本研究的输入数据主要包括耕地空间分布数据、气象数据、土壤数据和高程数据。

耕地数据是2010年我国耕地空间分布遥感监测数据, 来源于中国科学院资源环境数据中心的土地利用数据库。该数据库是在国家科技支撑计划、中国科学院知识创新工程重要方向项目等多项重大科技项目的支持下经过多年的积累而建立的覆盖全国陆地区域的多时相1:10万比例尺土地利用现状数据集^{[14, 15, 16, 17]}。本研究借助GIS平台, 从土地利用现状数据集中提取2010年耕地空间分布数据用于模拟近50 a来气候变化背景下的中国玉米生产潜力。

气象数据来源于中国气象局的760多个气象观测站的1961— 2010年的月气象数据, 包括最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、10 m高度处的风速和日照时数。在考虑地形高程差异的条件下使用ANUSPLIN软件对各气象要素进行了空间插值, 获得全国1 km× 1 km的月气象要素空间格网数据^{[18, 19, 20]}, 再通过投影变换等处理, 使之与耕地空间分布数据相匹配, 以此作为耕地玉米生产潜力计算的气候条件基础。

土壤数据来源于中国科学院资源环境数据中心1:100万全国土壤数据集, 包括土壤类型、土壤成分、土壤深度和土壤持水力等属性。

地形高程数据来源于美国奋进号航天飞机的雷达地形测绘（Shuttle Radar Topography Mission, SRTM）数据。SRTM数据是全球尺度的最完整的高分辨率的地球表面的数字地形数据, 数据几乎覆盖了全球80% 的面积和几乎所有的陆地面积^[21], 有现实性强、免费获取等优点, 全球许多应用研究都采用SRTM数据开展地形环境分析^[22]。

本研究采用GAEZ模型对中国玉米生产潜力进行估算。GAEZ模型是由联合国粮农组织（FAO）和国际应用系统研究所（IIASA）共同开发的农业生态区划模型。GAEZ模型在原有AEZ模型基础上改进了作物生产潜力模拟、土地适宜性评价和水分管理方式等计算过程。AEZ模型计算过程严谨, 机理性较强, 是目前对气候条件和粮食产量关系表达最好的模型之一。在玉米生产潜力计算过程中, GAEZ模型首先综合考虑气候因子光、温、水等分析玉米在每个栅格上种植的气候适宜性, 然后对适宜种植的栅格, 模拟理想土壤条件和管理条件下的气候生产潜力, 最后考虑农业生产技术、土壤、地形和耕地分布等限制因素计算获得各栅格的玉米生产潜力（图1）, 关于GAEZ模型的详细技术资料请参考相关文献^{[23, 24, 25, 26]}。中国玉米种植主要包括春玉米和夏玉米, 其适宜种植区的分布是影响玉米生产潜力的重要因素。本研究主要根据春玉米和夏玉米适宜生长的气候条件来分别估算其适宜种植区, 如根据春玉米品种生长所需的温度范围、降水以及辐射条件, 计算出春玉米的适宜种植范围; 夏玉米品种生长所需的生长条件和春玉米品种不同, 但在某些地区, 两者会有交集, 故在本研究中春玉米和夏玉米适宜种植重叠区域的生产潜力取两者中的较高值作为该地区的玉米生产潜力。本研究采用GAEZ模型结合2010年中国耕地空间分布数据, 分别计算了雨养和灌溉两种不同情景下1961— 2010年逐10 a平均气候条件下玉米生产潜力, 并在此基础上分析近50 a来气候变化背景下中国玉米生产潜力的时空格局演变特征和规律。

图1

Fig. 1

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	图1 GAEZ模型结构图Fig. 1 The diagram of the GAEZ model

雨养条件下的生产潜力计算是基于光、温度和水分条件, 而灌溉条件下的生产潜力计算是假设水分条件对作物生长没有影响而只考虑光和温度的条件。这两种情况都与中国现存的自然雨水灌溉农田、灌溉农田用的农业管理方法相一致。以下公式用来计算雨养和灌溉条件下每个网格单元内的玉米产量：

yieldtotal=yieldrain-fed×100%-i+yieldirrigated×i（1）

其中：yield_total为每个网格单元内的生产潜力（kg/hm²）, yield_rain-fed是雨养条件下每个网格单元内的产量情况（kg/hm²）, yield_irrigated是灌溉条件下每个网格单元内的产量情况（kg/hm²）, i (%) 是根据中国农业部官方统计的灌溉面积占耕地总面积的比例。

为了对基于GAEZ模型估算的中国玉米生产潜力进行验证, 本文估算了2010年中国玉米生产潜力, 从估算结果来看, 2010年中国玉米平均生产潜力为7 296.85 kg/hm²。以全国各县（市）为统计单元, 统计各县（市）2010年玉米生产潜力, 并与2010年全国各县（市）玉米平均单产统计数据进行比较分析（图2）。图中趋势线表示估算的各县（市）玉米生产潜力与实际统计的玉米单产的相关趋势线, 从拟合结果来看, 各县（市）玉米生产潜力与实际单产的相关系数为0.89, 回归方程为y=0.888 9x+121.08, 两者相关性较好, 因此各县（市）玉米生产潜力的变化在很大程度上能反映实际玉米产量的变化趋势。

图2

Fig. 2

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	图2 2010年全国各县（市）玉米生产潜力与玉米实际产量的对比Fig. 2 Comparison of maize production potential and real production of all counties (cities) of China in 2010

从2010年玉米生产潜力估算结果看（图3）, 中国玉米生产潜力的空间分布很不均匀, 整体呈现由西向东逐渐递增的趋势, 东北平原区和黄淮海平原的平均单产潜力较高, 东北平原区平均单产达到8 481.49 kg/hm², 其中辽宁省南部、吉林省中部以及黑龙江省南部的大部分地区玉米生产潜力较高; 黄淮海平原平均单产达到7 993.14 kg/hm², 其中, 胶东半岛、河北省南部以及河南省中南部相对较高。另外, 长江中下游地区玉米平均单产潜力为7 167.13 kg/hm²; 而青藏高原区玉米适宜种植区极为有限, 且产量也不高, 因此玉米生产潜力最小, 平均玉米单产潜力仅有4 180.96 kg/hm²; 四川盆地西部地区、黄土高原以及云贵高原西北部地区的平均玉米单产潜力也不高, 分别为5 113.40 kg/hm²、5 496.86 kg/hm²和5 827.84 kg/hm²。北方干旱半干旱区的大部分地区由于水分条件缺乏而不适宜种植玉米, 而新疆天山北部和西部、昆仑山北部部分地区的玉米生长情况较好, 因此该区的平均玉米单产潜力达到5 901.09 kg/hm²。

图3

Fig. 3

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	图3 2010年中国玉米生产潜力空间分布Fig. 3 The distribution of maize production potential in China in 2010

2010年中国玉米生产潜力总量为8.34× 10⁸ t, 各农业区玉米生产潜力总量较高的是东北平原、黄淮海平原和长江中下游地区, 分别达到1.97× 10⁸、1.92× 10⁸和1.85× 10⁸ t。青藏高原地区玉米生产潜力总量最低, 仅有59.44× 10⁴ t（图4）。从2010年各农业区玉米生产潜力总量计算结果来看, 生产潜力总量由高到低的区域依次是：东北平原区> 黄淮海平原区> 长江中下游地区> 北方干旱半干旱区> 黄土高原区> 四川盆地及周边地区> 云贵高原区> 华南区> 青藏高原区。

图4

Fig. 4

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	图4 2010年中国各地区玉米生产潜力总量Fig. 4 Total production potential of maize in different zones in China in 2010

中国玉米生产潜力的空间分布格局受多种环境因子的影响, 如水分条件、温度、日照、土壤等, 其中, 水分条件的影响最为明显, 在雨养条件下, 降雨量与降雨时期决定了玉米的生长发育与产量高低, 显著影响玉米的收获指数, 在灌溉条件下, 及时灌溉可以促进玉米的生长发育, 从而提高玉米产量^[27]。从玉米生产潜力的空间分布（图3）上可以看出, 辽宁省南部、吉林省中部以及黑龙江省南部的大部分地区, 黄淮海平原以及胶东半岛等水分条件较为充足的地区, 玉米生产潜力都较高, 而北方干旱半干旱区的大部分地区以及四川盆地、云贵高原部分地区由于水分条件缺乏, 玉米生产潜力较低。另外, 青藏高原区和西南山区由于受地形和土壤等因素的影响, 玉米生产潜力也较低。

2.3.1 玉米生产潜力时间变化过程

从20世纪60年代以来全国平均玉米单产潜力和生产潜力总量的变化看（图5）：近50 a来中国玉米单产潜力和生产潜力总量整体都呈现减少的趋势。自20世纪60年代到90年代全国平均玉米单产潜力呈波动减少态势, 从60年代的7 220.4 kg/hm²减少到70年代的7 075.9 kg/hm², 80年代又增加到7 132 kg/hm², 90年代减少到6 993.9 kg/hm², 90年代之后玉米单产潜力恢复增加趋势, 到21世纪初期中国平均玉米单产潜力增加到7 007.1 kg/hm²。玉米生产潜力总量在20世纪60至70年代为减少趋势, 从60年代的8.71× 10⁸ t减少到70年代的8.53× 10⁸ t, 减少量为0.18× 10⁸ t, 80年代以后玉米生产潜力总量开始出现恢复性增长趋势, 到21世纪初期玉米生产潜力总量增加到8.67× 10⁸ t, 比20世纪70年代净增加0.14× 10⁸ t。从GAEZ模型估算的玉米适宜种植区的面积变化看, 20世纪70年代全国玉米适宜种植区面积为12 055× 10⁴ hm², 到21世纪初期玉米适宜种植区面积增长到12 373× 10⁴ hm², 净增加了318× 10⁴ hm²。因此, 20世纪70年代以后全国玉米生产潜力总量的增长主要是由于玉米适宜种植区的面积扩大所引起。

图5

Fig. 5

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	图5 20世纪60年代至21世纪初期中国玉米单产潜力和生产潜力总量变化过程Fig. 5 Changes of China’ s maize production potential and total production potential during 1960-2010

2.3.2 玉米生产潜力变化的区域差异

为了揭示我国玉米生产潜力变化的区域差异, 将全国划分为9个农业区, 即东北平原区、云贵高原区、北方干旱半干旱区、华南区、四川盆地及周边地区、长江中下游地区、青藏高原区、黄土高原区和黄淮海平原区。根据GAEZ模型估算的中国玉米生产潜力, 统计各年代九大农业区玉米单产潜力和生产潜力总量的变化（图6）。

图6

Fig. 6

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	图6 20世纪60年代至21世纪初期中国各农业区玉米生产潜力和生产潜力总量变化Fig. 6 Changes of maize production potential and total production potential in each agricultural area of China from 1960s to 2000s

从中国玉米单产潜力变化的区域差异来看, 九大农业区中, 东北平原区平均玉米单产潜力在7 497.05~8 359.17 kg/hm²之间, 且呈现逐渐增加的趋势, 在九大农业区中增长最突出（图7）; 黄淮海平原区平均玉米单产潜力最高, 在8 293.3~8 843.53 kg/hm²之间, 且近几十年有逐渐减少的趋势, 21世纪初期同20世纪60年代相比玉米单产潜力净减少550.23 kg/hm²（图7）; 长江中下游地区平均玉米单产潜力也较高, 在7 433.59~ 7 876.91 kg/hm²之间, 也表现为逐渐减少的趋势; 华南区、云贵高原区、黄土高原区和四川盆地及周边地区平均玉米单产潜力整体呈现减少的趋势, 但减少的幅度相对较小, 其中华南区平均玉米单产潜力在6 348.65~6 694.4 kg/hm²之间, 云贵高原区平均玉米单产潜力在6 030.83~6 502.70 kg/hm²之间, 黄土高原区平均玉米单产潜力在5 749.16~ 6 394.58 kg/hm²之间, 四川盆地及周边地区平均玉米单产潜力在5 300.95~5 586.47 kg/hm²之间。北方干旱半干旱区的平均玉米单产潜力在5 732.59~6 092.54 kg/hm²之间波动, 变化范围较小; 青藏高原区在9个区中平均玉米单产潜力值最小, 在3 944.69~4 226.04 kg/hm²之间, 年代间波动范围也较小。

图7

Fig. 7

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	图7 20世纪60年代至21世纪初中国玉米单产潜力变化Fig. 7 Changes of China’ s maize production potential from 1960s to 2000s

从九大农业区玉米生产潜力总量的变化看, 各区玉米生产潜力总量变化差异较大（图6）。东北平原区生产潜力总量在1.69× 10⁸~1.92× 10⁸ t之间, 其中黑龙江省和吉林省玉米气候产量主要受温度的影响, 随着气候变暖, 玉米气候产量也逐渐增加^[28], 因此东北平原区玉米生产潜力总量整体呈现逐渐增加的趋势, 且在9个区中的增加趋势最为明显。本研究在气候生产潜力的基础上进一步考虑了土地适宜性以及耕地比例、利用强度和灌溉比例的影响, 获得的玉米土地生产潜力与气候生产潜力有明显差异, 因此本文关于20世纪60年代以来玉米生产潜力的变化结论与王秀芬、王冬妮等^{[11, 12]}的研究结论明显不同。北方干旱半干旱区玉米生产潜力总量的增加趋势也较大, 在0.87× 10⁸~1.0× 10⁸ t之间; 黄淮海平原区和长江中下游地区玉米生产潜力总量较高, 但都表现为缓慢减少的趋势, 其中黄淮海平原区玉米生产潜力总量最高, 在1.99× 10⁸~2.09× 10⁸ t之间, 长江中下游地区玉米生产潜力总量在1.93× 10⁸~2.04× 10⁸ t之间; 云贵高原区、黄土高原区、华南区和四川盆地及周边地区玉米生产潜力总量都较低, 且波动较小, 其中云贵高原区玉米生产潜力总量在0.38× 10⁸~0.45× 10⁸ t之间, 黄土高原区玉米生产潜力总量在0.55× 10⁸~0.61× 10⁸ t之间, 华南区玉米生产潜力总量较稳定, 在0.33× 10⁸~0.35× 10⁸ t之间浮动, 四川盆地及周边地区在0.47× 10⁸~0.54× 10⁸ t之间。青藏高原区由于气候和地理位置较特殊, 适宜种植玉米的地区极少, 所以玉米生产潜力总量最少, 在14.6× 10⁴~52.9× 10⁴ t之间, 生产潜力总量的变化也最少。

气候变化是影响玉米生产潜力变化的重要因素。20世纪60年代至21世纪初期中国年平均气温和降水表现出不同的空间变化规律, 其中年平均气温呈明显升高趋势, 东北、华北和西北部分地区年平均温度增加了2 ℃以上。20世纪80年代后, 温度升高的速度（0.41 ℃/10 a）大大超过20世纪80年代之前（0.11 ℃/10 a）^[29]。从玉米生产潜力变化趋势与气候因素的变化关系来看, 我国东北和西北大部分地区玉米生产潜力主要受温度的影响, 温度升高, 玉米生产潜力有增加趋势, 且温度升高越快玉米生产潜力的增加越明显。因此, 我国东北地区玉米生产潜力总量的明显增加与该地区气温升高的趋势非常吻合。20世纪60年代至21世纪初期中国大多数地区降水减少, 尤其是在中国西南地区、黄土高原、内蒙古及长城沿线区域的降水量减少了10%以上。其中, 降水量增加的地区主要分布在中国的西北地区和长江中下游地区。例如, 在甘肃— 新疆和华南区的降水, 分别增加了13.7%（约21 mm）和2%（约31 mm）。降水量的时间变化过程表明, 1990年之前降水改变不显著, 但从20世纪90年代至21世纪初降水呈现明显减少的趋势 (减少约31 mm) ^[29]。黄土高原和西南地区玉米生产潜力的减少主要与降水量的减少有关, 而西北地区降水量的增加对玉米生产潜力增加有促进作用。此外, 辐射的变化也对玉米生产潜力有一定影响。50 a来黄淮海平原的辐射量减少趋势较明显, 减少的幅度为500 MJ/(m²· a)^[29], 是这一地区玉米生产潜力减少的主要原因。以上分析说明, 温度、降水和辐射是影响玉米生产潜力的三个重要因素, 但对于不同地区, 温度、降水和辐射对玉米生产潜力影响的结果不尽相同。