未来气候情景下中国多熟种植潜力时空变化的高分辨率评估

《International Journal of Digital Earth》：High-resolution assessment of spatiotemporal changes in China’s multiple cropping potential under future climate scenarios

　　

摘要 气候变化正通过高纬度地区增温和热带地区水文约束重塑全球多熟种植潜力。在中国稳定耕地总面积的红线政策背景下，提高种植强度对于在不扩大耕地的前提下提升粮食产量至关重要。本研究将统计降尺度的气候数据整合到全球农业生态区划（Global Agro-Ecological Zones，GAEZ）模型中，在5 km分辨率下模拟了2025–2050年不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）下中国种植强度潜力。中国超过60%的耕地表现出提高种植强度的潜力，热点区域集中在长江中下游平原、四川盆地和黄淮海平原。其中超过一半的区域可支持增加一季非水稻作物，约25%的区域可支持增加一季水稻。多熟种植潜力呈现明显的西北至东南梯度，其中“有限三熟制”是最普遍的升级类型。在高排放情景下，适宜两熟和三熟制的区域扩大，而适宜单熟制的区域收缩，改善峰值在SSP5-8.5情景下出现最早，在SSP1-2.6情景下出现最晚。这些预测代表气候适宜性的变化而非总体农业效益。研究结果揭示了种植集约化存在巨大但空间异质的潜力，为区域针对性的农业适应提供了科学依据。

论文解读

一、研究背景与问题

农业是受气候变化影响最为脆弱的部门之一。温度、降水、太阳辐射和风等关键农业气候变量的变化直接影响农业生产系统的适宜性和地理分布，最终影响作物产量和粮食安全。多熟种植长期以来被认为是在有限耕地资源下提高粮食产量的有效策略，因此耕地多熟种植潜力的信息是土地利用规划和政策制定的重要基础。气候变化已引起全球多熟种植潜力的纬度两极分化，在温带地区为种植集约化创造了新机遇，同时在热带地区制约了多熟种植系统。预测未来多熟种植潜力对于制定前瞻性的粮食生产和土地管理战略至关重要。

近年来，中国经历了快速城市化、城市扩张、生态用地转换和农业结构调整等过程，导致耕地向非农用途转换、非粮化种植转变和耕地撂荒，均减少了有效耕地面积。同时，人口增长、持续城市化和生活水平提高预计将使粮食需求长期增长，对中国粮食供给体系构成新挑战。在全球城市化背景下，土地供需矛盾加剧使耕地扩张成为日益不可行的保障粮食安全的选项。因此，挖掘耕地多熟种植潜力是在城市发展和生态可持续性限制内增加粮食产量的有前景途径。

当前估算耕地多熟种植潜力的方法主要包括农业气象学方法、经济建模方法和GAEZ模型。农业气象学方法通过设定不同种植模式的水热需求经验阈值来估算种植潜力，但往往依赖简化的气候指标，忽视了太阳辐射和风速等其他重要农业气候因素。经济建模方法将温度、降水和太阳辐射纳入生产分析框架，但受限于历史观测，难以捕捉气候变化条件下种植潜力的物理或生态上限。相比之下，GAEZ提供了一个基于过程的、地理空间框架，在像元水平整合温度、降水、太阳辐射、风速、土地利用、土壤属性和地形条件来估算农业气候可达到的种植强度。然而，大多数现有GAEZ应用在相对粗糙的空间分辨率下进行，如0.5°或10 km，限制了其表征中国异质性种植结构、复杂种植模式和高度破碎化耕地景观的能力。因此，在高分辨率下模拟未来情景、更好地表征区域异质性并服务于本地化土地利用管理和农业政策决策方面仍存在关键空白。

二、研究内容与结论

本研究探讨了未来气候变化、灌溉条件和区域农业气候异质性如何共同影响中国多熟种植潜力的时空动态。研究假设未来变暖将提高许多地区多熟种植的气候适宜性，但这些变化的幅度和空间分布将因气候情景以及雨养和灌溉条件而异。研究旨在：(1) 通过将delta方法和协克里金方法应用于CMIP6全球气候模式（GCM）预测，构建高分辨率（5 km）未来农业气候数据集；(2) 使用GAEZ模型模拟2025–2050年不同气候情景下中国多熟种植潜力的时空动态；(3) 识别气候变化下提高多熟种植能力的优先区域和区域特定种植策略。

研究得出以下主要结论：中国超过60%的耕地表现出提高种植强度的潜力，热点区域集中在长江中下游平原、四川盆地和黄淮海平原。超过一半的区域可支持增加一季非水稻作物，约25%的区域可支持增加一季水稻。多熟种植潜力呈现明显的西北至东南梯度，其中“有限三熟制”是最普遍的升级类型。在高排放情景下，适宜两熟和三熟制的区域扩大而适宜单熟制的区域收缩，改善峰值在SSP5-8.5情景下出现最早（2035年），在SSP1-2.6情景下出现最晚（2040年）。灌溉略微提高了模拟潜力，但差异有限。这些预测代表气候适宜性的变化而非总体农业效益。

三、主要技术方法

研究人员采用了一个三步骤的结构化工作流程。首先，使用delta方法结合协克里金插值，将来自MRI-ESM2-0单一地球系统模型的CMIP6 SSP-RCP预测中的农业气候变量从原始约100 km分辨率降尺度到5 km分辨率，其中温度和降水采用delta方法，太阳辐射和风速采用以高程为辅助协变量的协克里金插值方法。其次，将降尺度后的农业气候数据集输入GAEZ模型，模拟2025–2050年每5年间隔下中国多熟种植潜力的空间格局。第三，将模拟的多熟种植潜力与2019年观测的实际多熟种植水平进行比较，量化潜在增量，识别不同未来气候条件下可实现农业集约化的区域。研究使用2004年、2010年和2014年的MODIS时间序列影像衍生的500 m分辨率多熟种植数据集进行历史一致性评估。

四、研究结果

模拟与历史一致性评估

基于2004年、2010年和2014年的气候条件，研究人员使用GAEZ模型模拟了中国多熟种植的气候潜力。实际种植强度未超过模拟潜力的像元比例分别为99.11%、98.91%和99.03%，表明模拟结果总体符合气候可达到强度与实际种植强度之间的预期上限关系。在区域层面，八个农业区域在三个年份均超过96%的整体一致性，但北方干旱半干旱区中观测为两熟制的像元一致性明显较低（73.13–81.02%），这很可能反映了依赖灌溉维持的两熟制在雨养条件下不可达到。青藏高原是唯一的区域级例外（72.06%、70.42%和76.77%），差异集中在观测为单熟制的像元，这可能是因为高海拔河谷中的局部有利小气候在5 km分辨率下未被解析，以及地膜覆盖等实践将种植扩展到模拟热限之外。

SSP-RCP气候情景下耕地多熟种植潜力的时空特征

在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，中国耕地多熟种植潜力呈现明显的西北至东南递增空间梯度。单熟制区域主要分布在东北平原、北方干旱半干旱区南部边缘和黄土高原部分地区。有限两熟制区域主要分布在东北平原、黄土高原和北方干旱半干旱区之间的过渡带。两熟制区域集中在黄淮海平原、长江中下游平原北部和黄土高原南部。有限三熟制区域广泛分布于长江中下游平原和四川盆地及周边地区。三熟制潜力主要分布在华南和云贵高原东部。值得注意的是，在所有三个情景下，有限三熟制始终是最普遍的种植模式，覆盖超过6000万公顷，占耕地总面积超过25%。灌溉略微提高了所有SSP情景下的多熟种植潜力，但差异有限。随着排放水平从SSP1-2.6增加到SSP5-8.5，单熟制面积明显减少，多熟制区域相应扩大。

未来多熟种植潜力增量的时空特征

基于GAEZ模型和降尺度的未来农业气候变量，研究人员得出了不同未来气候情景下中国复种指数潜力增量（PIMCI）的时空分布。结果显示中国大部分耕地仍具有扩大多熟种植的潜力，呈现北高南低的显著空间异质性梯度。在东北平原、黄淮海平原大部分地区和北方干旱半干旱区南部，PIMCI值主要为0%。长江中下游平原、四川盆地及周边地区和云贵高原北部观测到更大的改善潜力，PIMCI值达到100%。最高改善潜力（200%、250%甚至300%）集中在华南和长江中下游平原部分地区。超过60%的耕地具有正改善潜力（PIMCI>0）。PIMCI为50%和150%的耕地分别约占耕地总面积的30%和20%，约15%的耕地PIMCI为100%。在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，具有改善潜力的耕地比例总体呈先增后减趋势，而SSP2-4.5在2025–2050年期间呈稳定上升趋势。SSP5-8.5情景下改善潜力在2035年达到峰值，为所有情景中最高值，而SSP1-2.6在2040年达到峰值。

对农业土地政策的启示

研究发现中国多熟种植潜力巨大且区域异质性明显。在东北平原和黄淮海平原等多熟种植系统已最大化的区域，应优先维持现有实践的稳定性，采用优化的种植结构支持有效轮作、实施休耕期和促进土壤生态恢复。在改善潜力有限的区域，可探索间作和套作策略，种植短生育期作物并采用节水灌溉技术。在华南和长江中下游平原等具有较大改善潜力的区域，应仔细设计种植系统以满足季节性生长需求，同时加强农业基础设施投资，特别是灌溉系统和田间管理。在政策层面，可实施多熟种植补贴等激励机制，同时同等重视保护耕地质量和生态环境。

五、讨论与结论

降尺度性能评估表明，降尺度后的最高和最低温度与参考数据高度一致，月均R2值分别为0.92–0.97和0.96–0.99，RMSE分别为1.5–3.3 °C和1.1–3.0 °C。降水表现明显较差，月均R2值范围为0.32–0.73，RMSE在9月达到84 mm，反映了降水强空间变异性和粗分辨率GCM数据表征局地降水过程的困难。太阳辐射和风速的降尺度结果与原始GCM数据高度一致，R2值分别超过0.99和0.95，但该评估非独立外部验证。温度驱动的多熟种植潜力大尺度空间格局可信度较高，而以降水和水量平衡为主要约束的区域，特别是半干旱边缘和雨养条件下的模拟结果，应谨慎解读。

情景依赖性变化表明，SSP5-8.5情景下温度显著高于其他两个情景，降水高值区空间覆盖更广、总量更大，导致模拟的有限两熟制、两熟制、有限三熟制和三熟制耕地面积扩大。SSP1-2.6情景下太阳辐射总量明显高于SSP2-4.5和SSP5-8.5，特别是在长江中下游平原和四川盆地，这可能是该情景下2025–2050年平均多熟种植潜力最高的原因。SSP5-8.5情景下多熟种植潜力的扩大不应直接解释为农业效益，而是模拟农业气候适宜性的条件变化。

政策启示方面，研究结果提供了空间明确的信息以支持未来气候情景下的耕地管理，但不应被解释为广泛农业集约化的一般建议。应结合作物特定产量响应、灌溉需水量、社会经济条件和环境影响评估，确保多熟种植集约化在农艺上可行、经济上可行且环境上可持续。GAEZ种植区识别的是农业气候可达到的种植周期而非特定作物序列，因此额外季节引入的作物无法直接从模型确定，但可根据主流种植系统识别区域上合理的作物选项。

研究结论指出，未来气候情景下中国耕地多熟种植潜力存在显著时空异质性。超过60%的耕地具有提高种植强度的潜力，热点集中在长江中下游平原、四川盆地和黄淮海平原。有限三熟制是最普遍的升级类型。高排放情景下两熟和三熟制适宜区扩大而单熟制适宜区收缩，改善峰值在SSP5-8.5情景下出现最早。这些发现揭示了种植集约化的巨大但空间异质的潜力，为区域针对性的农业适应提供了科学依据。研究贡献在于提出了一个耦合降尺度农业气候变量与GAEZ模型的5 km分辨率多熟种植潜力模拟综合框架，并系统考察了三种代表性SSP-RCP情景下多熟种植潜力的时空动态，识别了集约化优先区域和相应种植实践，为区域特定农业土地利用规划、基础设施投资和政策制定提供了实践意义。研究局限性包括使用单一GCM（MRI-ESM2-0）和单一集合成员，未显式量化模式间不确定性和内部气候变率不确定性；降水降尺度性能较弱，特别是在干季；未将降水不确定性正式传播到GAEZ结果中，因此无法为预测面积或PIMCI估计分配置信区间。