全球氣候變化背景下中國北方地區(qū)作物生產(chǎn)潛力變化特征

全球氣候變化背景下中國北方地區(qū)作物生產(chǎn)潛力變化特征

0種植制度北界[研究意義]近100年來，全球氣候經(jīng)歷了以變變?yōu)橹饕卣鞯娘@著變化。在全球氣候條件下，中國的氣候和環(huán)境也發(fā)生了很大變化。近50年來中國年平均氣溫升高以北方地區(qū)為主,東北北部、內(nèi)蒙古及西部盆地升溫速率達0.8℃/10a以上,近10年尤為突出。降水量在1961—2000年間,在波動中減少,整個中國北方表現(xiàn)為暖干化的趨勢,同時這一暖干化特征有向南和向東擴展的趨勢。合理地利用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣候資源,提高作物產(chǎn)量,改變種植制度是切實可行的途徑之一[6,7,8,9,10,11,12,13,14]?！厩叭搜芯窟M展】種植制度(croppingsystem)指一個地區(qū)或生產(chǎn)單位農(nóng)作物的組成、配置、熟制與種植方式(單作、間混套作、輪作、連作)所組成的一套既相互聯(lián)系又與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)資源、生產(chǎn)條件等相適應(yīng)的技術(shù)體系。1987年,劉巽浩先生和韓湘玲先生最早完成了中國種植制度氣候區(qū)劃,隨著全球變暖加劇,中高緯度地區(qū)熱量資源增加,作物生育期延長,一年二熟和一年三熟的種植北界有所北移,多熟種植面積增加并呈現(xiàn)向高緯度和高海拔移動的趨勢。大量研究表明全球變暖的背景下,未來中國的種植制度將發(fā)生重大變化。但對基于過去40多年氣候變化背景,中國種植制度北界的變化卻鮮有報導(dǎo)。本研究組針對氣候變暖背景下中國種植制度北界研究取得階段性成果,重點分析了氣候變暖背景下由于溫度變化帶來的種植制度零級帶種植北界的變化,而本文的重點是討論1981年以來溫度增加及降水量改變對中國北方地區(qū)種植制度一級區(qū)種植界限的可能影響及糧食產(chǎn)量的可能變化。【本研究切入點】本文為了進一步探討在全球氣候變化的背景下,種植制度一級區(qū)種植界限的空間位移,在本研究組種植制度零級帶界限變化研究工作的基礎(chǔ)上,以劉巽浩先生和韓湘玲先生提出的中國種植制度氣候區(qū)劃一級區(qū)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮熱量資源和降水資源的共同影響,探討氣候變化背景下1981年以來,中國種植制度一級區(qū)界限的空間位移,同時結(jié)合種植界限變化敏感區(qū)域內(nèi)作物生產(chǎn)潛力,探討種植界限改變對作物產(chǎn)量的可能影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】在分析比較過去40多年熱量資源和降水資源變化趨勢和特征的基礎(chǔ)上,明確中國北方地區(qū)種植制度一級區(qū)界限的可能變化及對作物生產(chǎn)潛力的可能影響。1材料和方法1.1北方氣象資料本文的研究區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、北京、天津、河南、山東、山西、陜西、甘肅、寧夏和青海等北方14個省、市和自治區(qū)。氣象數(shù)據(jù)來源于本研究組已建成的全國氣象資料庫中北方地區(qū)308個氣象站點建站以來(所有站點建站時間為20世紀(jì)50年代,為方便表達本文記為1950s)至2007年逐日的降水、日平均氣溫和最低氣溫資料。研究區(qū)域及氣象站點分布見圖1。1.2種植制度一級區(qū)的劃分20世紀(jì)80年代中期完成的中國種植制度氣候區(qū)劃,由于受當(dāng)時數(shù)據(jù)資料的限制,研究所用的資料是氣象臺站建站(1950s)—1980年的氣象資料。即種植制度一級區(qū)按熱量和降水劃分。本文借鑒研究組已有工作的基礎(chǔ)上,綜合考慮熱量和降水指標(biāo),重點分析與1950s—1980年這一時段相比,1981—2007年中國北方地區(qū)種植制度一級區(qū)界限的改變。種植制度一級區(qū)的指標(biāo)如表1所示,最主要的指標(biāo)是≥0℃積溫和年降水量,輔助指標(biāo)為7月平均氣溫與秋季20℃終止日。1.3計算方法1.3.1溫度方面的測試農(nóng)業(yè)氣象界限溫度簡稱界限溫度,它是指作物生長發(fā)育或某農(nóng)業(yè)活動、物候現(xiàn)象的起始、終止及轉(zhuǎn)折點的溫度。本文選用劉巽浩先生和韓湘玲先生采用的偏差法計算≥0℃積溫。首先計算1950s—2007年每年穩(wěn)定通過0℃的起止日期內(nèi)≥0℃的積溫,然后采用經(jīng)驗頻率法計算各臺站的1950s—1980年和1981—2007年兩個時段內(nèi)80%保證率下的積溫。1.3.2作物生長季內(nèi)太陽總輻射傾向率yw及溫度訂正函數(shù)在計算變化趨勢時,采用最小二乘法,計算樣本與時間的線性回歸系數(shù)(a),氣候要素的變化可用一次線性方程表示,即式中a和b為回歸系數(shù),可以用最小二乘法進行估計。以a的10倍作為氣候要素傾向率(單位:℃/10a)。式中,YW為氣候生產(chǎn)潛力(103kg·hm-2),YQ為光合生產(chǎn)潛力(103kg·hm-2),YT為光溫生產(chǎn)潛力(103kg·hm-2),0.219為黃秉維系數(shù),C為作物經(jīng)濟系數(shù),Rs為作物生長季內(nèi)太陽總輻射(kJ·cm-2),f(t)為溫度訂正函數(shù),計算公式如下:式中,t為平均溫度,tmin、ts、tmax為作物三基點溫度,見參考文獻[19-21]。f(w)為水分訂正系數(shù),其計算公式如下:式中,P為時段內(nèi)的降水量(mm),ETc為作物需水量,計算公式為:式中,ETo為作物參考蒸散量,Kc為作物系數(shù)見參考文獻。1.4數(shù)據(jù)插值及分析根據(jù)上述方法計算出308個站點的各農(nóng)業(yè)氣候要素的統(tǒng)計量后,采用IDW(inversedistanceweightedinterpolation)插值方法對氣象數(shù)據(jù)進行插值,本文所設(shè)定的Cellsize的參數(shù)均為0.002,生成空間柵格數(shù)據(jù),然后根據(jù)指標(biāo)要求使用空間分析中的Contour工具提取相應(yīng)的等值線,最后生成所需的等值線圖,界限空間變動使用軟件中的測量工具(measure)來度量,取其平均值,最后結(jié)果用ArcGIS軟件表達。2結(jié)果2.1分析北方農(nóng)業(yè)氣候資源的變化趨勢2.1.1使用時區(qū)域氣候動態(tài)變化圖2為1950s—1980年(時段Ⅰ,下同)、1981—2007年(時段Ⅱ,下同)≥0℃積溫和氣候傾向率,從圖中可以看出:(1)氣溫的普遍升高帶來積溫帶的北移西擴,溫度上升的累積效應(yīng)十分顯著,時段Ⅰ中國北方地區(qū)≥0℃積溫在435—5609℃·d范圍內(nèi),平均為3310℃·d;時段Ⅱ≥0℃積溫范圍為450—5564℃·d,平均為3418℃·d,與時段Ⅰ相比,≥0℃積溫增加108℃·d;(2)1950s—2007年≥0℃積溫氣候傾向率變化范圍是45.0—111.7℃·d/10a,平均為65.5℃·d/10a;(3)東北地區(qū),與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ3000—4100℃·d積溫帶北界向北移動1.2個緯度,向西擴展1個經(jīng)度,同時黑龍江東北部大部分地區(qū)積溫超過3000℃·d;華北地區(qū),兩時段相比較,時段Ⅱ積溫大于4100℃·d范圍向北移動0.3個緯度,向西略有擴展,在遼寧南部出現(xiàn)積溫大于4100℃·d的區(qū)域;西北地區(qū)≥0℃積溫界限向東北方向擴展?？傮w上,研究區(qū)域內(nèi)與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ內(nèi)大于4100℃·d積溫面積增加3.3×104km2,大于3000℃·d積溫面積增加3.4×105km2,全區(qū)積溫增加明顯。2.1.2年降水量的變化圖3為時段Ⅰ和時段Ⅱ年降水量和氣候傾向率空間分布特征,從圖中可以看出:(1)研究區(qū)域內(nèi)年降水量呈帶狀分布,從東南向西北方向減少,隨著時間的變化,全區(qū)年降水量呈減小的趨勢,時段Ⅰ研究區(qū)域年降水量為17—1135mm,平均為503mm;時段Ⅱ研究區(qū)域年降水量為14—1109mm,平均為480mm,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ年降水量減少17mm;(2)1950s—2007年降水量氣候傾向率變化范圍-169.9—38.2mm/10a,平均為-8.7mm/10a;(3)年降水量大于400mm區(qū)域面積減少了12.7×104km2,年降水量大于600mm區(qū)域面積減少18.0km2,北方不同區(qū)域年降水量變化趨勢不完全相同。東北三省,北部年降水量略微增加,南部年降水量略微減少,整個區(qū)域年降水量呈減少的趨勢,如:與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ黑龍江年降水量增加11mm,遼寧年降水量減少39mm;華北區(qū)域年降水量減少最明顯,以河北為例,時段Ⅰ年降水量平均為558mm,時段Ⅱ則為501mm,減少57mm,反映在圖3中可以看到,大于600mm年降水量的區(qū)域面積明顯減少;西北區(qū)域年降水量有增有減,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ青海省年降水量平均增加14mm,而陜西省和寧夏自治區(qū)年降水量分別減少34和25mm。2.2種植界限南緣變化的表現(xiàn)為15個經(jīng)度的月內(nèi)、半濕潤溫涼作物一熟區(qū)本文是在研究組種植制度零級帶研究工作的基礎(chǔ)上,利用種植制度一級區(qū)劃分指標(biāo),考慮熱量資源和降水資源的共同作用,分析中國北方地區(qū)在農(nóng)業(yè)氣候資源變化背景下種植制度一級區(qū)界限變化的可能性,結(jié)果見圖4。中國北方地區(qū),一級區(qū)的種植界限有不同程度的變化,總體而言,東北部種植界限空間位移大,而西南部變化不明顯,具體如下:北部中高原半干旱涼溫作物一熟區(qū)(Ⅱ):這一區(qū)域種植制度為一年一熟,作物多為喜涼的春小麥、馬鈴薯、莜麥、胡麻、向日葵及適于溫涼氣候的谷子、糜子,及早熟玉米等。該區(qū)包括兩大片區(qū)域,一為黃土高原西部(青海日月山以東、環(huán)縣-靜寧-淳縣一線以西,包括青海東部、寧夏中南部和甘肅中部),這一區(qū)域與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ的年降水量和≥0℃積溫變化不明顯,因此種植界限移動不明顯;另一區(qū)域在內(nèi)蒙古高原南部,包括內(nèi)蒙古的后山,河北的壩上和晉西北,與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ內(nèi)因≥0℃積溫增加趨勢不明顯,年降水量明顯減少,種植界限北界明顯向南擴展,移動3.7個緯度,晉西北地區(qū)種植界限變動不明顯。東北西北低高原半干旱溫涼作物一熟區(qū)(Ⅲ):這一區(qū)域包括吉林遼寧西部,內(nèi)蒙高原東南部(哲盟和昭盟),長城沿線的承德、張家口壩下地區(qū)、山西大部(除晉西北與汾河谷地)與黃土高原東部,種植制度以一年一熟為主,作物以喜溫的玉米、谷子、高粱與喜涼的春小麥、冬小麥為主。該區(qū)域跨越范圍較大,各區(qū)域種植界限空間移動情況不完全相同,在東北地區(qū),≥0℃積溫明顯增加,年降水量減少趨勢不明顯,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)整個區(qū)域面積增加,向西北方向移動,其中改區(qū)域的西北界限在內(nèi)蒙古興安盟變動較小,僅向西擴展0.1個經(jīng)度,但在內(nèi)蒙古赤峰市向西方向的空間位移較大,擴展0.45個經(jīng)度;在華北地區(qū),雖然≥0℃積溫有增加趨勢,但因年降水量減小趨勢明顯,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)區(qū)域北界略微向北擴展,移動0.15個緯度;在西北地區(qū),因年降水量減少趨勢明顯,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)該區(qū)北界向南擴展,移動范圍為0.1—0.7個緯度。東北平原丘陵半濕潤溫涼作物一熟區(qū)(Ⅳ):這一區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧大部(吉林西部半干旱區(qū)和遼寧的朝陽區(qū)和遼東半島南端除外),一年一熟是該區(qū)域的主要種植制度,該區(qū)以糧食作物為主,包括玉米、大豆、稻谷、春小麥、谷子和高粱。在黑龍江省境內(nèi),該區(qū)由于≥0℃積溫明顯增加,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)種植界限在黑龍江北部明顯向西擴展,移動1個經(jīng)度,而在黑龍江中部向西擴展,移動僅為0.4個經(jīng)度,但是在吉林和遼寧境內(nèi),該區(qū)由于年降水量的明顯減少,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)區(qū)域面積是略微減少的,種植界限向東擴展約0.25個經(jīng)度。西北干旱灌溉溫涼作物一熟區(qū)(Ⅴ):這一區(qū)域包括內(nèi)蒙古的河套、寧夏的銀川灌區(qū)、甘肅的河西走廊與蘭州附近灌區(qū)。種植制度大部分是一年一熟,糧食作物以春、冬小麥和玉米為主,其次是谷、稻和馬鈴薯等。年降水量和地表水的空間分布是限制該區(qū)范圍的主要因素,其年降水量在該區(qū)北部變化不明顯,在南部該區(qū)面積呈減少的趨勢,所以種植南界向南擴,移動3.7個緯度,種植北界移動不明顯,僅為0.1個緯度左右。黃淮海水澆地二熟旱地二熟一熟區(qū)(Ⅵ):這一區(qū)域包括黃河、淮河和海河流域中下游的北京、天津、河北、河南大部(信陽地區(qū)除外)、山東全部、皖北(宿縣、阜陽地區(qū))、蘇北(徐淮地區(qū))、汾渭谷地(關(guān)中、晉中南)以及遼東半島南端,種植制度以一年兩熟為主,糧食作物以冬小麥、玉米和大豆為主。與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)≥0℃積溫增加趨勢明顯,區(qū)域整體向北移動,河北省東北部和遼寧省南部種植界限移動明顯,向北移動0.3個緯度。江淮平原丘陵麥稻二熟區(qū)(Ⅷ):這一區(qū)域包括江蘇、安徽、河南的淮河以南,常州-合肥-荊門一線以北的地區(qū),種植制度為一年兩熟,其種植北界變動不明顯。因該區(qū)域大部超出本文的研究地域范圍,所以這里不做詳細(xì)介紹。2.3種植模式對作物生產(chǎn)力的影響由于熱量資源和降水資源變化,與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)種植制度一級區(qū)的界限發(fā)生了明顯的空間移動。由于種植界限空間位移,種植界限的變化敏感帶作物生產(chǎn)力的變化亦是本文關(guān)注的重點。本文討論在東北西北低高原半干旱溫涼作物一熟區(qū)(Ⅲ)、東北平原丘陵半濕潤溫涼作物一熟區(qū)(Ⅳ)、黃淮海水澆地二熟旱地二熟一熟區(qū)(Ⅵ)種植界限空間變化敏感區(qū)作物生產(chǎn)力的變化,為便于分析比較,這里選擇黑龍江的孫吳、克山和明水,遼寧的大連、綏中和錦州,河北的遵化,山西的陽泉為典型站點,根據(jù)作物生產(chǎn)潛力逐級訂正法,計算主要作物的生產(chǎn)潛力,比較由于所在一級區(qū)典型點種植模式改變,而引起的作物生產(chǎn)潛力的變化。黃淮海水澆地二熟旱地二熟一熟區(qū)(Ⅵ)典型種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟;東北平原丘陵半濕潤溫涼作物一熟區(qū)(Ⅳ)的主要種植模式選擇春玉米一熟;東北西北低高原半干旱溫涼作物一熟區(qū)(Ⅲ)的主要種植模式選擇在北部為春小麥一熟種植,在南部為冬小麥一熟種植。與時段Ⅰ相比較,時段Ⅱ內(nèi)遼寧的大連、綏中和錦州種植模式從一年一熟春玉米變化為一年兩熟冬小麥-夏玉米;黑龍江的孫吳、克山和明水種植模式從春小麥變化為春玉米;山西的陽泉種植模式從一年一熟冬小麥變化為一年兩熟冬小麥-夏玉米;河北的遵化種植模式從一年一熟春小麥變化為一年兩熟冬小麥-夏玉米(表2)。在全球氣候變化背景下,中國北方地區(qū)時段Ⅰ與時段Ⅱ相比熱量資源和降水資源亦有相應(yīng)的變化,種植制度一級區(qū)界限亦隨之發(fā)生變化,隨之而來的種植模式發(fā)生變化,在種植制度空間變化的敏感地帶,由于種植模式改變帶來作物生產(chǎn)力的變化。表2為種植界限變化區(qū)域內(nèi)作物生產(chǎn)潛力變化結(jié)果,從表中可以看出,Ⅳ區(qū)與Ⅵ區(qū)交界種植制度變化敏感地帶,種植模式從春玉米變?yōu)槎←?夏玉米,與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ內(nèi)大連、綏中、錦州的作物生產(chǎn)潛力分別增加了2820、1697和1420kg·hm-2,平均為1979kg·hm-2,相對于原來的種植模式,作物生產(chǎn)力分別提高22.0%、13.0%和11.1%,平均為15.3%。Ⅲ區(qū)與Ⅵ區(qū)交界種植制度變化敏感地帶,與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ內(nèi)作物生產(chǎn)潛力平均增加7912kg·hm-2,相對于原來的種植模式作物生產(chǎn)力提高155.2%,其中陽泉種植模式從冬小麥變化為冬小麥-夏玉米,作物生產(chǎn)潛力增加9002kg·hm-2,相對于原來的種植模式作物生產(chǎn)力提高242.2%;遵化種植模式從春小麥變化為冬小麥-夏玉米,作物生產(chǎn)潛力增加6821kg·hm-2,相對于原來的種植模式,作物生產(chǎn)力提高105.2%。Ⅲ區(qū)與Ⅳ區(qū)交界種植制度變化敏感地帶,種植模式從春小麥變化為春玉米,與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ內(nèi)孫吳、克山、明水的作物生產(chǎn)潛力分別增加了1446、3962和3211kg·hm-2,平均為2873kg·hm-2,相對于原來的種植模式,作物生產(chǎn)力分別提高25.2%、71.4%和59.6%,平均為51.7%。3計量模型全球氣候變化背景下中國北方表現(xiàn)為暖干化的趨勢,同時這一暖干化特征有向南和向東擴展的趨勢,本文也得到了相同的結(jié)果,研究區(qū)域內(nèi)≥0℃積溫帶北移西擴,溫度上升的累積效應(yīng)十分顯著,年降水量呈減少的趨勢。氣候變暖后,中國的氣候和天氣極端事件也發(fā)生了變化,中國北方干旱事件發(fā)生頻率增加,極端最低氣溫上升,霜凍日數(shù)下降,但華北、西北東部和東北西南部變率較大,對作物種植影響較大。本文依據(jù)劉巽浩先生和韓湘玲先生建立的種植界限指標(biāo)體系和指標(biāo)計算方法,在本研究組已有的種植制度零級帶研究工作的基礎(chǔ)上,綜合考慮熱量資源和降水資源對種植制度的影響,分析了與1950s—1980年相比,1981年以來中國種植制度一級區(qū)界限的空間位移特征,及由此帶來的種植界限變化敏感帶的作物生產(chǎn)潛力變化,研究結(jié)果表明,中國北方地區(qū)種植界限敏感區(qū)域種植北界明顯北移西擴,多熟種植面積擴大,作物生產(chǎn)潛力增加。這一結(jié)論與前人結(jié)果一致。中國北方新疆地區(qū)主要是可灌溉綠洲農(nóng)業(yè)和地表水分布有著密切的關(guān)系,情況比較復(fù)雜,由于時間和條件的限制,筆者沒有把新疆加入本文研究區(qū)域內(nèi)。種植制度變革是十分復(fù)雜的問題,本文在討論種植制度一級區(qū)界限空間位移情況時,只是基于氣候要素指標(biāo),提出理論上的種植界限移動情況,并沒有考慮土壤、社會經(jīng)濟和品種更替等因素的影響。計