宁夏引黄灌区气温上升, 其突变发生在1988年, 气温突变前的1961—1988年气温对春小麦产量的影响系数为0.0269, 突变后的1989—2004年气温对春小麦产量的影响系数为0.0081, 突变后影响系数下降, 春小麦气候产量突变前为84.8 kg·hm-2, 突变后为39.8 kg·hm-2, 气候变暖对春小麦产量的贡献率为-2.6%, 气候变暖使宁夏区域春小麦气候产量下降 (刘玉兰等, 2008a) 。
气候变暖、变干, 使西北半干旱区春小麦最适宜种植区域缩小, 适宜种植区也缩小, 不适宜种植区扩大;半湿润区春小麦适宜种植区扩大, 不适宜种植区缩小。甘肃省春小麦种植海拔上限也提高100~200m, 春小麦种植海拔上限达2800 m (王鹤龄等, 2017) 。
气温升高对玉米增产有正效应、玉米适宜种植区扩展 (张强等, 2008) 。甘肃省河西灌区玉米气候产量与≥10℃积温呈显着正相关 (P<0.01) , 气象因素对玉米产量的贡献率在52%~60%, 其贡献率超过其它因素对产量的贡献率。甘肃省河西气温突变点在1991年, 气温突变后的气候产量较突变前增加了124%~301%。宁夏灌区玉米产量与各生育期平均最高气温呈正相关, 气温升高, 玉米产量增产。该区域1981—1993年气温对玉米气候产量的影响系数为0.0329, 而1994—2004年气温对玉米气候产量的影响系数为0.0382, 提高了0.0053。1994—2004年平均最高气温较1981—1993年升高0.5~0.6℃, 1994—2004年玉米气候产量较1981—1993年相应提高119.92 kg·hm-2 (刘玉兰等, 2008b) 。
而甘肃河东雨养农业区玉米气候产量与全生育期土壤贮水量呈极显着正相关 (P<0.001) , 与拔节-乳熟期土壤贮水量也呈极显着正相关 (P<0.001) 。气候变暖导致土壤贮水量下降, 玉米气候产量相应降低。
气候变暖使玉米最适宜种植区扩大, 次适宜种植区也扩大;玉米适宜种植区缩小, 可种植区也缩小;不适宜种植区域变化不大。玉米种植区向北扩展, 种植区上限海拔提高150 m左右, 玉米种植上限海拔提高到1900 m;玉米最适宜种植区海拔在1200~1400 m。品种向偏中晚熟高产品种变化 (张强等, 2012) 。
马铃薯属于喜凉作物, 气候变暖对马铃薯产量增加为负效应。气候变暖使马铃薯生长季延长、气候产量年际波动增大。长期定点观测研究表明 (姚玉璧等, 2016) , 马铃薯产量年际波动在温度愈高的地域波动愈大。马铃薯块茎膨大期气温与其气候产量呈显着负相关, 气温增高, 马铃薯产量下降。夏季高温易导致马铃薯块茎形成受阻, 薯块发育停滞, 造成畸形薯和屑薯率增加。
气候变暖, 马铃薯最适宜种植区和适宜种植区均缩小, 次适宜种植区和可种植区快速扩大。马铃薯种植海拔上限提高100~200 m, 种植海拔上限可到3000 m左右 (姚玉璧等, 2017) 。
气候变暖使棉花播种期提前、气候产量增加、面积扩大、品质提高。生长期积温对棉花产量有显着的正效应。近30多年来, 甘肃省河西棉花主产区棉花生育期≥10℃积温增加了131℃, 棉花裂铃至停止生长阶段≥10℃积温增加了30℃。棉花气候产量在20世纪90年代较80年代提高54.3%, 气候产量增加81.5 kg·hm-2;棉花霜前花增加了30%, 棉花衣分率提高2.0%, 品质提高 (邓振镛, 2005) 。甘肃省棉花种植面积扩大, 棉花适宜种植海拔上限提高了100 m, 棉花种植海拔上限达到1400 m。
气候变暖使冬油菜播种期推迟、气候产量增加、种植面积逐年扩大。由于冬季变暖, 冬油菜越冬死亡率下降, 丰产品种面积比例增大, 种植面积逐年扩大。冬季平均气温对冬油菜气候产量影响显着, 每升高1℃, 气候产量增加172 kg·hm-2。近30多年来, 种植带向北扩展约100 km, 种植高度提高150~200 m (蒲金涌等, 2006) 。
气候变暖使胡麻播种期提前, 气候产量下降, 胡麻气候产量与籽粒形成期 (6—7月) 平均气温负相关显着, 气温升高, 产量降低。气温每升高1℃, 甘肃中部胡麻产量下降2.6%、陇东胡麻产量下降2.1%、陇东南胡麻产量下降1.9%、河西胡麻产量下降1.5%。近30多年来, 胡麻适宜种植区扩大。适宜种植海拔上限提高100~200 m (姚玉璧等, 2006) 。
气候变暖使新疆农业热量资源更为丰富, 农作物潜在的适宜生长季延长, 两年三熟的种植区域北移扩大;使棉花的播种期提早, 全生育期延长, 产量提高;而冬小麦的播种期推迟, 全生育期缩短 (曹占洲等, 2013) 。
5、 气候变暖对林果、中药材的影响
气候变暖, 苹果的生长发育速度加快, 苹果果实成熟之前的发育期期均提前, 果实成熟后至果树叶变色阶段延长, 果树落叶期推后。根据1984—2005年观测数据表明, 甘肃陇东苹果叶芽开放期、展叶盛期和开花盛期线性拟合倾向率为7 d·10 a-1 (P<0.01) , 而叶变色、落叶期平均推后线性趋势倾向率均为5 d·10 a-1 (P<0.1) (蒲金涌等, 2008) 。
桃树休眠期缩短, 花芽萌动提前, 生育期间隔缩短, 整个物候期明显提前, 特别是早熟品种表现尤甚。桃树早熟种20世纪90年代物候期较80年代提前5~7 d, 2000—2005年比20世纪80年代提前10 d左右 (万梓文等, 2016) 。
苹果、桃、大樱桃气候产量与4月最低气温均呈显着正相关, 4月最低气温上升, 减少对果树花的冻害, 有利提高产量 (王润元等, 2015) 。花期温度升高、冻害减轻有利于果树产量的提高。
西北区域酿酒葡萄主产区中早熟品种生长发育期在170~180 d, 生育期≥10℃积温在3100~3400℃, 葡萄幼果出现至成熟期≥10℃积温在2150~2230℃。酿酒葡萄成熟期8—9月平均气温在2001—2007年较20世纪70年代增加了1.1℃, 积温相应增加, 使葡萄生长速度加快, 生长期缩短, 产量提高。葡萄果实含糖量积累阶段主要在8月, 其含糖量积累与≥10℃积温及气温日较差呈正相关, 积温增加, 气温日较差, 葡萄果实含糖量增加, 果品质量提高 (赵东旭等, 2015) 。
气温稳定通过10℃日期时移栽党参、黄芪、甘草、枸杞等中药材, 产量最高, 为最佳移栽期。历史观测资料表明 (王润元等, 2015) :中药材主产区气候变暖使稳定通过≥10℃初日提前, 党参根生长量与≥10℃积温、甘草鲜根重与≥15℃积温均呈显着正相关, 热量增加有利于中药材产量提高。
近30多年来, 气候变暖导致西北主产区桃树、大樱桃等果树以及党参、黄芪、甘草、枸杞等中药材种植高度提高100~150 m, 酿酒葡萄种植高度提高50~100 m, 优质种植区向西北扩展, 适宜种植区域扩大, 给西北地区发展果业和中药材提供了机遇。
气候变暖使新疆农业热量资源更为丰富, 冬季温度升高, 利于特色林果等安全越冬 (曹占洲等, 2013) 。
6、 气候变暖对作物品质及微量元素含量的影响
气候变暖已经显着地改变了西北地区小麦籽蛋白质、营养与非营养元素等品质指标。生长发育期平均气温每升高1℃, 春小麦淀粉含量下降1.6%, 而春小麦蛋白质含量却增加0.8% (王鹤龄等, 2015) 。
气候变暖将导致小麦籽粒中营养元素与非营养元素的含量发生变化, 直接影响小麦品质及食品安全。最高升温3℃处理使西旱1号、2号和3号小麦籽粒中镉 (Cd) 浓度相比对照分别下降43.4%、11.1%和13.4%, 铜 (Cu) 浓度相比对照处理分别下降了30.4%、25.1%和10.8%。但铁 (Fe) 和锌 (Zn) 的情况却不同, 1℃和2℃升温处理使西旱1号籽粒中锌 (Zn) 浓度比对照处理分别增加了28.9%和35.8%。随着全球气候变暖, 预计到2050年, 西北半干旱区域春小麦籽粒中铜 (Cu) 含量将保持在限量标准值安全范围之内, 而锌 (Zn) 将超过限量标准值27%, 镉 (Cd) 将超过限量标准值490% (李裕等, 2011) 。
3℃的升温处理导致马铃薯块茎中镉 (Cd) 、铅 (Pb) 、铁 (Fe) 、锌 (Zn) 和铜 (Cu) 浓度分别下降了27.27%、54.68%、41.18%、29.16%和22.62%, 1~3℃的升温处理使马铃薯叶片中铜 (Cu) 、锌 (Zn) 和铁 (Fe) 浓度分别提高4.68%~25.27%、6.04%~27.36%和6.35%~24.05%, 但叶片中镉 (Cd) 和铅 (Pb) 浓度却分别下降4.81%~10.58%和8.32%~20.21% (肖国举等, 2012) 。
气候变暖带来的食品营养品质的改变, 尤其是小麦非营养毒性元素镉富集对人体健康的潜在风险, 有必要进一步深入研究。
7、 气候变暖对农田生态环境的影响
温度升高导致土壤中养分分解速度加快, 土壤中有机质含量提高;但温度升高, 土壤酶活性下降。研究表明, 冬季土壤增温0.5~2.5℃与未增温对照土壤比较, 则增温土壤中有机质含量增加0.01~0.62 g·kg-1;而土壤过氧化氢酶活性下降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 (肖国举等, 2012) 。
增温使土壤盐化程度加重。近35年在宁夏引黄灌区开展土壤盐分定位观测, 该区域随着年平均气温的升高, 土壤中全盐含量呈显着增加趋势。其中, 轻盐化土壤中全盐增加了0.08 g·kg-1, 中盐化土壤中全盐增加了0.13 g·kg-1, 重盐化土壤中全盐增加0.19 g·kg-1 (肖国举, 2010) 。
增温使土壤p H值、总碱度增加明显。试验研究表明, 冬季土壤增温0.5~2.0℃与对照土壤比较, 土壤p H值提高0.14~0.39;冬季土壤增温1.0~2.5℃与对照土壤比较, 土壤0~60 cm层中总碱度上升0.01~0.03 cmol·kg-1 (肖国举, 2010) 。
研究表明, 冬季土壤增温后, 土壤中CO32-、HCO3-、Na+和Mg2+等离子向上移动聚集在表面, 导致土壤盐碱化增加。其机理主要是气候变暖加速了土壤水分蒸发, 水分蒸发带动土壤盐离子向地表移动, 导致耕作层土壤盐离子增加, 耕作层土壤盐渍化加重 (肖国举等, 2011b) 。
利用宁夏引黄灌区温度升高和土壤全盐变化的模拟研究表明 (肖国举等, 2011b) , 预测未来气温升高0.5~3.0℃, 该区域轻盐化土壤全盐、中盐化土壤全盐和重盐化土壤全盐分别提高0.03~0.17 g·kg-1、0.06~0.24 g·kg-1和0.09~0.32 g·kg-1。据此预计, 宁夏引黄灌区每年淋洗由于气候变暖引起的土壤盐分增加所需要的灌水量为1.29×108~1.40×108m3。
8、 气候变暖对农业气象灾害及病虫害的影响
受气候变暖影响, 西北地区≥30℃以上的高温天数逐年增加, 1996年以来增加明显, 高温灾害加剧。近50年来, 西北干旱频率、强度、受灾面积增加, 旱灾损失加重。春、秋季干旱发生的频次增加, 夏季干旱发生频次下降, 春、秋干旱多于夏旱, 特重旱多出现在春季。根据全球气候系统模式的预估结果, 模拟分析表明, 到2100年, 甘肃省的干旱灾损的风险值将会由目前的10.6%增加到12.6%~31.5%, 即甘肃省未来气候变化情景下农业干旱灾害综合风险会呈持续上升趋势。西北区域干旱灾害频率增加, 危害加重 (张强等, 2017) 。
西北霜冻初日略有推迟, 结束日提前, 无霜期逐年沿长, 霜冻频率减小、强度增加, 灾害损失有加重趋势。初霜冻日出现最早是青海高原西南部, 向北逐次推迟, 东南部的陕西省出现最晚。终霜日结束最早的为西北区东南部, 最晚的是在青海高原西南部。西北无霜期从东向西南逐渐缩短。≤-10℃、≤-20℃的低温天数在减少, 低温对作物、果树越冬及设施农业的危害减轻 (陈少勇等, 2013) 。
西北干热风灾害呈加重趋势。甘肃省6—7月干热风次数逐年增加, 其中, 1961—1975年为干热风多发阶段, 1976—1989年为干热风偏少阶段, 1990—2006年干热风增多阶段。宁夏灌区、柴达木盆地干热风对气候变暖的响应也有类似结果。干热风次数与同期平均温度指标、蒸发量呈显着正相关 (张强等, 2012) 。
西北冰雹灾害年际变化地域差异较大, 一些区域冰雹灾害次数呈增加趋势, 而有些区域呈波动变化, 部分区域呈减少趋势。
甘肃省马铃薯主产区晚疫病表现为增加趋势特征。马铃薯主产区晚疫病发病率逐年上升显着, 其年际变化曲线线性拟合倾向率为0.355%·10 a-1 (姚玉璧等, 2009, 2010b) 。统计分析表明, 马铃薯主产区晚疫病发病率与马铃薯生育期主要气象要素如相对湿度、降水量和气温表现为正相关关系, 而与生育期日照时数、平均风速表现为负相关关系。
西北区域玉米田棉铃虫危害也表现为加重趋势。冬季气温升高, 导致虫蛹越冬基数增加, 虫蛹越冬界限北移, 春季气温升高, 使棉铃虫羽化期提早, 繁育和危害期也相应提早, 棉铃虫危害时段延长。研究表明, 棉铃虫幼虫发育起点温度8~9℃, 蛹期发育起点温度12~13℃。由于气候变暖, ≥10℃积温増加, 玉米田棉铃虫生育周期加快, 生育代数增加, 危害加剧 (邓振镛等, 2012) 。
气温升高使红蜘蛛的发生和蔓延加剧。观测表明, 甘肃省武威市在1991年之前未观测到红蜘蛛危害;在1991—1998年观测到红蜘蛛危害年平均面积0.1×104hm2;而1999年开始红蜘蛛危害急剧增加, 在1999—2006年红蜘蛛危害年平均危害面积2.9×104hm2 (邓振镛, 2012) 。
大田模拟试验表明, 在半干旱地区, 随着温度的升高, 春小麦蚜虫呈先增后减趋势, 而条锈病发病率呈上升趋势。蚜虫数量与温度增加呈二次抛物线型关系, 其临界温度是增温1.3℃;条锈病的发病率与温度增加呈指数曲线关系, 温度平均升高1℃, 条锈病发病率上升10.5% (邓振镛, 2012) 。
气候变暖对西北旱作农业已经产生了诸多影响, 利弊兼有。总体来看, 变暖的影响利大于弊, 开发利用变暖的气候资源、减小不利影响将有助于西北农业的可持续发展。
9、 研究不足之处
气候变暖对西北旱作农业及农业生态影响研究取得了重大进展, 为应对气候变化奠定了一定的基础, 但仍存在以下不足。
(1) 气候变化对作物生长发育、产量形成影响的研究大多基于大气增温、水分变化和CO2浓度升高等单因子或双因子的影响研究, 缺乏交互协同影响研究, 在长期、多因子的综合模拟及观测试验等方面进展不足, 制约着气候变化对西北粮食安全影响的全面认识。
(2) 气候变化对作物生理生态、品质和耕作环境的研究尚不够深入和系统化, 如气温升高、土壤水分变化和CO2浓度倍增等多因素交互作用对主要作物碳交换过程, 包括光合作用和呼吸作用过程以及胞间二氧化碳浓度变化等;水分生理生态过程, 包括蒸腾速率变化、气孔导度变化、水势梯度、叶片水平水分利用效率和产量水平水分利用效率等;以及品质变化等的影响, 需要通过综合模拟, 系统观测试验深入研究。
(3) 气候变化对农业气象灾害和农业病虫害的影响及其与农业产量的相互作用研究不够深入, 气候变化对农业气象灾害和农业病虫害强度、频率和持续性特征的影响机理有待进一步加强, 气候变化对农业气象灾害和农业病虫害与农业生产的定量关系需要进一步深化。
(4) 气候变暖背景下农业气象灾害风险变化特征及其评估尚不够全面系统。如何全面认识农业气象灾害风险特征及其形成机制, 动态、定量、全面地评估农业气象灾害风险需要进一步深入研究。
1 0、 气候变化对西北农业与农业生态影响研究展望
IPCC第五次评估报告预估, 采用“典型浓度目标”情景, 用全球变化评估模式 (GCAM) 模拟, 在中低排放情景 (RCP4.5) 下, 当2100年后辐射强迫稳定在4.5 W·m-2, 大气CO2浓度稳定在650 m L·m-3左右。全球地表平均温度与1986—2005年对比, 预计2016—2035年全球平均地表温度将升高0.3~0.7℃;2081—2100年升温可能在1.1~2.6℃范围 (IPCC, 2013) 。热量将从海表传向深海, 并影响海洋环流;高温热浪、干旱、强降水等极端事件发生频率将增加, 干的区域变得更干 (秦大河, 2014) 。气候变暖的影响将产生不可逆转的效应 (IPCC, 2014) 。与20世纪末比较, 全球地表平均气温上升≥2℃, 将对热带区域和温带区域的小麦、玉米和水稻等主要粮食作物生产造成负效应;全球地表平均气温上升≥4℃, 则对全球粮食安全产生重大负效应 (郑冬晓, 2014;周广胜, 2015) 。
气候变化对西北农业与农业生态的影响研究关系到西北区域应对气候变化战略, 关系西北区域粮食安全与生态安全, 需要针对气候变化背景下西北农业面临的挑战和资源特点, 开展针对性研究, 及时采取应对气候变化策略, 为西部农业高产、优质、高效、生态、安全和可持续发展提供科技支撑。
(1) 充分利用模拟试验观测手段, 揭示气候变化多因子综合效应对主要农作物的影响。随着科学技术创新和综合试验研究手段的进一步发展, 气候变化对作物影响研究的模拟试验条件也将进一步完善。充分利用综合试验模拟观测手段, 如红外辐射增温试验与CO2-FACE试验 (CO2free-air concentration enrichment) 结合、改进新型OTC (open-top chamber) 结合温室、人工气候室等模拟控制试验, 开展增温、水分条件变化和CO2浓度升高交互综合作用对主要农作物生长发育产量形成的影响, 结合长序列田间观测资料分析、作物模型模拟方法, 研究气候变化背景下气温增高、CO2浓度增加、水分胁迫等的综合影响效应, 深入研究气候变化因子影响的机理和阈值, 揭示主要农作物对气候变暖, CO2浓度增加、水分胁迫等响应的特征。
(2) 紧盯国际前沿, 深入研究气候变化对主要作物生理生态的影响。气候变化对作物生理反应过程与生态环境的影响研究是全球变化研究的重要领域, 也是国内外相关学者关注的热点课题之一 (Moreno-Sotomayor et al., 2002;Awada et al., 2003;Damesin, 2003;叶子飘, 2010) 。分析大气增温、CO2浓度升高和水分变化对作物光合作用、呼吸作用和胞间CO2浓度等碳交换的影响特征, 模拟植物光响应过程 (Ye, 2007;Ye et al., 2012;闫小红等, 2013) , 揭示净光合速率与光合有效辐射通量密度之定量关系, 确定植物光响应曲线特征及其叶片光合能力重要参数。分析研究水分生理过程, 作物蒸腾、叶片气孔导度、作物水势梯度、叶片水平及产量水平水分利用效率对气候变化的响应特征及其机理 (Ainsworth, 2008;Ali et al., 2004;Asseng et al., 2004;邵在胜等, 2014) 。揭示气候变化对作物品质与痕量元素及其土壤环境等的响应特征 (吴杨周等, 2016) 。
(3) 围绕问题导向, 开展农业气象灾害对气候变化的响应特征研究。研究气候变暖背景下, 农业气象灾害变化及其对作物的影响特征, 揭示高温、干旱、洪涝、霜冻、低温冷害等农业气象灾害对作物生理、产量和品质的影响与机制, 开发农作物生育期天气气候条件、农业气象灾害对作物生育、产量和品质影响评估技术方法和系统模型, 建立基于不同区域、不同作物的农作物生长发育农业气象指标体系。
(4) 针对农业气象灾害危害, 开展农业气象灾害风险评估与应对研究。各类灾害的风险分析方法是研究具有不确定性系统的有效技术途径, 农业气象灾害种类繁多, 形成机理复杂, 不确定程度较高, 区域差异显着。因此, 将灾害风险理论应用于西北农业气象灾害风险研究非常迫切 (姚玉璧等, 2013;张强等, 2017) , 充分应用灾害风险理论最新进展和成果, 应用灾害风险量化、风险评价技术结合农业气象灾害损失, 研究农业重大气象灾害的风险识别技术, 揭示致灾因子危险性, 孕灾环境敏感性, 承灾体暴露度和脆弱性特征, 开展农业气象灾害风险评估, 提高风险等级评估可靠性与可信度, 给出动态、定量的不同区域农业气象灾害风险分布结论, 提出分层次风险应对策略与防御措施。
(5) 结合区域资源特征, 开展精细化动态农业种植区划及结构布局研究。围绕西北主要粮食作物和经济作物, 通过田间试验和长序列定位观测, 研发基于气候资源的精细化农业气候区划指标体系, 建立年际尺度精细化动态农业种植区划。研究适应气候变化的作物布局结构和种植制度, 揭示气候变化背景下, 西北作物布局结构和种植制度变化特征, 基于高分辨率地理信息系统, 给出适应气候变化的农业结构调整方案和农业种植制度优化方案。为应对气候变化提供科学依据。
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