氣候變化對湖南主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響及適應(yīng)性建議

氣候變化對湖南主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響及適應(yīng)性建議

0氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)適宜性的影響研究全球氣候變化對人類的生存和發(fā)展密切相關(guān)。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響與世界糧食安全有關(guān)，是全球氣候變化研究的重要組成部分。近年來的研究表明,氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛在影響主要表現(xiàn)為中國未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性增加、產(chǎn)量波動大、種植熟制變化大等。歷史的經(jīng)驗證明,農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃對科學(xué)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植制度、布局農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模和區(qū)域具有非凡的指導(dǎo)作用。因此,綜合利用GIS技術(shù)、計算機技術(shù)及小網(wǎng)格推算技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),運用氣候資料及農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)進行新一輪農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[4,5,6,7,8,9,10,11,12]、農(nóng)作物專題氣候區(qū)劃的研究工作正在展開。同時,氣候變化對相關(guān)農(nóng)作物種植適宜性的影響研究也成為了應(yīng)對氣候變化的主要研究內(nèi)容。張翠英等利用1970—2006年氣溫資料分析氣候變化對對菏澤冬小麥播種期的影響后得出,局地氣候變化對當(dāng)?shù)囟←湹亩吧L具有較大影響;殷劍敏應(yīng)用南豐縣及其周邊氣象臺站1961—2000年的氣象資料、1:50000的地形資料以及中巴衛(wèi)星遙感資料,采用地理信息系統(tǒng)和遙感等技術(shù)手段,根據(jù)蜜桔種植的低溫凍害指標(biāo),制作了不同年代的南豐縣蜜桔種植的精細(xì)化氣候區(qū)劃,計算了不同年代氣候可種植面積和實際可種植面積,得出隨著1月平均氣溫升高,南豐縣蜜桔種植的最優(yōu)區(qū)面積明顯增加的結(jié)論;孫芳等進行氣候變化及其對馬鈴薯生產(chǎn)的影響研究后得出,過去40年寧夏的氣候正在向暖干的趨勢變化,已對馬鈴薯生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響,如果氣候暖干的趨勢繼續(xù),氣候變化對馬鈴薯生產(chǎn)的不利影響也將繼續(xù)。上述研究多為靜態(tài)研究,關(guān)于氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響分析品種單一。如何充分利用最新長序列氣候資料及新發(fā)展的區(qū)域氣象觀測站網(wǎng)資料,開展面上的動態(tài)分析研究及系統(tǒng)性的農(nóng)作物生產(chǎn)影響分析研究不足。筆者在相關(guān)項目的支助下,2009年運用近年發(fā)展起來的區(qū)域氣象觀測站網(wǎng)資料對各種空間插值方法進行檢驗,選擇最適宜湖南的氣象要素空間插值方法對最新的長序列氣候資料進行空間插值,借助GIS技術(shù),系統(tǒng)性地開展湖南主要農(nóng)作物種植適宜性動態(tài)氣候區(qū)劃,研究氣候變化對湖南主要農(nóng)作物種植適宜性的影響,在此基礎(chǔ)上,提出綜合應(yīng)對建議,為湖南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供科學(xué)的參考依據(jù)。1研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源1.1地貌、地貌及地貌湖南屬內(nèi)陸省份,介于東經(jīng)108°47′~114°15′、北緯24°38′~30°08′之間,總面積21.18萬km2。地貌以山地、丘陵為主,其次為盆地、平原和水域,其中山地為51.2%,丘陵為15.4%,盆地為13.9%,平原為13.1%,水域占6.4%。境內(nèi)東、南、西三面環(huán)山,逐漸向中部及東北部傾斜,形成向東北開口不對稱的馬蹄形。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候類型,光照充足,雨熱同季,適宜發(fā)展農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)。1.2湖南氣象要素最佳空間插值方法確定的方案氣象觀測資料:湖南省97個地面氣象觀測臺站1961—2008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(shù)資料;1224個區(qū)域氣象站2007—2008年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫觀測資料;2114個區(qū)域氣象站2007—2008年逐日降水觀測資料。地理數(shù)據(jù):國家地理信息中心1:50000地形資料。小網(wǎng)格空間氣象數(shù)據(jù):選擇12種空間插值方法(反距離加權(quán)法、加入海拔影響因子的反距離加權(quán)法、梯度距離反比法、反距離高斯算子法、加入海拔影響因子的反距離高斯算子法、多元回歸殘差反距離訂正法、多元回歸殘差高斯算子訂正法、位溫插值法、普通克里金法、加入海拔影響因子的普通克里金法、樣條函數(shù)法、加入海拔影響因子的樣條函數(shù)法)對各氣象要素進行空間插值,利用區(qū)域氣象站觀測資料及地面氣象站觀測資料對空間插值結(jié)果進行檢驗,確定出適合于湖南省不同氣象要素的最佳空間插值方法。經(jīng)檢驗得出,適合于日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫及月日照時數(shù)的最佳空間插值方法為多元回歸殘差高斯算子訂正法,適合于日降水量的最佳空間插值方法為普通克里金法。運用多元回歸殘差高斯算子訂正法、普通克里金法對湖南1961—2008年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、月日照時數(shù)、日降水量時行空間插值,得到湖南省1961—2008年500m×500m的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日降水量數(shù)據(jù)及月日照時數(shù)數(shù)據(jù)。表1給出了2007—2008年(2007年是有區(qū)域站資料的最早時間)各要素空間插值所產(chǎn)生的平均絕對誤。2氣溫和年降水量的變化在全球氣候變暖大背景下,湖南農(nóng)業(yè)氣候資源已發(fā)生顯著變化。主要特征表現(xiàn)為:日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃、10℃以上的活動積溫均呈上升趨勢,以穩(wěn)定通過0℃以上的活動積溫上升幅度更大(圖1);年降水量無明顯趨勢變化,但存在顯著的年際和年代際的變化(圖1);年日照時數(shù)呈下降趨勢(圖1),湘西北地區(qū)及湘江流域減幅最大(圖2)。3作物適宜栽培的指標(biāo)和方法3.1種植選擇原則農(nóng)作物種植適宜性氣候區(qū)劃指標(biāo)選取原則是:產(chǎn)量優(yōu)先原則(區(qū)劃因子要盡可能地使作物獲得高產(chǎn))、因子從簡的原則(在眾多影響作物生長發(fā)育的因子中選擇關(guān)鍵因子)、差異性原則(不同作物之間抗逆性和氣候適宜性存在差異,在選出因子時,盡量選取對產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因子)、適度尊重種植習(xí)慣的原則(在同一個氣候區(qū)內(nèi),多種作物均可種植,根據(jù)現(xiàn)有的種植習(xí)慣而選取合理的氣候區(qū)劃指標(biāo))、作物生存至上的原則(即作物要能生存或者生存的幾率很大)。通過生產(chǎn)調(diào)研、翻閱文獻資料[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]、綜合分析和核實調(diào)整等幾個方面,最后確定各農(nóng)作物種植適宜性氣候區(qū)劃指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)見表2~8。3.2不含雙季稻熟制搭配的編碼基于選取的作物區(qū)劃指標(biāo),對已插值到小網(wǎng)格點500m×500m的1961—2008年氣象要素數(shù)據(jù)按指定的年代進行統(tǒng)計并給予相應(yīng)的編碼值T,編碼方法為:指標(biāo)數(shù)據(jù)(不含雙季稻熟制搭配)位于最適宜指標(biāo)范圍內(nèi)的編碼1,位于適宜范圍內(nèi)的編碼2,位于次適宜范圍的編碼3,位于不適宜范圍的編碼4;雙季稻熟制搭配分為遲熟+遲熟(前面為早稻熟性,后面為晚稻熟性,下同)、中熟+遲熟、早熟+遲熟(中熟+中熟)、早熟+中熟、早熟+早熟和不適宜6個區(qū),分別編碼為1、2、3、4、5、6。然后結(jié)合不同因子在區(qū)劃中的權(quán)重Q計算出用于判斷每個網(wǎng)格點屬于該作物的適宜性等級的綜合指標(biāo)P,其表達(dá)式為:最后運用GIS技術(shù)制作各主要作物種植適宜性氣候區(qū)劃圖。4氣候變化對主要作物植物結(jié)構(gòu)的影響4.1種植面積增加量分析雙季稻種植適宜性動態(tài)氣候區(qū)劃結(jié)果(圖3)得出,氣候變化對湖南雙季稻種植的影響主要表現(xiàn)為熟性搭配區(qū)的變化。相對于1960—1991年,“遲熟+遲熟”種植適宜區(qū)面積減少量為湖南國土總面積的2.4%(將像元數(shù)換算成面積數(shù),1個像元=25hm2),“中熟+遲熟”種植適宜區(qū)面積增加量為10.2%(占湖南國土總面積的比例,下同),“早熟+早熟”種植適宜區(qū)面積減少量為3.2%,不適宜種植雙季稻區(qū)面積增加量為0.5%,其余熟性搭配適宜種植面積無明顯變化。影響最明顯的地區(qū)是湘東南地區(qū)和湘中東部地區(qū),湘東南地區(qū)“遲熟+遲熟”、“早熟+早熟”適宜種植面積減少,不適宜種植雙季稻面積有所增加;湘中東部地區(qū)“遲熟+遲熟”適宜種植面積有所增加。4.2最適宜種植區(qū)面積增加量增圖4給出了1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年油菜種植適宜性氣候區(qū)劃圖,可以看出,氣候變化對湖南油菜種植的影響主要表現(xiàn)為最適宜種植區(qū)面積顯著增加、次適宜種植面積顯著減少,其中最適宜種植區(qū)面積增加量為20.8%,次適宜種植面積減少量為16.2%;影響范圍幾乎覆蓋全省。1981—2008年區(qū)劃結(jié)果與1961—1990年相比較,洞庭湖平原最適宜種植區(qū)顯著擴大,基本成為油菜最適宜種植區(qū)。湘江流域最適宜種植區(qū)范圍迅速增大,主體成為油菜最適宜種植區(qū)。沅水上游地區(qū)適宜種植面積增大,次適宜面積減少,成為以適宜種植區(qū)為主體的分布態(tài)勢;中游地區(qū)最適宜種植面積增大,大部分地區(qū)由適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變成為了最適宜種植區(qū)。澧水上游地區(qū)適宜種植面積增大,次適宜種植面積減少,成為以適宜種植區(qū)為主體的分布結(jié)構(gòu);中游地區(qū)最適宜種植區(qū)面積增大。資水流域適宜種植面積增大,次適宜種植面積減少,分布態(tài)勢以適宜種植區(qū)為主體。4.3最適宜種植面積的變化分析1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年棉花種植適宜性氣候區(qū)劃結(jié)果(圖5)得出,氣候變化對湖南棉花種植的影響主要表現(xiàn)為最適宜種植面積減少、適宜種植面積增加,其中最適宜種植面積減少量為14.7%,適宜種植面積增加量為14.5%;影響最顯著的地區(qū)為洞庭湖平原、資水中上游地區(qū)以及湘南區(qū),其次是沅水中游地區(qū)及湘江下游地區(qū)。與1961—1990年相比,洞庭湖平原最適宜種植區(qū)面積顯著減小,湘水尾閭區(qū)、沅水尾閭區(qū)已由棉花最適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變成為適宜種植區(qū)。資水中上游地區(qū)最適宜種植面積顯著減少,除邵陽仍為最適宜種植區(qū)外,其它地區(qū)的最適宜種植區(qū)已基本為適宜種植區(qū)所替代。湘南地區(qū)最適宜種植面積明顯減少,已由以最適宜種植區(qū)為主體的結(jié)構(gòu)布局轉(zhuǎn)變成為以適宜種植區(qū)為主體的結(jié)構(gòu)布局。沅水中游、湘江下游地區(qū)以及澧水中游地區(qū)也存在最適宜種植面積減少的現(xiàn)象。4.4最適宜種植面積減少量從1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年溫州蜜桔種植適宜性氣候區(qū)劃圖(圖6),可以看出,氣候變化對溫州蜜桔種植的影響最顯著,主要表現(xiàn)為最適宜種植面積顯著增加(增加量為55%)、適宜種植區(qū)和次適宜種植面積減少量分別為48.7%、6.6%;影響范圍幾乎覆蓋全省。與1961—1990年相比較,全省最適宜種植區(qū)迅速擴大,次適宜種植區(qū)減少,最適宜種植區(qū)面積已占絕對優(yōu)勢。1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年甜橙、柚類種植適宜性氣候區(qū)劃結(jié)果(圖略)表明,氣候變化對甜橙、柚類種植的影響顯著性僅次于溫州蜜桔,主要表現(xiàn)為最適宜種植面積顯著增加(增加量為48.7%)、適宜種植區(qū)面積因向最適宜區(qū)轉(zhuǎn)變而減少39.1%。影響范圍幾乎覆蓋全省。1961—1990年甜橙、柚類的最適宜種植區(qū)僅位于江永、江華、道縣三縣的接壤地帶,1981—2008年甜橙、柚類最適宜種植區(qū)擴展到了湘中以南地區(qū)、沅水流域、澧水流域大部及資水上游地區(qū)。4.5最適宜種植區(qū)和次適宜種植區(qū)面積增加,由最適宜種植區(qū)植物種植區(qū)域檢測,以油茶共分析1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年油茶種植適宜性氣候區(qū)劃結(jié)果(圖7)得出,湖南氣候條件適宜種植油茶,隨著氣候變暖,原適宜種植區(qū)、次適宜種植區(qū)有向最適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變的趨勢,最適宜種植區(qū)面積有所增大(增加量為2.0%)。相對于1961—1990年,影響相對明顯的地區(qū)是沅水中上游地區(qū)及澧水上游地區(qū)。沅水中上游地區(qū)最適宜種植面積顯著增大,基本已由最適宜種植區(qū)替代原來的適宜種植區(qū)。澧水上游地區(qū)次適宜種植面積減少,轉(zhuǎn)變成為以適宜種植區(qū)為主體的分布格局。4.6化學(xué)成分對樹種種植的影響比較1961—1990年、1971—2000年、1981—2008年煙葉種植適宜性氣候區(qū)劃結(jié)果(圖8)得出:氣候變化對煙葉種植的影響主要表現(xiàn)為最適宜種植面積減少(減少量為19.8%);最適宜種植區(qū)向適宜種植區(qū)或次適宜種植區(qū)轉(zhuǎn)變,而使得適宜種植區(qū)面積和次適宜種植區(qū)面積增加,增加量分別為13.7%、6.0%。相對于1961—1990年,湘江流域、沅水中上游地區(qū)、資水中上游地區(qū)最適宜種植面積減少,適宜種植面積增加;衡陽、邵陽、及澧水上游地區(qū)次適宜種植面積有所增加。5局和耕作制度的安排湖南是一個氣候資源豐富但地域差異明顯的省份,農(nóng)作物的布局和耕作制度的安排應(yīng)最大限度地利用包括氣候資源在內(nèi)的各類自然資源。根據(jù)氣候變化對湖南主要農(nóng)作物種植適宜性的影響以及各農(nóng)作物種植適宜性氣候區(qū)劃結(jié)果,提出應(yīng)對建議如下。5.1通過發(fā)展抓產(chǎn)業(yè),擴大雙季稻種植面積洞庭湖濱湖平原及湘、資、沅、澧河谷平原和盆地具有適宜種植雙季稻的氣候生態(tài)條件,同時又是油菜、棉花種植的最適宜區(qū)和適宜區(qū)。氣候變化對油菜生產(chǎn)有利;對棉花的最適宜種植面積有一定的影響,但適宜種植面積大。因此應(yīng)充分利用有利的氣候資源,通過擴大復(fù)種指數(shù)大力發(fā)展湖南糧油棉生產(chǎn)。一是穩(wěn)步發(fā)展雙季稻。應(yīng)在穩(wěn)定現(xiàn)有雙季稻種植面積的同時,采取激勵措施,進一步擴大雙季稻種植面積。二是大力發(fā)展油菜生產(chǎn)。洞濱湖平原及河谷平原和盆地是湖南省油菜種植最主要的適宜區(qū),應(yīng)充分利用有利的氣候條件,加大冬閑田(地)油菜的種植力度。三是適度發(fā)展棉花生產(chǎn),實現(xiàn)區(qū)域化種植。環(huán)洞庭湖平原土壤肥沃,灌排基礎(chǔ)較好,是湖南的棉花主產(chǎn)區(qū),應(yīng)實現(xiàn)區(qū)域化生產(chǎn),將華容、君山區(qū)、澧縣、安鄉(xiāng)、鼎城、漢壽、桃源、南縣、大通湖、沅江、衡陽、衡南等地作為湖南穩(wěn)定的棉花生產(chǎn)基地做大做強。四是根據(jù)氣候資源分布特點選擇合適的種植模式。建議湘中適宜“遲熟早稻+遲熟晚稻”的地區(qū)使用“遲熟早稻+遲熟晚稻+油菜”種植模式,其他地區(qū)使用“中熟早稻+遲熟晚稻+油菜”種植模式。湘東南推薦“遲熟早稻+遲熟晚稻+油菜”種植模式;有利于煙草種植的地區(qū),應(yīng)統(tǒng)籌安排種植區(qū),種植模式可選取在煙草收割后搭配超級一季稻。洞庭湖平原水田實行“中熟早稻+遲熟晚稻+油菜”種植模式,旱地實行“棉花套油菜”種植模式。雙季稻不適宜區(qū)內(nèi),應(yīng)因地制宜,結(jié)合種植習(xí)慣,以高效旱作配一季稻,比如“煙草+超級一季稻”或“油菜+超級一季稻”的模式。5.2建設(shè)油茶產(chǎn)業(yè)化湖南具有發(fā)展油茶的氣候優(yōu)勢,且氣候變化對發(fā)展湖南油茶生產(chǎn)有利。應(yīng)充分利用山地、丘陵資源,把油茶產(chǎn)業(yè)作為湖南林業(yè)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)做大做強。一是建立區(qū)域化、規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)格局。湘南山地、湘西南山地和安化山區(qū)為油茶種植最適宜區(qū),應(yīng)充分用于種植油茶。在交通發(fā)達(dá)的區(qū)域要規(guī)模化種植油茶,如在京珠、長張、上瑞、衡棗等高速公路、國道沿線建設(shè)油茶產(chǎn)業(yè)帶。加強耒陽、攸縣、常寧、瀏陽、醴陵及邵陽等“油茶之鄉(xiāng)(都)”建設(shè),力爭使它們成為油茶產(chǎn)業(yè)的示范縣(市)。二是扶植1~2個較大規(guī)模的集加工、貿(mào)易于一體的油茶工貿(mào)企業(yè),使油茶種植戶從油茶種植中獲得更大的經(jīng)濟利益。5.3重點發(fā)展探源型產(chǎn)業(yè)湖南適宜種植柑桔的面積大,且氣候變化對發(fā)展湖南柑桔有利。應(yīng)綜合利用土地資源和氣候資源,打造湘南臍橙、湘西椪柑、雪峰(石門)蜜桔、麻陽冰糖橙等柑桔品牌,形成若干柑桔產(chǎn)業(yè)基地。一是建立武陵山、雪峰山柑桔產(chǎn)業(yè)帶。在會同、洪江、芷江、中方、麻陽、辰溪、溆