1957—2019年沁水縣氣候變化趨勢對農業生產的影響分析

李亞軍 張 燕

（1山西省氣象信息中心，山西太原 030006；2沁水縣氣象局，山西沁水 048200）

近年來，全球氣候變化加劇導致極端氣候及天氣事件發生的空間區域、時間持續性、頻率和強度等顯著變化，給農業生產帶來巨大影響，降低了我國糧食產量[1]。近100年來，全球氣溫上升趨勢明顯。第五次IPCC評估報告指出1880—2012年全球平均溫度升高0.85℃[2]。全球氣候變化引起地表溫度、降水量以及日照等氣象要素發生不同程度的變化，并對農作物種植類型及其生產管理方式產生較大影響[3-4]。研究區域氣候變化規律，掌握當地農業氣候資源變化情況，對進一步為農民做好農業氣象服務、提高作物適應氣候變化的能力、保障國家糧食安全具有積極意義[5-7]。

國內學者就氣候變化對農業生產的影響進行了很多研究。肖國舉等[8]研究指出，全球氣候變化已經影響了我國農業生產及其生態系統，尤其對華北干旱地區農業的影響更為顯著。肖風勁等[9]根據不同的氣候變化情景，分析了氣候變化對我國農業生產的影響，主要包括作物的種植結構、區域布局、產量和品質等方面。郭建平[10]介紹了氣候變化對我國農業生產影響研究的現狀、進展及發展趨勢，并詳細分析了氣候變化對農作物生長發育和產量的影響，以及對農作物品種分布、農作物種植方式和氣候資源利用率等方面的影響。武 芳等[7]認為1955—2001年安徽省大別山區旱災發生頻率顯著升高，對當地糧油作物生產產生負面影響。許多學者研究省、市氣候變化特征，認為氣候顯著變暖，降雨量年際間大幅波動以及日照時數顯著下降影響水熱資源平衡性，對各類農作物正常生長發育以及作物病蟲害發生產生很大影響[11-14]。 同 時，Asian Development Bank[15]研究 認為，預計在2080年氣候變化將導致中國國內生產總值下降1.4%、糧食作物減產7.4%、畜牧業減產5.9%。目前，基于長時間序列（60年）氣候變化對縣域農業生產的影響相關研究較少。

沁水縣位于山西省東南部，太行、太岳和中條三山銜接處。在全球氣溫變暖的大背景下，沁水縣也存在明顯暖化、降水量減少等氣候變化現象[16]，導致階段性干旱概率增加，從而影響了當地農村經濟發展。本文擬采用長時間序列氣象資料分析沁水縣氣候變化及其對當地主要農作物生產的影響，合理調整農作物種植結構、優化管理措施應對氣候變化，推動鄉村經濟振興，實現農業經濟可持續發展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于山西省沁水縣氣象站1957—2019年逐日氣象觀測資料，使用1957—2019年沁水縣逐月氣溫、降水、≥0℃積溫和初霜日、終霜日、無霜期等氣象資料及氣象災害普查資料。季節劃分標準：春季為3—5月，夏季為 6—8月，秋季為9—11月，冬季為當年12月至次年2月[17]。

1.2 分析方法

基于氣候統計原理，采用線性趨勢、氣候傾向率等方法對氣溫和降水進行氣候變化趨勢分析，其中氣候傾向率計算方法公式如下：

式中，a、b可以由最小二乘法求出，b為回歸常數，t為年份，a為氣候傾向率，其大小反映了增加和減小的速率。同時，對氣溫進行10年滑動平均變化分析。

2 結果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 年季平均氣溫變化特征。沁水縣1957—2019年年平均氣溫上升趨勢明顯，相關系數為0.13，其氣溫上升傾向率為0.10℃/10 a，略低于山西省年平均氣溫0.3℃/10 a的上升幅度[18]。年平均氣溫為9.4～11.4℃，所有年份平均氣溫為10.4℃（圖1）。年平均氣溫呈現明顯的周期振蕩特征，與周 威等[19]研究報道一致。沁水縣1957—2019年年代際氣溫呈年代上升趨勢，上升幅度不一（表1），20世紀90年代之前年代際氣溫顯著低于20世紀90年代之后年代際氣溫，證明該時間段增溫最明顯。研究發現極端高溫事件對于增溫有很大影響，1999年、2006年、2007年和2013年是沁水縣歷史上平均氣溫最高的4年，年平均氣溫達到了11.4℃，相比于正常年份平均偏高1.0℃。此外，由圖2可知，極端高溫事件在21世紀發生的次數顯著高于20世紀，且出現頻率明顯增加。≥35℃天數最高值出現在2005年，為8 d；其次為2019年的7 d。該研究結果與張寧[20]報道氣溫變化極端事件的次數和強度在21世紀均有一定程度增加的結論一致。

表1 沁水縣氣溫年代際變化

由圖3可知，1957—2019年的冬、春、秋季平均氣溫均呈現上升趨勢。其中：春季增溫最為顯著，氣候傾向率為0.20℃/10 a；其相關性R2也達到最大，為0.2（圖3）；冬季次之，氣候傾向率為0.13℃/10 a；秋季氣候傾向率最小，僅為0.10℃/10 a，升溫不明；夏季呈現降溫趨勢。楊 軍等[18]研究山西省近60年春、夏、秋、冬季平均氣溫上升幅度分別為0.30、0.10、0.20、0.40℃/10 a。 任國玉等[21]研究 1951—2004年全國春、夏、秋、冬季平均氣溫變化傾向率分別為0.28、0.15、0.20、0.39℃/10 a。沁水縣季節氣溫變化傾向率均小于山西省以及全國，而造成這種現象的原因可能是局地小氣候的影響。四季平均氣溫在不同年代際均呈現不同程度的變化特征。冬季平均氣溫在20世紀50—80年代增溫不明顯，20世紀90年代增溫幅度為36%，年代際幅度最大。而在21世紀10年代出現了明顯的降溫，平均值為-2.5℃。同樣秋季在20世紀90年代也出現了明顯的增溫，增加了0.5℃。春、夏季年代際變化平穩。

2.1.2 ≥0℃積溫變化特征?！?℃積溫作為一種指標，對研究農作物生長、發育對熱量的要求和評價熱量資源具有重要作用[22]。相關人員通過0℃的初日與終日科學指導農民進行農作物管理：初日開展小麥返青、土壤解凍、果樹萌動等農事活動；終日會導致土壤凍結、草木休眠、冬小麥停止生長而進入冬眠期，因而冬日不進行施肥、灌溉等農事活動[4]。60多年來，沁水縣≥0℃積溫呈現出顯著的增加趨勢（圖4），平均增加18℃/10 a；特別是在1997年之后，≥0℃積溫增加明顯，1998—2019年均積溫比20世紀60年代增加163.0℃，作物生長季（4—10月）平均積溫也呈現增加趨勢。各個季節積溫的增加差異也比較大，其中：春季增加最多；秋季和冬季次之；夏季變化不大，在2003年之后呈現遞減趨勢。春、秋季積溫的增加能夠導致春播提前、秋播推遲，使農作物生長期延長，春季小麥返青、果樹萌動等發育期提前，并且使春季凍害概率增加、凍害程度明顯加強[23]。

2.2 降水變化特征

從圖5可以看出，1957—2019年沁水縣降水量波動整體呈現減少趨勢，氣候傾向率為-5.7 mm/10 a，減少趨勢明顯。沁水縣近62年的年均降水量為560.7 mm，年降水量最大值和最小值分別是936.9 mm和206.2 mm，分別出現在2003年和1957年。年降水量最大值與最小值之間的差值為730.7mm，高于歷年平均值，說明沁水縣降水年際起伏變化比較大，極易造成當地旱澇災害。在降水偏少年份，例如1957年、1965年、1972年、1980年、1997年、2008年、2019年的年降水量不足400 mm，容易發生干旱災害，不利于當地農業穩定生產。年代際降水量變化也有所不同：20世紀70年代最多，達到年平均611.3 mm；20世紀60年代次之，為604.8 mm；20世紀50年代降水量最小，僅為422.5 mm。

分析1957—2019年沁水縣四季降水量變化數據（表2）可知，降水主要集中在夏季，并呈上升趨勢，氣候傾向率為1.9 mm/10 a，而春、秋、冬季平均降水均呈下降趨勢，春、秋季下降速率高于冬季，春、秋、冬季的氣候傾向率分別為-1.9、-5.3、-0.5 mm/10 a。通過上述分析可知，沁水縣降水減少趨勢主要是由于春、秋季降水減少引起的。

表2 1957—2019年沁水縣四季降水量變化情況統計

2.3 氣候變化對農業的影響

2.3.1 氣候變化對農作物生長發育的影響。通過對1957—2019年沁水縣發生的氣象災害進行統計分析，發現沁水縣干旱、風雹等氣象災害成為影響該地經濟社會可持續發展的主要氣象災害。干旱是沁水縣主要災害性天氣之一[24]，占該縣自然災害的35%。因此，干旱對當地經濟造成的影響比較嚴重。將年降水量少于平均值的30%的年份定義為干旱年，從有氣象資料以來，沁水縣出現干旱的年份分別是1965年、1986年、1991年、1997年、2015年，其對應的距平分別為-40%、-30%、-30%、-40%、30%。60多年來沁水縣冰雹總共出現81次，占沁水縣自然災害的16%，并且冰雹對農業生產的危害也很嚴重。從沁水縣歷史資料統計來看，冰雹出現的主要時段在5月下旬至8月中旬，最早出現在3月上旬，最遲出現在10月下旬。

氣候變暖導致熱量條件得到一定程度的改善，從而引起農業耕作制度發生變化[25]。小麥、玉米和谷子為沁水縣主要農作物。根據上文分析可以看出，沁水縣≥0℃積溫和≥10℃積溫都在增加，冬、春季氣溫升高，使當地農作物生長季延長。該地冬小麥的播種期大約推遲了5 d，由20世紀9月23日推遲到9月28日前后。另外，沁水縣城東部玉米的播種方式逐步變為套種，改變了原來的直播方式；當地種植的農作物品種也有變化，中晚熟品種得到更廣泛的播種。

冬季低溫日數呈現減少趨勢，有利于沁水縣越冬作物的安全越冬，同時也為冬季和春季的設施農業生產提供了有利條件。盡管如此，氣候變暖常常造成倒春寒和晚霜凍等現象，使農作物生產存在不穩定性[26]。例如1998年、2004年發生的倒春寒，造成了嚴重的作物凍害現象，導致作物產量下降。

2.3.2 氣候變化對農作物種植面積和產量的影響。沁水縣1957—2019年主要農作物小麥和谷子種植面積呈現下降趨勢。小麥種植面積受全球氣溫變化的影響，自20世紀90年代開始以1 001 hm2/a的速率顯著下降。谷子種植面積從20世紀80年代開始下降，平均速率為262 hm2/a；2003年之后保持相對穩定。玉米種植面積在20世紀70—80年代呈現降低趨勢，20世紀80年代中期到21世紀初保持相對穩定；2003年之后顯著增加，從2003年的7 429 hm2增加到2019年的19 765 hm2。耐旱農作物玉米種植面積總體呈現上升趨勢?？傮w而言，氣候條件變化對沁水縣農作物種植類型及產量具有顯著影響。自1957年以來，沁水縣小麥、谷子和玉米單產呈現明顯的上升趨勢。究其原因，一是農田管理水平不斷提高，二是得益于有利的氣候條件。小麥每年單產波動比較大，氣候變化嚴重影響了沁水縣農業生產的穩定性。

3 結論與討論

1957—2019年沁水縣年平均氣溫在波動中上升，氣候傾向率達0.10℃/10 a，氣溫的上升集中在冬季和春季；而夏季氣溫呈現降低趨勢；沁水縣冬暖夏涼現象較為明顯。沁水縣≥0℃積溫逐年增多。但是，沁水縣降水呈現逐年遞減趨勢，氣候傾向率為-5.7 mm/10 a，降水減少不明顯。四季降水主要集中在夏季，并且降水量呈現逐年增加趨勢，降水量的減少主要發生在夏、秋季。

氣候變暖，使春播期提前、秋播期推遲、作物生長季延長、小麥播種期推遲、玉米由直播轉變為套種、品種向中晚熟轉變。氣候變暖導致小麥和谷子種植面積顯著降低，而耐旱農作物玉米種植面積則呈現明顯的增加趨勢。各種農作物單產均呈現明顯的上升趨勢。