北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应——以准格尔旗为例

气候变化对区域生态系统结构和功能有重大影响。以中国北方农牧交错区的准格尔旗为例,利用气象和《统计年鉴》数据,采用数理统计方法分析准格尔旗1961—2009年降水量、平均气温的波动特征,计算出该地区1961—2009年农业生态系统NPP值和主要农作物的气候产量,论述了准格尔旗农业生态系统生产力对气候波动的响应。结果表明:(1)降水量和平均气温的年际、年内波动均显著。(2)准格尔旗农业生态系统生产力呈现阶段性地波动上升趋势。排除社会、科技等影响,气候生产力对气候波动表现出较强的敏感性,是作物气候生态适应的结果。(3)中国北方雨养旱作区,粮食气候产量受降水量年际波动(特别是7、8月)显著影响;谷子、糜黍、玉米、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与降水量年际波动呈显著正相关;谷子、糜黍的气候产量与生长季降水量年内波动呈显著负相关。集水型生态农业是北方农牧交错区生态环境友好的农业发展模式。(4)谷子、糜黍、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与6、7、8月平均气温年际波动呈显著负相关;生长季平均气温年内波动对谷子、糜黍、大豆和油料等农作物的气候产量有显著负面影响。因此,需要综合采取工程、生物和农业措施,将气候变化对主要农作物气候产量的不利影响降到最低。     

气候变暖对西北雨养农业及农业生态影响研究进展

以全球年平均地表气温升髙为主要特征的全球气候变暖给农业、农业生态和区域粮食安全带来严峻挑战。气候变暖对农业发展、农业生态的影响已成为社会各界关注的热点。气候变暖对作物生育期、形态特征、植物生理、产量形成和品质的影响及其机理的研究,是认识气候变暖对农业影响,制定应对气候变化策略的科学基础。本文在给出西北区域气候变化基本特征的基础上,综述了气候变暖对西北旱作区主要粮食作物、经济作物和特色林果生长发育、生理生态、产量和品质影响研究的进展,以及气候变暖对农田生态环境、农业气象灾害及病虫害影响的主要进展。提出了以往研究中存在的问题,展望了未来西北地区应对全球变暖的农业研究重点,即:充分利用模拟、试验、观测手段,揭示气候变化多因子对主要农作物的综合影响;探索气候变暖对主要作物生理生态的影响;开展农业气象灾害对气候变暖的响应特征研究,开展农业气象灾害风险评估与应对技术研究;进行精细化动态农业种植区划、农业结构布局及种植制度方面应对气候变暖的技术策略研究。     

全球气候变化对农业生态系统的影响研究进展

全球大气中CO2浓度升高、气温升高及降水量的变化等是全球气候变化对农业生产和农业生态系统影响最为重要的几个生态因子,其影响主要表现在对农作物产量、生长发育、病虫害、农业水资源及农业生态系统结构和功能等方面.在过去的几十年,全球气候变化已对我国农业和农业生态系统,特别是我国北方旱区农业造成重大影响,其中不少影响是负面的或不利的.本文综述了全球气候变化对农业水资源、农田土壤养分变化、农作物生长发育、农作物病虫害与杂草、粮食安全及农业生态系统的结构和功能等方面的影响.针对21世纪全球气候变化对我国农业生产和农业生态系统带来的挑战,探讨了今后研究的重点和难点问题.     

植物物候与气候研究进展

植物物候及其变化是多个环境因子综合影响的结果,其中气候是最重要、最活跃的环境因子。主要从气候环境角度分析了植物物候与气候以及气候变化间的相互关系,概述了国内外有关植物物候及物候模拟等方面的研究进展。表明,温度是影响物候变化最重要的因子;同时,水分成为胁迫因子时对物候的影响也十分重要。近50a左右,世界范围内的植物物候呈现出了春季物候提前,秋季物候推迟或略有推迟的特征,从而导致了多数植物生长季节的延长,并成为全球物候变化的趋势。全球气候变暖改变了植物开始和结束生长的日期,其中冬季、春季气温的升高使植物的春季物候提前是植物生长季延长的主要原因。目前对物候学的研究方向主要集中在探讨物候与气候变化之间的关系,而模型模拟是定量研究气候变化与植物物候之间关系的重要方式,国内外已经开发出多种物候模型来分析气候驱动与物候响应之间的因果关系。另外遥感资料的应用也为物候模型研究提供了新的方向。物候机理研究、物候与气候关系以及物候模型研究将是研究的重点。     

气候变化对鸡西地区水稻生产的影响

随着全球气候的变化,我国鸡西区域的气候也发生较为显著的变化。近年来由于气温的升高和降水量逐渐的增加,影响了当地农作物的生长以及对生态环境造成了很大影响,进而对当地农业生产产生很大的影响。水稻的种植在鸡西地区占据很重要的位置,因此通过调查和研究分析当地的气候变化规律,可以有效的提高当地短期气候预测水平以及合理有效的提出应对气候变化的措施,从而有效的解决气候变化对水稻种植带来的影响。通过调查研究,本文详细介绍了气候变化对水稻种植的影响。     

气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

预测未来40年气候变化对我国玉米产量的影响

气候变化将对我国农业生产造成重要影响.传统的积分回归模型和最新的气候预测相结合可能适合评估未来气候变化对作物产量的影响程度.本文首先利用积分回归方法建立了我国不同省区玉米产量与气象要素间的相关模型,然后利用最新的气候预测成果探讨了未来40年气候变化对我国玉米产量的可能影响,并分析了其原因.结果表明:如果玉米品种改良以及目前的科技水平发展速度不变,未来40年我国玉米单产将以减产为主,且随时间递增有减幅增大趋势,但一般在5%以内.A2气候变化情景下,除2021—2030年外,我国玉米减产幅度最大的地区为东北,在2.3%~4.2%;西北、西南和长江中下游地区在2031年以后减产幅度也较大.B2气候变化情景下,东北地区在2031—2040年减产幅度最大,达5.3%;其余仍以西南和西北地区减产幅度较大.两种情景下,华北地区减产幅度均较小,一般在2.0%以内,而华南地区几乎不变.A2相较B2情景下,除2021—2030年外,其余年代的绝大多数地区减产幅度均更大.各旬降水量在我国北方地区对玉米产量几乎都为正效应,而各旬温度对我国各省区玉米产量一般为负效应.未来我国各省区玉米减产的主要原因是气温升高,仅个别省份减产与降水量减少有关.不同方法对未来我国玉米产量变化的评估结果很不一致.进一步增强评估准确性一要考虑品种和科技进步因素的影响,二要增强各类评估模型的机理性.     

陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应研究进展

气候变化显著影响陆地生态系统生产力以及水分利用格局,而水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是衡量生态系统碳水耦合关系的重要指标之一。研究陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应,有助于深入理解生态系统的变化规律,模拟和预测生态系统碳水过程的发展状况,从而为应对全球气候变化提供新的依据。为了更好地掌握生态系统水分利用效率研究现状以及其对温度、CO2等关键气候因子的响应情况,本文总结了陆地生态系统水分利用效率对气候变化响应的最新研究进展。首先介绍了相关的定义并归纳了两种不同计算方式的差异和特点;接着重点总结了陆地生态系统水分利用效率对大气温度、CO2、水分、干旱以及太阳辐射等影响因素的响应;最后文章总结了目前3个相关的研究态势,主要包括:(1)长时间序列水分利用效率与气候要素的关系研究;(2)土地利用/覆被变化对水分利用效率的影响及其对气候的反馈研究;(3)多尺度水分利用效率综合研究。本研究可为深入研究生态系统过程对气候变化的响应提供参考。     

农作物需水量随气候变化的响应研究

利用甘肃省近80个气象站1961~2000年的常规气象观测资料以及夏秋主要粮食作物平均生育期资料,采用FAO推荐的Penm an-M on te ith公式结合作物系数,计算了各站夏秋主要粮食作物的需水量,分析作物需水量随时间和空间的变化特点以及对气候变化的响应.结果表明:农作物需水量与种植区的气候类型关系十分密切,从干旱-半干旱-半湿润-湿润地区其需水量呈现减小的趋势,越是干旱的地区作物需水量越大,越是湿润的地区作物需水量越小.作物需水量随气候变化的响应比较明显,在干旱、半干旱地区表现尤为突出.不同作物品种需水量相差较大,对气候的响应机制也有差异,一般来说夏粮的需水量小于秋粮,夏粮需水量对气候变化的响应比秋粮敏感.     

气候变化背景下橡胶树物候研究进展

橡胶树(Heveabrasiliensis)是广布于热带地区的经济林木，是战略物资天然橡胶的主要来源，其物候学的研究对胶园生产管理和评估热带地区植被对全球气候变化的响应方面具有重要意义。早期的物候研究主要服务于苗木繁育、割胶规划和抗逆栽培等生产应用；利用遥感监测植被物候日趋成熟，已广泛应用于橡胶树并成为主流的物候监测方法；橡胶树物候具有明显的时空异质性，对气候变化的响应较为复杂，其中温度和降水是关键影响因子，同时内因(品系、基因和树龄等)和外因(种植密度、地理位置和农业措施等)也共同影响了其物候。为更好服务天然橡胶产业的可持续发展和热区气候变化科学研究，未来的橡胶树物候研究应重点关注多源遥感数据的协同重建、物候指标提取算法的普适化和遥感预测模型的精准化。该文系统梳理了橡胶树物候的监测方法、服务价值、时空格局，提出了存在问题及未来研究方向。     

Impact of climate warming on crop planting and production in Northwest China

One major challenge in agro-meteorological research is to accurately predict the impacts of global climate warming on future agricultural production. So the effects of climate warming over the past decades need to be assessed. We analyzed the effects of climate warming on crop planting, structure and yield in 5 northwestern provinces of China with a focus on Gansu Province, utilizing accumulated temperature (≥ 10°C, AT), accumulated negative temperature (< 0°C, ANT) and crop data collected from 1981 to 2003. The analysis led to the following conclusions: 1) climate warming is the main driving force for the expansion of winter wheat toward the north and the west in China, for the rapid increase in cotton planting acreage, and for the expansion of annually multi-crop areas toward the north in China and higher altitude; 2) Climate warming is the direct cause for early seeding of spring crops, prolonged growth duration for thermophilic crops and shortened growth duration for overwinter crops; 3) Climate warming is largely attributed to the dramatic increase in cotton yield.     

不同试点灌溉方式对冬小麦产量和品质性状的影响

小麦是我国主要的粮食作物之一。随着人们生活水平的提高,对小麦高品质的需求日益迫切。未来全球环境变化背景下,CO2 浓度升高、气候变暖、降水格局变化等将可能影响作物的生理过程,继而影响作物产量和质量。为此,选择两个试点(CO2 浓度、温度等环境条件不同) ,同期进行不同灌溉方式对两个冬小麦品种(中育5号和中优970 1)的产量和品质影响的试验研究。结果表明:2灌(拔节水和开花水)对小麦经济产量最有利;小麦生育后期增加灌溉可提高千粒重,尤其浇灌浆水对增加千粒重有利。在小麦拔节后期,随灌溉增加,小麦品质性状普遍呈现下降趋势,但个别品质性状因品种而异,即灌溉增加,对中优970 1的面包体积影响不大,对其沉降值、面团拉伸参数反而有利。同一品种产量和品质性状有明显的地域差异,在小麦开花至成熟期,大田环境CO2 浓度较高(增幅6 9.0μmol/ mol)、日均温度高2℃多的北京试点,与安阳试点相比,产量表现较低,多数小麦品质性状较优。说明北京试点的环境条件有益于品质改善,不利于产量提高,而且在小麦生育后期较高温度可能更为影响小麦产量和品质。从而在未来全球气候变暖背景下,温度小幅增加将可能改善小麦品质,但产量减少     

气候变暖对中国西北地区农作物种植的影响

采用对农作物生长有指标意义的≥10℃积温和<0℃负积温与农作物适宜种植面积、生长发育速度及产量进行对比统计分析研究,指出气候变暖对中国西北地区农作物种植结构发生了较大改变,冬小麦种植区西伸北扩,棉花面积迅速扩大,多熟制向北和高海拔地区推移.农作物生长发育速度发生了明显变化,春播作物提早播种,喜温作物生育期延长,越冬作物推迟播种,生育期缩短.棉花气候产量明显增加.     

中国北方气候暖干化对粮食作物的影响及应对措施

东北、华北和西北50a来的平均气温增幅高于全国平均水平,气候变暖明显,尤其冬季增温最显著。区域增暖的极端最低气温远比极端最高气温的贡献大。东北、华北大部、西北东部降水量明显减少,平均每10a减少20—40mm,尤其春夏季减少最明显。这种趋势一直延续到20世纪90年代以后,干旱化趋势非常突出。在综述我国北方现代气候变化基本特征是暖干化的基础上,重点阐述了喜凉作物冬小麦、春小麦、马铃薯和喜温作物水稻、玉米、谷子、糜子等7种主要粮食作物的生长发育、品种熟性、种植区域与面积、产量与品质等对气候暖干化的响应特征。揭示了气候暖干化使春播作物播期提早,苗期生长发育速度加快,营养生长期提前,生殖生长期和全生育期延长;秋作物发育期推迟,生殖生长期和全生长期延长;越冬作物播期推迟,越冬死亡率降低,种植风险减少,春初提前返青,生殖生长期提早,全生育期缩短。使作物适宜种植区域向高纬度高海拔扩展;品种熟性向偏中晚熟高产品种发展;喜温作物和越冬作物以及冷凉气候区的作物种植面积迅速扩大;在旱作区种植不较耐旱的玉米、春小麦等作物种植面积受到制约。对雨养农业区的作物气候产量影响严重,尤其对不够耐旱的小麦和玉米的气候产量受影响最大;对较耐旱的谷子、糜子、马铃薯等影响较轻。从作物属性而言,对喜温作物水稻、玉米和越冬作物冬小麦有利于气候产量提高;对喜凉作物春小麦和马铃薯的气候产量将产生不利影响。同时,提出了从5个方面应对气候暖干化的技术措施,调整作物种植结构,确保粮食生产安全;根据不同气候年型调整各种作物种植比例;针对不同气候区域发展优势作物和配置作物种植格局;采取不同栽培技术和管理模式应对气候变化;采取综合配套技术提髙抵御灾害能力。为粮食作物安全生产和种植结构调整与布局提供科学依据。     

Assessing the remotely sensed Drought Severity Index for agricultural drought monitoring and impact analysis in North China

Remote sensing can provide real-time and dynamic information for terrestrial ecosystems, facilitating effective drought monitoring. A recently proposed remotely sensed Drought Severity Index (DSI), integrating both vegetation condition and evapotranspiration information, shows considerable potential for drought monitoring at the global scale. However, there has been little research on regional DSI applications, especially concerning agricultural drought. As the most important winter wheat producing region in China, North China has suffered from frequent droughts in recent years, demonstrating high demand for efficient agricultural drought monitoring and drought impact analyses. In this paper, the capability of the MODIS DSI for agricultural drought monitoring was evaluated and the drought impacts on winter wheat yield were assessed for 5 provinces in North China. First, the MODIS DSI was compared with precipitation and soil moisture at the province level to examine its capability for characterizing moisture status. Then specifically for agricultural drought monitoring, the MODIS DSI was evaluated against agricultural drought severity at the province level. The impacts of agricultural drought on winter wheat yield during the main growing season were also explored using 8-day MODIS DSI data. Overall, the MODIS DSI is generally effective for characterizing moisture conditions at the province level, with varying ability during the main winter wheat growing season and the best relationship observed in April during the jointing and booting stages. The MODIS DSI agrees well with agricultural drought severity at the province level, with better performance in rainfed-dominated than irrigation-dominated regions. Drought shows varying impacts on winter wheat yield at different stages of the main growing season, with the most significant impacts found during the heading and grain-filling stages, which could be used as the key alert period for effective agricultural drought monitoring.     

未来10年黄土高原气候变化对农业和生态环境的影响

利用区域气候模式PRECIS输出的未来A2和B2气候情景及基准气候时段逐日资料,选择生态环境极其脆弱的黄土高原为研究区,分析了未来10a黄土高原气候变化特征及其对主要农作物和生态环境的影响。结果表明,未来10a,黄土高原光热资源增加,降水量减少。增温将对冬小麦和春玉米产量影响较大,对马铃薯产量的影响程度可能较小,但降水量减少对主要农作物的产量都有较大影响。在主要作物品种不发生较大变化的前提下,作物生育期太阳辐射和积温增加可能导致生育期需水量增加10%-15%,冬小麦、春玉米和马铃薯的播期分别延迟或提前1-3d,收获期提前1-2d,生育期缩短3-5d,可能引起冬小麦和春玉米气候产量下降50%-100%。未来10a,降水量减少可能导致草地盖度的增幅下降和人工林地稀疏化,引起黄土高原片状水力侵蚀程度下降。但突发性暴雨洪水和土地利用现状改变可能增强切沟溯源冲蚀能力,增加了黄土高原水土流失和农田及道路被冲毁的风险。     

区域种植业气候适宜度及其对种植活动的响应——以四川省盐亭县为例

在分析盐亭县近63年来(1950—2012)种植业生产发展的基础上,选取该县农村社会经济条件相对稳定的近32年(1981—2012)为研究时段。运用农业生态气候适宜度方法,依据水稻、红薯、玉米、小麦和油菜等5种主要作物生育期的光、热、水等气候条件,分别估算各种作物的资源适宜指数、效能适宜指数和利用指数,构建小尺度区域种植业气候适宜度模型和种植活动对区域种植业气候适宜度的影响度模型,进行小尺度区域种植业气候适宜度以及种植活动对种植业气候适宜度的影响度估算,并对种植业生产对气候变化的适应进行探讨。研究结果表明,(1)近32年来盐亭县大春作物的平均资源适宜指数、效能适宜指数和利用指数(分别为0.578、0.281和48.37%)均大于小春作物(分别为0.304、0.128和42.24%),大春作物的气候适宜度高于小春作物,且作物间的气候适宜度差异较大。(2)受季风气候波动的影响,该县作物气候适宜度有明显的年际波动;该县近32年来气候变化对大春作物气候适宜度有轻微不利影响,而对小春作物气候适宜度趋于有利。(3)盐亭县近32年来种植业平均的资源适宜指数为0.466、效能适宜指数为0.212、利用指数为45.49%;受5种作物资源适宜指数、效能适宜指数,以及作物播种面积与产量年际波动的综合影响,该县种植业气候适宜度亦有明显的年际波动;气候变化对该县种植业气候适宜度总体上有不利影响。(4)近32年来该县种植活动对种植业气候适宜度的影响度平均值为0.00092,其年际波动较大。通过作物种植组合结构的调整,在20世纪90年代中期前对种植业气候适宜度的提高有微弱的正向影响,对气候变化有一定程度的适应;而后期则有负向作用。     

黄淮海地区干旱变化特征及其对气候变化的响应

为了探究气候变化背景下黄淮海地区的干旱特征,基于黄淮海平原34个气象站点的1961—2012年气象数据,使用相对湿润指数探讨分析了近50年黄淮海地区冬小麦生长季及4个季节干旱的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:(1)在整个分析期内(1961—2011)冬小麦生长季干旱减轻,但是在近20年干旱有了加重的趋势,且干旱加重的趋势是一种突变现象。(2)黄淮海地区1961年以来,春季、冬季以及冬小麦生长季内均表现为不同程度的干旱,干旱频率都达到90%以上,其中春、冬两季最为干旱,3个时段整个黄淮海中北部地区都为高频干旱区域,且4个季节及冬小麦生长季干旱程度与干旱频率的区域分布均表现为由南向北递增的趋势。(3)黄淮海地区的干旱特征对降水、太阳辐射和相对湿度这3个气候要素的变化最为敏感。     

2011—2050年黄淮海冬小麦、夏玉米气候生产潜力评价

基于区域气候模式PRECIS输出的未来B2气候情景（2011—2050年）逐日资料以及基准气候时段（1961—1990年）的逐日资料,应用农业生态区域(AEZ)模型,对2011—2050年我国黄淮海地区冬小麦、夏玉米气候生产潜力时空变化特征进行预测.结果表明： 基准气候时段下,我国黄淮海地区冬小麦、夏玉米气候生产潜力的空间分布呈现一定的区域分异规律,总体均呈东南高、西北低的趋势,且同纬度地区的沿海高于内陆.1961—1990年,冬小麦、夏玉米气候生产潜力的变化幅度分别在3893～11000和5908～12000 kg·hm^-2.未来B2气候情景下,冬小麦、夏玉米气候生产潜力的年际变化很大,这与该时期作物生长发育光、温、水的匹配程度有关.冬小麦、夏玉米分别在2011—2030年和2021—2040年间气候生产潜力的增加趋势非常明显,开发潜力很大.在保持现有生产状况下,未来B2气候情景下,2011—2050年冬小麦气候生产潜力在空间上总体呈现明显的区域分异,表现为东南地区与西北地区的反向变化、沿海地区与内陆地区之间的同向变化;而夏玉米气候生产潜力的区域分异规律不明显.     

Land suitability for energy crops under scenarios of climate change and land‐use

Bioenergy is expected to play a critical role in climate change mitigation. Most integrated assessment models assume an expansion of agricultural land for cultivation of energy crops. This study examines the suitability of land for growing a range of energy crops on areas that are not required for food production, accounting for climate change impacts and conservation requirements. A global fuzzy logic model is employed to ascertain the suitable cropping areas for a number of sugar, starch and oil crops, energy grasses and short rotation tree species that could be grown specifically for energy. Two climate change scenarios are modelled (RCP2.6 and RCP8.5), along with two scenarios representing the land which cannot be used for energy crops due to forest and biodiversity conservation, food agriculture and urban areas. Results indicate that 40% of the global area currently suitable for energy crops overlaps with food land and 31% overlaps with forested or protected areas, highlighting hotspots of potential land competition risks. Approximately 18.8 million km² is suitable for energy crops, to some degree, and does not overlap with protected, forested, urban or food agricultural land. Under the climate change scenario RCP8.5, this increases to 19.6 million km² by the end of the century. Broadly, climate change is projected to decrease suitable areas in southern regions and increase them in northern regions, most notably for grass crops in Russia and China, indicating that potential production areas will shift northwards which could potentially affect domestic use and trade of biomass significantly. The majority of the land which becomes suitable is in current grasslands and is just marginally or moderately suitable. This study therefore highlights the vital importance of further studies examining the carbon and ecosystem balance of this potential land‐use change, energy crop yields in sub‐optimal soil and climatic conditions and potential impacts on livelihoods.