1957—2019年沁水县气候变化趋势对农业生产的影响分析

李亚军 张 燕

（1山西省气象信息中心，山西太原 030006；2沁水县气象局，山西沁水 048200）

近年来，全球气候变化加剧导致极端气候及天气事件发生的空间区域、时间持续性、频率和强度等显著变化，给农业生产带来巨大影响，降低了我国粮食产量[1]。近100年来，全球气温上升趋势明显。第五次IPCC评估报告指出1880—2012年全球平均温度升高0.85℃[2]。全球气候变化引起地表温度、降水量以及日照等气象要素发生不同程度的变化，并对农作物种植类型及其生产管理方式产生较大影响[3-4]。研究区域气候变化规律，掌握当地农业气候资源变化情况，对进一步为农民做好农业气象服务、提高作物适应气候变化的能力、保障国家粮食安全具有积极意义[5-7]。

国内学者就气候变化对农业生产的影响进行了很多研究。肖国举等[8]研究指出，全球气候变化已经影响了我国农业生产及其生态系统，尤其对华北干旱地区农业的影响更为显著。肖风劲等[9]根据不同的气候变化情景，分析了气候变化对我国农业生产的影响，主要包括作物的种植结构、区域布局、产量和品质等方面。郭建平[10]介绍了气候变化对我国农业生产影响研究的现状、进展及发展趋势，并详细分析了气候变化对农作物生长发育和产量的影响，以及对农作物品种分布、农作物种植方式和气候资源利用率等方面的影响。武 芳等[7]认为1955—2001年安徽省大别山区旱灾发生频率显著升高，对当地粮油作物生产产生负面影响。许多学者研究省、市气候变化特征，认为气候显著变暖，降雨量年际间大幅波动以及日照时数显著下降影响水热资源平衡性，对各类农作物正常生长发育以及作物病虫害发生产生很大影响[11-14]。 同 时，Asian Development Bank[15]研究 认为，预计在2080年气候变化将导致中国国内生产总值下降1.4%、粮食作物减产7.4%、畜牧业减产5.9%。目前，基于长时间序列（60年）气候变化对县域农业生产的影响相关研究较少。

沁水县位于山西省东南部，太行、太岳和中条三山衔接处。在全球气温变暖的大背景下，沁水县也存在明显暖化、降水量减少等气候变化现象[16]，导致阶段性干旱概率增加，从而影响了当地农村经济发展。本文拟采用长时间序列气象资料分析沁水县气候变化及其对当地主要农作物生产的影响，合理调整农作物种植结构、优化管理措施应对气候变化，推动乡村经济振兴，实现农业经济可持续发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料来源于山西省沁水县气象站1957—2019年逐日气象观测资料，使用1957—2019年沁水县逐月气温、降水、≥0℃积温和初霜日、终霜日、无霜期等气象资料及气象灾害普查资料。季节划分标准：春季为3—5月，夏季为 6—8月，秋季为9—11月，冬季为当年12月至次年2月[17]。

1.2 分析方法

基于气候统计原理，采用线性趋势、气候倾向率等方法对气温和降水进行气候变化趋势分析，其中气候倾向率计算方法公式如下：

式中，a、b可以由最小二乘法求出，b为回归常数，t为年份，a为气候倾向率，其大小反映了增加和减小的速率。同时，对气温进行10年滑动平均变化分析。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征

2.1.1 年季平均气温变化特征。沁水县1957—2019年年平均气温上升趋势明显，相关系数为0.13，其气温上升倾向率为0.10℃/10 a，略低于山西省年平均气温0.3℃/10 a的上升幅度[18]。年平均气温为9.4～11.4℃，所有年份平均气温为10.4℃（图1）。年平均气温呈现明显的周期振荡特征，与周 威等[19]研究报道一致。沁水县1957—2019年年代际气温呈年代上升趋势，上升幅度不一（表1），20世纪90年代之前年代际气温显著低于20世纪90年代之后年代际气温，证明该时间段增温最明显。研究发现极端高温事件对于增温有很大影响，1999年、2006年、2007年和2013年是沁水县历史上平均气温最高的4年，年平均气温达到了11.4℃，相比于正常年份平均偏高1.0℃。此外，由图2可知，极端高温事件在21世纪发生的次数显著高于20世纪，且出现频率明显增加。≥35℃天数最高值出现在2005年，为8 d；其次为2019年的7 d。该研究结果与张宁[20]报道气温变化极端事件的次数和强度在21世纪均有一定程度增加的结论一致。

表1 沁水县气温年代际变化

由图3可知，1957—2019年的冬、春、秋季平均气温均呈现上升趋势。其中：春季增温最为显著，气候倾向率为0.20℃/10 a；其相关性R2也达到最大，为0.2（图3）；冬季次之，气候倾向率为0.13℃/10 a；秋季气候倾向率最小，仅为0.10℃/10 a，升温不明；夏季呈现降温趋势。杨 军等[18]研究山西省近60年春、夏、秋、冬季平均气温上升幅度分别为0.30、0.10、0.20、0.40℃/10 a。 任国玉等[21]研究 1951—2004年全国春、夏、秋、冬季平均气温变化倾向率分别为0.28、0.15、0.20、0.39℃/10 a。沁水县季节气温变化倾向率均小于山西省以及全国，而造成这种现象的原因可能是局地小气候的影响。四季平均气温在不同年代际均呈现不同程度的变化特征。冬季平均气温在20世纪50—80年代增温不明显，20世纪90年代增温幅度为36%，年代际幅度最大。而在21世纪10年代出现了明显的降温，平均值为-2.5℃。同样秋季在20世纪90年代也出现了明显的增温，增加了0.5℃。春、夏季年代际变化平稳。

2.1.2 ≥0℃积温变化特征。≥0℃积温作为一种指标，对研究农作物生长、发育对热量的要求和评价热量资源具有重要作用[22]。相关人员通过0℃的初日与终日科学指导农民进行农作物管理：初日开展小麦返青、土壤解冻、果树萌动等农事活动；终日会导致土壤冻结、草木休眠、冬小麦停止生长而进入冬眠期，因而冬日不进行施肥、灌溉等农事活动[4]。60多年来，沁水县≥0℃积温呈现出显著的增加趋势（图4），平均增加18℃/10 a；特别是在1997年之后，≥0℃积温增加明显，1998—2019年均积温比20世纪60年代增加163.0℃，作物生长季（4—10月）平均积温也呈现增加趋势。各个季节积温的增加差异也比较大，其中：春季增加最多；秋季和冬季次之；夏季变化不大，在2003年之后呈现递减趋势。春、秋季积温的增加能够导致春播提前、秋播推迟，使农作物生长期延长，春季小麦返青、果树萌动等发育期提前，并且使春季冻害概率增加、冻害程度明显加强[23]。

2.2 降水变化特征

从图5可以看出，1957—2019年沁水县降水量波动整体呈现减少趋势，气候倾向率为-5.7 mm/10 a，减少趋势明显。沁水县近62年的年均降水量为560.7 mm，年降水量最大值和最小值分别是936.9 mm和206.2 mm，分别出现在2003年和1957年。年降水量最大值与最小值之间的差值为730.7mm，高于历年平均值，说明沁水县降水年际起伏变化比较大，极易造成当地旱涝灾害。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，容易发生干旱灾害，不利于当地农业稳定生产。年代际降水量变化也有所不同：20世纪70年代最多，达到年平均611.3 mm；20世纪60年代次之，为604.8 mm；20世纪50年代降水量最小，仅为422.5 mm。

分析1957—2019年沁水县四季降水量变化数据（表2）可知，降水主要集中在夏季，并呈上升趋势，气候倾向率为1.9 mm/10 a，而春、秋、冬季平均降水均呈下降趋势，春、秋季下降速率高于冬季，春、秋、冬季的气候倾向率分别为-1.9、-5.3、-0.5 mm/10 a。通过上述分析可知，沁水县降水减少趋势主要是由于春、秋季降水减少引起的。

表2 1957—2019年沁水县四季降水量变化情况统计

2.3 气候变化对农业的影响

2.3.1 气候变化对农作物生长发育的影响。通过对1957—2019年沁水县发生的气象灾害进行统计分析，发现沁水县干旱、风雹等气象灾害成为影响该地经济社会可持续发展的主要气象灾害。干旱是沁水县主要灾害性天气之一[24]，占该县自然灾害的35%。因此，干旱对当地经济造成的影响比较严重。将年降水量少于平均值的30%的年份定义为干旱年，从有气象资料以来，沁水县出现干旱的年份分别是1965年、1986年、1991年、1997年、2015年，其对应的距平分别为-40%、-30%、-30%、-40%、30%。60多年来沁水县冰雹总共出现81次，占沁水县自然灾害的16%，并且冰雹对农业生产的危害也很严重。从沁水县历史资料统计来看，冰雹出现的主要时段在5月下旬至8月中旬，最早出现在3月上旬，最迟出现在10月下旬。

气候变暖导致热量条件得到一定程度的改善，从而引起农业耕作制度发生变化[25]。小麦、玉米和谷子为沁水县主要农作物。根据上文分析可以看出，沁水县≥0℃积温和≥10℃积温都在增加，冬、春季气温升高，使当地农作物生长季延长。该地冬小麦的播种期大约推迟了5 d，由20世纪9月23日推迟到9月28日前后。另外，沁水县城东部玉米的播种方式逐步变为套种，改变了原来的直播方式；当地种植的农作物品种也有变化，中晚熟品种得到更广泛的播种。

冬季低温日数呈现减少趋势，有利于沁水县越冬作物的安全越冬，同时也为冬季和春季的设施农业生产提供了有利条件。尽管如此，气候变暖常常造成倒春寒和晚霜冻等现象，使农作物生产存在不稳定性[26]。例如1998年、2004年发生的倒春寒，造成了严重的作物冻害现象，导致作物产量下降。

2.3.2 气候变化对农作物种植面积和产量的影响。沁水县1957—2019年主要农作物小麦和谷子种植面积呈现下降趋势。小麦种植面积受全球气温变化的影响，自20世纪90年代开始以1 001 hm2/a的速率显著下降。谷子种植面积从20世纪80年代开始下降，平均速率为262 hm2/a；2003年之后保持相对稳定。玉米种植面积在20世纪70—80年代呈现降低趋势，20世纪80年代中期到21世纪初保持相对稳定；2003年之后显著增加，从2003年的7 429 hm2增加到2019年的19 765 hm2。耐旱农作物玉米种植面积总体呈现上升趋势。总体而言，气候条件变化对沁水县农作物种植类型及产量具有显著影响。自1957年以来，沁水县小麦、谷子和玉米单产呈现明显的上升趋势。究其原因，一是农田管理水平不断提高，二是得益于有利的气候条件。小麦每年单产波动比较大，气候变化严重影响了沁水县农业生产的稳定性。

3 结论与讨论

1957—2019年沁水县年平均气温在波动中上升，气候倾向率达0.10℃/10 a，气温的上升集中在冬季和春季；而夏季气温呈现降低趋势；沁水县冬暖夏凉现象较为明显。沁水县≥0℃积温逐年增多。但是，沁水县降水呈现逐年递减趋势，气候倾向率为-5.7 mm/10 a，降水减少不明显。四季降水主要集中在夏季，并且降水量呈现逐年增加趋势，降水量的减少主要发生在夏、秋季。

气候变暖，使春播期提前、秋播期推迟、作物生长季延长、小麦播种期推迟、玉米由直播转变为套种、品种向中晚熟转变。气候变暖导致小麦和谷子种植面积显著降低，而耐旱农作物玉米种植面积则呈现明显的增加趋势。各种农作物单产均呈现明显的上升趋势。