山西省农业热量资源变化特征及其对农业的影响

基于山西省境内分布较为均匀的70个地面气象观测站1970—2012年逐日平均气温和地面最低温度资料,统计了≥0℃和≥10℃期间的活动积温、7月平均气温以及无霜冻期等农业热量指标.采用线性倾向估计法和累积距平法分析了农业热量资源的变化及其突变特征,以及农业热量资源变化对作物种植带和棉花、马铃薯可种植区的影响.结果表明:≥0℃和≥10℃期间的活动积温分别以64.8和57.9℃·d·(10 a)-1的速率增加(P<0.001),7月平均气温以0.3℃·(10 a)-1的速率显著升高,无霜冻期以5.9 d·(10 a)-1的速率显著延长.≥0℃和≥10℃期间活动积温的增加幅度西部大于东部,7月平均气温的升高幅度北、中部大于南部,无霜冻期的延长幅度中部大于南、北部.≥0℃和≥10℃期间的活动积温在1996年发生了增加突变,7月平均气温在1993年发生了升高突变,无霜冻期在1997年发生了延长突变.与突变前相比,≥0℃和≥10℃期间的活动积温分别增加了219.4和196.7℃·d,7月平均气温升高了0.8℃,无霜冻期延长了15 d;与此同时,温热作物带和温暖作物带的面积向北扩大,扩大面积最大的是温暖作物带,扩大175.7%,而温和作物带、温凉作物带、温寒作物带和高寒植物区的面积缩小,缩小面积最大的是温寒作物带,缩小87.9%.随着农业热量资源的丰富,喜温作物可种植面积扩大,其中棉花可种植面积扩大1.7×106hm2,扩大53.5%;喜凉作物可种植面积缩小,其中马铃薯可种植面积缩小8.9×106hm2,缩小30.5%.     

气候变暖对河西走廊绿洲灌区玉米产量影响及对策研究

利用河西走廊绿洲灌区西(酒泉)、中(张掖)、东部(武威)代表站25年的气温和玉米产量资料,计算出各区域玉米生育期内≥0℃、5℃、10℃、15℃、20℃活动积温,用正交多项式拟合分离出玉米气候产量。采用多项式法、线性倾向、累积距平等统计学方法分析积温和玉米气候产量的变化特征,以及气候变暖对玉米产量的影响。结果表明:随着全球气候变暖,河西走廊灌区不同区域积温变化均呈明显上升趋势;玉米生育期内≥10℃的活动积温与产量关系最为密切,是影响当地玉米产量的关键气象因子,玉米产量随≥10℃积温的增加而提高;灌区气候变暖后玉米气候产量比变暖前明显增加,自西向东分别增加124%、186%和301%。气候变暖、热量资源增加有利于提高喜温作物玉米产量,表明河西走廊绿洲灌区可以进一步扩大玉米种植面积,建立玉米种植基地。     

吉林省东部粳稻生长和产量对移栽期和温度变化的反应

以中晚熟水稻品种"吉粳811"为研究对象,于2013年和2014年在延吉市进行分期播种/移栽试验,分析了吉林省东部地区一季粳稻生长速度和产量对移栽期及温度变化的响应规律,确定该品种在研究地区的适宜播种期和移栽期,以减免低温冷害的影响。结果表明:播期/移栽期的推迟提升了生长季平均气温,水稻生长发育进程加快,有效生育期缩短,主要生长季内平均气温每升高1℃,水稻生长速率提升19%,生育期缩短5 d左右;吉林省东部地区水稻的适宜移栽温度为日均气温13.0℃,移栽过早或偏晚均导致减产;中晚熟品种水稻在4月18日前后播种、5月26日前后移栽可保证在霜前成熟,且产量高;中晚熟品种水稻移栽至成熟适宜活动积温为2280℃·d左右,活动积温每减少100℃·d,水稻产量下降1095 kg·hm~(-2)(约减产13%);积温不足导致水稻冷害发生,因而减产。     

气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度

利用RegCM3模式输出的东北三省1951-2100年日平均温度和最低温度,分析了东北三省热量资源和玉米不同生育期温度适宜度的时空分布.结果表明:1951-2100年,东北地区热量资源显著增加,稳定通过10℃初日不断提前,初日在4月25日之前的区域北界向东向北扩展,2071-2100年辽宁部分地区初日已提前至3月26日;≥10℃活动积温大于3000℃·d的区域面积不断增加,玉米的生长季长度不断增加,适宜种植晚熟玉米的区域面积不断增加.与1981-2010年相比,2011-2100年,东北三省年均温度将平均升高3.34℃.1951-2100年,玉米播种-出苗期以及出苗-抽雄期的温度适宜度随时间逐渐升高;1951-2040年,辽宁省玉米抽雄-成熟期以及全生育期的温度适宜度较高,而黑龙江省较低;2041-2100年,辽宁省玉米抽雄-成熟期以及全生育期的温度适宜度逐渐降低,吉林省东部和黑龙江省呈逐渐增加的趋势.     

华东地区热量资源的变化特征、趋势预估及农业适应对策

根据华东地区1961-2004年27个气象站日平均气温资料,研究了华东地区>0℃初终日期、持续日数、积温的变化特征和变化趋势.结果表明:华东地区>0℃积温和持续日数分别增加了5.18～9.53℃·d·a-1和0.22～0.60 d·a-1,>0℃初日提前了0.22～0.46 d·a-1,>0℃终日推迟了0.01～0.14 d·a-1(福建省除外).年平均气温每升高1℃,>0℃积温增加285～402℃·d,持续日数增加7～18 d.各季节>0 ℃积温呈增加趋势,而山东省夏季积温呈减少趋势.到2070年华东地区>0℃积温为6831.4～8585.6℃·d,增幅为283.5～1803.8℃·d;除山东省外,华东其余省市全年日平均气温稳定在0℃以上.为适应华东地区热量资源的变化,农业上应进一步调整作物品种结构、适当提高复种指数、加强病虫草害监测预测和提高农业技术水平等.     

温度对玉米生长和产量的影响

为了明确气温变化对玉米生长发育和产量的影响,建立玉米低温冷害监测和气象评估模式,在东北地区中部的榆树市进行了玉米分期播种试验。试验采用3个品种,设置早、中、晚3个播种期,进行玉米生长发育进程、叶面积指数、生物量、产量和温度等观测。结果表明：玉米的生长速率与温度密切相关,平均气温每升高1 ℃,出苗速率提升17%,营养生长速率提升5%;积温每增加100 ℃·d,玉米最大叶面积指数增加10%,最大生物量和产量增加8%;玉米生长发育期(日平均气温稳定>10 ℃期间)间平均气温降低0.7 ℃,或活动积温减少100 ℃·d,玉米成熟期将延迟7 d,发生一般低温冷害,玉米单产减少8%;气温下降1 ℃,或积温减少140 ℃·d,生育期延迟10 d,发生严重低温冷害,减产10%以上;在水分条件比较适宜的前提条件下,气候变暖对东北地区玉米单产提高是有利的。     

气候变化背景下东北三省主要粮食作物产量潜力及资源利用效率比较

以东北地区喜温作物和喜凉作物的潜在种植区为研究区域,基于研究区域内65个气象台站1961—2010年地面气象观测数据,结合作物生育期资料,应用作物产量潜力逐级订正法,分析不同作物各级产量潜力时空分布特征,明确作物各级产量潜力受气候资源限制程度,比较气候资源利用效率差异.结果表明： 1961—2010年,东北三省6种作物（玉米、水稻、春小麦、高粱、谷子和大豆）的光温产量潜力呈明显的西高东低的空间分布特征,作物气候产量潜力除春小麦外其他作物均呈现南高北低的空间分布规律.6种作物受温度限制的产量潜力损失率呈东高西低的空间分布特征,大豆受温度限制引起的产量潜力损失率最高,平均为51%,其他作物为33%～41%;因降水制约引起的潜力损失率分布有明显的区域性差异,在松嫩平原和长白山区各有一个高值区,春小麦因降水亏缺引起的产量潜力损失率最高,平均为50%,其他4种雨养作物集中在8%～10%.东北三省各作物生长季内光能利用效率在0.9%～2.7%,其中玉米>高粱>水稻>谷子>春小麦>大豆;雨养条件下,玉米、高粱、春小麦、谷子和大豆各作物的降水利用效率在8～35 kg·hm^-2·mm^-1,其中玉米>高粱>春小麦>谷子>大豆.在光能利用效率和降水利用效率均较低的长白山区和小兴安岭南部地区,可采取合理密植、选择适宜品种、适时施肥、蓄水保墒耕作以及优化作物布局等措施提高资源利用效率.     

2004—2013年东北三省主要粮食作物生产碳足迹

东北是我国重要的粮食主产区,在国家粮食安全保障中起着至关重要的作用.作物生产是主要的碳排放源,探明不同作物生产的碳足迹差异,对促进低碳农业发展具有重要意义.本研究利用2004—2013年东北三省主要粮食作物(水稻、玉米和大豆)的产量、播种面积、农田生产投入等统计数据,估算了该区粮食生产碳足迹.结果表明: 2004—2013年,东北地区3种主要粮食作物中,水稻生产单位面积碳足迹最高,平均达到(2463±56) kg CE·hm^-2,玉米次之.玉米的碳足迹上升趋势最明显,从2004年的1164 kg CE·hm^-2增加到2013年的1768 kg CE·hm^-2,增速为67 kg CE·hm^-2·a^-1.在碳足迹构成中,化肥贡献最大,分别占水稻、玉米、大豆总碳投入的45%、90%、83%.水稻生产中灌溉用电所占比例为29%~42%,远高于玉米和大豆.东北三省碳足迹差异显著,3种作物的单位产量碳足迹均在吉林省最高,单位面积碳足迹均在黑龙江省最低.随着农村劳动力非农化和作物生产机械化的快速递增,未来粮食生产中柴油等机械化碳投入将快速增长.提升化肥利用效率、灌溉效率和机械化作业效率将是发展东北地区低碳农业的关键途径.     

1978年前、后中国≥10 ℃年积温对比

利用620个气象站点的逐日平均气温分别计算了1951—1978和1979—2005年≥10 ℃年积温及其初日、终日,并对比分析了1978年前、后≥10 ℃年积温及其初日、终日和持续天数.结果表明：与1951—1978年相比,1979—2005年全国大部分地区≥10 ℃年积温有所增加,其增幅以东北、华北、华南地区较大;长江以北大部分地区的≥10 ℃年积温初日提前0～5 d,长江以南大部分地区则推迟0～5 d;除华南沿海和西南小部分地区的≥10 ℃年积温终日推迟5 d以上外,其余地区则推迟0～5 d;全国≥10 ℃年积温日数总体呈增加趋势,以0～5 d和5～10 d的增幅为主,各地区的差异大且连片性差.对积温变化趋势的准确掌握可为农业结构布局调整以及农业生产潜力评估提供重要依据.     

气候变化背景下东北水稻的时空分布特征

以受气候变化影响显著的中国东北地区(黑龙江、吉林和辽宁)为研究区域,以水稻为研究对象,利用1980—2010年东北三省分县水稻播种面积、水田分布以及水稻气候适宜性分布等多源数据,结合作物空间分配模型(SPAM),在5′×5′的像元尺度上模拟了东北地区水稻时空变化过程,结合气温、降水等气候因子的空间分异,重点分析了水稻分布在不同积温与降水区间的时空变化特征.结果表明: 水稻分布的核心纬度由北纬39°—46°推移至41°—47°,经度则由122°—127°向东推移至131°,同时还呈现向200 m以上的较高海拔地区扩展的趋势;区域内积温带均向北偏移,新增的水稻面积主要集中在2800～3400 ℃·d的积温区间;研究期间区域内降水量2000年以前呈增加趋势,之后下降,水稻面积变化则主要发生于300～600 mm的降水区间内.     

青海省门源县1980—2015年青稞物候期变化趋势及其驱动因素

利用1980—2015年青海省门源县农业气象站的青稞物候期及平行气温和降水资料,分析了气候变化背景下青海省门源县青稞物候期变化趋势及其驱动因素,结果表明:播种、出苗和拔节期呈推迟趋势,其余物候期均呈提前趋势。其中播种期以2.65d/10a的趋势显著推迟,分蘖期、抽穗期分别以4.78d/10a和2.30d/10a的趋势显著提前。显著影响青稞物候期的气候因子为气温、降水和积温。播种前0℃活动积温升高1℃·d,期间降水量增加1mm,播种期推迟0.252d;稳定通过0℃积温增加1℃·d,分蘖期提前0.026d;4月最低气温升高1℃,抽穗期提前1.890d。自20世纪90年代出现播种推迟、分蘖期和抽穗期提前、驱动因子升高突变现象。物候期与驱动因素开始突变基本同步,表明青海高原气候变暖是青稞物候期变化的主导因素。     

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.     

气候变化对甘肃省农业气候资源和主要作物栽培格局的影响

基于甘肃省80个地面气象观测站1961—2014年气象观测资料和玉米、春小麦、冬小麦、马铃薯的区划指标,分1961—1986(时段Ⅰ)和1987—2014年(时段Ⅱ)2个不同时段,分析气候变化对甘肃省农业气候资源变化特征和主要粮食作物潜在栽培格局的影响。研究发现:时段Ⅱ较时段Ⅰ平均气温、负积温、≥0℃积温和≥10℃积温分别增加0.83℃、113.9℃·d、290℃·d和180℃·d,降水量气候倾向率为-34—16mm/10a,整体表现为减少趋势。时段Ⅱ较时段Ⅰ春小麦不适宜种植区面积显著增加约9%,最适宜、适宜、次适宜种植区面积分别减少1.4%、4.1%和4.8%,其中以河西走廊和陇中黄土高原变化最为显著。冬小麦适宜和次适宜种植区面积分别增加6%和3.4%,最适宜、可种植和不适宜种植区面积分别减少0.4%、3.5%和5.7%,其中以陇中地区变化最为显著。玉米最适宜和可种植区面积分别增加13%和7%。适宜、次适宜和不适宜种植区面积分别减少11%、2%和7%,其中以河西灌区变化最为显著。马铃薯最适宜和适宜种植区面积分别减少3.8%和0.7%,次适宜和可种植区面积分别增加3.5%和1.3%,其中以陇中黄土高原变化最为显著。最后提出适应气候变化调整农业结构和栽培格局的对策建议。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅳ.黄淮海平原半湿润暖温麦-玉两熟灌溉农区农业气候资源时空变化特征

基于中国黄淮海平原半湿润暖温麦-玉两熟灌溉农区66个气象台站1961-2007年的气候资料,比较分析了该区域内1961-1980年和1981-2007年2个时段喜凉作物和喜温作物温度生长期长度以及温度生长期内的活动积温、日照时数、降水量、参考作物蒸散量和干燥度等农业气候资源的时空变化特征.结果表明： 随着气候变暖,与1961-1980年的平均状况相比,1981-2007年研究区域喜凉作物和喜温作物温度生长期均呈延长趋势,分别延长了7.4和6.9 d;≥0 ℃和≥10 ℃积温总体表现为增加趋势,其气候倾向率分别为4.0～137.0和1.0～142.0 ℃·d·(10 a)^-1;喜凉作物和喜温作物温度生长期日照时数均呈显著下降趋势;全区仅安徽省北部和河南省东南部喜凉作物和喜温作物温度生长期内降水量呈增加趋势,其他地区均呈减少趋势,且以河北省、山东省北部的减幅最明显;全区大部分区域喜凉作物和喜温作物温度生长期内参考作物蒸散量呈下降趋势,干燥度呈增加趋势.     

1996—2016年松嫩平原传统大豆种植结构的时空演变

在转基因大豆冲击下,我国传统大豆种植面积大幅下降,研究大豆主产区传统大豆种植结构及其动态变化对我国大豆进出口贸易和保障国家粮食安全意义重大.本研究基于1996—2016年Landsat TM/OLI遥感影像,以遥感、地理信息系统技术为支撑,利用随机森林方法提取大豆空间分布信息,并结合景观格局指数分析松嫩平原大豆种植结构时空演变特征.结果表明: 1996—2016年,松嫩平原大豆种植面积呈波动变化;在与其他地物类型面积转换中,大豆与其他作物面积间的转换最明显;大豆斑块面积占作物总面积的比例呈先增后减特征,而斑块密度指数和分离度指数均呈先减后增趋势.松嫩平原传统大豆种植结构时空演变表现出种植面积波动变化、破碎度增加、空间分布趋于离散的特征;国内外市场及政策导向成为传统大豆种植结构变化的重要影响因素.     

东北三省水稻生长季农业气候资源及障碍型冷害的时空特征

基于东北三省1981—2017年逐日地面观测资料和农业气象观测站水稻生育期资料,结合水稻障碍型冷害指标,分析东北三省水稻生长季特别是孕穗-开花期光、温、降水资源以及障碍型冷害的时空分布特征。结果表明: 1981—2017年,东北三省水稻生长季农业气候资源呈暖干变暗趋势,≥10 ℃活动积温和日照时数增幅分别为73.5 ℃·d·(10 a)^-1和17.7 h·(10 a)^-1,降水量减幅为8.9 mm·(10 a)^-1。水稻孕穗期,农业气候资源呈暖干变暗趋势,日平均温度升幅为0.27 ℃·(10 a)^-1,日照时数和降水量降幅分别为2.06 h·(10 a)^-1和1.90 mm·(10 a)^-1;水稻开花期,农业气候资源呈暖湿变暗趋势,日平均温度增幅为0.12 ℃·(10 a)^-1,日照时数减幅为0.83 h·(10 a)^-1,与孕穗期相反,水稻开花期降水量呈增加趋势,增幅为1.35 mm·(10 a)^-1。气候变暖背景下,水稻障碍型冷害发生频率和强度在大部分地区呈减少趋势,发生频率和强度存在显著的年代际变化特征。研究期间,黑龙江省孕穗开花期发生障碍型冷害次数最多,强度最高,吉林省次之,辽宁省最少。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅱ.西南地区农业气候资源时空变化特征

基于1961—2007年中国西南地区88个气象台站的地面观测资料,结合统计方法和GIS软件,分析了全年及温度生长期内农业气候资源的时空变化特征.结果表明:1961—2007年,西南地区年平均气温呈上升趋势,平均增速为0.18℃.(10 a)-1;温度生长期内≥10℃和≥15℃积温均呈增加趋势,平均增速分别为55.3℃.d.(10 a)-1和37℃.d.(10a)-1.全区年日照时数呈现由西向东逐渐减少的特征,且东部的减少趋势较西部更显著;温度生长期内日照时数整体呈增加趋势,但空间差异较大.全区降水资源总体减少,年降水量和温度生长期内降水量的平均下降速率分别为10 mm.(10 a)-1和8 mm.(10 a)-1.全区年参考作物蒸散量普遍降低,其减幅小于年降水量的变化趋势,约53%的站点温度生长期内参考作物蒸散量减少.     

气候变化背景下我国东北三省农业气候资源变化特征

基于1961-2007年中国东北三省72个气象台站的气象资料,分析了东北三省全年及温度生长期内的平均气温、≥10 ℃积温、降水量、日照时数和参考作物蒸散量等农业气候资源的变化特征.结果表明：研究期间,东北三省年均气温总体呈升高趋势,其气候倾向率为0.38 ℃·10 a^-1;温度生长期内≥10 ℃积温同样呈上升趋势,且积温带逐渐北移东扩,全区高于3200 ℃·d积温带面积增加了2.2×10⁴ km²,2800～3200 ℃·d积温带北移0.85°、东移0.67°,2400～2800 ℃·d积温带北移1.1°;东北三省年日照时数显著下降,且以松嫩平原东部、吉林省中西部平原、辽河平原西部的减少尤为明显,全区年日照时数高于2800 h的区域面积由13.6×10⁴ km²缩小到4.1×10⁴ km²,2600～2800 h的区域向西推进了1.5°;全区温度生长期内日照时数平均为1174 h,与1961-1980年相比,1981-2007年温度生长期内的日照时数高值区明显减少,日照时数1200～1400 h的区域向西推进了0.9°;1961-2007年间,研究区年降水量及温度生长期内降水量均呈下降趋势;黑龙江省全年参考作物蒸散量整体呈增加趋势,吉林省中西部平原区有所减小、东部山区呈增加趋势,辽宁省均呈减小趋势,与1961-1980年的年均值相比,1981-2007年年参考作物蒸散量高于900 mm区域向西推移了约1°;黑龙江省和吉林省绝大部分区域温度生长期内参考作物蒸散量逐年增加,而辽宁省绝大部分区域以小于14 mm·10 a^-1的幅度在减少.     

东北地区高温对玉米生产的影响及对策

极端高温是制约东北农作区玉米生产的主要气象灾害之一.本文通过研究气候变暖背景下玉米不同生育时期内日最高温度大于30℃的积温(AT)和日最高温度大于30℃的天数(AD)的时空变化特征,分析了极端高温对东北农作区不同地区玉米生产的影响,并探讨了应对高温的对策.结果表明:1961—2010年,东北农作区玉米生育期内温度显著升高,开花期(花前花后20 d)最高温度明显大于其他生育时期,玉米全生育期、营养生长期(播种到开花前11 d)、花期和生育后期(开花后11 d到收获)4个时期日最高温度的气候趋向率分别为0.16、0.14、0.06和0.23℃·10 a-1.近50年东北农作区玉米全生育期AT明显增加,西南部地区的AT明显高于其他区域,营养生长期AT的增加趋势明显大于其他两个时期.玉米全生育期AD明显增加,高值区也主要集中在西南部地区,生育后期的AD的增加趋势大于其他两个生育时期.东北农作区玉米生育期内极端高温显著影响玉米生产,其中营养生长期的极端高温对玉米产量的不利影响十分显著,松辽平原地区玉米生产的高温风险明显大于其他地区.优化作物布局,培育耐高温品种,调整玉米生产管理措施,构建防灾减灾玉米生产体系是东北农作区玉米生产应对高温风险的有效措施.     

幼穗形成期低温对水稻结实的影响

在长白山北坡开展水稻孕穗关键期低温处理试验,建立低温对空壳率的影响模型,揭示水稻幼穗形成不同时段低温对结实的影响.结果表明: 水稻幼穗形成期低温对空壳率的影响多符合对数函数模型,温度越低,影响系数越大;低温持续时间越长,空壳率越高.水稻结实率对幼穗形成中期(花粉母细胞形成至减数分裂期)低温反应最敏感,前期和后期次之.在幼穗形成期,低温持续 2、3、5 d 处理,期间平均气温每降低 1 ℃,水稻空壳率分别上升0.5、1.7和4.3个百分点;平均最低气温每降低1 ℃,空壳率分别上升0.4、1.8和4.5个百分点;持续2 d低温的影响明显小于3 d以上的.冷积温对空壳率的影响符合二次函数模型,在有害低温范围内,冷积温每增加10 ℃·d,空壳率平均上升8.5个百分点.持续3 d平均气温降至21.6、18.0和15.0 ℃以下,或持续5 d平均气温降至 22.0、20.4和18.5 ℃以下,或冷积温在8、19和26 ℃·d以上,会依次发生轻度、中度和严重的孕穗期障碍型冷害.东北地区水稻孕穗关键时期持续2 d以内的低温天气不会导致中度和严重冷害.