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近百年来,全球气候变化成为全世界共同关注的热点问题。在我国生态环境较为脆弱的西北干旱区,流域尺度的未来主要气象要素,如气温、降水量和蒸发量将发生变化,流域农业生产将如何应对未来气候变化可能造成的影响,流域农业结构如何调整以减缓和适应气候变化并实现可持续发展,无疑是区域农业与生态系统研究的重要科学问题。
本论文以新疆玛纳斯河流域为案例,使用最新的基于统计学降尺度方法和HadCM3气候模式研究了流域未来气候变化情景。全文首先分析了流域主要农业气象要素(平均气温、降水量、蒸发皿蒸发量、相对湿度)的多年时空变化特征,为研究流域未来气候变化提供必要的基础；其次基于HadCM3气候模式和统计降尺度模型构建了流域未来气候变化情景,对两种统计降尺度方法SDSM(Statistical Downscaling Model)和ANN(Artificial NeturalNetwork)在流域气象要素模拟的表现进行了对比；然后基于流域未来气候变化情景和流量的变化趋势,以流域的水、土资源为可持续发展的限制条件,以“抓中间”绿洲生产,“保两边”山地和荒漠生态环境为指导思想,采用多目标线性规划方法,进行了流域内部的农业结构调整,得出流域实现社会、生态和经济效益最大化的农林牧种植结构。通过本研究得到以下主要结论:
(1)近50年来,玛纳斯河流域6个气象站点的气象要素变化趋势显示,流域平均气温的增速为0.234℃/10a,高于全国近50年内全国平均气温增速0.22℃/10a和全球平均气温增速0.13±0.03℃/10a；降水量以8.435mm/10a的速度增加；蒸发皿蒸发量的增速为2.335mm/10a；相对湿度的增速为0.014/10a；流量的增加幅度为0.8162×108ma/10a;
(2)从全球气候模式的两种统计学降尺度方法SDSM和BP-ANN在模拟玛纳斯河流域气温、蒸发皿蒸发量与降水量时的表现对比看:在模拟有过程发生的降水量时,BP-ANN优于SDSM,而在模拟无条件过程发生的平均温度和蒸发皿蒸发量时,SDSM优于BP-ANN。在政府间气候变化委员会排放情景特别报告的A2(温室气体高排放、低经济增长、人口持续增长)和B2(各国对环境保护形成共识、强调可持续的区域发展、人口增长速度处于中间水平)情景下,模拟结果显示,在年尺度上,玛纳斯河流域未来平均气温总体呈现升高趋势,并且两者在A2情景下升高幅度普遍比B2情景下高；两种情景下蒸发皿蒸发量和降水量均呈现增加的趋势,但蒸发皿蒸发量的相对增加值小于降水量的相对增加值；
(3)将流域现有木材基地和养羊业的饲草基地转移到绿洲内部,需灌溉水0.362-0.379亿m3,除了将现有人工草地改造为高产人工草地之外,还需增加900亩;流域在人均木材消耗量增加到全国平均水平的50％,以及人均占有羊肉量增加10％的水平上,则需灌溉水量0.617-0.668亿m3,需要增加高产人工草地面积1.48万亩；到了2020年,随着人口数量的增加,全流域木材消耗量也随之增加,仍按照全国人均木材消耗量的50％,人均占有羊肉量增加10％的水平计算,建设农田速生丰产林,共需要灌溉水量0.648-0.701亿m3,需增加高产人工草地面积需增加2.01万亩；
(4)用多目标线性规划方法得到玛纳斯河流域上游山地和下游荒漠的生产功能转移到绿洲后,计算得出实现生态-社会-经济效益最大化的流域农林牧的种植面积和所需灌溉配额,其中粮食作物小麦、玉米和水稻的面积分别为137.385万亩、85.342万亩和42.62万亩,灌溉配额分别为3.56亿m3、1.706亿m3、和1.918亿m3,经济作物棉花、葡萄、番茄和瓜菜的面积为212.06万亩、8.36万亩、32.22万亩、40.36万亩,灌溉配额分别为6.319亿m3、0.468亿m3、0.446亿m3、0.815亿m3；玛纳斯河流域2000年和2007年森林和荒漠的生态系统服务价值分别为17.79亿元、2.92亿元和17.64亿元、2.78亿元,都呈现略微降低的趋势,这也说明对上游山地森林和下游荒漠实行保育的必要性:
(5)玛纳斯河流域应对气候变化,冰川消融的策略可以概括为:减少CO2等温室气体的排放；恢复山地森林带和建立山地河谷林;流域上游山地高山区停牧还草;建立上游山地水库、增强河川径流调蓄能力；长距离调水形式的改变;发展各种节水节能工、农业技术；绿洲防护体系的建设与完善；荒漠植被的保育、恢复与重建；盐水灌溉技术等,将各种节水方式结合,提高玛纳斯河流域的灌溉水利用效率,在气候变化背景下,为玛纳斯河流域山地和荒漠提供木材和放牧功能向绿洲转移提供长期水资源保障,从而保证和维持玛纳斯河流域农业的可持续发展。