气候变化对环县退耕还林还草的影响及应对措施

刘英1,2，周忠文2，昔小丽3，车向军2，杜军2

（1中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州730020；2甘肃省庆阳市气象局，甘肃庆阳745000；3庆阳市西峰区瓜菜产业开发办公室，甘肃西峰745000）

摘要：退耕还林还草是环县半干旱区调整产业结构的主方向，也是生态环境建设的一项重要工作，研究气候变化对其影响有重要现实意义。采用气候趋势系数、气候倾向率、累积距平、YAMAMOTO检验法分析了环县1957—2012 年连续55 年气象资料。结果表明：55 年来，环县年平均气温增幅为0.43℃/10a，显著高于全国年平均气温增幅0.22℃/10a 的水平，而且年平均气温在1987 年存在偏冷向偏暖的突变现象，突变前后平均气温上升了1.2℃；55a 来，年降水量呈减少趋势变化，减幅为15.4 mm/10a，年降水日数也呈减少趋势变化；气候暖干化，造成本区热量增加，光照丰富，也致使干旱、山洪、冰雹、霜冻等自然灾害加重，对退耕还林还草工作造成一定的影响。为了更好的应对气候变化带来的影响，建议该地应进行种植结构调整，由以粮为主转为以牧草、林木为主的经营模式，改善生态环境。退耕还林还草应走防护林和经济林相结合，乔、灌、草相结合的路子；应选抗旱性和抗寒性较强本土树种草种；草类、灌木可利用雨季进行直播造林，提高在荒山、荒坡、荒沟等地的造林面积，乔木宜选用植苗造林方式，在春、秋两季选取多株造林、遮阴造林等抗旱造林方法，喷洒增温保墒剂，提高成活率；大力发展“121”雨水集流等水利工程，整地蓄水保墒，以水养林养草。

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关键词：气候变化；环县；退耕还林还草；应对措施

中图分类号：S162 文献标志码：A 论文编号：2014-0023

基金项目：国家级行业专项“西北地区旱作农业对气候变暖的响应特征及其预警和应对技术”(GYHY200806021)；西峰区2014 年中央财政“三农”服务专项。

第一作者简介：刘英，女，1974 年出生，甘肃西峰人，工程师，本科，主要从事气象监测和服务工作。通信地址：745000 甘肃省庆阳市气象局，Tel：0934-8213386，E-mail：gshx_ly@163.com。

收稿日期：2014-04-24，修回日期：2014-06-18。

0 引言

环县位于甘肃省东部，陕、甘、宁三省（区）交界地带，地处毛乌素沙漠边缘，属黄土高原沟壑区，是半干旱区与干旱区的重要气候过度带，境内群山起伏，梁峁纵横，植被稀疏，土松水苦，自然环境严酷；加之群众广种薄收，乱开滥垦，地面植被遭到严重破坏，森林覆盖面积不足3%，水土流失严重，生态失去平衡造成恶性循环，降水少，蒸发大，风沙多，干旱化加剧，气象灾害频繁。退耕还林还草是近年来中国西部地区农业生产和生态环境建设的一项重要工作[1]，也是调整产业结构的主方向。环县是一个生态和经济非常脆弱的地区，1999 年国家开始在该地区进行退耕还林还草试点工作，并于2002年正式在全国启动退耕还林还草工程[2]。气候变化对西北地区生态环境的影响是多尺度、全方位、多层次的，正面和负面影响并存[3]，气候暖干化使得生态环境更加脆弱[4]，大部分西北地区植被退化[5]，西北地区东部草地退化率为45%[6]，目前气候变暖问题已成为国内外研究的重点，中外学者在这一领域进行了大量的研究工作，取得了很大的成果，尤其是气候变暖对西北区和陇东地区的农业生产影响方面研究成果较多[7-11]，张晓丽等[12]对退耕还林还草的政策、效益方面进行了分析，但对退耕还林还草的影响研究并不多。本研究重点分析气候变化对环县退耕还林还草的影响，从技术方面为环县大面积实施退耕还林还草工程提出建议，有很重要的现实意义。

1 环县55 年气候变化情况

1.1 资料和方法

选取环县国家基本站1957—2012 年的气温、降水量、日照、物候、灾害等资料，采用气候趋势系数[13]、气候倾向率[14]、累积距平、YAMAMOTO检验法[15]，计算突变前后的信燥比，检验气候突变点，分析环县55 年来气候变化情况及对退耕还林还草的影响。

1.2 气温的变化分析

从图1 情况分析可见，环县逐年平均气温呈波动上升趋势，从表1 可见20 世纪60 年代平均气温最低，50年代后期为次低，70年代后期至80年代前期变化基本平稳，80 年代中期至90 年代前期又为一较冷时期，气温变化剧烈，90 年代后期到现在为一较暖时期，温度距平均为正值。年平均最低气温为6.5℃，出现在1967 年，为有气象记录以来最低的；2006 年平均气温为10.9℃，为有气象记录以来最高的，最高与最低相差高达4.4℃。用最小二乘法计算变化趋势系数，年平均气温的倾向率为0.43℃/10a，显著高于全国气温增温率0.22℃/10a，趋势系数0.78。从表2 可见，环县四季中都有明显的升温趋势，春、夏、秋季的升温贡献都很大；环县年平均最高、最低气温都有上升的趋势，但最高气温对升温的贡献明显大于最低气温，气温日较差增大。通过累积距平分析（图2），平均气温在1987 年存在偏冷向偏暖的突变，通过YAMAMOTO检验。从表3 可见，突变前后年平均气温上升1.2℃，冬季平均气温上升1.3℃。

1.3 降水变化分析

从环县年降水量变化曲线（图3）可见，与全国的平均年降水量呈减少趋势一致，环县的55 年来降水量总体呈逐渐减少的趋势，倾向率为-15.4 mm/10a。从表4 可见，环县的年降水量出现两高两低，20 世纪60年代是最多雨期，80 年代是次多雨期，70、90 年代是相对少雨期，60 年代与90 年代相差122.9 mm，进入2010年后降水量略有回升。从季节变化趋势来看，冬、春两季的降水倾向率变化很小，分别为0.42 mm/10a、0.67 mm/10a，降水量的增加趋势不明显；夏、秋两季的降水都是减少的，秋季降水减少最多，倾向率为- 13.9 mm/10a，全年的降水减少主要是秋季引起的。从图4 可见，日降水量≥0.1 mm年平均降雨日数为83 天，其中春季雨日占全年的24%左右，夏季占39%，秋季27%，冬季仅占10%；计算的年降水日数的气候倾向率为-4.75 d/10a，降水日数大约每10 年减少5天，大于年降水量减少程度，间接增大了降水强度，有利于局部大涝的形成。

2 气候变化对环县退耕还林还草的影响分析

2.1 对退耕还林还草有利的影响

2.1.1 热量资源增加环县有明显的大陆性季风气候特征：冬寒长，夏热短，春暖迟，秋凉早，对树木草类生长影响最大的是无霜期和冬季低温。

随着气候变暖，1987 年突变前与突变后年平均气温上升1.2℃，＞0℃林木生长平均时间为255 天，无霜期延长5 天，≥0℃活动积温3456.9~4000.6℃，≥10℃活动积温2573.5~3466.2℃，热量资源增加，引起生长期相应延长，可以保证树木、草类生长。

变暖后最冷月（1 月）平均气温-3.8℃，上升1.3℃，极端最低气温-25.1℃，树木草类受冻害危害减轻，大部分树木、草类可安全越冬。最热月平均气温为21.5℃，极端最高气温38.6℃，高温对树木草类生长危害不大。

最高气温对升温的贡献明显大于最低气温，造成气温日较差大，平均日较差为13.0℃，最大日较差为28.7℃，利于林木草类生长。

2.1.2 光能资源充分环县地处北温带，日照长，太阳辐射强。随气候变化，降水量减小，降水日数减少，全年光照时数增加，年日照百分率为58%~62%，日照总时数为2596.2~2766.4 h，全年太阳总辐射为6095 MJ/m2，与同纬度的兰州、青岛等地比较，环县为日照时间较长，总辐射较高的地方之一。目前环县大部分地区光能利用率只有0.13%，水肥较好的地方，光能利用率也只有0.77%，可见退耕还林还草提高光能利用率大有可为。

2.1.3 山区降水资源充沛随气候变暖，环县年总降水量呈减少趋势，其中冬、春季有少量增加，夏、秋两季的降水都是减少的，秋季降水减少最多。降水时空分布不均，由东南向西北逐渐递减；降水年际变化大，最少年272.5 mm，最多年812.9 mm；降水季节分布不均，高度集中在7—9 月，占全年降水的60%以上，且该时段降水强度较大，多形成地表径流，利用率低；春秋季节降水较少，冬雪特少。但环县土地资源丰富，全县土地总面积9236 hm2,其中70%以上为山地，按年平均降水量350 mm计算，山区年降水量2.26 亿m3，是一个巨大的水资源库[16]，加以合理利用，可以满足林木生长对水的需求。

2.2 对退耕还林还草不利的影响

2.2.1 干旱加剧环县为内陆干旱气候区，地表水匮乏，地下水位深，自然降水少且时空分布不均，局地性明显，使干旱出现范围广，影响面宽。环县50 年来年平均气温增幅达0.43℃/10a，高于全国平均增幅(0.22℃/10a)，年总降水量呈减少趋势，倾向率为-15.4 mm/10a，加剧了干旱化程度，年大旱的概率增加5%。环县干旱主要分春旱、春末初夏旱、伏旱、秋旱；环县春季降水少、风沙大土壤水分损失严重，出现春旱的几率高达62%，直接影响植树造林工作的开展和新植林木的成活，伏期（7 月中旬到8 月中旬）是林木蒸腾耗水最大时期，此期环县一般降水较多，但降水强度较大，利用率低，出现伏旱的机率为40%，影响林木的生长和林区蓄墒。干旱成为当地退耕还林，植树种草的最主要气象灾害，水分不足是环县植树造林的最大限制因子。

2.2.2 暴雨冰雹增多年降水量不多，且主要集中在汛期，多以阵雨形式下降，大—暴雨是全年降水的主要成分。50 年来总降水量呈减少趋势，倾向率为-15.4 mm/10a，年降水日数的气候倾向率为-4.75 d/10a，增大了降水强度，更有利于局地大涝的形成，夏季异常降水极端气候事件出现频率增加，使大涝概率由7%增至10%。大—暴雨引起山洪暴发，造成水土流失严重，加重林区干旱程度，使树木根系露出土面，破坏林草生长。冰雹也是环县活动频繁的一种气象灾害，平均每年都有2~3 天，最严重的70 年代平均每年11 次，其中1977 年达19 次。冰雹对林木、花果造成机械砸伤，并常伴大雨出现，危害更大。

2.2.3 霜冻危害加重霜冻对树木危害主要指早、晚霜冻。晚霜冻指出现在4 月后的霜冻，早霜冻指出现在10 月前的霜冻，环县晚霜冻出现在5 月份的频率达63%，出现在6 月份的频率也有25%，早霜冻出现在10月前的频率有42%，早、晚霜冻不但缩短林草生长期，还可以造成林草受冻死亡。气候变暖造成生长期延长，根据环县农气站1986 到2012 年物候观测资料分析，树木春季萌动提早2~5 天，秋季落叶晚3~4 天，早、晚霜冻危害加重。

2.2.4 大风增多环县地处毛乌素大沙漠南缘，四季风沙较大，气候变暖，进一步加剧大风的危害，全年8 级以上大风达13~38 天，平均为18 天，最多达85 天，环县素有“一年一场风，从春刮到冬”之说。大风造成土壤风蚀，肥力下降，跑墒快，林草的幼苗易发生风抽死亡，并造成林木机械损伤，危害较大。

3 环县退耕还林还草应对措施

3.1 发展水利工程，整地蓄水保墒，以水养林水分不足是环县造林的主要限制因子，环县地下水和地表水资源极为贫乏，应高度重视环县山区丰富的雨水资源，大力发展“121”雨水集蓄等水利工程。山坡平缓地带修水平梯田，陡峭地段修反坡梯田或鱼鳞坑，疏松土壤，加厚土层，改善土壤理化性质，增强土壤蓄水保墒保肥能力。在径流线上，发展各种雨水积蓄工程，挖蓄水坑，修筑涝坝等拦截雨水，把雨季多余的水积蓄起来，即可防止水土流失也可在干旱时灌溉，以水养林，可大大提高造林的成活率和经济效益。

3.2 合理调整造林布局

环县属黄土高原半干旱地区，植树造林应走防护林和经济林相结合，乔、灌、草相结合的路子，根据气候学方法估算，甘肃黄土高原区乔木林年蒸散耗水量大约350~540 mm，环县降水基本可以满足乔木和灌木成活和生长对水分的需求；但从梁峁上现有的侧柏、油松、杨树、榆树、山杏等乔木和柠条、沙棘、沙大王、苜蓿、毛条、柳等灌木长势看，乔木生长10 多年后，树高一般仅2~3 m，树木直径不超过5~10 cm，而且近几年生长量极小，有的已成为“小老头树”，而灌木长势基本良好；这些情况表明年降水量400 mm左右的环县梁峁上，水分条件不能保证乔木良好成材，经济效益不大，梁峁上应种植草类和灌木，阴坡上可种植少量稀疏的乔木，重点建设好防护林和生态林；河谷山川区应植乔木、灌木和一些经济林木，重点建设好用材林和经济林。

3.3 选择造林方式，掌握造林适宜期

造林分为植苗造林和直播造林2 种方式。一般草类、灌木可利用雨季（5—9 月）进行直播造林，提高在荒山、荒坡、荒沟等地的造林面积；乔木宜选用植苗造林方式，以提高存活率。

造林适宜期应根据各季节的温度、日照、降水及土壤墒情确定，造林时期一般为春季、雨季或秋季。环县雨季气温较高，日照强烈，苗木水分蒸腾快，容易造成苗木脱水、风干，降低造林成活率。环县秋季一般土壤水分较充足，但气温、地温较高，早载植虽有利于根系愈合，但带叶的苗木容易失水和出现根腐烂降低成活率，过晚载植，天气已冷，苗木根系容易受冻，造林难以成活。环县春季土壤返浆期是土壤墒情最好的时期，这时苗木已由休眠状态复苏，开始萌生新根，移栽后能较好的吸收土壤水分，根系从土壤中吸收的水分，能与苗木地上部分的蒸腾失水维持平衡，有利于苗木成活，因此环县应在春季土壤返浆期苗木根系开始萌发时造林较适宜。

3.4 选用适宜树种草种，提高成活率

选用树种时应选抗旱性和抗寒性较强的树种，防止早晚霜冻的影响。采用侧柏、油松、杨树、山杏、沙棘、毛条等本土树种和紫花苜蓿、沙大王等本土草种[17]，根系发达，抗旱性较强，不但能利用较深层次的水分，也能起到防止水土流失，成功把握性大；引进树种必须经过较长时间气候条件的试验观察，其环境适应性和生长表现确优于当地树种才能推广载植。

3.5 选用几种抗旱造林方法

3.5.1 看墒造林土壤墒情好坏，直接影响造林成活率的高低。环县多为沙壤土，沙壤土土壤重量含水率在10%~12%以上时，一般不灌水或少灌水可达到较高的成活率。土壤墒情较差的情况下，灌水有利于缓苗，生根和稳定成活。

3.5.2 借墒造林在干旱又无灌溉条件的地方，可在造林地附近的山洼、坡脚、沟底土层深厚处，取掉上层干土，取其下层湿土运往造林地，在载植坑内将一些湿土增培于苗木根部踩实，然后复上一层松土，增加了坑土底墒，容易踩实，以利缓苗，可提高林木成活率。

3.5.3 接墒造林在土层较厚而上层土壤干旱的地方，先取掉土层干土，到下层墒情好处刨坑，刨坑时湿土放开，在坑内植苗时再将湿土回埋到苗木根部，两次埋土、踩实、再覆一层土。

3.5.4 开沟造林干旱的山坡采用开沟造林，可以拦蓄雨雪和杂草枯落物，减少日光照射和旱风吹袭，增加土壤水分，减少苗木蒸腾失水和土壤跑墒，有利于苗木成活。

3.5.5 采用化学药剂造林用ABT生根粉处理根、增温保墒剂喷洒穴面、蒸腾抑制挤处理叶面等技术，可增强土壤保墒能力，大大减少水分蒸发，增高地温，保持体内水分平衡，促进苗木生长，提高成活率。3.5.6 多株造林在一个植株穴内载植多株苗木，增加苗木的成活机率。干旱季节和干旱山地采用此法造林，虽成本较高，但可以大大提高造林成活率。3.5.7 覆盖造林遮挡法，在植穴阳光照射的一方，竖立起遮蔽体，遮挡阳光直射，减少苗木水分蒸腾，可以起到缓苗作用，有利于其成活。据环县林业站研究，苗木新载植后，采用草类，石块、地膜、黑网防晒膜等进行覆盖，成活率提高25%以上。

4 结论

（1）环县55 年来，平均气温呈波动上升趋势，年平均气温的倾向率为0.43℃/10a，显著高于全国气温增温率0.22℃/10a；最高气温对升温的贡献大于最低气温，平均气温在1987 年存在偏冷向偏暖的突变，突变前后年平均气温上升1.2℃，冬季平均气温上升1.3℃。55年来，降水量总体呈逐渐减少的趋势，倾向率为-15.4 mm/10a，秋季降水减少最多；年降水日数减少的气候倾向率为-4.75 d/10a。

（2）气候暖干化，致使该地干旱、山洪、冰雹、霜冻等自然灾害频发，但同时该地的热量资源增加，生长期延长。为了更好的应对气候变化带来的影响，该地应进行种植结构调整，由以粮为主转为以牧草、林木为主的经营模式。环县地处毛乌素沙漠边缘，多年来广种薄收，乱开滥垦，地面植被遭到严重破坏，干旱化加剧，生态失去平衡造成恶性循环，气象灾害频繁，顺应天时，大力调整种植业结构，实行退耕还林还草工程将提高农业生态系统生产力，改善农业生态环境，有利于农业生态系统的稳定可持续发展，应该加大实施力度[18]。

（3）环县退耕还林还草应对措施：植树造林应走防护林和经济林相结合，乔、灌、草相结合的路子；应选抗旱性和抗寒性较强的侧柏、油松、杨树、山杏、沙棘、毛条、紫花苜蓿、沙大王等本土树种草种，根系发达，抗旱性较强，不但能利用较深层次的水分，也能林到防止水土流失；草类、灌木可利用雨季（5—9 月）进行直播造林，提高在荒山、荒坡、荒沟等地的造林面积，乔木宜选用植苗造林方式，在春、秋两季选取多株造林、覆盖造林等退耕还林还草方法，喷洒增温保墒剂，提高成活率；大力发展“121”雨水集流等水利工程，整地蓄水保墒，以水养林养草。