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。     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

摘要: 利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨。结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式。但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势。未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长。西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长, 乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短。西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同。     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨.结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式.但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势.未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长.西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长,乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短.西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同.     

黄土高原半干旱区气候变暖对胡麻生育和水分利用效率的影响

利用黄土高原半干旱区胡麻生长发育定位观测资料和同期气象观测资料,分析气候变化对胡麻生长发育的影响,以及胡麻水分利用效率与气象条件的关系.结果表明:研究区年降水量呈下降趋势,其气候倾向率为-15.80 mm·(10 a)-1,年降水量存在3 a、6 a的周期变化;年均气温呈上升趋势,其气候倾向率为0.36℃·(10 a)-1;作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,其气候倾向率为0.12· (10a)-1,20世纪90年代初至2009年明显趋于干旱化.研究区胡麻全生育期天数为120～150 d,≥0℃积温为1700～2100℃·d,降水量为200～250mm,日照时数为1000～1300h.影响黄土高原半干旱雨养农业区胡麻生长发育的主导气象因子是气温和降水量.气温增高导致胡麻生育前期的营养生长阶段缩短;而气温增高、降水量减少,则导致生殖生长阶段延长,从而使全生育期延长.除出苗期和成熟期外,气温对其余时期的胡麻产量形成均表现为负效应,现蕾期对气温变化十分敏感;除开花期外,其余时段降水量对胡麻产量形成均为正效应,胡麻出苗期对降水量变化十分敏感.胡麻水分利用率与胡麻出苗期气温、日照时数和现蕾-成熟期干燥度呈显著正相关,与胡麻现蕾-成熟期降水量呈显著负相关.研究区5-7月干燥度是影响胡麻水分利用率的关键因子.     

西北温凉半湿润区气候变化对马铃薯生长发育的影响——以甘肃岷县为例

利用西北温凉半湿润区马铃薯生长发育定位观测资料、加密观测和对应平行气象观测资料,分析气候变化对马铃薯生长发育的影响,以及马铃薯块茎生长与气象条件的关系。结果表明,研究区域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率为-8.329 mm/10 a。降水量存在3 a的年际周期变化。气温年际变化呈上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.144℃/10 a。作物生长季干燥指数呈显著上升趋势,干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.042/10 a,20世纪90年代初至2007年明显趋于干旱化。马铃薯播种到采收约需150-168d,需≥0℃积温2000-2300℃,降水量400-500mm,日照时数900-1100h。马铃薯在播种后105d开始,块茎由缓慢生长转为迅速生长阶段;在播种后127d,块茎生长速度最大;播种后149d开始,块茎生长从迅速生长又转为缓慢生长。对马铃薯生长发育全生育期而言,受气候变暖的影响,马铃薯花序形成期每10 a提前8-9d,开花期每10 a提前4-5d。气温对马铃薯产量形成除采收期外,其余为负效应,块茎膨大期对气温变化十分敏感;而降水量的影响函数同热量的影响函数呈反相位分布,除出苗期和采收期降水量为负效应外,其余时段降水量对马铃薯产量形成均为正效应,马铃薯分枝期到开花期对降水量变化十分敏感。     

Changing relationships between tree growth and climate in Northwest China

Recently, several studies have shown changing relationships between tree growth and climate factors, mostly in the circumpolar north. There, changing relationships with climate seem to be linked to emergent subpopulation behavior. Here, we test for these phenomena in Northwest China using three tree species (Pinus tabulaeformis, Picea crassifolia, and Sabina przewalskii) that had been collected from six sites at Qilian Mts. and Helan Mts. in Northwest China. We first checked for growth divergence of individual sites and then investigated the relationship between tree growth and climate factors using moving correlation functions (CF). Two species, Pinus and Sabina, from two sites clearly showed growth divergence, not only in the late twentieth century as reported in other studies, but also over nearly the whole record. In divergent sites, one chronology shows more stable relationships with climate factors (usually precipitation). In non-divergent sites, nearly all relationships either vary in strength or become non-significant at one point. While this might possibly be related to increased stress on some trees due to increasing temperature, the exact causes for this shift in sensitivity remain unclear. We would like to highlight the necessity for additional studies investigating possible non-stationary growth responses of trees with climate, especially at sites that are used for climate reconstruction as our sites in Northwest China.     

气候变暖情境下松材线虫在我国的适生区范围

基于历史气象数据(1971—2000),利用CLIMEX软件对松材线虫Bursaphelenchus xylophilus在我国的潜在适生区进行了预测,结果显示:松材线虫在我国的适生范围广、适生程度高,全国除黑龙江、吉林省无适生区外,其余各省市区均有适生区域,其中约2/3的适生区为高度适生区,覆盖整个南方地区,分布北界达内蒙古通辽地区,西至西藏的日喀则地区;进一步结合英国气候变化研究中心提供的气候变暖情境下未来气候模拟数据TYNSC2.0,利用CLIMEX软件预测出未来30年内(2010-2039)松材线虫在我国的潜在适生区,结果发现同历史气候条件下相比,未来30年内松材线虫在我国的适生分布区将呈现范围增加、适生程度增加、向北扩散的趋势,其中分布北界将到达吉林省西部,分布西界则与历史气候条件下预测结果相差无几。     

Acceleration of climate warming and plant dynamics in Antarctica

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气候变暖对华北平原玉米叶片形态结构和气体交换过程的影响

未来全球变暖对农田生态系统产生的影响不仅可能改变整个陆地生态系统的碳平衡状态,更重要的是还关系到全球的粮食安全问题。然而,目前有关农作物对全球变暖响应和适应性机理的研究还很少见,尤其是缺少通过农田原位增温实验探讨作物叶片形态结构及其气体交换过程对增温的响应和适应性机理的研究。利用典型农田生态系统的实验增温平台,研究了未来全球气候变暖对我国华北平原重要农作物玉米叶片的形态、结构特征(解剖及亚显微结构)以及气体交换参数所可能产生的影响。研究结果显示,实验增温分别使玉米叶片的宽度和厚度减少了4%(P=0.017)和10%(P0.001)。然而,实验增温却导致叶绿体长度和宽度显著增加46%(P0.001)和50%(P0.001),从而使叶绿体的剖面面积显著增加了141%(P0.001)。另外,研究结果还显示,实验增温分别增加了玉米叶片的净光合速率52%(P=0.019)、气孔导度163%(P=0.001)以及蒸腾速率81%(P=0.017);同时,实验增温使玉米叶片的暗呼吸速率显著降低了24%(P=0.006),但却并没有对细胞间CO2浓度和水分利用效率产生显著的影响。因此,研究结果表明,未来气候变暖不仅会直接改变玉米叶片的形态和结构特征,同时还可能对玉米叶片的功能(例如光合和呼吸等关键生理生化过程)产生显著的影响。     

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。     

中国季节性昼夜增温的不对称性及其对植被活动的影响

基于1982—2015年气象数据,采用线性趋势分析和GIS空间分析方法对我国近34年季节性昼夜增温的时空格局进行分析;并结合GIMMS-NDVI 3g遥感数据和植被区划数据,采用偏相关分析方法探讨不同植被分区植被对季节性不对称性增温的响应。结果表明:(1)近34年来中国昼夜气温普遍存在极为显著的上升趋势;昼夜增温在各季节均表现出不对称特征,且该不对称特征存在明显的季节性差异,春季、夏季、秋冬和冬季白天增温速率分别为夜间增温速率的1.49倍、0.98倍、0.73倍和1.69倍;(2)不同分区植被对季节性昼夜不对称增温的响应各异:相对于夜间增温,白天增温对植被活动影响程度更大,影响区域更为广泛;春季和冬季昼夜增温对植被活动的影响范围更广,且春、秋季昼夜增温对植被NDVI的上升普遍起到促进作用;(3)季节非对称性昼夜增温对不同分区的植被活动有不同的影响,这种影响程度随季节的变化存在明显差异。通过分析中国昼夜增温的季节性变化趋势及其对不同类型植被的影响,有助于加深我们对全球气候变化背景下季节性昼夜不对称增温对中国陆地植被动态影响的认识。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

甘肃马铃薯种植布局对区域气候变化的响应

基于甘肃省地面气象观测站1961—2008年气象观测资料和马铃薯生长条件,选择最佳小网格推算模型推算出500m×500m的高分辨率的网格序列;确立马铃薯种植适宜性气候区划指标,结合地理信息资料,运用GIS技术,开展马铃薯种植适宜性动态气候区划。结果表明:气候变化使马铃薯最适宜区和适宜区面积分别减小35%和3%,次适宜区和可种植区面积分别扩大18.5%和6.6%,不适宜区面积缩小2.0%。提出了马铃薯应对气候变化建议:各地应根据气候特点,调整作物布局;适当调整播种日期,躲避影响马铃薯产量的春霜冻、块茎形成期的高温危害及伏期干旱等;采取多种农业措施,扩大马铃薯种植面积,提高复种指数。预计随着未来气候进一步变暖,该地区的马铃薯生长发育、产量和结构布局将会继续受到影响,研究成果可为甘肃马铃薯生产以及适应气候变化提供科学参考依据。     

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。     

气候暖干化对甘肃省谷子产量的影响及对策

基于甘肃省甘州（河西温和干旱绿洲灌溉区）、安定（陇中温和半干旱旱作区）、西峰（陇东温和半湿润旱作区）气温、降水和谷子产量资料,计算出各区域谷子生育期内≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃活动积温以及生育关键期平均气温和降水量,用正交多项式拟合分离出谷子气候产量,并采用线性倾向、累积距平、Mann-Kendall法分析研究区气候和谷子气候产量的变化特征,以及气候变化对谷子产量的影响.结果表明：气候暖干化是甘肃各区域现代气候变化的主要特征,各地气温从20世纪90年代初开始呈显著上升趋势,降水从20世纪80年代后期开始显著减少;该区谷子产量与温度、降水量呈显著相关关系,旱作区谷子产量随生育关键期内气温增高、降水量增多而提高,河西走廊绿洲灌区谷子产量随气温增高而提高;气候暖干化严重影响谷子产量,西峰、安定、甘州谷子产量的气象波动指数分别占实际产量变异系数的73%、72%和54%,变暖后（1993-2008年）较变暖前（1985-1992年）所占百分率明显增大;气候变暖有利于谷子产量增加,与气候变暖前相比,气候变暖后西峰、安定、甘州谷子年均气候产量的增加量分别为30.6、43.1和121.1 kg·hm^-2.针对甘肃省未来气候继续暖干化的趋势,应进一步扩大谷子种植面积、调整谷子种植结构,同时,要根据不同气候类型区域、不同气候年型选种不同特性的品种,采取不同的种植措施.     

陆地生态系统过程对气候变暖的响应与适应

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

1989—2019年西北地区干燥度指数时空变化及其对气候因子的响应

基于西北地区143个气象站点的气象数据,采用FAO-56 Penman-Monteith公式计算潜在蒸发量,并结合降水量计算西北地区1989—2019年干燥度指数(AI),采用Mann-Kendall趋势分析、小波分析、偏微分方程等方法来揭示其变化趋势、变化周期和气候因子对AI的贡献率。结果表明: 1989—2019年,西北地区AI整体呈不显著的减小趋势,其中,青海呈显著减小趋势,新疆呈不显著的上升趋势;研究区AI在2010年发生了突变,AI变化存在1个17年的主周期。西北地区AI呈现出由东南部向中部、西北部向中部增加的空间格局。西北地区AI变化的倾向率为-1.267·(10 a)^-1,其中,甘肃、宁夏、陕西、青海和新疆AI变化的倾向率分别为-1.17、-0.41、-0.49、-1.77和-2.73·(10 a)^-1。青海小灶火、新疆库尔勒、阿克苏和吐鲁番地区干旱风险发生的可能性较高。降水量和实际水汽压是影响甘肃、宁夏、青海、陕西AI变化的主要气侯因子,影响新疆AI变化的主要气侯因子为潜在蒸散、太阳辐射和平均气温。     

Macro-zooplankter responses to simulated climate warming in experimental freshwater microcosms

1. We report data collected from 48 replicated microcosm communities created to mimic plant‐dominated shallow lake and pond environments. Over a 2‐year period, the microcosms were subjected to warming treatments (continuous 3 °C above ambient and 3 °C above ambient during summer only), a nutrient addition treatment and the presence or absence of fish. We tracked macro‐zooplankter dynamics, censusing cladoceran populations at the species level, copepods at the order level and ostracods as a class. 2. Responses to warming were subtle. Cladoceran diversity and overall abundance were not significantly affected by warming, although measures of community evenness increased. Warming effects on patterns of population trajectories tended to be strongly seasonal and most apparent during periods of pronounced increase. Populations of the prevalent cladocerans, Chydorus sphaericus and Simocephalus vetulus, displayed idiosyncratic patterns, with evidence in the case of S. vetulus for a negative relationship between warming and body‐size at maturity. Copepod populations were reduced in size by warming, but those of ostracods increased. 3. The effects of the nutrient addition and fish treatments were strong and consistent, interacting little with warming effects in statistical models. Zooplankter abundance tended to be the highest in the fish‐free microcosms receiving additional nutrient inputs and lowest when fish were present and no nutrients were added. Both treatments reduced cladoceran diversity and community evenness. 4. We suggest that warming, independently, is unlikely to supplant the effects of changing nutrient loading and fish predation as the major driver of zooplankter dynamics in shallow lakes and ponds. Moreover, in the situations where warming was of significant influence in our experiment, the distinction between summer‐only warming and year‐around warming was blurred. This suggests that warming effects were most pervasive during the summer, at the upper end of the temperature spectrum.