华北地区冬小麦产量潜力分布特征及其影响因素

利用华北地区农业气象观测站作物资料,验证APSIM-Wheat作物模拟模型区域尺度有效性,结合1961-2007年47年逐日气候资料,分析冬小麦潜在产量、水分限制产量和水氮限制产量时空分布特征,明确了气候因素对冬小麦不同等级产量潜力分布特征的影响程度。对APSIM-Wheat模型在华北地区区域尺度上进行验证,结果显示区域化模型在华北地区有较好的适用性。华北地区冬小麦各层次产量在时间上总体呈下降趋势,空间上呈带状分布,不同层次产量空间分布特征有所差别：冬小麦潜在产量从东北向西南减少,水分限制产量从东南向西北递减,水氮限制产量从东向西先增加后降低在山东济宁地区达到最大;河北省为冬小麦潜在产量和水氮限制产量的高值区,同时为水分限制产量的低值区,增加灌溉是提高其产量的主要途径;山东省为冬小麦潜在产量和水分限制产量的高值区,水氮限制产量的低值区,增施氮肥是提高其产量的主要途径;河南省为冬小麦潜在产量的低值区,辐射是其主要限制因素。决定冬小麦潜在产量时空分布特征的最主要气候要素为生长季内总辐射,总辐射与潜在产量呈极显著正相关关系;决定冬小麦水分限制产量分布特征的最主要气候要素为冬小麦生长季内降水量,呈极显著正相关关系;气候要素对于冬小麦水氮限制产量空间分布特征的解释方差较小,仅为0.48,故土壤等其他因素对其空间分布影响较大。气候变化背景下,如不改变作物品种,冬小麦各级产量潜力呈下降趋势,造成其下降的主要原因为总辐射下降以及随积温增加冬小麦生长季缩短,决定冬小麦产量潜力空间分布的主要因素为总辐射和降水量。     

全球气候变化对中国种植制度可能影响分析Ⅲ.中国北方地区气候资源变化特征及其对种植制度界限的可能影响

【目的】在全球气候变化背景下,分析中国北方地区的热量和降水资源变化特征,以及北方地区农业气候资源和种植制度界限变动情况。【方法】基于中国北方地区14个省(市、自治区)308个气象台站地面观测资料,综合分析热量和降水资源的年际和空间变化趋势。结合中国种植制度气候区划指标,分析从1950s—1980年和1981—2007年种植北界的空间位移情况。在种植制度北界变化敏感地带选择典型站点,运用作物生产潜力逐级订正法计算由一年一熟春玉米、春小麦及冬小麦种植模式改变为一年两熟冬小麦-夏玉米种植模式导致的作物生产潜力变化。【结果】(1)中国北方地区气温普遍升高,≥0℃积温带北移西扩,温度上升的累积效应十分明显,≥0℃积温为每10年升高65.5℃。年降水量呈带状分布,由东南向西北减少,全区年降水量呈减小的趋势,年降水量每10年变化-90—23mm,平均为每10年减少10.6mm。(2)在热量和降水共同影响下,北部中高原半干旱凉温作物一熟区(Ⅱ)面积减少,东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区(Ⅲ)在东北地区面积增加,而在西北和华北地区面积减少,东北平原丘陵半湿润温凉作物一熟区(Ⅳ)面积增加,黄淮海水浇地二熟旱地二熟一熟区(Ⅵ)向北移动,总体而言北方地区东北部种植界限空间位移显著,而西南部变化不明显。(3)在种植制度北界变动的敏感地带,作物生产潜力明显改变:在东北平原丘陵半湿润温凉作物一熟区变化为一年二熟区,作物生产潜力增加1979kg.hm-2,相当于单位面积土地周年产量增加15.3%;在东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区改变为一年二熟区,作物生产潜力增加7912kg.hm-2,相当于单位面积土地周年产量增加155.2%;在东北西北低高原半干旱温凉作物一熟区春小麦种植改变为春玉米,作物生产潜力增加2873kg.hm-2,相当于单位面积土地周年产量增加51.7%。【结论】全球气候变化背景下,研究区域内≥0℃积温增加,年降水量呈减少的趋势,种植界限敏感区域种植北界明显北移西扩,种植界限变化敏感区域内因种植模式改变带来单位土地面积周年作物产量增加。     

全球气候变暖对中国种植制度可能影响 Ⅰ.气候变暖对中国种植制度北界和粮食产量可能影响的分析

 【目的】在全球气候变化背景下,中国气温自20世纪80年代明显升高已成为共识,这一变化对中国农业生产尤其是对种植制度的影响越来越受到中国政府和专家学者的重视。为了回答这一问题,笔者以1981年为时间节点,把从20世纪50年代至今分为2个时间段,分析和比较后一时段气候变暖对全国种植制度北界、冬小麦种植北界、双季稻种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界的可能影响,以及由于种植北界的空间位移对作物产量可能的影响。【方法】依据全国种植制度气候区划指标、冬小麦和双季稻种植北界指标以及雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界的降水量指标,采用公认的农业气候指标计算方法,使用ArcGIS分别绘出1950s—1980年、1981—2007年2个时段全国种植制度北界图,以及冬小麦种植北界图、双季稻种植北界图、雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界图。【结果】（1）与1950s—1980年相比,1981—2007年一年二熟制种植北界,空间位移变化最大的区域在陕西省、山西省、河北省、北京和辽宁省。一年三熟制种植北界,空间位移变化最大的区域为湖南省、湖北省、安徽省、江苏省和浙江省。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下,这些区域由一年一熟变成一年二熟,主体种植模式的粮食单产平均可增加54%—106%,由一年二熟变成一年三熟,主体种植模式的粮食单产平均可增加27%—58%。（2）与1950s—1980年相比,1981—2007年辽宁省、河北省、山西省、陕西省、内蒙古、宁夏、甘肃省和青海省冬小麦的种植北界不同程度北移西扩。以河北省为例,冬小麦种植北界的北移,可使界限变化区域由春小麦改种冬小麦,单产平均增加约25%。（3）浙江省、安徽省、湖北省和湖南省双季稻的种植北界向北移动,单从热量资源的角度出发,可使其粮食单产不同程度增加。（4）雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界大部分区域向东南方向移动,这是由于近年来该区降水量减少造成的。【结论】在过去的50年中,由于气候变暖造成了全国种植制度界限不同程度北移、冬小麦和双季稻种植北界北移,熟制的变化可能使种植制度界限变化区域的粮食单产增加。然而降水量的减少造成了雨养冬小麦-夏玉米稳产北界向东南方向移动。     

未来气候变化对中国种植制度北界的可能影响

 【目的】气候变暖已是一个全球性的问题,中国气候未来将继续变暖,这一变化将对中国的农业生产造成一定的影响,本文旨在研究未来气候变化对中国种植制度北界、冬小麦种植北界、双季稻种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界以及热带作物的种植北界的影响。【方法】依据全国种植制度气候区划指标、冬小麦和双季稻种植北界指标、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界指标以及热带作物种植北界指标,采用经典的农业气候指标计算方法,分析与1950s—1980年相比,未来30年（2011—2040年）、及本世纪中叶（2041—2050年）全国种植制度界限北界、冬小麦种植北界、双季稻种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界、以及热带作物的种植北界的变化。【结果】（1）与1950s—1980年相比,2011—2040年和2041—2050年的一年两熟带和一年三熟带北界都不同程度向北移动。与1950s—1980年相比,基于2011—2040年和2041—2050年未来气候资料分别分析得到的一年一熟区和一年二熟区分界线,空间位移最大的省（市）为陕西省和辽宁省,且2041—2050年北移情况更为明显;与1950s—1980年相比,由2011—2040年和2041—2050年气候资料分别确定的一年二熟区和一年三熟区分界线,空间位移最大的区域在云南省、贵州省、湖北省、安徽省、江苏省和浙江省境内,且2041—2050年北移情况更为明显。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下,这些区域由于气温升高种植制度由一年一熟变为一年两熟、由一年两熟变为一年三熟,区域内单位面积周年粮食产量可不同程度提高。（2）与1950s—1980年相比,2011—2040年和2041—2050年的冬小麦的种植北界在辽宁省、甘肃省和宁夏回族自治区都不同程度向北移动,在青海省表现为西扩。由于冬小麦产量通常要比春小麦高,因此在不考虑其他因素影响的前提下,该区域由于冬小麦替代春小麦可带来单位面积产量的提高。未来气候变暖热量资源的增加,将可能导致浙江省、安徽省、湖北省、湖南省、贵州省双季稻种植北界不同程度北移,特别是浙江省、安徽省和湖北省表现更为明显。热带作物安全种植北界在广西省和广东省境内北移情况比较明显。而未来降水量的增加将使得大部分地区雨养冬小麦-夏玉米稳产北界向西北方向移动。【结论】到2011—2040年和2041—2050年,气候变化将会造成全国种植制度界限不同程度北移、冬小麦种植北界北移西扩,双季稻和热带作物种植北界北移。而未来降水量的增加将使得大部分地区雨养冬小麦-夏玉米稳产北界向西北方向移动。     

全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅶ.气候变暖对中国柑桔种植界限及冻害风险影响

 【目的】以1981年为界,把1950s—2007年划分为两个时段,对比分析1950s—1980年和1981—2007年柑桔种植区界限的地理位移以及北界线位移后的冻害风险。【方法】利用中国种植制度分区标准和农业气候指 标,对比分析两个时段柑桔种植区界限的演变特征,并采用ArcGIS绘制柑桔种植区界限地理位移图;利用冻害风险评估指标对气候变暖背景下柑桔种植区界限位移后的冻害风险进行评估。【结果】与1950s—1980年相比,1981—2007年柑桔最适宜种植区、适宜种植区、次适宜种植区和可能种植区的北界线平均位移了0.75个纬度,位移最大的是柑桔次适宜种植区,其次分别为适宜种植区、最适宜种植区和可能种植区,4个种植区北界线东段的北移程度均明显大于西段;最适宜种植区和适宜种植区南界线分别北移了0.56和0.42个纬度;种植面积增加得最多的是最适宜种植区,其次为适宜种植区,面积减少得最多的是不能种植区,其次分别为可能种植区和次适宜种植区。气候变暖背景下,柑桔最适宜种植区和适宜种植区敏感区域轻级和中级冻害的出现频率较各自的非敏感区域显著增加,重级和极重级冻害出现频率在敏感区域和非敏感区域均较低;柑桔次适宜种植区和可能种植区敏感区域轻级冻害的出现频率均较各自非敏感区域低,但二者敏感区域的重级和极重级冻害风险较各自的非敏感区域显著增加。【结论】全球气候变暖背景下,中国柑桔种植区界限发生了明显北移;柑桔界限北移后,柑桔种植区敏感区域的冻害风险明显高于非敏感区域。     

东北地区主要粮食作物气候生产潜力估算与分析

以东北三省71个站点的气象资料为依据,运用逐步订正法计算了玉米、水稻、大豆的光温生产潜力和气候生产潜力,讨论了温度和水分对气候生产潜力的影响。结果表明,东北三省主要粮食作物的光温生产潜力和气候生产潜力由东南向西北差异较大,呈递减趋势。且玉米最适宜种植在吉林省平原地区,水稻最适宜在辽宁省东南部种植,大豆则适宜种植在北部、东部低温或多雨地区。     

东北三省春玉米产量差时空分布特征

【目的】随着人口增加、气候变化和环境问题日益凸显,粮食生产能力及粮食安全受到广泛重视。然而,目前中国粮食产量远远低于作物潜在产量,如何利用有限耕地生产更多粮食已经成为中国农业目前面临的重大问题。东北三省是中国重要的玉米生产区,其春玉米产量占全国总产量的29%,该区玉米产量提升对中国粮食安全具有重要的意义。【方法】论文以东北三省春玉米种植区为研究区域,基于1961—2010年气候资料、农业气象观测站作物资料和统计资料,利用农业生产系统模拟模型(APSIM-Maize)和数理统计方法,解析气候变化背景下研究区域春玉米潜在产量与实际产量的差及各级产量差的时空分布特征,为提升东北三省春玉米产量提供科学依据和参考。【结果】东北三省春玉米潜在产量与农户实际产量之间产量差(总产量差)呈明显的经向和纬向分布(P0.01),即由南向北递减,由西向东递减,且地区间差异较大,变化范围为4.8—11.9 t·hm~(-2)。春玉米潜在产量与可获得产量之间的产量差(产量差1)、可获得产量与农户潜在产量之间的产量差(产量差2)均呈现随经度升高而降低的趋势,这与春玉米生长季内降水量分布有关。产量差1变化范围在0.06—3.2 t·hm~(-2)之间,产量差2地区间差异较大,变化范围为1.7—8.0 t·hm~(-2),主要是由于栽培管理措施的差异造成的。从全区50年平均来看,春玉米潜在产量与实际产量间的产量差为64%,其中由于不可转化的技术因素、农学因素和经济社会因素限制的产量差分别为8%、40%和16%。从时间变化趋势来看,过去50年(1961—2010)研究区域春玉米各级产量差均呈现减小的趋势,其中总产量差和产量差3呈显著缩小趋势(P0.01),每10年分别缩小1.55 t·hm~(-2)和1.40 t·hm~(-2),但产量差1和产量差2变化趋势并不显著。【结论】东北三省春玉米潜在产量与农户实际产量之间的产量差呈明显的经向和纬向分布,即由南向北递减,由西向东递减。农学因素是限制当地玉米产量提升的主要因素,通过改善农学因素,如提高栽培管理措施、改善土壤条件和更换高产品种可有效缩小产量差达40%。     

作物产量差研究进展

随着人口的增加以及生活水平的提高,人们对粮食的需求不断增加,因此增加粮食产量、确保粮食安全仍是未来永恒不变的课题。近年来随着育秧、覆膜等技术的应用,灌溉、施肥技术措施的提高以及作物品种的更替和技术的进步等使得农作物产量呈现增加的趋势。即便如此,作物实际产量与其潜在产量间仍然存在较大差距,而这种现象广泛存在于世界各国的农业生产中。文章在阐述产量差内涵的基础上,对目前国内外产量差的研究方法及主要研究进展等方面进行了综述,并对未来产量差的研究做了展望,以期为进一步开展产量差研究提供科学参考。产量差概念发展至今,虽然众多学者都对其做了不同的定义及阐述,但总体而言,作物的最大产量水平为潜在产量,实际产量与潜在产量之间的产量差为该作物的总产量差。造成作物产量差的原因主要包括不可能应用到田间的技术和环境因子、生物因素（品种、病虫害等）和经济因素（投入产出比）、政策、文化水平及传统观念等。为了进一步解析作物产量差,前人根据研究目的的不同,划分了不同等级的产量差。目前国内外产量差的研究方法主要有试验调查统计分析法和作物模拟模型法。前者概念简单,可操作性强,但是要求足够的试验数据,试验费用大,周期长;后者可以设置更多的情景和处理,但难以精确定量实际生产中的所有管理措施。因此,在实际进行产量差研究中,可综合利用统计方法、作物模拟模型及遥感方法,充分发挥各种方法的优势。世界各地主要作物产量差的研究结果显示,发达国家因栽培管理水平相对较高,作物产量提升空间较小。虽然各地学者对当地不同作物产量差进行了详细的研究,为提升该地区产量、缩小作物产量差提供了科学依据和参考。然而,由于产量估算方法不同,使得研究结果之间差异较大,可比性差。同时因数据和方法的限制,大多集中在解析农业生产过程中的气候、土壤、品种、栽培管理措施等因素对产量的限制程度,而往往忽略了在产量形成过程中农民意愿、政策和经济等因素的影响。总之,未来的产量差研究重点应包括准确计算各区域主要作物产量潜力上限,明确针对不同产量差计算方法,综合考虑气候、土壤、品种和栽培技术以及社会经济因素,解析产量差限制程度。     

基于APSIM模型的灌溉降低冬小麦产量风险研究

华北平原是我国冬小麦主产区,干旱是影响该地区冬小麦产量稳定的最主要的灾害之一。进行产量风险评估以及如何通过灌溉降低干旱产量风险对于该地区冬小麦稳产高产具有重要的现实意义。该文利用澳大利亚的APSIM农业生产系统模拟模型,以华北平原北京和山东禹城为例,分析了不同降水年型条件下冬小麦的产量风险;通过不同灌溉方案的设计和模拟,分析了不同的灌溉方案在各种年型条件下对降低冬小麦产量风险的作用。结果表明：北京和禹城地区冬小麦生育期内绝大部分年份降水不能满足作物的需水,严重缺水年型出现的频率均在30%左右,两地该年型的平均产量仅为2 445和2 466 kg/hm2,产量风险较高。灌溉对于降低产量风险具有明显的作用,但需根据不同的缺水年型选择适宜的灌溉方案。在兼顾冬小麦稳产高产和提高水分利用效率的前提下,严重和中度缺水年型进行3次补充灌溉,分别为底墒水、拔节水和开花水,而在轻度缺水年型条件下,底墒水和拔节水两次灌溉即可大大降低干旱带来的产量风险,灌水定额为50～70 mm,且随缺水程度的降低和灌溉次数的增加,可以适当减小灌水定额。     

未来气候变化对中国东北三省玉米需水量的影响预测

为了预测未来气候变化对中国东北三省玉米需水量的影响,该文在对中国东北三省近26 a来玉米生育期内参考作物蒸散量变化及玉米需水量分析的基础上,结合《排放情景特别报告》（Special Report on Emissions Scenarios, SRES）的两种排放情景A2（强调经济发展）和B2（强调可持续发展）预估的未来气候情景,研究探讨了未来气候情景下中国东北三省玉米需水量的变化趋势。结果表明,未来气候变化情景下,东北三省玉米需水量距平百分率大多表现为增加的趋势,最高可增加77.8%,而且不同地理环境及气候差异下,各地空间分布上也不尽相同。A2情景下,到2040年玉米需水量距平百分率平均增加27.2%,到2070年玉米需水量距平百分率平均增加34.5%,到2100年玉米需水量距平百分率平均增加42.9%;B2情景下,到2040年玉米需水量距平百分率平均增加28.6%,到2070年玉米需水量距平百分率平均增加33.3%,到2100年玉米需水量距平百分率平均增加37.3%。可见,未来中国东北三省水资源可能更趋于短缺状况。