摘要
气候变化影响作物种植分布，作物合理种植规划是保证粮食安全的前提。以往的研究多采用作物的潜在分布来评价种植适宜性，但关于作物潜在分布范围内的产量信息不明确，很难对作物种植制定详细可靠的规划。为应对气候变化下作物种植规划问题，本研究以中国为例，使用气候和 CO2浓度等数据驱动基于过程的农业生态系统模型（Lund-Potsdam-Jena General Ecosystem Simulator，LPJ-GUESS），模拟了2001–2100年三个社会共享经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSP119、SSP245和SSP585）下中国主要粮食作物（玉米、小麦和水稻）潜在产量，进而分析了当前时期（2001–2020年）和未来时期（2081–2100年）作物潜在产量的时空变化；采用偏相关分析的方法确定温度、降水、辐射和 CO2浓度与潜在产量的偏相关系数，进而确定影响我国主要粮食作物潜在产量的主导因子；基于作物的潜在产量构建了作物高产稳产评价体系，根据作物实际分布站点和累积频率法划分作物潜在种植适宜区，进而分析了作物种植适宜区在不同时期的时空格局变化；利用作物实际分布数据，探讨了中国主要粮食作物在应对未来气候变化下种植格局的调整策略。主要结论如下： （1）2021–2100年，中国的玉米、小麦和水稻年平均潜在产量在SSP245和SSP585情景下均呈现波动上升的趋势。2001–2020年，中国玉米、小麦和水稻的平均潜在产量分别为3.99±0.01 t/ha、5.37±0.01 t/ha和2.07±0 t/ha。其中，玉米潜在产量在长江中下游平原和华北平原南部较高，在新疆、内蒙古西部和大兴安岭北部较低；小麦潜在产量在长江中下游平原、巫山、云贵高原、横断山脉、西藏东南部和台湾较高，在青藏高原、新疆、内蒙古高原西部和南部沿海省份较低；水稻潜在产量在中国南部高，在中国北部低。与2001–2020年相比，2081–2100年3种SSP情景下玉米、小麦和水稻的平均潜在产量都将增加。未来时期，玉米潜在产量增加、减少的面积比例将分别占中国的57.63~90.93%、4.08~21.64%；小麦潜在产量增加、减少的面积比例将分别占中国的2.74~40.53%、58.46~40.53%；水稻潜在产量增加、减少的面积比例将分别占中国的41.61~92.64%、0.01~34.47%。 （2）3种SSP情景下，年降水量、年平均温度、年太阳辐射和CO2浓度主导玉米潜在产量的地区分别占中国的29.39~39.73%、20.3~30.28%、5.26~6.96%和3.95~32.72%；主导小麦潜在产量的地区分别占中国的28.09~43.58%、11.42~22.05%、2.82~12.33%和23.88~45.71%；主导水稻潜在产量的地区分别占中国的 17.40~21.88%、2.51~13.3%、1.56~4.4%和19.97~61.49%。年降水量与三种作物潜在产量在中国北部和中部呈正相关；年平均温度与三种作物潜在产量主要在中国南部和东北部与高海拔地区呈正相关；年太阳辐射与三种作物潜在产量在中国南部沿海地区呈正相关，在中国东北部和高海拔地区呈负相关；CO2浓度与三种作物潜在产量在大部分地区呈正相关。 （3）2001–2020年各作物的潜在产量稳定性表现出较大的空间差异。未来的气候变化将改变每种作物的潜在产量稳定性，与2001–2020年稳产区相比，未来时期SSP119情景下玉米稳产面积扩大，但SSP245和SSP585情景下玉米稳产面积缩小；未来时期，小麦和水稻的稳产区域减少；2001–2020年，玉米最适宜、高适宜、中适宜、低适宜和不适宜面积区域比例分别为11.29%、20.79%、17.67%、20.56%和29.69%；小麦分别为14.66%、18.71%、26.38%、25.71%和14.54%；水稻分别为1.85%、19.29%、17.33%、20.82%和40.71%。玉米最适宜区主要分布在华北平原南部、长江中下游平原和四川盆地；小麦最适宜区主要位于长江中下游平原、秦岭和云贵高原以及武夷山脉东部；水稻最适宜区主要分布在东南沿海省份、云南和台湾。与 2001–2020 年的适宜区相比，未来时期玉米、小麦和水稻最适宜区的面积都将扩大，分别比当前时期增加7.72~11.04%、5.42~17.0%和5.34~32.61%。从空间上看，除SSP119情景下水稻外，最适宜区的扩张区域主要在华北平原、长江中下游平原、云贵高原以及中国南部沿海省份和东北部分地区。 （4）2001–2020年，玉米实际分布与最适宜区和高适宜区空间匹配面积比例分别为12.71%、41.71%；相对应的，小麦为13.95%、53.75%；水稻为3.55%、70.49%，各作物最适宜面积尚未被实际作物种植完全占据。2081–2100年各情景下作物实际分布区内种植适宜性均有所增强，实际分布区与玉米、小麦和水稻最适宜区匹配的面积比例对比当前时期分别增加 14.36~31.57%、26.98~65.62%和17.79~80.46%。这表明，尽管未来的自然环境条件更适应于当前作物的实际分布，但作物的实际分布区仍不会完全占用最适合的自然环境资源。空间上，未来玉米种植可扩张到长江中下游平原和河北省；小麦种植可扩大到现有地区的北部和南部，甚至吉林和辽宁两省；水稻种植可由中适宜的东北地区向最适宜、高适宜的南方地区转移，如四川盆地、广东和福建地区。
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