适应气候变化的多尺度农艺景观格局调控及模拟研究

Agronomic landscapes which are mainly designed by farmer practices play important roles in the degree of climate impacts on the crop production process. Hence, there is a pressing requirement to increase the knowledge of how to design and model agronomic landscape pattern for cropping systems adapting to climate change in the coming decades. This is a interdisciplinary research topic on landscape ecology and agriculture science. The present study is conducted in the Black Soil Zone of Northeast China. Using site testing, field simulating, sample collecting, household interviewing and regional modeling, we investigate the successful agronomic landscape patterns of cropping systems at field, watershed and regional scales under climate change. The study also focuses on the effectiveness and benefits of the agronomic landscape patterns. At field scale, based on the field experiment on agronomic lanscape under global warming, cropping systems under different row-plant spatial arrangement treatments are chosen to assess and compare their benefits in adapting climate change. At watershed scale, using cluster analysis and classfication and regression trees, we adress the appropriate crop distribution on landscape positions for different climate conditions, especially for extreme cliamte events. The optimal management models for adapting climate change are further proposed. At regional scale, we use species ditribution model-Maxent to project changes in climatic suitbility for cropping systems. We measure the degree to which altered crop distribution pattern will prevent cropping systems from damage to climate change. The results of this project will provide a broad view of adapting cropping systems to climate change. These successful agronomic landscape patterns also provide a first guide to all farmers, stakeholders, practitioners and policymakers for spatial planning at different spatial scales.

由农艺管理措施形成的景观格局（农艺景观格局）很大程度上决定着气候变化对作物生产过程的影响强度。因此，如何从不同空间尺度上对农艺景观格局进行合理的调控，促使作物系统适应气候变化，已成为景观生态学和农业科学交叉研究的关键科学问题之一。本项研究选取东北黑土带的主要作物系统为研究对象，采用定点监测、大田模拟、野外取样调查和模型模拟等手段，分别在地块、流域和区域尺度上，探索能有效适应气候变化的农艺景观格局，并量化农艺景观格局的调控效益。地块尺度上，建立野外大田"农艺景观-增温"模拟试验，研究垄距/株距空间组合格局对作物适应气候变化的影响；流域尺度上，利用聚类分析和CART模型，提取适应于不同气候条件，尤其是极端气候条件下作物的空间配置格局，确定基于景观位置的优化配置模式；区域尺度上，借助Maxent模型，从地理分布格局调控的角度，揭示作物适应气候变化的空间分布规律，旨为农业应对气候变化提供科学依据。

由农艺管理措施形成的景观格局（农艺景观格局）很大程度上决定着气候变化对作物生产过程的影响强度。因此，如何从不同空间尺度上对农艺景观格局进行合理的调控，促使作物系统适应气候变化，已成为景观生态学和农业科学交叉研究的关键科学问题之一。本项研究选取东北黑土带的主要作物系统为研究对象，采用定点监测、大田模拟、野外取样调查和模型模拟等手段，分别在地块和区域尺度上，探索能有效适应气候变化的农艺景观格局，并量化农艺景观格局的调控效益。研究发现，在地块尺度上，不同垄距格局下（55 cm、60 cm、65 cm和70 cm），作物冠层温湿度和土壤温湿度有明显差异，冠层增温增湿幅度和强度随着垄距的扩大而逐渐减小，但不同垄距下作物生产力对气候变化的响应没有明显差异；在区域尺度上，东北地区农作物总面积为呈现逐渐扩大趋势：其中，旱田面积先增后减、水田面积快速扩大。旱田斑块数增多，破碎化趋势明显；旱田、水田与其他用地类型三者之间的相互转化在空间位置上和转移方向上均存在明显差异；由旱田和其他用地类型转为水田两种转移方式的中心位置变化均接近200km，方向均为由西南向东北。主栽作物大豆、玉米和水稻的气候适宜区与最适宜区呈现明显的北移东扩变化特征、不适宜区面积逐渐减少。以当前三大农作物的分布格局为例，提出了适应气候变化的农作物格局调控策略。本研究通过分析农作物和农业气候资源的时空变化特征，探讨作物气候适宜性与气候因子的定量关系，不仅深化了对农作物适应气候变化内在规律的理解，而且为东北地区农业生产活动科学地趋利避害、提高作物气候适应性提供了重要的实践指导作用。