氣候變化背景下中國小麥生產(chǎn)潛力變化特征及影響因素

氣候變化背景下中國小麥生產(chǎn)潛力變化特征及影響因素

0氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響在過去50年中，中國的溫度變化與世界一致，上升趨勢略高于世界水平，達(dá)到0.22c。同時(shí)在氣候變暖的背景下,中國降水格局變化多為南澇北旱,或全國性干旱。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力是農(nóng)業(yè)生物固有的生理特征和生物圈宏觀過程(氣候、水文、生物地球化學(xué)循環(huán))所允許的最高生產(chǎn)力,近年來,國內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)潛力的研究已取得不少成果,其中以光溫水條件為基礎(chǔ)的氣候生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)為主,也有應(yīng)用機(jī)制法,通過光、溫、水、土逐級(jí)衰減計(jì)算宏觀尺度土地生產(chǎn)潛力的研究。氣候變化必然會(huì)引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自然條件的變化,進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)潛力,郭建平等研究了東北地區(qū)三大糧食作物玉米、水稻、小麥的生產(chǎn)潛力,結(jié)果表明實(shí)際產(chǎn)量僅為氣候生產(chǎn)潛力20%左右;羅永忠等分析了1997—2007年甘肅省氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征,得出該區(qū)域溫度生產(chǎn)潛力顯著增加,降水生產(chǎn)潛力略有減少;趙俊芳等利用區(qū)域氣候模式情景數(shù)據(jù)分析黃淮海冬小麥和夏玉米氣候生產(chǎn)潛力,結(jié)果表明在未來B2氣候情景下,冬小麥氣候生產(chǎn)潛力表現(xiàn)為東南地區(qū)與西北地區(qū)的反向變化、沿海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)的同向變化;而夏玉米氣候生產(chǎn)潛力的區(qū)域分異規(guī)律不明顯。然而,目前已有的氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)潛力的影響研究主要集中在區(qū)域尺度的產(chǎn)量分析或未來氣候情景的影響。中國幅員遼闊,各區(qū)域所受氣候變化影響具有顯著差異性,尤其是20世紀(jì)80年代后期中國增溫加劇,農(nóng)業(yè)氣候資源的配置發(fā)生了顯著變化。因此,需要利用最新氣候變化數(shù)據(jù)對(duì)中國作物生產(chǎn)潛力變化開展空間大尺度分析和研究,以加深人們對(duì)氣候變化與作物生產(chǎn)潛力變化關(guān)系之間的機(jī)理性認(rèn)識(shí)。農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃(Agro-ecologicalZone,AEZ)模型是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)共同開發(fā)的計(jì)算作物的適宜生長區(qū)域和潛在產(chǎn)量模型。AEZ模型曾經(jīng)在20世紀(jì)90年代被各國用來評(píng)估本國的土地生產(chǎn)潛力,近年來在中國也已被用于研究小麥、玉米、水稻等作物生產(chǎn)潛力和農(nóng)作制區(qū)劃[21,22,23,24,25,26]。2009年,IIASA推出了該模型的最新版本GlobalAEZ(GAEZ3.0),與原來版本相比,新版本的AEZ模型改進(jìn)了作物生產(chǎn)潛力模擬、土地適宜性評(píng)價(jià)和水分管理方式等計(jì)算過程,并對(duì)土壤和土地利用等數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。然而,利用最新版本對(duì)中國主要糧油作物產(chǎn)量潛力和農(nóng)作制區(qū)劃目前還未見相關(guān)報(bào)道。鑒于此,筆者利用最新版本的AEZ模型對(duì)中國主要糧食作物之一小麥的生產(chǎn)潛力及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究,以期為中國農(nóng)作物生產(chǎn)布局調(diào)整和適應(yīng)氣候變化措施制定提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1資料與數(shù)據(jù)研究中所用的氣象數(shù)據(jù)主要包括:1961—2010年全國756個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)和127個(gè)輻射站逐日總輻射數(shù)據(jù)。利用Kriging插值方法,將站點(diǎn)資料插值到10km網(wǎng)格上?？紤]到海拔高度對(duì)氣溫的影響,在氣溫插值中進(jìn)行海拔訂正。為了研究氣候變化對(duì)于中國小麥生產(chǎn)潛力的影響,文中分別將1961—1990年(base)和1991—2010年(9110s)氣候態(tài)的逐日平均氣象資料作為AEZ模型的輸入資料,其中1961—1990年作為歷史氣候的基準(zhǔn)時(shí)段。文中所用的土壤數(shù)據(jù)采為IIASA和FAO共同開發(fā)的HWSD數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分辨率為30s,更新到2009年。地形數(shù)據(jù)利用SRTM的數(shù)字高出數(shù)據(jù),分辨率為30s,提取坡度和坡向。1.2微生物指標(biāo)評(píng)價(jià)模塊GAEZ3.0模型通過5個(gè)模塊計(jì)算作物的適宜生長區(qū)域和潛在產(chǎn)量(圖1),分別為氣候數(shù)據(jù)分析模塊、生物量及水分限制生物量計(jì)算模塊、農(nóng)業(yè)氣候限制因子模塊、土地適宜性限制因子模塊、作物的氣候土壤綜合生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模塊。模型的基本原理是通過熱量、水分、土壤適宜性和管理方式等限制參數(shù)對(duì)作物最大生物產(chǎn)量的逐步訂正,分別模擬農(nóng)業(yè)高投入情況下灌溉和雨養(yǎng)種植方式下作物的最大生產(chǎn)潛力。1.2.1氣候干旱程度及生產(chǎn)潛力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)參考作物蒸散量(又稱為潛在蒸散量)是表征大氣蒸散能力、評(píng)價(jià)氣候干旱程度、植被耗水量、生產(chǎn)潛力以及水資源供需平衡的最重要的指標(biāo)之一。AEZ模型中采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量。1.2.2濕潤指數(shù)1.2.3不同限溫度和實(shí)際蒸散量對(duì)持續(xù)周期的影響AEZ模型中的生長季定義為穩(wěn)定通過5界限溫度以及實(shí)際蒸散量Eta≥0.5ET0的持續(xù)日數(shù)。另定義穩(wěn)定通過5℃界限溫度的持續(xù)日數(shù)為5℃積溫生長季(LGP5)。1.2.4蒸散量土壤水分適宜時(shí)的農(nóng)田最大蒸散量(ETm)和實(shí)際水分條件下的實(shí)際蒸散量(Eta)之差,可以較好地反映作物水分的虧缺程度。AEZ模型中以作物生育期內(nèi)的ETm-Eta表征作物的水分虧缺量。1.2.5作物生育期為最優(yōu)生育期AEZ模型中的作物生育期是由對(duì)應(yīng)的潛在產(chǎn)量所決定,雨養(yǎng)作物的最優(yōu)生育期為生長季(LGP)內(nèi)作物達(dá)到最高潛力產(chǎn)量的作物生育期,灌溉作物的最優(yōu)生育期為≥5℃積溫以上生長季(LGP5)內(nèi)作物達(dá)到最高潛力產(chǎn)量的作物生育期。1.2.6農(nóng)業(yè)氣候?qū)ψ魑餄摿Φ姆治鯝EZ模型中用每個(gè)格點(diǎn)上模擬的某種作物的單產(chǎn)潛力與該作物在中國的最大單產(chǎn)潛力的比值來表示特定投入下農(nóng)業(yè)氣候制約因素對(duì)作物生產(chǎn)影響程度。據(jù)此可區(qū)分出4個(gè)作物農(nóng)業(yè)氣候適宜等級(jí)(表1)。1.2.7植物保鮮大區(qū)域在考慮耕作制度區(qū)劃基礎(chǔ)上,綜合根據(jù)地緣、農(nóng)作制、行政及社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征差異,AEZ模型中將全國分為八大區(qū)域,包括:華北(北京、天津、河北、山西、山東、河南)、東北(遼寧、吉林、黑龍江)、華東(上海、江蘇、浙江、安徽)、華中(江西、湖北、湖南)、華南(福建、廣東、廣西、海南)、西南(重慶、四川、貴州、云南)、高原(西藏、青海)和西北(內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、寧夏、新疆)。2結(jié)果與分析2.1中國參考作物蒸散和生長季近50年的氣候變化使得中國的熱量和濕潤條件發(fā)生變化,作物生長季在很大程度上也取決于周圍環(huán)境的熱量狀況。日平均溫度穩(wěn)定超過5℃期間的積溫是農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)價(jià)中衡量熱量狀況的一個(gè)重要指標(biāo),圖2a給出了中國≥5℃積溫在9110s相對(duì)于base的變化情況,全國大部分地區(qū)的≥5℃積溫呈現(xiàn)增加的態(tài)勢,其中長江中下游及江淮流域、新疆東部地區(qū)增加最為明顯,大部分增幅達(dá)到300~500℃。參考蒸散是評(píng)估作物生長需水量的重要依據(jù),圖2b顯示中國參考作物蒸散在近20年(911s)相對(duì)于基準(zhǔn)期(base)的變化。中國參考作物蒸散下降的區(qū)域多于上升的區(qū)域,且大部分參考作物蒸散下降區(qū)域下降幅度在25mm以上,其中東北、華北和新疆南部下降最為明顯,這主要和這些地區(qū)太陽輻射的下降有關(guān)。參考作物蒸散增加的區(qū)域,除新疆東北部、甘肅東部、寧夏和山西西北部一帶增加幅度較高外,其余大部分地區(qū)的增加不足25mm。在降水和蒸散空間形態(tài)共同變化的作用下,中國過去50年(9110s相對(duì)于base)各地區(qū)濕潤程度發(fā)生了變化,呈現(xiàn)出中間變干兩邊濕潤的分布特征(圖2c)。山西、陜西、寧夏、甘肅南部、四川東部、重慶、云南部分地區(qū)及海南島變干,而新疆北部、青藏高原北部、內(nèi)蒙古大部分地區(qū)濕潤指數(shù)增加,有助于干旱狀況的改善,另外東南部地區(qū)變濕潤的態(tài)勢最為明顯。生長季是決定作物品種選擇和種植制度的基礎(chǔ),相比基準(zhǔn)期,近20年(9110s)由于積溫和濕潤程度的增加,新疆北部、青藏大部、東北地區(qū)和長江中下游平原的生長季有較為明顯的增加;陜西、山西、寧夏、甘肅南部、四川盆地以及海南島由于濕潤指數(shù)的減少造成生長季的縮短,而東南部的中亞熱帶、南亞熱帶區(qū)域則由于過于濕潤也導(dǎo)致了生長季的縮短(圖2d)。2.2小麥品種的確定小麥的生育期長度反映了小麥的品種特征,其和農(nóng)業(yè)氣候資源中積溫和生長季的匹配程度對(duì)小麥的生產(chǎn)潛力具有重要的影響。模擬結(jié)果中小麥最優(yōu)生育期的變化,實(shí)際上表現(xiàn)為采用改變小麥種植品種的方法獲得較高單產(chǎn)潛力的氣候變化適應(yīng)潛力。從圖3可以看出,雨養(yǎng)和灌溉小麥最優(yōu)生育期的變化較為一致:由于氣候變化帶來的積溫顯著增加,熱量條件改善或是生長季的延長,近20年相對(duì)于基準(zhǔn)期,在東北區(qū)域、黃淮地區(qū)和四川盆地小麥的最優(yōu)生育期普遍延長了10天以上,因此在上述地區(qū)由于氣候變化帶來熱量資源的增加,可以種植生育期更長的晚熟品種達(dá)到更高的小麥單產(chǎn)潛力。2.3水分虧缺對(duì)生產(chǎn)潛力的影響在熱量條件變化改變土地小麥適宜品種的基礎(chǔ)上,濕潤程度及小麥品種的變化進(jìn)而會(huì)對(duì)小麥種植的水分需求帶來影響。小麥生育期內(nèi)出現(xiàn)水分虧缺會(huì)對(duì)生產(chǎn)潛力造成負(fù)面脅迫。相對(duì)基準(zhǔn)期(base),近20年(9110s)雨養(yǎng)小麥在華北地區(qū)東部、東北地區(qū)東部的水分虧缺狀況得到緩解,而在內(nèi)蒙古東部、山西、陜西、甘肅南部由于小麥生育期內(nèi)濕潤指數(shù)降低,水分虧缺更加嚴(yán)重,由于這些地區(qū)原本的氣候條件就相對(duì)干旱,水分虧缺的加重可能對(duì)其雨養(yǎng)小麥的生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響(圖4)。2.4酸性粉包中雨養(yǎng)小麥的高產(chǎn)潛力AEZ在計(jì)算小麥生產(chǎn)潛力時(shí)在每個(gè)格點(diǎn)分別對(duì)冬小麥和春小麥每個(gè)品種的單產(chǎn)潛力都進(jìn)行計(jì)算,最終選取最大值作為格點(diǎn)上小麥的單產(chǎn)潛力,因此筆者中只考慮空間上每個(gè)格點(diǎn)小麥的最大單產(chǎn)潛力。圖5給出了歷史基準(zhǔn)期中國雨養(yǎng)及灌溉小麥單產(chǎn)潛力及近20年相對(duì)與基準(zhǔn)期的變化百分率,可以看出,東北地區(qū)、山西、陜西、甘肅南部、江淮流域、河南南部、湖北北部和云南東北部是中國雨養(yǎng)小麥單產(chǎn)潛力較高的地區(qū),其中江淮流域、河南南部和湖北北部一帶單產(chǎn)潛力最高,大多在6t/hm2以上。近20年來,雨養(yǎng)小麥呈現(xiàn)單產(chǎn)潛力增加的主要有4個(gè)區(qū)域,分別為:東北地區(qū)大部、華北南部華東北部一帶、四川盆地和新疆北部,其中由于熱量資源更加豐富、最優(yōu)生育期延長、水分虧缺狀況緩解東北區(qū)的雨養(yǎng)小麥單產(chǎn)潛力增加最為明顯,大部分地區(qū)單產(chǎn)潛力增加比例在20%以上。山西、陜西及甘肅南部一帶由于水分虧缺的加重,雨養(yǎng)小麥呈現(xiàn)較明顯的單產(chǎn)潛力減少;東南大部分地區(qū)由于高溫和過于濕潤,使得病害增加和小麥春化受影響,雨養(yǎng)小麥也呈現(xiàn)單產(chǎn)潛力減少的態(tài)勢。中國灌溉小麥單產(chǎn)潛力較高的區(qū)域?yàn)槿A北地區(qū)、江淮流域和山西、陜西及甘肅南部一帶,普遍單產(chǎn)潛力在8t左右,東北地區(qū)灌溉小麥也較高,可以到達(dá)6t以上。灌溉小麥單產(chǎn)潛力增加區(qū)域主要在黑龍江北部、四川盆地大部分,由于最優(yōu)品種的改變,生育期的延長,單產(chǎn)潛力都有10%~20%的增加,遼寧南部到河北、山西、陜西北部一線由于冬小麥適應(yīng)種植區(qū)域的北擴(kuò),單產(chǎn)潛力顯著增加。另外,華北南部到華東北部一帶單產(chǎn)潛力略有增加,幅度多在10%以下。東南大部分省份主要由于趨于高溫高濕的氣候條件,灌溉小麥呈現(xiàn)較為明顯的單產(chǎn)潛力減少。2.5灌溉小麥適宜種植區(qū)域分布以AEZ劃分的中國八大農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)為基礎(chǔ),分析小麥在各區(qū)域適宜種植面積的變化(表2、表3)。雨養(yǎng)小麥在東北、華北和華東區(qū)域高適宜度的土地面積最大,近50年氣候變化影響下9110s相對(duì)于base,東北增長了32%;而華北和華東分別減少42%和39%。華中和西北區(qū)域雨養(yǎng)小麥適宜面積受氣候變化負(fù)面影響最明顯,華中和西北區(qū)域的雨養(yǎng)小麥高適宜度、中適宜度和低適宜度的土地均呈現(xiàn)減少的態(tài)勢。其中華北和西北區(qū)域雨養(yǎng)小麥由于水分虧缺的加重,造成高適宜度土地面積減少,而華中地區(qū)高適宜度土地面積減少的主要原因可能是氣候變暖帶來的高溫?zé)岷Φ脑黾印EZ模擬中灌溉水分管理方式的小麥假設(shè)水分需求充分滿足,因此華北、東北和西北這樣自然大氣降水較少的區(qū)域灌溉小麥高適宜度面積較雨養(yǎng)小麥有大幅度的增加,表明在以上地區(qū)水分脅迫是小麥生產(chǎn)潛力的主要限制因子。9110s相對(duì)于base,東北區(qū)域灌溉小麥高度適宜面積增加218萬hm2,同時(shí)中度適宜面積減少213萬hm2,可見由于東北區(qū)域熱量條件的改善,灌溉小麥單產(chǎn)潛力增加可能使得部分土地的小麥適宜種植等級(jí)提高。與雨養(yǎng)小麥在西北區(qū)域適宜面積大幅度減少不同,灌溉小麥在西北區(qū)域9110s相對(duì)于base在各適宜等級(jí)面積上變化不大。氣候變化使得小麥的適宜種植區(qū)域的空間分布形態(tài)產(chǎn)生變化。雨養(yǎng)春小麥在新疆和內(nèi)蒙古北部適宜種植面積的有所增加,而在中國400mm年累計(jì)降水線附近一帶,春小麥適宜種植帶向東南方向收縮(圖6a)。由于冬小麥有效積溫的增加,北方地區(qū)包括遼寧南部到河北、山西、陜西北部一線、甘肅和新疆部分地區(qū)出現(xiàn)了新增的冬小麥適宜種植區(qū);而東南地區(qū)由于高溫影響和過于濕潤使得冬小麥適應(yīng)種植區(qū)域減少,呈現(xiàn)冬小麥適宜種植帶的北擴(kuò)和南收態(tài)勢,主要減少省份為浙江、湖南和江西省(圖6b)。基于小麥低度適宜等級(jí)以上的土地統(tǒng)計(jì)八大農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)小麥總生產(chǎn)潛力(表4),雨養(yǎng)管理方式下全國小麥總生產(chǎn)潛力9110s相對(duì)于base減少2528萬t,東北區(qū)域雨養(yǎng)小麥總產(chǎn)生潛力增加最多,增加約10%達(dá)到949萬t,西北區(qū)域雨養(yǎng)小麥總生產(chǎn)潛力減少最多,減少了1486萬t。灌溉管理方式下全國小麥總生產(chǎn)潛力9110s相對(duì)于base變化不大。東北和西北區(qū)域灌溉小麥總生產(chǎn)潛力增加最多,分別增加4%和2%,而華東、華中和華南區(qū)域灌溉小麥總生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)減少態(tài)勢,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)無論是雨養(yǎng)還是灌溉方式近50年氣候變化對(duì)華東、華中和華南區(qū)域小麥總生產(chǎn)潛力都產(chǎn)生負(fù)面影響,而對(duì)東北和西南小麥總生產(chǎn)潛力都產(chǎn)生正面影響。3小麥適宜種植區(qū)域空間變化基于新一代的AEZ模型,從農(nóng)業(yè)氣候資源、小麥生產(chǎn)潛力和小麥適宜區(qū)域等角度分析近50年氣候變化對(duì)中國小麥生產(chǎn)帶來的影響,得出以下主要結(jié)論:(1)近50年中國大部分地區(qū)熱量條件趨好,參考作物蒸散下降的區(qū)域多于上升的區(qū)域,其中東北、華北和新疆南部的下降最為明顯,干濕狀況呈現(xiàn)中間(山西、陜西、甘肅南部、四川盆地、云貴高原中部)變干、兩邊(東北、華東、西北及青藏高原)變濕的特點(diǎn)。(2)在熱量趨好的條件下,東北、華北南部到華東北部一帶、四川盆地由的小麥可以通過種植長生育期的晚熟品種獲得更高的單產(chǎn)潛力,而東南部區(qū)域由于生長季的縮短對(duì)應(yīng)的可種植小麥的生育期也出現(xiàn)縮短;小麥生育期內(nèi)水分虧缺在華北東部表現(xiàn)為減輕,而在西北和華北西部(山西、陜西、寧夏和甘肅南部一帶)和四川盆地表現(xiàn)為加重。(3)受氣候變化影響,中國雨養(yǎng)和灌溉小麥單產(chǎn)潛力都增加的區(qū)域主要集中在東北、華北南部華東北部一帶和四川盆地,其中東北和四川盆地小麥單產(chǎn)潛力增加最為明顯,雨養(yǎng)小麥增加20%左右,灌溉小麥增加10%~20%。在東南地區(qū)雨養(yǎng)和灌溉小麥大部分都呈現(xiàn)單產(chǎn)潛力減少的態(tài)勢,西北(山西、陜西、寧夏和甘肅南部一帶)僅雨養(yǎng)小麥單產(chǎn)潛力呈減少態(tài)勢。(4)東北區(qū)域小麥高適宜度土地增加明顯,雨養(yǎng)和灌溉方式下分別增加32%和10%。而華北和華東區(qū)域小麥高適宜度土地在雨養(yǎng)和灌溉方式下均出現(xiàn)減少趨勢。由于高溫造成生長季縮短,華中區(qū)域小麥適宜面積受氣候變化負(fù)面影響最明顯。西北區(qū)域小麥適宜面積主要受水分因子的限制,在雨養(yǎng)方式下高、中適宜度土地面積分別減少38%和42%。小麥適宜種植區(qū)域空間變化主要體現(xiàn)為春小麥在半干旱、半濕潤過度帶上適宜區(qū)域的減少和冬小麥種植區(qū)的北擴(kuò)南收。(5)近20年(9110s)相對(duì)基準(zhǔn)期(base)全國雨養(yǎng)小麥總生產(chǎn)潛力減少了2528萬t,包括華北、華東、華南、華中和西北區(qū)域雨養(yǎng)小麥總生產(chǎn)潛力均出現(xiàn)減少態(tài)勢,其中西北雨養(yǎng)小麥總生產(chǎn)潛力減少幅度最大為1486萬t,占全國總生產(chǎn)潛力減少量的一半以上。全國灌溉小麥總生產(chǎn)潛力變化不大。由于單產(chǎn)潛力的增加和適宜面積的擴(kuò)大,東北區(qū)域的雨養(yǎng)和灌溉小麥總生產(chǎn)潛力增幅均為全國最高,是實(shí)現(xiàn)未來氣候變化背景下中國小麥增產(chǎn)重點(diǎn)區(qū)域。4對(duì)小