全球气候变化的现状与发展趋势

全球气候变化的现状与发展趋势

气候变化及其影响越来越受到重视。农业生产作为一个与自然因素有关的社会活动，深受气候变化的影响，尤其是相对较弱的生态环境地区。我国北方干旱半干旱地区,近年来气候变化较其他地区更为显著,生态环境也更显脆弱。研究气候变化对这些地区农业生产的影响,可以为该地区农业生产的趋利避害,开展有效的适应活动提供一定的参考。石羊河是甘肃省河西走廊第三大河,位于101°41′～104°16′E,36°29′～39°27′N,是中国西北内陆河区灌溉农业发达、水资源开发利用程度最高、生态环境问题最严重、水资源对经济社会发展制约性最强的区域。大凌河是辽宁省西部最大的河流,位于118°46′～121°50′E,40°28′～42°38′N,受气候因素和人为过度开采的影响,流域水资源严重短缺,该流域地区已成为辽宁省最干旱地区之一,素有十年九旱之称,近年来枯水期部分河段断流现象时有发生,导致供水能力进一步降低,水分需求矛盾日益尖锐,生态环境严重恶化。由于水文地质和气候条件等影响,石羊河、大凌河流域内主要以“灌溉农业”、“绿洲农业”为主,农业的发展必须依赖于灌溉,没有水资源开发利用工程和相应的灌溉体系,难以维持和发展,石羊河自古以来,就有“非灌不殖”之说,而大凌河农业灌溉用水占总用水量的一半还多。玉米是我国重要的粮食和饲料作物,也是这2个流域内重要的粮食作物。石羊河流域武威市凉州区万亩连片示范区,玉米单产达14557.8kg/hm2,曾创中国玉米大面积高产纪录;同样玉米也是辽宁省的第一大粮食作物。未来气候变化将对石羊河、大凌河流域灌溉玉米生产造成影响,探讨气候变化对这2个流域灌溉玉米的影响,不仅能为2个流域未来农业生产提供一定的参考,而且对研究生态脆弱区未来农业生产状况有科学意义。1材料和方法1.1石羊河流域、大凌河流域概况在每个流域中各选取农业气象观测资料齐全的2个站点作为代表,石羊河流域选取武威和民勤站,大凌河流域选择阜新、朝阳。站点的位置如图1所示。1.2未来温室气体排放方案流域内的气候由区域气候模式PRECIS模拟获得。PRECIS由英国Hadley中心开发,以HadAM3H大气模式为边界条件,以大气中的温室气体浓度为趋动,可以模拟出选定区域内50km×50km网格的逐日最高温、最低温、降水量、太阳辐射等二十余项气象指标。为了评估不同社会经济发展情况下气候变化的影响,研究中选用IPCCSRESA2和B2温室气体排放方案来趋动PRECIS模式。SRES是IPCC基于未来的多种可能的发展模式,专门整理和修订的未来温室排放方案,每种排放方案与未来不同的社会发展模式相对应。其中A2代表未来中-高排放,即维持目前发展状况下的排放情况;B2代表中-低排放方案,即实现可持续发展下的排放情况。通过这两种排放情景的选择,可以帮助我们评估在最坏的和理想的发展模式下未来气候变化的影响。模拟时,以PRECIS模拟的1961-1990年历年的逐日最高温、最低温、降水和辐射等气象信息作为基准时段(BS),代表当前气候;由2种排放方案(A2和B2)分别驱动模拟得到的2071-2100历年的逐日气象信息,代表未来远期(2080s)的气候变化状况。受工作量限制,2011-2070历年的逐日气象信息,由时间降尺度方法计算得出,分别作为近期(2020s:2011-2040年)和中期(2050s:2041-2070年)的气候状况。未来2个流域各时段气候情景对应的CO2浓度、年均温和降水的变化见表1。1.3模型模拟的校准和验证本文选用CERES-Maize来模拟流域气候变化情景下玉米生长。该模型以一日为步长模拟玉米的生长发育过程和产量,有关文献对此进行了详细描述。为了了解模型模拟效果,首先对模型在4个模拟站点进行校准和验证。采用模型提供的GENCL模块、利用试错法对模型的品种参数进行站点校准,利用中国气象局资料中心提供的1990年田间试验观测数据进行校准,以1991-2000年试验数据进行验证,结果表明,该模型模拟效果较好(模拟的相对误差<15%),模型可以反映玉米生育期和产量的变化趋势。1.4玉米生长发育和产量的模拟将基准时段(BS)、A2、B2气候变化情景下,区域气候模式模拟输出的4个模拟点所在的50km×50km网格的当前和未来近、中、远期的历年逐日天气数据,分别输入到校准后的CERES-Maize模型,模拟了4个站点玉米生长发育和产量状况。模拟的土壤数据来源于中国土种志。模拟中的肥料管理设为无胁迫状态,水分管理设为自动灌溉方式,即当土壤有效含水量小于60%时进行定量灌溉(20mm),而其他管理和品种数据由校准过程确定。以30a为一个时段,通过比较BS、A2和B2气候情景下各时段玉米生长发育变化,来评价气候变化的平均状态对玉米生产的影响;采用变异系数(Cv)来反映玉米生产的年际变化,以考察气候变率对玉米生产的影响。2结果分析2.1民法种植不同时期310月石羊河、大凌河流域1010月图2反映了2个流域未来灌溉玉米生育期的变化情况,结果表明,未来气候变化均将缩短石羊河、大凌河流域灌溉玉米生育期,这可能与未来2个流域玉米生育期内积温增加有关。从预测结果来看,玉米适宜种植期内(4～10月),石羊河、大凌河流域≥10℃积温在A2情景下分别增加了350～1200和290～1080℃,B2下分别增加了390～900和370～900℃,由于A2情景积温增加更明显,因此A2情景比B2生育期减少更多。未来玉米生育期缩短,将可能引起高温逼熟,产量积累不足等问题,导致未来产量、甚至品质下降,为农业生产带来一定程度的减产,但同时也为这些地区选择晚熟品种和播期的调整提供了可能。2.2不考虑肥效的情况下玉米的产出风险bs图3表示未来各时段玉米单产分布状况,未来石羊河流域民勤地区(图3a)两种情景各时段与BS相比,玉米单产波动范围明显增加,极端产量出现的概率加大,单产中值所集中的位置有所降低,即未来该地区玉米稳产和低产风险将增加,生育期缩短而导致的生育期内光合有效辐射量减少可能是造成减产的原因之一。两种情景相比,A2情景下各时段产量下降更加明显,当不考虑CO2肥效时,2080s产量中值最大降幅达-26%左右,B2情景下降最大达-10%。如果考虑肥效作用,降低的幅度又有所缓解,肥效对产量降低的减缓作用最大可达6%。武威(图3b)与民勤相比,未来单产分布范围更广,极端值,尤其是极端低产出现概率更大,但单产中值变化不明显,2种情景差异也不明显(如果考虑肥效,A2下单产中值变化幅度在-4%～4%之间,B2在-9%～-3%之间;如果不考虑肥效A2下为-3%～4%,B2下为-13%～5%),这个结果说明未来该地区玉米的稳产风险会变大,如何减少产量的年际波动将可能成为该地区玉米生产主要考虑的问题之一。未来大凌河流域朝阳和阜新地区(图3c、3d)玉米单产分布与石羊河流域相似,表现为玉米极端单产出现概率增大,单产中值有所下降,且比石羊河流域减产更多。当不考虑肥效时,朝阳和阜新A2情景下最大减产分别达-30%和-29%,B2分别达-22%和-23%,如果考虑CO2肥效,A2最大下降分别达-24%和-25%,B2分别达-20%和-19%。可见,未来石羊河和大凌河2个区域,气候变化将增加玉米低产概率和稳产风险,为玉米生产带来一定的不利影响,这种影响在A2情景下更明显。2个流域中,大凌河流域受到冲击更大,CO2肥效作用可以在一定程度上缓解其负面影响。在石羊河和大凌河流域分别选取了民勤和阜新站点,进一步分析了未来灌溉玉米的稳产风险。图4是BS、A2、B2情景下2080s时段30个样本年(2071-2100年)单产的年际波动情况。可见,民勤(图4a,4b)A2、B2情景下单产的波动有相似趋势,与BS相比,A2和B2情景下,平均单产有所降低,年际间变异率加大,BS情景下30个样本年的变异系数为7.4%,如果不考虑CO2肥效作用(图4a),A2和B2气候情景下Cv分别为11.4%和25.8%,尤其是B2情景下,波动更剧烈,最低产量(2075年)仅为最高产量(2088年)的39%左右,如果考虑CO2(图4b),Cv分别为11.1%和10.4%。可见气候变化不仅降低灌溉玉米的单产,也加大了单产年际波动,增加了稳产风险,CO2肥效作用在一定程度上可以降低这种风险。阜新地区(图4c,4d)2080s时段的30个样本年(2071-2100年)单产年际变化趋势与民勤地区相似,与BS条件相比,A2和B2气候情景下也均表现为平均单产降低,年际间变异率加大,如果不考虑CO2肥效作用(图4c),A2和B2气候情景下Cv分别为16.9%和17.0%,如果考虑CO2(图4d),Cv分别为16.0%和16.8%,说明在大凌河流域也同样面临着低产和稳产风险增大的问题,为未来该地区的玉米生产带来一定程度的不利影响。2.3个流域玉米实际蒸散量与未来能源方案的关系模型中利用Priestley-Taylor公式计算出日潜在蒸散量,根据当日模拟的玉米叶面积系数值调整日潜在蒸散量,计算出日实际蒸散量,生育期内日实际蒸散量之和即为玉米生育季内的实际蒸散量。未来石羊河流域民勤地区玉米实际蒸散量总体上表现为逐渐下降趋势(图5a),A2情景降低幅度较B2情景更明显,考虑CO2肥效后,最大降幅A22080s时段可达-20%左右,如果不考虑CO2肥效作用,最大降幅A22080s则不超过-7%。武威地区实际蒸散量的变化趋势与民勤地区略有差异(图5b),如果考虑到CO2肥效作用,两种情景总体而言都表现出下降趋势(除A22020s时段增加约4%外),B2情景各时段较A2同时段相比下降相对更明显(最大降低幅度为B22080s时段-12%左右),但较民勤地区下降幅度相对要小,这可能是由于两个地区未来气候变化状况差异造成的。如果不考虑肥效作用时,B2情景依然表现微弱的下降趋势,变化幅度为-6%～1%之间,而A2情景则各时段有5%～8%的增加。大凌河流域朝阳和阜新地区未来玉米实际蒸散量的变化趋势基本一致,两者的变化幅度也相差不大,如果考虑CO2肥效,都表现为逐年减少的趋势(图5c,5d),其中未来中、远期减少更明显,A2情景降低更明显,朝阳地区降幅最大为A22080s可达-23%,阜新则为-24%左右。如果不考虑CO2肥效作用,两种情景略有降低,A2情景朝阳地区最大在-8%左右,阜新在-9%,B2情景朝阳地区降幅在-5%左右,阜新则为-7%。综上可见,未来石羊河和大凌河流域玉米实际蒸散量的变化总体上表现出降低趋势,这与未来这2个流域气候变化状况有一定关系,根据预测,未来两个流域太阳辐射有降低的趋势(石羊河流域A2降低幅度在-0.89%～-4.69%,B2则-0.64%～-4.19%,大凌河流域A2为-0.65%～-2.87%、B2则-0.44%～-1.34%)。此外2个流域如果考虑CO2肥效后,玉米的实际蒸散量减少更明显,说明CO2肥效可以降低玉米实际蒸散量,有利于提高玉米的水分利用效率。前人研究也有相似的结果,认为玉米有较高的叶片气孔阻抗,且叶片气孔阻抗随着CO2浓度的增加而线性增加,在高CO2浓度条件下,玉米的水分利用效率将可以明显提高,因此A2情景下这种作用相对更明显,实际蒸散量降低更多。总之未来2个流域玉米实际蒸散量均有一定程度的减少,可以节约部分农业灌溉用水,将有利于2个流域玉米生产。考虑了未来2个流域玉米生育期内降水量对实际蒸散量的满足程度后,未来玉米生育期所需的灌溉量变化如图6。未来石羊河流域民勤地区,如果考虑CO2肥效,玉米灌溉用水量总体表现为逐年减少的趋势(图6a),其中未来中、远期减少更明显,A2情景降低更明显,最大约达-30%。如果不考虑CO2肥效,灌溉量除在个别年份略有增加(A22020s)外,总体来说趋于减少,幅度在-7%以内。武威地区玉米灌溉量变化与民勤地区略有差异,如果考虑CO2肥效,除A22020s时段增加约11%外,其余各年份均表现为减少趋势(图6b),减少幅度与同时段民勤相比也略低,这可能与该地区的实际蒸散量和降雨量的变化有关。如果不考虑CO2肥效,A2情景灌溉量将增大,增幅在4%～18%范围内,B2情景各时段基本不变或略有减少,在-7%以内。大凌河流域朝阳和阜新地区未来玉米灌溉量变化趋势基本一致,如果考虑CO2肥效,都表现为逐年减少的趋势(图6c,6d),其中未来中、远期减少更明显,A2情景降低更明显,朝阳最大降幅A22080s可达-31%,阜新则为-28%左右。如果不考虑CO2肥效作用,A2情景略有降低,朝阳地区降幅在-6%～-8%之间,阜新在-5%左右,B2情景各时段基本不变或略有增加,变化幅度不超过3%。综上可见,未来石羊河和大凌河流域玉米灌溉用水总体上表现出降低趋势,这与未来2个流域降水量(预测表明,未来2个流域年降水量将有增加的趋势,石羊河流域年降水量约增加A2:8%～31%、B2:7%～19%,大凌河流域则约增加A2:6%-29%、B2:6%～22%)以及实际蒸散量变化有关。总之未来2个流域玉米灌溉量将会在一定程度减少,为玉米生产带来有利影响,也为扩大灌溉玉米生产面积提供了可能。3结果与讨论3.1生产经济效益变化通过上述模拟结果可以看出,未来气候变化无论是中-高气体排放的A2情景还是中-低气体排放的B2情景,石羊河、大凌河2个流域灌溉玉米单产都将降低,为生产带来不利影响;但同时灌溉用水量可能减少,在一定程度上可以减少种植成本投入,那么未来玉米生产效益将发生什么样变化?研究对此进行了初步估算。假设未来玉米籽粒的价格、收购价格与目前(2006年)持平,考虑了未来气候变化后,灌溉水量以及单产的变化,估算出各情景各时段未来玉米生产经济效益变化,见表2。从估算结果来看,未来气候变化对2个流域灌溉玉米的影响弊大于利,给玉米生产带来一定的经济损失,如果不考虑肥效作用这种负面影响更大。从2个流域来看,石羊河流域民勤和武威地区的收益有一定差异,规律不明显,近期民勤地区A2情景比武威地区受冲击小,B2情景下比武威受害更重;远期情况相反,这可能与两个地区未来的气候变化情况有关。大凌河流域朝阳和阜新地区收益变化趋势明显,且一致:在近期2020s时段受到冲击较小,2080s远期受到的冲击更大,A2情景在近期2020s时段表现出一定的优势,但在远期B2情景优势更明显。两种情景相比,两个流域都表现出B2情景在中远期优势明显。然而此结论还比较初步,如果考虑到未来肥料价格、种子价格、耕作措施等因素波动,这种经济收益将进一步变化,都有待进一步研究。3.2未来措施可采取的调整措施结合模拟结果及2个流域未来的气候变化特点,提出了2个流域玉米生产的应对措施:(1)适时缩短播期以减轻生育期压力未来气候变化后,各种管理措施上可以做适当的调整。从预测结果来看,由于积温条件的改变,未来2个流域玉米的生育期将会缩短,因此可以调整播期:如可以适当推迟播期,使成熟期避开高温时段,缓解因生育期不足带来的负面影响。此外,气候变化后,可以因地制宜选择适应未来生产的品种,比如单从未来生育期缩短来看,这种变化就为选择中、晚熟品种提供了可能,同时在管理上实行晚播晚收技术,利用适宜生育期内增加的积温,提高玉米产量。(2)玉米实际生产面积预测在石羊河、大凌河流域,灌溉对作物产量的形成起着至关重要的作用。从预测的结果来看,未来气候变化后,玉米的实际蒸散量和灌溉用水有减少趋势,如果未来2个流域发展和推广节水灌溉方式,将节约更多的农业用水,扩大玉米生产面积将成为可能。3.3模拟过程的不确定性本研究中还存在一定的不确定性。它的主要来源之一是气候变化情景的不确定,虽然IPCC的SRES的排放方案和社会经济情景比较全面地描述了未来可能的社会发展方向及温室气体排放情况,但经由它驱动的区域气候模