气候变化背景下的我国农业水资源与粮食生产安全

气候变化背景下的我国农业水资源与粮食生产安全彭世彰豆沿斌徐俊增缴锡云（河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098）摘要：全球气候正经历着一场以变暖为主要特征的显著变化。我国是一个发展中的农业大国，农业资源短缺，对气候变化反应敏感，未来气候变化将对我国的农业生产形成极大的冲击。本文针对气候变化的特点和趋势，从降水、蒸发、径流等水文循环过程的变化趋势，旱涝等农业自然灾害的发生频率和种植制度及种植结构的改变来探讨未来气候变化对我国农业水资源和粮食生产的影响。未来我国农业水资源供需矛盾将更加突出，粮食生产面临挑战。关键词：气候变化农业水资源粮食生产水稻生产Abstrcat:Globalclimateisundergoingasignificantchangewiththemaincharacteristicofwarming.Ournationisabigdevelopingagriculturalcountry,Shortageofagriculturalresources,Sensitivetoclimatechange,soclimatechangewillmakegreatlyimpacttoourcountry’sagriculturalproductioninthefuture.Inthispaper,withthecharacteristicsandtrendsofclimatechange,fromthetendencyofprecipitation,evaporation,runoffandotherhydrologicalcycle,frequencyofagriculturalandnaturaldisasterssuchasdroughtandflood,changesofcroppingsystemsandplantingstructuretodiscusstheimpactoffutureclimatechangetoourcountry’sagriculturalwaterresourcesandfoodproduction.Inthefuture,Contradictionbetweensupplyanddemandwillbecomemoresharplyofagriculturalwaterresourcesandwewillfacemorechallengestofoodproduction.Keyword:climatechangeagriculturalwaterresourcesfoodproductionriceproduction1.问题提出近百年来，地球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化，全球温度升高了0.74℃（IPCC）。如果人类继续按照目前速度排放温室气体，那么CO2有效倍增将出现在2060年左右，届时全球平均气温将增加1.4℃-5.8℃[1]。气候变化国家评估报告（2007）指出，过去100年间，我国平均气温升高0.5-0.8℃，近40年来我国年平均气温以0.22℃/10年的上升[2]。而且这种增温的趋势仍在继续(见图1)[3]。（接第1页）图11891-2007年北半球年平均气温距平直方图（曲线为5年滑动平均气温距平，虚线为线性趋势）全球气候变暖加快了水文循环过程，并影响大气环流的运行规律，降水量和蒸发量时空分布亦随之发生变化，对自然资源和生态环境形成很大的冲击，农业是对气候变化反应最为敏感的产业之一[4]。如近几年在我国各地频繁发生的大范围持续干旱（2007年重庆大旱，2009年北方大范围春旱），对农业生产乃至国民经济造成严重影响。目前灌溉仍然是保障粮食安全生产的重要手段，在发展中国家灌溉农田的作物产量占作物总产量的60％[5]。我国是一个农业大国，同时也是一个灌溉大国，我国的耕地占世界的7%，但灌溉面积占世界的20.2%。在我国的耕地面积中，灌溉面积占46.4%，远远高于全世界16%的平均值[6]。有效灌溉是保障粮食安全的基础之一。全球变暖将会影响温度和降雨模式，在人类活动的强烈干扰下，蒸发、径流等水循环过程都将受到影响。由于降雨、蒸发和土壤水之间存在着平衡关系，全球的气候变化必将影响和改变未来作物灌溉需水格局。未来气候变化的大背景下，降水、温度、蒸发、径流的变化会对作物灌溉需水产生什么样的影响，作物灌溉需水将会如何变化，是一个迫切需要研究的问题。同时，气候变化会造成我国大多数主要作物水分亏缺、生育期缩短，产量下降，并使我国现行的农业种植制度发生改变，如复种指数提高，作物布局发生改变。未来农业气象灾害会更见频繁，农业生产的不稳定性加大等。因此，研究在气候变化条件下，特别是在降雨、蒸发、径流等变化的情况下，我国农业水资源的状况及发展趋势，揭示气候变化条件下作物灌溉需水变化规律，研究气候变化对水文循环过程以及对农业水资源状况的影响，通过农业气象灾害、探讨作物水分利用、灌溉需求、作物种植制度和农业结构等对气候变化的响应，构建农业水危机应对策略，保障农业可持续发展，是农业水利等领域急需研究的热点问题。2.气候变化对我国农业水资源的影响2.1降水总量基本不变，但时空分布更不均匀降水作为水文循环的基本要素之一，全球气候变暖加快了水文循环过程，降水总量及时空分布也受到影响。气候变化国家评估报告（2007）指出，近100年来，中国的年降水量有微弱的减少（幅度为0.86mm/10年），近50年来降水量呈现小幅度增加趋势[2]。研究表明，未来降水量略有增加但增幅不大，到2020年，全国平均降水量将增加2%-3%，2050年可能增加5%-7%，其中东南沿海增幅最大。未来降水频率和分布将发生变化，旱涝等极端天气事件发生频率会增加，强度会加大。丛振涛等研究认为我国1956-1985年30年间平均降水变化趋势为-0.41mm/a/10a,1986-2005年20年间降水趋势为2.90mm/a/10a[7]。近47年我国降水变化趋势（见图2）[8]。（接第2页）图21956-2002年全国平均的逐年降水标准化距平值在全球气候变暖的背景下，尽管我国的降水总量变化不大且有略微增加的趋势，但降水的时空分布上却趋于更大的不均匀性。在降水的时间分布上，不仅有明显的季节差异，同时单次降水的时间也在发生变化。全国大部分地区降雨日也显著减少，这就意味着降水过程可能强化[9]。严中伟等研究发现我国微量降水(毛毛雨)事件普遍减少，特别是北方很多地区毛毛雨日数减少更多[10]。同时我国暴雨的年际变化明显大于年降水量的年际变化[11]。在降水的空间分布上，近50年的全国平均降水量存在着显著的区域差异[12]。受全球气候变化的影响，自20世纪80年代以来，我国降水南多北少的趋势加大，特别是20世纪90年代后期以来，大致以长江、淮河为界，我国南、北降水量变化方向相反，北方各流域降水量都在减少，其中，黄河流域降水量减少最明显，减少15%以上[13]。2.2蒸发总体减少，近期转为增加趋势随着全球气候的变化，一般认为温度升高将使地球表面的空气变干，从而增加陆面水体的蒸发量。但是，国内外的研究都表明，水面蒸发并不是简单的随着气温的升高而增大，存在“蒸发悖论”。任国玉等研究认为，我国水面蒸发量呈显著下降趋势，但同时数据也表明年蒸发量在1980年代末以前下降明显，1990年代以后呈轻微上升趋势[14]。丛振涛等研究表明与气温增加对应的是蒸发皿蒸发量呈下降趋势，过去50年间，中国蒸发皿年蒸发量平均每10年下降了18.4mm，全国总体上存在“蒸发悖论”，但是在近20年蒸发皿蒸发量的变化发生了改变，由下降变为上升趋势（见表1）[7]。表1过去50年全国蒸发皿蒸发量、气温趋势项目时间序列均值变化趋势蒸发皿蒸发量1956-20051658mm/a-18.4mm/a/10a1956-19851677mm/a-35.6mm/a/10a1986-20051639mm/a48.9mm/a/10a日最高气温1956-200518.5℃0.16℃/10a1956-198518.3℃-0.08℃/10a1986-200518.8℃0.47℃/10a日平均气温1956-200512.8℃0.23℃/10a1956-198512.5℃0.04℃/10a1986-200513.1℃0.45℃/10a日最低气温1956-20058.2℃0.31℃/10a1956-19857.9℃0.12℃/10a1986-20058.7℃0.49℃/10a关于“蒸发悖论”的机理，目前尚无明确的结论。从已有的研究来看，全球范围内云量或气溶胶增加引起的辐射量下降（或称为全球变暗，globaldimming）是蒸发皿蒸发量与潜在腾发量下降的主要原因。从国内蒸发蒸腾量的研究上看，尽管近50年全国蒸发蒸腾量与地表温度存在悖论，但都得出近20年蒸发蒸腾量的变化由下降变为了上升趋势，这有可能与这段时期的大气污染及对其的控制活动有关。如果蒸发变弱确实是由于人类活动污染大气，使人为气溶胶排放增多及太阳辐射减少引起的，那么在全球温度升高和陆面特征不变化的条件下，未来的空气污染控制则可能增加水面和陆面的蒸发，加重干旱化趋势。2.3河川径流几乎普遍减少河川径流是气候条件与流域下垫面综合作用的产物,径流不仅受人类活动强度影响显著,而且对气候变幅响应敏感。分析我国主要江河的19个重点控制水文站近50年的实测径流资料，可见我国六大流域径流变化特征（见表2）[15]。近百年来长江流域径流没有呈现明显趋势变化，仅20世纪90年代以来年径流表现出了微弱增加趋势，增加趋势不明显且地区差异大，上中游径流减少，下游地区径流增加。与20世纪80年代以前实测径流量相比，黄河流域、海河流域、珠江及闽江流域各控制站均呈现减少趋势，其中海河流域减少最为明显。各江河不同河段实测径流量减少幅度差异大。长江、淮河和松辽河流域各站的实测径流量变化趋势不一致。说明人类活动对用水量需求的增加以及各江河流域的径流不稳定性加大。黄河流域上游和长江流域上游人类活动影响较小的地区出现了径流量减少的趋势，说明气候变化已经对这些区域的河川径流产生了一定的影响。表2我国主要江河19个重点控制站多年径流量统计流域站名多年平均径流量（亿）20世纪80年代以来与其他距平（%）全系列80年代以前80年代以来与全系列与80年代以来长江流域宜昌4342.14355.34320.4-0.5-0.8汉口7119.07056.17190.21.01.9大通8997.08849.59177.02.03.7黄河流域唐乃亥197.7201.0194.6-1.6-3.2花园口392.4460.3308.4-21.4-33.0利津320.7428.7190.8-40.5-55.5淮河流域王家坝92.088.296.24.69.1吴家渡271.0276.9263.6-2.7-4.8海河流域观台9.84415.4113.406-65.4-77.9石匣里5.0837.7761.820-64.2-76.6响水堡3.7035.2022.018-45.5-61.2下会2.7153.5172.107-22.4-40.1张家坟5.4727.8762.977-45.6-62.2辽河流域铁岭32.436.625.3-21.9-30.9江桥211.6204.3219.83.97.6哈尔滨425.0430.2419.4-1.3-2.5珠江及闽江流域梧州2084.32105.62059.3-1.2-2.2石角415.2416.9413.1-0.5-0.9竹歧531.4531.4526.7-0.9-0.9注：全系列指1950-2004年资料系列；80年代以前指1950-1979年；80年代以后指1980-2004年。总的来说，受气候条件和人类活动的影响，我国除长江外的河流基本上都处于径流明显减少的状况，且各江河的径流都表现出了极大的不稳定性。这种情况的出现，除与气候条件的变化有关外，同时表明人类活动对淡水资源的需求量越来越大，也就是未来河川径流分配给农业用水将会越来越少