气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅴ.南方地区季节性干旱特征分区和评述

在干旱特征研究的基础上开展季节性干旱分类分区,可为不同干旱区域应对全球气候变化、制定抗旱减灾对策和防控技术提供理论依据.以国家标准中的气象干旱、农业干旱指标为主要依据,利用南方地区268个气象台站1959-2008年的气候资料,在分析南方地区季节性干旱的气候背景和分布特征的基础上,采用综合因子与主导因子相结合方法、逐级指标筛选法,综合灾害分析和聚类分析方法,对季节性干旱进行3级分区.一级分区以年干燥度和季干燥度为主要指标,以年尺度和主要作物生长季的降水量为辅助指标,将南方区域分为半干旱区、半湿润区、湿润区和极湿润区4个一级区;在此基础上再划分为川滇高原山地温凉半干旱区,江北温暖半湿润区、华南暖热半湿润区和西南高原温凉半湿润区3个半湿润区,长江流域温热湿润区、华南暖热湿润区和西南山地温暖湿润区3个湿润区,以及华南暖热极湿润区和江南西南山区温凉极湿润区2个极湿润区,共9个二级干旱分区.最后基于多个干旱指标的干旱频率和干旱强度,将南方区域分成29个三级干旱区.在分区基础上对不同季节性干旱特征分区分布情况、干旱特点及对农业生产影响进行评述,并提出了防旱避灾措施.     

恢复生态平衡 建设秦巴山区

一、秦巴山区陆地生态系统中环境因素的不稳定性秦巴山区属暖温带湿润亚带及北亚热带湿润亚带,生态环境比干旱、半干旱地区优越,但也存在着不稳定性因素。1.气候降雨量季节变化大,夏秋季节多冷锋型降雨,特别是降雨集中在7—9月。     

气候变化对甘肃省粮食生产的影响研究进展

甘肃省气候自1986年起向整体暖干化、局部暖湿化转型突变.与1960年相比,转型后2010年平均气温升高了1.1 ℃,平均降水量减少了28 mm,干旱半干旱区南移约50 km.气候变暖使甘肃省主要作物生育期有效积温增加,生长期延长,熟性、布局和种植制度改变,宜种区和种植海拔增加,多熟制北移,夏粮面积缩小,秋粮面积增大.弱冬性、中晚熟品种逐步取代强冬性、中早熟品种,有利于提高光温利用率,增加产量.暖湿型气候增加了绿洲灌区作物的气候生产力,暖干型气候降低了雨养农业区的气候产量,水分和肥力条件是决定因素.以提高有限降水利用率和利用效率、改善和提升土壤质量及肥力为核心,选育强抗逆、弱冬性、中晚熟、高水分利用效率的作物新品种,建立适温、适水的种植结构和种植制度,是甘肃省应对气候变化进行粮食生产的主要发展方向.     

黄河上游不同干湿气候区植被对气候变化的响应

 研究气候变化背景下植被变化趋势及其与水热因子的关系, 对于黄河源区的生态恢复和生态建设具有重要意义。采用基于FAO Penman-Monteith的降水蒸散比来描述区域的干湿状况, 划分了黄河上游地区的干湿气候区。在此基础上, 利用AVHRR归一化植被指数(NDVI)和GLOPEM净初级生产力(NPP)数据集和同期的气候资料, 分析了黄河上游植被覆盖、植被生产力和气候变化的趋势, 探讨了不同干湿气候区影响植被变化的主要气候因子。结果表明, 研究区域东南部为半湿润气候区, 其余为半干旱气候区, 干湿气候分界线与450 mm降水等值线较接近; 1981–2006年区域气候趋于干暖化, 尤其是气温的升高趋势明显; 半湿润地区NDVI和NPP显著增加, 半干旱地区略有增加; 半湿润地区的NDVI多与气温显著正相关, 与降水量的相关性较弱, 气温是植被生长的主要气候制约因素; 半干旱地区的NDVI则与降水量的正相关性更强, 对降水量的变化较为敏感。NPP对气候变化的响应模式与NDVI相似。植被对气候变化的响应部分依赖于研究区域所具备的水热条件, 干湿气候划分有助于更好地解释植被对气候变化响应的空间差异。     

贵州白鹇湖沉积物中孢粉记录的5.5kaB.P.以来的气候变化

通过对白鹇湖沉积物柱芯孢粉组合的剖面变化分析,在有机质14C定年基础上,探讨了白鹇湖地区过去5.5 ka calB.P.以来的植被演替和气候变化过程.研究结果表明,5500-4500 aB.P.期间,各类植被比较丰富,气候温暖湿润;4500-2750 aB.P.期间,干旱草本和蕨类植物开始出现,是气候转变过渡期;2750-1500 aB.P.期间,木本植物组合类型发生明显变化,喜湿草本减少,耐旱草本增加,气候向温凉干旱化发展;1500 aB.P.至今,木本植被和喜湿草本继续减少,中生耐旱草本和蕨类植物数量继续大幅增加,干旱化趋势明显,植被组合向典型石漠化植被组合类型发展.白鹇湖沉积物剖面孢粉组合变化表明,该地区近5000a来气候变化以温度下降、降水减少为主要趋势,并存在明显的陆地植被退化现象.研究还揭示了自然气候变化事件(如气候持续干旱)可导致喀斯特地区发生石漠化,证实了喀斯特地区生态环境具先天脆弱性.科学评估白鹇湖地区气候干旱化趋势及其生态环境影响对指导该地区科学应对气候变化具重要意义,亟待加强.     

气候变化对松嫩平原水稻灌溉需水量的影响

以水稻为研究对象,选取松嫩平原20个国家气象台站和国家气象中心提供的格点气象数据,采用作物系数法和Mc Cloud模型及P-M模型估算水稻需水量,应用水量平衡模型估算水稻灌溉需水量,分析水稻生育期内需水量变化规律.结果表明:历史时期和气候变化情景下,松嫩平原水稻全生育期和生育中期(Lmid时段)灌溉需水量等值线沿西南-东北方向递减,同一灌溉需水量等值线北移.历史时期和气候变化情景下水稻全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以44.2 mm·10 a-1速度增加,后者以19.9 mm·10 a-1速度增加.历史时期和气候变化情景下Lmid时段水稻灌溉需水量随年代均呈波动增加趋势,其中前者显著增加,后者增加不显著.气候变化情景对水稻需水量的贡献率为波动上升,与1970s相比,2000s气候变化对水稻需水量的贡献率为23.6%,增加14.8×108m3灌溉水量;2040s气候变化对水稻需水量的贡献率为34.4%,增加21.2×108m3灌溉水量.     

全球气候变化对我国西北地区农业的影响

在比较系统总结全球气候变化对我国西北地区农业影响的主要研究成果的基础上,揭示了我国西北地区现代气候变化对全球气候变暖响应的基本特征,阐述了现代气候变化对土壤水分、地表蒸发和作物气候生产力的影响规律;并且比较全面地概括了西北地区冬、春小麦、玉米、马铃薯、冬油菜、棉花、胡麻、牧草、葡萄等9种主要农作物的生长发育、病虫害、种植面积、气候产量以及畜牧业活动等对气候变化的响应特征,发现气候变化对农业生产过程的影响利弊皆存,而且不同农作物对气候变化的响应特征差异较大.研究对西北地区农业生产具有比较重要的科学指导意见.     

基于NDVI的云南省2009-2010年干旱遗产效应研究

气候变化正导致干旱事件发生的强度、频度显著改变,极端气候事件发生的不确定性直接影响陆地生态系统关键生态过程。我国西南地区在2009-2010年发生百年一遇的极端干旱,目前关于植被生长在长时间尺度对此次干旱事件的响应尚不明确。以云南省为研究区,基于多年Normalized difference vegetation index(NDVI)影像数据以及长时间序列气象资料对此次极端事件的干旱遗产效应开展研究,分析了干旱遗产效应的持续时间以及不同植被类型的响应差异。结果表明:1)云南省植被生长在极端干旱事件发生后受到的抑制时间大约持续1-2年,受影响区域主要集中在遭遇降水严重减少的地区;2)海拔2000 m附近为植被对干旱响应最为敏感的区域,海拔高于4000 m的植被生长几乎未受到干旱影响;3)较之草地和农田,森林植被受到的抑制作用更为强烈。研究揭示了极端干旱对云南省植被生长造成的影响,为该地区未来应对极端干旱并有效开展植被恢复提供理论依据。     

基于作物需水与自然降水适配度的湖南省防旱避灾种植制度优化

季节性干旱对湖南省农业生产造成很大影响,明确防旱避灾种植制度,可为指导当地农业生产提供科学依据。基于湖南省代表站点1981-2007年的气候数据和作物生育期资料,依据干燥度和地形地势特点,划分不同类型区,并在各区域内选取代表站点和代表性种植制度,采用FAO推荐的分段单值平均作物系数法订正了作物系数。比较了主要种植制度的作物需水与自然降水适配度及作物需水与自然降水适配度保证指数,确定了湖南省基于自然降水的防旱避灾种植制度。研究结果表明:各区域基于自然降水资源的防旱避灾种植制度分别为:(1)湘中偏北湿润中低海拔地形复杂区和湘东北半湿润中低海拔山地丘陵区为麦-稻和薯-稻种植模式;(2)湘北半湿润低海拔平原区为油-棉、油-稻和豆-稻种植模式;(3)湘东偏北半干旱低海拔平原与盆地丘陵过渡区为油-苕、油-棉和油-稻种植模式;(4)湘东南较干旱中低海拔丘陵区为油-稻、麦-稻和薯-稻种植模式;(5)中南部较干旱中低海拔盆地区为油-稻和油-棉种植模式;(6)湘西北较湿润中高海拔中山低山区为薯-稻和油-苕种植模式;(7)湘西南较湿润中高海拔丘陵区为油-苕、油-稻、麦-稻和薯-稻种植模式;(8)湘西干旱高海拔山地丘陵区为油-苕和油-棉种植模式。     

中亚河中地区青铜时代以来绿洲农业的演化与文明的交流

中亚河中地区是东西方文明交流的重要通道,当地干旱的气候对环境变化十分敏感,同时大量保存良好的考古遗迹使得该地区十分适合进行农业活动与文明交流的相关研究。本研究通过年代学与植物考古学方法,对阿姆河流域范围青铜时代晚期至萨珊波斯时期的考古遗址进行研究,尝试重建区内全新世人类农业活动的发展过程,并分析研究4000 BP以来人类的农业活动对环境变化的响应与适应。研究结果显示,河中地区农业的作物构成自4000 BP的青铜时代晚期就已表现出高度的复杂性。虽然在不同的时期不同类型作物的种植比例存在一定的差别,但当地的作物始终以大麦、小麦为主,辅以粟、黍、豆类等谷物及葡萄等果木,自青铜时代晚期形成后这种综合了东西方元素的绿洲农业便保持稳定;后期虽有水稻等作物加入但并没有对已有结构产生较大的影响。本研究为进一步了解中亚内陆干旱-半干旱地区绿洲农业的结构演化及其对环境变化的响应,以及探究不同起源地区作物在亚欧大陆的传播提供了基础资料和新的视角。     

中国北方气候干湿变化及干旱演变特征

利用中国北方15个省(区、市)320个气象站1960—2014年逐月降水量资料,运用标准化降水指数(SPI)、标准差和相关分析等方法,基于不同时间尺度,对近55年来中国北方及不同干湿区气候干湿时空变化特征进行分析,并从干旱站次比、干旱强度等方面分析了年际干旱的时空变化特征。结果表明:(1)1960—2014年中国北方地区整体呈变干趋势,年际干旱站次比和干旱强度在同步波动中均呈下降趋势。(2)1960—2014年北方地区春季和冬季呈湿润化趋势,冬季湿润化趋势最明显,夏季和秋季呈干旱化趋势,夏季干旱化趋势最显著,夏季降水对年干湿状况的变化起决定性作用。(3)湿润区和半湿润区有干旱化趋势,而干旱区和半干旱区均呈湿润化趋势发展;湿润区和半湿润区年际干旱站次比、干旱强度呈上升趋势,而干旱区和半干旱区则相反。(4)中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区以及处于季风区和非季风区分界线两侧的半湿润区和半干旱区气候干湿变化均呈显著同步波动变化趋势,而中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区与中国北方西部非季风区的干旱区气候干湿变化呈显著反向波动变化趋势,夏季具有同样的规律,而冬季和春季四大干湿区干湿变化具有较好的同步一致性。     

欧亚大陆不同生态区植被生长对降水响应的季节变化规律

欧亚大陆是"一带一路"战略规划的核心区域,了解欧亚大陆植被生长对降水的响应机制是该战略顺利实施的科学与生态基础。采用1982—2015年的归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)和全球气象格点数据,通过计算偏相关系数,排除温度及日照辐射的共同作用,分析植被对降水的响应关系(R_(NDVI-Prep))在不同季节、不同生态区的分异特征。在夏季,R_(NDVI-Prep)为显著正相关的地区广泛地分布在35°—60°N之间的欧亚大陆干旱、半干旱地区以及南亚次大陆西北和南部地区;在春季和秋季,R_(NDVI-Prep)为显著正相关的地区分布则相对于夏季显得更为集中,某些显著相关的区域的边界和现有的生态区划边界有很好的一致性。使用17年为一个周期的时间滑动窗口,分析不同季节上R_(NDVI-Prep)从1982至2015的变化规律,发现夏季植被呈现对降水依赖的地区所处纬度要高于春、秋两季。中亚干旱、半干旱生态区的植被在春、夏两季对降水依赖较强;南亚次大陆西北部地区的干旱、半干旱及东南亚的雨林地区在夏、秋两季对降水依赖较强,且秋季的分布最为集中。以生态区为视角,对欧亚大陆的植被与降水的关系有了更为深入的了解,可以为不同区域应对和适应气候变化提供决策依据。     

黄土丘陵区旱地作物水分生态适应性系统评价

根据调查资料和田间试验结果,系统地分析了旱地不同作物生长发育与降水分布的时序关系、旱地作物水分潜在利用率和旱地主要作物水分供需平衡与错位特征,并利用水分生态适应性数学模型,对宁南黄土丘陵区主要作物的水分生态适应性进行了定量评价.结果表明,秋熟作物生长发育与降水分布耦合性较好,夏熟作物生长发育与降水分布耦合性较差.不同作物的降水潜在利用率存在差异,其基本规律是:多年生牧草>薯类作物>谷类作物;秋熟作物>夏熟作物.作物的水分满足率和生态适应性,秋熟作物优于夏熟作物,丰水年份优于干旱年份.旱地6种主要作物的水分生态适应性指数排序依次为:谷子>马铃薯>糜子>胡麻>豌豆>春小麦.     

河北省典型区主要作物有效降雨量和需水量特征

对作物全生育期内有效降雨量及需水规律的研究是进行合理灌溉及水资源优化配置的重要依据。以河北省鸡泽县为典型区域,利用FAO推荐的Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法对冬小麦、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水规律进行计算,并通过M-K检验法分析近60 a来鸡泽县有效降雨量及作物需水量序列的趋势变化及突变现象。结果表明:近60 a鸡泽县冬小麦在生育中期需水量最大,为210.2 mm,有效降雨量均集中在生育中期,缺水量以13.2 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势;夏玉米在初始生长期需水量最大,为157.7 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以7.0 mm/10 a的速率呈不显著减少趋势;棉花在快速发育期需水量最大,为227.9 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以22.3 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势。在一定程度上对河北省对农田灌溉用水效率和效益以及保障农作物科学高效生产具有重要的指导意义。     

中国生态地理区城市水资源利用效率时空分异特征

我国水资源面临的形势十分严峻，水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题突出，已成为制约社会经济可持续发展的主要瓶颈。基于分类数据包络分析（Categorical DEA）对2007-2016年中国生态地理区城市水资源利用效率进行测算，对其时间变化、空间分布以及空间收敛性进行分析。结果表明：1）2007-2016年期间全国城市水资源利用效率总体处于低效率状态，随时间高低交错波动式发展，整体呈先降后升势态；2）生态地理区城市水资源利用综合效率由高到低依次为温带干旱区、温带半干旱区、温带半湿润区、温带湿润区、亚热带湿润区，呈西北向东南逐渐递减的空间分布格局，生态地理区纯技术效率区间差异较大，但空间分布规律不显著，区域规模效率间差距小，且无明显空间分布规律；3）纯技术效率低效是制约全国水资源利用综合效率提升的主要因素，生态地理区间纯技术效率巨大差距导致全国纯技术效率整体低效，也是全国水资源利用综合效率低效的根本原因；4）生态地理区水资源利用综合效率区域差距逐渐缩小，主要是因为高效率区域效率值向低效率区域靠拢，区域间低效向高效的"追赶效应"不明显。     

山西省参考作物蒸散量的时空变化特征

基于山西省境内70个地面气象观测站1960—2019年的逐日降水量、气温、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等气象资料,应用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量(ET₀),对山西省ET₀的时空变化特征及不同气候带和海拔的蒸散特征进行定量分析。结果表明: 1960—2019年,研究区年均ET₀在空间上呈现由西向东逐渐递减的趋势;以1982年为拐点,前后两个时段均呈逐年增加趋势,月际、旬际波动为单峰变化曲线。不同气候带ET₀的差异性表现为:温带半干旱气候区的年、春、夏、秋季ET₀高于暖温带半湿润气候区和暖温带半干旱气候区;冬季,暖温带半湿润气候区ET₀最高。不同海拔ET₀的差异性表现为:＜660 m海拔区的年、夏、秋、冬季ET₀高于其他海拔区域。     

Microbial Functional Diversity Associated with Plant Litter Decomposition Along a Climatic Gradient

Predicted changes in climate associated with increased greenhouse gas emissions can cause increases in global mean temperature and changes in precipitation regimes. These changes may affect key soil processes, e.g., microbial CO(2) evolution and biomass, mineralization rates, primary productivity, biodiversity, and litter decomposition, which play an important role in carbon and nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Our study examined the changes in litter microbial communities and decomposition along a climatic gradient, ranging from arid desert to humid Mediterranean regions in Israel. Wheat straw litter bags were placed in arid, semi-arid, Mediterranean, and humid Mediterranean sites. Samples were collected seasonally over a 2-year period in order to evaluate mass loss, litter moisture, C/N ratio, bacterial colony-forming units (CFUs), microbial CO(2) evolution and biomass, microbial functional diversity, and catabolic profile. Decomposition rate was the highest during the first year of the study at the Mediterranean and arid sites. Community-level physiological profile and microbial biomass were the highest in summer, while bacterial CFUs were the highest in winter. Microbial functional diversity was found to be highest at the humid Mediterranean site, whereas substrate utilization increased at the arid site. Our results support the assumption that climatic factors control litter degradation and regulate microbial activity.     

黄土丘陵区旱地作物水分生态适应性系统评价

根据调查资料和田间试验结果,系统地分析了旱地不同作物生长发育与降水分布的时序关系、旱地作物水分潜在利用率和旱地主要作物水分供需平衡与错位特征,并利用水分生态适应性数学模型,对宁南黄土丘陵区主要作物的水分生态适应性进行了定量评价．结果表明,秋熟作物生长发育与降水分布耦合性较好,夏熟作物生长发育与降水分布耦合性较差．不同作物的降水潜在利用率存在差异。其基本规律是：多年生牧草>薯类作物>谷类作物;秋熟作物>夏熟作物．作物的水分满足率和生态适应性,秋熟作物优于夏熟作物,丰水年份优于干旱年份．旱地6种主要作物的水分生态适应性指数排序依次为：谷子>马铃薯>糜子>胡麻>豌豆>春小麦．     

基于时序植被指数的华北地区作物物候期/种植制度的时空格局特征

随着气候变化对农业系统的影响不断加剧,为保障粮食安全,须掌握变化中的自然与人文因素,而农业生态系统中变化最为明显直观的是农作物物候特征,如何提取大区域尺度上农作物物候期以及种植制度的时空格局特征,是评价区域粮食安全的重要因素.基于多时相遥感信息可以有效反映年内/年际农作物物候特征变化的原理,首先利用近10a来的SPOT/VGT-NDVI时间序列数据,在进行数据序列平滑重构处理基础上,提取了华北地区农作物典型物候期的数量分布与空间格局特征;然后,基于上述物候期的分异特性建立了一年一熟和一年二熟等种植制度类型的遥感识别标志;最后,重点分析了上述种植制度的空间格局及其时间波动特征,并利用农业统计资料对提取结果进行了简单验证.分析结果表明,作物物候期特征的数量分布和空间分布在不同生长季均具有显著差异,直接体现了与外界环境条件(诸如区域温度、降水和光照等)的匹配程度以及作物类型自身的生长特征;从主要种植制度空间分布来看,华北地区南部地区农作物类型以夏收作物和二熟秋收作物为主,与之对应的农田种植制度以一年两熟为主;华北地区北部主要为一熟制区域,作物类型以一年一熟秋收作物为主,作物种植制度空间分布随着纬度递减呈现出简单到复杂的总体趋势;从近10a的种植情况来看,一年一熟作物种植面积最大,年际变化幅度亦较大,一年二熟的夏收作物种植比例次之,而年际变幅最小,二熟秋收作物比例最低,其年际变幅居中.研究中亦提出,在进一步加强多时相遥感技术监测大区域农业生态系统动态变化的同时,亦需深入探讨作物物候特征及种植制度变化的驱动因素及其对国家粮食安全的影响.     

Differences in food webs and trophic states of Brazilian tropical humid and semi-arid shallow lakes: implications of climate change

Global warming may intensify eutrophication of shallow lakes by affecting nutrient loading, evaporation rates, and water level and thus produce major changes in food webs. We investigated to what degree food webs in tropical humid lakes differed from those in more eutrophic semi-arid lakes of the same latitude. Our results indicate that the catchment area-to-lake area ratio, nutrients, chlorophyll a, suspended solids, abundances of phytoplankton, zooplankton, and omnivorous fish as well as total fish catch per unit effort were all higher in the semi-arid lakes, whereas inlet water-to-evaporation ratio (proxy for water balance), water transparency, percentage macrophytes cover, and the piscivores:omnivores ratio were higher in the humid lakes. Our results suggest that reduced inlet water-to-evaporation ratio will increase lake eutrophication, which, in turn, as in temperate regions, will alter trophic structure of the freshwater community.