王鶴齡,張 強,王潤元,呂曉東,王 力,張 鐳,齊 月

1 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,中國氣象局干旱氣候變化重點開放實驗室,蘭州 730020 2 蘭州大學大氣科學學院,蘭州 730020 3 甘肅省農業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農業(yè)研究所,蘭州 730070

氣候變化對甘肅省農業(yè)氣候資源和主要作物栽培格局的影響

王鶴齡1,2,*,張 強1,王潤元1,呂曉東3,王 力2,張 鐳2,齊 月1

1 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,中國氣象局干旱氣候變化重點開放實驗室,蘭州 730020 2 蘭州大學大氣科學學院,蘭州 730020 3 甘肅省農業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農業(yè)研究所,蘭州 730070

基于甘肅省80個地面氣象觀測站1961—2014年氣象觀測資料和玉米、春小麥、冬小麥、馬鈴薯的區(qū)劃指標,分1961—1986(時段Ⅰ)和1987—2014年(時段Ⅱ)2個不同時段,分析氣候變化對甘肅省農業(yè)氣候資源變化特征和主要糧食作物潛在栽培格局的影響。研究發(fā)現：時段Ⅱ較時段Ⅰ平均氣溫、負積溫、≥0℃積溫和≥10℃積溫分別增加0.83℃、113.9℃·d、290℃·d和180℃·d,降水量氣候傾向率為-34—16mm/10a,整體表現為減少趨勢。時段Ⅱ較時段Ⅰ春小麥不適宜種植區(qū)面積顯著增加約9%,最適宜、適宜、次適宜種植區(qū)面積分別減少1.4%、4.1%和4.8%,其中以河西走廊和隴中黃土高原變化最為顯著。冬小麥適宜和次適宜種植區(qū)面積分別增加6%和3.4%,最適宜、可種植和不適宜種植區(qū)面積分別減少0.4%、3.5%和5.7%,其中以隴中地區(qū)變化最為顯著。玉米最適宜和可種植區(qū)面積分別增加13%和7%。適宜、次適宜和不適宜種植區(qū)面積分別減少11%、2%和7%,其中以河西灌區(qū)變化最為顯著。馬鈴薯最適宜和適宜種植區(qū)面積分別減少3.8%和0.7%,次適宜和可種植區(qū)面積分別增加3.5%和1.3%,其中以隴中黃土高原變化最為顯著。最后提出適應氣候變化調整農業(yè)結構和栽培格局的對策建議。

氣候變化；農業(yè)氣候資源；栽培格局；甘肅??；對策

全球氣候變化正在深刻影響著人類生存和發(fā)展,氣候變化對農業(yè)生產的影響關系到全球糧食安全,已成為全球氣候變化研究中的熱點之一[1- 5]。分析氣候資源變化特點及其對農業(yè)生產的影響是開展農業(yè)生產氣候應對技術研究的前提與基礎。

近百年來,全球氣候經歷了以全球變暖為主要特征的顯著變化[1- 10]。IPCC第四次評估報告指出,近百年全球平均氣溫升高了0.56—0.92℃,增速為0.13℃/10a[11- 12]。中國地表年平均氣溫升高幅度約為0.5—0.8℃,增溫速率為0.08℃/10a,是全球氣候變暖最顯著的國家之一。近50年的增溫尤其明顯,且溫度升高主要發(fā)生在20世紀80年代中期。干旱半干旱區(qū)變暖強度高于全國平均值,是全球變化的脆弱區(qū)和敏感區(qū),近50年西北地區(qū)氣溫增速為0.33℃/10a,顯著高于全國平均水平[13- 16]。

氣候變化已對我國農業(yè)生產產生了明顯影響,氣候變化對中國農業(yè)生產的潛在影響主要表現為中國未來農業(yè)生產不穩(wěn)定性增加、產量波動大、種植熟制變化大、生長季節(jié)延長等[17- 20]。基于作物適應性的作物氣候區(qū)劃對科學應對氣候變化有非凡的指導作用。因此,綜合利用GIS技術、計算機技術及小網格推算技術等現代科學技術,運用氣候資料及農業(yè)氣候指標進行農業(yè)氣候區(qū)劃、農作物專題氣候區(qū)劃的研究工作逐漸受到重視[21-25]。然而,先前研究中將甘肅地區(qū)作為獨立區(qū)域單元研究其農業(yè)氣候資源變化特征的報道較少,特別是主要作物(玉米、春小麥、冬小麥和馬鈴薯)生長期內的農業(yè)氣候資源變化特征及其對作物生產的可能影響尚鮮有報道。本研究基于甘肅地區(qū)80個氣象臺站1960—2014年的地面觀測資料,依據全球氣候變化特征將1960—2014年劃分為1960—1987年(時段Ⅰ)和1987—2014年(時段Ⅱ)兩個時段[1,26],比較分析熱量、降水等農業(yè)氣候資源的空間分布特征及時間變化趨勢,重點探討農業(yè)氣候資源變化導致的主要作物(玉米、春小麥、冬小麥和馬鈴薯)空間分布特征及其可能影響,以期為制定該地區(qū)農業(yè)氣候應變生產理論與技術對策提供科學參考與依據。

1 研究地區(qū)及資料

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為內陸省份甘肅省,介于32°31′—42°57′N、92°13′—108°46′E,總面積4.537×106km2。甘肅地貌復雜多樣,有山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁分布。地勢自西南向東北傾斜,地形狹長,東西長1655km,南北寬530km。甘肅省氣候干燥,氣溫日較差大,光照充足,太陽輻射強。年平均氣溫為0—14℃,由東南向西北降低；河西走廊年平均氣溫為4—9℃,祁連山區(qū)0—6℃,隴中和隴東分別為5—9℃和7—10℃,甘南1—7℃,隴南9—15℃。年均降水量300mm左右,降水各地差異很大,在42—760mm,自東南向西北減少,降水各季分配不勻,主要集中在6—9月。甘肅省光照充足,光能資源豐富,年日照時數為1700—3300h,自東南向西北增多。從東南到西北包括了北亞熱帶濕潤區(qū)到高寒區(qū)、干旱區(qū)的各種氣候類型。

1.2 資料來源

氣象觀測資料：甘肅省80個地面氣象觀測臺站1961—2014年的日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日降水量資料,月日照時數資料。地理數據：中國氣象局1∶50000地形資料。

2 研究方法

依據全球氣候變化特征將1961—2014年劃分為1961—1987年(時段Ⅰ)和1987—2014年(時段Ⅱ)兩個時段[1,26],比較分析熱量、降水等農業(yè)氣候資源的空間分布特征及時間變化趨勢,重點探討農業(yè)氣候資源變化導致的主要作物(玉米、春小麥、冬小麥和馬鈴薯)空間分布特征及其可能影響。

2.1 篩選栽培區(qū)劃指標

結合甘肅省主要作物春小麥、冬小麥、玉米、馬鈴薯的生物學特性并借鑒前人的研究成果,提出栽培的氣候區(qū)劃指標：春小麥為年平均氣候適宜度、幼穗分化期溫度、灌漿期溫度；冬小麥為冬季負積溫、4—5月降水、6月日照時數和單產水平；河西區(qū)玉米為≥10℃積溫(℃)、抽雄—吐絲期氣溫(℃)、乳熟—成熟期氣溫(℃),河東區(qū)玉米為≥10℃積溫(℃)、4—9月降水(mm)、抽雄—吐絲期氣溫(℃)；馬鈴薯為海拔高度、≥10℃積溫、7月氣溫、6—7月降水[18- 20,27-28]。

2.3 區(qū)劃指標的細網格化

依托GIS技術,在1∶50000數字化地形圖基礎上,采用等值線插值法構建數字高程模型(DEM),應用數理統計方法建立了區(qū)劃指標與經度、緯度和海拔高度的空間分析模型,模型均通過了信度為0.01的顯著性檢驗。數字表達式為:

式中,Q(x,y,xk,yk)為簡單的單值數學面；s為簡單數學面的層數,Ck(k=1,2,…,s)為系數。可以通過運用GIS中CREATEIN和TINLATTICE命令來實現DEM的提取。在DEM的基礎上,建立坡度(Slope)和坡向(Aspect)的模型,并對其進行模擬和計算,其模型的數字表達式.

Aspect=270o+arctan(fy/fx)-90ofx/|fx|

式中,fx為東西方向(x方向)高程變化率；fy是南北方向(y方向)高程變化率。利用空間分析模塊中的SURFACE ANALYSIS 中SLOPE 和ASPECT 命令從數字高程模型中提取出坡度、坡向的柵格圖。綜合前人對四大作物適應性的研究成果[27-28],確定各個區(qū)劃指標等級量化標準,劃分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)、可種植區(qū)、不適宜區(qū)5個等級。運用RECLASSIFY命令,完成綜合區(qū)劃指標的精細化的空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 農業(yè)氣候資源變化特征

3.1.1 年平均氣溫變化特征

由圖1可以看出,受地形因素控制,甘肅年平均溫度大致表現為由西南向東北遞增的趨勢,其中敦煌和隴南大部分地區(qū)年平均氣溫超過10℃,甘南地區(qū)年平均氣溫約5℃。與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ研究區(qū)年平均氣溫平均增加了0.83℃,年均氣溫大于10℃的高值區(qū)面積顯著增加,溫度界限由敦煌延伸至瓜州、肅北,隴南地區(qū)大于10℃的年平均氣溫向西北移動了0.31°,延伸了約32km,而低于4℃的低值區(qū)面積有所減少。1961—2014年的增溫率達0.11—0.45℃/10a,平均為0.33℃/10a,表明研究時段內該區(qū)域年均氣溫整體呈升高趨勢,總體來看河西地區(qū)、黃土高原中部和甘南高原大部分地區(qū)增溫比較明顯,平均增溫率分別為0.36℃/10a、0.38℃/10a和0.42℃/10a,隴南大部分地區(qū)為增溫不顯著區(qū)域,平均增溫率為0.26℃/10a。

圖1 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅年均氣溫的變化特征Fig.1 Changes characteristics of annual mean air temperature in the periodⅠ andⅡ

3.1.2 負積溫的變化特征

由圖2可以看出,甘肅省負積溫的緯向特征明顯,表現為由北向南逐漸增加。兩個時段內,河西地區(qū)的負積溫均小于-600℃,這限制了越冬作物的種植區(qū)域。時段Ⅰ和時段Ⅱ負積溫為-570.71℃和-456.8℃,平均增加了113.9℃。從增加的范圍來看,由隴南山區(qū)向黃土高原中、東部方向擴展,大于-600℃的負積溫帶向北向西分別移動了1.67°和0.87°,分別延伸約181km和88km。

圖2 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅負積溫變化特征Fig.2 Changes characteristics of the negative accumulated temperature in the period Ⅰ and Ⅱ

3.1.3≥0℃積溫的變化特征

1961—2014年,不同時段日均氣溫穩(wěn)定通過0℃期間積溫空間分布趨勢大致自東南向西北,由河川、谷地向高海拔山區(qū)遞減。甘南高原和祁連山區(qū)較小,為1200—2400℃·d；隴南南部及河西走廊西部較大,大部地區(qū)在4000—5500℃·d,局部在5500℃·d以上；其余大部(河西走廊中東部、隴中、隴東、隴南北部)多為2400—4000℃·d。時段Ⅱ較時段Ⅰ平均增加了290℃·d,河西地區(qū)和河東地區(qū)平均增加280℃·d,其中隴中地區(qū)和甘南高原增加120—260℃·d,隴東地區(qū)和隴南地區(qū)平均增加330℃·d。

3.1.4≥10℃積溫的變化特征

≥10℃積溫是衡量高熱量作物能否成熟的重要指標之一。從圖4可以看到,兩個時段內≥10℃積溫表現為“兩頭高,中間低”的分布特點,即河西走廊西北部和隴南地區(qū)高,河西走廊中段和甘南高原較低。時段Ⅰ和時段Ⅱ≥10℃積溫分別為589—4780℃·d和1756—4952℃·d,后一時段較前一時段平均增加180℃·d。與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ河西走廊西北部≥10℃積溫3100—3450℃量級的區(qū)域明顯增加,相應2850—3100℃明顯減少。隴南地區(qū)≥10℃積溫3100—3450℃和2100—2650℃量級的區(qū)域明顯減少。

圖3 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅≥0℃積溫的變化特征Fig.3 Changes characteristics of the ≥0℃ accumulated temperature in the periodⅠ and Ⅱ

圖4 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅≥10℃積溫的變化特征Fig.4 Changes characteristics of the ≥10℃ accumulated temperature in the periodⅠ andⅡ

3.1.5 年降水量的變化特征

由圖5可以看出,甘肅年降水量總體表現為由西北向東南逐漸遞增的規(guī)律,其中酒泉地區(qū)年降水量小于100mm,形成低值區(qū)域。隴南山區(qū)和甘南高原年降水量大于400mm,形成高值區(qū)域。1961—2014年,甘肅年均降水量為413mm,年降水量氣候傾向率為-34—16mm/10a,平均為-6.9mm/10a,整體表現為略減少趨勢。年降水量高值區(qū)顯著縮小,年降水量的氣候傾向率平均為-12.2mm/10a。與之相反,年降水量低值區(qū)表現為略微增加,年降水量的氣候傾向率平均為4.0mm/10a。研究區(qū)時段Ⅰ和時段Ⅱ的年降水量分別為39—805mm和42—721mm,平均分別為425和400mm。時段Ⅰ和時段Ⅱ不同量級降水量的區(qū)域分布特征基本一致,但各量級降雨區(qū)域面積有一定差異。與時段Ⅰ相比,時段Ⅱ降水量200—400mm的區(qū)域向南向東分別移動了0.42°和0.43°,分別延伸了約44km和42km。

圖5 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅年降水量變化特征Fig.5 Changes characteristics of annual mean precipitation in the period Ⅰ and Ⅱ

3.2 主要作物潛在栽培格局時空變化特征

3.2.1 春小麥

從圖6可以看出,氣候變化對甘肅春小麥種植的影響主要表現為不可種植區(qū)面積顯著增加,最宜種植區(qū)、可種植區(qū)面積顯著減少。

春小麥的最適宜區(qū)包括玉門、酒泉、高臺、肅南、張掖、山丹、民樂、永昌、武威、古浪、天祝等縣(市)海拔1800—2300m的沿山和淺山區(qū),時段Ⅰ和時段Ⅱ最適宜種植區(qū)面積分別占總面積的0.4%和1.7%；適宜區(qū)主要分布在河西的玉門、嘉峪關、肅州、甘州、山丹、永昌、涼州等平川綠洲灌溉區(qū)和中部的迭部、宕昌、岷縣等縣、漳縣的西南部地區(qū)、積石山、臨夏縣、臨夏市、和政、廣河、康樂和渭源等縣(市)的河谷、盆地相間的丘陵山地,海拔高度1900—2400m,時段Ⅰ和時段Ⅱ適宜種植區(qū)面積分別占總面積8.8%和4.7%；次適宜區(qū)主要分布在河西的敦煌、安西、玉門、甘州、臨澤、高臺、民勤等延沙漠綠洲灌溉區(qū)以及中部的蘭州、會寧、定西、通渭,東鄉(xiāng)和永靖海拔1500—2450m的地區(qū),隴西、通渭南部、漳縣北部海拔1400—2300m的地區(qū),時段Ⅰ和時段Ⅱ次適宜種植區(qū)面積分別占總面積的20.3%和15.5%；可種植區(qū)主要分布在河西的金塔、玉門、瓜州、敦煌、古浪、天柱等淺山地帶和中部的景泰、靖遠、白銀、皋蘭、永登海拔在1400—1800m的地區(qū),時段Ⅰ和時段Ⅱ可種植區(qū)面積分別占總面積38.8%和40.1%；不可種植區(qū)主要分布在肅南、民樂、天柱等祁連山區(qū)和甘南高原、臨夏州和慶陽部分區(qū)域,時段Ⅰ和時段Ⅱ不可種植區(qū)面積分別占總面積30.4%和39.4%。

3.2.2 冬小麥

從圖7可以看出,氣候變化對甘肅冬小麥種植的影響主要表現為最適宜種植區(qū)面積縮小、適宜次適宜種植區(qū)急劇擴大并且向北擴展、不適宜種植區(qū)縮小的基本特征。

時段Ⅰ最適宜區(qū)主要分布在隴南的兩當、徽縣、成縣、康縣等縣的山間盆地,該地區(qū)屬于溫熱濕潤氣候區(qū),熱量富裕,降水充沛,年降雨量為630—800mm,種植品種以半冬性為主,生產條件較好,氣象災害較輕,單產水平較高,是冬小麥的理想種植區(qū)；時段Ⅱ除徽縣以外其他地區(qū)均變?yōu)檫m宜區(qū),表現為最適宜種植區(qū)面積縮小的趨勢。時段Ⅰ和時段Ⅱ最適宜區(qū)面積分別占總面積1.0%和0.6%。兩個時段相比冬小麥適宜、次適宜區(qū)面積急劇擴大,具體表現為適宜、次適宜種植帶整體北移,時段Ⅰ的次適宜區(qū)在時段Ⅱ均變?yōu)檫m宜種植區(qū),該區(qū)域主要包括正寧、合水、慶陽、西峰、鎮(zhèn)遠、崇信、華亭、莊浪、通渭、臨洮以及沿黃灌區(qū)。時段Ⅰ和時段Ⅱ適宜區(qū)面積分別占總面積9.6%和15.6%,次適宜區(qū)面積分別占總面積6.4%和9.8%。環(huán)縣及其華池北部的大部地區(qū)在時段Ⅰ為可種植區(qū),但在時段Ⅱ期間發(fā)展為次適宜種植區(qū)；另外,景泰南部地區(qū)、靖遠南部、白銀、臨夏、榆中、會寧南部、定西、靜寧已發(fā)展成冬小麥的次適宜種植區(qū)。時段Ⅰ和時段Ⅱ可種植區(qū)面積分別占總面積5.8%和2.3%。隨著冬小麥可種植帶北界的擴展和適宜區(qū)、次適宜區(qū)的擴大,冬小麥不適宜種植區(qū)隨之縮小。目前主要包括隴西、宕昌、岷縣、迭部等縣以西的廣大區(qū)域,甘南和臨夏兩州,蘭州、白銀大部及河西5市的大部分地區(qū),因冬季負積溫小于-600℃無法安全越冬。時段Ⅰ和時段Ⅱ不可種植區(qū)面積分別占總面積77.3%和71.6%。

圖7 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅省冬小麥種植適宜性氣候區(qū)劃圖Fig.7 Climate division map of winter wheat in Gansu Province in the period Ⅰ and Ⅱ

3.2.3 玉米

氣候變化對甘肅玉米種植的影響主要表現為最適宜種植區(qū)和可種植區(qū)面積顯著增加,適宜、次適宜和不適宜種植區(qū)面積顯著減少,變化范圍以河西灌區(qū)和隴中黃土高原地區(qū)最為顯著(圖8)。表1面積統計結果顯示,最適宜和可種植區(qū)面積分別增加13%和7%。適宜、次適宜和不適宜種植區(qū)面積分別減少11%、2%和7%。

圖8 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅省玉米種植適宜性氣候區(qū)劃圖Fig.8 Climate division map of corn in Gansu Province in the period Ⅰ and Ⅱ

在河西內陸河灌溉區(qū),時段Ⅰ玉米的最適宜區(qū)分布在大致包括瓜州東部、金塔、高臺、民勤、武威北部等縣(市)海拔1200—1400m的地區(qū)。時段Ⅱ玉米最適宜種植區(qū)面積和范圍擴大,包括酒泉地區(qū)、張掖地區(qū)和武威地區(qū)大部分地縣。該區(qū)域光熱資源豐富,≥10℃積溫2850—3100℃,抽雄吐絲期和灌漿后期氣溫適宜,籽粒灌漿速度快,灌漿充分,千粒重高,適合中晚熟品種,目前已發(fā)展成為全國重要的玉米制種基地。時段Ⅱ古浪縣中北部和酒泉、張掖、山丹、永昌、武威南部沿山一帶,玉米由不可種植區(qū)向可種植區(qū)轉變,本區(qū)受氣溫升高影響,熱量資源增加,滿足玉米早熟品種在海拔1700—1900m生長的熱量條件,增加了在高海拔地區(qū)種植的可能性。

在隴中黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)區(qū),兩個時段相比較,景泰、靖遠、白銀、蘭州、榆中、皋蘭等縣(市)的可種植區(qū)轉變?yōu)榇芜m宜種植區(qū),在景泰和白銀西部、皋蘭北部、會寧、定西、榆中等縣(市)以及東鄉(xiāng)、永靖的南部海拔1500—2450m的地區(qū)的不適宜區(qū)變?yōu)榭煞N植區(qū)。本帶熱量條件較為適宜,但氣候較為干燥,玉米關鍵需水期降水不足,春末夏初干旱最為突出,是影響產量低而不穩(wěn)的關鍵因素。

在隴南山區(qū)和隴東黃土高原區(qū),兩個時段相比,適宜、次適宜和可種植區(qū)之間存在相互轉變,玉米適生范圍向西擴展,可種植區(qū)面積減少。

3.2.4 馬鈴薯

氣候變化對甘肅馬鈴薯種植的影響主要表現為最適宜區(qū)、適宜區(qū)縮小,次適宜區(qū)和可種植區(qū)擴大,不適宜區(qū)減小(圖9)。

圖9 時段Ⅰ和時段Ⅱ甘肅省馬鈴薯種植適宜性氣候區(qū)劃圖Fig.9 Climate division map of potato in Gansu Province in the period Ⅰ and Ⅱ

時段Ⅰ馬鈴薯最適宜區(qū)主要分布在河西的民樂、山丹、肅南、古浪、天祝、永昌、涼州等地和隴中的渭源、岷縣、臨夏、和政、康樂等地。時段Ⅱ最適宜區(qū)趨于縮小,具體表現在河西的肅南最適宜區(qū)基本消失,民樂、山丹、古浪、天祝、永昌、涼州等地的最適宜區(qū)向高海拔推進且面積縮小,隴中減少的最為明顯,時段Ⅰ和時段Ⅱ馬鈴薯最適宜種植區(qū)面積分別占總面積10.3%和6.6%。

時段Ⅰ馬鈴薯適宜區(qū)包括隴中大部分及河西走廊海拔1700—2000 m的地區(qū),主要分布在河西的玉門、肅州、甘州、民樂、山丹、肅南、涼州、古浪、天祝、永昌等地;隴東南的禮縣、西和、武山、宕昌等地；隴中的定西、隴西、通渭、漳縣、臨洮、迭部、東鄉(xiāng)、永登、廣河、榆中、會寧等地。時段Ⅱ馬鈴薯適宜區(qū)趨于縮小,具體表現在河西的肅南、民樂、山丹、古浪、天祝、永昌、涼州等地的適宜區(qū)向高海拔推進且面積縮?。浑]中減少的不明顯。時段Ⅰ和時段Ⅱ馬鈴薯適宜種植區(qū)面積分別占總面積26.5%和25.8%。

時段Ⅰ馬鈴薯次適宜區(qū)包括平涼、慶陽市和天水市大部分以及河西走廊海拔1300—1700 m的地區(qū),主要分布在隴東南的北道、秦城、清水、莊浪、華亭、秦安、張家川、甘谷、武山的大部分地區(qū)；隴東的慶陽、平涼的大部分縣市；隴中的景泰等地；河西的玉門、酒泉、張掖、高臺、臨澤、武威、民勤、古浪等地。時段Ⅱ馬鈴薯次適宜區(qū)趨于擴大,具體表現在河西的肅南、民勤等地的次適宜區(qū)面積增加,其他地方變化不大。時段Ⅰ和時段Ⅱ馬鈴薯次適宜種植區(qū)面積分別占總面積20.0%和23.5%。

時段Ⅰ馬鈴薯可種植區(qū)包括隴南大部分、天水部分地區(qū)、河西的安敦盆地海拔小于1300 m的地區(qū)以及祁連山區(qū)和甘南高原海拔2600—2900 m地區(qū),主要分布在隴東南的北道、文縣、康縣、武都、徽縣、兩當、成縣等部分地區(qū)；河西的敦煌、安西、金塔、玉門、民勤等地；時段Ⅱ馬鈴薯可種植區(qū)總體擴大,時段Ⅰ和時段Ⅱ馬鈴薯可種植區(qū)面積分別占總面積20.0%和21.3%。

時段Ⅰ馬鈴薯不適宜區(qū)主要分布在海拔大于2900m的甘南高原的大部分和祁連山的中高區(qū),該區(qū)域海拔高、氣溫低、無霜期短,馬鈴薯無法正常生長。但是隨著氣候變暖,高海拔區(qū)逐漸由不適宜區(qū)變?yōu)榭煞N植區(qū)。

表1 時段Ⅰ和時段Ⅱ不同作物適宜種植面積比例變化/%

3.3 不同氣候區(qū)域作物種植格局

河西內陸河灌溉區(qū)受氣候變化影響和水資源因素制約,春小麥在綠洲區(qū)生長受到影響,增加了在高海拔地區(qū)種植的可能性。玉米為喜溫作物,氣候變暖背景下河西內陸河灌溉區(qū)熱量資源增加,玉米籽粒灌漿速度快,千粒重高。包括酒泉地區(qū)、張掖地區(qū)和武威地區(qū)玉米最適宜種植區(qū)面積和范圍擴大,增加了在高海拔(1700—1900m)地區(qū)種植的可能性。馬鈴薯為喜涼作物,氣候變暖對馬鈴薯產生不利影響,河西內陸河灌溉馬鈴薯種植區(qū)最適宜和適宜種植區(qū)范圍均縮小,表現為海拔1700—2000m的平原種植區(qū)幾乎消失,海拔2000—2600m的冷涼淺山種植帶幅寬縮小,但適宜種植高度向高海拔地區(qū)移動。河西灌區(qū)在保證糧食安全的前提下,適當減少春小麥面積,增加玉米面積,穩(wěn)定馬鈴薯面積,擴大經濟作物面積。

隴中、隴東黃土高原區(qū)是典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū),干旱是農業(yè)生產最突出的問題,氣候變化導致春小麥最適宜、適宜和次適宜種植區(qū)面積分別減少1.4%、4.1%和4.8%,可種植和不適宜種植區(qū)面積分別增加1.3%和9%,因此應控制春小麥種植面積。隴中、隴東黃土高原區(qū)冬小麥適生邊界向西向北移動。時段Ⅰ甘肅冬小麥種植北界在合水-慶陽-鎮(zhèn)原-平涼崆峒-華亭-莊浪-靜寧-通渭-隴西-武山-禮縣-宕昌-舟曲一帶,而時段Ⅱ這一界限已經擴展到環(huán)縣、白銀、靖遠、會寧、定西、蘭州、榆中、皋蘭、廣河、臨夏和永靖等縣。氣候變化導致冬小麥適宜和次適宜種植區(qū)面積分別增加6%和3.4%,最適宜、可種植和不適宜種植區(qū)面積分別減少0.4%、3.5%和5.7%。玉米生長期內隴中、隴東黃土高原區(qū)熱量條件較為適宜,玉米關鍵需水期降水不足,產量低而不穩(wěn)。氣候變化對玉米種植的影響主要表現最適宜和可種植區(qū)面積分別增加13%和7%,適宜、次適宜和不適宜種植區(qū)面積分別減少11%、2%和7%。隴中黃土高原是馬鈴薯最適宜和適宜種植的主要區(qū)域,氣候變化對甘肅馬鈴薯種植的影響主要表現為最適宜和適宜種植區(qū)面積分別減少3.8%和0.7%。次適宜和可種植區(qū)面積分別增加3.5%和1.3%。隴中和隴東黃土高原地區(qū)穩(wěn)定冬小麥面積,擴大地膜玉米種植面積面積,發(fā)展豆類、馬鈴薯等抗旱性強的作物,大力發(fā)展地方特色作物。

隴南山區(qū)屬于半濕潤-濕潤氣候區(qū),以雨養(yǎng)農業(yè)為主。在秦嶺以南的白龍江等長江流域區(qū)域,增大林業(yè)的比重,穩(wěn)定冬小麥、擴大玉米和馬鈴薯種植比重,擴大茶葉、桔子、花椒、油橄欖、板栗等特色作物種植面積。在隴上、西秦嶺之間河谷區(qū)以糧食作物為主,穩(wěn)定冬小麥、擴大玉米和冬油菜面積,適當發(fā)展蔬菜和經濟林木。山區(qū)要農林牧并重,建立飼草基地,發(fā)展畜牧業(yè),積極發(fā)展經濟林木和地方特色作物。

圖10 不同時段春小麥、冬小麥、玉米和馬鈴薯種植面積圖Fig.10 Planting area map of spring wheat、winter wheat、corn and potato in the period Ⅰand Ⅱ

4 結論與討論

分析氣候資源變化特點及其對作物栽培格局的潛在影響是開展農業(yè)生產應對氣候變化技術研究的前提與基礎。本文的研究結果顯示,時段Ⅱ較時段Ⅰ平均氣溫增加0.83℃,平均增溫率達0.33℃/10a,表明研究時段內年均氣溫整體呈升高趨勢。時段Ⅰ和時段Ⅱ平均負積溫分別為-570.71℃和-456.8℃,平均增加113.9℃。降水量氣候傾向率為-34—16mm/10a,整體表現為略減少趨勢。時段Ⅰ和時段Ⅱ的年平均降水量分別為425mm和400mm。因此,該地區(qū)農業(yè)氣候資源的變化總體表現為積溫增加、降水量減少、干燥度增加的趨勢。相關研究表明溫度升高會導致發(fā)育速度加快、生育期縮短、產量下降,氣溫每升高1℃,春小麥、冬小麥、玉米和馬鈴薯產量將分別減少10%—17%[29- 30]。氣候變暖將使病蟲害發(fā)生期提前、害蟲死亡率降低、繁殖代數增加,從而使農作物病蟲危害加重[30]。氣候變暖將改變作物的營養(yǎng)品質,導致小麥籽粒中淀粉含量下降、蛋白質含量上升[31]。日照時數的減少也可能會進一步影響光合作用與產量。因此,甘肅省近50a來作物生長期農業(yè)氣候資源的變化對冬、春小麥和馬鈴薯的生產總體來說是不利的,會導致品種生育期縮短、生長期間病蟲危害加劇、產量潛力與產量下降。應當采取逐步推廣應用生育期稍長、抗病蟲、抗高溫能力更強的品種,加強田間栽培管理、構建健康群體等有針對性的適應性措施,以保證產量潛力。而對玉米的生產將產生有利的影響,受氣候變暖影響,熱量資源增加,滿足玉米品種在較高海拔生長的熱量條件,增加了在高海拔地區(qū)種植的可能性。

氣候變化背景下甘肅省農業(yè)氣候資源在空間上具有較大差異性。一些地區(qū)表現為熱量、光照和雨量均同步增加,一些地區(qū)表現為熱量、雨量及光照變化不同步?？傮w來看河西地區(qū)、黃土高原中部和甘南高原大部分地區(qū)增溫比較明顯,平均增溫率分別為0.36℃/10a、0.38℃/10a和0.42℃/10a。大于-600℃的負積溫帶向北、向西分別移動了1.67°和0.87°,分別延伸約181km和88km,河西地區(qū)的負積溫均小于-600℃,這限制了越冬作物的種植區(qū)域。與時段Ⅰ相比, 時段Ⅱ年降水量200—400mm的區(qū)域向南、向東分別移動了0.42°、0.43°,分別延伸約44km和42km。

因氣候變化對農業(yè)氣候資源影響的差別,對作物生產的可能影響以及采取的應對措施也將有所不同,比如河西內陸河灌溉區(qū)受氣溫升高影響和河西水資源因素制約,春小麥在綠洲區(qū)生長受到影響,增加了在高海拔地區(qū)種植的可能性。隴中、隴東黃土高原區(qū)是典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū),氣候變化導致春小麥最適宜、適宜和次適宜種植區(qū)面積分別減少1.4%、4.1%和4.8%,可種植和不適宜種植區(qū)面積分別增加1.3%和9%。該區(qū)域降水顯著減少,干燥度增加,干旱是農業(yè)生產最突出的問題,因此應控制春小麥種植面積。

氣候變化引起的熱量資源的變化導致冬小麥適生邊界向西向北移動。時段Ⅰ甘肅冬小麥種植北界在合水-慶陽-鎮(zhèn)原-平涼崆峒-華亭-莊浪-靜寧-通渭-隴西-武山-禮縣-宕昌-舟曲一帶,而時段Ⅱ這一界限已經擴展到環(huán)縣、白銀、靖遠、會寧、定西、蘭州、榆中、皋蘭、廣河、臨夏和永靖等縣。冬小麥適宜和次適宜種植區(qū)面積分別增加6%和3.4%,最適宜、可種植和不適宜種植區(qū)面積分別減少0.4%、3.5%和5.7%。

玉米為喜溫作物,氣候變暖背景下河西內陸河灌溉區(qū)熱量資源增加,玉米籽粒灌漿速度快,千粒重高。包括酒泉地區(qū)、張掖地區(qū)和武威地區(qū)玉米最適宜種植區(qū)面積和范圍擴大,同時由于受氣溫升高,增加了在高海拔(1700—1900m)地區(qū)種植的可能性。黃土高原區(qū)熱量條件較為適宜,但氣候干燥,玉米關鍵需水期降水不足,產量低而不穩(wěn)。氣候變化對玉米種植的影響主要表現最適宜和可種植區(qū)面積分別增加13%和7%,適宜、次適宜和不適宜種植區(qū)面積分別減少11%、2%和7%,變化范圍以河西灌區(qū)和隴中黃土高原地區(qū)最為顯著。

馬鈴薯為喜涼作物,氣候變暖對馬鈴薯產生不利影響,河西內陸河灌溉馬鈴薯種植區(qū)最適宜和適宜種植區(qū)范圍均縮小,表現為海拔1700—2000m的平原種植區(qū)幾乎消失,海拔2000—2600m的冷涼淺山種植帶幅寬縮小,但適宜種植高度向高海拔地區(qū)移動。隴中黃土高原是馬鈴薯最適宜和適宜種植的主要區(qū)域,受氣候變暖影響,馬鈴薯最適宜和適宜種植區(qū)范圍均顯著縮小?？傮w來看,氣候變化對甘肅馬鈴薯種植的影響主要表現為最適宜和適宜種植區(qū)面積分別減少3.8%和0.7%。次適宜和可種植區(qū)面積分別增加3.5%和1.3%。

適應氣候變化,科學調整作物布局,因地制宜地分區(qū)提出適合不同氣候區(qū)域適宜發(fā)展的優(yōu)勢作物和特色作物,是農業(yè)布局規(guī)劃應對未來氣候變化重要適應對策之一。河西灌區(qū)在保證糧食安全的前提下,適當減少春小麥面積,增加玉米面積,穩(wěn)定馬鈴薯面積,擴大經濟作物面積。隴中和隴東黃土高原地區(qū)穩(wěn)定冬小麥面積,擴大地膜玉米種植面積面積,發(fā)展豆類、馬鈴薯等抗旱性強的作物,大力發(fā)展地方特色作物。隴南河谷川壩區(qū)以糧食為主,適當發(fā)展蔬菜和經濟林木,山區(qū)要農林牧并重,建立飼草基地,發(fā)展畜牧業(yè),積極發(fā)展經濟林木和地方特色作物。

水資源是制約河西灌區(qū)農業(yè)發(fā)展的瓶頸因素,因此,加強高效節(jié)水灌溉技術應用,發(fā)展高效綜合生產配套技術,提高水、肥資源利用率。黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)地區(qū)要創(chuàng)新現代旱作農業(yè)發(fā)展模式,以提高作物抗旱性和水分利用效率為方向,加強主要旱地作物抗旱栽培與耕作技術、抗旱節(jié)水型農作制度、覆蓋栽培、保護性耕作、作物生理生態(tài)、水肥調控、作物抗旱機理及其改善途徑、農田微集水等方面的研究。積極推廣雨養(yǎng)農業(yè)集雨補灌技術,以積極應對氣候變化給農業(yè)帶來的負面影響。

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EffectsofclimatechangeonagroclimaticresourcesandpotentialprimarycroppingpatternsinGansuProvince

WANG Heling1,2,*,ZHANG Qiang1,WANG Runyuan1,LV Xiaodong3,WANG Li2,ZHANG Lei2,QI Yue1

1KeyLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofGansuProvince;KeyOpenLaboratoryofAridClimaticChangeandDisasterReductionofChinaMeteorologicalAdministration,InstituteofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China2CollegeofAtmosphericScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China3InstituteofSoil,FertilizerandWater-SavingAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China

The impacts of climate change on agro climatic resources characteristics were assessed for Gansu Province in Northwest China. The analysis used data from 80 meteorological stations and the regionalization index for maize (Zeamays), spring wheat (Triticumaestivum), winter wheat (Triticumaestivum)and potato (Solanumtuberosum) for the period from 1961 to 2014.The analysis was conducted using two sub periods, 1961—1986 and 1987—2014. Results indicated that the average temperature, the negative accumulated temperature, ≥ 0℃accumulated temperature, and≥10℃accumulated temperature in the first period increased by 0.83℃·d, 113.9℃·d, 290℃·d and 180℃·d, respectively, compared with the second period. The Climatic tendency of rainfall was -34—16mm /10a with a decreasing trend. The resulting cropping patters were mapped using a geographic information system (GIS), Comparing the first period, the unsuitable areas of spring wheat planting increased by 9%, but the optimum, suitable and less suitable areas of spring wheat planting in the second period decreased by 1.4%, 4.1% and 4.8%, respectively, with an even stronger decrease,in the Hexi corridor and the middle regions of the Loess Plateau of Gansu Province. While the suitable and less suitable areas of winter wheat planting increased by 6% and 3.4%in the second period, respectively; however the optimum, cultivable and unsuitable areas were reduced by 0.4%, 3.5% and 5.7%; with an even stronger reduction in the middle regions of the loess plateau of Gansu Province. The optimum and cultivable areas for maize increased by 13% and 7%, in the second periods, respectively; but the suitable, less suitable and unsuitable areas were reduced by 11%,2% and 7%, with an even stronger reduction observed for the Hexi corridor of Gansu Province. The optimum and suitable areas of potato decreased by 3.8% and 0.7%in the second periods, respectively, but the less suitable and cultivable areas increased by 3.5% and 1.3%; with an even larger increase in the middle regions of the Loess Plateau of Gansu Province. The countermeasures of adjusting agricultural structure and crop patterns to adapt to climate changes.

climate change; agro climatic resources; crop patterns; Gansu Province; countermeasures

國家自然科學基金項目(41305134); 國家自然科學重點基金(41630426); 公益性行業(yè)(氣象)科研重大專項(GYHY201506001- 2); 國家重大科學研究計劃(2012CB955304)資助

2016- 06- 24; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangheling1978@126.com

10.5846/stxb201606241240

王鶴齡,張強,王潤元,呂曉東,王力,張鐳,齊月.氣候變化對甘肅省農業(yè)氣候資源和主要作物栽培格局的影響.生態(tài)學報,2017,37(18):6099- 6110.

Wang H L,Zhang Q,Wang R Y,Lü X D,Wang L,Zhang L，Qi Y.Effects of climate change on agro climatic resources and potential primary cropping patterns in Gansu Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6099- 6110.