第 1章 绪 论
1.1 问题提出
1.全球变化全球变化是人类迄今面临的最大环境问题,也是21世纪人类面临的最复杂的挑战之一?全球变化是指地球系统中所有的自然大气圈?水圈?生物圈?岩石圈?冰冻圈和人为引起的变化张兰生等,2000?人类社会不断在与自然界发生物质与能量的交流,因此,全球变化不仅包括地球系统中各自然界圈层的变化,而且也包括人类圈本身的变化及其与地表环境的相互作用与影响叶笃正等,2009?
人类为了自身的生存和发展需求,不断对自然资源进行开发?经营和利用,人类与地表环境的相互作用本质上表现为人类利用土地的行为,导致自然陆地生物圈逐步向人类生物圈进行转变Ellis,2011?同时,全球变化对人类生态系统以及社会经济系统产生了深远影响,并将继续造成深远而巨大的影响陈宜瑜,1999,如一个国家或区域的粮食安全状况不仅受到自然环境变化的影响如气候变化?土地质量下降?CO2浓度上升?病虫害暴发,受到人类社会本身变革的影响如人口膨胀?生物质燃料种植?城市化与人口迁徙,同时还受到人类自然的综合影响如过度使用化肥与农药?采取不恰当的种植方式等Yuetal.,2012?因此,正确理解全球变化影响的深度和广度,提出相应的适应及减缓对策,是全球和我国可持续发展道路中面临的和要认真对待并加以解决的重大课题之一葛全胜等,2007?
2.农业土地利用变化
土地是人类社会赖以生存和发展的基础?农业土地利用是人类为了自身的生存和发展需求而有意识地对土地资源进行开发?经营和利用的活动,是土地系统的重要组成部分唐华俊等,2004?农业土地利用变化研究的核心目的在于理解和解释农业生产过程中的人类自然综合复杂关系,为可持续农业发展提供科学服务?
人类发展的历史是不断对土地加以开发利用和对土地覆盖进行改造的历史,农业土地利用处于动态变化之中?自人类社会出现至今,全球耕地面积不断扩张Helkowskietal.,2005;随着全球人口的持续增长?资源环境问题日益突出,以及农业技术革新等,农业土地利用方式正经历着从粗放扩张向集约化利用的方式转变Barrettoetal.,2013?农业土地利用变化的生态?社会和经济影响是明显的?农业土地利用对气候变化?陆地生态系统地球物理和地球化学循环过程?全球陆地海洋相互作用等有着重要影响,对于区域乃至全球生态环境变化具有重要意义Tilmanetal.,2011?例如,农业土地利用变化影响了全球水文及碳循环和能量平衡,改变了全球很多区域的生态环境;大量农药?化肥和生产设施的使用,导致了土壤污染?水质量的降低和生态多样性消失?同样,农业土地利用变化对一个国家或区域的农业生产?粮食安全?社会繁荣稳定和可持续发展有着重要影响王铮和郑一萍,2001;RosegrantandCline,2003;SchmidhuberandTubiello,2007?因此,如何科学利用农业土地成为实现人类可持续发展的重要途径之一Foleyetal.,2011?
3.农作物空间格局变化
以往农业土地利用变化侧重于分析耕地数量和质量的时空变化,缺乏对耕地内部农作物空间格局变化的研究?农作物空间格局是一个地区或生产单位作物种植结构?熟制与种植方式的空间表达,主要包括:①农作物的组成与布局,即种植什么和在哪里种植的问题;②农作物的复种或休闲,即一年几熟或几年几熟的问题;③农作物的种植方式,即如何种植的问题,包括连作?轮作?间种与套种等唐华俊等,2010?
农作物空间格局是农业土地利用的一种形式和结果,反映了人类农业生产在空间范围内利用农业生产资源的状况,是了解农作物种类?结构?分布特征的重要信息,也是进行作物结构调整和优化的依据唐华俊等,2010?同时,农作物空间格局特征及其时空动态变化信息也是研究农业生态系统对陆地碳循环贡献,评价全球变化对区域农业生产影响的基础?因此,农作物空间格局及其时空动态变化研究具有重要的理论和实际意义,已经成为地理学和生态学的前沿与热点研究问题?
4.全球变化与农作物空间格局变化
一方面,全球变化影响或制约着农作物空间格局变化?全球变化带来了诸如气候变暖?水资源变化?干旱和洪涝频发?土地沙漠化等资源环境和自然灾害问题,资源的多寡对农作物空间格局变化往往起到积极或消极的影响,灾害的发生频率和程度则限制了农作物空间格局的发展变化林而达等,2006;秦大河,2007?如全球气候变暖使得温度带发生移动,造成某一农作物种植区域的扩展或压缩?不同农作物类型的转换和替代,以及不同种植熟制和作物生产力的变化唐华俊等,2004?
另一方面,农作物空间格局变化是全球变化的重要内容和主要原因?人类在适应环境过程中总是使其与环境的关系趋于最优,不同环境下会出现不同的农作物空间格局?全球变化不可避免地对人与环境之间的平衡产生影响,导致农作物空间格局发生适应性变化?因此,农作物空间格局变化是全球变化的重要组成部分?同时,随着人口增长,耕地压力加大,人类不断通过毁林开荒?围湖造田等扩展作物种植面积,造成了大量森林?草地和湿地等自然体的破坏和萎缩?农作物空间格局变化带来了种植结构的不断变化?作物类型的频发更替,以及化学肥料和农药的大量使用?作物面积的扩展?弃耕,以及农作物类型的转变,改变了耕地中的物质流和能量流,必然影响地球系统的气候?水文?生物地球循环等,进一步引起全球变化?可见,全球变化是自然运动和人类活动共同作用的结果,农作物空间格局变化是全球变化的重要原因?
因此,开展全球变化与农作物空间格局变化的相互作用关系研究具有重要的科学意义,是全球变化及其区域响应研究领域的重要发展方向?正因为如此,我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006~2020年》中明确提出,要积极开展全球变化与区域响应研究,重点要研究全球变化对我国农业生产的影响?
1.2 国内外研究进展
自20世纪90年代以来,全球不同领域的学者对土地利用变化给予了很多关注,围绕土地利用何地发生变化?何时发生变化?如何发生变化和为何发生变化等问题开展了大量研究?尤其是,国际地圈生物圈计划internationalgeosphere-biosphereprogramme,IGBP与国际全球环境变化人类行为计划internationalhumandimensionsprogramme,IHDP共同执行的土地利用覆盖变化研究land-useandland-coverchange,LUCC以及后续全球土地计划globallandproject,GLP的实施,极大地促进了“土地变化科学”的诞生与发展Rindfussetal.,2004;TurnerIIetal.,2007;Reenberg,2009;Rounsevelletal.,2012?农作物空间格局变化研究无论在理论和方法方面,还是在实践方面都取得了长足的进展?
1.农作物空间格局变化特征研究
农作物空间格局特征主要包括单一作物的空间分布特征和多种作物组合形成的种植制度特征?从已经或正在进行的有关农作物空间格局变化研究来看,农作物空间格局变化信息获取方法主要有三种:基于统计数据的方法?基于遥感信息的方法以及基于空间模型的方法?基于统计数据分析是获取农作物空间格局变化信息的传统方法,已广泛应用于大区域尺度和长时间序列农作物空间格局及其变化分析研究?如张莉等2013利用统计数据分析了黑龙江省宾县过去15年农作物空间格局变化特征和规律,Lobell等2011分析了气候变化影响下全球作物产量的时空格局特征?统计方法的优势不仅体现在可以获取统计单元内农作物空间格局变化的数量和速率等特征的详细信息,还可以提供与农作物生长?农业生产紧密相关的其他信息,如作物物候期?灌溉量?施肥量?投入成本和动力费用等?
遥感技术作为一种高新技术,因成本低?迅速和准确的优点正被广泛应用于对地观测活动中,在不同时空尺度下的农作物空间格局动态变化监测中发挥了重要作用?目前,多传感器?多时间分辨率?多空间分辨率的遥感数据在农作物空间分布变化研究中得到了广泛应用?基于遥感数据的作物识别和变化监测的方法也从最初的目视解译法发展到基于统计学的分类法如结合地面样点的监督分类方法?多时相分类方法?多元数据结合分类法等,以及其他遥感分类法如神经元网络方法?模糊数学分类法?专家系统分类法?混合像元分解法等唐华俊等,2010?自1997年起,美国农业部国家农业统计中心利用多源中高分辨率遥感影像,制作了美国每年度作物分布图croplanddatalayers,CDL;Boryanetal.,2011?徐新刚2008利用高空间分辨率的QuickBird数据提取了作物种植面积分布,Cohen和Shoshany2002?张国平等2003和Liu等2005利用LandsatTM数据监测了农业耕地或作物空间分布及其动态变化?Jakubauskas等2002?Liu等2003和李景刚等2004则分别探索了利用低空间分辨率NOAAAVHRR数据进行大区域耕地或作物空间格局动态变化的研究?近几年来,中低空间分辨率的MODIS数据更是在大区域的作物空间分布监测中发挥了重要作用Xiaoetal.,2005;周清波等,2005;WardlowandEgbert,2008;熊勤学和黄敬峰,2009?此外,根据作物的生长季节性特点,利用时间序列植被指数构建作物生长曲线,不仅可以实现多种作物空间分类提取,还能获取区域复种指数范锦龙和吴炳方,2004;闫慧敏等,2005;Sakamotoetal.,2006;Canisiusetal.,2007;唐鹏钦等,2011?轮作方式Lunettaetal.,2010?物候特征吴文斌等,2009;李正国等,2011?耕地废弃Alcantaraetal.,2012等空间分布格局?
通过将农作物光合?呼吸?蒸腾?营养等一系列生理生化过程所需要的气候和土壤条件等公式化,再与各地域的光?温?水?土壤?地形以及农业生产条件等建立链接,就可以构建空间模型来获取农作物空间格局信息?基于模型的方法主要考虑了与农作物品种相对应的农业气候和土壤条件的阈值区间,实现了对不同农作物的潜在空间分布模拟?如Tan等2003利用作物潜在热量值?最适生长温度?最低临界生长温度和生育期日数等基本作物生理参数,在全球尺度模拟了单一作物春小麦或冬小麦?冬小麦玉米?水稻水稻等7种作物种植制度的潜在空间分布区域?基于空间模型的方法不仅可以应用于不同地域尺度的农作物空间分布现状模拟,也可用于未来气候变化情景下的农作物空间分布模拟预测Wuetal.,2007;杨晓光等,2010,从而有效弥补基于统计数据和遥感信息方法的不足?
2.农作物空间格局变化机理研究
农作物空间格局变化机理研究在于了解农作物空间格局从一个状态变化到另一个状态的动态过程,剖析农作物空间格局演变的内外部原因,确定不同自然社会经济驱动因子对作物格局演变的作用机制?
农作物空间格局的形成和变化是自然因素和人类活动共同作用的产物?自然驱动力作为一个系统,可以分成不同的组成部分,如气候?土壤?水文等?各部分还可以继续划分,如气候因素可以细分出平均温度?极端温度?积温?降水?无霜期等唐华俊等,2004?从现有的农作物时间格局变化驱动机制研究来看,不少国内外学者应用多种系统分析与数理统计方法分析了自然生态环境变化如气温增加?降水变化?土壤养分变化等对农作物时空格局的影响?云雅如等2005研究指出,黑龙江省过去20年水稻播种范围向北和向东扩展,种植面积比重显著增加,小麦种植范围大幅向北退缩,与气候变暖带来的积温增加及积温带北移东扩密切相关?苏桂武和方修琦2000研究指出,京津地区近50年来水稻播种面积的变化较降水变化滞后,其结果导致年降水量变化与当年水稻种植面积变化之间存在显著负相关?Rounsevell等2003则分析研究了英国西北部土壤和气候因素变化对小麦?
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