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GEOGRAPHICAL RESEARCH >

2016 , Vol. 35 >Issue 5: 864 - 874

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201605005

Articles

Spatial-temporal characteristics of maize production potential change under the background of climate change in Northeast China over the past 50 years

  • DU Guoming , 1, 2 ,
  • ZHANG Luyang 1 ,
  • XU Xinliang , 2 ,
  • WANG Jieyong 2
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  • 1. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
  • 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Received date: 2015-10-19

  Request revised date: 2016-03-07

  Online published: 2016-05-10

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《地理研究》编辑部
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Abstract

Using GAEZ (Global Agro-Ecological Zones) model, the agro-climatic constraints, soil, topography and other factors were used to estimate maize production potential in Northeast China during 1961-2010, and the spatial and temporal patterns of maize production potential caused by climate change in this region in the past 50 years were analyzed. Results are shown as follows: (1) The average maize production potential had a larger fluctuation in Northeast China during 1961-2010. The maize production potential increased by 80.00 kg/hm2 per decade in Northeast China in the past 50 years; (2) Frequent changes of the maize production potential took place at the turn of the 20th century due to the changes in climate; (3) Heilongjiang province saw the highest total production potential of maize, namely, the increasing range of maize production potential was the highest, followed by Jilin province, and Liaoning province was the lowest in the past 50 years; (4) The production potential of maize fluctuated dramatically in Heilongjiang in the years of 1961-2010, while Jilin and Liaoning were in a relatively stable state; (5) In the past 50 years, maize suitable planting areas slightly increased in Northeast China, which was mostly found in the northwestern Heilongjiang. Meanwhile, the area with higher production potential increased significantly and showed the trend of northward movement. This study provides a theoretical basis for efficient utilization of climate and land resources and the optimization of maize production distribution.

Key words： climate change; maize; production potential; GAEZ model; Northeast China

Cite this article

DU Guoming , ZHANG Luyang , XU Xinliang , WANG Jieyong . Spatial-temporal characteristics of maize production potential change under the background of climate change in Northeast China over the past 50 years[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2016 , 35(5) : 864 -874 . DOI: 10.11821/dlyj201605005

1 引言

IPCC第5次评估报告指出,1880-2012年全球平均气温升高0.85 ℃[1]。1909-2011年中国陆地区域平均增温0.9~1.5 ℃,当前仍处于百年来气温最高阶段[2]。气候变暖会影响气温、辐射、降水等要素的时空特征,进而改变农作物的生长条件,对农业生产影响深远[3]。一方面,气候变暖促进中国寒温带界线西缩、北移,暖温带北界东段北移,加大部分地区有效积温,一年两熟制、一年三熟制的种植北界呈现不同程度的北移西扩[4,5];另一方面,气候变暖造成病虫害发生世代数增加,导致作物产量降低[6]。因此,客观评价气候变暖对区域作物生产潜力的影响,可以为优化作物布局、提高粮食产量提供科学依据。
1840年德国化学家Justus von Liebig利用最小因子法则定性分析了作物产量对环境因子的响应,被视为作物生产潜力研究的开端[7]。目前,对于生产潜力的研究主要有经验法、统计法和机理法。经验法通过历史数据和数学模型建立因子与生产潜力的关系,从而计算气候生产潜力,操作简单,但准确度不高[8]。统计法数据收集简单,较易实现,但是由于未考虑到生产条件等因素,不能进行长时间序列生产潜力的估算[9]。联合国粮食及农业组织和国际应用系统分析研究所共同开发了农业生态区划（Global Agro-Ecological Zones,GAEZ）模型,GAEZ模型经过不断地完善与改进,已被国内外众多学者应用到农作物生产潜力的估算中,结果有较高的准确性和科研意义。
玉米作为世界性作物,种植范围广、面积大。不仅是人民群众的口粮之一,也是主要的饲料粮,在国民生活与经济中占有颇为重要的位置。东北三省是中国最大的玉米优势种植区,播种面积占全国玉米播种面积的26.6%,玉米年产量约占全国玉米总产量的1/3,稳居全国各区域首位[10]。本文在2010年东北三省耕地分布数据的基础上,利用GAEZ模型,结合气象、土壤、地形等数据估算东北三省玉米生产潜力,进而分析近50年来气候变化影响下的东北玉米生产潜力的时空格局特征,为应对气候变化下的东北三省玉米适应性种植提供科学依据,对调整种植结构布局、促进产量增加、保障国家粮食安全等方面有重要的现实意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

GAEZ模型综合考虑气象、土壤适宜性、耕地利用等多方面的因素,数据包括：1961-2010年东北三省70个气象站点的气象数据,其中气温数据涉及日均温、日最高温度、日最低温度、积温等。降水数据涉及降水量、相对湿度、降水强度、降水变率等。辐射数据来自于东北三省的辐射站点,包括日照时数、有效辐射量等。土壤数据包括土壤质地、土壤肥力、土壤类型、侵蚀强度等属性,来自于中国科学院资源环境科学数据中心（比例尺为1:100万）。地形数据包括坡度和坡向信息（分辨率为30 m）,来源于美国奋进号航天飞机的雷达地形测绘数据（SRTM）。耕地数据包括土地利用结构、土地利用方式、耕地灌溉比例等,其中耕地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心（比例尺为1:10万）,耕地灌溉数据来自于东北三省统计年鉴等。

2.2 研究方法

GAEZ模型采用逐级修正的方式计算作物生产潜力,主要有5个模块：气候数据分析模块、生物量及水分限制生物量计算模块、农业气候限制因子模块、土地适宜性限制因子模块和作物的气候土壤综合生产力评价模块[11,12]。
首先根据玉米的生长参数（叶面积指数、收获指数等）和光照辐射条件计算玉米光合生产潜力;再结合降水和气温条件计算玉米光温生产潜力;考虑土壤水限制条件计算玉米光温水生产潜力;综合分析病虫害、霜冻等农业灾害计算玉米气候生产潜力。同时综合考虑土壤肥力、pH、土壤质地、地貌类型、土壤主要性状指标等信息提取玉米适宜种植区。针对玉米适宜种植区模拟理想的农业生产条件,计算玉米适宜种植区的生产潜力（图1）。
Fig. 1 The diagram of the GAEZ model

图1 GAEZ模型结构图

GAZE模型中作物生产潜力的估算分别考虑雨养和灌溉条件。雨养条件是指有水胁迫条件下作物的生产潜力;灌溉条件是指保障水条件充分,即假设水对玉米生产潜力没有影响。此计算方法与中国实际玉米种植情况相一致,符合农业生产,则玉米总生产潜力计算公式如下：
yiel d total = yiel d rain - fed 1 - i + yiel d irrigated × i （1）
式中： yiel d total 是玉米总生产潜力; yiel d rain - fed 是指雨养条件下的玉米生产潜力; yiel d irrigated 是指灌溉条件下的玉米生产潜力; i 是灌溉面积与总耕地面积的比率（%）。

3 结果分析

3.1 精度验证

为了验证GAEZ模型计算结果的准确性,选取1990-2010年GAEZ模型估算的东北三省玉米生产潜力的21期数据,与《中国统计年鉴》中1990-2010年东北三省玉米平均单产进行对比分析。统计发现：利用GAEZ模型估算的玉米生产潜力与实际单产相差不大（图2a）。其中,21年间估算的平均生产潜力为4734.06 kg/hm2,是实际玉米单产的0.84倍,平均生产潜力与单产之间的波动不大,生产潜力与单产之间的比值介于0.67~1.07之间,标准差为456.79 kg/hm2,由GAEZ模型计算的生产潜力与实际单产相比有一定的系统误差。主要原因包括：① 利用GAEZ模型进行作物生产潜力的估算时主要考虑了气候、土壤、地形等自然条件的因素,而没有考虑农业机械、农药化肥、农艺技术等人为干扰因素条件;② GAEZ模型仅考虑了适宜种植区作物的生产潜力,没考虑由于技术条件、生产方式、农民意愿、作物市场供求关系引发的利益差异以及种植结构布局对其的影响。由图2b可见,21年间东北三省玉米生产潜力与单产的增减变化趋势相似。总之,由GAEZ模型估算的东北三省玉米生产潜力情况基本吻合实际生产,可以进行东北三省玉米生产潜力时空变化研究。
Fig. 2 Relationship between maize production potential and per unit area yield in Northeast China in 1990-2010

图2 1990-2010年东北三省玉米生产潜力与单产之间的关系

3.2 2010年东北三省玉米生产潜力空间分布

利用GAEZ模型计算出2010年东北三省玉米生产潜力,经过ArcGIS和ENVI平台处理得到生产潜力空间分布图（图3）。由图3可见,玉米生产潜力较高的区域主要集中在新民市、北宁市、法库县、辽中县、沈阳市周边、昌图县东部、海城市西部等辽宁省中部地区（辽河平原中部）和部分南部地区;以及榆树市、德惠市、九台市、农安县、公主岭市、梨树县、长春市周边等的吉林省中部地区;与海伦市、望奎县、绥化市、巴彦县、宾县、讷河市、哈尔滨周边等地区的黑龙江省西部（松嫩平原黑土区）;及以友谊县、集贤县、绥滨县、桦川县、同江市、富锦市、宝清县、虎林市、桦南县、依兰县、勃利县部分区域为代表的黑龙江省东部（三江平原）。
Fig. 3 The distribution of maize production potential in Northeast China in 2010

图3 2010年东北三省玉米生产潜力分布

通过ArcGIS软件提取2010年东北三个省份的玉米生产潜力,统计分析得到三个省份玉米生产潜力不同区间值比例构成（表1）,可以看出,黑龙江省玉米生产潜力各区间所占比例较大的是7000~9000 kg/hm2的生产潜力区间,占27.92%;吉林省占比较大的是3000~5000 kg/hm2生产潜力区间,占20.36%;辽宁省占比较大的是1000~3000 kg/hm2生产潜力区间,占比20.73%。结合图3和表1可以看出,相对于吉林省和黑龙江省,辽宁省玉米的适宜种植面积相对比例更高,吉林省和黑龙江省的玉米生产潜力存在较大的区内差异,存在较多的玉米非适宜种植区,例如黑龙江省西北端。这主要是纬度及热量差异所致,东北地区由南向北无霜期逐渐变短、活动积温减少,对喜温作物玉米生长的限制逐渐增加[13]。
Tab. 1 Maize production potential value in different intervals among three provinces in 2010 (%)

表1 2010年三个省份玉米生产潜力不同区间值比例构成（%）

<1000 kg/hm2 1000~3000 kg/hm2 3000~5000 kg/hm2 5000~7000 kg/hm2 7000~9000 kg/hm2 >9000 kg/hm2
黑龙江 11.31 13.36 12.78 17.90 27.92 16.73
吉林 14.47 18.55 20.36 19.59 20.22 6.81
辽宁 17.40 20.73 16.06 17.36 17.05 11.41

3.3 1961-2010年气候变化背景下东北三省玉米生产潜力时空演变

3.3.1 近50年东北三省玉米生产潜力时间变化 分析50年间长时间尺度东北玉米生产潜力演变规律发现,1961-2010年东北玉米平均生产潜力起伏波动较大,在3417.41 kg/hm2和5669.02 kg/hm2之间,标准差为422.96 kg/hm2,50年平均值为4584.74 kg/hm2,以每10年80.00 kg/hm2（y=8.0001x+4380.7,R2=0.076）的线性倾向率增加,如图4所示。
Fig. 4 Changes of average maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图4 1961-2010年东北玉米平均生产潜力变化情况

世界气象组织推荐的Mann-Kendall法（简称M-K法）是一种非参数统计检验方法,也称为无分布检验,适用于非正态分布的数据,常用来检测气候不连续的变化—突变现象[14]。将估算的玉米生产潜力年平均值进行M-K趋势检验分析发现（图5）,1961-2010年东北玉米平均生产潜力总体呈现上升—下降—上升的不显著变化趋势,结点分别为1968和1990年,其中1988年有小幅度的增长趋势。根据显著性水平区间内UF和UB曲线交点可以看出,20世纪末、21世纪初出现较多变化时间点,集中在1997-1999年,2001-2005年,说明该时期是变化比较频繁的时期。研究发现,20世纪90年代东北地区变暖明显,夏季增温幅度有限且不稳定,同时温度偏低现象时有发生,并同时出现高温日数增多等极端异常气候事件;20世纪90年代中后期出现暖干化趋势,并由春季转至夏季,西部和南部比较明显,不利于农作物的生长[15]。同时发现,1998年、2003年东北地区降水量变化频繁,2002年平均气温变化较多[16]。这些因素的变化直接影响作物的生长条件,进而影响作物生产潜力,成为该时期东北地区玉米生产潜力频繁变化的引导因子。
Fig. 5 Mann-Kendall statistics curve of maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图5 1960-2010年东北三省玉米生产潜力的Mann-Kendall统计量曲线

3.3.2 近50年东北三省玉米生产潜力变化的区域差异 1961-2010年东北三个省份玉米的总生产潜力变化趋势相似如图6所示。从数量上看,黑龙江省玉米总生产潜力值远高于其他两省,吉林省和辽宁省玉米总生产潜力值相近。从玉米总生产潜力的增长趋势来看,黑龙江省有较明显的增长趋势,吉林省和辽宁省变化不显著。近50年东北三个省份玉米的平均生产潜力变化趋势如图7所示。就玉米生产潜力平均值而言,黑龙江省>辽宁省>吉林省,这是由省际间气候差异与土壤因素等条件共同决定的,辽宁省所处纬度较低,气温要高于其他两省,适宜玉米这样喜温作物的生长;而黑龙江省黑土广布、土壤肥沃,适宜玉米生长。从平均生产潜力变化的线性拟合曲线来看,三省都有增加的趋势,其中辽宁省的线性回归方程为y=0.668x+4478,R²=0.0008;吉林省的线性回归方程为y=4.7611x+4356.5,R2=0.0316;黑龙江省的回归方程为y=13.417x+4336.9,R2=0.1023（x表示年份,y表示年均生产潜力）。从线性倾向率可以看出,黑龙江省的变化幅度较大,以134.17 kg/(hm2·10a)的速率增长;吉林省的次之,以47.61 kg/(hm2·10a)的速率增长;辽宁省的变化幅度较小,以6.68 kg/(hm2·10a)的速率增长（表2）。说明黑龙江省玉米生长潜力有较高的增长潜力,并明显高于其他两个省份。
Fig. 6 Changes of total maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图6 1961-2010年东北三省玉米总生产潜力变化情况

Fig. 7 Changes of average maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图7 1961-2010年东北三省玉米平均生产潜力变化情况

Tab. 2 Relevant statistical indicators value

表2 相关统计指标数值

总生产潜力变化幅度（104t/10a） 年均生产潜力平均值（kg/hm2） 平均生产潜力变化幅度（kg/(hm2·10a)）
黑龙江 5457.6 4679.02 134.17
吉林 934.34 4477.94 47.61
辽宁 54.64 4495.02 6.68
以1961-2010年东北三省玉米年均生产潜力为研究对象,运用Hodrick-Prescott Filter（H-P滤波法）进行东北三个省份玉米生产潜力的波动性观测（平滑参数λ取100）,得到吉林省、辽宁省、黑龙江省玉米年均生产潜力的长期趋势曲线（图8）。此外,利用波动指数来反映近50年来东北三个省份玉米生产潜力的波动情况。其计算公式为：
I t = Y t - Y ^ t / Y ^ t × 100 % （2）
式中： Yt为t年实际玉米生产潜力; Y ^ t 为t年玉米生产潜力的趋势值; Y t - Y ^ t 为玉米生产潜力剔除长期趋势后的绝对波动,即t年实际玉米生产潜力对长期趋势的绝对偏差;It表示玉米生产潜力在剔除趋势值后相对于长期趋势的波动程度。
Fig. 8 Long-term trend curve of maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图8 1961-2010年东北三省玉米生产潜力长期趋势曲线

综合图8和图9发现,近50年来,辽宁省玉米生产潜力的变化幅度不大,相对而言较为稳定;吉林省除了20世纪60年代有下降趋势外,其余时段均呈现上升的趋势,只是幅度不同;而黑龙江省玉米生产潜力的波动较为剧烈,20世纪60年代有较大的下降趋势,20世纪70年代变化缓慢,没有明显变化趋势,20世纪80年代呈现增加趋势,速率由快到慢转变,并于1982年开始逐渐高于其他两省,并且差距逐渐拉大,20世纪90年代又到了一个缓和期,生产潜力没有明显变化趋势,而21世纪00年代生产潜力呈明显上升趋势,速率较大。三省玉米年均生产潜力的增长幅度黑龙江省>吉林省>辽宁省,与上文线性回归得到的结果相吻合。
Fig. 9 Maize production potential fluctuation index of Northeast China in 1961-2010

图9 1961-2010年东北三省玉米生产潜力波动指数

从1961年、1970年、1980年、1990年、2000年和2010年东北三省玉米生产潜力分布情况（图10）可知：① 1961-1970年,在黑龙江省西北部有部分区域（松嫩平原北部）从玉米非适宜种植区蜕变成了玉米适宜种植区,但生产潜力不高;② 东北三省玉米生产潜力较高的区域主要集中在辽宁省中部,吉林省中西部,黑龙江省中西部和东部地区,主要体现在东北三省的辽河平原、松嫩平原黑土区和三江平原上;③ 1961-2010年,就东北三省玉米而言,高生产潜力区域明显增多,呈现出由南向北、由西向东演变的趋势,已延伸至黑龙江省西南部（松嫩平原东部）和中东部区域（三江平原）。
Fig. 10 The distribution of maize production potential in Northeast China in 1961-2010

图10 1961年、1970年、1980年、1990年、2000年、2010年东北三省玉米生产潜力分布图

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）1961-2010年,东北玉米平均生产潜力起伏波动较大,50年平均值为4584.74 kg/hm2,标准差为422.96 kg/hm2,以每10年80.00 kg/hm2的线性倾向率增加。
（2）通过Mann-Kendall趋势检验法分析发现,1961-2010年整体呈现不显著增加趋势,20世纪末、21世纪初是变化比较频繁的时期。
（3）50年间黑龙江省玉米生产潜力总值较高,年均玉米生产潜力平均值黑龙江省（4679.02 kg/hm2）>辽宁省（4495.02 kg/hm2）>吉林省（4477.94 kg/hm2）,增长幅度黑龙江省（134.17 kg/(hm2·10a)）>吉林省（47.61 kg/(hm2·10a)）>辽宁省（6.68 kg/(hm2·10a)）,说明黑龙江省玉米生长潜力有较高的增长潜力。
（4）近50年来,辽宁省玉米生产潜力的变化幅度不大,相对而言较为稳定;吉林省除了20世纪60年代有下降趋势外,其余时段均呈现上升的趋势,上升幅度不同;而黑龙江省玉米生产潜力的波动较为剧烈,但整体呈现上升趋势,并与其他两省差距较大。
（5）近50年东北玉米适宜种植区有所增加,主要体现在黑龙江省西北地区（松嫩平原北部）,高生产潜力区域增加显著,呈现北移东扩趋势（松嫩平原东部和三江平原）。

4.2 讨论

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,雨养产量的不稳定性较大[17,18]。1951-2010年,黑龙江、东北及全国年平均气温呈线性增加趋势,其中黑龙江的升温速率0.37 ℃/10a,远高于东北0.33 ℃/10a和全国0.22 ℃/10a的升温速率[19]。1961-2010年间东北大部分地区的降水强度增量贡献小于降水日数[20]。可见东北地区玉米生产潜力的增加趋势与气温变化趋势吻合,与降水趋势有一定差异,分析东北地区玉米生产潜力主要受温度的影响,温度与玉米生产潜力成正相关,玉米生产潜力的增长幅度与温度增长幅度有较好的一致性。本文的研究成果对合理安排玉米生产布局,高效利用气候和土地资源,实现玉米稳产高产具有一定指导意义。
但是由于没有考虑农业机械、政府政策导向等人为干扰因素条件以及技术措施、生产方式、农民意愿、作物市场供求关系引发的利益差异和种植结构布局对其的影响导致GAEZ模型计算的生产潜力与实际单产相比存在一定的系统误差。此外,根据GAEZ模型计算玉米灌溉条件下的生产潜力时,假定没有水胁迫,这与真实种植情况有些偏差,会对玉米生产潜力的结果产生影响。未来的研究可以结合社会经济因素和自然因素来分析玉米生产潜力,还应推进气候变化背景下玉米的适应性种植研究,从而优化玉米种植布局以应对气候变化,提高粮食产量,保障国家粮食安全。
在气候变暖、玉米生产潜力增加的背景下,东北三省特别是黑龙江省近年来玉米种植面积不断扩大、种植范围不断北移[21],验证了本文研究结论的合理性。但玉米种植范围扩大、大豆等其他作物种植范围萎缩,导致东北地区尤其是松嫩平原旱作区的种植业结构年益单一,严重影响了该区域的生物多样性,导致土壤肥力下降[22,23]。另外,东北三省尤其是黑龙江省玉米生产潜力较大的年际波动性说明玉米生产的风险较大,也凸显了农业基础设施建设的必要性。因此,今后在气候变暖背景下合理构建轮作制度、划分轮作区域、加强农业基础设施建设,是实现该区域土地资源可持续利用与农业可持续发展的关键。

The authors have declared that no competing interests exist.

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卞娟娟, 郝志新, 郑景云, 等. 1951-2010年中国主要气候区划界线的移动. 地理研究, 2013, 32(7): 1179-1187.根据采用同一区划方法、指标体系划分的1951-1980 年及1981-2010 年中国气候区划结果,对比分析了过去60 年中国气候区划的主要界线变化特征。结果表明：1951-1980 年至1981-2010 年,我国寒温带界线西缩、北移;暖温带北界东段北移,其中最大北移幅度超过1个纬度;北亚热带北界东段平均北移1 个纬度以上,并越过淮河一线;中亚热带北界中段从江汉平原南沿移至了江汉平原北部,最大移动幅度达2 个纬度;南亚热带北界西段北移0.5~2 个纬度;青藏高原亚寒带范围缩小,高原温带范围增加。东北湿润、半湿润区虽转干与趋湿并存,但其中温带地区的湿润&mdash;半湿润东界东移,大兴安岭中部与南部的半湿润&mdash;半干旱界线北扩;其他地区的干湿分界线虽未出现明显移动,但北方半干旱及华北半湿润区总体转干,河西走廊、新疆及青藏高原的干旱、半干旱区总体转湿;而南方湿润区则趋干与转湿并存。

[Bian Juanjuan, Hao Zhixin, Zheng Jingyun, et al.The shift on boundary of climate regionalization in China from 1951 to 2010. Geographical Research, 2013, 32(7): 1179-1187.]

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李祎君, 王春乙, 赵蓓, 等. 气候变化对中国农业气象灾害与病虫害的影响. 农业工程学报, 2010, 26(S1): 263-271.在前人研究的基础上结合中国统计局《中国农业统计年鉴》1978-2007年主要农业气象灾害成灾面积、经济损失等资料与全国气象站点气象要素资料,总结了气候变化对我国农业气象灾害发生发展的影响,各类农业病虫害由于气候变暖特别是暖冬出现的新的变化发展趋势。结果表明,在已有气候变暖的影响下,绝大部分农业气象灾害危害加重、发生频繁,特别是极端气候事件发生频率加大,极大的威胁着中国粮食生产的安全。气候变化对农业病虫害的影响也是如此,气候变暖造成病虫害发生世代数增加,危害范围扩大,为害程度加重,给农业病虫害的综合防治带来困难。未来农业气象灾害、病虫害会更加频繁,使农业生产的不稳定性加大,应予以积极应对。

[Li Yijun, Wang Chunyi, Zhao Bei, et al.Effects of climate change on agricultural meteorological disaster and crop insects diseases. Transactions of the CSAE, 2010, 26(S1): 263-271.]

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奥德姆. 生态学基础. 北京: 人民教育出版社, 1981.

[Odum E P. Ecology Foundation.Beijing: Renmin Education Press, 1981.]

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杨重一, 庞士力, 孙彦坤. 作物生产潜力研究现状与趋势. 东北农业大学学报, 2008, 39(7): 140-144.文章介绍了作物生产潜力的概念、研究历史、发展现状及一些常用的生产潜力估算方法,并认为作物动态生长模型与3S的结合将成为研究作物生产潜力的发展方向。

DOI

[Yang Zhongyi, Pang Shili, Sun Yankun.Current status and trend of crop potential productivity. Journal of Northeast Agricultural University, 2008, 39(7): 140-144.]

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段增强, 宋静, 黄秀兰, 等. 耕地粮食生产能力估算模型研究进展. 东北农业大学学报, 2012, 43(8): 139-144.粮食生产能力估算模型是研究粮 食生产能力的科学手段之一,是分析当前及今后粮食生产能力的必要手段。文章总结了国内外近几十年来用于耕地粮食生产能力估算的模型,分析了以机理性模型、 统计模型及综合模型为代表的三类耕地粮食生产能力模型的研究脉络,并针对这几类模型的适用范围及国内外应用情况进行对比分析。结果表明,综合模型充分利用 机理性模型、统计模型特点,取长补短,为目前较为有效、准确的估算耕地粮食生产能力。但通过对已有模型的研究可以发现这些模型仍存在一些问题,该类模型应 该向着多方法、多角度交叉,社会因素结合自然因素及多种模型综合发展的方向继续改进,逐步加强研究方法的更新和研究成果的应用推广。

DOI

[Duan Zengqiang, Song Jing, Huang Xiulan, et al.Study on the models of cultivated grain production capacity. Journal of Northeast Agricultural University, 2012, 43(8): 139-144.]

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马树庆, 王琪, 罗新兰. 基于分期播种的气候变化对东北地区玉米(Zea mays)生长发育和产量的影响. 生态学报, 2008, 28(5): 2131-2139.利用在东北地区中部开展玉米(Zea&nbsp;mays)分期播种试验资料，分析气候变化对玉米出苗速度、生长发育速度、灌浆过程、植株干物质积累和产量的影响，进而分析未来气候变化对东北地区玉米生产的影响及适应性对策。结果表明，气候变化对玉米生长发育和产量的影响十分明显，在水分基本适宜的条件下，东北地区气候变暖导致玉米生长季气温升高、积温增加，使玉米生长发育和灌浆速度加快，生物量增加，从而提高单产。但气候变暖的同时，气候变干会限制热量资源的利用，将缩短玉米灌浆时间，降低灌浆速率，使千粒重下降，从而造成明显减产，而且减产幅度明显大于温度升高的增产幅度。在水分条件基本得到满足的条件下，未来夏半年气候变暖对东北地区玉米生产是有利的，偏晚熟玉米品种比例可以适当扩大，东北玉米带可以向北部和东部扩展，单产和总产都会增加；但如果水分得不到满足，气候的暖干化趋势会使东北地区的中、西部玉米主产区的农业干旱变得更加严重且频繁，造成产量下降和不稳定，给玉米生产带来严重威胁，因而更应加强农业干旱的综合防御工作。

[Ma Shuqing, Wang Qi, Luo Xinlan.Effect of climate change on maize (Zea mays) growth and yield based on stage sowing. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(5): 2131-2139.]

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Fischer G, Sun L X.Model based analysis of future land-use development in China. Agriculture Ecosystems & Environment, 2001, 85(1/3): 163-176.The recognition that land-use changes are directly linked with economic decisions has led the land use change (LUC) project at the International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) to adopt an economic framework as the organizing principle of its modeling efforts. This paper discusses three complementary approaches used for analyzing and projecting regional land use in China. First, an enhanced agro-ecological zones (AEZ) assessment model provides a spatially explicit measure of production potentials for agricultural land uses. Next, land-use change scenarios are assessed with an extended input–output model of China’s economy. Finally, we indicate how land-use policy alternatives can adequately be analyzed in a multi-region economic framework using optimization when an AEZ-based representation of climate and biophysical conditions is incorporated in the model specification. The analysis makes a strong appeal for sustaining efforts that can furnish rapid technological progress in land-based sectors, and it suggests that an increase of grain imports to about 10–15% of China’s current total grain output would greatly reduce the pressure on cropland and water resources, especially in the northern half of the country.

DOI

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Fischer G, Shah M, van Velthuizen H, et al. Agro-ecological zones assessments: Land use and land cover. In: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the Auspices of the UNESCO. Oxford, UK: Eolss Publishers, 2006.

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纪瑞鹏, 张玉书, 姜丽霞, 等. 气候变化对东北地区玉米生产的影响. 地理研究, 2012, 31(2): 290-298.利用气象观测数据、玉米产量及面积资料,分析了东北地区气候变化事实及对玉米生产的影响。研究表明:1971年以来,东北地区&ge;10℃积温增加了262.8℃,&ge;10℃积温带(以2700℃为例)平原区向北推进了约200～300km左右,向东扩展50～150km。1991年开始玉米生长季(4～9月)降水量持续减少,年平均水分亏缺量达391.5mm,湿润区缩小,有变干趋势。初霜日推后7～9天,无霜期延长了14～21天,霜冻灾害几率降低。20世纪90年代后,玉米延迟型冷害进入低发期。随着热量资源的增加,玉米可种植区范围不断扩大,种植北界北移东扩,玉米适播起始时间提前。玉米总产、播种面积增加趋势分别为967万t/10a、72万hm2/10a。未来40年东北地区玉米产量以减产为主,与过去30年(1961～1990年)相比平均减产9.5%左右。调整玉米种植布局和品种搭配,依靠水利工程和推广旱作农业技术,选种耐旱、抗病、抗逆性强的玉米品种,是实现东北玉米生产可持续发展的主要措施。

[Ji Ruipeng, Zhang Yushu, Jiang Lixia, et al.Effect of climate change on maize production in Northeast China. Geographical Research, 2012, 31(2): 290-298.]

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魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术. 北京: 气象出版社, 2007.

[Wei Fengying.Modern Climate Statistics Diagnosis and Prediction. Beijing: China Meteorological Press, 2007.]

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王石立, 庄立伟, 王馥棠. 近20年气候变暖对东北农业生产水热条件影响的研究, 应用气象学报, 2003, 14(2): 152-164.针对东北气候变化影响研究中对 增温正效应关注较多 ,而对水热匹配等综合影响研究不够的情况 ,利用东北地区 1 961～ 2 0 0 0年 56个气象站的气象资料 ,对近 2 0年东北气候变暖的特点 ,温度升高的同时大气干湿程度及水热匹配状况的变化等相关现象进行了较详细的分析。提出东北气候变暖主要表现于冬季 ,2 0世纪 90年代变暖明显 ,南部大于北部 ;夏季增温幅度有限 ,不很稳定 ,仍时有温度偏低发生 ,并同时出现高温日数增多等极端异常气候事件 ;最低温度升高幅度大于最高温度的升高幅度 ,导致温度日较差变小 ,冬季更加明显 ;大气水分盈亏状况和水热状况在 1 0年时间尺度上没有明显的变化 ,但 2 0世纪 90年代中后期出现暖干化趋势 ,并由春季转至夏季 ,西部和南部比较明显 ,对农作物不利等结论。为克服盲目性 ,客观评估东北气候变化及其影响 ,正确进行农业布局和种植结构调整提供一定的科学依据

DOI

[Wang Shili, Zhuang Liwei, Wang Futang.Impacts of climate warming on thermal and moisture conditions in Northeast China in recent 20 years. Journal of Applied Meteorological Science, 2003, 14(2): 152-164.]

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贺伟, 布仁仓, 熊在平, 等. 1961-2005年东北地区气温和降水变化趋势. 生态学报, 2013, 33(2): 0519-0531.利用东北地区96个气象站1961—2005年的日平均气温和日降水量资料,采用线性倾向率法,累积距平法,Mann-Kendall法和Morlet小波分析等方法,对东北地区近45年来的气候变化和突变现象进行了研究。结果表明:近45年来,东北地区年平均气温变化在2.45—5.72℃之间,年均温呈现显著上升趋势,气候倾向率为0.38℃/10 a(P0.05),1981—1990年为降水最多的年代,1982—1983年间发生了降水量由少到多的突变。四季降水量变化呈现不同的趋势,其中春季和冬季降水量呈现增多的趋势,夏季和秋季降水量呈现减少的趋势。降水量减少较明显的地区为辽东半岛和长白山南段,降水量增多较明显的地区为大兴安岭北部和松嫩平原。Morlet小波分析结果表明,东北地区年平均气温存在11 a的强显著周期,此外还有24 a和6 a尺度的变化周期;东北地区年降水量存在16 a的强显著周期和6 a的小尺度变化周期。通过以上分析,近45 a东北地区总体气候呈现明显暖干化趋势。

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[He Wei, Bu Rencang, Xiong Zaiping, et al.Characteristics of temperature and precipitation in Northeastern China from 1961 to 2005. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(2): 0519-0531.]

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刘博, 杨晓光, 王式功. 东北地区主要粮食作物气候生产潜力估算与分析. 吉林农业科学, 2012, 37(3): 57-60.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。

DOI

[Liu Bo, Yang Xiaoguang, Wang Shigong.Calculation and analysis of climate productive potential of major grain crops in Northeast China. Journal of Jilin Agricultural Sciences, 2012, 37(3): 57-60.]

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王静, 杨晓光, 吕硕, 等. 黑龙江省春玉米产量潜力及产量差的时空分布特征. 中国农业科学, 2012, 45(10): 1914-1925.【目的】研究黑龙江省春玉米不同水平产量潜力及各级产量潜力之间产量差的时空分布特征，分析研究区域制约春玉米生产的限制因素。【方法】以黑龙江省春玉米种植区为研究区域，利用当地气候资料、作物生育期、栽培管理措施和土壤资料，使用区域尺度验证后的农业生产系统模型（APSIM），分析研究区域春玉米1981&mdash;2010年不同水平产量潜力，明确春玉米产量潜力及各级产量差的时空分布特征。【结果】研究区域内春玉米产量潜力与玉米生长季内日照时数分布趋势一致，西部高于东部，产量潜力年际变化趋势有增有减；春玉米雨养产量分布特征与生长季降水量分布特征相似，表现为中部高于东西部的趋势，降水量愈少的地区，雨养产量低且稳产性愈差；最近30年研究区域82%的站点雨养产量呈下降趋势，雨养产量的不稳定性远高于产量潜力的不稳定性，气候土壤生产力区域特征为西部齐齐哈尔和绥化地区最低。近30年因降水变化造成的产量差呈增加趋势，表明生长季干旱发生风险加大。【结论】降水是制约黑龙江省西部玉米产量的主要因素，可通过灌溉提高产量；中部伊春地区、通河地区和牡丹江地区，水分不是限制春玉米产量的因素，提高产量的途径是改良土壤条件及优化栽培管理措施；在雨养条件下，东部的三江平原通过改良土壤物理性状，可提高产量16%&mdash;22%。

DOI

[Wang Jing, Yang Xiaoguang, Lv Shuo, et al.Spatial-temporal characteristics of potential yields and yield gaps of spring maize in Heilongjiang province. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(10): 1914-1925.]

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周秀杰, 王凤玲, 吴玉影, 等. 近60年来黑龙江与东北及全国气温变化特点分析. 自然灾害学报, 2013, 22(2): 124-129.

[Zhou Xiujie, Wang Fengling, Wu Yuying, et al.Analysis of temperature change characteristics of Heilongjiang Province, northeast China and whole country in recent 60 years. Journal of Natural Disasters, 2013, 22(2): 124-129.]

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徐新创, 张学珍, 戴尔阜, 等. 1961-2010年中国降水强度变化趋势及其对降水量影响分析. 地理研究, 2014, 33(7): 1335-1347.探讨区域降水强度的时空变化趋势对于揭示区域气候变化规律、有效应对气候变化水资源影响等具有重要意义。利用756 个气象观测站1961-2010 年50 年逐日降水资料，分析了中国不同等级降水（小雨、中雨、大雨、暴雨及年均降水）强度的年际、年代际的变化趋势，以及不同等级降水变化在降水量增量中的贡献。结果表明：在年际变化中，降水强度总体呈现上升趋势，显著上升区域主要分布在中国东部秦岭&mdash;淮河线以南的地区；在不同等级降水强度中小雨强度变化趋势最为显著，中雨以上级别降水强度则相对稳定。在年代际变化中，各区域年代际降水强度变化差异明显，20 世纪60 年代和70 年代下降显著，80 年代、90 年代、21 世纪的前10 年则上升明显。此外，降水强度对降水量增量贡献由东至西呈&ldquo;大&mdash;小&mdash;大&mdash;小&rdquo;的相间带状分布；在中国西部，小雨、中雨、大雨强度对降水量增量起主导作用，而在中国东部暴雨降水强度在降水量贡献中起主导作用，且在东北区东南、黄淮海西北以及西南中部作用更加明显。

DOI

[Xu Xinchuang, Zhang Xuezhen, Dai Erfu, et al.Research of trend variability of precipitation intensity and their contribution to precipitation in China from 1961 to 2010. Geographical Research, 2014, 33(7): 1335-1347.]

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杜国明, 刘彦随, 刘阁. 黑龙江省近30年来粮食生产变化及增产因素分析. 农业现代化研究, 2014, 35(5): 519-524.保持粮食总产增加是保障国家粮 食安全的重要方面。本研究以统计资料为数据源,综合分析了黑龙江省1981-2011年粮食总产、单产、种植业结构等方面的变化,运用数理统计分析得出粮 食增产主要依靠三方面,即作物播种面积扩大、种植业结构调整和作物单产水平提升,旨在为黑龙江省农业可持续发展特别是两大平原现代农业综合配套改革试验区 建设提供依据。主要结论有:(1)黑龙江省1981-2011年播种面积由728.2万hm2增加至1375.9万hm2,尤其是2004年之后的7年间 增加64.47%;(2)水稻、玉米这两类高产作物种植面积比重由1981年的24.73%上升到2011年的67.97%,而大豆、小麦这两类低产作物 种植面积比重由1981年的54.79%下降到2011年的28.18%;(3)全省粮食平均单产年均增长2.90%,由1981年的1716.6 kg/hm2增加至2011年的4048.7 kg/hm2,增长了135.86%;(4)整个研究期内,粮食总产增加了345.65%。其中,粮食作物播种面积增加、种植业结构调整和作物单产提升对 总产的贡献率分别为73.32%、15.98%和10.70%,但存在显著的时间差异。

[Du Guoming, Liu Yansui, Liu Ge.The analysis of changes in grain production and driving factors in Heilongjiang province recent 30 years. Research of Agricultural Modernization, 2014, 35(5): 519-524.]

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吴海燕, 孙甜田, 范作伟, 等. 东北地区主要粮食作物对气候变化的响应及其产量效应. 农业资源与环境学报, 2014, 31(4): 299-307.综述了在全球气候变暖背景下，东北地区农业气候资源、农业气象灾害的变化特征以及主要农作物 对气候变化的响应。结果表明，气候变暖给东北地区农业带来的影响利弊共存，主要表现为东北地区主要农作物生长季节温度升高、热量资源增加，适宜农作物生长 的时期延长、适种区域扩大，为作物的光温生产潜力以及产量的提高提供了潜在的可能。但由于光照及水资源的限制以及CO2浓度的增加而引发的温室效应，对农 作物的产量和品质也产生了负面影响。极端天气事件增加，农作物生态环境恶化，干旱、洪涝、盐碱化速度加快，尤其是近几年受全球变暖的影响，东北地区主要农 作物受干旱灾害的影响最为明显。降水总量减少和降水分布不均匀，使东北地区成为受气候变化影响最敏感和脆弱地区之一。

DOI

[Wu Haiyan, Sun Tiantian, Fan Zuowei, et al.The major food crops in response to climate change and its yield effect in Northeast of China. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(4): 299-307.]

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张春华, 王宗明, 居为民, 等. 松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局. 生态学报, 2012, 32(4): 1220-1229.基于1980年吉林省第二次全国土壤普查剖面资料和2003-2006年的实测数据,估算了松嫩平原玉米带不同土壤类型农田表层(0-20 cm)土壤氮密度和储量,分析了该地区土壤氮密度的25a时空变化特征及其原因。结果表明,两个时期松嫩平原玉米带农田土壤氮密度的空间分布格局基本一致,中部高、边缘低,平均土壤氮密度变化不大,均为0.31 kg/m<sup>2</sup>但25 a间不同土壤类型和土地利用方式的土壤氮密度变化趋势存在差异,暗棕壤、水稻土和沼泽土的氮密度上升,其它类型土壤的氮密度不变或下降,旱田的氮密度不变,水田的氮密度明显下降,25 a间研究区内的农田土壤总氮储量每年减少7.6×10<sup>5</sup> kg。25 a间土壤氮密度的变化与1980年的初始值负相关,土壤氮密度的新稳定状态值为0.32 kg/m<sup>2</sup>。如保持1980年的土地利用方式和栽培耕作措施不变,该地区农田土壤总固氮潜力为5.18×10<sup>6</sup> kg/a。但实际上,与固氮潜力相比,2005年该区农田土壤总氮储量偏低了1.20×10<sup>8</sup> kg。因此,今后该区应多注重肥料的合理施用,加强农田管理,尤其是旱田改水田的管理。

DOI

[Zhang Chunhua, Wang Zongming, Ju Weimin, et al.Spatial and temporal variations of total nitrogen density in agricultural soils of the Songnen Plain Maize Belt. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(4): 1220-1229.]

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