关键词：气候变化;种植界限;热量资源;水资源;利用效率;产出效率;吉林省 Abstract Crop water and heat resource utilization efficiency changes are the foundations for increasing grain yield potential,realizing sustainable development of agriculture,and optimizing crop distribution and responses to climate change. Based on meteorological and statistical data in Jilin,China from 1993 to 2013,according to three crop accumulated temperature requirements,we divided climate planting boundaries and estimated water and heat resource utilization efficiency in an area expanded by climate warming. From 1993 to 2013,the accumulated temperature zone had an obvious eastward enlargement,climatic planting limits of rice and maize expanded eastward to the Dunhua-Jingyu-Linjiang line,and climatic planting limits of soybean expanded eastward to Changbai. The heat resource utilization efficiency of three crops in the sensitive area was lower than in the non-sensitive area,but the water resource utilization efficiency was higher than that in the non-sensitive area. Meanwhile,crop water and heat resource utilization efficiency in sensitive areas had a significant increasing trend and the average annual growth rate was higher than in the non-sensitive area. The water and heat resources yield efficiency of rice and maize in the sensitive area was higher than in the non-sensitive area,but the yield efficiency of soybean in the sensitive area was lower than that in the non-sensitive area. The conclusions were that climate warming had a positive effect on water and heat resource efficiency in the study area. The study area could appropriately expand the planting area of maize and rice to the east,and the irrigation system and technology should be strengthened to reduce water resource constraints on rice. Local residents should avoid blindly planting grain and soybean in the most eastern region in order to reduce the risk of heat resource constraints.
Keywords：climate change;planting boundary;heat resources;water resources;utilization efficiency;yield efficiency;Jilin Province -->0 PDF (1339KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章 本文引用格式导出EndNoteRisBibtex收藏本文--> 宋梦美, 安萍莉, 江丽, 蔡璐佳, 张哲, 黄灿. 1993-2013年吉林省主粮作物种植布局及其水热资源利用效率评估[J]. , 2017, 39(3): 501-512 https://doi.org/10.18402/resci.2017.03.12 SONGMengmei, ANPingli, JIANGLi, CAILujia, ZHANGZhe, HUANGCan. Cultivation patterns of main grain crops and evaluation of water and heat resource utilization efficiency in Jilin Province from 1993 to 2013[J]. 资源科学, 2017, 39(3): 501-512 https://doi.org/10.18402/resci.2017.03.12
1 引言
IPCC第五次评估报告(AR5)指出:在1880-2012年间全球平均地表温度升高了0.85(0.65~1.06)℃,尤其是地处中国中高纬度的东北地区,对气候变暖极为敏感。近百年来东北地区温度增加1.43℃/100a,是全球增温率的2倍,全国增温率的3倍[1]。增温使作物生长季内热量增加,生长期延长,促使以温度为限制因子的东北地区潜在可被开垦区域扩大,为耕地增长提供了重要的前提条件[2]。不少****都证实气候变暖对东北地区农作物生长产生了深远的影响。贾建英等研究表明,2001-2006年间东北地区不同熟性玉米分布界限显著北移东扩[3]。方修琦等、云雅如等证实,东北地区无霜期的延长,使原水稻种植的次适宜区变为适宜区,原不适宜区部分变为适宜区,一季稻区种植北界已经移至大约52°N的呼玛等地[4,5]。王媛等计算出从20 世纪70年代到90年代气候变暖对黑龙江省水稻单产增加的贡献率为19.5%~24.3%[6]。王晓煜等分析了气候变暖背景下黑龙江水稻的种植区域北移及冷害风险[7]。本研究的切入点:①针对吉林省积温带的空间位移和主粮作物种植区域东移的系统化分析还鲜有研究;②主粮作物种植区域东移后可能会带来热量资源和水资源约束风险,而对于东扩种植区和原主要种植区之间的水、热资源利用效率差异等方面的定量化研究更少;③已有****评估气候变化对单一作物的种植格局及其资源利用,但对于多种作物资源利用效率的系统化研究及其对比分析的报道很少。 气温和降水作为影响吉林省作物分布的主要因素,提高粮食作物的水分和热量资源的利用效率是提高粮食产量,促进农业可持续发展的基础。本研究基于1993-2013年吉林省24个气象站(图1)的气象数据和统计数据,分析气候变暖背景下三种主要作物(水稻、玉米、大豆)种植界限演变趋势,并探究吉林省主粮作物种植区东扩后的水、热资源利用效率及产出效率的时空变化情况,避免种植区域盲目扩大带来的热量资源和水资源约束风险,以期为东北地区作物合理利用水、热资源,挖掘高产潜力,粮食作物的合理布局以及适应未来气候变化提供理论指导。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1研究区域及气象站点分布 -->Figure 1The study area and the distribution of meteorological stations -->
新窗口打开 (1)水热资源利用效率。本文界定的热量资源利用效率(Heat Use Efficiency,简称HUE)和水资源利用效率(Water Use Efficiency,简称WUE)分别反映作物生育期内热量条件和水分条件对作物生长发育的满足程度,拟用温度适宜度函数和水分适宜度函数的计算公式作为利用效率的衡量指标,具体公式如下: (2) 式中 为热量资源利用效率,其值为0~1之间变 化的非对称性抛物线函数; 为作物生长发育对温度条件的反应常数,由作物的三基点温度 、 、 决定; 为生育期内平均温度(℃); 、 、 分别是作物在该时段内的下限温度、上限温度和最适温度(℃)。当 ≤ 时或 ≥ 时,HUE=0;当 = 时,HUE=1。它反映了温度条件从不适宜到适宜及从适宜到不适宜的过渡状态,即热量资源利用效率随气温的升高而增长,到达某一适宜值后,热量资源利用效率随气温快速降低。根据相关文献整理[23-26],水稻、玉米、大豆的三基点温度如表2。 (3) 式中 为水资源利用效率,其值为0~1; 为生育期内降水量(mm); 为作物需水量(mm)。 Table 2 表2 表2吉林省三种作物的三基点温度 Table 2Three base point temperature of three kinds of crops in Jilin Province（℃）
作物
T1
T2
T0
水稻
12.5
33.0
24.0
玉米
11.5
32.0
23.0
大豆
11.0
31.5
22.0
新窗口打开 其中 , 为参考作物蒸散量,使用FAO修订的Penman-Monteith公式(FAO-98)作为计算参考作物蒸散的唯一标准方法; 为同一时段的作物系数。Penman-Monteith公式为: (4) 式中 为参考作物蒸散(mm/d); 为作物表面净辐射(MJ/(m2·d));G为土壤热通量(MJ/(m2·d));T为2m高平均气温(℃); 为2m高处的风速(m/s); 为饱和水汽压(kPa); 为实际的水汽压(kPa);Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率(kPa /℃); 则为干湿表常数(kPa /℃)。 (2)水热资源产出效率。本文界定的热量资源产出效率(Heat Yield Efficiency,简称HYE)和水资源产出效率(Water Yield Efficiency,简称WYE)分别反映热量条件和水分条件对于作物产量形成的贡献,其中热量资源产出效率是指大于10℃积温每1℃在单位土地面积上获得的作物产量,计算式为: (5) 式中HYE为作物的热量资源产出效率(kg/(hm2·℃));Y为单位面积耕地粮食产量(kg/hm2),可用粮食单产与复种指数的乘积表示,吉林省为一年一熟制; 为作物生育期内大于10℃的积温(℃)。 水资源产出效率是指作物消耗单位水量在单位土地面积上获得的作物产量,其计算式为: (6) 式中WYE为作物的水资源产出效率(kg/m3); 为作物需水量或蒸发蒸腾量(mm)。 2.2.3 主粮作物种植敏感区域和非敏感区域的界定 大多数作物在春季气温稳定通过10℃时生长开始活跃,在秋季日平均气温10℃以下时,即使未霜冻也停止生长。≥10℃的活动积温表征了喜温作物生长期的长短和地区热量资源的多寡[27]。根据季生太等、曹萌萌等[28,29]对东北地区积温带划分指标,将吉林省划分为4个积温带,如表3。 Table 3 表3 表3吉林省积温带划分标准 Table 3Accumulated temperature zone division standard in Jilin Province (℃)
积温带指标
第一积温带
第二积温带
第三积温带
第四积温带
≥10℃积温
>2 700
2 500~2 700
2 300~2 500
2 100~2 300
新窗口打开 ≥10℃积温也决定着作物不同品种熟型的布局,水稻、玉米、大豆均为喜温作物,其中水稻和玉米属温暖型作物,大豆属温凉型作物,对热量要求偏低。根据李龙振、马树庆、杨显峰等对东北地区积温与作物产量的相关研究结果[30-32]:水稻和玉米中熟到中晚熟品种播种至成熟需稳定通过10℃积温约为2700~2800℃左右,大豆中晚熟品种需≥10℃积温约为2500~2700℃左右。因种植早熟品种时主粮作物产量较低而且不稳,因此本文主要参考中晚熟品种的种植界限反映主粮作物种植布局在理论上的变化情况,选取>2700℃积温为水稻和玉米的气候种植界限,>2500℃积温为大豆的气候种植界限。同时,本文根据吉林省统计年鉴整理得到,1993-2003年间不同积温带内主粮作物平均单产的实际变化情况,如表4所示,当积温>2700℃时水稻平均单产超过7700kg/hm2,玉米平均单产超过7300kg/hm2;积温>2500℃时大豆单产超过2300kg/hm2,因此在本研究界定的积温标准之下,三种作物都达到了高产水平,这对于挖掘作物高产潜力、提高整个吉林省的粮食产量有重要意义。 Table 4 表4 表4吉林省不同积温带内作物平均单产 Table 4Average yield of crops in different accumulated temperature zones in Jilin Province （kg/hm2）
3.1.1 气候变暖背景下吉林省积温带空间位移 1993-2013年吉林省作物生育期(5月-9月)的≥10℃积温明显增加,20年间积温升高了238.2℃,气候倾向率为50℃/10a。研究区域内≥10℃积温呈明显的经向带状分布,由西向东递减。如图2(见506页)所示,与1993-2003年(时段I)相比,2003-2013年(时段II)各积温带由西向东整体推移,其中,第一积温带向东推移约25km,由蛟河-桦甸-辉南一线扩展到敦化-桦甸-靖宇一线;第二积温带缩小约40km,由敦化-抚松一线向东南方向移动到安图县等地;原第四积温带位于长白县,现已经被第三积温带完全覆盖。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图2吉林省积温带在1993-2003年（时段I）和2003-2013年（时段II）的变化 -->Figure 2Changes of the accumulated temperature zones in Jilin Province from 1993 to 2003 （Period I）and from 2003 to 2013（Period II） -->
3.1.2 吉林省主粮作物气候种植界限演变特征 吉林省水稻、玉米、大豆对热量要求有差异,基于主粮作物生育期内对积温的满足情况,图3(见506页)中分别给出1993-2003年(时段I)和2003-2013年(时段II)水稻、玉米和大豆的气候种植界限的推移情况及两个时段内作物种植敏感区的增加区域。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图3吉林省水稻、玉米和大豆气候种植界限的地理位移 -->Figure 3Geographical shift of rice,maize and soybean climatic planting boundaries in Jilin Province -->
在气候变暖背景下,三种作物的气候种植界限明显东移:1993-2003年(时段I)水稻和玉米的气候种植界限(敏感区)东扩到蛟河-桦甸-辉南-临江一线,大豆气候种植界限(敏感区)东扩到了吉林省的安图、抚松等地;2003-2013年(时段II)水稻和玉米气候种植界限(敏感区)东扩到敦化-靖宇-长白一线,大豆的气候种植界限(敏感区)东扩到了吉林省最东部的长白县,东扩后几乎整个吉林省都满足大豆积温的种植需求。 3.1.3 吉林省主粮作物种植区应对气候变化的实际响应 选取1998年和2008年两个时点对比分析作物种植格局的实际变化情况,分别对应1993-2003年和2003-2013年两个积温变化时段的中点,本文选取1998年和2008年进行对比,如图4(见第506页)和图5(见第507页)所示:与1998年相比,2008年玉米种植区域向东扩展,玉米种植比例超过50%的区域向东扩张到吉林、蛟河等地,种植比例超过80%的区域向东扩张到长春、九台等地,玉米种植面积扩种的区域主要对应2600~3000℃积温带;水稻的种植范围北移西扩,与1998年相比,2008年水稻的种植比例超过20%的区域向北扩张到榆树、德惠等地,向西扩张到前郭、镇赉、双辽等地,水稻面积扩种的区域主要对应2900~3200℃积温带,这也与陈浩等的研究向吻合[33];而由于水稻和玉米的扩种,与1998年相比,2008年大豆的种植范围呈现出北退的趋势,有向冷区扩展的趋势,其主要原因是大豆是喜温且耐凉的作物,潘铁夫等指出在温度偏低的地方,大豆比玉米的适应性强[34],但个别县市敦化、安图等地大豆在三种作物中的种植比例有所增加,超过50%。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图4吉林省作物生育期内等积温线（≥10℃）的空间分布 -->Figure 4The spatial distribution of equal temperature line （≥10℃）in the period of crop growth in Jilin Province -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图51998年、2008年吉林省三种作物种植比例空间变化规律 -->Figure 5Spatial variation of the ratio of planting area of three kinds of crops in Jilin Province in 1998 and 2008 -->
吉林省三种作物种植变化敏感区的温度低于非敏感区,因此主粮作物的种植界限东移后可能存在热量资源和水资源的约束。因此,须深入分析和评估主粮作物种植界限东移后的水热资源利用情况。 3.2.1 主粮作物水热资源利用效率对比 (1)热量资源利用效率。热量资源利用效率能够很好地反映作物对热量条件的满足情况,其值越大,说明作物对热量条件的适宜程度越好。如图6a(见第508页)所示,1993-2013年三种作物敏感区、非敏感区热量资源利用效率均保持增长趋势,且呈现同步变化规律。由于非敏感区热量资源条件优于敏感区,故而非敏感区热量资源利用效率高于敏感区,但从其年际变动幅度来看,敏感区变动幅度显著高于非敏感区。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图61993-2013年敏感区与非敏感区水热资源利用效率时间变化情况 -->Figure 6Time variation of water and heat resources utilization efficiency in sensitive and non-sensitive areas from 1993 to 2013 -->
对比吉林省敏感区和非敏感区内三种作物热量资源利用效率,如表5。三种作物敏感区内热量资源利用效率玉米>水稻>大豆,均值分别为0.96,0.89和0.84。其中,玉米和水稻敏感区热量利用效率均低于非敏感区,但高于吉林省平均水平,说明水稻和玉米气候种植界限东移后的热量资源优势低于原主要种植区,但是依然处于区域内的较高水平;大豆敏感区热量资源利用效率则显著低于非敏感区,且低于吉林省平均水平,主要原因是大豆敏感区位于吉林省最东部,积温较低,存在一定程度的热量资源约束。从三种作物的年均增长率来看,敏感区年均增长率均高于非敏感区,可见气候变暖对主粮作物东扩区域的热量资源利用效率的提高有明显的正效应。因此,从热量资源优化利用的角度,可以适当向东扩展原主粮作物的种植区域,尤其是水稻和玉米。 Table 5 表5 表51993-2013年吉林省敏感区和非敏感区域作物水热资源利用效率 Table 5Water and heat resource utilization efficiency of crops in sensitive and non-sensitive areas in Jilin province from 1993 to 2013
区域
资源利用效率
水稻
玉米
大豆
均值
年均增长率/%
均值
年均增长率/%
均值
年均增长率/%
敏感区
热量资源利用效率
0.89
+0.67
0.96
+0.44
0.84
+0.95
水资源利用效率
0.88
+7.29
1.00
+7.67
1.00
+4.77
非敏感区
热量资源利用效率
0.93
+0.32
0.98
+0.19
0.98
+0.20
水资源利用效率
0.64
+6.34
0.89
+6.13
1.00
+5.89
吉林省
热量资源利用效率
0.87
+0.36
0.94
+0.41
0.92
+0.36
水资源利用效率
0.67
+5.11
0.99
+5.08
1.00
+6.01
新窗口打开 (2)水资源利用效率。水资源利用效率能够很好地反映作物生育期内降水量对需水量的满足程度,其值越大,说明农田水分供求平衡,作物对水分条件的适应性更好。如图6b所示,1993-2013年三种作物敏感区、非敏感区的水资源利用效率均呈现增长趋势,且敏感区水资源利用效率高于非敏感区,主要原因是敏感区降水资源条件优于非敏感区。 对比吉林省敏感区和非敏感区内三种作物水资源利用效率,如表5。只有水稻的水资源效率的均值小于1,由于水稻对灌溉水的要求最高,因此存在一定程度的水资源约束风险,而玉米和大豆的水资源利用率均大于1,基本不受水分约束的限制。其中,水稻敏感区水资源利用效率均值为0.88,显著高于非敏感区的0.64,也高于吉林省平均水平的0.67,由于吉林省中部地区降水量显著高于东部地区,水稻敏感区内水资源优势明显。同时,水稻敏感区年均增长率为7.29%,高于非敏感区的6.34%,说明气候变暖对水稻种植东扩区内水资源利用效率的提高有明显的正效应。因此,从水资源优化利用的角度,若向东扩展主粮作物的种植区域,应加强农田的灌溉系统和灌溉技术,以逐步提升水稻敏感区内的水资源利用效率。 3.2.2 主粮作物水热资源产出效率对比 因作物单产的变化受到气候因素、农业投入等多方面的影响,本研究用SPSS 19的Pearson相关分析探究作物产量变化和气候要素(温度和水分)之间的关系,结果如表6。三种作物生育期内的平均温度和积温与产量都呈现出显著相关,并且积温和作物产量的相关性最高;作物生育期内的需水量和三种作物的产量都显著相关,降水量和作物产量的相关性只有玉米不显著,这说明温度和水分都是影响作物产量变化的主要因素。从不同作物的相关系数来看,气候变暖对水稻的影响最为明显,其次是玉米,大豆的影响最弱,这与Chen C Q等的研究结论一致[36]。 Table 6 表6 表61993-2013年吉林省气候要素与作物产量间的相关关系 Table 6Correlation between climatic factors and crop yield in Jilin Province from 1993 to 2013
作物
5-9月平均气温 /℃
≥10℃ 积温/℃
降水量 /mm
需水量 /mm
水稻
0.382**
0.392**
-0.163**
0.285**
玉米
0.264**
0.271**
-0.058
0.181**
大豆
0.223**
0.216**
-0.096*
0.186**
注: **,* 分别表示在0.01和0.05水平上显著相关。 新窗口打开 本文进一步计算主粮作物水、热资源的土地产出效率,用以反映气候因素(水分和温度)对粮食产量形成的贡献,结果如表7。从不同作物来看,水稻和玉米的水热资源产出效率明显高于大豆,这是由于大豆的单产水平较低(均值为2363.33kg/hm2),与玉米(6866.70kg/hm2)和水稻(7055.19kg/hm2)相比,不具有产出效率优势。薛庆喜认为合理的、科学的轮作制是大豆单产稳步提高的保障[37],但由于大豆单产不高而且经济效益偏低,导致农民种豆积极性不高,吉林省只有很少比例实施玉米、大豆轮作,合理的大豆-玉米轮作不仅可以减少化肥使用,降低生产成本;而且能够培肥地力,改良土壤,提高粮豆产量,对于整个区域资源利用效率的提升和土地资源的可持续利用具有重要意义。 Table 7 表7 表71993-2013年吉林省敏感区和非敏感区域作物水热资源产出效率 Table 7Water and heat resource yield efficiency of crops in sensitive and non-sensitive areas of Jilin Province from 1993 to 2013
本文基于1993-2013年的农业统计资料和地面气象站观测资料,研究了水稻、玉米、大豆种植布局的演变趋势,比较分析了吉林省三种作物种植变化敏感区和非敏感区的水、热资源利用效率和产出效率的时空变化,得出如下主要结论: (1)吉林省积温带发生了明显的东扩,第一积温带向东推移约25km,由蛟河-桦甸-辉南一线扩展到敦化-桦甸-靖宇一线;第二积温带由敦化-抚松一线向东南方向移动到安图县等地;原第四积温带已被第三积温带完全覆盖。水稻和玉米的气候种植界限东扩到敦化-靖宇-临江等吉林省中东部地区,大豆的气候种植界限东扩到了吉林省的长白县。 (2)从水热资源的利用效率来看,三种作物种植变化敏感区内的热量资源利用效率低于非敏感区,但水资源利用效率高于非敏感区。1993-2013年作物敏感区内水热资源利用效率呈现出增长趋势,年均增长率显著高于非敏感区,气候变暖对吉林省资源利用效率的提高表现出明显的正效应。从水热资源优化的角度,可适当增加向东扩展主粮作物的种植面积,尤其是水稻和玉米,但要加强农田的灌溉系统和灌溉技术,以提高水稻的水资源利用效率。 (3)从水热资源的产出效率来看,吉林省水稻和玉米敏感区气温适中且降水较多,水热资源产出效率均高于非敏感区,但大豆敏感区内气温较低而且降水偏少,水热资源产出效率均低于非敏感区。因此水稻和玉米种植区向东扩展将提高水热资源产出效率,但应避免研究区最东部地区如安图、长白等地粮豆的盲目扩种,减少水热资源约束风险。 (4)积温和降水是影响吉林省作物分布的主要气候因素,因此本文只探讨了水资源和热量资源的利用效率及产出效率,未进一步评估作物种植界限东扩后的冷害风险和干旱风险,这也是未来研究的重点。 The authors have declared that no competing interests exist.
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, 安萍莉
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