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公裏格網與地形數據分析糧食生産潛力研究

公裏格網與地形數據分析糧食生産潛力研究
本文揭示了區劃內部大豆生産潛力的空間差異,而且獲得了50年長時間過程中國大豆生産潛力的時空演變特征,研究成果能夠爲氣候變化背景下大豆生産布局、種植技術提高和相關生産經營管理政策制定等提供參考,爲實現大豆穩産高産提供科學依據

公裏格網與地形數據分析糧食生産潛力研究

(以大豆生産爲例)

 

1.  引言

 本文以2010年中國耕地空間分布遙感監測數據爲基礎,結合1961年以來的長時間序列氣象數據、土壤數據等,采用GAEZ(Global Agro-Ecological Zones)模型綜合考慮光、溫、水、CO2濃度、病蟲害、農業氣候限制、土壤、地形等多方面因素,估算了1961-2010年中國大豆生産潛力的長時間尺度變化過程。本文的價值和貢獻在于不僅揭示了區劃內部大豆生産潛力的空間差異,而且獲得了50年長時間過程中國大豆生産潛力的時空演變特征,研究成果能夠爲氣候變化背景下大豆生産布局、種植技術提高和相關生産經營管理政策制定等提供參考,爲實現大豆穩産高産提供科學依據,對保障國家糧油安全具有重要戰略意義。

 

2.  研究方法

2.1數據來源  

1  2010年全國土地利用空間分布數據産品

 

2 全國電子高程數據産品

 

3 全國複種指數數據産品

 

4 全國地形地貌數據産品

氣象數據來源于中國氣象局的760多個氣象觀測站點,包括最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、10 m高度處的風速和日照時數。首先求得各站點各氣象要素1961-2010年的月平均值,之後在考慮地形高程差異的基礎上,使用ANUSPLIN軟件 Hutchinson, 1998a, 1998b)進行空間插值,獲得全國1 km×1 km的月氣象要素空間格網數據,該空間差值數據同樣來源于來源于北京數字空間科技有限公司制作並通過地理國情監測雲平台網站(www.epuraask.com)發布的數據産品。如圖5-7所示。

 

 

5 全國多年平均氣溫空間分布數據産品

 

6 全國多年平均降水空間差值數據産品

 

7 全國濕潤指數數據産品

2.2    研究方法

本文采用由聯合國糧農組織(FAO)和國際應用合作組織(IIASA)共同研發的大尺度作物生長模擬(GAEZ)模型,用于估算1961-2010年中國大豆生産潛力。GAEZ模型首先根據降水(降水量、相對濕度、降水強度、降水變率)和氣溫(日均溫、日最高溫度、日最低溫度、積溫)條件來評價大豆空間分布的氣候適宜性,然後針對大豆適宜種植區域,采用逐級限制法來計算大豆生産潛力。即:按光合生産潛力(僅光照限制)—光溫生産潛力(光照和溫度限制)—光溫水生産潛力(光照、溫度和水分限制)—氣候生産潛力(農業氣候災害限制)—大豆生産潛力(土壤及各種管理措施限制)逐級進行(8)

8  GAEZ模型結構圖

在估算過程中,首先在大豆適宜種植區域內測算出1 km×1 km格網內大豆適宜種植面積及生産潛力值,之後結合耕地空間百分比數據,計算得出此格網內耕地全部利用情況下的大豆適宜種植面積及生産潛力值,即大豆適宜種植面積和生産潛力的最終結果。

GAEZ模型包含灌溉和雨養兩種模擬情景。雨養條件下僅考慮降水對大豆産量的影響,而灌溉條件則假設水分充足,即不考慮水分對大豆産量的影響。大豆總生産潛力是根據灌溉和雨養情景下的大豆生産潛力,進一步考慮灌溉比例系數,通過計算獲得,具體方法如下:

     

 (1)

式中: yieldtotol是大豆總生産潛力yieldrain-fed是指雨養條件下的大豆生産潛力yieldirrigated是指灌溉條件下的大豆生産潛力i是從國家統計局得到的全國各縣()灌溉面積與總耕地面積的比率/%

爲了揭示全國大豆生産潛力的區域差異,將全國劃分爲9個農業區(圖9):①東北平原區,包括3個省(黑龍江、吉林和遼甯);②黃淮海平原區,包括5個省市(北京、天津、河北、山東及河南);③長江中下遊地區,包括7個省市(上海、江蘇、安徽、湖北、湖南、浙江和江西);④華南區,包括4個省區(廣東、福建、海南和台灣);⑤北方幹旱半幹旱區,包括4個省(新疆、內蒙古、甯夏和甘肅);⑥黃土高原區,包括2個省(山西和陝西);⑦四川盆地及周邊地區,包括2個省市(四川和重慶);⑧雲貴高原區,包括3個省區(雲南、貴州和廣西);⑨青藏高原區,包括2個省區(青海和西藏)

9  中國農業區劃分圖

 

3.  結果分析

3.1    結果對比驗證

爲了對GAEZ模型估算的大豆生産潛力進行驗證,選取了GAEZ模型估算的2005年和2010年兩期中國耕地大豆生産潛力,以全國各縣()爲統計單元進行了彙總統計,獲得了各縣()2005年和2010年耕地單位面積大豆生産潛力,並與《中國農業統計年鑒》中的2005年和2010年各縣()的大豆單位面積産量進行了對比分析(圖10)。結果表明:GAEZ模型估算的2005年中國大豆平均生産潛力爲2469.41 kg/hm2,是全國實際大豆單産的1.23,其中大豆單位面積生産潛力與實際單産比值在1~2之間的縣()占全國的87%;2010年全國大豆平均生産潛力爲2421.39 kg/hm2,是全國大豆實際單産值的1.27,其中大豆單位面積生産潛力與實際單産比值在1~2之間的縣()占全國的83%。可見,基于GAEZ模型估算的中國各縣市大豆生産潛力值均高于其實際産量,兩者標准差2005年和2010年分別爲480 kg/hm2570 kg/hm2。可見,在對大豆生産潛力估算方面,GAEZ模型存在20%左右的系統性高估問題,這一系統性誤差,可從以下兩個方面解釋:①GAEZ模型估算大豆生産潛力時僅考慮了光、溫、水、土等自然因素,沒有考慮社會經濟因素的影響。如果在此基礎上進一步考慮灌溉、化肥、農業機械等社會經濟要素,則可獲得更准確的大豆生産潛力估算結果;GAEZ模型是在獲取大豆適宜種植面積基礎上計算生産潛力的,這一過程僅考慮了某一塊地是否適宜種植大豆及適宜種植區域能取得的大豆生産潛力,沒有考慮其他作物影響及農民在利益最大化驅使下對作物種類的選擇,也沒有考慮作物種植制度的影響,據此估算的大豆生産潛力結果偏高。

10 2005年與2010年中國大豆生産潛力與實際單産的對比圖

從以上分析可見,GAEZ模型模擬的全國尺度大豆生産潛力及其空間分布與實際情況基本相吻合。因此,基于GAEZ模型模擬的大豆生産潛力空間分布數據進行氣候變化背景下中國大豆生産能力的變化分析,能在很大程度上反映全國大豆生産潛力的時空格局演變特征。

3.2    2010年中國大豆生産潛力的空間特征

GAEZ模型估算結果看,2010年全國大豆適宜種植面積1.65hm2,生産潛力總量3.24億噸,平均生産潛力2421.39 kg/hm2

從空間分布看(圖11,中國大豆生産潛力高值區主要集中在東北平原區和黃淮海平原區,大豆生産潛力整體呈現由南向北、由西向東增加的趨勢。2010年全國大豆生産潛力在4000 kg/hm2以上的區域主要分布在東北平原區和黃淮海平原區局部地區,此外在新疆和雲南也有零星分布;大豆生産潛力在3000~4000 kg/hm2的區域主要分布在黃淮海平原區和長江中下遊局部地區,此外在北方幹旱半幹旱區和雲南也有少量分布;大豆生産潛力在2000~3000 kg/hm2的地區主要分布在長江中下遊地區和黃淮海平原區局部地區,此外在華南區、黃土高原區、雲貴高原區、北方幹旱半幹旱區和四川盆地東部也有零星分布;大豆生産潛力在1000 kg/hm2以下的地區主要位于黃土高原、四川盆地東部、雲貴高原大部分地區和甘肅南部。

11  2010年中國大豆生産潛力空間分布格局

2010年中國各農業區大豆生産潛力總量由高到低排序爲:東北平原區>長江中下遊地區>黃淮海平原區>北方幹旱半幹旱區>雲貴高原區>黃土高原區>四川盆地及周邊地區>華南區>青藏高原區(圖12,其中東北平原區大豆平均生産潛力爲3630 kg/hm2,生産潛力總量爲0.849億噸。

12  2010年中國各農業區大豆平均生産潛力和生産潛力總量

3.3    氣候變化背景下中國大豆生産潛力的時空演變特征

3.3.1.  全國尺度大豆生産潛力的時間變化過程

從近50年來中國大豆適宜種植面積、生産潛力和生産潛力總量變化趨勢看,在氣候變化背景下,中國大豆平均生産潛力呈下降趨勢,而大豆適宜種植面積和生産潛力總量卻呈上升趨勢。20世紀60年代-21世紀頭10,大豆適宜種植面積始終呈增長趨勢,增加了0.047hm2;60-80年代呈緩慢增長趨勢;20世紀80年代-21世紀頭10年增長較快。50年來大豆生産潛力下降了60 kg/hm2,其中60年代爲2570 kg/hm2,70年代下降至2530 kg/hm2,70年代以後持續下降,21世紀頭10年下降到2510 kg/hm2。受適宜種植面積持續增加和生産潛力持續下降的影響,中國大豆生産潛力總量先降後增,60年代相比,70年代大豆生産潛力總量降低了0.022億噸,70年代-21世紀頭10年呈持續增長趨勢,且增幅逐漸變大,增加了0.053億噸(圖13)。

 

13  50年來中國大豆適宜種植面積、生産潛力和生産潛力總量變化

3.3.2.  大豆生産潛力變化的區域差異

從大豆適宜種植面積變化看(圖14a,長江中下遊地區大豆適宜種植面積最多,50年來受氣候變化影響不大,始終維持在3400hm2左右;其次爲黃淮海平原區和東北平原區,大豆適宜種植面積分別在3015~3077hm22896~2965hm2之間,50年來適宜種植面積均有所增加。氣候變化背景下中國各農業區大豆適宜種植面積變化趨勢可以分爲兩大類:①穩定型(幾乎不變),包括長江中下遊地區、雲貴高原區、四川盆地及周邊地區、華南區、青藏高原區和黃土高原區;②增長型,包括北方幹旱半幹旱區、黃淮海平原區和東北平原區,其中北方幹旱半幹旱區大豆適宜種植面積增長較多。

 

14  50年來中國各農區大豆適宜種植面積、生産潛力和生産潛力總量變化

從各農業區大豆生産潛力變化看(圖14b,東北平原區最高,50年來始終保持在3200 kg/hm2以上,且隨著氣候變化逐漸升高。其次爲黃淮海平原區和長江中下遊平原區,均在2700 kg/hm2以上。氣候變化背景下中國各農業區大豆生産潛力變化趨勢可以分爲3類:①上升型,包括東北平原區;②下降型,包括黃淮海平原區、長江中下遊平原區、華南區;③波動型,包括北方幹旱半幹旱區、黃土高原區、雲貴高原區、四川盆地及周邊地區和青藏高原區。

從各農業區大豆生産潛力總量變化看(圖14c,20世紀六七十年代長江中下遊地區大豆生産潛力總量位居全國第一,其中60年代爲7509萬噸,70年代爲7428;到了80年代,東北平原區超過長江中下遊地區位居第一,此後大豆生産潛力總量大幅增長,21世紀頭10年達到8116萬噸,20世紀60年代增加了885萬噸;80年代以後長江中下遊地區則退居第二,大豆生産潛力總量持續下降,21世紀頭10年達到7101萬噸,20世紀60年代降低了408萬噸。黃淮海平原區近50年來始終位居第三,20世紀60年代大豆生産潛力總量爲6872萬噸,70年代有小幅增長外,之後也持續下降,21世紀頭10年降到6587萬噸,20世紀60年代降低了285萬噸。氣候變化背景下中國各農業區大豆生産潛力總量變化趨勢可以分爲:①上升型,包括東北平原區、北方幹旱半幹旱區;②下降型,包括長江中下遊地區、黃淮海平原區和華南區;③波動型,包括雲貴高原區、四川盆地及周邊地區和黃土高原區。

 

4.  討論和結論

4.1    主要結論

本文采用GAEZ模型估算了1961-2010年中國大豆生産潛力的長時間尺度變化過程,進而定量分析了近50年來氣候變化導致的中國大豆生産潛力的時空格局演變特征。主要結論如下:

(1) 2010年全國大豆適宜種植面積1.65hm2,平均生産潛力2421.39 kg/hm2,生産潛力總量3.24億噸。中國大豆生産潛力空間差異顯著,呈由南向北、由西向東增加的趨勢。生産潛力總量居前三位的地區分別爲東北平原區、長江中下遊地區和黃淮海平原區。

(2) 在氣候變化背景下,受適宜種植面積持續增加和生産潛力持續下降的影響,中國大豆生産潛力總量在20世紀60年代-21世紀頭10年呈現先降後增的態勢,最低值出現在70年代,3.275億噸,此後直至2010年呈持續增長趨勢,且增幅逐漸變大。

(3) 中國大豆生産潛力變化的區域差異明顯。20世紀60年代,長江中下遊地區大豆生産潛力總量位列全國第一,之後持續下降;80年代,東北平原區超過長江中下遊地區成爲全國第一位,且大豆生産潛力總量持續大幅增長;黃淮海平原區位列第三,大豆生産潛力總量在70 年代有小幅增長,之後持續下降。

 

 

 

本文所使用的耕地空間百分比數據、地形數據、高程數據、土壤數據均來源于北京數字空間科技有限公司制作並通過地理國情監測雲平台網站(www.epuraask.com)發布的數據産品