气候变化对华北农业水资源影响的研究进展*

莫兴国，夏军，胡实，林忠辉

①中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；②武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072

气候变化对华北农业水资源影响的研究进展*

莫兴国†①，夏军††②，胡实①，林忠辉①

①中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；②武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072

水资源是制约华北平原农业稳定和可持续发展的主要因素。气候变化对华北平原水资源和农业需水影响显著。1950年以来，华北平原气候总体趋向于暖干化，潜在蒸散呈下降趋势。近30年实际蒸散量呈现弱的上升趋势，与潜在蒸散有互补关系。未来气候变化情景下，区域水分盈余量下降，华北地区干旱化趋势加重。作物生育期耗水量和灌溉需水量增加，其中北部地区水量亏缺更为严重，南部地区水量盈余则减少。调整春季高耗水作物种植面积和空间布局，减少农业用水量，是适应气候变化的必要途径。

华北平原；气候变化；水资源量

华北平原是我国重要的粮食主产区，现有耕地面积32.6×106hm2，约占全国耕地面积的40%，目前小麦产量占全国的一半以上，玉米产量约占全国总产的40%左右。新中国成立初期，华北平原深受“旱、涝、盐、碱”等自然灾害的侵扰，农业生产水平较低，粮食自给不足，是“南粮北调”的长期输入地。随着国家根治海河、治理淮河等重大水利工程的开展，灌溉设施的建设和化肥工业的发展，以及作物品种、栽培技术的进步，使得华北平原的农业生产面貌得到了根本改变，粮食产量得到了大幅度的提高，改变了南粮北调的格局，并成为重要的商品粮基地。

但是，华北平原农业发展也付出了巨大的环境代价。其作物种植制度从传统的二年三熟转到小麦-玉米一年两熟为主，大大地提高了作物生产的水分需求，农业生产严重依赖于灌溉。尤其是在黄河以北的海河流域地区，600 mm左右的降水难以满足700 mm左右的作物需水，长期持续的地下水开采，就成了维系海河流域粮食高产的重要条件。可更新水资源的长期供求失衡已经成为影响该区粮食安全、生态安全，以及社会可持续发展的首要因素。近几十年来华北平原气侯暖干化的趋势，更是加剧了华北地区的水危机。过去20多年，海河、黄河和淮河流域的地表径流分别减少了41%、15%和15%[1-2]，虽然在努力压缩农业用水，但是生活、生态用水的需求量却在持续增加，从而导致地下水开采加剧，地下水采补失衡越来越严重，地下水位持续下降。近30年来，河北、北京等地的地下水开采量已占总供水量的70%以上，浅层地下水位下降了20～40 m[3-4]。华北平原北部形成了多个连片的地下水漏斗群，并带来了地面沉降、海水入侵、地下水污染等严重的环境问题。此外，社会生产各部门间用水竞争日益加剧，农业用水所占份额呈持续下降趋势。建国初期至2010年，我国农业部门的用水比例由97%下降至64%，农业部门用水日趋严峻[5]。尤其是在海河流域，耕地亩均水资源量约为245 m3，不足全国亩均水资源量的1/8[6]。海河流域农业生产与社会发展、生态保护之间的矛盾日益尖锐。在气候暖干化背景下，日趋紧张的水资源短缺和水环境问题，已经成为制约华北平原生态、农业可持续发展的瓶颈。

1 华北平原的气候变化趋势

过去60年来，华北平原气候总体趋向于暖干化。据实测气象资料分析，华北平原多年平均降水量在500～1 100 mm，由东南向西北递减；年平均气温为8 ℃～15 ℃，呈现由北向南递减的趋势。1950年以来华北平原的年均降水量呈微弱的下降趋势，年平均、最低和最高温度皆呈现显著的上升趋势[7]。1980年之后，降水距平为负的年份较为频繁，年均气温约在1990年发生一次突变，形成一个持续至今的温暖期，1980—2000年的平均温度比1950—1980年高0.7 ℃。对国家气候中心提供的WCRP耦合模式比较计划-阶段5的多模式数据(CMIP5)的分析表明，2020—2050年，华北平原降雨量和气温均呈现增加趋势，其增幅由北向南逐渐减少。2050s年代，RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下华北平原气温和降雨将分别增加1.6 ℃、2.1 ℃、2.8 ℃和6.5%、9.1%、12.1%。

采用PDSI指数，SPI和SPEI指数对华北平原过去60年和未来干旱状况的研究表明，温度升高和降雨减少使得华北平原在过去60年干旱化趋势明显，极端干旱发生频率增加，极端干旱高发区主要集中在降水量小于600 mm的平原北部[8]。最近15年(2000—2013)以来，华北处于极端干旱发生频率最高的一个时段。未来气候变化情景下，气候变暖是华北地区干旱化趋势加重的主要原因，降雨的增加未能扭转这一趋势。2020—2050年华北平原轻、中度干旱发生频率有所降低，但极端干旱发生频率呈增长趋势，高排放情景下华北干旱化趋势更明显(图1)。

图1 不同指数表征华北平原2021—2100年的旱涝年际变化(上、中和下图分别为RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5的情景)

2 华北农业水资源的变化趋势

华北平原的年蒸散量和土壤含水量均呈现由东南向西北逐渐递减的趋势，与降水和温度的纬度地带性变化一致。1990年以来，华北平原年蒸散量在700～900 mm，蒸散的年际变化既受气候波动的影响，也受植被动态的调节[9]。夏收(冬小麦)和秋收作物(夏玉米)生育期内土壤水分的空间分异性明显。冬小麦季土壤水分增加的区域主要集中在华北平原中东部地区，土壤含水量的变异系数由西向东逐渐降低。玉米季大部分地区土壤含水量呈现年际增加的趋势，变异系数由南向北逐渐减小。实际蒸散和土壤水分变化主要受潜在蒸散变化的影响，其中华北平原中西部灌溉麦田土壤水分的变化受人类活动影响较多[10]。

水分盈亏分析表明，黄河以南区域水分多有盈余，黄河两岸及以北地区，大部分地区蒸散大于降水，差额由灌溉补充。年尺度上，小麦生育期内灌溉量基本上在200 mm以内，太行山及燕山山前平原灌溉量最高(150～200 mm)。玉米生长季，黄河以南有100～250 mm降水盈余，而黄河以北地区，除太行山、燕山山前平原需补充大约50 mm灌水外，水分收支基本持平[9]。

假设未来作物种植状况不变，根据IPCC第五次评估报告的三种排放情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)，采用VIP模型模拟预估了2020s—2050s年代际华北地区地表蒸散和径流的变化。结果显示：年总蒸散量在全流域皆增加，随着代际增加，ET增幅加大(图2)，2050s年代，ET增幅在6%～10%，略高于降水增幅。就空间格局而言，ET在北部和南部的增幅高于中部，这是由于北部降水增加较多，土壤湿度上升，导致ET明显增加的缘故；而南部雨水较丰沛，在增温明显的情况下，大气蒸发能力的提高导致实际蒸散较大幅度的上升[11]。ET增幅大于降水表明，未来气候变化情景下流域的产流能力下降，水资源量将有所减少。

图2 未来气候情景下华北地区年降水量和实际蒸散的变化

冬小麦生育期因气温上升而缩短，其产量和蒸散量呈下降趋势。CO2浓度增加对作物生长的益处高于增温带来的不利影响[12-13]。以RCP4.5为例，2050s华北平原冬小麦平均产量将增加14.8%(无CO2肥效时产量下降2.5%)，蒸散量降低2.1%[14]。在三个情景下，2050s年代水稻-小麦轮作系统的总ET将增加8%～16%；小麦-玉米轮作系统将增加7%～10%。这意味着维持当前的耕作制度，农业将消耗更多水资源，势必加剧区域水资源的紧张。

对于地表径流而言，南部增幅较小甚至略有减少，而北部流域地表径流深增加明显，径流增幅亦较大，在RCP4.5和RCP8.5情景下2050s代际地表径流增幅可达20%。在降水量不高的北方地区，径流对降水变化的响应呈放大效应，亦即地表径流增幅大于降水增幅；而在华北的南部地区，增温导致的高蒸散率抵消了降水的增加，径流的增幅小于降水的增幅。

由于农作物总蒸散量增幅大于降雨量增幅，华北平原北部地区水分亏缺幅度上升，其中2050s河北平原区水量亏缺0～100 mm。太行山前平原区为传统农业高产区，灌溉量大，需要外来调水和地下水超采补充。华北平原南部地区水分盈余将减少，其中黄河以南的流域水分盈余量在2050s可以维持在50～250 mm之间；北部和西北的太行山区流域水量盈余小于50 mm。总体而言，未来气候变化情景下，华北地区水分盈余量下降，在低到高的排放情景下，全区域水分盈余量将下降4%～24%(图3)，其中下降最为明显的是南部水稻种植区，水稻灌溉需水升幅可高达30%～50%。

3 水资源可持续利用的农业气候适应措施与对策

在气候变暖，流域水量盈余减少的背景下，为保障流域粮食、生态和水资源安全，调整农业生产结构与作物品种布局，减少农业用水量，将是应对气候变化的重要途径。未来应对气候变化的农业措施主要有以下几方面：①选育抗旱、抗逆、高产的优良品种。采用积温需求更高的品种有利于冬小麦利用CO2肥效提高其产量，但耗水量将有所增加[14]。因此，培育适应气候变化的作物品种的同时，还需改进农业节水技术和优化农田灌溉措施，缓解产量增加带来的水资源紧张。②压缩高耗水作物种植面积。鉴于未来气候变化情景下，海河流域的水资源亏缺可能加剧，通过缩小海河流域冬小麦种植面积能有效缓解该地区水资源紧张的局面。对无外来调水量和保持2000—2010年调水量水平的评估显示，在维持流域地下采补均衡的前提下，2050s研究区冬小麦种植面积应分别减少9.8%～11.3%和7.0%～8.8%，CO2肥效使得黄淮海平原冬小麦总产量将分别增加0～11.9%和3.0%～15.9%。

图3 未来情景下华北地区三级流域水量盈亏的变化

(2016年5月15日收稿)

[1] 国家发展改革委水利部, 建设部. 水利发展“十一五” 规划[R]. 2007.

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(编辑：段艳芳)

Influences of climate changes on agricultural water resources in North China Plain

MO Xingguo①, XIA Jun②, HU Shi①, LIN Zhonghui①
①Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; ②State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Water scarcity affects the stability and sustainable development of agricultural productivity in the North China Plain (NCP). Climate change has noticeable impacts on agricultural water resources. NCP faced a drying trend since 1950. Although the potential evapotranspiration in NCP show a decreased trend, the actual evapotranspiration will have an increasing trend in the near 30 years. Even the precipitation will be increasing signi fi cantly in the future; the effect of air warming overtakes the precipitation enhancement, leading to a decreasing trend of rainfall surplus, which will exaggerate the drought severity. The increasing trends in crop evapotranspiration and irrigation demand will change the pattern of water balance, the water de fi cit in north part of NCP will be exaggerated and the rainfall surplus in the south part of NCP will decrease. Adjusting the proportion and pattern of crops with high water consumption, reducing agricultural water consumption are the ef fi cient ways to improve adaptive capabilities of agricultural system.

North China Plain, climate change, agricultural water resource

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.03.005

*国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB428400)资助

†通信作者，E-mail: moxg@igsnrr.ac.cn

††中国科学院院士，研究方向：系统水文学非线性理论与方法、生态水文与水资源可持续管理