过去300年中国部分省区耕地资源数量变化及驱动因素分析

通过对清代文献资料中田亩数据的分析,认为册载数据基本能够反映耕地面积的总体变化趋势和区域差别,但在总量上失之过低,为能更真实地反映耕地资源的变化实际,文中对其进行了相应处理。在此基础上,研究了300余年以来我国内地18省耕地资源的时空变化特点,总体而言,过去300年间研究区的耕地资源数量呈抛物线式变化,清前期的增长趋势明显,但至清晚期逐渐稳定下来,民国时期略有下降,新中国建立初期基本得到恢复。但是,此后又开始持续减少,过去300年间耕地资源的变化具有较为明显的区域性特点,东部地区的垦殖活动远较西部地区剧烈,但在清前期,西部地区,如四川、甘肃、云南、贵州等省份耕地资源数量的增长趋势更加迅猛。分析表明,这种变化的主要驱动因素是人口增长、政府政策调整、战争影响、自然原因和特定作物的引种与种植扩展等。

中国传统农区过去300年耕地重建结果的对比分析

土地覆被变化是气候与生态效应模拟研究的重要参量。SAGE和HYDE两个全球历史土地利用数据集在相关研究中得到广泛应用,但在区域尺度上的应用,其可靠性如何,至今少有论及。以我国学者重建的传统农区历史耕地数据集(CHCD)为基础,从全区、省区和网格(60km×60km)三个空间尺度,对SAGE(2010)和HYDE3.1数据集中有关中国传统农区历史耕地重建结果进行对比分析,结果表明:(1)SAGE(2010)数据集对中国传统农区耕地数量重建是以单一线性插补而得,其中1700-1950年是以0.51%的年均增长率线性递增,1950年后是以0.34%年均速率线性递减,这种"标准化"变化趋势不能客观反映传统农区土地垦殖的真实历史,耕地面积也明显高估,与CHCD数据集不具有可比性;(2)HYDE3.1数据集吸纳了区域性研究成果,使其在总量上与CHCD数据集较为接近,具有较好的可比性,但其在省区和网格尺度上与CHCD存在显著差异,其中相对差异率超过70%(<-70%或>70%)的网格占比高达56%～63%,超过90%(<-90%或>90%)的网格占比也高达40%～45%;而相对差异率介于-10%～10%的网格占比仅为5%～6%,介于-30%～30%的网格占比也仅为17%左右;(3)充分利用我国丰富的历史文献,建立更高精度的中国区域历史土地利用数据集,是提高区域气候与生态效应模拟研究质量的重要保障。

东北地区过去300年耕地覆盖变化

人类通过耕作活动对自然植被景观的改变是全球环境变化的重要表现形式之一.东北地区是过去300年中国人类活动对土地覆盖变化发生重大影响的典型地区,对于从人类-环境耦合系统的角度看土地覆盖变化及其驱动机制具有重要意义.采用历史数据订正与多源耕地数据关系模型校核相结合的方法,重建了东北地区过去300年耕地面积时间序列以及耕地覆盖的空间格局变化,结果表明:(1)从变化总趋势来看,过去300年东北耕地几乎呈指数增长,增长最为迅速的时期为近100年,垦殖率由约10%增至20%以上;(2)从空间格局变化来看,18世纪中后期之前,东北三省的开垦区域还主要局限于辽宁省,19世纪末至20世纪初开垦区域大规模向北扩张,至20世纪初期,东北的垦殖北界已达到黑龙江中部;20世纪东北整体垦殖强度仍不断增大,但区域差异性逐渐减小,其中,20世纪初至30年代和20世纪50年代至80年代高垦殖率区域扩张较明显,并逐渐形成了3个主要农耕区;在20世纪30～40年代的吉林省与黑龙江省,表现出新垦殖区域向森林地区的扩张.总之,过去300年东北耕地覆盖的时空变化,反映出人类通过土地开垦、森林砍伐等生产活动已较大幅度地改变了该区域的自然景观面貌.

中美过去300年土地利用变化比较

开展历史土地利用变化的国别对比研究,不仅有利于深化大尺度LUCC过程与驱动机制的科学认识,而且对深入研究历史碳排放责任等也有着重要意义。利用长时间序列数据,对中美两国过去300年土地利用/覆被变化的时空特征及驱动因素进行对比分析。结果表明:1过去300年中美两国耕地数量总体均呈持续增长态势,中国在1661-1980s的320余年间耕地总量增长了79.46×104km2,但人均耕地面积却从1685年的5.5亩,下降至2000年的1.5亩;而美国在1700-1950年的250年间耕地面积增加了190.87×104km2,且人均耕地面积均超过9亩,其中1890年高达30.2亩。2受土地垦殖扩张影响,过去300年中美两国林、草地资源均呈持续减少态势;其中,美国森林面积减少了约145×104km2,草地面积减少约137×104km2;而中国森林面积减少了约90×104km2,草地面积减少了约40×104km2。3从空间格局变化特征看,过去300年中国土地垦殖主要向边区(如东北、西南、内蒙等)及内地山地丘陵区发展;而美国在"西进运动"的影响下,大规模向中西部拓殖。4政策、人口、农业技术等因素是影响过去300年中美土地利用/覆被变化的主要因素,但由于两国资源禀赋及发展历史的差异,虽然直接驱动力均体现为政策因素,但就根本驱动因素而言,中国是人口数量,美国则是经济利益;同时,在农业技术发展取向上,中国因"人多地少",走"精耕细作"之路,而美国因"人少地多",走"机械化"之途。

中国东北地区过去300年耕地开垦导致的碳收支

准确估算土地利用/覆盖变化导致的碳收支,有助于准确理解人类活动的环境影响,评估土地利用/覆盖变化对碳循环和区域气候变化的影响,为辨识历史碳排放责任提供科学参考。采用基于历史文献建立的较高空间分辨率的历史土地覆盖数据,利用簿记模型对东北地区过去300年来耕地开垦导致的碳排放量进行了估算。主要结论如下：（1）东北地区经历了大规模的移民和土地开发,全境约26%的土地被开垦为耕地,其中38%的草地被开垦,20%的森林和灌丛被开垦。（2）1683～1980年开垦导致的碳排放量高值和低值分别为2.55和1.06 Pg C,适中的估计值为1.45 Pg C,其中土壤碳库是较大的排放源,植被碳库排放量占总碳排放量的份额不到1/3。（3）黑龙江、吉林和辽宁3省耕地开垦的碳排放量差异显著,黑龙江省碳排放量最大,其次是吉林省,辽宁省碳排放量最小。（4）森林开垦的碳排放量相对较高,其次是草地,沼泽和灌丛的碳排放量相对较小。数据精度分析表明,采用较高空间分辨率的耕地数据,可以进行碳收支分县估算,提高数据精度。与前人研究结果相比,本研究碳排放估算结果较低,主要原因是土地利用数据精度的提高和生态系统分类的细化。

黄河中下游地区过去300年降水变化

基于清代雨雪档案记载、现代器测气象记录及农田土壤含水量观测资料, 根据降水入渗与水量平衡模型和田间试验验证, 定量复原了1736～1910年黄河中下游地区17个站点的降水量, 建立了黄河中下游地区及其4个子区1736年以来的降水变化序列. 通过对重建序列的分析发现: 黄河中下游地区在1915年前后存在降水由多变少的突变. 其中1791～1805年、1816～1830年及1886～1895年等3个时段降水明显偏多; 而1916～1945年及1981～2000年等2个时段降水则明显偏少. 另外, 功率谱分析显示黄河中下游地区降水变化存在22～25年、3.9年及2.7年等3个显著周期. 但在1915年的突变之后, 22～25年的周期信号开始减弱, 至20世纪40年代后期, 这一周期信号完全消失, 代之出现了35～40年的周期.

中美巴印过去300年耕地时空变化的比较研究

本文利用长时间序列数据,对中、美、巴、印四国过去300年耕地时空变化特征及驱动因素进行了比较分析。结果表明:1四国耕地总量在过去300年均呈持续增长态势。中国和印度土地垦殖历史悠久,其中,中国在1700-1980s耕地面积增加了68.21×104km2,印度在1700-2000年增加了131.28×104km2,为中国的1.92倍;美国和巴西虽然农业起步较晚,但发展迅猛,其中,美国在1700-1950年的250年间耕地面积增长了190.87×104km2,分别是中国、印度增量的2.80倍和1.46倍;巴西在1700-2000年增加了64.57×104km2,其中近百年的增量为62.82×104km2,超过了同期其他三国的增加量。2从空间格局变化特征看,近300年来,中国和印度均是在已有耕地分布格局的基础上向高原及山地丘陵地区扩展;而美国在"西进运动"的影响下,耕地大规模向中西部拓殖;巴西随着向北西部开发的推进,北部、西部地区的耕地急剧增加。3过去300年推动四国土地垦殖发展最直接的驱动因素是国家政策,但就根本驱动因素而言,中国和印度是人口,而美国和巴西则是国家财政;在农技发展取向方面,中国和印度选择了精耕细作以提高土地生产率;而美国和巴西则选择了机械化以提高劳动生产率。

过去300年雄安新区涝灾年表重建及特征分析

通过对历史文献、县志和相关期刊中雄县、安新、容城(合称"雄安新区")洪涝灾害记录的摘录整理,并与降水观测数据比对,确定了反映雄安新区1715~2016年洪涝灾害程度的年表,分析了过去300年洪涝灾害时空分布特征.主要结果为:1715~2016年间雄安新区发生洪涝灾害共计139次,平均2~3 a发生1次;其中灾情最为严重的特大洪涝灾害(文中定义为4级)发生在1738,1801,1892和1954年,3级大涝、2级偏涝、1级轻涝发生的年份数分别为14,35和86.1796~1827,1886~1898和1948~1965年3个时期,雄安地区洪涝灾害发生频繁且灾情严重;空间上,偏涝年份,区域内滨临河湖、地势低洼地段容易被淹没,占全区面积的20%~30%,而特大洪涝年份,除了容城地势较高之处,雄安新区约80%面积被淹没.鉴于历史时期本区水患频发,未来城市建设规划设计中需要考虑水灾频率及空间发生特征.

过去300年来新疆奇台县水资源利用的变化及其环境响应

针对新疆奇台县水资源短缺及其生态影响的实际问题,运用人地关系的理论与历史地理学的研究方法,关注事件的过程研究,通过重建研究区人口数量和耕地面积的增长变化,探究一个较长时段内人类利用水资源的变化过程及其对环境影响的阶段性特点。研究表明:在过去300年的时间内,奇台县的水资源利用分为三个特征性阶段:开发利用山水河时期(1767-1864);山水河、泉水河全面开发利用时期(1877-1956);开发利用地下水时期(1956-)。水资源利用变化的环境响应表现为:19世纪末平原区北部苇湖消失;20世纪70年代末河流下游断流、坎儿井废弃、平原区沼泽草湖急剧缩小;20世纪90年代泉水河消失,平原水库废弃;地下水位下降,引起地表植被衰败和土地荒漠化。

过去300年华南地区冷冬指数序列的重建与特征

根据华南地区历史文献记录的特点,参照华南地区冬季气候和天气特征,提出利用史料记录重建华南地区冷冬指数的方法,重建1710-2009年华南地区冷冬指数序列,据此分析过去300年华南地区的冬季冷暖变化特征。结果表明:1710-2009年间,华南地区平均冷冬指数为2.2,相邻年最大相差为3.0,相邻年代最大相差为0.7,波动较为明显;过去300年可分为3个时段:1710-1834年相对暖期、1835-1892年相对冷期和1893-2009年的相对暖期;华南地区冬季冷暖变化呈显著变暖趋势;华南地区冷冬指数序列存在显著的100年、50年、40年和8年周期;重建序列与同时期器测序列具有较高的相关性,可从一定程度上反映华南过去300年冬季变化的规律性,对华南地区和中国冬季冷暖变化特征研究可能具有些许参考意义。

南昌1736年以来的降雪与冬季气温变化

利用清代雨雪分寸记录,重建了南昌1736年以来的初雪日期、降雪日数、降雪量及冬季气温变化序列。分析显示:1)1736～1910年的平均初雪日期比1951～2007年早20天,前一时期约58%的年份初雪日出现于12月,后一时期约51%的年份初雪日出现于1月;2)1736～1910年的冬季平均降雪日数比1951～2007年多4天;1951年以后降雪日数呈逐渐减少趋势,并在1997年发生由多到少的突变;3)1736～1910年的平均降雪量较1951～2007年多28.0mm;1860s和2000s分别为过去300年降雪量最多和最少的年代,二者相差85.6mm;4)1736年以来南昌经历了1790s～1810s和1860s～1900s的寒冷期,1730s～1780s和1820s～1850s的偏冷期,1910s～1980s的偏暖期,以及1990s～2000s的温暖期;其中最寒冷年代(1860s)与最温暖年代(2000s)的冬季气温相差3.0℃。此外,南昌的冬季气温存在34年和45年的变化周期。

近300年来新疆头屯河与三屯河的变迁及其影响因素

水资源受到气候变化和人类活动的双重影响。本文选取新疆天山北麓的头屯河与三屯河为研究对象,深入讨论河流变迁过程及其对气候变化、人类活动的响应。研究揭示,近300年来新疆头屯河与三屯河水系发生了两次较大的变化:19世纪末20世纪初,原本相互独立的三屯河水系与头屯河水系,由于三屯河东支汇入头屯河,而使汇流后的头屯河河道向东北延长,汇入乌鲁木齐河,继而汇注形成较大的白家海子终点湖;20世纪中期以来,头屯河与三屯河流程缩短,不能与乌鲁木齐河汇流注入白家海子,两河再次相互独立。其中,19世纪末20世纪初头屯河与三屯河的水文变迁事件与同一时间天山北麓的其他河流、湖泊变迁特征具有一致性。本文的研究进一步揭示,过去300年间,头屯河与三屯河流域两次大的水文变迁事件都是在区域气候处于相对少雨期发生的,水文变化更多地是对区域人文因素变化的响应。

华南地区300年来逐年冷冬指数数据集(1710-2009)

在对华南地区(包括广东、广西、福建和海南等省区)历史文献资料(包括清代雨雪分寸档案和地方志类汇编资料)和仪器观测记录(中国地面气候资料日值数据集和分月中国地面气象记录)汇编基础上,基于鹿世瑾等(1990)的华南地区冬季冷暖分级标准,建立华南地区冷冬指数重建标准,即1级为冷;2级为寒;3级为大寒;4级为特寒。根据记录发生地区的霜雪冰冻状况,确定华南地区冬季的寒冷程度,对缺失年份进行了数据差补,以此研发了华南地区300年来逐年冷冬指数数据集(1710-2009)。数据结果表明,在300年中,大多数年份(145年)为寒(2级),占比48.33%;其次为大寒(3级,98年),占比32.67%;50年冷冬指数为冷(1级),占比16.67%;仅7年为特寒(4级),占比2.33%。该数据集存储为.xlsx格式,数据量为13.7 KB。

1724年以来北京地区雨季逐月降水序列的重建与分析

长尺度高分辨率降水重建是过去全球变化研究的重点内容之一。本文以1724-1904年清代逐日降水记录"晴雨录"为基础数据,结合现代降水观测资料,利用最小二乘法建立了逐日降水等级与降水量的关系方程,方程方差解释量达到85%以上,进而重建了1724-1904年北京的5-9月逐月降水量。同时,结合早期及现代器测降水资料,分析了1724年以来北京的5-9月逐月降水量的变化特征。降水重建序列具有以下特征:存在明显的年际—年代际降水周期,其中年际尺度的波动为2-7年;年代际尺度的波动在1890年以前以61-90年为主要周期,而1890年以后则转为25-40年。1724-1742年,1783-1820年,1871-1890年,1916-1930年,1950-1965年和1981-2000年降水偏多;1743-1782年,1821-1870年,1897-1915年,1931-1949年,1966-1980年和2000年以后降水偏少。