The Possible Effect of Climate Warming on Northern Limits of Cropping System and Crop Yield in China

Significantly increasing temperature since the 1980s in China has become a consensus under the background of global climate change and how climate change affects agriculture or even cropping systems has attracted more and more attention from Chinese government and scientists. In this study, the possible effects of climate warming on the national northern limits of cropping systems, the northern limits of winter wheat and double rice, and the stable-yield northern limits of rainfed winter wheat-summer maize rotation in China from 1981 to 2007 were analyzed. Also, the possible change of crop yield caused by planting limits displacement during the periods 1950s-1981 and 1981-2007 was compared and discussed. The recognized calculation methods of agricultural climatic indices were employed. According to the indices of climatic regionalization for cropping systems, the national northern limits of cropping systems, winter wheat and double rice, and the stable-yield northern limits of rainfed winter wheat-summer maize rotation during two periods, including the 1950s-1980 and 1981-2007, were drawn with ArcGIS software. Compared with the situation during the 1950s- 1980, the northern limits of double cropping system during 1981-2007 showed significant spatial displacement in Shaanxi, Shanxi, Hebei, and Liaoning provinces and Beijing municipality, China. The northern limits of triple cropping system showed the maximum spatial displacement in Hunan, Hubei, Anhui, Jiangsu, and Zhejiang provinces, China. Without considering variety change and social economic factors, the per unit area grain yield of main planting patterns would increase about 54-106% if single cropping system was replaced by double cropping system, which turned out to be 27- 58% if double cropping system was replaced by triple cropping system. In Liaoning, Hebei, Shanxi, Shaanxi, Gansu, and Qinghai provinces, Inner Mongolia and Ningxia autonomous regions, China, the northern limits of winter wheat during 1981-2007 moved northward and expanded westward in different degrees, compared with those during the 1950s-1980. Taking Hebei Province as an example, the northern limits of winter wheat moved northward, and the per unit area grain yield would averagely increase about 25% in the change region if the spring wheat was replaced by winter wheat. In Zhejiang, Anhui, Hubei, and Hunan provinces, China, the planting northern limits of double rice moved northward, and the per unit area grain yield would increase in different degrees only from the perspective of heat resource. The stable- yield northern limits of rainfed winter wheat-summer maize rotation moved southeastward in most regions, which was caused by the decrease of local precipitation in recent years. During the past 50 yr, climate warming made the national northern limits of cropping systems move northward in different degrees, the northern limits of winter wheat and double rice both moved northward, and the cropping system change would cause the increase of per unit area grain yield in the change region. However, the stable-yield northern limits of rainfed winter wheat-summer maize rotation moved southeastward due to the decrease of precipitation.

全球气候变暖对中国种植制度可能影响 Ⅰ.气候变暖对中国种植制度北界和粮食产量可能影响的分析

【目的】在全球气候变化背景下,中国气温自20世纪80年代明显升高已成为共识,这一变化对中国农业生产尤其是对种植制度的影响越来越受到中国政府和专家学者的重视。为了回答这一问题,笔者以1981年为时间节点,把从20世纪50年代至今分为2个时间段,分析和比较后一时段气候变暖对全国种植制度北界、冬小麦种植北界、双季稻种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界的可能影响,以及由于种植北界的空间位移对作物产量可能的影响。【方法】依据全国种植制度气候区划指标、冬小麦和双季稻种植北界指标以及雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界的降水量指标,采用公认的农业气候指标计算方法,使用ArcGIS分别绘出1950s—1980年、1981—2007年2个时段全国种植制度北界图,以及冬小麦种植北界图、双季稻种植北界图、雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界图。【结果】(1)与1950s—1980年相比,1981—2007年一年二熟制种植北界,空间位移变化最大的区域在陕西省、山西省、河北省、北京和辽宁省。一年三熟制种植北界,空间位移变化最大的区域为湖南省、湖北省、安徽省、江苏省和浙江省。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下,这些区域由一年一熟变成一年二熟,主体种植模式的粮食单产平均可增加54%—106%,由一年二熟变成一年三熟,主体种植模式的粮食单产平均可增加27%—58%。(2)与1950s—1980年相比,1981—2007年辽宁省、河北省、山西省、陕西省、内蒙古、宁夏、甘肃省和青海省冬小麦的种植北界不同程度北移西扩。以河北省为例,冬小麦种植北界的北移,可使界限变化区域由春小麦改种冬小麦,单产平均增加约25%。(3)浙江省、安徽省、湖北省和湖南省双季稻的种植北界向北移动,单从热量资源的角度出发,可使其粮食单产不同程度增加。(4)雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界大部分区域向东南方向移动,这是由于近年来该区降水量减少造成的。【结论】在过去的50年中,由于气候变暖造成了全国种植制度界限不同程度北移、冬小麦和双季稻种植北界北移,熟制的变化可能使种植制度界限变化区域的粮食单产增加。然而降水量的减少造成了雨养冬小麦-夏玉米稳产北界向东南方向移动。

全球气候变暖对中国种植制度可能影响:Ⅵ.未来气候变化对中国种植制度北界的可能影响

【目的】气候变化已是一个全球性的问题,中国未来气候将继续变暖,这一变化将对中国的农业生产造成一定的影响。本文旨在研究未来气候变化对中国种植制度北界、冬小麦种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界以及热带作物种植北界的影响。【方法】依据全国种植制度气候区划指标、冬小麦种植北界指标、雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界指标以及热带作物种植北界指标,采用经典的农业气候指标计算方法,分析与1950s—1980年相比,未来30年(2011—2040年)及本世纪中叶(2041—2050年)全国种植制度界限北界、冬小麦种植北界、雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界、以及热带作物的种植北界的变化。【结果】(1)与1950s—1980年相比,2011—2040年和2041—2050年的一年两熟带和一年三熟带种植北界都不同程度向北移动,其中一年一熟区和一年二熟区分界线,空间位移最大的省(市)为陕西省和辽宁省,且2041—2050年种植北界北移情况更为明显;一年两熟区和一年三熟区分界线,空间位移最大的区域在云南省、贵州省、湖北省、安徽省、江苏省和浙江省境内,且2041—2050年种植北移情况更为明显。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下,这些区域由于气温升高种植制度由一年一熟变为一年两熟、由一年两熟变为一年三熟,区域内单位面积周年粮食产量可不同程度提高。(2)与1950s—1980年相比,2011—2040年和2041—2050年的冬小麦的种植北界在辽宁省、甘肃省和宁夏回族自治区都不同程度向北移动,在青海省冬小麦种植界限为西扩明显。在不考虑其它因素影响的前提下,该区域由于冬小麦替代春小麦可带来单位面积产量的提高。热带作物安全种植北界在广西省和广东省境内北移情况比较明显。而未来降水量的增加将使得大部分地区雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界向西北方向移动。【结论】到2011—2040年和2041—2050年,气候变化将会造成全国种植制度界限不同程度北移、冬小麦种植北界北移西扩、热带作物种植北界北移。而未来降水量的增加将使得大部分地区雨养冬小麦-夏玉米稳产种植北界向西北方向移动。

黄淮海地区冬小麦种植北界时空演变及未来趋势分析

为探索黄淮海地区冬小麦种植北界的变化规律,该文基于黄淮海及周边地区94个气象站1961—2017年逐日气象数据和代表性浓度路径(representative concentration pathways,RCPs)RCP4.5、RCP8.5情景下2011—2100年逐日温度数据,采用5个气候指标对黄淮海地区冬小麦种植北界进行分析。主要结论如下:1961—1970年黄淮海地区冬小麦种植北界主要分布于天津—河北霸州—保定—石家庄—邢台—山西临汾一线;1971—1980年,该线在河北境内北移约65km,在山西境内北移约40km;与1971—1980年相比,1981—1990年北界变化较小,仅在河北唐山附近略南移,山西运城附近略北移;与1981—1990年相比,1991—2000年北界变化较大,尤以山西地区为最,将原本的正弦线趋势压缩为平滑抛物线趋势,临汾附近南移,阳城附近北移;相较于1991—2000年,2001—2010年北界略北移;相较于2001—2010年,2011—2017年北界呈南移现象。未来RCP4.5情景下,2011—2040年冬小麦种植北界主要分布在河北乐亭—唐山—北京—河北保定—石家庄—邢台—山西榆社—临汾一线;2041—2070年该线在河北境内北移至秦皇岛,山西境内北移至介休;与2041—2070年相比,2071—2100年北界在河北境内趋于稳定,在山西境内北移至太原北部。RCP8.5情景下,冬小麦种植北界变化较大:2011—2040年北界位于河北秦皇岛—唐山—北京—河北保定—石家庄—山西临汾一线;2041—2070年,该线在河北境内北移至遵化、青龙附近,在山西境内北移至兴县、太原附近;2071—2100年,北界北移至河北承德—丰宁—张家口—怀来—保定—山西原平—五寨—河曲一带。此外,与RCP8.5相比,RCP4.5情景下黄淮海地区冬小麦种植北界变化趋势较小。该研究可为黄淮海地区冬小麦种植敏感性地带适应气候变化提供理论依据和技术支撑。