全球气候变化背景下中国北方地区作物生产潜力变化特征

全球气候变化背景下中国北方地区作物生产潜力变化特征

0种植制度北界[研究意义]近100年来，全球气候经历了以变变为主要特征的显著变化。在全球气候条件下，中国的气候和环境也发生了很大变化。近50年来中国年平均气温升高以北方地区为主,东北北部、内蒙古及西部盆地升温速率达0.8℃/10a以上,近10年尤为突出。降水量在1961—2000年间,在波动中减少,整个中国北方表现为暖干化的趋势,同时这一暖干化特征有向南和向东扩展的趋势。合理地利用当地的农业气候资源,提高作物产量,改变种植制度是切实可行的途径之一[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。【前人研究进展】种植制度(croppingsystem)指一个地区或生产单位农作物的组成、配置、熟制与种植方式(单作、间混套作、轮作、连作)所组成的一套既相互联系又与当地农业资源、生产条件等相适应的技术体系。1987年,刘巽浩先生和韩湘玲先生最早完成了中国种植制度气候区划,随着全球变暖加剧,中高纬度地区热量资源增加,作物生育期延长,一年二熟和一年三熟的种植北界有所北移,多熟种植面积增加并呈现向高纬度和高海拔移动的趋势。大量研究表明全球变暖的背景下,未来中国的种植制度将发生重大变化。但对基于过去40多年气候变化背景,中国种植制度北界的变化却鲜有报导。本研究组针对气候变暖背景下中国种植制度北界研究取得阶段性成果,重点分析了气候变暖背景下由于温度变化带来的种植制度零级带种植北界的变化,而本文的重点是讨论1981年以来温度增加及降水量改变对中国北方地区种植制度一级区种植界限的可能影响及粮食产量的可能变化。【本研究切入点】本文为了进一步探讨在全球气候变化的背景下,种植制度一级区种植界限的空间位移,在本研究组种植制度零级带界限变化研究工作的基础上,以刘巽浩先生和韩湘玲先生提出的中国种植制度气候区划一级区指标为标准,综合考虑热量资源和降水资源的共同影响,探讨气候变化背景下1981年以来,中国种植制度一级区界限的空间位移,同时结合种植界限变化敏感区域内作物生产潜力,探讨种植界限改变对作物产量的可能影响。【拟解决的关键问题】在分析比较过去40多年热量资源和降水资源变化趋势和特征的基础上,明确中国北方地区种植制度一级区界限的可能变化及对作物生产潜力的可能影响。1材料和方法1.1北方气象资料本文的研究区域包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、天津、河南、山东、山西、陕西、甘肃、宁夏和青海等北方14个省、市和自治区。气象数据来源于本研究组已建成的全国气象资料库中北方地区308个气象站点建站以来(所有站点建站时间为20世纪50年代,为方便表达本文记为1950s)至2007年逐日的降水、日平均气温和最低气温资料。研究区域及气象站点分布见图1。1.2种植制度一级区的划分20世纪80年代中期完成的中国种植制度气候区划,由于受当时数据资料的限制,研究所用的资料是气象台站建站(1950s)—1980年的气象资料。即种植制度一级区按热量和降水划分。本文借鉴研究组已有工作的基础上,综合考虑热量和降水指标,重点分析与1950s—1980年这一时段相比,1981—2007年中国北方地区种植制度一级区界限的改变。种植制度一级区的指标如表1所示,最主要的指标是≥0℃积温和年降水量,辅助指标为7月平均气温与秋季20℃终止日。1.3计算方法1.3.1温度方面的测试农业气象界限温度简称界限温度,它是指作物生长发育或某农业活动、物候现象的起始、终止及转折点的温度。本文选用刘巽浩先生和韩湘玲先生采用的偏差法计算≥0℃积温。首先计算1950s—2007年每年稳定通过0℃的起止日期内≥0℃的积温,然后采用经验频率法计算各台站的1950s—1980年和1981—2007年两个时段内80%保证率下的积温。1.3.2作物生长季内太阳总辐射倾向率yw及温度订正函数在计算变化趋势时,采用最小二乘法,计算样本与时间的线性回归系数(a),气候要素的变化可用一次线性方程表示,即式中a和b为回归系数,可以用最小二乘法进行估计。以a的10倍作为气候要素倾向率(单位:℃/10a)。式中,YW为气候生产潜力(103kg·hm-2),YQ为光合生产潜力(103kg·hm-2),YT为光温生产潜力(103kg·hm-2),0.219为黄秉维系数,C为作物经济系数,Rs为作物生长季内太阳总辐射(kJ·cm-2),f(t)为温度订正函数,计算公式如下:式中,t为平均温度,tmin、ts、tmax为作物三基点温度,见参考文献[19-21]。f(w)为水分订正系数,其计算公式如下:式中,P为时段内的降水量(mm),ETc为作物需水量,计算公式为:式中,ETo为作物参考蒸散量,Kc为作物系数见参考文献。1.4数据插值及分析根据上述方法计算出308个站点的各农业气候要素的统计量后,采用IDW(inversedistanceweightedinterpolation)插值方法对气象数据进行插值,本文所设定的Cellsize的参数均为0.002,生成空间栅格数据,然后根据指标要求使用空间分析中的Contour工具提取相应的等值线,最后生成所需的等值线图,界限空间变动使用软件中的测量工具(measure)来度量,取其平均值,最后结果用ArcGIS软件表达。2结果2.1分析北方农业气候资源的变化趋势2.1.1使用时区域气候动态变化图2为1950s—1980年(时段Ⅰ,下同)、1981—2007年(时段Ⅱ,下同)≥0℃积温和气候倾向率,从图中可以看出:(1)气温的普遍升高带来积温带的北移西扩,温度上升的累积效应十分显著,时段Ⅰ中国北方地区≥0℃积温在435—5609℃·d范围内,平均为3310℃·d;时段Ⅱ≥0℃积温范围为450—5564℃·d,平均为3418℃·d,与时段Ⅰ相比,≥0℃积温增加108℃·d;(2)1950s—2007年≥0℃积温气候倾向率变化范围是45.0—111.7℃·d/10a,平均为65.5℃·d/10a;(3)东北地区,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ3000—4100℃·d积温带北界向北移动1.2个纬度,向西扩展1个经度,同时黑龙江东北部大部分地区积温超过3000℃·d;华北地区,两时段相比较,时段Ⅱ积温大于4100℃·d范围向北移动0.3个纬度,向西略有扩展,在辽宁南部出现积温大于4100℃·d的区域;西北地区≥0℃积温界限向东北方向扩展。总体上,研究区域内与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ内大于4100℃·d积温面积增加3.3×104km2,大于3000℃·d积温面积增加3.4×105km2,全区积温增加明显。2.1.2年降水量的变化图3为时段Ⅰ和时段Ⅱ年降水量和气候倾向率空间分布特征,从图中可以看出:(1)研究区域内年降水量呈带状分布,从东南向西北方向减少,随着时间的变化,全区年降水量呈减小的趋势,时段Ⅰ研究区域年降水量为17—1135mm,平均为503mm;时段Ⅱ研究区域年降水量为14—1109mm,平均为480mm,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ年降水量减少17mm;(2)1950s—2007年降水量气候倾向率变化范围-169.9—38.2mm/10a,平均为-8.7mm/10a;(3)年降水量大于400mm区域面积减少了12.7×104km2,年降水量大于600mm区域面积减少18.0km2,北方不同区域年降水量变化趋势不完全相同。东北三省,北部年降水量略微增加,南部年降水量略微减少,整个区域年降水量呈减少的趋势,如:与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ黑龙江年降水量增加11mm,辽宁年降水量减少39mm;华北区域年降水量减少最明显,以河北为例,时段Ⅰ年降水量平均为558mm,时段Ⅱ则为501mm,减少57mm,反映在图3中可以看到,大于600mm年降水量的区域面积明显减少;西北区域年降水量有增有减,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ青海省年降水量平均增加14mm,而陕西省和宁夏自治区年降水量分别减少34和25mm。2.2种植界限南缘变化的表现为15个经度的月内、半湿润温凉作物一熟区本文是在研究组种植制度零级带研究工作的基础上,利用种植制度一级区划分指标,考虑热量资源和降水资源的共同作用,分析中国北方地区在农业气候资源变化背景下种植制度一级区界限变化的可能性,结果见图4。中国北方地区,一级区的种植界限有不同程度的变化,总体而言,东北部种植界限空间位移大,而西南部变化不明显,具体如下:北部中高原半干旱凉温作物一熟区(Ⅱ):这一区域种植制度为一年一熟,作物多为喜凉的春小麦、马铃薯、莜麦、胡麻、向日葵及适于温凉气候的谷子、糜子,及早熟玉米等。该区包括两大片区域,一为黄土高原西部(青海日月山以东、环县-静宁-淳县一线以西,包括青海东部、宁夏中南部和甘肃中部),这一区域与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ的年降水量和≥0℃积温变化不明显,因此种植界限移动不明显;另一区域在内蒙古高原南部,包括内蒙古的后山,河北的坝上和晋西北,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ内因≥0℃积温增加趋势不明显,年降水量明显减少,种植界限北界明显向南扩展,移动3.7个纬度,晋西北地区种植界限变动不明显。东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区(Ⅲ):这一区域包括吉林辽宁西部,内蒙高原东南部(哲盟和昭盟),长城沿线的承德、张家口坝下地区、山西大部(除晋西北与汾河谷地)与黄土高原东部,种植制度以一年一熟为主,作物以喜温的玉米、谷子、高粱与喜凉的春小麦、冬小麦为主。该区域跨越范围较大,各区域种植界限空间移动情况不完全相同,在东北地区,≥0℃积温明显增加,年降水量减少趋势不明显,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内整个区域面积增加,向西北方向移动,其中改区域的西北界限在内蒙古兴安盟变动较小,仅向西扩展0.1个经度,但在内蒙古赤峰市向西方向的空间位移较大,扩展0.45个经度;在华北地区,虽然≥0℃积温有增加趋势,但因年降水量减小趋势明显,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内区域北界略微向北扩展,移动0.15个纬度;在西北地区,因年降水量减少趋势明显,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内该区北界向南扩展,移动范围为0.1—0.7个纬度。东北平原丘陵半湿润温凉作物一熟区(Ⅳ):这一区域包括黑龙江、吉林、辽宁大部(吉林西部半干旱区和辽宁的朝阳区和辽东半岛南端除外),一年一熟是该区域的主要种植制度,该区以粮食作物为主,包括玉米、大豆、稻谷、春小麦、谷子和高粱。在黑龙江省境内,该区由于≥0℃积温明显增加,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内种植界限在黑龙江北部明显向西扩展,移动1个经度,而在黑龙江中部向西扩展,移动仅为0.4个经度,但是在吉林和辽宁境内,该区由于年降水量的明显减少,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内区域面积是略微减少的,种植界限向东扩展约0.25个经度。西北干旱灌溉温凉作物一熟区(Ⅴ):这一区域包括内蒙古的河套、宁夏的银川灌区、甘肃的河西走廊与兰州附近灌区。种植制度大部分是一年一熟,粮食作物以春、冬小麦和玉米为主,其次是谷、稻和马铃薯等。年降水量和地表水的空间分布是限制该区范围的主要因素,其年降水量在该区北部变化不明显,在南部该区面积呈减少的趋势,所以种植南界向南扩,移动3.7个纬度,种植北界移动不明显,仅为0.1个纬度左右。黄淮海水浇地二熟旱地二熟一熟区(Ⅵ):这一区域包括黄河、淮河和海河流域中下游的北京、天津、河北、河南大部(信阳地区除外)、山东全部、皖北(宿县、阜阳地区)、苏北(徐淮地区)、汾渭谷地(关中、晋中南)以及辽东半岛南端,种植制度以一年两熟为主,粮食作物以冬小麦、玉米和大豆为主。与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内≥0℃积温增加趋势明显,区域整体向北移动,河北省东北部和辽宁省南部种植界限移动明显,向北移动0.3个纬度。江淮平原丘陵麦稻二熟区(Ⅷ):这一区域包括江苏、安徽、河南的淮河以南,常州-合肥-荆门一线以北的地区,种植制度为一年两熟,其种植北界变动不明显。因该区域大部超出本文的研究地域范围,所以这里不做详细介绍。2.3种植模式对作物生产力的影响由于热量资源和降水资源变化,与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内种植制度一级区的界限发生了明显的空间移动。由于种植界限空间位移,种植界限的变化敏感带作物生产力的变化亦是本文关注的重点。本文讨论在东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区(Ⅲ)、东北平原丘陵半湿润温凉作物一熟区(Ⅳ)、黄淮海水浇地二熟旱地二熟一熟区(Ⅵ)种植界限空间变化敏感区作物生产力的变化,为便于分析比较,这里选择黑龙江的孙吴、克山和明水,辽宁的大连、绥中和锦州,河北的遵化,山西的阳泉为典型站点,根据作物生产潜力逐级订正法,计算主要作物的生产潜力,比较由于所在一级区典型点种植模式改变,而引起的作物生产潜力的变化。黄淮海水浇地二熟旱地二熟一熟区(Ⅵ)典型种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟;东北平原丘陵半湿润温凉作物一熟区(Ⅳ)的主要种植模式选择春玉米一熟;东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区(Ⅲ)的主要种植模式选择在北部为春小麦一熟种植,在南部为冬小麦一熟种植。与时段Ⅰ相比较,时段Ⅱ内辽宁的大连、绥中和锦州种植模式从一年一熟春玉米变化为一年两熟冬小麦-夏玉米;黑龙江的孙吴、克山和明水种植模式从春小麦变化为春玉米;山西的阳泉种植模式从一年一熟冬小麦变化为一年两熟冬小麦-夏玉米;河北的遵化种植模式从一年一熟春小麦变化为一年两熟冬小麦-夏玉米(表2)。在全球气候变化背景下,中国北方地区时段Ⅰ与时段Ⅱ相比热量资源和降水资源亦有相应的变化,种植制度一级区界限亦随之发生变化,随之而来的种植模式发生变化,在种植制度空间变化的敏感地带,由于种植模式改变带来作物生产力的变化。表2为种植界限变化区域内作物生产潜力变化结果,从表中可以看出,Ⅳ区与Ⅵ区交界种植制度变化敏感地带,种植模式从春玉米变为冬小麦-夏玉米,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ内大连、绥中、锦州的作物生产潜力分别增加了2820、1697和1420kg·hm-2,平均为1979kg·hm-2,相对于原来的种植模式,作物生产力分别提高22.0%、13.0%和11.1%,平均为15.3%。Ⅲ区与Ⅵ区交界种植制度变化敏感地带,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ内作物生产潜力平均增加7912kg·hm-2,相对于原来的种植模式作物生产力提高155.2%,其中阳泉种植模式从冬小麦变化为冬小麦-夏玉米,作物生产潜力增加9002kg·hm-2,相对于原来的种植模式作物生产力提高242.2%;遵化种植模式从春小麦变化为冬小麦-夏玉米,作物生产潜力增加6821kg·hm-2,相对于原来的种植模式,作物生产力提高105.2%。Ⅲ区与Ⅳ区交界种植制度变化敏感地带,种植模式从春小麦变化为春玉米,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ内孙吴、克山、明水的作物生产潜力分别增加了1446、3962和3211kg·hm-2,平均为2873kg·hm-2,相对于原来的种植模式,作物生产力分别提高25.2%、71.4%和59.6%,平均为51.7%。3计量模型全球气候变化背景下中国北方表现为暖干化的趋势,同时这一暖干化特征有向南和向东扩展的趋势,本文也得到了相同的结果,研究区域内≥0℃积温带北移西扩,温度上升的累积效应十分显著,年降水量呈减少的趋势。气候变暖后,中国的气候和天气极端事件也发生了变化,中国北方干旱事件发生频率增加,极端最低气温上升,霜冻日数下降,但华北、西北东部和东北西南部变率较大,对作物种植影响较大。本文依据刘巽浩先生和韩湘玲先生建立的种植界限指标体系和指标计算方法,在本研究组已有的种植制度零级带研究工作的基础上,综合考虑热量资源和降水资源对种植制度的影响,分析了与1950s—1980年相比,1981年以来中国种植制度一级区界限的空间位移特征,及由此带来的种植界限变化敏感带的作物生产潜力变化,研究结果表明,中国北方地区种植界限敏感区域种植北界明显北移西扩,多熟种植面积扩大,作物生产潜力增加。这一结论与前人结果一致。中国北方新疆地区主要是可灌溉绿洲农业和地表水分布有着密切的关系,情况比较复杂,由于时间和条件的限制,笔者没有把新疆加入本文研究区域内。种植制度变革是十分复杂的问题,本文在讨论种植制度一级区界限空间位移情况时,只是基于气候要素指标,提出理论上的种植界限移动情况,并没有考虑土壤、社会经济和品种更替等因素的影响。计