科技部科研院所社会公益研究专项“西北农作物对气候变化的响应及其评价方法”研究成果

      项目通过的研究，对西北地区农作物对气候变化的响应及其评价方法形成了新资料、新技术、新指标、新理论、新认识和新对策，主要概括如下：

      中国西北年降水量以黄河为分界线,黄河以东年降水出现减少趋势,而黄河以西年降水为增加趋势,其中新疆西北和东北部的部分区域及青海高原极小部分区域年降水出现显著增加现象。而青海东南部同甘肃交界处及甘肃东南部少部分区域年降水出现显著减少趋势。总之,西北地区属于西风带气候影响区域(西风区)降水量表现为增加趋势,而属于季风边缘影响的区域(季风区)降水量表现为减少趋势。1992年之前西北地区的年降水量没有表现出明显的增长趋势,尽管在1992年之后增加趋势相对较明显,但没有发生突变现象,

      中国西北近44年来的升温程度是比较明显的。从70年代初气温开始缓慢增加,而从1985年开始以较明显的趋势增加,在1994年开始增加的趋势更为显著,并且在该年发生了增温突变,西北地区年平均气温增加趋势明显,正是由于这些增温突变。

      西北地区最低气温的变暖趋势总体上比最高气温的变暖趋势明显。冬半年极端最低气温的上升在整个气温上升趋势中起主要作用，也反映了西北地区暖冬的特点。

      西北区的东部干旱化趋势发展最显著的区域，其余地区尽管降水量是增加的，但在干湿趋势的变化上却是不明显的，即变化趋势不能通过信度检验。不过，从干燥指数变化的趋势来看，西北区总体上仍以干旱化的趋势变化为主。

      黄土高原≥0℃积温时间演变主要特征是，在10¹a尺度上正积温在1985/1986年出现突变，在1986年之前多波动，增减趋势不明显，之后转为明显上升，1993年之后递增十分突出；负积温变化在1982年附近存在突变；突变前负积温量基本保持正距平，突变后处于连续负距平。

      初霜冻的开始时间仅高原北部—河西走廊地区显著偏晚，西北其它区域初霜冻开始时间没有明显变化。终霜冻结束时间西北区西部显著偏迟，青南高原有略偏迟的趋势，高原北部—河西走廊和西北区东部地区终霜冻结束时间是略偏早的趋势，但均未通过显著性检验。

      西北地区多数地区平均最大冻深在0.5～2m之间，平均2m以上的只有在新疆的天山，青海东北部的祁连山区有零星分布。近几十年来， 西北地区整体最大冻深减小，上世纪90年代是近几十年来最大冻深最浅的时期，其中变化最明显的区域是新疆；西北最大冻深的变化可分为五个敏感区：西北中部区、南疆区、北疆区、青藏高原区、西北东部区。各区最大冻深随时间变化趋势有所不同，西北中部区、南疆区几乎呈直线下降，上世纪90年代的平均最大冻深均比上世纪60年代减少了0.1m，北疆区和西北东部区呈小—大—小的抛物线型式变化，最大冻深的变幅相对较小，青海高原的最大冻深则表现出与其他区域相反的变化趋势，是一个由大—小—大的变化过程，上世纪90年代比上世纪80年代平均最大冻深增加了0.57m。在影响冻土的因素中，干旱区以冬季气温较为显著，而半干旱半湿润区则以地温和封冻前的土壤水分的影响更为显著。

      分析祁连山14个站春季最大积雪深度的变化，祁连山区极端最大积雪深度、区域平均极端最大积雪深度和区域平均最大积雪深度的三阶曲线，在近46a来，均呈现“高－低－高－低”的变化趋势，其中60年代的前5年、80年代初到90年代中期为增加趋势；60年代中期到80年代初、90年代中期以后年呈减小的趋势。目前，祁连山春季最大积雪深度处于变浅的趋势中。

      树轮d¹³C与气候变化。本研究获取了祁连山自东向西7个样点的青海云杉树轮样品，经定年建立了7个样点树轮宽度标准年表。在宽度年表的基础上，通过合理的样本选择建立了树轮δ¹³C序列。主要获得了以下成果：

      （1）树轮宽度生长主要受限于水分(降水)的影响；树木生长在1925－1930年期间表现为较低的生长量，具体表现出较窄年轮，与中国西部上世纪20年代后期的干旱有关。

      （2）在较湿润环境生长的青海云杉水分利用效率增加的幅度大于干旱条件生长的云杉。祁连山树轮δ¹³C自东向西逐渐偏正，显示了水分胁迫的加剧。

      （3）通过树轮δ¹³C序列与气候资料和区域干旱指数（PDSI）之间的相关分析，利用主成分分析提取了第一主成分进行了过去150年来的区域干旱指数重建。

      （4）重建区域干旱指数序列显著体现了研究区上世纪20年代后期和近期十多年的持续干旱期。在过去的上个世纪，没有明显的湿润期出现。同时，过去的150年存在11.6％的极端干旱年（PDSI ≤ -2.0），但没有发现极端湿润年，说明祁连山区处在整体的干旱化大背景下。自1951-2003年时段，区域干旱化与全球变暖密切相关。

树轮气候代用资料的分析结果，有力地佐证了西北区近几十年来气候的总体增暖和区域干旱化特征。

      在半干旱雨养农业区，天气晴朗时，田间春小麦叶片净光合速率日变化呈典型的双峰曲线，有“午休”现象，上午的光合速率明显高于下午，且不同生育期峰值在一天中出现的迟早不同。小麦叶片蒸腾速率的日变化呈不明显的双峰型，其出现最大值的时间晚于净光合速率出现最大值的时间。叶片气孔导度随光合有效辐射的增加而增加，气孔导度在受到环境因子影响的同时，还会对净光合速率和蒸腾作用造成影响。在生长季节，小麦叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度都受到多个环境因子的影响，且各个因子相互作用、相互制约。不同时期，起主导作用的环境因子不同，且同一个环境因子对几个生理指标的影响程度和强度都有差异。其中，光合有效辐射是对叶片蒸腾速率影响最强烈的环境因子，在整个生长过程中，都同蒸腾速率有明显的相关关系。受环境因子的制约最为显著的生理指标是叶片的蒸腾速率和气孔导度。温湿度对光合作用的影响都较大，但湿度的影响程度更大。在适宜的温湿度条件下，小麦的净光合速率增加，从而加快干物质的积累和植株生长。

      采用国际上认可的FACE (free-air CO₂  enrichment)大田实验方法。

      结果表明：（1）CO₂浓度升高90µmol/mol （从360µmol/mol 到µmol/mol），春小麦增产16.0 - 21.1%。

      （2）温度升高0.80C，春小麦产量减产10.4 - 11.6%；升高1.80C，减产19.3 - 20.6%。

      （3）（90µmol/mol,0.8⁰C）时，春小麦产量减产5.3%；（90 ppm,1.8⁰C）时，减产5.7%。

      （4）补充灌溉30 mm，可以基本解决CO₂浓度与温度升高互作效应对春小麦减产的问题；补充灌溉60 mm，春小麦产量将提高3.8%；补充灌溉90 mm，春小麦产量将提高10.1%。

      在春小麦全生育期进行补充灌溉和升高CO₂浓度能够有效提高田间生态系统边缘效应。与没有CO₂浓度升高比较,当CO₂浓度升高40～160Lmol/mol时,春小麦田间生态系统边缘效应的面积增加1.8～3.6m²。在春小麦全生育期补充灌溉60mm与补充灌溉30mm比较,田间生态系统边缘效应有显著变化。特别是将CO₂浓度升高与补充灌溉进行组合,较没有CO₂浓度升高与补充灌溉比较,春小麦田间生态系统边缘效应面积提高了300%～500%。同时研究还表明,在春小麦全生育期CO₂浓度升高与补充灌溉可以显著提高春小麦田间生态系统边缘效应系数。CO₂浓度升高与补充灌溉进行组合较没有CO₂浓度升高与补充灌溉比较,边缘效应系数提高4.0～6.7。因此,CO₂浓度升高与补充灌溉组合对提高春小麦边缘效应有显著作用。

      研究表明通过不同品种、耕种方式及补充灌溉等农艺技术的组合，可以显著提高小麦产量。在一般干旱年份，通过品种、垄作和补充灌溉等技术的组合后，79121-15对产量的贡献率较定西24提高7.3-9.9%，垄作较平作提高9.3-13.3%，补充灌溉提高17.7- 30.0%。但是，在严重干旱年份，通过品种、垄作和补充灌溉等技术的组合后，品种和垄作对产量的贡献率影响不大，但补充灌溉提高25.1-35.5%。

      针对中国半干旱地区豌豆-春小麦-马铃薯轮作方式，采用日光温室内计算机自动调控和监测温度的研究方法，进行气候变暖对轮作系统作物产量的影响研究。研究结果表明当日平均温度升高1.2 ⁰C时, 轮作系统作物全生育期缩短23天,作物减产7.8%，水分利用效率下降7.3%；当日平均温度升高2.0⁰C时, 作物全生育期缩短42天,作物减产9.4%，水分利用效率下降12.5%。但通过补充灌溉可以提高作物的产量。在豌豆-春小麦-马铃薯轮作方式的作物全生育期补充灌溉130 mm，当日平均温度升高0.5-2.0⁰C时，作物产量可提高8.3-12.7%。

      从1981到2005年，两个海拔高度区冬小麦的产量都有显著的增加。但是，在不同的海拔区增加的效应不同。在1998年前，在海拔2350.8 m 区冬小麦产量低于1798.2 m 区，而在1998年后，高于1798.2 m 区。冬小麦产量组成也有一个显著的变化（图1）。在海拔1798.2 m区，穗粒数显著增加，而千粒重没有显著变化；而在海拔2350.8 m 区，穗粒数和千粒重都有显著变化（图2、图3）。

通过2个生长季的大田试验,研究了黄土高原半干旱地区地膜与露地春小麦地上干物质累积与转运规律。结果表明:与露地春小麦相比,地膜春小麦因地温增高，单株最大叶面积增加17.16%,最大绿叶面积峰值早出现6 d,开花前干物质积累量高8.97%;地膜春小麦叶片、茎秆、颖壳穗轴的输出率分别比露地春小麦高3.23%～3.67%、3.53%～4155%和1.80%～3.63%；其转换率分别比露地春小麦高0.12%～0.46%、0.92%～1.90%和0.35%～0.87%；各非经济器官输出的干物质对籽粒干物质的贡献率比露地春小麦高1.9%～2.7%；地膜春小麦籽粒起始生长势、最大生长速率、活跃生长期均高于露地春小麦；而达最大生长速率的天数短于露地小麦；地膜春小麦籽粒灌浆期具有较强的生长势,灌浆速率快,灌浆时间长,最终表现为粒重高、产量增加36%。

      农作物需水量与种植区的气候类型关系十分密切,从干旱-半干旱-半湿润-湿润地区其需水量呈现减小的趋势,越是干旱的地区作物需水量越大,越是湿润的地区作物需水量越小.作物需水量随气候变化的响应比较明显,在干旱、半干旱地区表现尤为突出。不同作物品种需水量相差较大,对气候的响应机制也有差异,一般来说夏粮的需水量小于秋粮,夏粮需水量对气候变化的响应比秋粮敏感。

 20世纪60年代到80年代末无论是夏粮还是秋粮,其需水量均有明显减少趋势,且夏粮减少趋势较秋粮明显,河西干旱、半干旱区减少的幅度较河东半湿润、湿润区明显,秋粮在河东地区近40a需水量虽有明显的年际变化,但是减少的趋势不是很明显。

作物需水量的年际变化较大,近40a来平均需水量夏粮最大值和最小值相差80mm以上,秋粮相差110mm左右,夏秋粮食作物需水量最大值和最小值出现的年代也有差异,不同时期影响作物需水量的主要环境气象要素不同。

      分析了春小麦地上鲜生物量随生育期的变化以及地上鲜生物量与冠层反射光谱和一阶微分光谱之间的相关关系，采用相关系数较大的特征波段及其组合构建光谱特征参数以其作为变量，建立了陇中黄土高原春小麦地上生物量的高光谱估算模型，并对模型进行检验，结果表明：以参数F₇₈₀和D₇₁₉为变量的对数形式y=3.9498Ln(F₇₈₀)+7.0596和乘幂形式y=512.99D₇₁₉^1.0174估算水平最高，前者RMSE为0.2173，相对误差为RE10.45%，预测值与实测值相关系数为0.854；后者RMSE为0.2188，相对误差为RE9.96%，预测值与实测值相关系数为0.853。因此，上述两个模型可作为黄土高原地区春小麦地上鲜生物量的最佳估算模型

      冬小麦播种期90年代以后比80年代推后4～8d，冬前发育期推迟，春初提前返青，营养生长期提前4～7d，生殖生长阶段提早5d左右，全生育期缩短6～9d。这种变化具有地域性，陇东缩短最多约10d左右，陇东南最少为1～5d。冬小麦苗期受温度和降水量的共同作用，但以温度影响为主；而营养生长期以后则主要受降水量的影响。

      冬小麦越冬死亡率与≤0℃负积温呈负相关，达-0.523，通过0.01的显著性水平。≤0℃负积温逐渐减少，冬小麦越冬死亡率大大降低，种植风险减少，各地扩大了冬性稍弱但丰产性较好的品种，产量有所提高；使西北东部冬小麦种植北界向北扩展50～100km，不但西伸明显，而且从海拔高度1800～1900m向2000～2100m扩展，种植高度提高200m左右，种植面积扩大10～20％。

      西北西北部的新疆由于冬季最低气温和极端最低气温的升高，改善了冬小麦的越冬条件，使得温度低于临界值的几率大大减少，冬小麦的冻害也相应减少。新疆自1961到1988年发生过6次大范围严重冻害，而90年代以来地区没有发生过大范围的冻害。

      暖冬和初春气温升高，对冬小麦生长和产量形成利弊并重。他给麦田病、虫孢子越冬滋生提供有利的气象条件；易产生土壤干旱，不利麦苗生长发育；部分年分导致小麦春化作用不彻底，小穗发育不良，不孕小穗增多；但开花期延长，花前营养生长时间充分，结实率增加。气候变化对产量的影响呈周期性变化，5a周期最显著，12a周期次之。旱作区冬小麦气候产量主要受降水量的影响，与秋春季降水量呈正相关，显著水平超过0.1。80年代气候产量变化较平稳，平均为55.7kg/hm²，90年代干旱严重，气候产量振幅变化剧烈，平均为-216.7 kg/hm²，其中2000年大旱年为-2264.6 kg/hm²，90年代比80年代气候产量下降125.7％。

      由于气候变暖，冬油菜90年代比80年代推迟播种7～13d，停止生长期以前均推迟，冬季停止生长期减少16～24d，返青后生育期提前8～12d，全生育期缩短17～32d。

      由于气候变暖，越冬死亡率下降，冬油菜种植带向北扩展约100km，种植高度提高150～200m。冬油菜种植面积逐年扩大，80年代到90年代冬油菜播种面积占油料作物的比例由6.7％上升到13.2％,几乎增长了1倍。冬暖使越冬冻害风险下降，丰产品种面积扩大。气候产量与冬季平均气温相关密切，相关系数为0.774，通过0.01信度水平。每升高1℃，气候产量增加172kg /hm²。全省冬油菜总产量呈线性上升，冬油菜产量占油料作物总产的比例已达15.1％，成为甘肃省主要油料作物之一。

      由于春季气温偏高，回春早，90年代春小麦播种期比80年代提早2～7d。生长季略有提前，全生育期缩短1～2d，籽粒形成期最明显，约3d。春小麦生育速度对气候变暖响应较其它作物最不敏感。经计算，旱作区春小麦生长期与温度呈负相关，但与降水量呈极显著正相关，降水量每减少10mm，生长期缩短约0.8d，降水是主要影响因素，春小麦苗期和籽粒形成期的发育速度主要受温度影响最大，而营养生育期则主要是水分的影响。

      河西灌区春小麦产量与≥0℃积温呈显著正相关，相关系数为0.65，显著性水平超过0.01，1991-2000年气候产量比1986-1990年增加10～79％。敦煌春小麦产量每年显著增加，为8.8g/m²。旱作区春小麦产量与土壤水分相关密切，播种期、拔节孕穗期、灌浆期的100cm深土壤蓄水量与产量的相关系数分别为0.661、0.709和0.783，通过0.05和0.01的信度检验，它们对产量的贡献具有重要作用。但拔节抽穗期增温对产量有极显著的负影响，气候暖干化使产量下降的速率明显，为5.5g/m²。全省春小麦种植面积减少10～20％，尤其旱作区中部地区减少较多。

      由于春温增加，地温提高2.2～2.5℃,使播种提前，出苗提早13d，生长季延长。对马铃薯生长发育全生育期而言，在西北温凉半湿润区受气候变暖，气温增高的影响，马铃薯花序形成期每10a提前8～9d，开花期每10a提前4～5d。

      马铃薯在播种后105天开始，块茎由缓慢生长转为迅速生长阶段，在播种后的第127天，块茎生长速度最大(117.6g/m²d)，播种后149天开始，块茎生长从迅速生长又转为缓慢生长。

      马铃薯适宜种植区高度提高100～200m，使全省马铃薯面积扩大，从80年代初 24.58万hm²，至今已经翻番。尤其中部地区面积迅速扩大

      胡麻播种期平均提前20d左右，全生育期延长30d左右。适宜种植区高度提高100～200m。河西地区种植面积呈波浪式直线缓慢下降，每10年面积减少0.713万hm²；陇东和中部种植面积呈扩大趋势。

      胡麻气候产量与籽粒期（6～7月）平均气温负相关显著，气温升高，产量降低。与关键生育期（4～6月）降水量正相关密切（表2）。气候变化使中部产量波动最大，陇东次之，河西最小。当降水量变化在适宜范围内，产量随温度升高而降低。气温每升高1℃，中部、陇东、陇东南和河西每公顷产量分别下降2.6％、2.1％、1.9％和1.5％。当温度变化在适宜范围内，产量随降水量增加而增加，降水量增加10％，中部、陇东南和陇东每公顷产量分别增加1.0％、0.9％和0.8％。中部增幅最大，河西灌溉区，降水量对产量影响很小。90年代气候暖干化，使旱作区胡麻气候产量呈下降趋势。

      当播前温度上升1℃时，灌区玉米播种时间提前2.1d，90年代比80年代播种期提早2d左右。拔节前营养生长阶段生育速度改变不大，但生殖生长阶段延长，乳熟期最多达6d，全生育期延长6d左右。旱作区玉米生育期受热量和降水共同作用，使得玉米各生育阶段提前，播种期提早1～2d，营养生长阶段提早4～5d，生殖生长阶段提早6～7d，愈往后期生长速率加快，全生育期缩短6 d左右。西北区西北部新疆春玉米各生育期均明显提早。出苗、拔节略有提早，吐丝期明显提早，成熟期略有推迟。

      玉米适宜种植区高度提高150m左右。河西地区玉米面积迅速扩大，达2.5倍，旱作区玉米面积扩大50％至1倍。

      从1994年以来，陇东玉米拔节期植株高度逐年线性增加趋势明显，平均每年为4.42cm，说明玉米苗期春旱呈现逐年减轻趋势。陇东玉米叶面积指数变化主要受降水量的影响，尤其是七叶至抽雄期降水量，产量随叶面积指数增加而增加，抽雄期叶面积指数适宜范围为3～4。玉米单株干物重营养生长以前呈指数变化，受气温影响较小；进入生殖生长期后呈直线变化，受气温影响较大。年内变化表现为缓慢增长至快速增长趋势，抽雄普遍期增长速率最快。当降水和积温为正常气候年型，干物重累积速度快，变化均匀，产量高。干物重累积与七叶至抽穗期降水和拔节至抽雄期≥10℃积温呈密切正相关，其中降水量对干物重积累贡献最大，效益最高。1995年和1997年是严重干旱年，干物重累积最小。

      河西灌溉区重点产地凉州、甘州、肃州三地玉米气候产量变化主要受≥10℃积温影响，两者相关显著水平超过0.01，正相关系数为0.495～0.538。

      气象因素对实际产量的贡献率达52～60％，超过社会因素对实际产量的贡献率，1992-2005年气候突变后的气候产量比1981-1991年突变前增加了124～301％。河西适宜玉米种植的7个重点产区≥10℃积温平均增加127℃，使得玉米产量大幅度增加。旱作区玉米产量主要受降水量影响，气候产量与干旱程度变化相一致，相关系数为0.482，通过0.10水平检验。旱作区玉米气候产量与全生育期耗水量和拔节至乳熟期降水量分别达到正相关0.80和0.79，显著水平达到0.001。降水量愈少，愈干旱，玉米气候产量愈低。

      棉花播种期提前，80年代平均日期在4月下旬，90年代在4月中旬后期，2001-2006年在4月中旬前期，比90年代提早5d，比80年代提早12d。营养生长阶段提前完成，如开花期比90年代提前4d，比80年代提前12d，为生殖生长争取更长季节和更多资源打下良好基础。从而使停止生长期从10月上旬推迟到10月中旬，比80年代延长6d，比90年代延长9d。全生育期比90年代和80年代延长14d和18d。在同一区域种植的春小麦、玉米、棉花的生长期速度对变暖响应的敏感性反应结果不同，棉花最敏感，其次为玉米，春小麦最不敏感。这可能与作物对热量的适应程度有密切关系。

      西北西北部新疆乌苏棉花1993年开始地膜栽培，因此分1993～1999、2000～2005两个时段分析棉花生育期及生育期持续日数的变化。后一时段与前一时段相比，除停止生长期略有推后外，从播种到裂铃的各发育期均明显提前，尤以裂铃期提早最多，达9天。气候变暖使得棉花蕾期（现蕾~开花）和花铃期（开花~裂铃）有所缩短，而吐絮期（裂铃~停长）延长达10天，有利棉花产量的提高和霜前花的增加。棉花生育期提早的规律要比小麦和玉米明显，这除了受气候变暖的影响外，也与棉花生产上矮密早技术的推广及宽膜植棉栽培管理措施有关。另一方面，春季冷空气活动频繁，2001～2003年，棉花播种出苗期间连续出现了强霜冻和低温阴雨天气，造成苗期生长迟缓，苗期延长了4天。由此可以得出，虽然气候变暖使得影响棉花生长最主要的热量条件趋好，有利棉花产量和品质的提高，但由于气温的波动性加大，棉花生产的风险也在加大。

      由于主产区棉花生长期≥10℃积温升高131℃，裂铃至停止生长关键期增温30℃；最低气温升高0.9℃,春季增温加快，秋季降温减缓，使生长期热量资源得到较大补偿，气候生态适应性更适宜，与棉花生理需求指标更接近。从1993年以后主产区敦煌和金塔两地棉花单产距平值与≥10℃积温距平值变化趋势基本一致，积温对单产起的作用非常明显。90年代比80年代棉花气候产量增加81.5kg/hm²,增大54.3％(图23)，霜前花减少了30％，衣分提高了两个百分点。

      河西地区棉花主产区，种植面积从1992年至今呈直线上升，每年增加0.466万hm²，使适宜种植区域从1300m提升到1400m，升高了100m左右。现在面积比以往面积扩大了7倍多。

      亚高山草甸类草地牧草，受气候变暖，气温增高的影响，导致近20年牧草开花期提前10～14d，成熟期提前20～24d（图24）。而在牧草生长发育前期的出苗期、抽穗期，后期的黄枯期，受气温和降水的共同影响牧草发育期呈波动变化。

      从牧草高度变化分析表明，牧草在返青后64天开始，由缓慢生长转为迅速生长阶段，在返青后的第88天，生长速度最大可达10.86cm/d。返青后112天开始，其生长从迅速生长又转为缓慢生长。迅速生长期为48天。由于在牧草开花期气温对牧草生长的影响为正效应，气候变暖，气温增高，牧草开花期高度逐年增加。

      在牧草产量对气温变化的敏感阶段，平均气温每升高1℃，牧草产量可增加100～150kg/hm²。降水增加，牧草产量也增加。在牧草产量对水分变化的敏感阶段，旬降水量每增加1mm，牧草产量可增加150～200kg/hm²。研究区域气候变异系数增大，降水量和气温共同影响，导致该区域牧草产量呈波动变化，牧草产量的变幅明显加大，产量的不稳定性增加。

      近20年新疆冬小麦和春小麦种植面随时间的变化呈现出减少趋势，甘肃省冬春小麦种植西伸北扩。

      新疆近20年平均气温呈逐渐增加趋势，冬小麦和春小麦种植面积随着气温的增加也呈现出逐渐减少趋势，相关分析呈现出新疆年平均气温与冬小麦和春小麦种植面积都呈显著的负相关，相关系数分别为-0.5058和-0.4506，显著性水平分别超过了0.02和0.05。甘肃河西年平均气温与春小麦种植面积也呈负相关，相关系数分别为-0.4072。显著性水平分别超过了0.10。

      甘肃河西春小麦种植面积随时间的变化呈现出减少趋，相关分析也显示出显著的负相关，相关系数为-0.8760，显著性水平都超过了0.001，春小麦种植面积随时间的线性趋势变化率为2.93 khm²/10a。甘肃河西春小麦种植面积减少的幅度要比新疆更大。

      甘肃省冬春小麦种植西伸北扩。在陇中有一条明显的冬春小麦种植分界线，这条分界线随着气候变暖而变化。这条分界线上的各地冬小麦越冬期<0℃负积温减少76.1～132.8℃。各地冬小麦播种面积自1990年后呈扩大趋势， 2001年比1990年扩大12.4％～42.5％，全省扩大12.8％，其中临洮扩大最快，达42.5％。渭源海拔高度达2111m，以往基本上不种冬小麦，至2001年扩大13％左右，冬小麦种植西伸明显。

      近20年新疆玉米和棉花的种植面积随时间的变化呈现出增加趋势，相关分析也呈现出显著正相关，相关系数分别为0.9544和0.9746，显著性水平都超过了0.001，玉米和棉花的种植面积随时间的线性趋势变化率分别为0.95 khm²/10a和5.85khm²/10a，棉花种植面增加率比玉米更大。甘肃河西玉米和棉花种植面积随时间的变化也呈现出增加趋势（图略），相关分析也呈现出显著的正相关，相关系数分别为0.9405和0.8628，显著性水平都超过了0.001，玉米和棉花种植面积随时间的线性趋势变化率为2.62 khm²/10a和16.79 khm²/10a，棉花种植面增加率比玉米更大。

      西北干旱区近20年年平均气温呈逐渐增加趋势，棉花种和玉米种植面积随着年平均气温的增加而增加。新疆棉花种和玉米种植面积随着年平均气温的增加而增加，相关分析显示出年平均气温与棉花和玉米种植面积呈现出显著正相关，相关系数分别呈为0.5306和0.5659，显著性水平分别超过了0.02和0.01。甘肃河西年气温与棉花和玉米种植面积都显示出显著的正相关，相关系数为分别为0.6281和0.5923，显著性水平分别超过了0.001。

      气候变暖，热量资源增加，使适宜种植喜温作物的面积扩大，而植喜凉作物的面积减少。由于气候条件和市场经济的综合影响，而导致冬小麦和春小麦种植面减少，而经济效益显著、产量比较高的玉米种和棉花种植面积迅速增加，夏秋作物的种植结构发生了明显改变。

      气候变暖使春季土壤解冻期提前，冻结期推迟，作物生长期延长；生长季的热量增加，复种面积扩大，复种指数提高，多熟制向北、向高海拔推移。随气候变暖平凉市各地1987～2003年比1961～1986年≧10℃积温增加40.8～209.9℃。这使得以往不能复种的平凉市西部的静宁（1658m）、庄浪（1615m）、和中部的华亭（1455m）、崆峒（1347m）也成为复种作物的种植区，基本上实现两年三熟；东部的泾川（1029m）、崇信（1148m）灵台（996m）等县热量条件好的地方，通过间作套种、带状种植等新的种植技术可实现一年两熟。全市复种面积90年代比70年代和80年代增加了4～5倍。

      对于甘肃中东部而言，种植结构较为复杂，在1985-2000年期间，以小麦为主的格局逐年缩小；杂粮是甘肃中部半干旱区的主要作物，在90年代有增加的趋势，但在2000年却有所下降；在1985年，甘肃中东部还没有形成以玉米为主的种植格局，小麦面积占到总种植面积的75%左右，90年代以后，玉米的种植比例逐年上升，形成了以小麦和玉米为主的种植格局，1996—2000年玉米平均播种面积比1985—1990年扩大了3%～1980%, 如安定、西峰、崆峒和张家川玉米播种面分别增加了1980%、37%、119%和56%；1995年以来以兰州为中心形成了一个以小麦和经济作物为主的种植圈；同时在1990年以后甘肃中部的马铃薯种植逐渐形成规模，构成了以小麦和马铃薯为主的种植格局，1996—2000年马铃薯平均播种面积比1985—1990年扩大了7%～650%。

      河东旱作农业区1985—2000年玉米平均播种面积随着热量逐年增加而扩大, 区域平均玉米播种面积与≥10℃积温呈显著正相关,显著性水平超过0.001.陇中黄土高原过去只能在海拔较底和热量资源比较丰富的暖川区种植玉米种, 海拔较高的地方往往难以成熟. 1987年以来由于气候变暖，≥10℃积温显著增加，尤其是9月平均气温和最低气温升高明显，对喜温作物的成熟提供了有利的热量条件，玉米播种面积扩大了2～19倍，如海拔较高的安定(海拔1897m)和会宁(海拔2013m)分别增加了19倍和10倍. 在经度接近的地方, 纬度偏北的地方播种面积扩大更加迅速, 如环县(36.58N)扩大了6倍以上，灵台仅扩大了39%，天水市和陇南市扩大了3%～56%。

      利用中国黄土高原59个气象站1961～2002年月降水量和29个农业气象观测站从建站到2002年逐年4～10月旬土壤重量含水率资料，分析了中国黄土高原土壤湿度的地域和时间分布特征以及土壤湿度对生态的影响。结果表明：(1) 黄土高原4-10月土壤湿度与降水量的地理分布有较好的一致性，两者都从东南向西北减少。受六盘山和太行山阻挡东南季风影响，在陇中和晋中黄土高原出现一条南北向的干舌；黄土高原半干旱气候区降水和土壤湿度等值线梯度大，气候变化敏感。（2）采用年降水量和变差系数把中国黄土高原土壤湿度划分为5个气候区域：干旱区土壤严重失墒区，半干旱区土壤严重失墒区，半干旱区土壤失墒区，半干旱区土壤湿度周期亏缺区和湿润区土壤湿度周期亏缺区。前3个气候区位于黄土高原中北部，经雨季之后，土壤水分不能得到有效恢复，土壤经常处于重旱或轻旱状态。后2个气候区位于黄土高原南部，经雨季之后，土壤水分能得到有效恢复，土壤有季节性缺水现象。（3）影响土壤湿度的主要因素是降水，但气温也有不可忽视的作用。近20年来，中国黄土高原降水减少，气温升高，土壤湿度有下降的趋势。（4）中国黄土高原土壤水分经常处于亏缺状态，在气候变化影响下，植被的生态用水深刻地受到降水年际振荡的影响，将会处于一种不稳定的状态，生态建设任务艰巨。

      在近20年来，陇东黄土高原农田土壤储水量和陆面蒸发的年际变化主要表现为逐年减少的趋势，只有个别季节表现为增加的趋势，并且变化速率有一定的季节和空间差异。

      土壤储水量和陆面蒸发的年际变化与温度呈反相关关系，即随着温度的升高，土壤储水量和陆面蒸发在减少。温度与土壤储水量和陆面蒸发的年际变化的关系不密切，变暖不是陇东黄土高原土壤储水量和陆面蒸发逐年减少的气候因素。土壤储水量和陆面蒸发的年际变化与降水呈正相关关系，即随着降水的增加，土壤储水量和陆面蒸发也在增加。降水与土壤储水量和陆面蒸发的年际变化的关系密切，降水的逐年减少是陇东黄土高原土壤储水量和陆面蒸发逐年减少的气候因素。

      陇东黄土高原的土壤干旱化与地表蒸发关系不大，降水的逐年减少可能是土壤干旱化的根本原因。

      气候变暖对社会经济造成诸多不利影响，严重的气象灾害是影响社会经济可持续发展的重要障碍因素之一。通过对气象灾害受灾总面积和国内生产总值（GDP）资料进行处理，计算两者的累积距平得出，气象灾害受灾总面积和国内生产总值（GDP）都有相同的变化趋势，其相关系数达到0.525，通过0.001信度的检验，一方面反映了甘肃省的经济发展情况，另一方面反映出随气候变暖、经济发展、播种面积增加，气象灾害也是在快速上升。

      农业生态系统是一个受自然因素和人类活动共同影响的系统。我们的研究表明，气候变化给西北农作物向高海拔、高纬度较寒冷的地区扩展提供了自然气候条件；使春小麦等作物生长受到不利影响，产量下降；使棉花等喜热作物受到有利影响，产量提高；同时为人们调整农作物种植结构创造了条件。但是，农作物种植结构是否调整，取决于农业经济收益，经济收益的最大化是种植结构调整的最终决定因素（这里也了考虑国家对粮食价格的补贴政策）。因此，西北农作物对气候变化响应的评价方法需要考虑自然、经济等多种因素，将采取综合评价方法。

      评价原则：有限目标、专题评价——气候变化对农作物的影响。

      评价方法：综合评价法。

      评价目标：气候变化对农作物生长、种植结构、地理分布、气象灾害的影响等。

      框架设计：评价目标、方法、指标分类。

      评价指标体系。地理分布指标：主要有温度、降水等气候因子，包括作物生长所需积温、雨养农田降水量、灌溉量等。可划分成作物可种植区、适宜种植区等。

      种植结构指标：主要有净收益等经济因子。净收益=单位面积产量×单位产量价格－单位面积成本。单位产量价格包括政府政策性补贴。净收益大的作物面积趋于增加，净收益小的作物面积趋于增加。同时，热量需求高的作物面积与温度因子成正相关，反之成负相关，这种统计模型也可评价种植结构，其评价指标则为气候因子。

      作物生长指标：主要有温度、降水等气候因子，包括作物生长所需适宜温度、水分、灌溉时机等。可评价气候条件的变化对作物各阶段生长的影响，并提出生产管理建议。具体评价用作物生长统计模型和生物学模型。这里以统计模型为主。

      气象灾害指标：主要有温度、降水等气候因子，包括极端温度、降水等因子，它们的变化引起了干旱、高温、干热风、霜冻等灾害发生频率、强度、造成的损失等变化。

      农作物病虫害气象指标：列出了小麦锈病、麦蚜、玉米螟、稻瘟病等22种与气象条件紧密关联的、发生较重的病虫害，以及病原和害虫生长发育的气象条件及病虫发生发展危害的气象条件。

      不同作物各类评价指标。根据评价框架，以评价指标体系为基础，开发了评价系统。

      评价服务系统。

      根据西北农作物对气候变化响应的评价框架，以评价指标体系为基础，评价目标为导向，开发了一个能在MicrosoftWindowsXP或2000下运行、操作简单、界面友好的综合评价服务系统，为气候变化及农作物响应研究人员提供了一个简便快捷的评价方法，为人们了解和认识农作物对气候变化的响应开辟了一扇窗口，为研究部门和业务部门搭建了一个农作物对气候变化响应的综合评价和服务平台。

评价系统分为主系统和辅助系统。主系统为绿色安装，将系统软件目录XBPJXT拷贝到硬盘即可，并激活控件；辅助系统包括Golden Software Surfer 8.0、Microsoft-SQL数据库服务程序、Arcreader9.2等。

      该评价系统由背景概况、资料信息、农业气候评价、农作物响应评价、服务对策、产品分发、参数设置等九大模块构成。其中以前五种为主。

      背景概况模块分为地理及气候概况、研究成果文献两部分。地理及气候概况主要较详细介绍西北地理基本特征及自然地理区划情况，较详细介绍西北气候基本特征及农业气候区划，较详细介绍气候变化对西北农作物影响状况。研究成果文献主要介绍西北农作物对气候变化响应方面重大研究成果、本项目的研究成果。

      资料信息模块分为气候资料和农业资料。气候资料主要为西北常规气候资料、农业气候资料及影响西北气候及其变化的全球或区域气候资料，并通过图形表现出来。农业资料主要为农作物布局、土地及土壤（GIS相关资料）、农业经济、农业气象灾害等资料。

      农业气候评价模块根据西北农业气候及其变化的状况，依据西北各类农作物的生长发育的农业气象指标，利用评价模型或方法，对西北各类农作物的布局、适宜种植区进行评价。系统根据气象资料，分析计算了冬小麦、春小麦、玉米、棉花、甘蓝型春油菜适应性指标，自动绘出逐年各类作物适宜种植区图、布局图（北界、海拔），并能实现图形动画显示，形象化揭示农业气候变化对农作物影响的事实。