论文利用大气-植被相互作用模型(AVIm²)模拟了西南地区植被净初级生产力的空间分布格局和多年变化,分析了1981—2000年西南地区气候变化对森林、灌丛和草地净初级生产力的影响。研究表明,西南地区植被净初级生产力的空间分布与降水量呈显著正相关,与海拔高度呈负相关。从年际变化来看,西南地区总植被净初级生产力近20年略有上升。近一步分析表明,由于近20年西南地区自然植被分布区域降水量变化具有明显差异,从而使得不同类型植被对气候变化有不同响应特征。在森林分布广泛的地区,气温升高速率为0.037℃/年,降水量变化趋势不明显,模拟的森林植被净初级生产力没有明显变化趋势。灌丛和草地集中区域气温升高速率分别为0.040℃/年和0.034℃/年,年降水量有明显增加趋势,植被净初级生产力有上升趋势。

利用月降水、气温等资料,分析甘南草原地区水热配置和土壤水分变化。结果表明:牧草生长期降水增多,成熟期降水减少;逐月降水、气温变化的线性趋势有明显差异;月降水明显减少和气温明显上升中存在突变,周期谱有明显差别。土壤水分存在显著下降趋势,在1995年发生了突变(转向明显负距平)。土壤水分年际演变与降水同向性较好,年代际变化与气温呈反位相配置;土壤水分演变振荡周期对降水短周期和气温长周期响应明显。

20世纪80年代中期以来,我国气候变暖,尤其是90年代中期以来的显著变暖,对我国冬季采暖气候条件和能源需求产生了很大影响。论文以全国458个气象台站逐日平均气温为基础,对其影响进行了分析。依照《采暖通风与空气调节设计规范G(B50019-2003)》的规定,确定了采暖初(终)日及集中(过渡)采暖期的划分方法,并采用度日法分析了采暖强度。结果发现与1980年以前时段相比,1985—2004年以及1995—2004年间,我国集中采暖区和过渡采暖区的界线明显北移,尤其110E°以东地区北移最大达2～3个纬距;北方大部地区采暖期长度缩短5～15d,长江以南地区缩短最大达30d以上;北方采暖强度普遍减小200℃以上;理论上由气候变暖导致的我国北方地区冬季采暖耗能降低了5%～30%,长江中下游地区冬季采暖耗能降低了30%以上。

研究首先利用1980—2000年黄淮海农业区10个站点的农业数据对CER ES-W heat动态机理作物模型进行详细的验证,然后将CERESW-heat模型与两个全球气候模式(G ISS和H adley)结合,同时考虑到CO2对小麦的直接施肥作用,模拟了黄淮海农业区10个站点在IPCC SR ES A 2和B2两个气候情景下雨养和灌溉小麦产量和水分利用的变化趋势。得到如下结论:在不考虑CO2直接肥效的情况下,黄淮海农业区雨养小麦全面减产,空间分布特点是西部减产幅度大,东部减产幅度小;在充分灌溉的情况下,灌溉小麦产量维持了现有水平,但灌溉水量增加。因此,在未来该地区水资源短缺的情况下,如何合理利用有限的水资源将成为黄淮海农业区主要面临的问题。在考虑CO2直接肥效的情况下,雨养和灌溉小麦产量都全面增产,雨养小麦的增产幅度明显偏高,灌溉小麦约增产10%～30%,但CO 2的肥效能否充分实现还需要进一步研究证明。

通过对多年来陇东黄土高原董志塬主要农作物冬小麦和主要果树苹果、梨发育物候和气候变化的同步观测,分析了陇东黄土高原农作物发育物候对气候变化的生态响应。分析发现,董志塬近35年来年平均气温呈显著增加的趋势,且以冬季和春季增温为主(冬小麦越冬期增温线性趋势达0.0672℃a/),和全球气候变暖趋势基本一致。增温线性趋势达0.0507℃a/,远高于全国20世纪60年代以来平均增温幅度,也高于陇东黄土高原近35年平均增温幅度(0.0348℃a/),是陇东黄土高原增温中心地带。气候变暖对董志塬冬小麦和果树的生态影响主要体现在春季发育期普遍提前,冬小麦越冬期显著缩短(缩短的线性趋势达0.674d a/),而冬小麦和果树春季各发育期间隔并未出现缩短的趋势。而且由于当地种植冬小麦品种为强冬性、长日照型品种,发育期提前导致日长缩短,对发育有一定抑制作用,抵消了一部分增温的影响,因此果树春季各发育期提前的线性趋势比冬小麦明显。就果树而言,梨树春季发育期提前的线性趋势又比苹果树明显。结论认为气候变化对农业的影响有利有弊,农业管理部门应根据当地气候变化特征,及时调整种植结构,优化种植模式,趋利避害,充分挖掘气候资源潜力,提高农业经济效益。

借助于统计学分析方法、Landsat7ETM+遥感影像解译及GIS综合评价手段,构建了相对生态压力比值REP、相对剩余生态容量值R REC及相对生态风险度指数RERI,对珠江三角洲快速城市化的典型城市佛山市进行了区域开发的生态承载力分析及生态风险度评价,揭示了佛山市域的生态安全总体态势及问题成因;并从区域可持续发展角度提出应重视在区域开发中尽可能科学合理地维护林地、湿地、农田、城市防护林带等自然及半自然景观要素的系统性与连续性,从宏观尺度上引导城市集聚并对城市化的不良生态后果予以积极预防和有效调控,从而降低城镇化的生态风险。

利用2000—2003年县级统计数据,揭示21世纪初我国粮食供需的空间格局。我国粮食供需平衡以东西分异规律为主,其次是南北分异。地势第二级阶梯以东,主要余粮区分布最广,北方明显多于南方;胡焕庸线以西,常年缺粮区为主;两线之间,潜在缺粮区居多。东北地区、华北平原生产全国近70%的余粮。长江中下游以南地区既是我国温饱水平缺粮总数最多的地区,也是第三大余粮生产区。地势第二级阶梯上的农牧交错带,温饱水平缺粮总量列第二位,是我国粮食安全最脆弱的地区。上述地区主要位于环境变化敏感地带,粮食安全自然风险最大。因此,加强环境变化对粮食供需平衡的影响研究,对深入认识我国粮食供需平衡的稳定性具有重要的现实意义和理论价值。

针对我国北方水资源匮乏日益严重的状况,利用CERES-Maize作物模型模拟分析了北方旱区玉米自然降水生产潜力及其时空分布规律。研究表明,我国北方旱区玉米的水分生产潜力大小排序依次是半湿润区>半干旱区>干旱区,半湿润区的玉米自然降水生产潜力大约为11000kg/hm₂,干旱区大约在5000kg/hm₂,但同时半湿润区潜力的年际间波动性也最显著,干旱区则相对较为稳定。我国北方旱区东部的玉米生产潜力高于西部,但南北方向潜力差异不明显。

“猪—沼—果”生态农业模式是一种循环经济模式,论文分析了这一模式的系统结构和运作机制,总结了科学实验的结果。“猪—沼—果”模式以沼气池为核心,聚集了一系列复杂的生化反应,优化传统种养模式的组织结构,使物质充分利用,能量有效转换,具有显著的经济、社会和生态环境效益。江西建设了103.87×104个农户家用沼气池和250个大、中型沼气工程,每年可以节省木材600×104余m 3,相当于75×104hm₂林地的活立木蓄积量;农作物施用沼肥,节省化肥农药,比传统模式提高肥效20%左右。“猪—沼—果”模式在流域综合治理、减少农村面源污染、发展绿色食品和控制血吸虫病等方面都有广泛的应用。

利用“三江源”地区14个气象台站1962—2004年气温、降水量资料,分析了该地区气候变化趋势及其突变情况。研究表明:近43年来,“三江源”地区气温普遍升高,年及夏、秋季降水量的变化呈微弱减少趋势,而冬、春季降水量呈现出显著增加趋势,气候暖湿变化表现出不同季性,四季及年蒸发量变化呈逐年增大趋势;气候变化具有显著的区域性差异;年平均气温在1987年出现了由冷到暖的突变,冬、春季降水量均在20世纪70年代中期和80年代出现了由少向多的突变,年蒸发量在1986—1988年间发生由少到多突变。全球升温并由此引起的海洋蒸发和陆地上的蒸散加强,地气水分循环加快,是“三江源”地区气候出现暖湿变化的主要原因。

尽管分布式水文模型已有30多年的发展历史,但是迄今的应用还只是其潜力的很少一部分。Freeze-Harlan蓝图中由于理论上的深化带来了应用上的困难,同时也指出模型并不是越复杂越好。按照科学的建模原则,建立了一个简单的分布式月水量平衡模型(DTVGM);其中通过引入土壤湿度因子,改进后的Bagrov模型同时考虑了前期土壤湿度与降水对蒸散(发)的贡献;通过设置人类活动影响背景参数集,表述人类活动对水文过程的影响。将DTVGM月模型应用于华北地区密云水库以上潮白河流域,识别出白河流域气候变化对径流减少的贡献为44%,人类活动导致下垫面变化对径流减少的影响达54%;潮河流域气候变化的贡献率为24%,而人类活动的贡献率高达74%,是导致径流减少的主要原因。

选取西北地区资料年代较长的171个地面测站1961～2003年日平均气温资料,计算历年≥0℃、≥10℃积温和<0℃负积温,深入研究西北地区热量资源对气候变暖的响应及其对农业生产的影响。结果表明:1987～2003年比1961～1986年的平均值明显增高,尤以最低气温增幅最大,这说明最低气温的变化比最高气温的变化更敏感,西北地区气候变暖主要来自最低气温升高的贡献。冬季升温幅度大于夏季,<0℃负积温绝对值明显减少。西北地区20世纪80年代后期气候明显变暖,热量资源增加,喜温作物面积扩大,越冬作物种植区北界向北扩展,对牧区牲畜越冬度春有利。西北地区气候变暖对农业的负面影响大于正面影响。

全球变化导致青藏高原腹地气候的暖干化趋势,也引起该区高寒草甸植被向高寒草原植被的退化。研究区内为高寒草甸一高寒草原过渡区,高寒草甸植被的退化速率为14.2km/10a,而相应地在退化区内生物总量亦呈下降趋势。气候暖干化是引起高原腹地植被退化的原因。而植被退化与区域生物总量的下降将成为影响该区环境自调能力和牧业经济发展的消极因素。

最高和最低温度的变化对农业和环境的影响比平均温度更加重要。自20世纪50年代以来,中国北方最高和最低温度变化的特点是:最低温度升温速率大于最高温度的升温速率;冬季升温速率大于夏季;偏北(纬度较高)地区的升温速率大于偏南(纬度较低)地区。黄淮海和西北区,夏季最高气温呈下降趋势。对最高和最低温度变化作突变性检验,年平均最高气温变化的突变点发生于1992年,年平均最低温度变化的突变点发生于1981年。最低温度明显升高的年份远远早于最高气温,这说明最低气温的变化比最高气温变化敏感,中国北方气候变暖主要来自于最低温度升高的贡献。自20世纪80年代气候变暖以来,中国北方喜温作物种植面积扩大,作物种植北界向北推移。

利用黄河流域及其周边123个气象站1961～2000年20cm口径蒸发皿资料,分析了黄河流域蒸发皿蒸发量的气候变化趋势。结果表明,就整个流域平均而言,尽管在1960～2000年期间,黄河流域年平均温度升高了0.6℃,但蒸发皿蒸发量却呈明显下降趋势,黄河流域年蒸发皿蒸发量在20世纪80～90年代较60～70年代下降了136mm,下降幅度为7.5%;蒸发皿蒸发量的下降主要表现在夏季和春季,秋季和冬季不明显。对蒸发皿蒸发量气候变化的空间分析表明,局部区域与整个流域的气候变化趋势并不完全同步,黄河流域上游和下游蒸发皿蒸发量呈下降趋势,中游呈持平并略有上升趋势。