影响未来气候变化对中国农业生态区的转移模式

文摘

农业生态的区(AEZ)是一个土地资源映射单元,定义的气候、地形、土壤,都有一个特定的潜力和约束范围裁剪(粮农组织,1996年)。AEZs模式的转变在中国受未来气候变化评估运用农业生态的分区方法提出的国际应用系统分析研究所(IIASA)和联合国粮食及农业组织(粮农组织)在这项研究中。提出了一种数据处理方案在这项研究中,以减少系统误差预计气候数据利用气象站的观测数据。AEZs在中国的四个时期:2011 - 2020,2021 - 2030,2031 - 2040,2041 - 2050。发现未来的气候变化将导致重要的本地更改在中国和整个AEZs AEZs模式在中国是稳定的。AEZs模式的转变将以向北扩张潮湿AEZs半湿润气候的AEZs在中国南部,东扩的干旱AEZs干燥和湿润半干旱AEZs在北中国,和向南扩张的干旱半干旱AEZs在中国西南干旱AEZs。

1。介绍

世界正面临危机的食品安全(1,2]。挑战来自不仅日益增长的全球人口,而且有营养的食物供应的可持续性。为了满足全球需求,到2050年粮食产量应该增加60 - 70%相比,21世纪初(3]。气候变化是目前公认的一个最关键的对食品供应的可持续性的影响。它改变了作物和农业投资结构的适用性。研究人员已经证实,作物适应性变化的背景下,气候变化(4- - - - - -7]。莱恩和贾维斯8]预测气候变化的影响与当前和预测未来气候数据,发现合适的地区的主要粮食作物,包括大米、小麦、土豆、和一些经济作物,如苹果,香蕉,咖啡,草莓随着气候变化将会减少。根据东方国家的人的评价等。9),即使在场景的政府间气候变化专门委员会(IPCC)低排放(B1,到2100年,全球平均气温上升2°C)当前农业系统会不稳定。如果增加患有慢性饥饿是令人沮丧的今天,进一步困难,风险,和实现粮食安全挑战将使人绝望,特别是那些在南亚和撒哈拉以南非洲地区(10,11]。

中国经历了快速的增长,增加了近年来全球经济一体化,拥有巨大的潜力来促进全球粮食安全,不仅减轻饥饿在本国公民,但也通过增加贸易和金融联系,以及与其他发展中国家的技术和知识交流(12]。中国已经在减贫方面取得了令人瞩目的进展,减少人们的分享从84%每天生活费不足1.25美元的人口到1981年的13%,2008年减少穷人的数量从8.35亿年到1.74亿年(13]。近年来,中国农业生产的发展非常稳定,大大加剧了全球安全(14,15]。但是仍然有一些潜在的挑战中国的食品供应。最可能的挑战之一是气候变化。现在和将来,中国的食品供应将世界粮食市场的一个关键问题。

有多种方法,如灾害的频率和强度变化(包括洪水、干旱、冰雹、台风)和降水的变化,积温,太阳辐射气候变化影响中国的农业生产。尽管大多数的这些影响是偶尔和小型,仍有一些持久和巨大的影响16- - - - - -18]。AEZs的变化可能是其中一个最显著的气候变化响应改变作物和农业管理的模式。AEZ的概念最初是由联合国粮农组织(19]。它已经广泛的应用在土地利用规划,设计适当的农业适应性,降低脆弱性,以及作物水分需求和长期霜保护措施的决心(20.,21]。在中国有许多研究农业生态的分区和相关主题22- - - - - -27]。陈(28]中国分为十二个AEZs基于农业生产模式,农田的生产率,热,水,地形。金和朱29日)将中国东北分成三AEZs,发现玉米产量大幅减少以及气候变化。杨et al。30.陈]应用提出的方法(28)中国西北划分成13个AEZs和分析了在每个AEZ气候导致的作物水分平衡的变化。他等。31日]中国小麦产地分为三个主要区域和十AEZs取决于粮食生产特征,生态因素、土壤特性、种植制度,等等。基于这些十AEZs,香港et al。32)提出了一个潜在的策略增加籽粒蛋白质含量和蛋白质粮食加工质量。贾et al。33]研究了降水的变化,发现AEZ-based研究有助于掌握不同农业地区的降水模式。行列式的种植模式和农业管理、AEZs的模式可能会改变显著全球气候变化的背景下。毫无疑问,中国AEZs转移模式的评估有助于引导我国未来农业发展和保障全球粮食安全。

全球农业生态的区域(GAEZs)都是为了提供一个预测作物开发的潜在生产力在特定环境限制因素包括气候和土壤34]。他们作为主要分析单位的农业生产在全球贸易分析项目(GTAP)以及很多其他的研究(35]。例如,Atehnkeng et al。36)的分布和产毒性分析曲霉属真菌物种从玉米分离内核从三个AEZs在尼日利亚。棕榈et al。37]分析了种植活动对当地环境和社会经济壁垒和区域水平和研究潜在的碳金融刺激利率的增加森林种植园在印度南部结合AEZs荒地。IIASA和粮农组织发表了GAEZ 3.0版本旨在包括实际应用,如一个显著的更新版本,包括扩大农作物覆盖面和有机肥管理技术。这个数据集提供了气候变化对农业生态的适应性和生产率的影响视野三次,2020年代,2050年代和2080年代,11的组合模型和IPCC排放场景,这是全球意义(38]。但它有点粗略的指导国家和地区农业发展,因为更详细和准确的数据总是可以获得支持如此规模的农业生态的分区。Mugandani et al。39津巴布韦)重新分类AEZs基于气象站的气候数据覆盖GAEZ的短缺。Kurukulasuriya和Mendelsohn40)的观察到分布相比AEZs AEZs粮农组织和计算分布的气候和发现当地有显著差异。这些研究表明,访问的影响是有意义的未来气候变化对转移模式的AEZs通过更详细和准确的数据在区域和国家层面。

本研究旨在评估AEZs模式的转变在中国由未来的气候变化。本文的主要贡献在于,它提供了在中国未来AEZs包含决策信息农业发展在中国和全球粮食安全。与GAEZ相比,本研究从气象站观测的气候数据的充分利用。并与其他静态评估结果基于历史时期的数据,如陈(28),这项研究提供了更多AEZs转移模式的预测信息。此外,集成观察和预测数据的数据处理方案的研究类似的研究具有较高的参考价值。AEZs在中国的四个时期:2011 - 2020,2021 - 2030,2031 - 2040和2041 - 2050年在本研究的基础上,预测气候变化。发现未来的气候变化将会导致重大变化AEZs在中国,虽然AEZs的整体模式在中国是稳定的。AEZs到半湿润的向北扩张AEZs在中国南部,东扩的干旱AEZs干燥和湿润半干旱AEZs在北中国,和向南扩张的干旱半干旱AEZs在中国西南干旱AEZs AEZs未来变化的主要特征是在中国。

2。数据和方法

2.1。农业生态的分区方法

AEZ是一个区域的特点是生长期的具体长度(LGP)和气候属性。几种农业生态的分区方法曾被用于农业用途(41,42]。可持续发展和全球环境中心(SAGE)威斯康辛大学派生的六个全球LGP聚合IIASA /粮农组织GAEZ数据大约每LGP 60天分为六类:(1)LGP1: 0-59天,(2)LGP2: 60 - 119天,(3)LGP3: 120 - 179天,(4)LGP4: 180 - 239天,(5)LGP5: 240 - 299天,和(6)LGP6:超过300天(43]。这六个lgp大致沿着湿度梯度,将世界的方式通常是在全球农业生态分区(与以前的研究一致44]。他们计算的天数与足够的温度和降水/种植作物的土壤水分。换句话说,lgp计算的天数的年日平均温度()土壤湿度和降水+ (高于阈值。在GAEZ,三个标准温度阈值温度增长时间使用:(1)时期C,(2)时期C,这被认为是有利于植物生长与发展时期,和(3)时期C,这是作为一个代理为低风险的时期晚,初霜冻发生。在这项研究中,我们选择第二个标准温度阈值(C)计算lgp在中国。我们的阈值设置降水+土壤水分储存在一半的潜在蒸散(ET) (等)和粮农组织保持一致45]。因此,LGP在这项研究中的应用是定义如下: 在哪里(°C)的日平均温度今年15天;(mmday⁻¹)是沉淀+土壤的湿度今年15天;(mmday⁻¹)等今年15天;卡是基数函数计算一组元素的数量。

除了LGP崩溃,世界被细分为三个气候区,热带,晴空万里,北方,使用标准基于绝对最低温度和增长度天(GDD),所述Ramankutty和福利(46]。具体地说,气候带的规则如下: 在哪里(°C)是绝对最低温度;是一年一度的积累的增长程度天数超过5°C。通过计算的平均每日最大和最小温度基本温度相比,5°C。 在哪里和分别是《每日最大和最小温度;(= 5°C)是温度。我们雇佣的定义中使用AEZs GTAP土地利用数据库(35),将世界划分为18 AEZs(表1)。

2.2。数据和过程

观察和预测气候数据被用于这项研究评估AEZs模式的转变在中国受到气候变化的推动。这个数据集包括气候数据,存储在土壤、水分等,历史上观察到的气候数据包括日平均温度、降水、绝对最低温度,每日最大和最小温度收集由中国气象局2006年。样条插值方法用于插入这些数据使用100数字高程模型由中国科学院。这插值方法被选中,因为它考虑了气候地形的依赖通过使用一个小纬度的函数,经度和海拔47- - - - - -50)和平衡安装表面的平滑度和数据的保真度自动通过最小化广义交叉验证(51]。存储在土壤水分观测数据来自土壤分类和土壤复合数据集的规模1:1000000。该数据集是根据调查结果第二次全国土壤普查数据,覆盖1572土壤剖面100厘米深度层(52- - - - - -55]。等数据来自全球蒸散的MODIS(中分辨率成像光谱仪)项目(MOD16)。这个项目旨在估计全球陆地蒸散通过使用卫星遥感数据56,57]。等数据的缺失值补充使用样条插值方法。

预计气候数据包括日平均温度、日常降水,绝对最低温度,每日最大和最小温度从2006年到2050年来自从哈德利中心耦合模型产生的数据集版本3 (HadCM3) GCM(全球环流模型)的温室气体排放情景下B2。B2情景描述的世界里,重点是当地解决经济、社会和环境可持续性。而场景也面向环境保护,社会公平,它关注当地和地区水平(58]。数据是最初获得的空间分辨率缩减规模为1公里×1公里使用样条插值方法。数据处理方案的目的是减少HadCM3所产生的系统误差,提高评估的准确性(图在中国AEZs模式的转变1)。首先,日平均温度的变化,每日降水,绝对最低温度,和每日最大和最小温度每年从2011年到2050年与2006年相比使用预计气候数据计算: 在哪里是指预计日均温度、日常降水,每日最大和最小温度的15天,绝对最低温度,2006年;()是指预计日均温度,每日降水,每日最大和最小温度的15天,绝对最低温度th,指每日平均温度的变化,每日降水,绝对最低温度,每日最大和最小温度每年从2011年到2050年与2006年相比。其次,纠正气候数据可以通过添加生成2006年观察到的气候数据: 在哪里指的是观察到的日平均温度、日雨量,每日最大和最小温度的15天,绝对最低温度,2006年;指的是纠正日均温度,降水,每日最大和最小的温度15天,绝对最低温度th。通过这两个步骤,系统误差预计气候由HadCM3减少生成的数据。考虑到气候变化是一个长期的天气条件的变化,然后我们将修正后的气候数据的平均十年评估AEZs受未来气候变化模式的转变: 在哪里(= 2011、2021、2031、2041)指的是十年平均气候数据包括日平均温度、日降水、每日最大和最小温度的15天,绝对最低温度在2011 - 2020年的时间,2021 - 2030,2031 - 2040,2041 - 2050。最后,在中国未来AEZs得到十年平均气候数据和数据存储在土壤和水分等。

3所示。结果与讨论

评估结果表明,完全有十四AEZs在中国,大多数的经验模式将从2011年到2050年(图2)。AEZ5, AEZ4和AEZ6热带气候的特征将主要发现在中国南部的极端(图2)。AEZ4将稳定模式随着时间的推移和面积和占地016万公顷,这意味着全国不超过0.02%(表2)。AEZ5的面积将增加从2011年到2050年从108万公顷、176万公顷面积扩大63.73%。这一地区增长将主要发生在2021 - 2040年期间。新区AEZ5将主要从AEZ6转移(表3)。AEZ6将经历从1044万公顷面积减少957万公顷期间从2011年到2050年(表2)。除了转换AEZ5,面积减少AEZ6也将由于向南扩张AEZ11(表3,图2)。

AEZ11和AEZ12将占据中国南方的大部分地区(图2)。AEZ12将覆盖约16%的全中国,从2011年到2050年增加388万公顷(表2)。这种扩张将主要是因为西进运动的向南收缩比AEZ12(图2)。和新添加的区域AEZ11不能平衡减少区域从AEZ12扩张(表3)。因此,AEZ11将减少的面积从2050年的8550万公顷增加到2011年的8248万公顷(表2)。此外,向北运动的北部边界AEZ11意味着会有LGP减少,发生在中国中部。AEZ10将下降的面积从2011年到2050年从5352万公顷、4734万公顷主要是由于AEZ11的向南扩张在中国中部和西北部AEZ9扩张中国(表3)。AEZ9的重心将转向东方的总体向北运动AEZ10但它的面积大约是6000万公顷(表将保持稳定2)。

中国北部大部分地区属于AEZ7和AEZ8(图2)。AEZ7将覆盖2.0023亿公顷的2011 - 2020和2.0776亿公顷扩大到2041 - 2050年(表2)。这个地区增加主要是因为AEZ8 AEZ7(表的转换3)。和将会有显著的区域减少AEZ7由于中国西北部AEZ13(表的扩张3)。AEZ8将减少的面积从2011年到2050年从9005万公顷、8341万公顷主要是由于AEZ7的东扩(表2和图2)。AEZ7边界变化和AEZ8意味着会有LGP减少中国北部和西北部的温度降低。另一个重大变化,在中国东北地区减少AEZ15(表2和图2)。五分之一的中国东北AEZ15将转换为AEZ8 AEZ9, AEZ10由于温度上升(表3)。

AEZ13将覆盖约15%的整个中国和超过一半的中国西南地区(表2和图2)。它的面积将扩大从2011年到2050年的1500万公顷主要是由于从AEZ14转换(表3)。这表明LGP中国西南部将通常由未来气候变化增加。和AEZ14将变得更加连续的气候变化(图2)。AEZ15将减少的总面积295万公顷主要是由于它的面积减少在中国东北(表2和图2)。AEZ16和AEZ17将主要分布在中国西南地区(图2)。AEZ16将覆盖1596万公顷的2011 - 2020和2010万公顷扩大到2041 - 2050年(表2)。这些新扩大的领域AEZ16将主要来自AEZ15(表3)。AEZ17的面积将在中国几乎翻了一倍由于未来气候变化虽然仍将占地面积不超过100万公顷(表2)。

总的来说,AEZs的模式在中国会改变由于未来气候变化显著。更改的面积将达到3200万公顷,占全国总面积的3.36%(表3)。当然,AEZs的变化在中国并不单调。边界运动的方向反转AEZ12西南地区2011 - 2040年期间的2041 - 2050年期间是最主要的这种变化(图的例子2)。但AEZs在中国的整体变化趋势包括向北扩张在中国南方,在华北东扩,向南扩张中国西南部是持久的。这些结果得到了使用数据集从温室气体排放情景下HadCM3 B2。肯定发现一些新的结果将通过应用数据集从其他模型和场景。在将来的研究中,我们将解决这些问题。

4所示。结论

AEZs模式的转变在中国受到气候变化进行评估。预计气候数据和历史上观察到的气候数据以及存储在土壤和水分等数据被用于这项研究。利用农业生态的IIASA和粮农组织提出的分区方法,我们画AEZs在中国的四个时期:2011 - 2020,2021 - 2030,2031 - 2040,2041 - 2050。本研究的主要结论可以总结如下。(我)AEZs的整体模式在中国在未来将是稳定的。AEZ4, AEZ5, AEZ6将主要分布在中国南部的极端。AEZ11, AEZ12 AEZ10、AEZ9 AEZ8, AEZ7将按顺序由北向南传播。AEZ13和AEZ14将占据大部分中国的西南部。而且AEZ15部分分布在中国的东北,大多数其他AEZs(包括AEZ15、AEZ16和AEZ17)将销售主要是在中国的西南部。(2)未来气候变化将导致显著的中国地方AEZs的变化。AEZs不会单调的变化随着时间的推移,但AEZs的总体变化趋势是持久的。AEZs在中国未来的变化特点是面积扩大AEZ7, AEZ12, AEZ13, AEZ8 AEZ16和面积缩小,AEZ10 AEZ11, AEZ14, AEZ15。AEZs模式的转变在中国具有向北扩大湿润AEZs半湿润气候的AEZs在中国南部,东扩的干旱AEZs干燥和湿润半干旱AEZs在北中国,和向南扩张的干旱半干旱AEZs在中国西南干旱AEZs。(3)在这项研究中提出的数据处理方案有助于减少系统误差预计气候数据为类似的研究具有较高的参考价值。它已经被我们的实证分析证明了可行性。从气象站观测数据的应用将提高对未来气候变化的影响的评估准确性AEZs原则上的转移模式。

确认

这项研究受到了中国国家基础研究计划(973计划)(没有。2010 cb950904)和中国科学院(没有的关键项目。KZZD-EW-08)。

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