當(dāng)前氣候變化對(duì)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)缺水的影響,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

當(dāng)下氣候變化對(duì)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)缺水的影響,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文近50多年來,我們國(guó)家氣候變化顯著。1951年至2018年的數(shù)據(jù)表示清楚,全國(guó)升溫趨勢(shì)為0.23℃/10a,年平均降水量固然總體上沒有明顯的趨勢(shì)性變化,但東部從黃河流域到東北呈減少的變化特征。伴隨著氣候變化,位于我們國(guó)家昆侖-秦嶺-淮河一線以北,地處干旱、半干旱和半濕潤(rùn)易旱地區(qū)的北方旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了以沙漠化為特征的環(huán)境問題,生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)遭到了科學(xué)界的關(guān)注與重視。北方旱地農(nóng)業(yè)土地面積占全國(guó)的52.5%,是我們國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分。研究表示清楚,我們國(guó)家北方地區(qū)增溫明顯,年均氣溫增幅在0.2-0.8℃/10a之間。氣候變化對(duì)我們國(guó)家北方旱地農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了更為顯著的影響。為此,開展氣候變化對(duì)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變影響研究對(duì)于促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。水是北方旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子,也是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)田生產(chǎn)力的主要因素。水資源與生態(tài)環(huán)境之間的互相作用決定了旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境動(dòng)態(tài)與環(huán)境狀況。研究揭示,生態(tài)缺水是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因。文中以武川縣為例,研究氣候變化背景下旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)缺水的變化趨勢(shì),并進(jìn)一步研究生態(tài)缺水與氣候變化之間的互相關(guān)系,討論當(dāng)下氣候變化對(duì)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)缺水的影響。該研究對(duì)于促進(jìn)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。1、材料與研究方式方法1.1研究區(qū)域大概情況研究區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古呼和浩特市武川縣(N4108.344,E11117.580),海拔1555m,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春季干旱多風(fēng)沙,降雨集中在夏季,是典型的半干旱偏旱農(nóng)牧交織區(qū)。該地區(qū)晝夜溫差大,年平均溫度2.5℃;降水少,變率大,年降水量250-400mm;蒸發(fā)力強(qiáng),年蒸發(fā)量可達(dá)1993mm-2752mm,約是年降水量的5倍多;全年月平均風(fēng)速為4.5m/s;土壤為鈣栗土,0-100cm土壤容重1.2-1.7g/cm3。無霜期90-120d。種植制度為1年1熟。1.2研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來源研究對(duì)象為武川縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(作物分別為馬鈴薯、春小麥),研究數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣氣象局的氣象數(shù)據(jù)(1961-2018年)和課題組在武川縣長(zhǎng)期定位試驗(yàn)獲得的土壤含水量(1983-2018年)等數(shù)據(jù)。1.3生態(tài)缺水量的計(jì)算生態(tài)缺水量是指特定狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于預(yù)期的生態(tài)目的,系統(tǒng)缺乏的、需要加以補(bǔ)充的水量。當(dāng)系統(tǒng)的水分供給不能知足生態(tài)需水的時(shí)候,生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)缺水,面臨退化甚至崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。生態(tài)缺水量為生態(tài)需水量與生態(tài)耗水量的差值。生態(tài)需水量是指生態(tài)系統(tǒng)到達(dá)某種生態(tài)水平或者維持某一生態(tài)水平的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)所需要的水量,對(duì)不同地區(qū)不同的生態(tài)目的,生態(tài)需水量不同。農(nóng)田生態(tài)需水量為一定生態(tài)水平下植被需水量與土壤需水量之和,華而不實(shí)植被需水量可應(yīng)用一定生態(tài)水平下植被實(shí)際蒸散量來表示,土壤需水量以對(duì)應(yīng)水平下土壤含水量表示。生態(tài)需水量與生態(tài)目的之間存在著定量關(guān)系,一般分為最小、適宜和最大三個(gè)等級(jí)。植被實(shí)際蒸散量可用下式計(jì)算:ETa=ET0KcKs(1)式中:ETa為作物實(shí)際蒸散量(mm);ET0為作物參考蒸散量(mm);Kc為作物系數(shù);Ks為土壤水分脅迫系數(shù);文中Kc值(表1)。Ks采用三基點(diǎn)公式計(jì)算得到,公式如下:式中:Sw為實(shí)際含水量(m3/m3),Lw為臨界含水量(m3/m3),Pw為土壤凋萎濕度(m3/m3)。ET0可由FAO推薦的Penman-Monteith公式求的:式中:Rn為地表凈輻射(MJm-2d-1);G為土壤熱通量(MJm-2d-1);T為2m高處日平均氣溫(℃);U2為2m高處風(fēng)速(ms-1);es為飽和水氣壓(KPa);ea為實(shí)際水氣壓(KPa);△為飽和水氣壓曲線斜率(KPa℃-1);為干濕表常數(shù)(KPa℃-1)。由上述公式能夠求出生育期內(nèi)逐日作物參考蒸騰量,累計(jì)相加可求出生育期內(nèi)作物的參考蒸騰量,進(jìn)而得到適宜狀態(tài)下的植被生態(tài)需水量,與對(duì)應(yīng)的土壤需水量相加,即為適宜狀態(tài)下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗主要是作物耗水,因而作物耗水量即為農(nóng)田生態(tài)耗水量,一般由土壤水分平衡方程計(jì)算得到。農(nóng)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為土壤水分在某一時(shí)段的變化量,P為同期降水量,I為灌溉量,ET為農(nóng)田蒸散量,R是徑流量,D為滲漏量,G為毛管抬升量,單位均為mm。武川縣地處半干旱地區(qū),降水少,地下水位均在7m下面,犁底層基本上位于15-23cm之間,犁底層的存在,毀壞了土壤水分上下層運(yùn)行的連續(xù)性,致使表層接納的自然降水向深層入滲減慢,無灌溉,故滲漏量D、毛管水抬升量G、灌溉量I和徑流量R可忽略不計(jì)。因而,農(nóng)田水分平衡方程能夠簡(jiǎn)化為:ET=P-△W(5)華而不實(shí)△W為作物生育期內(nèi)土壤(0-50cm)土層貯水變化量,等于生育期末土壤貯水量與生育期初土壤貯水量之差。2、結(jié)果分析2.1武川縣氣候變化特征基于Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法和趨勢(shì)線法分析武川縣氣候因子的突變時(shí)期和變化特征。由圖1可知,武川縣年平均溫度在90年代初期發(fā)生突變,增溫明顯,略晚于全國(guó)1978年的氣溫突變時(shí)期。年平均風(fēng)速在90年代初期發(fā)生突變,并顯著減小。年平均相對(duì)濕度在80年代中期到90年代初期發(fā)生突變,1990年之后相對(duì)濕度迅速降低。年平均日較差(日最高溫與日最低溫差的平均值)整體上呈顯著的減小特征,年降水量具有微弱的減小特征,年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)的變化,突變發(fā)生在1990年前后?？紤]到氣溫的主導(dǎo)作用,文中將1991年作為武川縣氣候變化的突變時(shí)期。961-2018年武川縣年平均溫度上升幅度為0.44℃/10a,并通過了99%顯著性檢驗(yàn);年降水量、年平均風(fēng)速、年平均相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)和年平均日較差下降幅度分別為7.57mm/10a、0.20m/(s10a)、0.95%/10a、15.86h/10a和0.43℃/10a,華而不實(shí)年平均風(fēng)速、年平均相對(duì)濕度、年平均日較差通過了99%顯著性檢驗(yàn)。近20年來,武川縣除年平均風(fēng)速外,其余氣象因子變化幅度都有所增加,華而不實(shí)年平均溫度上升幅度為0.65℃/10a,年降水量、年平均相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)和年平均日較差下降幅度分別為29.67mm/10a、2.17%/10a、64.01h/10a和0.90℃/10a,華而不實(shí)年平均溫度的變化通過了95%顯著性檢驗(yàn),年平均日較差的變化通過了99%顯著性檢驗(yàn)。比擬各氣象因子前30年平均值和近20年平均值(表2)可以以發(fā)現(xiàn),90年代以來,年平均溫度增加了1.26℃,年降水量、年平均風(fēng)速、年平均相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)和年平均日較差分別減少了18.39mm、0.66m/s、1.90%、39.81h和0.79℃。以上分析表示清楚,武川縣氣候干暖化趨勢(shì)明顯,且90年代以后變化更為顯著。2.2武川縣生態(tài)缺水量變化特征馬鈴薯和春小麥生態(tài)需水量在1991-2018年呈上升的特征,上升幅度為馬鈴薯10.78mm/10a,春小麥12.98mm/10a。生態(tài)需水量逐步增加表示清楚生態(tài)系統(tǒng)需要更多的水來維持其最基本的消耗,降水量的減少使得水分的供給越來越難以知足生態(tài)環(huán)境的正常運(yùn)轉(zhuǎn),生態(tài)環(huán)境處于退化狀態(tài)。隨著武川縣氣候逐步向干暖化方向發(fā)展,馬鈴薯和春小麥的耗水量呈現(xiàn)下降的變化特,下降幅度為馬鈴薯35.35mm/10a,春小麥42.02mm/10a。生態(tài)缺水量是表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)的重要指標(biāo),也是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)一定的生態(tài)目的,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生缺水的時(shí)候,就要增加水分的供給,保證生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。馬鈴薯和春小麥的生態(tài)需水量整體上呈上升特征(圖5),上升幅度為馬鈴薯45.99mm/10a,春小麥55.40mm/10a。作物生態(tài)缺水量不斷增加表示清楚,武川縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分供給不能知足其生態(tài)需水量的要求。假如這種缺水狀態(tài)持續(xù)發(fā)展,超過了生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)就將退化。2.3武川縣生態(tài)缺水量與生育期各氣象因子的相關(guān)性分析對(duì)作物生態(tài)需水量、生態(tài)耗水量及生態(tài)缺水量與生育期各氣象因子進(jìn)行偏相關(guān)分析(表3)可知,作物生態(tài)需水量與生育期平均溫度、生育期平均相對(duì)濕度、生育期平均風(fēng)速和生育期日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性較高,且通過了99%顯著性檢驗(yàn);生態(tài)耗水量和生態(tài)缺水量主要受生育期降水量的影響。為了進(jìn)一步討論生態(tài)缺水量(Y)與生育期降水量(X1)、生育期平均溫度(X2)、生育期平均相對(duì)濕度(X3)、生育期平均風(fēng)速(X4)、生育期平均日較差(X5)和生育期日照時(shí)數(shù)(X6)的關(guān)系,進(jìn)行多元回歸分析可知,馬鈴薯生態(tài)缺水量Y=-0.912X1+13.435X2-0.063X3+15.648X4+7.478X5+0.003X6+80.303,R2=0.956,回歸顯著;春小麥生態(tài)缺水量Y=-0.903X1+1.702X2-2.489X3+18.389X4-2.074X5+0.085X6+441.045,R2=0.964,回歸顯著。將上述多元回歸分析中的系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化(表4),能夠看出,各氣象因子對(duì)生態(tài)缺水量的影響由大到小分別為:馬鈴薯為生育期降水量、生育期平均溫度、生育期平均日較差、生育期平均風(fēng)速、生育期平均相對(duì)濕度及生育期日照時(shí)數(shù);春小麥為生育期降水量、生育期平均相對(duì)濕度、生育期日照時(shí)數(shù)、生育期平均風(fēng)速、生育期平均日較差及生育期平均溫度。綜上所述,生態(tài)需水量主要受生育期平均溫度、生育期平均相對(duì)濕度、生育期平均風(fēng)速和生育期日照時(shí)數(shù)的影響。生態(tài)耗水量主要受生育期降水量的影響。生育期降水量是影響生態(tài)缺水量的最顯著影響因子,且生態(tài)缺水量隨降水量的減少而增加。在當(dāng)下干暖化背景下,降水量的減少加大了武川縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)缺水,進(jìn)而加劇了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的退化。3、討論怎樣定量研究氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變的影響是當(dāng)下氣候變化背景下的熱門科學(xué)問題。由于表征生態(tài)系統(tǒng)演變的指標(biāo)能夠從構(gòu)造、功能及環(huán)境等多個(gè)方面來選擇,為此能夠基于構(gòu)造、功能、環(huán)境等不同指標(biāo)變量與氣候要素之間的互相關(guān)系來研究氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。前人基于土壤濕度、作物產(chǎn)量等指標(biāo)初步揭示了生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)要素的變化趨勢(shì),但有關(guān)氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變的研究還少見報(bào)道。生態(tài)缺水是表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)的重要指標(biāo),也是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。文中通過對(duì)武川縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)缺水的研究,討論了氣象因子與生態(tài)缺水之間的關(guān)系,進(jìn)而討論了氣候變化對(duì)北方旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變的影響,對(duì)于促進(jìn)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。由于氣候變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響非常復(fù)雜,文中是研究氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變影響的初步嘗試,今后需要開展更為系統(tǒng)、更為深切進(jìn)入的研究。4、結(jié)論文中以武川縣為例,從生態(tài)缺水的角度研究了旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢(shì),討論了氣候變化對(duì)旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變的影響,研究表示清楚:(1)1961-2018年武川縣平均溫度呈上升趨勢(shì),上升幅度為0.44℃/10a;降水量、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和日較差呈下降趨勢(shì),下降幅度分別為7.57mm/10a、0.20m/(s10a)、0.95%/10a、15.86h/10a和0.43℃/10a。90年代以來,氣象因子(除風(fēng)速外)的變化幅度更為明顯,平均溫度上升幅度為0.65℃/10a,降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和日較差下降幅度分別為29.67mm/10a、2.17%/10a、64.01h/10a和0.90℃/10a。武川縣氣候干暖化趨勢(shì)明顯,90年代以后變化更為顯著。(2)1991-2018年武川縣農(nóng)田生態(tài)缺水量呈上升趨勢(shì),上升幅度分別為馬鈴薯45.99mm/10a,春小麥55.40mm/10a,武川縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正逐步退化。(3)生態(tài)需水量主要受生育