气候变化对湖南主要农作物种植结构的影响及适应性建议

气候变化对湖南主要农作物种植结构的影响及适应性建议

0气候变化对农作物生产适宜性的影响研究全球气候变化对人类的生存和发展密切相关。气候变化对农业生产的影响与世界粮食安全有关，是全球气候变化研究的重要组成部分。近年来的研究表明,气候变化对中国农业生产的潜在影响主要表现为中国未来农业生产不稳定性增加、产量波动大、种植熟制变化大等。历史的经验证明,农业气候区划对科学调整农业结构和种植制度、布局农产品生产规模和区域具有非凡的指导作用。因此,综合利用GIS技术、计算机技术及小网格推算技术等现代科学技术,运用气候资料及农业气候指标进行新一轮农业气候区划[4,5,6,7,8,9,10,11,12]、农作物专题气候区划的研究工作正在展开。同时,气候变化对相关农作物种植适宜性的影响研究也成为了应对气候变化的主要研究内容。张翠英等利用1970—2006年气温资料分析气候变化对对菏泽冬小麦播种期的影响后得出,局地气候变化对当地冬小麦的冬前生长具有较大影响;殷剑敏应用南丰县及其周边气象台站1961—2000年的气象资料、1:50000的地形资料以及中巴卫星遥感资料,采用地理信息系统和遥感等技术手段,根据蜜桔种植的低温冻害指标,制作了不同年代的南丰县蜜桔种植的精细化气候区划,计算了不同年代气候可种植面积和实际可种植面积,得出随着1月平均气温升高,南丰县蜜桔种植的最优区面积明显增加的结论;孙芳等进行气候变化及其对马铃薯生产的影响研究后得出,过去40年宁夏的气候正在向暖干的趋势变化,已对马铃薯生产产生不利影响,如果气候暖干的趋势继续,气候变化对马铃薯生产的不利影响也将继续。上述研究多为静态研究,关于气候变化对农作物生产的影响分析品种单一。如何充分利用最新长序列气候资料及新发展的区域气象观测站网资料,开展面上的动态分析研究及系统性的农作物生产影响分析研究不足。笔者在相关项目的支助下,2009年运用近年发展起来的区域气象观测站网资料对各种空间插值方法进行检验,选择最适宜湖南的气象要素空间插值方法对最新的长序列气候资料进行空间插值,借助GIS技术,系统性地开展湖南主要农作物种植适宜性动态气候区划,研究气候变化对湖南主要农作物种植适宜性的影响,在此基础上,提出综合应对建议,为湖南农业生产布局提供科学的参考依据。1研究区域的概况和数据来源1.1地貌、地貌及地貌湖南属内陆省份,介于东经108°47′~114°15′、北纬24°38′~30°08′之间,总面积21.18万km2。地貌以山地、丘陵为主,其次为盆地、平原和水域,其中山地为51.2%,丘陵为15.4%,盆地为13.9%,平原为13.1%,水域占6.4%。境内东、南、西三面环山,逐渐向中部及东北部倾斜,形成向东北开口不对称的马蹄形。属亚热带季风湿润气候类型,光照充足,雨热同季,适宜发展农、林业生产。1.2湖南气象要素最佳空间插值方法确定的方案气象观测资料:湖南省97个地面气象观测台站1961—2008年的日平均气温、最高气温、最低气温、日降水量资料,月日照时数资料;1224个区域气象站2007—2008年逐日平均气温、最高气温、最低气温观测资料;2114个区域气象站2007—2008年逐日降水观测资料。地理数据:国家地理信息中心1:50000地形资料。小网格空间气象数据:选择12种空间插值方法(反距离加权法、加入海拔影响因子的反距离加权法、梯度距离反比法、反距离高斯算子法、加入海拔影响因子的反距离高斯算子法、多元回归残差反距离订正法、多元回归残差高斯算子订正法、位温插值法、普通克里金法、加入海拔影响因子的普通克里金法、样条函数法、加入海拔影响因子的样条函数法)对各气象要素进行空间插值,利用区域气象站观测资料及地面气象站观测资料对空间插值结果进行检验,确定出适合于湖南省不同气象要素的最佳空间插值方法。经检验得出,适合于日平均气温、最高气温、最低气温及月日照时数的最佳空间插值方法为多元回归残差高斯算子订正法,适合于日降水量的最佳空间插值方法为普通克里金法。运用多元回归残差高斯算子订正法、普通克里金法对湖南1961—2008年逐日平均气温、最高气温、最低气温、月日照时数、日降水量时行空间插值,得到湖南省1961—2008年500m×500m的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日降水量数据及月日照时数数据。表1给出了2007—2008年(2007年是有区域站资料的最早时间)各要素空间插值所产生的平均绝对误。2气温和年降水量的变化在全球气候变暖大背景下,湖南农业气候资源已发生显著变化。主要特征表现为:日平均气温稳定通过0℃、10℃以上的活动积温均呈上升趋势,以稳定通过0℃以上的活动积温上升幅度更大(图1);年降水量无明显趋势变化,但存在显著的年际和年代际的变化(图1);年日照时数呈下降趋势(图1),湘西北地区及湘江流域减幅最大(图2)。3作物适宜栽培的指标和方法3.1种植选择原则农作物种植适宜性气候区划指标选取原则是:产量优先原则(区划因子要尽可能地使作物获得高产)、因子从简的原则(在众多影响作物生长发育的因子中选择关键因子)、差异性原则(不同作物之间抗逆性和气候适宜性存在差异,在选出因子时,尽量选取对产量和质量的关键因子)、适度尊重种植习惯的原则(在同一个气候区内,多种作物均可种植,根据现有的种植习惯而选取合理的气候区划指标)、作物生存至上的原则(即作物要能生存或者生存的几率很大)。通过生产调研、翻阅文献资料[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]、综合分析和核实调整等几个方面,最后确定各农作物种植适宜性气候区划指标、标准见表2~8。3.2不含双季稻熟制搭配的编码基于选取的作物区划指标,对已插值到小网格点500m×500m的1961—2008年气象要素数据按指定的年代进行统计并给予相应的编码值T,编码方法为:指标数据(不含双季稻熟制搭配)位于最适宜指标范围内的编码1,位于适宜范围内的编码2,位于次适宜范围的编码3,位于不适宜范围的编码4;双季稻熟制搭配分为迟熟+迟熟(前面为早稻熟性,后面为晚稻熟性,下同)、中熟+迟熟、早熟+迟熟(中熟+中熟)、早熟+中熟、早熟+早熟和不适宜6个区,分别编码为1、2、3、4、5、6。然后结合不同因子在区划中的权重Q计算出用于判断每个网格点属于该作物的适宜性等级的综合指标P,其表达式为:最后运用GIS技术制作各主要作物种植适宜性气候区划图。4气候变化对主要作物植物结构的影响4.1种植面积增加量分析双季稻种植适宜性动态气候区划结果(图3)得出,气候变化对湖南双季稻种植的影响主要表现为熟性搭配区的变化。相对于1960—1991年,“迟熟+迟熟”种植适宜区面积减少量为湖南国土总面积的2.4%(将像元数换算成面积数,1个像元=25hm2),“中熟+迟熟”种植适宜区面积增加量为10.2%(占湖南国土总面积的比例,下同),“早熟+早熟”种植适宜区面积减少量为3.2%,不适宜种植双季稻区面积增加量为0.5%,其余熟性搭配适宜种植面积无明显变化。影响最明显的地区是湘东南地区和湘中东部地区,湘东南地区“迟熟+迟熟”、“早熟+早熟”适宜种植面积减少,不适宜种植双季稻面积有所增加;湘中东部地区“迟熟+迟熟”适宜种植面积有所增加。4.2最适宜种植区面积增加量增图4给出了1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年油菜种植适宜性气候区划图,可以看出,气候变化对湖南油菜种植的影响主要表现为最适宜种植区面积显著增加、次适宜种植面积显著减少,其中最适宜种植区面积增加量为20.8%,次适宜种植面积减少量为16.2%;影响范围几乎覆盖全省。1981—2008年区划结果与1961—1990年相比较,洞庭湖平原最适宜种植区显著扩大,基本成为油菜最适宜种植区。湘江流域最适宜种植区范围迅速增大,主体成为油菜最适宜种植区。沅水上游地区适宜种植面积增大,次适宜面积减少,成为以适宜种植区为主体的分布态势;中游地区最适宜种植面积增大,大部分地区由适宜种植区转变成为了最适宜种植区。澧水上游地区适宜种植面积增大,次适宜种植面积减少,成为以适宜种植区为主体的分布结构;中游地区最适宜种植区面积增大。资水流域适宜种植面积增大,次适宜种植面积减少,分布态势以适宜种植区为主体。4.3最适宜种植面积的变化分析1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年棉花种植适宜性气候区划结果(图5)得出,气候变化对湖南棉花种植的影响主要表现为最适宜种植面积减少、适宜种植面积增加,其中最适宜种植面积减少量为14.7%,适宜种植面积增加量为14.5%;影响最显著的地区为洞庭湖平原、资水中上游地区以及湘南区,其次是沅水中游地区及湘江下游地区。与1961—1990年相比,洞庭湖平原最适宜种植区面积显著减小,湘水尾闾区、沅水尾闾区已由棉花最适宜种植区转变成为适宜种植区。资水中上游地区最适宜种植面积显著减少,除邵阳仍为最适宜种植区外,其它地区的最适宜种植区已基本为适宜种植区所替代。湘南地区最适宜种植面积明显减少,已由以最适宜种植区为主体的结构布局转变成为以适宜种植区为主体的结构布局。沅水中游、湘江下游地区以及澧水中游地区也存在最适宜种植面积减少的现象。4.4最适宜种植面积减少量从1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年温州蜜桔种植适宜性气候区划图(图6),可以看出,气候变化对温州蜜桔种植的影响最显著,主要表现为最适宜种植面积显著增加(增加量为55%)、适宜种植区和次适宜种植面积减少量分别为48.7%、6.6%;影响范围几乎覆盖全省。与1961—1990年相比较,全省最适宜种植区迅速扩大,次适宜种植区减少,最适宜种植区面积已占绝对优势。1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年甜橙、柚类种植适宜性气候区划结果(图略)表明,气候变化对甜橙、柚类种植的影响显著性仅次于温州蜜桔,主要表现为最适宜种植面积显著增加(增加量为48.7%)、适宜种植区面积因向最适宜区转变而减少39.1%。影响范围几乎覆盖全省。1961—1990年甜橙、柚类的最适宜种植区仅位于江永、江华、道县三县的接壤地带,1981—2008年甜橙、柚类最适宜种植区扩展到了湘中以南地区、沅水流域、澧水流域大部及资水上游地区。4.5最适宜种植区和次适宜种植区面积增加,由最适宜种植区植物种植区域检测,以油茶共分析1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年油茶种植适宜性气候区划结果(图7)得出,湖南气候条件适宜种植油茶,随着气候变暖,原适宜种植区、次适宜种植区有向最适宜种植区转变的趋势,最适宜种植区面积有所增大(增加量为2.0%)。相对于1961—1990年,影响相对明显的地区是沅水中上游地区及澧水上游地区。沅水中上游地区最适宜种植面积显著增大,基本已由最适宜种植区替代原来的适宜种植区。澧水上游地区次适宜种植面积减少,转变成为以适宜种植区为主体的分布格局。4.6化学成分对树种种植的影响比较1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年烟叶种植适宜性气候区划结果(图8)得出:气候变化对烟叶种植的影响主要表现为最适宜种植面积减少(减少量为19.8%);最适宜种植区向适宜种植区或次适宜种植区转变,而使得适宜种植区面积和次适宜种植区面积增加,增加量分别为13.7%、6.0%。相对于1961—1990年,湘江流域、沅水中上游地区、资水中上游地区最适宜种植面积减少,适宜种植面积增加;衡阳、邵阳、及澧水上游地区次适宜种植面积有所增加。5局和耕作制度的安排湖南是一个气候资源丰富但地域差异明显的省份,农作物的布局和耕作制度的安排应最大限度地利用包括气候资源在内的各类自然资源。根据气候变化对湖南主要农作物种植适宜性的影响以及各农作物种植适宜性气候区划结果,提出应对建议如下。5.1通过发展抓产业,扩大双季稻种植面积洞庭湖滨湖平原及湘、资、沅、澧河谷平原和盆地具有适宜种植双季稻的气候生态条件,同时又是油菜、棉花种植的最适宜区和适宜区。气候变化对油菜生产有利;对棉花的最适宜种植面积有一定的影响,但适宜种植面积大。因此应充分利用有利的气候资源,通过扩大复种指数大力发展湖南粮油棉生产。一是稳步发展双季稻。应在稳定现有双季稻种植面积的同时,采取激励措施,进一步扩大双季稻种植面积。二是大力发展油菜生产。洞滨湖平原及河谷平原和盆地是湖南省油菜种植最主要的适宜区,应充分利用有利的气候条件,加大冬闲田(地)油菜的种植力度。三是适度发展棉花生产,实现区域化种植。环洞庭湖平原土壤肥沃,灌排基础较好,是湖南的棉花主产区,应实现区域化生产,将华容、君山区、澧县、安乡、鼎城、汉寿、桃源、南县、大通湖、沅江、衡阳、衡南等地作为湖南稳定的棉花生产基地做大做强。四是根据气候资源分布特点选择合适的种植模式。建议湘中适宜“迟熟早稻+迟熟晚稻”的地区使用“迟熟早稻+迟熟晚稻+油菜”种植模式,其他地区使用“中熟早稻+迟熟晚稻+油菜”种植模式。湘东南推荐“迟熟早稻+迟熟晚稻+油菜”种植模式;有利于烟草种植的地区,应统筹安排种植区,种植模式可选取在烟草收割后搭配超级一季稻。洞庭湖平原水田实行“中熟早稻+迟熟晚稻+油菜”种植模式,旱地实行“棉花套油菜”种植模式。双季稻不适宜区内,应因地制宜,结合种植习惯,以高效旱作配一季稻,比如“烟草+超级一季稻”或“油菜+超级一季稻”的模式。5.2建设油茶产业化湖南具有发展油茶的气候优势,且气候变化对发展湖南油茶生产有利。应充分利用山地、丘陵资源,把油茶产业作为湖南林业的优势产业和特色产业做大做强。一是建立区域化、规模化的产业格局。湘南山地、湘西南山地和安化山区为油茶种植最适宜区,应充分用于种植油茶。在交通发达的区域要规模化种植油茶,如在京珠、长张、上瑞、衡枣等高速公路、国道沿线建设油茶产业带。加强耒阳、攸县、常宁、浏阳、醴陵及邵阳等“油茶之乡(都)”建设,力争使它们成为油茶产业的示范县(市)。二是扶植1~2个较大规模的集加工、贸易于一体的油茶工贸企业,使油茶种植户从油茶种植中获得更大的经济利益。5.3重点发展探源型产业湖南适宜种植柑桔的面积大,且气候变化对发展湖南柑桔有利。应综合利用土地资源和气候资源,打造湘南脐橙、湘西椪柑、雪峰(石门)蜜桔、麻阳冰糖橙等柑桔品牌,形成若干柑桔产业基地。一是建立武陵山、雪峰山柑桔产业带。在会同、洪江、芷江、中方、麻阳、辰溪、溆