氣候帶北移及其對中國作物種植制度的影響研究進展

胡延斌，肖國舉，李永平

(1.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程研究院,寧夏 銀川750021；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏 固原 756000)

20世紀(jì)70年代以來，全球氣溫、降水、≥10℃積溫以及無霜期天數(shù)等農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生明顯變化。氣候變暖已經(jīng)對全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響，成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界乃至社會各界關(guān)注的熱點。中國是世界上重要的農(nóng)業(yè)大國，氣候變暖對中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響尤為顯著。近年來，我國諸多學(xué)者就氣候變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響開展了廣泛而深入的研究，成果頗為豐富，從中得出了規(guī)律性的研究，為氣候變化背景下的中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)。筆者就氣候變化對氣候帶北移及其對種植制度的影響展開研究，對近年來諸多研究成果進行梳理，得出區(qū)域共性研究結(jié)論，以期為保障國家糧食安全，積極推進氣候適應(yīng)型農(nóng)業(yè)提供決策依據(jù)[1]。

積溫增加，北半球氣候帶北移，作物可耕種北界北移，多熟制種植面積擴大，復(fù)種指數(shù)提高，作物生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響。因此，系統(tǒng)分析氣候帶北移對作物種植結(jié)構(gòu)的影響，對保障糧食安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實意義[2]。

1 研究區(qū)概況

本文的研究范圍為中國大陸的廣大地區(qū)，依據(jù)氣溫、降雨及海拔高度變化可劃分為東北、西北、華北、華南和青藏地區(qū)5個地理區(qū)域。中國大陸屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，氣溫季節(jié)變化幅度較同緯度其它地區(qū)明顯劇烈，普遍冬季寒冷，夏季高溫。南北跨緯度廣，大部分區(qū)域位于北溫帶，少部分位于熱帶。

2 農(nóng)業(yè)氣候資源變化

2.1 氣溫資源變化特征

氣候變化存在明顯的時空差異，冬、夏半年氣溫增幅顯著，且冬半年較夏半年增溫明顯，夜間較白天增幅較大；東北、西北以及華北地區(qū)增溫幅度在2.5℃～3.0℃之間，明顯高于南方，緯度較高的東北和海拔較高的青藏地區(qū)增溫高達(dá)到4℃[3]。21世紀(jì)末，中低碳排放(RCP4.5)與高碳排放(RCP8.5)兩種排放情景下，東北地區(qū)≥10℃積溫明顯增加，年均增溫達(dá)400 ℃·d和700 ℃·d[4-5]。過去半個世紀(jì)，河西走廊和北疆地區(qū)甚至出現(xiàn)過0.27～0.34 ℃·10a-1的“突變型”升高[6-7]。暖晝夜指數(shù)和生長季長度明顯增加，極端氣溫指數(shù)減少在一定程度上對氣候變暖影響較大。多年連續(xù)氣象數(shù)據(jù)資料顯示，北方地區(qū)極端低溫變率明顯高于南方地區(qū)。東北和華北夜間極端低溫日數(shù)以8～12 d·10a-1的速率快速減少，西北地區(qū)白天極端高溫日數(shù)明顯增多[8]。華北地區(qū)冬季和夏季以0.23℃·10a-1的傾向率呈增暖趨勢，春季氣溫抬升是年均溫升高的主要原因[9]。20世紀(jì)90年代，長江流域平均氣溫增加了0.33℃，21世紀(jì)初的前5年，急劇升溫0.71℃，預(yù)測到21世紀(jì)中期，長江以南地區(qū)增幅低于2.5℃[8，10-11]。西藏地區(qū)極端低溫上升速率達(dá)1.06 ℃·10a-1[12]。各地積溫普遍增加導(dǎo)致氣候帶北移，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)輸入熱量增加。

受溫度和降水變化的共同影響，中國氣候區(qū)出現(xiàn)了較為明顯的水平位置移動和范圍盈縮，溫帶和亞熱帶北界不同程度北移，半濕潤與半干旱分界線東移與南擴[13]，暖溫帶和中溫帶北界北移最大幅度超過1個緯度；北亞熱帶北界越至淮河以北，中亞熱帶北界最大移動幅度超過2個緯度，南亞熱帶北界北移0.5～2.0個緯度[14]。對三江源區(qū)半個世紀(jì)以來的氣象資料分析表明，平均最低氣溫上升速率明顯快于平均氣溫和平均最高氣溫，降水量和降水日數(shù)均呈增加趨勢，說明三江源地區(qū)氣候正在向暖濕化發(fā)展[4]。

2.2 降水資源變化特征

相對于氣溫升高，降水格局也發(fā)生顯著變化。西北中西部和華南地區(qū)降水呈增多趨勢，而東北、華北、西南、以及西北東部降水明顯減少，華北地區(qū)最為明顯。半個世紀(jì)以來，中國北方地區(qū)日降水量大于25 mm以上的日數(shù)以0.2 d·10a-1的速率呈顯著減少趨勢，東北西部降水增加，北部到華北大部極端降水減少，冬夏兩季尤為明顯[8]。西北地區(qū)20世紀(jì)90年代極端降水比早期增加了1倍，21世紀(jì)降水量的增加趨于減緩，但夏秋季降水明顯增加，且內(nèi)部存在明顯的區(qū)域差異[6-7]。長江中下游地區(qū)春季降水減少，秋季趨于增多。旱災(zāi)發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣，是最常見、破壞性最強的自然災(zāi)害[15]。21世紀(jì)，中國持續(xù)性干旱中心由華北逐漸轉(zhuǎn)移至西南地區(qū)，極端干旱頻率以0.0023次·a-1的速率緩慢增加，夏秋兩季最為明顯[16]。西南地區(qū)春秋季節(jié)降水明顯減少，干旱面積擴大，嚴(yán)重制約區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[17]。

近30年來我國農(nóng)業(yè)氣候資源時空格局變化顯著[10]。氣候變化對中國農(nóng)業(yè)氣候資源的影響主要表現(xiàn)在隨著溫度的升高，積溫增加，熱量資源增加。氣候變化類型分為暖濕型、暖干型、冷干型和冷濕型(圖1)。暖濕型面積最為廣泛，包括東北地區(qū)、新疆、青藏高原、長江中下游、內(nèi)蒙古、及華北南部[18]。暖干型主要集中于東北南部、華北中北部、黃土高原西北部及華南沿海部分地區(qū)；冷干型在四川盆地和青藏高原東北部[18]。云貴高原和青藏高原部分地區(qū)呈降溫趨勢，冷濕型分布于四川盆地中部和云貴高原東北部。受地形和小氣候影響，四川盆地中部和云貴高原東北部降水呈不穩(wěn)定的上升趨勢，表現(xiàn)為寒冷濕潤的氣候特征[18]。農(nóng)業(yè)氣候資源的時空變化引起中國氣候帶整體北移，作物多熟制面積擴大，復(fù)種指數(shù)提高，種植結(jié)構(gòu)趨于多元化[10]。

圖1 1971—2000年中國氣候變化類型圖[18]Fig.1 The types of annual climate change in China from 1971 to 2000[18]

3 氣候帶北移對作物種植制度的影響

氣候帶北移對作物種植制度的影響主要表現(xiàn)在種植熟制、布局及品種布局方面，這三者之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別[3]。熟制變化引起作物布局變化，而種植熟制與品種布局往往伴隨作物布局而變化。按照通常的觀點，三個方面各有側(cè)重，種植熟制針對不同的積溫帶，作物布局針對范圍較大的種植區(qū)域，品種布局針對小范圍種植區(qū)域[19]。

3.1 氣候帶北移對作物種植熟制的影響

氣候帶北移對農(nóng)業(yè)的影響表現(xiàn)為春季物候提前，秋季物候推遲，作物生長期相對延長，越冬作物種植北界和多熟制北界明顯北移[20]。半個世紀(jì)以來農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)熱量輸入增加，物候變化顯著，復(fù)種指數(shù)上升，對作物生產(chǎn)影響較大[21]。我國耕地復(fù)種指數(shù)從北向南逐漸增加，西北和東北地區(qū)復(fù)種指數(shù)偏小。丁明軍等[22]研究表明，1999—2013年間我國耕地復(fù)種指數(shù)以年均1.29%的速度呈整體上升趨勢，但存在顯著地域差異。京津冀交界地區(qū)以及成都平原、鄱陽湖平原等地區(qū)復(fù)種指數(shù)顯著降低，隴東、渭河平原、山西西部以及山東半島等地區(qū)的復(fù)種指數(shù)顯著上升[22]?？傮w表現(xiàn)為高原、山地以及熟制過渡帶復(fù)種指數(shù)明顯增加，間作套種模式大面積推廣應(yīng)用[13，22](圖2)。

區(qū)域尺度上，復(fù)種指數(shù)最高的為中部地區(qū)，增長最快的是東北、西北和西南地區(qū)。氣候帶北移，積溫增加，弱冬性作物種植面積擴大，復(fù)種指數(shù)提高。東北地區(qū)暖溫帶范圍擴大、作物種植邊界北移對種植面積和產(chǎn)量的增加都有正向效應(yīng)[4,23]。水稻逐步代替小麥，成為東北地區(qū)重要的糧食作物，未來種植結(jié)構(gòu)將以玉米、大豆和水稻為主。內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)逐漸向多元化種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，玉米、向日葵種植面積擴大，小麥種植面積縮小[24]。氣候帶北移促使我國多熟制界限向高緯度地區(qū)推進，單位面積作物周年產(chǎn)量增加[25]。到21世紀(jì)中期，全國作物種植北界不同程度北移，兩熟制北界將移至目前一熟制地區(qū)的中部，三熟制北界將從長江流域移至黃河流域[13,26]。

注：研究數(shù)據(jù)不包含香港、澳門特區(qū)及臺灣省。Note: The research data does not include Hong Kong, Macau SAR， Taiwan Province.圖2 基于遙感反演的中國耕地復(fù)種指數(shù)空間格局及變化趨勢[22]Fig.2. The spatial pattern and significant inter-annual change of multiple cropping index based on SPOT-NDVI in China

時空尺度上，半個世紀(jì)以來稻、麥等主要糧食作物種植北界北移，為種植結(jié)構(gòu)變化提供了地理空間[27]。熱量資源增加促進了東北地區(qū)和內(nèi)蒙古大興安嶺東南部糧食種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化。玉米和水稻等喜溫作物生長期延長、農(nóng)作物適種面積擴大，復(fù)種指數(shù)增加，播種面積和總產(chǎn)量大幅提升。研究顯示，氣溫每升高1.2℃，黑龍江省水稻、小麥、玉米和大豆分別增產(chǎn)336.8、289.3、541.6、195.8 kg·hm-2[5]。冬小麥種植區(qū)域向北、向西擴展了50～100 km，而且從海拔1 800～1 900 m擴展至2 000～2 100 m，種植面積擴大10%～20%；棉花的適宜種植高度升高100 m左右，面積擴大了10倍，復(fù)種作物適宜區(qū)海拔升高200 m左右，面積擴大4～5倍。兩熟制北移最明顯的是黃河中下游和遼寧等地，三熟制種植北界在長江中下游地區(qū)北移最為顯著[28](表1)。

我們必須認(rèn)識到復(fù)種指數(shù)提高導(dǎo)致有效增加糧食產(chǎn)量的同時耕地肥力下降，淡水資源供需矛盾加劇。若僅考慮水資源狀況，華北地區(qū)耕作制度從一年兩熟改為兩年三熟或一年一熟的種植模式，灌溉用水減少，極大緩解了地區(qū)用水緊張的局面[29]。

3.2 氣候帶北移對作物布局的影響

氣候帶北移顯著影響作物布局，不同地區(qū)和作物差異顯著。東北地區(qū)水稻、玉米和大豆的適宜區(qū)向北、向西擴至大興安嶺附近[5，30]。西北地區(qū)玉米、棉花等喜溫耐旱作物種植面積擴大，冬小麥北界向高緯度和高海拔地區(qū)延伸，春小麥正逐步被冬小麥取代，夏秋作物種植結(jié)構(gòu)明顯改變[31]。華北地區(qū)冬小麥-夏玉米套改平，大大提高糧食總產(chǎn)[19]。南方地區(qū)極端高溫、干旱頻發(fā)，導(dǎo)致水稻種植和產(chǎn)量重心分別向東北方向遷移約230 km和320 km，種植面積由27.3%下降到20.6%，東北地區(qū)水稻播種面積不斷擴大，東南沿海地區(qū)則明顯減少[23]。

受氣候變化的影響，東北地區(qū)種植制度一熟制向北推移了200～300 km，兩熟制和三熟制向北推移500 km[28]。冬小麥-夏玉米穩(wěn)產(chǎn)種植北界明顯北移，鄧振鏞等[32]研究表明，冬小麥向北、向西擴展了50～100 km，而且從海拔1 800～1 900 m擴展至2 000～2 100 m，種植面積擴大10.0%～20.0%；棉花的適宜種植高度升高100 m左右，面積擴大了10倍，復(fù)種作物適宜區(qū)海拔升高200 m左右，面積擴大4～5倍?？傮w來看，兩熟區(qū)和三熟區(qū)平均向西推進0.2個經(jīng)度，向北移動0.2個維度[20，28](表1)。

在水資源滿足情況下，氣候帶北移利于喜溫作物的擴種。氣候變暖后，棉花主產(chǎn)區(qū)由華北和長江中下游擴展至甘肅、新疆等地，種植面積為上世紀(jì)的數(shù)十倍之多，播種期提前，氣候產(chǎn)量增加、品質(zhì)提高[33-35]。目前，新疆已由糧食生產(chǎn)為主的單一作物布局轉(zhuǎn)為以果蔬-棉花為主的多元作物布局[35]。氣候和土地資源的可利用性進一步提高，合理優(yōu)化作物布局，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。

3.3 氣候帶北移對品種布局的影響

作物有效生育期主要受溫度影響，一般日均溫穩(wěn)定通過≥10℃積溫是喜溫作物生育的有效界限[36]。由于積溫增加，作物安全生長期延長，可利用的有效熱量增多，尤其冷季升溫明顯，為晚熟作物延長有效生育期提供了水熱潛在生產(chǎn)能力，對作物產(chǎn)量和種植面積的增加呈正效應(yīng)[37]。但在氣候變暖背景下，我國西北和華北某些缺水地區(qū)若在作物生長期農(nóng)田灌溉用水不足，加之當(dāng)?shù)刈匀唤邓繃?yán)重不足的情況下，致使氣候固有熱量資源與降水季節(jié)不能同步，則使早熟水稻品種、稻產(chǎn)量分別下降14.1%～16.1%，但因地制宜適當(dāng)增加生育期較長的中晚熟品種后，其產(chǎn)量分別增加 17%、23.0%，極早熟和早熟品種的適宜區(qū)逐步被中熟、中晚熟品種代替[30]?；谏鲜稣J(rèn)識，我國東北地區(qū)晚熟品種種植面積逐步向北擴至大興安嶺附近，東線移至三江平原已成為可能[38]。華北平原弱冬性小麥品種將逐漸取代強冬性品種，氣候帶北移使北部地區(qū)種植面積增加，而南部麥-玉兩熟區(qū)可能縮減[39]。東北地區(qū)和北疆春玉米播種期較20世紀(jì)60年代分別提前1～21 d、2～10 d不等[40]。因此，適當(dāng)調(diào)整作物生育期管理、選用中晚熟品種、充分利用熱量資源、尤為必要。

氣候帶北移，作物生長季延長，早熟品種被晚熟品種取代，強冬性品種逐漸被弱冬性品種代替(表1)。為適應(yīng)氣候暖干化，在確保糧食安全的前提下適當(dāng)減少稻麥等高耗水作物，增加玉米、棉花、馬鈴薯等耐旱作物的播種面積[ 41-42]。

表1 氣候帶北移對中國作物種植結(jié)構(gòu)的影響

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

半個世紀(jì)以來，中國冬夏氣溫增幅較春秋顯著；北方增溫幅度明顯高于南方，高緯度和高海拔地區(qū)增溫最為明顯。西北中西部和華南地區(qū)降水增多，而東北、華北、西南、以及西北東部降水明顯減少。農(nóng)業(yè)氣候資源時空格局變化引起氣候帶整體北移。

21世紀(jì)初我國種植結(jié)構(gòu)類型豐富度不斷提高，多元化種植結(jié)構(gòu)逐漸替代單一型種植結(jié)構(gòu)。氣候帶北移對高緯度及高海拔地區(qū)喜溫作物面積的擴大和增產(chǎn)呈正效應(yīng)，而對中低緯度及水分要求較高的作物呈負(fù)效應(yīng)。作物多熟制界限總體向北、向西推進，復(fù)種指數(shù)提高，單位面積周年產(chǎn)量增加，以高緯度地區(qū)尤為明顯。預(yù)計到2050年，兩熟制北界將移至目前一熟制地區(qū)的中部，三熟制的北界將從長江流域移至黃河流域[26]。熱量資源增加，中熟和中晚熟品種種植界限北移，逐漸代替早熟和極早熟品種，強冬性作物逐漸被冬性和弱冬性作物所代替。

4.2 討論與展望

全球氣候變化背景下的氣候變暖是不爭的事實，半個世紀(jì)以來我國經(jīng)歷了高溫、干旱、暖冬等一系列氣候變化。盡管國內(nèi)外專家在氣候變化對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成等方面已經(jīng)做出一些研究，還有許多重大科學(xué)問題亟待研究和解決。建議加強以下幾個方面的重點研究工作：

(1)加強未來氣候變化下極端氣候?qū)ψ魑锷a(chǎn)影響的研究，為不同氣候類型區(qū)提供較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袛?shù)據(jù)和理論支持。依據(jù)不同氣候類型和生態(tài)類型區(qū)的氣溫、降水、積溫、≥10℃天數(shù)、無霜期等農(nóng)業(yè)氣候資源變化，合理規(guī)劃適應(yīng)氣候變化下應(yīng)變型高效種植制度、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為大面積生產(chǎn)示范和推廣提供科技支撐。

(2)加強氣候帶北移地區(qū)對水肥與氣候高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究。利用數(shù)學(xué)模型與模擬試驗研究，綜合考慮水熱、光合、土壤肥力、風(fēng)向等自然因素，加強多因素綜合效應(yīng)研究，提高多因子模型研究的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

(3)中國農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了需要更多依靠科技突破資源環(huán)境約束、實現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的新階段。確保糧食安全戰(zhàn)略下“藏糧于地、藏糧于技”關(guān)鍵技術(shù)措施實施到位，不斷提升農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力[44]。重視應(yīng)對氣候暖干化、旱災(zāi)、洪災(zāi)、低溫凍害等防災(zāi)減災(zāi)能力技術(shù)。依據(jù)氣候帶北移對作物種植制度的影響，積極調(diào)整應(yīng)對策略，發(fā)展區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)，為農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供資源動力。