近 50 多年来,我国气候变化显著。1951 年至 2009 年的数据表明,全国升温趋势为 0. 23℃ /10a,年平均降水量虽然总体上没有明显的趋势性变化,但东部从黄河流域到东北呈减少的变化特征。伴随着气候变化,位于我国昆仑 - 秦岭 - 淮河一线以北,地处干旱、半干旱和半湿润易旱地区的北方旱地农田生态系统出现了以沙漠化为特征的环境问题,生态系统演变趋势受到了科学界的关注与重视。北方旱地农业土地面积占全国的 52. 5%,是我国农业发展的重要组成部分。研究表明,我国北方地区增温明显,年均气温增幅在 0. 2 -0. 8℃ /10a 之间。气候变化对我国北方旱地农业产生了更为显著的影响。为此,开展气候变化对旱地农田生态系统演变影响研究对于促进旱地农业可持续发展具有重要意义。
水是北方旱地农田生态系统最关键的生态环境因子,也是制约当地经济发展和农田生产力的主要因素。水资源与生态环境之间的相互作用决定了旱地农田生态系统的环境动态与环境状况。研究揭示,生态缺水是导致生态系统退化的主要原因。
文中以武川县为例,研究气候变化背景下旱地农田生态系统生态缺水的变化趋势,并进一步研究生态缺水与气候变化之间的相互关系,探讨当前气候变化对旱地农田生态系统生态缺水的影响。该研究对于促进旱地农田生态系统的可持续发展具有重要的理论和实践意义。
1、 材料与研究方法
1. 1 研究区域概况
研究区域为内蒙古呼和浩特市武川县(N41°08. 344',E 111°17. 580') ,海拔 1555m,属温带大陆性季风气候,春季干旱多风沙,降雨集中在夏季,是典型的半干旱偏旱农牧交错区。该地区昼夜温差大,年平均温度 2. 5℃; 降水少,变率大,年降水量 250 -400mm; 蒸发力强,年蒸发量可达 1993mm -2752mm,约是年降水量的 5 倍多; 全年月平均风速为 4. 5m/s; 土壤为钙栗土,0 -100cm 土壤容重 1. 2 -1. 7g/cm3。无霜期90 - 120d。种植制度为 1 年 1 熟。
1. 2 研究对象与数据来源
研究对象为武川县农田生态系统(作物分别为马铃薯、春小麦) ,研究数据来源于内蒙古自治区武川县气象局的气象数据(1961 -2010 年) 和课题组在武川县长期定位试验获得的土壤含水量(1983 - 2010年) 等数据。
1. 3 生态缺水量的计算
生态缺水量是指特定状态下的生态系统对于预期的生态目标,系统缺乏的、需要加以补充的水量。当系统的水分供应不能满足生态需水的时候,生态系统就会缺水,面临退化甚至崩溃的风险。生态缺水量为生态需水量与生态耗水量的差值。
生态需水量是指生态系统达到某种生态水平或者维持某一生态水平的动态平衡状态所需要的水量,对不同地区不同的生态目标,生态需水量不同。农田生态需水量为一定生态水平下植被需水量与土壤需水量之和,其中植被需水量可应用一定生态水平下植被实际蒸散量来表示,土壤需水量以对应水平下土壤含水量表示。生态需水量与生态目标之间存在着定量关系,一般分为最小、适宜和最大三个等级。植被实际蒸散量可用下式计算: ETa= ET0·Kc·Ks(1)式中: ETa为作物实际蒸散量(mm) ; ET0为作物参考蒸散量(mm) ; Kc为作物系数; Ks为土壤水分胁迫系数; 文中 Kc 值(表 1)。Ks采用三基点公式计算得到,公式如下:
式中: Sw为实际含水量(m3/ m3) ,Lw为临界含水量(m3/ m3) ,Pw为土壤凋萎湿度(m3/ m3) 。ET0可由FAO 推荐的 Penman - Monteith 公式求的:
式中: Rn为地表净辐射(MJ·m- 2d- 1) ; G 为土壤热通量(MJ·m- 2d- 1) ; T 为 2m 高处日平均气温(℃) ; U2为 2m 高处风速(m·s- 1) ; es为饱和水气压(KPa) ; ea为实际水气压(KPa) ; △为饱和水气压曲线斜率(KPa·℃- 1) ;γ 为干湿表常数(KPa·℃- 1) 。
由上述公式可以求出生育期内逐日作物参考蒸腾量,累计相加可求出生育期内作物的参考蒸腾量,进而得到适宜状态下的植被生态需水量,与对应的土壤需水量相加,即为适宜状态下的农田生态系统的生态需水量。
农田生态系统的水分消耗主要是作物耗水,因此作物耗水量即为农田生态耗水量,一般由土壤水分平衡方程计算得到。农田水量平衡方程一般可用下式表示:△W = P + I + G - ET - R - D (4)式中: △W 为土壤水分在某一时段的变化量,P 为同期降水量,I 为灌溉量,ET 为农田蒸散量,R 是径流量,D 为渗漏量,G 为毛管抬升量,单位均为 mm。武川县地处半干旱地区,降水少,地下水位均在 7m 以下,犁底层基本上位于 15 -23cm 之间,犁底层的存在,破坏了土壤水分上下层运行的连续性,致使表层接纳的自然降水向深层入渗减慢,无灌溉,故渗漏量 D、毛管水抬升量 G、灌溉量 I 和径流量 R 可忽略不计。因此,农田水分平衡方程可以简化为: ET = P - △W (5)其中△W 为作物生育期内土壤(0 -50cm) 土层贮水变化量,等于生育期末土壤贮水量与生育期初土壤贮水量之差。
2、 结果分析
2. 1 武川县气候变化特征
基于 Mann - Kendall(M - K) 非参数检验法和趋势线法分析武川县气候因子的突变时期和变化特征。由图 1 可知,武川县年平均温度在 90 年代初期发生突变,增温明显,略晚于全国 1978 年的气温突变时期。年平均风速在90 年代初期发生突变,并显著减小。年平均相对湿度在80 年代中期到90 年代初期发生突变,1990 年之后相对湿度迅速降低。年平均日较差(日最高温与日最低温差的平均值) 整体上呈显著的减小特征,年降水量具有微弱的减小特征,年日照时数呈现一个波动的变化,突变发生在 1990 年前后。考虑到气温的主导作用,文中将 1991 年作为武川县气候变化的突变时期。
961 -2010 年武川县年平均温度上升幅度为0. 44℃ /10a,并通过了99%显著性检验; 年降水量、年平均风速、年平均相对湿度、年日照时数和年平均日较差下降幅度分别为 7. 57mm/10a、0. 20m/(s·10a) 、0. 95% /10a、15. 86h/10a 和 0. 43℃ /10a,其中年平均风速、年平均相对湿度、年平均日较差通过了 99%显著性检验。近 20 年来,武川县除年平均风速外,其余气象因子变化幅度都有所增加,其中年平均温度上升幅度为 0. 65℃ /10a,年降水量、年平均相对湿度、年日照时数和年平均日较差下降幅度分别为29. 67mm /10a、2. 17% /10a、64. 01h /10a 和 0. 90℃ /10a,其中年平均温度的变化通过了 95% 显著性检验,年平均日较差的变化通过了 99%显著性检验。
比较各气象因子前30 年平均值和近20 年平均值(表2) 也可以发现,90 年代以来,年平均温度增加了1. 26℃ ,年降水量、年平均风速、年平均相对湿度、年日照时数和年平均日较差分别减少了 18. 39mm、0.66m / s、1. 90% 、39. 81h 和 0. 79℃ 。以上分析表明,武川县气候干暖化趋势明显,且 90 年代以后变化更为显著。
2. 2 武川县生态缺水量变化特征
马铃薯和春小麦生态需水量在 1991 - 2010 年呈上升的特征 ,上升幅度为马铃薯 10. 78mm/10a,春小麦 12. 98mm /10a。生态需水量逐渐增加表明生态系统需要更多的水来维持其最基本的消耗,降水量的减少使得水分的供应越来越难以满足生态环境的正常运转,生态环境处于退化状态。
随着武川县气候逐渐向干暖化方向发展,马铃薯和春小麦的耗水量呈现下降的变化特,下降幅度为马铃薯 35. 35mm/10a,春小麦 42. 02mm/10a。
生态缺水量是表征农田生态系统演变趋势的重要指标,也是衡量生态系统健康状况的一个重要指标。为了实现一定的生态目标,当生态系统发生缺水的时候,就要增加水分的供应,保证生态系统的健康发展。
马铃薯和春小麦的生态需水量整体上呈上升特征(图 5) ,上升幅度为马铃薯 45. 99mm/10a,春小麦 55.40mm /10a。作物生态缺水量不断增加表明,武川县农田生态系统水分供应不能满足其生态需水量的要求。如果这种缺水状态持续发展,超过了生态系统的自我调节能力,农田生态系统就将退化。
2. 3 武川县生态缺水量与生育期各气象因子的相关性分析
对作物生态需水量、生态耗水量及生态缺水量与生育期各气象因子进行偏相关分析(表 3) 可知,作物生态需水量与生育期平均温度、生育期平均相对湿度、生育期平均风速和生育期日照时数的相关性较高,且通过了 99%显著性检验; 生态耗水量和生态缺水量主要受生育期降水量的影响。
为了进一步讨论生态缺水量(Y) 与生育期降水量(X1) 、生育期平均温度(X2) 、生育期平均相对湿度(X3) 、生育期平均风速(X4) 、生育期平均日较差(X5) 和生育期日照时数(X6) 的关系,进行多元回归分析可知,马铃薯生态缺水量 Y = -0.912X1+13. 435X2- 0. 063X3+ 15. 648X4+ 7. 478X5+ 0. 003X6+ 80. 303,R2= 0. 956,回归显著; 春小麦生态缺水量 Y = - 0. 903X1+ 1. 702X2- 2. 489X3+ 18. 389X4- 2.074X5+ 0. 085X6+ 441. 045,R2= 0. 964,回归显著。将上述多元回归分析中的系数标准化(表 4) ,可以看出,各气象因子对生态缺水量的影响由大到小分别为: 马铃薯为生育期降水量、生育期平均温度、生育期平均日较差、生育期平均风速、生育期平均相对湿度及生育期日照时数; 春小麦为生育期降水量、生育期平均相对湿度、生育期日照时数、生育期平均风速、生育期平均日较差及生育期平均温度。
综上所述,生态需水量主要受生育期平均温度、生育期平均相对湿度、生育期平均风速和生育期日照时数的影响。生态耗水量主要受生育期降水量的影响。生育期降水量是影响生态缺水量的最显著影响因子,且生态缺水量随降水量的减少而增加。在当前干暖化背景下,降水量的减少加大了武川县农田生态系统的生态缺水,进而加剧了农田生态系统的退化。
3、 讨论
如何定量研究气候变化对生态系统演变的影响是当前气候变化背景下的热点科学问题。由于表征生态系统演变的指标可以从结构、功能及环境等多个方面来选择,为此可以基于结构、功能、环境等不同指标变量与气候要素之间的相互关系来研究气候变化对生态系统的影响。前人基于土壤湿度、作物产量等指标初步揭示了生态系统有关要素的变化趋势,但有关气候变化对生态系统演变的研究还少见报道。生态缺水是表征农田生态系统演变趋势的重要指标,也是衡量生态系统健康状况的一个重要指标。文中通过对武川县农田生态系统生态缺水的研究,讨论了气象因子与生态缺水之间的关系,进而探讨了气候变化对北方旱地农田生态系统演变的影响,对于促进旱地农田生态系统的可持续发展具有重要的理论和实践意义。由于气候变化对农田生态系统的影响非常复杂,文中是研究气候变化对生态系统演变影响的初步尝试,今后需要开展更为系统、更为深入的研究。
4、 结论
文中以武川县为例,从生态缺水的角度研究了旱地农田生态系统的演变趋势,探讨了气候变化对旱地农田生态系统演变的影响,研究表明:
(1) 1961 -2010 年武川县平均温度呈上升趋势,上升幅度为 0. 44℃ /10a; 降水量、风速、相对湿度、日照时数和日较差呈下降趋势,下降幅度分别为 7. 57mm/10a、0. 20m/(s·10a) 、0. 95% /10a、15. 86h/10a 和 0.43℃ /10a。90 年代以来,气象因子(除风速外) 的变化幅度更为明显,平均温度上升幅度为 0. 65℃ /10a,降水量、相对湿度、日照时数和日较差下降幅度分别为 29.67mm/10a、2.17% /10a、64.01h/10a 和 0.90℃ /10a。武川县气候干暖化趋势明显,90 年代以后变化更为显著。
(2) 1991 -2010 年武川县农田生态缺水量呈上升趋势,上升幅度分别为马铃薯 45. 99mm/10a,春小麦55. 40mm /10a,武川县农田生态系统正逐渐退化。
(3) 生态需水量主要受生育期平均温度、生育期平均相对湿度、生育期平均风速和生育期日照时数的影响。生态耗水量主要受生育期降水量的影响。生育期降水是造成生态缺水的主要影响因素。在当前干暖化背景下,生态缺水量随降水的减少而增加。气候变化加剧了武川县农田生态系统的生态退化。
参考文献: [1]《第二次气候变化国家评估报告》编写委员会,第二次气候变化国家评估报告(M) ,北京: 科学出版社,2011. [2]那晓东,张树清,孔博,等. 三江平原土地利用/覆被动态变化对洪河保护区湿地植被退化的影响[J]. 干旱区资源与环境,2009,23(3) : 144 -150.