氣候變化對農業水管理的影響及應對策略研究

許 迪，李益農，龔時宏，張寶忠

氣候變化對農業水管理的影響及應對策略研究

許 迪，李益農，龔時宏，張寶忠※

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048）

氣候變化導致全球年平均氣溫上升、降水模式變化、河流特性改變、極端氣候事件頻發等，顯現出其對農業水資源和農業生產造成的影響，使全球尤其是干旱和半干旱地區可持續農業發展和現代農業水管理面臨重大挑戰。該文介紹氣候變化下的極端氣候事件發生，評價氣候變化通過氣溫和降水的改變以及極端氣候事件頻度和程度加劇等各種方式對農業用水可利用量和水質以及作物需水造成的影響，闡述氣候變化通過水要素對灌溉用水、可用耕地、作物產量帶來的影響，綜述氣候變化對農業水管理的影響及應對策略，提出在氣候變化對農業水管理的影響及應對策略研究上，應認真考慮氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性，從而有助于因地制宜地制定和合理選用農業水管理應對策略；應積極構建基于多模型集成模式的氣候變化對農業水管理影響的綜合評估方法，從而有利于改善綜合預測評估結果的準確性和可靠性；應深入進行農業水管理應對策略的適應-減緩利弊權衡研究和協同效用分析，從而有效改進和提高應對策略的效用。建議國內應該加強對綜合評估方法和效用分析的研究力度。

氣候變化；農業；水資源；農業水管理；農業生產；應對策略；適應；減緩

0 引 言

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告指出在全球不同區域、不同領域（自然系統、生物系統、人類系統）內已普遍且廣泛受到來自氣候變化的顯著影響，未來糧食產量持續下滑、河流特性改變、冰川融水不斷增加等現象加劇[1]，意味著氣候變化已成為當今及未來全球尤其是干旱和半干旱地區可持續農業發展面臨的嚴峻問題和重大挑戰。氣候變化會增加溫度和輻射，影響降水和融雪，改變降水模式，導致更為頻繁的極端氣候事件發生[2]，進而對水資源狀況、灌溉農業、旱地農業以及與水有關的農業生態系統產生影響，并加重農業水管理所面對的諸多經濟和社會問題[3-4]。在當今全球食物需求不斷增長以及作物用水與環境用水間的競爭日趨激烈態勢下，人們迫切需要認真應對這一重大挑戰。

農業水管理是對農業生產和農業可持續發展提供關鍵投入的水資源的管理過程，主要目的是在水資源稀缺現狀下，在滿足全球不斷增長的食物需求同時，起到促進農業生產、發展農村經濟、增加農民收入、應對氣候變化、保護農田生態環境等支撐作用[5]。隨著全球氣候變化帶來的顯著影響，應對氣候變化已成為農業水管理面對的重點任務，亟待加大關注力度和相關研究[6-7]。本文介紹氣候變化下的極端氣候事件發生，評價氣候變化以各種方式對農業用水和作物需水產生的影響，闡述氣候變化通過水要素對農業生產造成的影響，綜述氣候變化對農業水管理的影響及應對策略。在此基礎上，提出在氣候變化對農業水管理的影響及應對策略研究當中，人們應予以關注的重點和熱點，給出相關建議。

1 氣候變化下的極端氣候事件

氣候變化不僅影響諸如溫度、降水、輻射等氣候要素的長期變化趨勢，還會影響干旱、洪澇、颶風等極端氣候事件發生的頻度、強度和持續時間，進而導致全球范圍內異常溫暖晝夜數量增加、區域強降雨事件增多、熱帶氣旋極移、融雪和冰川融化補給類河流的峰值流量提前出現等諸多現象的發生[8]。氣候變化影響下的極端氣候事件帶來的災難性后果，對嚴重依賴天氣狀況的農業部門而言，已引起人們的廣泛關注[9-11]。

1.1 干 旱

干旱主要與干燥（降水不足）炎熱（高溫）的天氣條件有關，在某些極端情況下還伴有熱浪。農業干旱將嚴重威脅和損害不同區域尺度上的農業用水供給和農業生產，危及糧食安全[12]。盡管全球許多地區在過去幾十年里常面臨更為頻繁的嚴重干旱，但似乎仍無法得出氣候變化引發全球干旱變化的一般性結論[13]。然而，在地中海和非洲西部地區，干旱增長趨勢較為明顯，但在北美中部和澳大利亞西北部地區則有下降趨勢，預計在南歐和中歐、中美洲、南部非洲等一些地區的干旱將有所加劇[14]。此外，熱浪常伴隨著干旱而發生，持續升高的溫度最終將帶來農作物和牲畜生產的重大損失。如2003年歐洲出現的干旱熱浪就造成1540年以來最溫暖的夏季，導致歐洲總初級生產力下降30%[15]；據預測全球21世紀末的熱浪危害會更為頻繁[16]。

1.2 洪 澇

受氣候變化影響，強降雨事件和降水模式改變常導致土壤水分嚴重過剩，再加上農田排水不暢，由此產生的農田洪澇災害會嚴重影響農業生產能力，預計洪澇災害不僅使美國玉米產量損失在2030年翻番[17]，還將成為美國加利福尼亞州農業保險和災害賠償增長的主要誘因[18]。此外，過量的降水和過剩的土壤水分還帶來農業病蟲害損失，延遲田間農耕作業時間，導致土壤侵蝕以及諸多環境問題，如葉真菌病原體流行以及土傳病原體向非疫區傳播等[9]。洪澇災害對農業造成的損失往往大于非農業，這是由于農業用地普遍位于山前沖洪積扇平原區，極易遭受洪澇災害侵襲[19]。將農業用地作為區域綜合防洪管理的一部分內容，盡管已得到歐洲一些國家的認可[20]，但人們對城市洪澇受損較為重視，而對農業洪澇損失卻未給予足夠關注[21]。

颶風、龍卷風和臺風是造成嚴重農田洪澇災害的最具殺傷力極端氣候事件，具有強風與暴雨相伴的特點，并常與海平面上升有關。氣候變化下的颶風頻率和強度有可能在未來發生變化，但不確定性較高，帶來的影響十分復雜[22]。如美國颶風對作物種植面積和作物價格的影響主要取決于受影響地區的成災程度，常受颶風影響的路易斯安那州的稻米減產致使本地糧價上漲，并使其他地方稻農受益[23]。

2 氣候變化對農業用水和作物需水的影響

氣候變化可能會以各種方式影響農業用水，特別是通過溫度和降水的變化以及極端氣候事件頻度和程度的加劇，顯著影響農業用水的可利用量和水質以及作物需水，包括降水和灌溉在內的農業用水供給究竟能在多大程度上滿足作物需水是決定作物產量的一個主要因素。

2.1 農業用水可利用量

2.1.1 地表水

氣候變化對河流、湖泊、水庫和濕地等地表水資源的影響主要取決于降水的時間、地點、數量和形式（雨水或雪水）等，與溫度相比，氣候變化的局部模式對降水的變化和重要性更大[24]。據預測全球中低緯度地區的降水有下降趨勢，而高緯度地區的降水在冬季和夏季都會增加。除東亞地區外，中緯度地區的夏季降水可能會普遍減少，且許多亞熱帶地區的降水也可能會減少。此外，大多數熱帶干旱地區的年平均徑流量預計會減少，而高緯度和潮濕熱帶地區則會增加[2]。在以雨水為主的集匯水區域，河道水流特性的季節性變化將加大，這意味著出現高水位和低水位、以及持續干旱的時間會延長[25]。由于全球許多大型灌溉系統均依賴地表水供給，故氣候變化的影響可能會因流域上下游之間的水量分配問題以及存在于許多區域內的國際分水糾紛而變得異常復雜[26]。

2.1.2 地下水

氣候變異與變化將直接通過降水入滲補給和陸面蒸發影響到地下水，并通過對地下水抽取量的增大間接影響地下水位[27]。淺層無壓水更易受到氣候變化的影響，而深層承壓水卻對降水和溫度的變化相對不敏感。D?ll等[28]指出對巴西東北部、非洲西南部和地中海南緣地區，2050年的潛在地下水補給量可能會減少70%以上，但在西非、中東、中國華北、西伯利亞和美國西部等地卻會增長30%以上。以歐洲中部山區為例，夏季月平均地下水補給量和河道徑流量可能會減少50%，這對地下水的利用和保護均帶來潛在挑戰[29]，而隨著澳大利亞中部降雨量減少和氣溫上升，會增加對地下水的壓力[30]。此外，氣候變暖對冰雪融化的影響可能會增大春季河道的徑流量而在夏季卻可能減少，這將進一步增加對地下水的需求，且該狀況可能還會因干旱和其他極端氣候事件的增多而繼續惡化[31]。由于海平面上升和海水倒灌入侵，氣候變化還將對島嶼和沿海地區的地下水資源造成巨大威脅[24]。

2.1.3 雪和冰川

全球許多灌溉系統的水源都來自上游冰川區的積雪融化，冬季或早春溫度的升高雖會增加作物生長季節前后的水量，但卻可能減少作物生長季節內的水量。受長期氣候變化影響，自1980年以來，全球冰川消退愈加迅速和普遍，一些冰川積雪已經消失。如美國阿拉斯加州監測的2 000條冰川中，已有99%正在消退；歐洲冰川已減少約1/4；中國612條冰川中有95%正在消退[25]。氣候變暖效應可能會顯著改變受積雪融化影響地區的水文循環狀況和特性，氣溫上升將改變冬季降水模式從雪水向雨水轉變地區的河道流態季節性，導致因冰雪融化形成的徑流峰值出現時間發生明顯改變。與以往相比，提前而至的積雪消失和冰雪融化將增加冬季徑流量而減少夏季流量。且在降雪較少的低海拔地區對氣候變暖效應更為敏感，徑流量峰值在很多情況下甚至會提前至少1個月出現，由于水庫的蓄水能力有限，常難以應對該最大徑流量的變化，致使大部分水量被棄用排入海洋[32]。如在加拿大草原，較早出現的春季徑流峰值使得在作物需水期只能獲得較少的灌溉用水，積雪減少和降水變異降低了灌溉供水的可靠性[25]。

2.2 農業用水水質

氣候變化不僅通過改變水體溫度直接影響水質，還會通過對農業和其他部門的人類活動影響間接造成水質退化，導致污水排放和水污染。Whitehead等[33]和Delpla等[34]概述了氣候變化對水質產生的潛在影響，介紹了用于評估和預測氣候變化對水質影響的最新方法。

就農業而言，氣候變化對水質的影響主要表現在2個方面，即農業用水是否受到水質下降后的制約以及農事活動的改變是否導致水質下降。由于氣溫升高和降雨強度增加，伴隨著冬季降水模式從雪水向雨水的轉變將帶來更高的土壤侵蝕率，進而降低農業用水的水質[35]，而從沿海地區含水層中抽取過多水進行灌溉則可能引起海水倒灌，且全球變暖引起的海平面上升會加劇該現象[36]。與此同時，溫度和降水的變化還將改變農業土地利用與管理方式，土壤耕作、施肥、施藥等農事活動會進一步影響水質[37]。Bloomfield等[38]觀察到降雨的季節性和強度變化以及氣溫升高是改變農藥施用的主要氣候驅動因子；Bates等[24]指出許多情況下因農事活動的改變將導致水質下降，這包括：極端暴雨期間來自農田的大量養分負荷；旱季缺水期間由于水量減少而導致污染稀釋不足；灌溉退水引起土壤鹽漬化、水體富營養化和污染物積累等。

2.3 作物需水

盡管氣候變化對全球作物需水影響的研究已經開展，但取得的相關結果卻并不完全一致[39]。D?ll[40]預測氣候變化下的全球作物需水會略有增加，而Elliot等[4]指出當不考慮CO2效應時，全球作物需水略有增加，否則呈下降態勢。Ohmura等[41]認為氣溫上升理論上會引起蒸散發增加，但大氣變暖的同時其他氣象因素也發生變化，因而蒸散發量并不一定升高。如中國華北和青藏高原觀測的蒸散發量在過去50 a有下降趨勢，但平均氣溫卻在上升[42]。氣候變暖致使蒸散發量降低的一個可能原因或許在于日溫度變化范圍（日最高氣溫與日最低氣溫之差）的縮窄，IPCC報告中也表明這是導致蒸散發下降的主要因素[1]。

氣候變化對區域作物需水異質性的影響顯著。預計在非洲、澳大利亞和中國等地，氣候變化對作物需水的影響相對較低，而歐洲、印度北部、南美洲東部和美國東部地區的作物需水則可能受到氣候變化的不利影響[43]。具體而言，受氣候變化的影響，中國北方和南方地區的作物需水可能會有不同的變化[44]，而西歐的作物需水和水分虧缺則將有所減少，但在東歐卻是增加。由于降水的變化，預計南歐要比北歐更易缺水，尤其是在地中海國家以及中東歐一些地區，作物水分脅迫可能會加劇[24]。對特定地區而言，雒新萍等[45]利用CROPWAT作物模型模擬分析了1961－20l0年間以及IPCC不同排放情景下2020－2029年間中國小麥作物需水量的變化趨勢，探討各排放情景下小麥作物需水量的敏感性，指出高排放情景下的小麥需水量敏感性區域要比中排放情景下明顯擴大，且輕度和中度敏感區域的擴大尤為明顯。Ashofteh等[46]針對2026－2039年間的氣候變化趨勢，利用大氣-海洋全球環流模型AOGCMs模擬降水、氣溫等氣候要素的變化趨勢與規律，評估阿塞拜疆Aidoghmoush灌區各種作物需水量增加所面臨的不確定性。指出未來作物需水將隨水文年型而異，預計豐水年、平水年和干旱年作物需水量變化的風險分別增加3%、17%和33%，相應的絕對量值依次為2.5×106、1.6×107和3.1×107m3/a。灌區內種植的小麥和大麥對氣候變化的敏感性要低于其他作物，故可更好抵御氣候變化影響。特定作物生長季節時間的改變將使得氣候變化對作物需水量影響的估計趨于復雜化[47]。溫度上升將延長作物生育期，使北半球溫帶地區提前播種和延遲收獲，這會增加作物需水，而在其他任何地區則縮短了作物生育期長度[48]。氣候變化也可能使得某種作物不再適合特定地區內種植，致使作物需水估算更為復雜。

3 氣候變化通過水要素對農業生產的影響

氣候變化對農業用水可利用量和水質以及作物需水產生的作用，將會通過水要素對農業生產造成影響，這主要涉及種植業和畜牧業。

3.1 種植業

3.1.1灌溉用水

目前多基于模擬模型預測評估氣候變化下的灌溉用水需求以及作物產量的變化。Elliott等[4]比較了基于10個全球水文模型和6個全球網格化作物模型集合預測的灌溉供需總體結果，評估了全球未來灌溉供水對作物生產力的潛在影響。當考慮CO2施肥效應時，氣候變化對玉米、大豆、小麥和水稻的直接影響涉及1.7～5.9×1018J的熱量損失，約占總量的8%～24%；若不考慮CO2施肥效應，則為5.9～10.9×1018J，占總量的24%～43%。在美國西部、中國、亞洲西部和南部以及中部地區，受水資源限制到21世紀末，將有20～60億hm2的灌溉面積被迫改為旱田，這會進一步損失2.5～12.1×1018J熱量的糧食產量，而在美國北部和東部、南美洲部分地區、歐洲大部分地區和東南亞地區，原則上灌溉供需可以達到平衡。Wada等[49]使用7個全球水文模型量化預測21世紀末全球氣候變化對灌溉用水需求和灌溉面積的影響，評估溫室氣體和氣候變化預測帶來的不確定性。未來全球灌溉用水需求呈增長趨勢，變幅取決于全球變暖的程度以及相關區域的降水量變化。在高排放情景下，與2000年相比，到2100年北半球夏季灌溉用水量增加將超過20%，用水高峰期會延長到1個月或更長時間。全球水文模型和全球氣候模型的不確定性都較大，但前者超過后者。

Blanc等[50]將作物減產模型與水資源模型相組合，評估氣候變化以及經濟社會變化對2050年美國灌溉用水需求和作物產量的影響。水資源短缺加劇將大幅減少特定作物（如棉花和飼料）或特定地區（如美國西南部）的產量。由于受水分脅迫影響最大的流域在美國灌溉面積中所占比例相對較小，故美國作物產量的總體下降幅度很小，減少溫室氣體排放可以減輕水分脅迫對灌溉作物產量的影響，這足以抵消與無約束的溫室氣體排放情景相比所減少的CO2施肥效應。Woznicki等[51]使用土壤和水評價模型評估了氣候變化對美國Kalamazoo流域玉米和大豆灌溉用水需求的影響，來自10個全球氣候模型和4種溫室氣體排放情景下的統計偏差校正降尺度氣候變化數據被用于SWAT模型，分別預測2020－2039年和2060－2079年間的灌溉用水需求和作物產量。共設置了6個改變作物播種期的適應方案，以便充分利用雨熱資源。模擬結果表明玉米和大豆的灌溉用水需求總體上呈下降趨勢，其中提前播種將增加灌溉用水和蒸散發量，而延遲播種則會減少2種作物的灌溉用水需求。

Saadi等[52]基于ENSEMBLES氣候模型獲得的高分辨率氣候數據，評估氣候變暖對地中海地區作物需水和灌溉用水需求以及產量的影響。在中排放情景下，2000－2050年間的年降水量將減少(39.1±55.1) mm，而氣溫卻上升(1.57±0.27)°C。冬小麥和番茄的種植面積分別增加7%和24%，平均生育期分別縮短15和12 d，蒸散發分別減少6%和5%，最佳供水條件下的凈灌溉用水需求分別減少11%和5%，中度虧缺供水下則分別下降14%和7%，且雨養小麥的相對產量損失有所增加，但番茄卻不變，這表明氣候變暖對地中海南部冬小麥生長的影響顯著，需采取補充灌溉措施，而對番茄的影響卻較小。胡實等[53]在氣候變化背景下，利用IPCC不同排放情景多模式集成數據，分析2011－2059年中國海河流域冬小麥適宜品種、種植范圍和農業種植模式的可能變化，并以研究區二級子流域為單元，采用VIP模型預測冬小麥種植區域的可能變化對其蒸散量、灌溉用水量的影響，結果表明不同情景下21世紀50年代海河流域的農業用水缺口將增加3.7×108～34.0×108m3，未來水分將取代熱量成為海河流域北部冬小麥種植面積擴張的主要限制因素。

3.1.2 可用耕地

可用耕地之所以受到氣候變化影響是因為適宜耕種的土地常取決于降水、溫度等氣候變量。具體而言，土壤溫度和空氣濕度是決定土地適宜耕種的主要因素之一，其直接受到氣候變化的影響。溫帶地區的土壤溫度升高常有利于當地農業生產，而熱帶地區過高的土壤溫度則會對作物生長有害，更為潮濕的氣候條件下適宜于土地耕種[54]。Zhang等[55]評價了土地適耕性并評估了全球可用耕地分布狀況，在綜合考慮土壤溫度、空氣濕度、土地坡度、土壤性質對可用耕地適宜性影響的基礎上，指出預測結果因溫室氣體排放水平和氣候預測模型而異。中排放情景下可能導致全球可用耕地面積減少，而低排放情景下則略有增加。高緯度地區可能受惠于全球變暖，而低緯度和中緯度地區則可能受負面影響。大氣濕度指數的降低是熱帶和亞熱帶地區可用耕地減少的主要驅動因素，而溫度升高則是高緯度地區可用耕地增加的主要驅動力。

Ramankutty等[56]預測全球可用耕地面積會略有減少，而中國、俄羅斯和中亞地區卻有顯著增長；Bot等[57]估計受氣候變化影響未來可用耕地將會有不同程度減少。然而，這些研究并未明確考慮氣候變化預測的不確定性和土地適宜性分類的模糊性。此外，因南歐地區易受空氣濕度下降和可用耕地隨之減少的影響，一些作物種植區可能會從當地遷移到北歐或南方更高海拔的地區[58]。由于CO2濃度增加和氣候變暖為作物生長提供了有利條件，預計北歐將開發新的耕作土地[2]；澳大利亞的作物種植邊界很可能要向北移動，還有約24萬hm2的土地可供耕種[59]；氣候變化還可能使地中海等地的土地荒漠化加劇，進一步威脅農業用地[60]。總之，氣候變化預計對高緯度地區的可用耕地產生正面影響，而對低緯度地區則為負面效應[1-2]。

3.1.3 作物產量

氣候變化將通過CO2濃度變化、氣溫升高、降水和蒸散發變化、極端降水事件等影響作物產量，包含積極和消極影響的復雜區域模式是這些因素結合的產物，而這些因素卻因作物、區域、水管理方法等而異[10]。雖然對作物產量的預測結果會因不同作物和情景而變，但根據來自發達國家和發展中國家的各種氣候變化預測可知，到2050年，灌溉小麥和玉米的產量將下降，其中發展中國家的灌溉小麥產量將下降20%～28%[61]。

針對全球和區域尺度，人們已利用歷史數據和統計模型試圖了解影響作物產量的關鍵因素。IPCC報告[1-2]中指出氣候變化對水稻和大豆產量的影響較小，但對許多地區的小麥和玉米產量卻影響較大。Lobell等[62]基于用于表征作物生長季節內降水量和溫度增長的一些氣候參數，部分解釋世界上6種最為廣泛種植作物（小麥、水稻、玉米、大豆、大麥和高粱）的年均產量變化情況。Roberts等[63]指出高溫對干旱環境下的作物減產至關重要，全球大多數地區的氣溫升高都可能導致產量急劇下降。Lobell等[64]發現全球玉米和小麥產量預計將分別減少3.8%和5.5%，而氣候變化對大豆和水稻影響的利弊則互為抵消，主要原因或許是1980~2008年間的氣溫上升趨勢超過了歷史上的年際氣候變化，從而抵消了一些地區因技術發展、CO2施肥效應等因素帶來的惠益。此外，該研究還發現作物產量與飽和水汽壓差（vapour pressure deficit，VPD）有關，較高的VPD值意味著較高的作物需水。同時，較高的VPD值還與較少的云量和較強的太陽輻射有關，這可促進光合作用；當土壤水分受限時，VPD與作物產量間可能會出現負相關性。馬玉平等[65]將傳統的積分回歸模型與氣候預測模型相結合，建立了中國不同省區玉米產量與氣象要素間的相關模型，基于預測成果探討了未來40 a氣候變化對中國玉米產量的可能影響，指出若不改良現有玉米品種以及科技水平發展速度不變，則未來玉米單產將以減產為主，并隨時間遞增呈現減幅增大的趨勢，但一般在5%以內。

3.2 畜牧業

3.2.1 牲畜用水

畜牧業占全球農業總產值的40%，且隨著人口增長和飲食結構變化，人們對畜產品的需求也隨之增長[66]。氣候變化影響下的氣溫升高和降水模式改變均會對畜牧系統產生重大影響。特別是極端氣候事件頻發將明顯影響畜牧業生產力，尤其是對非洲等這類敏感地區。盡管牲畜用水占世界總需水量不到1%，但在一些國家和地區，該比例卻高得多。如博茨瓦納牲畜用水占總需水量的23%，甚至超過該國灌溉用水的比例[67]。

氣候變化對牲畜用水影響的研究成果較少。由于部分牲畜用水來自飼料中儲存的水分，故牲畜用水須從不同來源中加以估算，而飼料中的水分含量卻隨氣候變化有所差異[68]。目前，工業化的畜牧系統對發達國家畜牧業貢獻最大，其更易受到來自氣候變化的間接影響而非直接影響，而發展中國家所普遍采用的放牧-耕作混合畜牧系統卻極易受到自然災害的影響，受氣候變化的直接影響強烈，人口增長和對動物產品需求的增加將給此類畜牧系統帶來更大壓力[69]。如牧場占主導地位的地中海東部沿海地區，由于有效水分的預期下降，致使牲畜生產力降低[48]。

3.2.2 牧草產量

牧草產量受天氣和氣候條件影響嚴重，特別是在水分供給上。牧場是許多地區牲畜的主要飼料來源，如蒙古牲畜每年從牧場獲得超過90%的飼料，溫度和水分變化引起的牧草數量和質量變化可能會影響動物繁殖率[70]。在美國科羅拉多州東北部，受夏季溫度升高和飼料品質下降的影響，奶牛的體質量會減少[71]；澳大利亞畜牧業對氣候因素也高度敏感，氣候變化下的畜牧系統將發生重大改變，特別是該國的熱帶和亞熱帶地域[72]。在南美洲，專用于牧場的土地面積要比農作物面積高出4～8倍，而在拉美地區，由于一些重要的飼料作物生產力下降，致使當地畜牧業生產受阻，影響到食品安全[73]。此外，限制用水有可能惡化高溫帶來的不利影響，迫使牲畜靠近供水點，增加局部地區放牧壓力，導致土地質量退化[66]。

4 氣候變化對農業水管理影響的應對策略

為了應對以上氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產帶來的影響，有必要基于科學的發展理念和先進的技術與管理方法，研究和制定具有適應和/或減緩特點的農業水管理應對策略，選用相關的應對措施。適應通常是指對這些影響做出被動或主動的響應，而減緩則是做出主動的防御，適應較為實時，短期效應顯著，減緩則具有一定時效滯后，重在中長期效應。適應和減緩之間一般既有所區別但又關系密切，如一些應對策略具有適應或減緩的特點，而另一些則兩者兼具。

4.1 農業水管理應對策略的選擇和效果評估

在選擇氣候變化影響下的農業水管理應對策略上，Hardelin等[74]提出應在3個戰略層面上給予重視：一是加強農田適應能力建設和營造有利環境條件，借助技術手段減少農田受氣候變化影響的脆弱性；二是制定農業節水激勵政策和建立水市場，借助經濟杠桿誘使農民對氣候變化影響做出積極響應；三是構建與極端氣候事件頻發有關的氣候風險管理機制，借助保險制度增強農業生產對氣候變化風險不確定性的抵御能力。Iglesias等[75]建立起用于選擇和評價農業水管理應對策略的標準，將人們廣為采用的33個適應策略歸類為提高靈活性和適應能力、應對供水變化、響應旱澇災害、滿足灌溉用水需求、響應農業土地利用變化、應對水土質量惡化、響應生物多樣性喪失等7種適應策略，在確定各個適應策略的特性（行為主體、類型、時間尺度、技術難度、潛在成本、潛在利益）及其評價等級基礎上，采用效益成本比值分析方法開展相關經濟效果的評估，據此提出改善氣候變化監測與預警能力、改進受氣候變化影響下的協調規劃方法、提高農業用水效率等8個為區域層面上最為有效的適應策略，而農田層面上最為有利的適應策略則是修建小水庫、改變作物種類及種植模式以及改善排水系統。在氣候變化影響下的農業水管理應對策略效果評估上，Connora等[76]基于作物-水-鹽生產函數以及相關模型，針對澳大利亞Murray-Darling灌區，研究了氣候變化影響下缺水、供水變異和土壤鹽分增加等要素對灌溉農業生產帶來的影響。當氣候變化加劇時，若忽視其對上述所有要素的影響而只關注缺水時，則勢必夸大應對策略的作用并低估其對灌溉農業產生的潛在影響。供水變異加劇可能會嚴重影響多年生作物種植區，低估效益損失高達20%，應對策略應是減少多年生作物的種植面積，而應對土壤鹽分增加的應對策略則是加大灌水量，以便充分淋洗鹽分，但受灌區供水能力制約須采納休耕部分農田的應對策略。Khilad等[77]使用離散隨機規劃模型，在西班牙Jucar流域開展農業節水激勵政策下氣候變化對灌溉農業影響的研究，評估了氣候變化對當地農民采用的長期和短期應對策略效果以及相關政策干預的影響。指出氣候變化很可能對當地灌溉和與水有關的生態系統產生負面影響，其嚴重程度取決于應對政策的設置和農民對氣候變化影響的響應。就經濟社會效益而言，采用水市場政策要優于灌溉補貼政策，這有助于決策者設計和制定有效的灌溉供水機制，進而應對南歐灌溉農業發展中遇到的氣候變化問題。

Varela-Ortega等[78]將水文模型與經濟模型相耦合，評估了氣候變化對西班牙Guadiana流域灌溉用水的影響，基于多準則分析法識別和優化農業水管理應對策略與措施。提出采用新品種和現代灌溉技術等處于優先位置，修建水庫蓄水建筑物等位于最低等級，而利用保險等公共軟措施則排名居中。由于選擇應對策略的標準是環保、資金可行性和創造就業機會，故須加強不同利益相關群體間的聯系，共同推進適應氣候變化的進程。Ashofteh等[79]基于大氣環流模式HadCM3并結合高溫室氣體排放情景，預測了2026－2039年間伊朗Aidoghmoush流域各氣候變量的長期變化趨勢，采用IHACRES水文模型和聯合國糧食及農業組織（FAO）蒸散發模型評價各氣候變量對水庫入流和灌溉用水產生的影響。與基準期間相比，預測期內的水庫入流和灌溉用水將分別減少0.7%和增加6%。在推遲作物種植日期、虧缺灌溉、改善灌溉效率等應對策略中，虧缺灌溉可以提高灌溉供水的可靠性，而改善灌溉效率則能維持當地作物產量。

4.2 農業水管理應對策略的適應-減緩利弊權衡分析

鑒于氣候變化影響下的一些農業水管理應對策略同時兼具適應和減緩特點，兩者之間存在著矛盾，故需開展適應-減緩的利弊權衡分析，以便提高這些應對策略的功效和作用[80]。如農田退耕還林、促進土壤固碳等措施可能通過減少沉積物、養分和農藥流失達到改善地表水質的目的，但永久性的林地植被覆蓋須在全年內消耗水分，反而會增加用水量；采用噴灌和滴灌等先進節水灌溉技術固然可起到節水、提高灌溉效率的顯著作用，但卻可能增加應用時的能耗和溫室氣體排放。Mushtaq等[81]基于水文與經濟組合的模型，從國家層面上評價了澳大利亞5種節水灌溉技術改造方案的實施效果，開展與節水灌溉技術替代轉型相關的節水、能耗、溫室氣體排放、經濟回報間的利弊權衡分析。其中3種改造方案是通過更換現有灌溉系統實現節水目的，但卻增加了能耗和溫室氣體排放，如采用棉花滴灌可節水120GL/a，但卻增加能耗889 TJ/a和溫室氣體排放25萬t/a（CO2當量），還每年新增約500萬美元的額外費用；當更換低效能源密集型的手動式和滾線式噴灌系統時，特別是被滴灌所取代時，節水減排的效益明顯。這表明最大的挑戰或許來自在采用先進節水灌溉技術的同時，不對農田生態環境造成較大的負面影響，故在應對氣候變化影響的同時，需要優化對先進節水灌溉技術的經濟投入。

在影響采納先進節水灌溉技術的諸多因素中，一般很少考慮氣候變量的作用，這是由于相關研究多集中在氣候相近的同一地理空間范圍內，長期氣候變量的平均值隨時間變化不大，故難以衡量潛在氣候變化產生的影響。此外，狹窄的地理空間范圍也導致氣候變量間的多重共線性，這限制了被評估的氣候變量的個數[82]。為了確保氣候變量具有足夠的空間變化范圍，Frisvold等[83]利用美國農業部經濟研究局提供的農牧灌溉調查數據表，基于氣候、農田規模、用水成本、能耗、勞力費用和土壤特性等對美國西部17個州的噴灌與地面灌溉間的技術選擇開展了應用研究，指出采用先進的節水灌溉技術對當地灌溉農業應對氣候變化至關重要。在氣候變暖和干燥的氣候變化條件下，采用噴灌的可能性較小，而利用其他措施（如虧缺灌溉、滴灌等）可能更為適宜。噴灌更適合在相對涼爽和極端降水事件增加的地區使用，且在片狀和細溝侵蝕指數較高的山丘區使用更多，這反映出較高的降水量、陡峭的地形坡度和較低的土壤持水能力所帶來的影響。

4.3 農業水管理應對策略中的氣候風險管理機制

在氣候變化影響下的農業水管理應對策略中，氣候風險管理無疑是一個重要的組分。Brown等[84]指出氣候風險管理的內容應該包括：1）在應對氣候變化的戰略規劃和決策中系統地利用氣候信息和氣候知識；2）采用可有效減小氣候變化影響脆弱性的氣候信息技術和管理策略；3）使用有利于農村弱勢人口風險轉移的氣候信息政策和市場干預措施。與氣候風險管理相關的措施主要有：控水工程系統、抗旱種質培育、生計多樣化、早期災害預警響應系統、金融風險轉移機制等，相應的投資領域包含：1）氣候信息投資，以提高農業發展的恢復力并刺激投資；2）農村氣候信息服務投資，以支撐對農業用水和農業生產的適應管理；3）綜合性的多種災害預警系統投資，以支持對超出農村社區應對能力的極端氣候事件做出更及時、更協調的反應。

極端氣候事件頻度和程度的加劇意味著應考慮為由此造成的生產風險建立保險和賠償制度，承保災難性的氣候風險應該是農業水管理應對氣候變化的關鍵措施之一。目前世界各地多基于天氣指數形式的保險產品形成管理氣候風險的機制與方法，其中天氣指數保險是根據天氣指數（降雨、溫度等）而非個人損失提供賠償，其他類型的保險則是基于單位面積產量損失。天氣指數保險產品已在或正在埃塞俄比亞（降雨指數）、印度（降雨、溫度、濕度指數）、墨西哥（干旱指數）等國家試行[85]，其性能取決于與天氣風險相關的不確定性程度。一般而言，基于單位面積產量損失的保險似乎效果更佳，但極端氣候下的保費可能非常昂貴，而基于天氣指數的保險成本則會相對較低[86]。

5 研究重點與建議

全球氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產帶來了顯著影響，進而影響到農業水管理及其應對策略。為此，在相關研究方面，人們需要重點關注和研究氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性以及綜合評估方法，開展應對氣候變化影響的農業水管理策略效用分析研究。

5.1 氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性

氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產帶來的影響，在全球、區域、局部不同空間尺度上顯現出較大的異質性，呈現為“全球難下定論、區域特點明顯、局部因地而異”的氣候變化尺度效應特征。降水在全球范圍內未出現明顯的一致性趨勢變化，但北半球高緯度區域的降水及徑流有一定增加，副熱帶區域和一些內陸區域卻有所減少，且與降水有關的干旱洪澇極端氣候事件的頻度和強度變化趨勢一般也僅具有區域性意義。同時，全球作物需水和灌溉用水也表現出非一致性的變化趨勢，但區域間差異卻較為明顯，受地表溫升影響，高緯度區域的作物生育期被延長，而其它區域則被縮短。對降水、作物需水、灌溉用水、可用耕地等而言，因地理地域位置所限，區域間差異可能較為明顯，但在全球尺度上，這些區域間的差異則可能被相互平衡或彼此抵消。人們迫切需要深入了解和認知氣候變化對區域和局部農業水管理造成的沖擊和影響。

由此可見，在制定合理的農業水管理應對策略中，應認真考慮和反映氣候變化尺度效應特征。聯合國糧食及農業組織（FAO）針對全球氣候變化影響的區域多樣性和尺度效應特征，以地理位置、水問題、氣候變化驅動力、脆弱性程度等為依據，將全球主要農業水管理系統歸為7大類型在內的24個典型區域，給出了相應的適應性程度和響應對策的選擇[48]，這有助于人們識別和確定世界各地與主要氣候問題相關的區域，包括：1）灌溉受影響的區域，即以積雪融化為水源的大型自流灌區和需要更多儲水以調節不規則降雨的補充灌區；2）受海水入侵、洪澇災害、水質下降影響的河口三角洲區域；3）季風區內具有季節性儲水系統的干旱、半干旱區域以及濕潤熱帶區域。參照該分類，人們可依據特定地區和地點的現狀及條件，因地制宜地制定和選用應對氣候變化影響的當地農業水管理策略。

在以上氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產影響的模擬評價當中，模擬預測結果的不確定性往往會受到氣候變化預測與影響評估的不確定性影響，這尤其反映在局部尺度上。氣候變化預測與影響評估的不確定性來源常歸類為來自全球氣候模型、溫室氣體排放情景、降尺度技術與方法、水文建模等的不確定性，這些不確定性的累積結果及其在區域或局部尺度上的傳播最終導致不確定性范圍的增加和量值的增大[87]。段青云等[88]利用IPCC-AR5氣候模式并通過貝葉斯多模式推理方法，分析預估了海河和珠江典型流域的氣候變化情況，指出未來情景的不確定性、氣候系統內部自然變率的不確定性和表征氣候過程的不確定性是造成氣候變化預測不確定性的主要來源。盡管在氣候變化預測與影響評估中存在著不確定性，但仍可在各種氣候變化情景下獲得一些具有一致性變化趨勢的結果，有助于人們識別和確定不同時空尺度氣候條件下已發生或正發生的一些氣候控制因素的變化及其對農業水管理的影響。為了應對氣候變化和水文建模中各種不確定性及其對農業水管理的影響，需要繼續研發和完善全球（區域）氣候模型、全球水文模型、全球作物模型等模擬手段和工具，開發和應用降尺度技術與方法以及水文建模方法，并探索廣義不確定性系統理論與方法，以便更好地探索不確定性問題。

5.2 氣候變化對農業水管理影響的綜合評估方法

除了對氣候變化需做出更為準確的預測外，氣候變化對農業水管理影響的評估還應基于人們對改變環境的自然和社會響應機制的更多認知。自然響應機制包括作物對氣候和水土環境變化響應的基本生物過程；在社會響應機制上，應特別關注小農戶和自給型農業社區的迫切需求，因其更易受到氣候變化對可利用水量的影響。鑒于與氣候變化有關的各種控制因素對農業生產的影響可能會相互抵消，如滿足作物需水要求不僅取決于作物需水量還與可利用水量有關，但氣候變化下這兩者既可能增加也可能減少。由于最終影響作物產量的是CO2水平增加、降水和溫度變化、極端氣候事件以及一些社會經濟因素的共同結果，為此，基于系統方法開展氣候變化對農業水管理影響的綜合評估，才能有宜于確定各種控制因素并有效量化氣候變化的影響，為制定和選用更為協調一致的農業水管理應對策略提供支撐。

在氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產帶來的影響評價以及農業水管理應對策略的效果評估中，基本上是采用全球氣候模型分別與水文模型、作物模型、經濟模型互為組合的方式開展，這固然反映出未來氣候變化影響與一部分控制因素間的關聯性，但尚缺乏綜合性的全面評估視野。尤其是在氣候變化影響下的農業水管理應對策略效果評估中，需要明晰氣候變化和流域水文狀況與可利用水量的關系以及農業水管理與農業生產的關系，這迫切需要構建適宜的綜合性評估架構，建立基于氣候、水文、作物、土壤、經濟、管理等多模型集成模式的綜合評估方法，從而有效提高綜合評估結果的可靠性?？紤]到預測互為關聯影響的各種控制因素、用水參與者的行為及未來狀況預測的難度通常較大，在基于情景方案的模擬預測中，采用逐步綜合評估的解決方式或許是有益的[89]，值得研究探討。魏一鳴等[90]總結歸類了典型氣候變化影響綜合評估模型與方法，其中涉及的主要問題有模型框架、不確定性、技術進步、公平性和減排機制等，指出綜合評估模型對技術進步的處理有從外生到內生的趨勢。此外，考慮到各種控制要素之間往往相互依存，且受到來自技術、經濟、管理、政策等多方制約，建議在構建綜合性評估架構中引入優化技術與模型，基于模擬模型與優化模型相耦合的模擬-優化組合方式，可以更好地綜合評估氣候變化對農業水管理的影響以及應對策略的應用效果。

5.3 應對氣候變化影響的農業水管理策略效用分析

農業水管理主要涉及灌溉排水、雨養農業、水土資源保護、流域管理、再生水利用等，氣候變化對農業用水和作物需水及通過水要素對農業生產造成的顯著影響均會程度不一地涉及這些內容。應對氣候變化影響的農業水管理策略是基于資源管理、環境友好、綠色發展理念制定的，即發展節水灌溉農業、提升雨養農業水平、維系農田生態環境、創新流域管理模式、減少再生水利用風險等，相應的應對措施涉及工程、農藝、管理、政策等諸多方面。其中工程措施主要包括節水灌溉方法、渠道襯砌防滲、雨水集蓄等；農藝措施主要包含抗旱耐鹽作物品種選育及應用、土壤蓄水保墑、保護性耕作等；管理措施主要含有節水灌溉制度、輸配水優化、用水管理模式等；政策措施主要涉及節水體制、水權與水市場、風險管理等。選用這些不同的應對策略并集成組合發揮其最大效應的努力，不僅僅取決于人們對上述策略的合理抉擇還與其適應-減緩利弊權衡分析密切相關。

氣候變化影響下一些具有減緩效應的應對策略可能與適應背道而馳，如為了減少石油用量而規?；N植生物能源作物的做法就可能會嚴重影響維系當地糧食生產所需的水土資源，而一些具備適應效應的應對策略也可能與減緩相悖，如加大地下水開采量用于灌溉則可能會增加溫室氣體排放量，故應加強對這些策略的適應-減緩利弊權衡分析。與此同時，考慮到一些應對策略兼具適應和減緩的特點，如開展稻田水管理既可減少甲烷排放又能提高灌溉用水效率，增加土壤有機質和改善土壤保水性能既能增強應對極端氣候事件的復原力也可增加土壤碳固存，故有必要開展對這些應對策略的適應-減緩協同增效作用分析。

在制定應對氣候變化影響的農業水管理策略當中，基于適應和減緩的應對思路固然十分必要，但有時重大技術變革或機制政策改革產生的效應可能會遠超過適應和減緩的效應與作用。如個體農戶對氣候變化的自主適應就較為機動靈活，無需多少行政性干預，但農戶自主選擇各種投入模式和資源利用方式中存在的弊端卻可能危及農田生態環境的完整性，增大未來氣候風險。因此，在制定農業水管理應對策略過程中，應充分考慮來自技術、機制、政策、基礎設施等方面的改變，以便對氣候變化影響做出更為一致和積極有效的響應。此外，還應關注與氣候變化預測不確定性有關的未知風險問題，面對極端氣候事件頻度和強度可能加劇的趨勢，采用傳統的危機管理方式已無法奏效，應將重點放在基于長期或預備措施的氣候風險管理機制上，并加大與此相關的研究和應用力度。

6 結 論

全球氣候變化對農業用水和作物需水以及通過水要素對農業生產均產生了較大沖擊和影響，進而影響到農業水管理及其應對策略。應對氣候變化已成為當今農業水管理面臨的重大挑戰和重要任務，迫切需要加大關注力度和相關研究深度。就本文提出的氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性、氣候變化對農業水管理影響的綜合評估方法、應對氣候變化影響的農業水管理策略效用分析等研究重點上，現有國外研究多集中在氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性和應對氣候變化影響的農業水管理策略效應分析上，并正在加強對應對氣候變化對農業水管理影響的綜合評估方法的研究，而國內則對氣候變化對農業水管理影響的尺度效應和不確定性的研究較多，應對氣候變化對農業水管理影響的綜合評估方法的研究相對薄弱，對應對氣候變化影響的農業水管理策略效應分析的研究基本處于空白。為此，亟待加強和深化氣候變化影響下的農業水管理應對策略效用分析研究，借助涉及工程、農藝、管理、政策等多種要素的各種策略與措施的適宜選擇及其集成組合，是應對全球氣候變化影響的重要途徑和可靠手段。

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Impacts of climate change on agricultural water management and its coping strategies

Xu Di, Li Yinong, Gong Shihong, Zhang Baozhong※

(1.,,100038,; 2.,100048,)

Climate change has led to an increase in globally average annual temperature, changes in regional precipitation patterns, changes in river characteristics, and frequently occurrence of extreme climatic events, and so on, showing its inevitable influence to agricultural water resources and agricultural production worldwide. The events above pose great challenge to the sustainable development of agriculture and modern agricultural water management in the world, especially in the arid and semi-arid regions. This paper introduced the occurrence of extreme weather events under climate change, mainly pointing out the adverse effects of drought and flooding on the global agricultural production, and evaluated the effects of climate change on the availability and quality of agricultural water resources and the water requirements for crops caused by climate change, which included the changing patterns of temperature and precipitation, as well as the frequency and extent of extreme weather events. The impacts of climate change on the surface water, groundwater, snow and glaciers, the causes for the changes of water quality, and the differences in crop water requirements across the globe were highlighted. Besides, the paper also explained the effects of climate change on farming and animal husbandry, mainly referring to the irrigation water, available cultivated land area, crop production, livestock water demands and herbage production, caused by water elements. And then reviewed the coping strategies to agriculture water management under the circumstance of climate change, including selection of coping strategies and performance evaluation of agricultural water management, analysis of adaptation-mitigation trade off, and climate risk management mechanism. Based on the research of climate change on agricultural water management and its coping strategies, the paper set forth to the following suggestions. Firstly, scale effect and uncertainties in the influence of climate change to agricultural water management need to be considered, thereby proper strategy and measure should be made and selected to suit the local conditions. Secondly, comprehensive evaluation method based on the integration of models need to be established actively, and thereby the accuracy and reliability of the comprehensive prediction and evaluation results should be improved profitably. Thirdly, analysis of adaptation-mitigation trade off and coordinate benefit of agricultural water management strategies need to be deeply strengthened, thereby the effect of the strategies should be promoted. Finally, the authors of paper suggested that domestic scholars should strengthen their research efforts to the comprehensive evaluation method and effect analysis, and pointed out that the appropriate selection and integration of various strategies with various factors, such as engineering, agronomy, management, policy and so on, was an important and reliable way to deal with the impact of global climate change.

climate change; agriculture; water resources; agricultural water management; agricultural production; coping strategies; adaptation; mitigation

2018-02-27

2019-06-11

國家科技支撐計劃重點項目（2011BAD25B00，2012BAD08B00，2014BAD12B00）；水利部公益性行業科研專項經費項目（201501016）

許 迪，教授級高級工程師，博士，主要從事農業節水理論與技術研究。北京 中國水利水電科學研究院，100048。Email：xudi@iwhr.com

張寶忠，教授級高級工程師，博士，主要從事作物用水理論與技術研究。北京 中國水利水電科學研究院，100048。Email：zhangbz@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010

S274, TV93

A

1002-6819(2019)-14-0079-11

許 迪，李益農，龔時宏，張寶忠. 氣候變化對農業水管理的影響及應對策略研究[J]. 農業工程學報，2019，35(14)：79－89. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010 http://www.tcsae.org

Xu Di, Li Yinong, Gong Shihong, Zhang Baozhong. Impacts of climate change on agricultural water management and its coping strategies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 79－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.010 http://www.tcsae.org