旱区人地耦合系统水-粮食-生态关联研究述评

气候变化和人类活动影响下的旱区水-粮食-生态关联机制,是人地耦合系统研究的前沿科学问题之一,为全面保障以水安全为纽带的旱区生态安全和粮食安全提供科学支撑。本研究通过梳理水-粮食-生态关联研究前沿,凝练得到四方面认识：① 在时空特征判别中,旱区土地利用是普遍涉及的水-粮食-生态关联载体;② 在驱动机制分析中,生态系统服务权衡协同关系得到关注,但研究多止步于统计描述;③ 在模型使用中,社会水文系统模型是重要研发对象,生命周期模型和生态系统服务流模型也得以使用;④ 在决策支持中,基于水-粮食-生态关联视角并适用于本地旱区的国土空间规划、资源用途管制、资源使用增效途径仍处探索阶段。在未来研究中,有必要深化旱区生态水文过程对农业生产的影响与响应、旱区生态系统服务权衡及其对人类福祉的影响、旱区水生态安全格局优化下的国土空间开发与保护等研究议题,从而架构水-粮食-生态关联研究从科学到决策的桥梁。     

长江三角洲土地利用变化与粮食安全分析

定量描述粮食产量对土地资源波动响应的程度对理解区域土地利用变化与粮食生产关系具有重要意义。分析长江三角洲地区耕地面积变化与粮食生产相关性及耕地质量变化对粮食单产的影响,分析粮食生产对土地利用变化响应的敏感性。结果表明:粮食产出与土地利用变化具有强相关性,耕地质量和数量的变化对粮食生产的影响及粮食安全敏感系数在不同时间段呈规律性变化,且在波动中平衡,耕地数量与质量变化是粮食安全的重要制约因素。     

太湖流域粮食生产格局变化及影响机制研究

太湖流域是中国传统粮食高产区,其粮食生产演变对我国粮食安全意义重大。该文从宏观视角探讨了该区1985-2010年27个县域粮食生产的时空变化及其影响机制,结果表明:该区粮食产量波动较大,但总体呈下降趋势,历经波动发展-急剧减少-稳步增长三阶段,粮食总产变异系数和波动系数均超过全国平均水平,区域粮食安全风险较大;空间分布上高产区不断减少,低产区范围扩大,粮食生产重心移动与人口重心移动方向相反,粮食供需矛盾加大。耕地数量、质量、结构和方式等的变化是驱动粮食生产时空变化的重要机制,其中不同质量水平的耕地数量和耕地利用方式变化是影响粮食生产的重要因子。落实差别化耕地保护政策、避免耕地资源隐性流失、转变耕地利用方式等具有重要现实意义。     

气候变化和物候变动对东北黑土区农业生产的协同作用及未来粮食生产风险

东北黑土区是中国重要的粮食生产基地,也是中国气候变化最敏感的地区之一。然而,气候变化背景下东北黑土区气候及物候变化对农业生产力的综合影响并不清晰,未来农业生产风险评估的定量化程度不够,风险等级制定缺乏依据。本文借助遥感产品、气候资料和模拟数据等资料,综合运用多元线性回归、相关分析及干旱危险性指数等方法,探究东北黑土区作物物候动态及其气候响应特征,辨识气候与物候变化对农业生产的复合效应及未来可能风险。结果表明：① 2000—2017年东北黑土区29.76%的区域作物生长季开始期呈显著延后趋势,16.71%的区域作物生长季结束期呈提前态势,生长季开始期受气温的影响范围广,且滞后时间长;生长季结束期与前期气候变化关系更加密切,且带状差异性响应格局尤其明显。② 气候变化和物候期改变对作物生产的解释能力较生长季同期气候变化的解释能力增加了70.23%,解释面积扩大了85.04%。③ RCP8.5情景下东北黑土区粮食总产量呈现上升趋势,粮食生产风险表现出“南增北减”的演变特征,风险区面积不断扩大,全球温升2.0 ℃时,松嫩黑土亚区南部粮食减产量可能达到10%。研究有助于深入认识气候—物候—作物生产的关联机理及未来粮食生产风险,对制定气候变化应对策略,保障国家粮食安全具有重要意义。     

基于空间模型的全球粮食安全评价

在综合考虑自然、社会和经济等因子对粮食安全影响的基础上,选择了人均粮食占有量和人均GDP两个指标空间显性评价全球粮食安全状况。为此,本研究构建了3个模型,即空间EPIC模型、作物选择模型和IFPSIM模型,分别模拟作物单产、作物播种面积和作物价格。利用构建的评价框架和模型,以网格大小为6分弧度的地理单元为评价对象,选择水稻、玉米、小麦和大豆等4类全球主要作物类型,以2000年为初始年份,对未来2020年的全球粮食安全状况进行了评价。结果表明,到2020年,多数南亚国家和非洲国家,由于其人均粮食占有量和人均GDP两个指标值都显著降低,粮食供应不足和贫困一起将可能导致该区域存在粮食危机和饥饿风险。对于其他区域,日益增长的粮食需求可以通过本区域的粮食生产自给予以满足,或通过外部购买或粮食进口得到满足,总体上不存在粮食安全问题。为保障未来粮食安全,一方面要保护耕地数量和质量、防止土壤退化、增加资本投入、进行技术创新和升级,提高粮食综合生产能力,保障粮食的有效供给;另一方面加大农业补贴,切实提高农民收入,保障农民利益,增强农业购买力。同时,大力改善粮食流通和农产品贸易体制,通过外部市场来调节粮食供给;积极应对气候变化,提高农业生产对气候变化的适应能力,保证粮食生产的稳定。     

气候变化背景下未来西藏粮食供需平衡状况预测

基于组合预测法、生产函数和笔者前期关于气候变化对西藏粮食产量定量影响的工作,对考虑气候变化影响的未来西藏县（区）级尺度粮食供需平衡状况进行预测。结果表明：① 西藏粮食产量较高的区域集中在一江两河等河谷地带,西藏粮食需求量较大的地区主要在人口较多的县市,未来肉类消费增加将会消耗更多的饲料用粮。② 西藏粮食供需平衡状况南北分异明显,南部河谷地区相对较好,北部羌塘高原较差。③ 当前西藏不能实现考虑口粮、饲料粮、工业用粮、种子用粮和损耗5种需求总和的粮食供需平衡,全区自给率为70.58%,2030年和2050年分别下降至62.59%和53.55%。虽然西藏总需求不能完全自给,但仍能保障口粮自给。④ 气候变化整体上对自给率为正面影响。到2030年和2050年,气候变化将使自治区粮食自给状况提升2.45%和2.09%。研究有助于掌握未来西藏粮食安全状况,规划农业布局,以期保障边疆粮食安全、促进高原农业可持续发展。     

基于小波分析的粮食产量对气候变化的响应研究——以西藏自治区为例

提取1960-2005年西藏自治区粮食单产数据,选取4个典型气象台站,以粮食耕作面积作为加权因子获取综合气象因子数据,采用小波分析方法分析粮食产量对气候变化的响应关系,并预测后期西藏自治区粮食产量的总体趋势。研究发现,西藏粮食单产、气温、光照、降水均具有明显的25 a特征时间尺度的周期性波动,粮食产量对气候变化响应密切,气温偏暖、光照偏长、降水偏多对粮食生产较为有利。趋势预测表明西藏自治区的粮食生产正由相对丰年向相对贫年转化,需引起重视。     

从中国视角看埃塞俄比亚农业生产与粮食安全（英文）

粮食安全和农业可持续发展一直是科学研究的热点议题,特别是在2016年受饥饿影响的人口数量出现增长之后。由自然灾害和战争等因素引起的饥饿现象在埃塞俄比亚反复发生并且伴随的持续时间很长,这一直困扰着埃塞俄比亚的发展。而不同于埃塞俄比亚,虽然在上个世纪同样面临着饥饿带来的严峻挑战,中国却成功地在较短时间实现了国家粮食的自给自足。在两个国家不同的环境与社会政治的背景下,通过两个国家异同的对比为埃塞俄比亚的发展与粮食自给自足的早日实现提供重要的教训和见解。介绍中国与埃塞俄比亚向粮食安全的目标迈进的历程,量化两国农业生产的差距所在。我们发现埃塞俄比亚的粮食生产受着干旱、土地退化、气候变化、农业生产技术落后以及贫穷的严重阻碍。根据以上面临的挑战,总结了中国在面临这些问题时所采取的相应的响应措施,并结合埃塞俄比亚当前国内的状况来指出实现粮食自给自足的解决方案。     

粮食贸易与水资源安全

粮食生产要消耗大量的水资源,一个国家的水资源与其粮食生产能力密切相关。20世纪90年代虚拟水概念和虚拟水战略的提出为保证粮食安全和水资源安全提供了新的思路。粮食贸易中携带有大量的虚拟水,在满足粮食需求的同时,可以缓解当地水资源紧缺,促进农业生产结构的调整与优化,实现水资源的高效配置。我国作为农业生产大国,应加强虚拟水研究,通过虚拟水贸易减轻水资源压力。应采取调整进出口粮食比例,减少耗水密集型产品出口,调整粮食生产区域布局,加强国内各地区之间的虚拟水贸易等措施,实现粮食安全和水资源安全。     

1637—1643年华北地区极端干旱事件中的粮食危机

粮食作为自然生态系统与社会经济系统的关联点,能够有效地揭示极端干旱事件对自然-经济-社会复合生态系统影响的过程和机理。以粮价异动为切入点,通过粮价通胀指数和“无透雨”的持续时间,分析农业旱情及其对粮食生产的影响,对1637—1643年华北地区极端干旱事件中的粮食安全进行深入剖析。结果显示:华北地区无透雨天数超过150 d,年降水量与5—9月降水量的距平值均≤-30%,水分异常短缺,土壤严重失墒,危及粮食生产安全。因此,降水量距平值≤-30%是华北地区粮食生产安全的临界阈值。此次极端干旱事件是历史同类事件之最,连续无透雨日数最长,地表径流枯竭记录最多,水资源的短缺导致伴生灾害相继发生,超过生态系统的忍耐极限,粮食生长期缩短,减产歉收,绝产绝收,粮食供给链条断裂。粮价通胀指数最低9.50,最高26.70;货币发行与粮食供给失衡,通货膨胀严重,粮价飞涨,市场倒闭,粮食安全体系崩塌,自然-经济-社会复合生态系统发生质变成为历史必然。     

Vulnerability of pastoral farming in Hawke's Bay to future climate change: Development of a pre‐screening (bottom‐up) methodology

Although future climate change will significantly affect New Zealand's climate, how regional climates will be changed remains highly uncertain. As a consequence, pre‐screening sensitivity analysis is recommended for climate‐sensitive activities. A ‘bottom‐up’ approach intended to serve this purpose in the context of non‐irrigated pasture is developed and demonstrated in the Hawke's Bay context. This is achieved using a simple daily water balance model to simulate near‐surface hydrological processes and empirical relationships between transpiration and pasture dry matter production. The Hawke's Bay case study indicates that the methodology has merit and is worthwhile pursuing nationally (with refinements).     

气候变化对植物多样性的影响研究综述

植物多样性是生态系统结构和功能的基础,气候变化已对其产生了深刻的影响,甚至于严重威胁.植物多样性的减少或丧失必然会影响生态系统结构和功能的稳定性,导致严重的生态、经济和社会后果.植物多样性对气候变化的响应受控于气温和水分的动态平衡.本文系统总结了气候变暖和降水格局变化对植物多样性的影响,分析了气候变化对不同生态系统、群...     

近四十年来我国气温的长期变化趋势*

利用160个站1951—1988年的气温资料,本文对近四十年来我国气温变化过程和时空特征作了分析。结果表明:全国十年平均气温从50年代至今一直在升温,80年代较50年代升高0.2℃。一般升温随纬度的增高而加强,冬秋季全国普遍增温,且升温幅度最大,夏季一般降温或升温幅度很小。总的趋势是近40年来我国大部分地区有冬暖夏凉的变化。     

龙滩水库贵州库区局地气候变化分析

利用龙滩水库贵州库区及其周边10个气象站1961～2010年气象资料,采用线性倾向估计方法对贵州库区的年平均气温、降水量、日照时数、相对湿度做变化趋势分析,采用秩和检验方法对各要素比值的平均值进行水库蓄水前后差异性分析。结果表明：贵州库区年平均降水量和日照时数较常年偏多,其变化趋势主要是大尺度大气环流影响造成的,水库影响不明显;水库蓄水后,使近库区年平均气温降低,年平均相对湿度增大,水库对年平均气温产生影响的最大距离在14～17 km,而对年平均相对湿度产生影响的最大距离〈14 km。     

Assessing Climate Change in the Contiguous United States Using a Modified Thornthwaite Climate Classification Scheme

Climate change across the contiguous United States is investigated using a modified version of Thornthwaite's climate classification scheme. This approach allows both moisture and thermal conditions to be examined simultaneously for a better assessment of multivariate climate change. Changes in area of different climate types over time is determined using the climate year approach and the spatial nature of climate change is examined by computing climate types based on averages from three thirty-year periods over the twentieth century. Over the study period from 1895 to 2005, statistically significant changes in areal coverage of different climate types have occurred. In the eastern half of the country, climate divisions have become wetter and changed to moister climate categories. The most prominent change has occurred in the Deep South, where the climate has changed to both a lower thermal category and a wetter moisture category. Much of the country has experienced positive temperature trends, but only climate divisions in the Southwest and Upper Midwest show changes to higher thermal categories.     

Map-Based Web Tools Supporting Climate Change Adaptation

This article discusses the state of the art in geovisualization supporting climate change adaptation. We reviewed twenty selected map-based Web tools, classified by their content and functionality, and assessed them by visual representations, interactive functions, information type, target audience, and how vulnerability and adaptation to climate change are addressed. Our study concludes that the tools (1) can be classified as data viewers with basic functionality and data explorers offering more sophisticated interactive functions; (2) mostly feature moderate or high richness of data content; and (3) predominantly target expert users.     

新疆博州地区近46年来的气候变化特征

根据新疆博尔塔拉蒙古自治州(简称博州,下同)四个气象代表站点的气温及降水资料,利用线性趋势函数及t检验法分析了该地区近46年的气候变化。结果表明,博州年平均气温、平均最高气温、平均最低气温均呈上升趋势,而且平均最低气温上升的幅度远大于平均最高气温的上升幅度。年平均气温及年平均最低气温约在20世纪80年代中期出现了显著的均值突变,而年平均最高气温在80年代末出现突变;除春、夏季平均最高气温无明显变化趋势外,其它各季平均气温、平均最高气温、平均最低气温均呈上升趋势,其中均以冬季增幅最大,秋季次之;80年代冬夜升温最强劲,90年代则明显减弱;夏季的平均气温与平均最低气温均在70年代中期出现突变,比其它任何突变时间都早;暖温年多发生在80年代后,冷温年多发生在20世纪60年代、70年代。年降水量略呈上升趋势,少雨年多在60年代、70年代,多雨年多在近20年,除春季外,其余各季降水略有上升趋势。     

全球气候治理的伦理学讨论

气候变化及其应对在短短20年期间逐渐成为全球重要议题,以何种共赢、共识的方式行动起来,这不仅仅是技术进步问题,更是对人类集体认知的挑战。因此,需要从伦理学的角度尤其是基于气候变化的长期性和不确定性认识考虑全球气候治理问题。首先经济手段是全球行动和气候决策的最有效方法,但是它仍然存在各种争议,经济目标并非进行决策的唯一选项,除了经济上的效率原则,人类生活中还需要其他原则。其次,在应对决策上,不论是减缓还是适应,不论是征税还是补贴或是不同的贴现率决策,都需要更公平公正的路径来实现共赢,而这又必然涉及代际公平的讨论,进而又必然导致伦理准则的讨论。再次在气候变化决策模拟过程中,任何一个参数的设置和选择都涉及到价值判断,从而又让争论回到伦理原则。另外,不同国家和政府基于不同的国情和目的采取各种各样的碳税政策,要统一或协调可以用于全球所有国家和地区的标准就不仅仅是经济学问题,而是公平问题。因此基于全球气候治理的复杂性,文章提出基于更全面科学认知基础上的政策模拟才是人类进行气候治理的最佳方法。     

祁连山讨赖河流域1957—2012年极端气候变化

全球气候变化背景下,极端气候事件发生的频率逐年增大,由此引发的气象灾害事件也随之增加。鉴此,本文利用祁连山讨赖河流域1957—2012年的气象观测资料,对该流域23个极端气候指数的时空变化特征做了研究。结果表明：（1）极端气温升高趋势明显,夜间和白天极端低温日数显著减少,极端气温昼指数显著增大;气温日较差变化幅度很小,霜冻日数显著减少,生长季长度明显加长,冰冻日数2000年后增加;夜指数增大幅度大于昼指数,秋、冬季极端气温升高幅度大于春、夏季。（2）极端降水指数增大趋势明显,雨日降水总量、连续五日降水总量和中雨天数均展现出增大态势,反映出连续降水事件的增加;极端降水量事件增大显著,但雨日降水强度变化不大;除最多连续无降水日数外,极端降水日数指数展现出增大趋势;降水日数夏、秋季节分配趋向均匀化;降水量的增加主要是单次降水时间持续加长和中雨日数增加的贡献;高海拔区极端降水事件发生的频次较大。     

气候模式同站点插值外推气象数据的比较

在气象站稀疏的中亚荒漠地区采用基于大气物理机制的区域气候模式,可获得高分辨率格点气象资料进行气候变化研究.针对中亚地区1958-2001年的气候变化,采用RegCM区域气候模式对ERA40和NCEP/NCAR两套气象再分析数据进行动力降尺度至40 km,并将结果同三套基于气象站点插值外推的格点数据(CRU、WM和APHRO)进行比较.所有数据一致表明,1960年代以来新疆地区的气温显著增加,南疆地区降水增加、天山山区降水减少.除APHRO外,数据都表明北疆地区降水呈增加趋势.RegCM模拟的气温和降水数据与站点外推数据空间分布格局基本一致;但RegCM数据年平均气温低于站点外推数据,RegCM数据在新疆山区的年降水量是站点外推数据年降水量的1.3倍.由于研究区内73％的气象站点分布在中山带以下的干热气候区,站点外推数据可能低估山区降水并高估该区域气温.与站点插值外推的格点数据相比,区域气候模式具有能细致描述区域内中小尺度的地形/下垫面特征、更精确反映气象要素空间变异格局的能力.但因为缺乏足够的地面观测以及高精度遥感反演气象数据,当前尚无法全面评估区域气候模式在中亚地区尤其是山区的模拟精度.