气候变化背景下东北地区作物结构布局更替驱动与粮食产量提升潜力研究

As an important commercial grain production region, the total grain production in the Northeast China (NEC) directly influences the national food security. Within the context of climate change, changes in regional agro-climatic variables would lead to alternation on the cropping structure and grain production. Therefore, studies on driving forces to cropping structure replacement and boost potential of grain yield in the NEC under the background of climate change is theoretically and practically important. In this study, we collected the agro-meteorological observations, agricultural statistics, land using and remote sensing data for the most recent three decades. And then adopted a set of incorporative methods: data analyses with field investigation, spatial data analyses with remote sensing data, statistical analyses with crop modeling. Based on the regional-level and county-level scales, the goal of this study is as following: (1) analyze the variation of cropping structure in the NEC; (2) study the effects of climate change on cropping structure replacements; (3) reveal the impacts of climate variables on crop species, varieties, and maturity; (4) understand the driving force mechanism of climate change on cropping structures; (5) analyze the contribution of climate variables and socio-economic factors on cropping structure replacement; (6) quantify the relationship between cropping structures and regional grain production; (7) offer scientific support for the suggestions on cropping structures in order to boost the grain production in the NEC.

东北地区是我国重要商品粮基地，其粮食总产直接关系国家粮食安全。气候变化背景下东北地区农业气候资源亦发生相应改变，直接影响区域作物结构布局及粮食总产。研究东北地区气候变化背景下作物结构布局更替驱动力及区域粮食总产提升潜力具有重要的理论和实践意义。项目利用近30年的农业气象观测、农业统计、土地利用及遥感影像等资料，采用资料分析与实地调查相结合、空间数据分析与遥感影像相结合、数理统计分析与作物模型相结合方法，基于区域尺度和县域尺度，系统分析东北地区作物结构布局时空更替动态特征，研究气候变化对作物结构布局更替的影响机理，揭示气候资源要素对作物种类、作物品种和品种熟性的影响规律，明确气候变化对作物结构布局驱动力机制，解析气候资源要素和社会经济要素对作物结构布局更替驱动份额，定量作物结构布局与区域粮食作物总产关系，提出基于东北地区粮食总产提升的作物结构区域布局，为保障东北地区粮食总产提升提供理论依据。

东北地区是我国气候变化敏感区，气候变暖背景下作物生长季延长、种植北界北移；该区域也是商品粮基地，总产提升在我国粮食安全中具有重要地位。作物结构布局受气候、技术、经济和价格等影响，而气候变化对作物结构布局驱动程度以及粮食总产与结构布局定量关系研究仍存在空白。项目以东北三省水稻、玉米和大豆为研究对象，以气候变化背景下作物结构布局更替为切入点，明确气候变化对结构布局更替影响程度，比较作物种类和品种对气候变化适应性；解析气候变化、技术、经济等因素对作物结构布局更替驱动贡献份额；揭示结构布局与粮食总产定量关系，提出基于区域粮食总产提升、经济效益和资源效率多目标区域尺度和县域尺度作物结构布局。研究成果可为作物结构调整，保障粮食安全提供科学依据。. 取得进展：（1）1961-2017年期间，水稻全生育期和营养生长阶段呈暖干变暗趋势、生殖生长阶段呈暖干变亮趋势，玉米全生育期和生殖阶段暖干变亮、营养阶段暖干变暗，大豆全生育期和生殖阶段暖干变暗、营养阶段暖湿变暗；（2）气候变化背景下玉米早中晚熟品种、水稻种植北界和可能种植区均不同程度北移，水稻以及玉米早中晚品种种植北界变化敏感带，中晚熟品种替代早熟品种，产量提高，水稻和玉米冷害发生频率和玉米干旱风险均增加；（3）定量种子、灌溉、化肥和农药、其他成本投入以及气候因素对水稻、玉米、大豆产量贡献份额，灌溉和种子是水稻产量提升的主要驱动因子，化肥和种子是玉米和大豆产量提升的主要驱动因子，同时剥离太阳总辐射、≥10℃积温和有效降水对产量影响程度；（4）基于县级实际产量和潜在产量，明确了作物单产提升幅度在空间上由东北向西南方向增加。定量了水稻、玉米和大豆可提升单产区域平均分别为6647 kg•ha-1、7779 kg•ha-1和1968 kg•ha-1；（5）揭示了县域尺度现有土地利用条件下三大作物总产提升平均幅度为0.61万t-458.39万t，其中？2.75-9.89%地区县级总产可提升幅度200万t以上；提出基于产量、经济收益、资源利用效率多目标作物种植优先序。