基于高時空分辨率的氣候變化對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響評估

趙俊芳，孔祥娜, ，姜月清，錢永蘭

1. 中國氣象科學研究院/災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；2. 四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都 611130；3. 國家氣象中心，北京 100081

全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大也是最為嚴重的全球環(huán)境問題，也是 21世紀人類面臨的最復雜的挑戰(zhàn)之一（IPCC，2014；趙俊芳等，2010）。植物地理學家指出，氣候是決定陸地植被類型分布格局及其結(jié)構(gòu)功能特性的最主要因素（宋永昌，2001）。植被氣候生產(chǎn)潛力是指在其他條件均適宜的情況下，自然生長發(fā)育的植被由氣候資源所決定的在單位時間單位面積上由光合作用產(chǎn)生的生物學產(chǎn)量或經(jīng)濟產(chǎn)量（Lieth et al.，1975）。研究植被的氣候生產(chǎn)潛力，不僅能揭示生產(chǎn)力與氣候因素的關(guān)系，預測植被在某一地區(qū)發(fā)展的潛在能力外，還可根據(jù)全球氣候變化的趨勢，預測植被生產(chǎn)力的未來發(fā)展（趙慧穎等，2017）。

全球被劃分為十大農(nóng)區(qū)類型：非洲沙哈拉以南農(nóng)業(yè)區(qū)、北非西亞農(nóng)業(yè)區(qū)、東南亞與南亞農(nóng)業(yè)區(qū)、拉丁美洲農(nóng)業(yè)區(qū)、西歐北歐南歐農(nóng)業(yè)區(qū)、北美農(nóng)業(yè)區(qū)、澳大利亞與新西蘭農(nóng)業(yè)區(qū)、東歐與西伯利亞農(nóng)業(yè)區(qū)、中亞農(nóng)業(yè)區(qū)和東亞農(nóng)業(yè)區(qū)（杜志雄，2015）。氣候變暖背景下，全球各地氣候資源的數(shù)量及匹配變化使得氣候生產(chǎn)潛力等發(fā)生改變，全球糧食生產(chǎn)和食物安全也面臨著越來越嚴峻的考驗。因此，自19世紀60年代以來，在全球變化背景下，全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的時空演變呈現(xiàn)何種特征？這已成為相關(guān)利益主體非常關(guān)注的重大現(xiàn)實問題。目前，國內(nèi)外對氣候生產(chǎn)潛力的評價方法較多，主要的方法有3種，（1）逐級訂正法：環(huán)境因子逐段訂正模型，又稱潛力衰減法，是通過對光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力幾個階段逐步訂正來計算的，如AEZ法（Guo et al.，2015）等。（2）氣候因子綜合法：是一種經(jīng)驗法，這類模式主要有Miami模型（李莉等，2014）、Thornthwaite Memorial模型（張藝萌等，2015）和Chikugo模型（王勝蘭，2008），是利用經(jīng)驗公式來計算氣候生產(chǎn)潛力的一種方法。（3）作物生長過程模擬方法：此類方法是根據(jù)作物光合作用過程、生理生態(tài)特性和外界環(huán)境因子來計算生產(chǎn)潛力的一種方法，常見的有CROPGRO模型（Singh et al.，2017）、EPIC模型（Le et al.，2018）、APSIM模型（Zhao et al.，2017）等。

多年來關(guān)于氣候生產(chǎn)潛力國內(nèi)外開展了大量分析研究（Amare et al.，2018；Mwaura ey al.，2018；趙慧穎等，2017；Guo et al.，2015；李莉等，2014；張藝萌等，2015；王勝蘭，2008；焦翠翠等，2014；鐘章奇等，2015）。如李莉等（2014）根據(jù)中亞 5國100個氣象站1901－2000年月平均溫度和降水資料，應(yīng)用Miami、Thornthwaite Memorial模型對中亞地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進行了計算，結(jié)果表明，1901－2000年中亞地區(qū)大部分區(qū)域的氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，限制氣候生產(chǎn)潛力提高的主要因素是水分。焦翠翠等（2014）應(yīng)用Miami模型模擬了全球森林氣候生產(chǎn)潛力的空間格局，發(fā)現(xiàn)全球森林氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出隨著緯度升高而降低的趨勢，北半球森林氣候生產(chǎn)潛力隨著緯度的升高而顯著降低，南半球森林氣候生產(chǎn)潛力的緯向規(guī)律則不明顯。鐘章奇等（2015）指出 1980年代以來，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力減少的區(qū)域主要集中在胡煥庸線以東的地區(qū)，其中四川盆地和華北平原中部等地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力減少最為明顯；2041－2060年中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力減少的區(qū)域可能主要位于長江以南以及青海中部地區(qū)，其中四川盆地和湖北中南部等地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力下降趨勢最為明顯。

以上各方面的研究均取得了有意義的進展，但從目前的研究情況來看，多是從小尺度范圍內(nèi)進行的分析（趙慧穎等，2017；Guo et al.，2015；李莉等，2014；張藝萌等，2015；王勝蘭，2008；鐘章奇等，2015），迄今為止，在全球尺度上針對氣候變化對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響研究依舊薄弱，遠遠不能滿足全球防災減災、保證糧食安全生產(chǎn)的需求。因此，本研究利用全球高時空分辨率氣象格點資料和氣候生產(chǎn)潛力模型，定量評估1981－2015年氣候變化對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響，以期為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供參考。

1 研究方法和資料

1.1 資料來源

本研究所用的全球降水資料由德國氣象局全球降水氣候中心（global precipitation climatology centre，GPCC）提供，分辨率為0.5°×0.5°；全球溫度數(shù)據(jù)為美國國家海洋和大氣局（NOAA）提供的月平均地面2 m處氣溫數(shù)據(jù)，名稱為GHCN_CAMS（Global Historical Climate Network and Climate Analysis and Monitoring System）Gridded 2 m Temperature（Land），分辨率為 0.5°×0.5°。時間序列均為1981－2015年。

1.2 農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力模型

農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力（agricultural climatic potential productivity）是以氣候條件來估算的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，即在當?shù)刈匀坏墓?、熱、水等氣候因素作用下，假設(shè)作物品種、土壤肥力、栽培技術(shù)和作物群體結(jié)構(gòu)都處于最適狀態(tài)時，單位面積可能達到的最高產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力依光、溫、水條件及其組合狀況的不同而不同，估算時可分別計算光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力。由于氣候生產(chǎn)潛力能比較準確地描述農(nóng)作物在理想氣候狀態(tài)下的最大產(chǎn)量，通過研究氣候生產(chǎn)潛力變化規(guī)律及其主要影響因子，不僅可以反映出全球主要農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力水平與光、溫、水資源配合協(xié)調(diào)的程度及地區(qū)差異，而且對提高土地生產(chǎn)力水平，指導當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

由于受全球尺度農(nóng)作物資料的收集所限，本文采用國際通用的Miami模型計算獲得全球主要農(nóng)區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力。Miami模型是采用世界五大洲可靠的植被凈生產(chǎn)力實測資料和與之相匹配的年均溫度、年平均降水量資料，通過最小二乘法建立凈生產(chǎn)力模型進行模擬（Lieth et al.，1975）。Miami模型從植物的生理生態(tài)角度出發(fā)，指出對植物生長及其生物量形成的主要影響因子是溫度和水分，并通過計算該地區(qū)的年降雨量和年平均氣溫等主要氣候要素來確定植物的氣候生產(chǎn)潛力，計算公式為：

式中，NPPt為由年平均溫度決定的氣候生產(chǎn)潛力（g·m-2·a-1）；NPPr為由年平均降水量決定的氣候生產(chǎn)潛力（g·m-2·a-1）；t 為年平均氣溫（℃），r為年降水量（mm）；3000是Lieth經(jīng)統(tǒng)計得到的地球自然植物每年在單位面積土地上的最高干物質(zhì)產(chǎn)量（kg·hm-2）；NPP為植被氣候生產(chǎn)潛力，根據(jù)Liebig最小因子定律（Lieth et al.，1975）取二者中的較低值作為標準值（g·m-2·a-1）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

全球尺度數(shù)據(jù)由C++編程處理實現(xiàn)，空間圖由ARCGIS軟件實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力時間演變特征與變化趨勢

1981－2015年，全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)較為明顯的增長趨勢（Trend=0.007 t·hm-2·a-1，P＜0.05），在 7.68－8.28 t·hm-2之間波動，平均為7.97 t·hm-2（圖1）。其變異系數(shù)（CV）為1.88%，標準差為 0.15 t·hm-2，波動幅度為 0.60 t·hm-2，占35年平均值的7.49%。其中2000年、2006年、2010年總量相對較大，1982年、1985年、1987年總量相對較小，最大值出現(xiàn)在2010年，為8.28 t·hm-2，最小值出現(xiàn)在1987年，為7.68 t·hm-2。這主要是因為在全球變化背景下，全球主要農(nóng)區(qū)的年平均溫度得到顯著升高，延長了植被生長季，春季植物起始生長的日期提前，秋季落葉期推后，因此氣候生產(chǎn)潛力也得到顯著增加。

圖1 全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年際變化Fig.1 Interannual variations of climatic potential productivity in major agricultural regions of the world

圖2 1981－2015年全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布Fig.2 Spatial distribution characteristics of climatic potential productivity in major agricultural regions of the world from 1981 to 2015

2.2 全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力 5年際和年代際變化

對1981－2015年進行每5年的氣候生產(chǎn)潛力變化分析，結(jié)果表明：全球農(nóng)業(yè)區(qū)在 1981－1985年、1986－1990年、1991－1995年、1996－2000年、2001－2005年、2006－2010年、2011－2015年的年平均氣候生產(chǎn)潛力分別為7.85、7.86、7.90、8.06、7.99、8.13、7.99 t·hm-2。由此可見，20 世紀90年代的后半段以及21世紀00年代的后半段，氣候生產(chǎn)潛力增長明顯，其中20世紀90年代的后半段增加幅度最大（0.16 t·hm-2）。對年代際的變化進行計算，發(fā)現(xiàn)20世紀80年代（1981－1990年）平均氣候生產(chǎn)潛力為7.85 t·hm-2，90年代（1991－2000 年）為 7.98 t·hm-2，21 世紀 00 年代（2001－2010年）為8.06 t·hm-2，21世紀 10年代前半段（2011－2015 年）為 7.99 t·hm-2。

2.3 全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征

從 1981－2015年全球主要農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的平均狀況來看，全球主要農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力空間分布的基本特點是南高北低，高值區(qū)主要集中在東亞、南亞、中亞、西亞、南歐、大洋洲南部、南美洲東部和北美洲南部等地（圖 2）。最高值出現(xiàn)在亞洲東南部，為28.9 t·hm-2。南美洲東部、非洲中部、亞洲南部等地農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力為 10.1－20.0 t·hm-2，北美洲南部、大洋洲南部、亞洲中部、非洲中部等地在5.1 t·hm-2以下。

2.4 氣候變化對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響

由圖3可知，總體上，1981－2015年，氣候變化對亞洲和北美洲農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，對歐洲、南美洲、非洲和大洋洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。35年間，亞洲西南部、中部和北部以及北美洲中部和東南部等地的農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力明顯增加，大部分地區(qū)增加了 0.00－6.00 t·hm-2；亞洲西南部、南美洲巴西南部增加超過9.00 t·hm-2；而歐洲大部分地區(qū)、南美洲北部和東部、非洲中部和南部以及大洋洲大部分地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力明顯減少，變化幅度在-7.99－0.00 t·hm-2之間，部分地區(qū)降幅超過 8.00 t·hm-2。

3 討論

傳統(tǒng)生態(tài)學認為氣候是決定地球上植被分布最主要的因素之一（邵璞等，2011）。全球變暖對農(nóng)業(yè)的影響有利也有弊，它給農(nóng)業(yè)帶來機會的同時也帶來了挑戰(zhàn)。氣候變暖背景下，寒冷季節(jié)將會在一定程度上縮短，溫暖和炎熱季節(jié)將會延長，這有利于改善高緯地區(qū)溫度條件較差的狀況（Morales et al.，2017）。本研究表明，1981－2015年全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈波動上升趨勢，且氣候變暖使得處于歐洲的中部和南部等高緯度農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力明顯增加，研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致（肖國舉等，2007；Li et al.，2017）。本研究還表明，同年際變化相似，1981－2015年期間全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年代際增長也比較明顯，其中 20世紀80年代和20世紀90年代之間的增長最顯著，這與大氣CO2濃度持續(xù)增長和80年代以來全球氣候的異常變暖有密切的關(guān)系，同時，這一年代際增長趨勢與全球部分區(qū)域的模擬結(jié)果也是一致的（李莉等，2014）。這是因為氣候變暖使大氣中的熱量資源增加，有利于促進農(nóng)作物的生長速度，延長作物的生長季，也可以在一定程度上改變作物的種植制度，使作物在一年內(nèi)的種植次數(shù)增加，生產(chǎn)力得到提高。如Li et al.（2017）指出全球植被凈初級生產(chǎn)力在1961－2010年期間呈增加趨勢，且中高緯度增加明顯。然而，對一些干旱、半干旱、季節(jié)性干旱地區(qū)而言，氣候變暖會使該區(qū)水分蒸發(fā)速度加快，加劇了干旱程度，導致作物的生長缺乏足夠的水分；同時也會使一些作物的生育受到強烈抑制，從而限制作物生產(chǎn)，影響大多數(shù)糧食作物的種植和產(chǎn)量。本研究表明，近35年，氣候變化對北美洲美國的東南部和西北部、亞洲東部中國的中部和東南部、南美洲巴西東部等部分地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生不利影響，使得這些地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力明顯減少，當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到威脅。以上結(jié)果與Lewis et al.（2011）及Potter et al.（2012）的研究結(jié)果基本一致，他們認為在一些熱帶地區(qū)如非洲、巴西和巴拉圭等部分地區(qū)植被NPP受到嚴重干旱影響，2005年嚴重干旱使巴西亞馬遜河流域的NPP減少了20 g·m-2（以C計）。

圖3 1981－2015年全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力演變情況Fig.3 Changes in climatic potential productivity of major agricultural regions in the world from 1981 to 2015

高質(zhì)量、高時空分辨率的氣象格點數(shù)據(jù)產(chǎn)品是大氣、氣候、水文、生態(tài)模式所需要的重要輸入?yún)?shù)，也是監(jiān)測和評估模式預報、預測準確性的必要數(shù)據(jù)。由于氣象觀測臺站的空間分布大多不均勻，各觀測臺站的氣象觀測序列長短不一，臺站數(shù)量也有限，導致對全球氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用及全球氣候變化的分析帶來困難。本研究利用高分辨率（0.5°×0.5°）和較長時間序列的全球氣象格點產(chǎn)品能夠更好地刻畫氣候變化背景下全球不同農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的時空演變趨勢。

此外，本研究選取國際上通用的氣候生產(chǎn)潛力Miami模型進行高時空分辨率的全球不同農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力評估，該模型充分考慮了光、溫、水等條件對植被生物量積累的綜合影響，所需參數(shù)較少，便于評估全球大尺度上氣候變化對植物生產(chǎn)力的影響。目前，該模型已經(jīng)成為氣候生態(tài)領(lǐng)域估算陸地生態(tài)系統(tǒng)氣候生產(chǎn)潛力的經(jīng)典模型之一，在不同類型的植被生物量模擬研究中被廣泛應(yīng)用（焦翠翠等，2014），在評估植物的氣候生產(chǎn)潛力、模擬不同類型植被生長、研究陸面生態(tài)系統(tǒng)演變過程與氣候的相互作用和預測生態(tài)環(huán)境的變化等方面起到了極大的促進作用（趙慧穎等，2017）。然而，需要指出的是，該模型為統(tǒng)計模型，它僅考慮了水熱條件對植被生產(chǎn)力的影響，而未考慮植物所處的土壤、地形等條件，同時，模型還未包含表示植物生理生態(tài)學特性的參數(shù)，在實際應(yīng)用中只是植被生產(chǎn)力與氣象因子的簡單回歸，缺乏嚴密的生理、生態(tài)特征及機理支撐依據(jù)。由于尺度擴展而帶來生理與環(huán)境的相互作用的反饋機制的變化異常復雜，故本研究也只是提供一個框架式的分析結(jié)果，在兼顧多方面因素的同時不可避免地忽略了對農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力某一組成部分或影響因素的更為細致的研究，但此類研究仍可在一定程度上反映全球主要農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的大致發(fā)展趨勢和變化范圍，具有一定的現(xiàn)實意義。今后隨著全球尺度作物參數(shù)等精細化數(shù)據(jù)的更新，將會進行更深入的研究。

4 結(jié)論

以全球主要農(nóng)業(yè)區(qū)為研究對象，利用全球高時空分辨率氣象格點資料，應(yīng)用氣候生產(chǎn)潛力模型評估了 1981－2015年氣候變化對全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響，結(jié)果表明：

（1）1981－2015年全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的年際和年代際增長均比較明顯。35年間，全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力在 7.68－8.28 t·hm-2之間波動，平均為7.97 t·hm-2。全球主要農(nóng)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力在20世紀90年代的后半段的增加幅度最大（0.16 t·hm-2），20世紀80年代和20世紀90年代之間的增長最顯著。

（2）全球主要農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力空間分布的基本特點是南高北低，高值區(qū)主要集中在東亞、南亞、中亞、西亞、南歐、大洋洲南部、南美洲東部和北美洲南部等地，最高值出現(xiàn)在亞洲東南部；北美洲南部、大洋洲南部、亞洲中部、非洲中部等地氣候生產(chǎn)潛力較低。

（3）氣候變化對全球農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的影響有利有弊。35年間，亞洲西南部、中部和北部以及北美洲中部和東南部等地的農(nóng)業(yè)區(qū)氣候生產(chǎn)潛力明顯增加，大部分地區(qū)增加了0.00－6.00 t·hm-2，亞洲西南部、南美洲巴西南部增加超過9.00 t·hm-2；而歐洲大部分地區(qū)、南美洲北部和東部、非洲中部和南部以及大洋洲大部分地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力明顯減少，變化幅度在-7.99－0.00 t·hm-2之間，部分地區(qū)降幅超過了 8.00 t·hm-2。