中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (18): 3530-3542.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.004
张志良1,2,3(), 和志豪1,2, 茹晓雅1,2, 蒋腾聪1,2, 何英彬3, 冯浩2,4, 于强4,5, 何建强1,2,5(
)
收稿日期:
2022-08-31
接受日期:
2022-12-05
出版日期:
2023-09-16
发布日期:
2023-09-21
通信作者:
联系方式:
张志良,E-mail:zhiliang_zhang@nwafu.edu.cn。
基金资助:
ZHANG ZhiLiang1,2,3(), HE ZhiHao1,2, RU XiaoYa1,2, JIANG TengCong1,2, HE YingBin3, FENG Hao2,4, YU Qiang4,5, HE JianQiang1,2,5(
)
Received:
2022-08-31
Accepted:
2022-12-05
Published:
2023-09-16
Online:
2023-09-21
摘要:
【目的】马铃薯作为中国第四大主粮作物,其适宜性评价对保障国家粮食安全具有重要意义。本研究基于气候数据,构建集成物种分布模型预测中国未来时期马铃薯气候适宜区,为优化中国马铃薯种植提供重要科学参考。【方法】利用6种全球气候模式(global climate models,GCMs)未来气候数据驱动5种物种分布模型(species distribution models,SDMs),集成模拟预测未来4种温室气体排放情景(ssp126、ssp245、ssp370、ssp585)下,中国历史上(1970—2000年)和4个未来时期(2021—2040、2041—2060、2061—2080、2081—2100年)的马铃薯气候适宜区时空分布特征。【结果】(1)最湿月份的降水量、最暖月份的最高温度,以及最冷季度的平均温度是影响中国马铃薯气候适宜度的主要气象因子,对模拟结果的贡献率分别为54.7%、21.4%和18.1%。(2)4种温室气体排放情景下对于各适宜等级区域的预测结果变化基本一致,都呈现适宜区、低适宜区面积变大而高适宜区面积变小的趋势,仅在海南、西藏、新疆等地局部存在种植气候不适宜区。马铃薯适宜种植区(适宜区和高适宜区)的面积在各种情况下均超过50%。(3)在未来各时期马铃薯种植低适宜区和适宜区面积将大幅增加,而高适宜区面积则呈下降趋势,各适宜等级区域面积总体依旧保持:适宜区>低适宜区>高适宜区。(4)随着温室气体排放等级的提高,中国马铃薯高适宜区将大幅减小。从空间分布上看,中国马铃薯种植高适宜区主要以东北地区、甘肃地区、新疆西部,以及西南部分区域为主;从时间顺序上看,陕西北部、长江中下游区域、内蒙古中西部等区域受未来气候变化影响较大,马铃薯气候适宜度减小趋势明显。【结论】利用构建的集成物种分布模型预测了未来时期中国马铃薯气候适宜区时空分布特征。根据模型模拟结果,建议东北、甘肃、西南等地区可以作为未来马铃薯的主要种植区域,新疆等地区可以作为主要发展区域,其他地区应按照当地情况优先发展其他粮食和经济作物。
张志良, 和志豪, 茹晓雅, 蒋腾聪, 何英彬, 冯浩, 于强, 何建强. 未来气候变化对中国马铃薯种植气候适宜性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3530-3542.
ZHANG ZhiLiang, HE ZhiHao, RU XiaoYa, JIANG TengCong, HE YingBin, FENG Hao, YU Qiang, HE JianQiang. Influence of Future Climate Change on the Climate Suitability of Potato Cultivation in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(18): 3530-3542.
表1
SDM模型输入气象环境因子"
变量 Variable | 定义 Definition | 是否用于建模 Whether to use for modeling | 单位 Unit |
---|---|---|---|
bio1 | 年平均温度 Annual mean temperature | 否 No | ℃ |
bio2 | 平均日变化范围(月平均(最高温度-最低温度)) Mean diurnal range (mean of monthly (max temp - min temp)) | 是 Yes | ℃ |
bio3 | 等温性(BIO2/BIO7) Isothermality (BIO2/BIO7) (×100) | 是 Yes | ℃ |
bio4 | 温度季节性(标准偏差×100) Temperature seasonality (standard deviation ×100) | 否 No | ℃ |
bio5 | 最暖月份的最高温度 Max temperature of warmest month | 是 Yes | ℃ |
bio6 | 最冷月份的最低温度 Min temperature of coldest month | 否 No | ℃ |
bio7 | 温度年变化范围(BIO5-BIO6) Temperature Annual Range (BIO5-BIO6) | 否 No | ℃ |
bio8 | 最潮湿地区的平均温度 Mean temperature of wettest quarter | 否 No | ℃ |
bio9 | 最干燥季度的平均温度 Mean temperature of driest quarter | 否 No | ℃ |
bio10 | 最温暖季度的平均温度 Mean temperature of warmest quarter | 否 No | ℃ |
bio11 | 最冷季度的平均温度 Mean temperature of coldest quarter | 是 Yes | ℃ |
bio12 | 年降水量 Annual precipitation | 否 No | mm |
bio13 | 最湿月份的降水量 Precipitation of wettest month | 是 Yes | mm |
bio14 | 最干旱月份的降水量 Precipitation of driest month | 否 No | mm |
bio15 | 降水季节性(变异系数) Precipitation seasonality (coefficient of variation) | 是 Yes | — |
bio16 | 最潮湿地区的降水量 Precipitation of wettest quarter | 否 No | mm |
bio17 | 最干燥季度的降水量 Precipitation of driest quarter | 否 No | mm |
bio18 | 最热季度的降水量 Precipitation of warmest quarter | 否 No | mm |
bio19 | 最冷季度的降水量 Precipitation of coldest quarter | 否 No | mm |
表2
本研究中所采用物种分布模型的特点"
模型 Model | 特征 Characteristics | 参考文献 References |
---|---|---|
最大熵 Maxent | 选择随机变量统计特性最符合客观情况的准则 Selection of statistical characteristics of random variables is the most suitable criterion for objective conditions | [ |
增强回归树 BRT | 使用递归二元分割来消除预测因子之间的相互作用,建立一个小回归树的大集合来表示响应及其预测因子之间的非线性关联 Recursive binary segmentation is used to eliminate the interaction between predictors, and a large set of small regression trees is established to represent the nonlinear correlation between responses and their predictors | [ |
多元自适应回归样条 MARS | 自适应处理高维数据的样条回归方法 Adaptive spline regression method for processing high-dimensional data | [ |
支持向量机 SVM | 将数据从低维向量映射到高维向量,在高维空间中使正集和负集之间的距离最大化 Map data from low-dimensional vector to high-dimensional vector, and maximize the distance between positive set and negative set in high-dimensional space | [ |
随机森林 RF | 在Cart决策树中引入Bagging算法进行多次有放回随机抽样,然后训练得到单个决策树分类器,完成对集 成模型的构建 Bagging algorithm is introduced into Cart decision tree for multiple random sampling, and then a single decision tree classifier is trained to complete the construction of the integrated model | [ |
表3
未来气候变化不同排放情景下不同时期内的全国马铃薯种植各等级适宜区面积统计"
情景 Scenario | 时期 Period | 低适宜区 Low-suitable | 适宜区 Suitable | 高适宜区 High-suitable |
---|---|---|---|---|
历史时期 Historical | 1970-2000 | 262 | 407 | 296 |
ssp126 | 2021-2040 | 270 | 479 | 216 |
2041-2060 | 275 | 501 | 187 | |
2061-2080 | 287 | 500 | 177 | |
2081-2100 | 283 | 501 | 179 | |
ssp245 | 2021-2040 | 275 | 476 | 214 |
2041-2060 | 283 | 504 | 177 | |
2061-2080 | 301 | 507 | 156 | |
2081-2100 | 320 | 497 | 147 | |
ssp370 | 2021-2040 | 272 | 473 | 219 |
2041-2060 | 285 | 503 | 176 | |
2061-2080 | 314 | 510 | 141 | |
2081-2100 | 345 | 511 | 108 | |
ssp585 | 2021-2040 | 273 | 484 | 207 |
2041-2060 | 294 | 509 | 161 | |
2061-2080 | 339 | 509 | 116 | |
2081-2100 | 388 | 507 | 69 |
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