氣候變化對河西綠洲農業的影響及對策

姚玉璧 ，劉吉寧，張民，趙繼鋒，李強，李東林，李裕，張秀云

1.蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730021；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020；3.西北民族大學，甘肅 蘭州7 30000；4.甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000

近百年來隨著全球氣候變暖，全球地表氣溫在1880—2012年間升髙了0.85 ℃（0.65—1.06 ℃），其變化趨勢傾向率為0.065 ℃·(10 a)-1（0.050—0.082 ℃·(10 a)-1）；在1951—2012年間全球地表氣溫的趨勢傾向率為0.12 ℃·(10 a)-1（0.08—0.14 ℃·(10 a)-1），是近130年來的2倍（IPCC，2013）。全球氣候變暖對農業生產、水資源、生態環境等構成重大影響（IPCC，2014）。

氣候變暖造成玉米、小麥和大豆等農作物營養生長期縮短，全生育期縮短；棉花、馬鈴薯和胡麻等農作物生殖生育期延長，全生育期延長（張強等，2015；姚玉璧等2018a）。高溫會影響作物的植株形態、解剖、生理和生物化學變化，進而影響作物生長發育，導致生物量積累減少，經濟產量下降（Wahid et al.，2007）。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）。氣候變暖使農業氣象災害發生頻率、強度及其時空特征發生改變，干旱、高溫、干熱風等農業氣象災害的頻率增加，強度增大，極端性增強，危害加重，作物病蟲害增加（張強等，2012；姚玉璧等，2017，2018b）。

河西走廊綠洲地處甘肅西部，東起烏鞘嶺，西接新疆維吾爾自治區，屬于溫帶大陸性干旱氣候，河西走廊綠洲區是中國西北內陸著名的灌溉綠洲農業區，西北地區最主要的商品糧基地和玉米等作物育種基地，也是西北棉花等經濟作物主產區。1961—2008年，河西綠洲區域平均氣溫均呈顯著上升趨勢；降水呈增加趨勢（張強等，2012）。綠洲作為干旱區內主要的生態系統，是人類活動對自然生態系統介入、改造、干擾和影響程度較大的區域。塔里木盆地邊緣綠洲的現代氣候變化趨勢為波動式暖濕特征，南北緣綠洲有緩慢向暖濕轉化的跡象，對極端干燥的塔里木盆地邊緣綠洲生態環境的改善和農業生產有積極的影響（謝姆斯葉·艾尼瓦爾等，2013）。氣候變暖提高了葉爾羌河平原綠洲的農業氣候資源優勢，使棉花播種期提前、秋霜期推遲、作物生育期延長，單位面積經濟產量提高，氣候變暖一定程度上有利于該區域農業生產（張雪琪等，2018）。

農業是對氣候變暖響應最為直接且敏感的行業，氣候變暖對農業生產的影響是多方面的。為此，分析河西綠洲區域氣候變化特征，揭示氣候變化對綠洲生態系統及農作物生長發育、農業種植結構、農業氣象災害等的影響，提出河西綠洲系統及農業應對氣候變暖的適應技術對策，為河西綠洲農業發展，保障綠洲生態系統安全提供科學決策依據。

1 研究區概況和資料處理及方法

1.1 研究區概況

河西走廊綠洲是位于甘肅省境內黃河以西的大片區域，地處青藏高原邊緣的西北干旱區，東起黃河以西的烏鞘嶺，西至古玉門關與新疆維吾爾自治區接壤，南接祁連山及阿爾金山，北到馬鬃山、合黎山和龍首山，處于37°17′—42°48′N、93°23′—104°12′E之間，形成西北—東南走向的狹長地帶。行政區域包括甘肅省酒泉、嘉峪關、張掖、金昌和武威等5個地級市。區域氣候屬于溫帶大陸性干旱氣候，年太陽輻射量4 800—6 400 MJ·m-2，年日照時數2 800—3 300 h，年均氣溫為5—10 ℃，年降水量介于9.5—592.8 mm，大部分區域年降水量不足200 mm，綠洲農業依賴于祁連山冰雪融水灌溉。氣候特征為冬季干冷，夏季干熱，氣溫日較差大；太陽輻射強,光照充足；降水稀少、年際變化大，水熱條件分布不均，春季多大風沙塵天氣。從東南到西北年降水量逐漸減少，干燥指數逐漸增加。

1.2 數據及處理

選用1961—2018年河西區域20個國家氣象觀測臺（站）逐日氣溫、降水量地面觀測資料。日平均氣溫為4個觀測時次（02:00、08:00、14:00、20:00）的平均值，日降水量為逐時降水量累計值；序列長度均一致。氣候平均值為1981—2010年平均值。

1.3 分析方法

1.3.1 氣候要素變化傾向率

氣候要素變化的趨勢傾向率采用一次線性方程表示，即：

a1為氣候要素傾向率，單位為某要素單位/(10 a)，據回歸理論，σx是要素x的均方差，σt為數列1, 2,…n的均方差。從氣候趨勢系數rxt求出氣候要素傾向率（魏鳳英，2007）。

1.3.2 突變檢測方法

Mann-Kendall方法（M-K）是非參數突變統計檢驗，該方法不受少數樣本異常值的干擾，不需要樣本遵從一定的分布。原假設為：氣候序列沒有突變，定義一個統計量，進行方差檢驗。其中，UF為順序統計曲線，UB為逆序統計曲線，若UF曲線超過信度臨界線，即表示存在顯著的趨勢變化，如果UF曲線與UB曲線的交叉點位于信度臨界線之間，這點可確定為突變的開始點（魏鳳英，2007）。

2 結果與分析

2.1 氣溫變化

1961—2018年，河西綠洲區氣溫呈極顯著上升趨勢（圖1），氣溫變化傾向率為0.364 ℃·(10 a)-1（P＜0.00）。年平均氣溫的3階擬合方程（Cubic函數）呈先降后升型，方程為y= -0.000 03x3+0.003 5x2-0.064 6x+6.406 4，其線性化后的相關系數R=0.698，通過α=0.01檢驗。對Cubic函數求一階導數，令dy/dx=0，發現1971年出現Cubic函數最小值，由此得出，河西綠洲區1971年后氣溫持續上升。

年平均氣溫距平20世紀60年代、70年代、80年、90年代、21世紀10年代和2011—2018年分別為-0.9 ℃、-0.7 ℃、-0.5 ℃、0.0 ℃、0.5 ℃、0.7 ℃（表1）?？梢?，從20世紀60年代開始，年代際距平逐漸上升，2011—2018年氣溫距平最大，達0.7 ℃。20世紀90年代平均氣溫變幅最大，變異系數為8.5%，20世紀80年代次之，變異系數為8.2%。

根據世界氣象組織（WMO）規定：正距平大于或等于一個標準差劃分為暖年；負距平小于或等于一個標準差劃分為冷年（魏鳳英，2007）。河西綠洲區域暖年為2006—2007、2009、2013、2015—2017年，暖年均出現在2000年之后；冷年為1962、1964、1967—1977、1967—1968、1979、1981、1983—1985年，冷年均出現在20世紀90年代之前。

圖1 研究區年平均氣溫年際變化曲線Fig.1 Interannual change curve of annual average temperature in the study area

表1 研究區各年代降水距平百分率、氣溫距平Table 1 Every decadal anomaly percent of precipitation and temperature departure in the study area

2.2 降水量變化

1961—2018年，河西綠洲區年降水量年際變化呈顯著上升趨勢（圖2），降水量變化傾向率為4.341 mm·(10 a)-1（P＜0.05），從20世紀60年代降水量持續上升。

就年代際降水距平百分率而言，20世紀60年代較平均降水量偏少7.4%，80年代偏少2.7%，90年代偏少1.1%；20世紀70年代偏多2.1%，21世紀10年代偏多3.9%，2011—2018年偏多9.3%（表1）。降水量年代際變幅20世紀60年代和70年代較大，變異系數分別為18.4%和18.3%；2011—2018年變幅較小，為變異系數為9.22%。

2.3 突變檢測

2.3.1 氣溫突變檢測

1961—1996年河西綠洲區域年平均氣溫累積距平呈下降趨勢（圖3a），1997—2018年年平均氣溫累積距平呈上升趨勢，轉折點出現在1997年。

圖2 研究區年降水量（P）變化曲線Fig.2 Annual precipitation (P) change curve in the study area

圖3 研究區域年平均氣溫突變檢驗Fig.3 Sudden check curve of annual average temperature in the study area

為了進一步論證河西綠洲區年平均氣溫的突變狀況，采用M-K法對1961—2018年年平均氣溫進行突變檢測。圖3b給出了年平均氣溫時間序列M-K檢驗曲線。其中UF（藍線）是年平均氣溫時間序列的順序統計曲線，UB（紅線）為年平均氣溫時間序列逆序統計曲線，顯著性水平α=0.05時，則顯著水平檢驗臨界線Uα=±1.96。從圖中可知，年平均氣溫時間序列順序統計曲線UF從20世紀70年代初開始上升，說明年平均氣溫呈上升趨勢；UF于1997年超過Uα=1.96，表明年平均氣溫上升趨勢通過顯著性檢驗；UF上升過程中與UB線交于1997年，故1997年為年平均氣溫上升突變點。

綜合年平均氣溫累積距平分析和M-K突變檢測結果，可知年平均氣溫于1971年后持續上升，1997年為年平均氣溫上升突變點；預計未來年平均氣溫仍處在上升過程中。

2.3.2 降水量突變檢測

1961—2005年河西綠洲區降水量累積距平呈波動變化（圖4a），2006—2018年降水量累積距平呈增加趨勢，轉折點出現在2006年。

研究區域降水量時間序列M-K檢測曲線圖表明（圖4b），降水量時間序列順序統計曲線UF呈波動增加趨勢；UF于2016年超過顯著性檢驗線（Uα=1.96）。表明降水量增加趨勢顯著；UF上升過程中與UB線首次交于2006年，故2006年為降水量增加突變點。

可知，從20世紀60年代開始研究區域年降水量持續上升，年降水量增加到2006年發生突變。

3 討論

1961—2018年，河西區域氣溫顯著上升，氣溫變化傾向率為0.364 ℃·(10 a)-1，顯著高于同期全國平均值（0.24 ℃·(10 a)-1）（中國氣象局國家氣候變化中心，2019）。年降水量年際變化也呈顯著上升趨勢，降水量變化傾向率為4.341 mm·(10 a)-1。

氣候變化使河西綠洲農業的作物生育期發生了變化。春季氣溫升高，春小麥播種期提前，夏季熱量資源增加，玉米播種期推后，主要作物春小麥和玉米的苗期、生長季均呈縮短趨勢，成熟期提前。春小麥和玉米播種期、出苗期、成熟期、生長季與氣溫呈負相關，播種期與降水量呈二次曲線關系，出苗期與降水量呈負相關，成熟期、生長季與降水量呈正相關（張強等，2012；張亞寧等，2017）。

圖4 研究區域年降水量突變檢驗Fig.4 Sudden check curve of annual precipitation in the study area

河西區域氣溫顯著上升，年降水量增加，但時空差異大，使易受春旱和春末夏初干旱脅迫的高耗水、喜溫涼氣候的春小麥等作物產量增長趨勢變緩，生育進程加快，發育期縮短（張亞寧等，2017)。黑河流域近10年比20世紀80年代春小麥發育期平均縮短了4 d。春小麥適宜種植區面積呈減小趨勢，作物品質下降（馬紅勇等，2015）。河西綠洲區氣溫升高，熱量資源增加，玉米等喜溫作物的籽粒灌漿速度加快，千粒重增加。酒泉、張掖和武威等區域玉米適宜種植區范圍擴大，玉米中晚熟品種種植適宜區上限高度已由海拔1 500 m提升到海拔1 800 m左右。馬鈴薯等喜涼作物，在河西綠洲最適宜和適宜種植區范圍均縮小，在海拔1 700—2 000 m的平原種植區幾乎消失，在海拔2 000—2 600 m的冷涼淺山種植帶幅寬縮小，適宜種植高度向高海拔地區移動（王鶴齡等，2017）。

氣候變暖使河西綠洲區主要作物生育期有效積溫增加，生長期延長，熟性、布局和種植制度改變，適宜種植區和可種植區海拔增加，多熟制北移，夏糧面積縮小，秋糧面積增大。弱冬性、中晚熟品種逐步取代強冬性、中早熟品種，有利于提高光溫利用率，增加產量。暖濕型氣候增加了綠洲灌區作物的氣候生產力（張強等，2012；楊封科等，2015）。

氣候變暖使河西民勤綠洲區域農作物種植總面積出現由“減少”到“增加”再到“減少”的變化過程，其中糧食作物播種面積整體呈減少趨勢，經濟作物種植面積呈現出快速增加趨勢。主要農作物種植結構變化較大，玉米、棉花、油料、瓜類、水果和蔬菜種植面積增加，其中，棉花、油料和蔬菜增幅較大，春小麥種植面積減少（周俊菊等，2016）。

在黑河中游綠洲灌溉區內植被覆蓋區域占39.8%，其中，農田34.9%，樹木5.3%，草地僅有0.1%；而在農田區域中玉米為大宗作物，分類成數占96.1%，從用水效率考慮，適當擴大小麥種植規模更有利于提高中游農業用水效率（王志慧等，2013）。

未來氣候變化對綠洲農業發展利弊共存。夏季降水增多有利于增加徑流量，冬季降雪增加冰川區域儲水量，有利于抑制冰川后退；植被覆蓋增加，固定和半固定沙丘面積有可能擴大；溫度增高，有效積溫增加，使得作物產量增加；無霜期延長，復種指數將會提高；氣候變暖使冬季負積溫減少，減輕了室外越冬作物的覆蓋作業強度，同時也減少了溫室大棚燃料消耗量。CO2能使作物組織內碳水化合物增加，但N比例減少，導致糧食品質下降；由于全球變暖導致蒸發加劇，土壤水分蒸散加大，同時耕地面積的擴大擠占了荒漠—綠洲過渡帶的生態空間，導致荒漠—綠洲過渡帶萎縮，物種多樣性減少，生態功能下降。另外，氣候變暖使災害性天氣的極端性增加，干熱風、沙塵暴、低溫凍害的危害加重，對設施農業、大田生產造成的損失增加（鄭璐倩等，2016；姚玉璧等，2018b）。

4 綠洲農業應對氣候變暖技術措施與策略

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告認為，預計未來50年，全球地表平均氣溫可能會繼續升高，直接影響農業生產，種植業、生態系統的不穩定性增加，病原菌傳播途經及幾率加大，糧食生產、食品安全、生態安全面臨新的挑戰（IPCC，2014）。河西綠洲區是氣候變化敏感區域之一，也是生態環境脆弱區域，氣候變化必將對河西綠洲農業和區域生態穩定產生顯著的影響。為此，在研究區域氣候變化的基礎上，提出河西綠洲農業應對氣候變暖的技術措施與對策，為區域農業發展，趨利避害，防災減災提供科學依據。

（1）科學規劃人工綠洲面積，提高資源利用效率。在資源約束條件一定的狀態下，要科學規劃、嚴格管控綠洲區域面積，充分發掘現有資源的利用效率，提高綠洲土地生產力。綠洲生態系統的穩定既包括綠洲本身的穩定維持，又包括綠洲外圍荒漠-綠洲過渡帶的穩定維持；兩者均是綠洲生態系統的重要組成部分。荒漠—綠洲過渡帶對維持綠洲生態系統具有重要作用。在資源約束條件下，過度擴大人工綠洲面積，就會擠占了荒漠—綠洲過渡帶的生態空間，必然造成其面積萎縮，影響物種多樣性和生態功能（封玲等，2012）。

（2）優化綠洲農業結構，發展多元高效綠洲生態農業。氣候變暖背景下，作物產量的穩定性和區域生態的穩定性均受到挑戰，較低層次的綠洲農業經濟產業結構不能適應氣候變化和多元高效生態農業發展要求。糧食作物中減少春小麥種植面積，擴大玉米種植面積，穩定馬鈴薯面積。發展啤酒大麥、啤酒花、釀酒葡萄、甘草、制種玉米等特種作物面積（王鶴齡等，2017）。種植業結構從二元結構向糧、經、飼三元方向轉變，發展人工牧草，加快草食類畜牧的發展，提高畜牧業在農業中的比重。發展復合生態農業、“陽光農業”、高效農業，節水型、高科技型、加工主導型農業的沙草產業，建成中國優質商品糧和優質特種作物基地。綠洲農業結構調整的目標既要提高農業經濟效益又要維護區域生態系統穩定，在區域社會經濟發展產業結構調整的引領下，優化資源配置，調整綠洲農業系統內部結構和農產品布局，發展符合農業生態系統穩定維持與運行的多元產業。根據系統功能，依據資源配置，兼顧農、林、牧業，在核心區域發展優質高效高產種植業，在過渡區域發展經濟林業和養殖業，在邊緣區域發展生態林業和適度觀賞性林業及旅游業。按照種植業、養殖業、林草業、畜牧業和旅游業之間系統銜接的內在規律，集約高效利用區域農業資源、氣候資源，構建農林牧耦合的生態農業體系，推動綠色農業發展，加快農產品精細化、深加工產業，完善農業生態鏈，提升農業產業鏈、農業價值鏈，實現區域生態系統穩定與農業增產增效及農民增收的可持續發展目標（王鶴齡等，2017；張強等，2012，2015）。

（3）開發利用氣候資源，發展特色產業。河西綠洲區域太陽輻射強，日照充足，晝夜溫差大（李廣等，2002），適宜發展優質特色產業，調整糧食作物面積，發展高效經濟作物。氣候變暖背景下，提高了綠洲區域農田熱量資源，田間能量輸入增加，復種指數增加，氣候資源容量提高，應積極推行多熟制種植、間作套種，提高資源利用效率。另外，充分利用太陽能資源、風能資源豐富的特點，在大力發展清潔能源產業的同時，發展農業與光伏發電結合的農光互補設施農業，走出一條清潔能源與能源產業結合發展之路（陳曉光等，2013；王丹霞，2013）。

（4）依靠科技進步，提升農業現代化水平?？萍歼M步是現代農業發展的動力和支撐，綠洲現代農業發展離不開科技進步的推動。要根據綠洲生態農業發展需求，創新科研支撐體制機制，從政策制定、經費支持、稅收優惠等方面營造良好的創新創業環境，吸引相關科研機構和科技工作者通過項目合作，產業開發等形式建立適合綠洲區域經濟發展特色，推動綠洲現代農業發展的科技創新體系（孫國軍等，2015）。水分和肥力條件是綠洲農業決定因素。以提高有限降水利用率、改善和提升土壤質量及肥力為核心，選育強抗逆、弱冬性、中晚熟、高水分利用效率的作物新品種，建立和氣候變化相適應的種植結構和種植制度（楊封科等，2015）。

（5）研究綠洲生態系統演變機理和驅動機制，維護綠洲生態系統平衡。分析綠洲區域生態系統變化及其對氣候變化的響應特征，揭示綠洲生態系統結構與功能變化的驅動力，弄清關鍵驅動要素閾值和邊界條件，明確系統演變、突變和轉型的內在過程，構建綠洲生態系統綜合評估指標體系，開展綠洲區域生態系統脆弱性系統化、標準化、規范化動態評估，為綠洲生態系統平衡和穩定運行提供理論依據和技術支撐。在重點生態功能區、生態環境敏感區和脆弱區等區域劃定生態紅線，確保生態功能不降低、面積不減少、性質不改變；嚴格自然生態空間征占用管理，防止綠洲生態系統退化（楊飛等，2019）。

（6）發展綠洲節水生態農業，提高水資源利用效率和循環利用率。水資源短缺是制約綠洲生態系統平衡和農業可持續發展的關鍵要素，水資源利用效率和循環利用率直接影響著綠洲區域資源承載力。提高水資源利用效率和循環利用率是綠洲區域生態系統平衡與農業可持續發展的關鍵。種植業是綠洲區域消耗水資源最大的產業，要大力發展綠洲節水生態農業，推廣植物工廠式智慧農業，實現農業水肥資源的高效利用。平衡農業和生態系統用水，降低農田灌溉造成的鹽漬化和沙漠化危害。通過節水灌溉，提高綠洲過渡帶林地、草地、濕地生態用水比例，改變傳統的農業用水方式，實現水資源科學合理高效利用（張強等，2012；劉歆，2014）。

（7）發展綠洲及過渡帶舍飼畜牧業，延長生態產業鏈。綠洲及過渡帶畜牧業的生產方式現代化事關綠洲生態系統平衡的大局，要改變天然草場放牧方式，大力發展現代舍飼畜牧產業，促進綠洲及過渡帶現代舍飼畜牧業產業化發展，建立配套的良種繁育、育肥、獸醫、防疫及與畜牧業發展相關的運輸、食品加工、金融、信息、咨詢等服務體系，形成完備的產業系統，延長生態產業鏈，實現畜產品深加工，實現畜牧與生態效益的最大化（孫國軍等，2015）。

5 結論

1961—2018年，河西綠洲區年平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣溫上升變化傾向率為0.364 ℃·(10 a)-1（P＜0.01）。年平均氣溫于1971年后持續上升，1997年為年平均氣溫上升突變點；預計未來年平均氣溫仍處在上升過程中。年降水量年際變化也呈顯著上升趨勢，降水量上升變化傾向率為4.341 mm·(10 a)-1（P＜0.05），從20世紀60年代開始降水量持續上升，2006年為降水量增加突變點。

氣候變暖使河西綠洲作物生長季延長。春小麥播種期呈略微提前趨勢，玉米播種期呈推后趨勢，春小麥和玉米的出苗期、作物生長季呈縮短趨勢，成熟期呈提前趨勢。適宜種植區和可以種植區海拔增加，多熟制北移，夏糧面積縮小，秋糧面積增大。弱冬性、中晚熟品種逐步取代強冬性、中早熟品種，玉米中晚熟品種種植適宜區上限高度已由海拔1 500 m提升到海拔1 800 m左右，作物發育期延長了13 d，產量提高。未來氣候變化對綠洲農業發展利弊共存。夏季降水增多會增加徑流量，山區降雪會增加冰川儲水量；氣溫增高，有效積溫增加，無霜期延長，復種指數將會提高；但是，氣候變暖使災害性天氣的極端性增加，危害加重，對設施農業，大田生產造成的損失會增加。

嚴格控制人工綠洲面積，提高土地生產力；優化農業產業結構，發展高效綠洲生態農業種植模式；優化綠洲農業結構，發展多元高效綠洲生態農業；開發利用氣候資源，發展特色產業，依靠科技進步，提升農業現代化水平；研究綠洲生態系統演變機理和驅動機制，維護綠洲生態系統平衡；發展綠洲節水生態農業，提高水資源利用效率和循環利用率構；發展綠洲及過渡帶舍飼畜牧業，延長生態產業鏈。通過上述7個方面的措施，應對氣候變化的影響。