





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 |
| [1] |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.08.195 |
| [2] |
|
| [3] |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2014.08.035 |
| [4] |
doi: 10.1007/s11540-013-9230-4 |
| [5] |
doi: 10.1111/jpe.2008.45.issue-5 |
| [6] |
李国庆, 刘长成, 刘玉国, 杨军, 张新时, 郭柯. 物种分布模型理论研究进展. 生态学报, 2013, 33(16): 4827-4835.
|
|
doi: 10.5846/stxb |
|
| [7] |
doi: 10.1016/j.agee.2020.107293 |
| [8] |
朱娅秋, 何英彬, 焦伟华, 徐飞, 李闯, 孙静, 罗善军, 段丁丁, 张远涛, 于金宽, 徐瑞阳, 赵畅. 基于GIS的吉林省马铃薯种植气候适宜性精细化区划. 中国农业资源与区划, 2021, 42(7): 128-136.
|
|
|
|
| [9] |
马力文, 刘静, 马金富, 张学艺. 海原县马铃薯气候适宜性精细化区划. 中国马铃薯, 2017, 31(4): 210-215.
|
|
|
|
| [10] |
滕宗璠, 张畅, 王永智. 我国马铃薯适宜种植地区的分析. 中国农业科学, 1989, 22(2): 35-44.
|
|
|
|
| [11] |
doi: 10.1111/j.2041-210X.2011.00172.x |
| [12] |
周天军, 陈梓明, 邹立维, 陈晓龙, 俞永强, 王斌, 包庆, 鲍颖, 曹剑, 胡帅, 李立娟, 李建, 林岩銮, 马利斌, 乔方利, 容新尧, 宋振亚, 唐彦丽, 吴波, 吴统文, 辛晓歌, 张贺, 张明华. 何编,中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估. 气象学报, 2020, 78(3): 332-350.
|
|
|
|
| [13] |
|
| [14] |
doi: 10.1016/j.prevetmed.2019.104861 |
| [15] |
doi: 10.1016/j.ecolmodel.2005.03.026 |
| [16] |
|
| [17] |
|
| [18] |
doi: 10.1109/72.788640 pmid: 18252602 |
| [19] |
doi: 10.1023/A:1010933404324 |
| [20] |
doi: 10.1111/ecog.2016.v39.i4 |
| [21] |
邱浩杰, 孙杰杰, 徐达, 焦洁洁, 薛敏, 袁位高, 沈爱华, 江波, 李胜. 末次盛冰期以来红豆树在不同气候变化情景下的分布动态. 生态学报, 2020, 40(9): 3016-3026.
|
|
|
|
| [22] |
|
| [23] |
doi: 10.2134/agronj1999.00021962009100030011x |
| [24] |
任稳江, 任亮, 刘生学. 黄土高原旱地马铃薯田土壤水分动态变化及供需研究. 中国马铃薯, 2015, 29(6):355-361.
|
|
|
|
| [25] |
doi: 10.1007/s12230-012-9267-y |
| [26] |
doi: 10.1007/s13593-019-0604-0 |
| [27] |
doi: 10.1016/j.agwat.2010.06.002 |
| [28] |
doi: 10.1016/j.agrformet.2018.03.022 |
| [29] |
孙俊, 李剑萍, 吴志歧, 杨美兰, 罗京云, 魏广涣. 气候条件对马铃薯产量的影响及产量预报模型研究. 安徽农业科学, 2010, 38(23): 12400-12402.
|
|
|
|
| [30] |
doi: 10.1016/j.fcr.2016.04.012 |
| [31] |
黄家伟, 吴登峰, 张招娟. 高温对不同耐热性马铃薯生长特性的影响. 亚热带农业研究, 2022, 18(2): 79-84.
|
|
|
|
| [32] |
doi: 10.2136/vzj2007.0089 |
| [33] |
李飞, 金黎平. 马铃薯霜冻害及防御措施. 贵州农业科学, 2007, 35(3): 121, 127.
|
|
|
|
| [34] |
doi: 10.17221/126/2020-PSE |
| [35] |
doi: 10.1016/j.eja.2016.09.007 |
| [36] |
doi: 10.1016/j.agwat.2010.05.025 |
| [37] |
doi: 10.1016/S2095-3119(14)60783-8 |
| [38] |
doi: 10.1016/S0304-3800(00)00354-9 |
| [39] |
杜倩, 魏晨辉, 梁陈涛, 于景华, 王慧梅, 王文杰. 中国东北地区12个建群树种对气候变化响应的MaxEnt模型分析. 生态学报, 2022, 42(23): 9712-9725.
|
|
|
|
| [40] |
张欣雨, 朱泽群, 袁雅欣, 姬文翔, 宋岑雨, 陆洪伟, 赵茜蕾, 卞庆瑶, 孙子墨, 宜树华, 孙义. 基于组合物种分布模型的黄河源区鹅绒委陵菜适宜生境及其对气候变化的响应. 草业科学, 2022, 39(2): 254-267.
|
|
|
|
| [41] |
张爱平, 王毅, 熊勤犁, 伍小刚, 孙晓铭, 黄艳蒙, 张林, 潘开文. 末次间冰期以来3种云杉属植物的历史分布变迁及避难所. 应用生态学报, 2018, 29(7): 2411-2421.
doi: 10.13287/j.1001-9332.201807.027 |
|
|
|
| [42] |
沈涛, 张霁, 申仕康, 赵艳丽, 王元忠. 西南地区红花龙胆分布格局模拟与气候变化影响评价. 应用生态学报, 2017, 28(8): 2499-2508.
doi: 10.13287/j.1001-9332.201708.017 |
|
|
|
| [43] |
doi: 10.1111/ddi.12096 |
| [44] |
doi: 10.3390/su14137836 |
| [45] |
doi: 10.3390/agronomy11050865 |
| [46] |
doi: 10.3389/fpls.2021.698060 |
| [47] |
doi: 10.1111/gcb.14828 pmid: 31487434 |
| [48] |
doi: 10.1093/icesjms/fsu172 |
| [1] | 罗伟, 余洪, 袁立新, 王玲玲, 赵金鹏, 殷伟, 王明田, 王茹琳. 全球气候变化背景下川渝地区再生稻地理分布格局变迁[J]. 中国农业科学, 2026, 59(4): 765-780. |
| [2] | 苏明, 李翻过, 洪自强, 周甜, 柳强娟, 班文慧, 吴宏亮, 康建宏. 施氮缓解旱地马铃薯花后高温早衰的抗氧化特性研究[J]. 中国农业科学, 2025, 58(4): 660-675. |
| [3] | 马鹤逍, 葛国龙, 张向前, 路战远, 王满秀, 戎美仁, 师晶晶, 张德健, 孙雪萍. 不同作物轮作系统对土壤易氧化有机碳和碳库活度差异性的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(24): 5201-5215. |
| [4] | 丁宁, 齐恩芳, 贾小霞, 黄伟, 马丽荣, 李建武, 燕汝楠. 马铃薯幼苗应答高温胁迫的miRNA筛选与鉴定[J]. 中国农业科学, 2025, 58(22): 4589-4602. |
| [5] | 颉晖晖, 杨秋华, 李文丽, 朱锦程, 李惠霞, 张峰. 抗南方根结线虫马铃薯野生种渐渗种质的鉴定[J]. 中国农业科学, 2025, 58(14): 2924-2932. |
| [6] | 赵甜甜, 袁剑龙, 卓峰琦, 唐振三, 徐杰, 张峰. 马铃薯全粉品质综合评价及品种筛选[J]. 中国农业科学, 2025, 58(13): 2522-2537. |
| [7] | 郭世博, 张镇涛, 郭尔静, 赵锦, 刘志娟, 赵闯, 杨晓光. 全球气候变暖对中国种植制度的可能影响XV.适应未来气候变化的我国油料作物种植布局调整[J]. 中国农业科学, 2025, 58(11): 2118-2144. |
| [8] | 黄立强, 江如, 朱波汁, 彭焕, 许翀, 宋家雄, 陈敏, 李永青, 黄文坤, 彭德良. 马铃薯主栽品种抗马铃薯金线虫鉴定及抗性分子标记检测[J]. 中国农业科学, 2024, 57(8): 1506-1516. |
| [9] | 梁丽娟, 程李香, 袁剑龙, 撒刚, 张峰. 茉莉酸调控马铃薯离体块茎发育的主要代谢物变化[J]. 中国农业科学, 2024, 57(13): 2525-2538. |
| [10] | 段惠敏, 刘玲玲, 夏露露, 袁剑龙, 程李香, 陈爱荣, 张峰. 低升糖型马铃薯品种的筛选[J]. 中国农业科学, 2024, 57(12): 2295-2308. |
| [11] | 杨王华, 刘志娟, 巩敬锦, 付真真, 张太林, 张晓龙, 沈彦军, 杨晓光. 东北地区未来春玉米干旱风险时空分布及对气候变化的响应[J]. 中国农业科学, 2024, 57(12): 2336-2349. |
| [12] | 尹艳蝶, 杨艳梅, 付启春, 王琴, 李永青, 段锦凤, 刘玉竹, 王桥美, 胡先奇. 马铃薯根系分泌物对马铃薯金线虫孵化和趋化的影响及外源酸类物质的验证[J]. 中国农业科学, 2024, 57(11): 2161-2175. |
| [13] | 温媛媛, 李妍, 李建国, 王美美, 于长辉, 沈宜钊, 高艳霞, 李秋凤, 曹玉凤. 马铃薯条加工副产品与稻草混贮对奶公牛育肥性能和血液生化指标的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1800-1812. |
| [14] | 冶楠, 朱艳, 赵元寿, 朱建宁, 门佳伟, 陈富, 孔德媛, 张卫兵, 宗元元, 李永才. 壳寡糖浸种对马铃薯微型薯芽生长和内源激素含量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 788-800. |
| [15] | 唐振三, 袁剑龙, 康亮河, 程李香, 吕汰, 杨晨, 张峰. 基于图像特征识别的马铃薯薯皮粗糙度分级研究[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4428-4440. |
|
||