全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 19 期摇 摇 2012 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
中国野生东北虎数量监测方法有效性评估 张常智,张明海,姜广顺 (5943)……………………………………
城市居民食物氮消费变化及其环境负荷———以厦门市为例 于摇 洋,崔胜辉,赵胜男,等 (5953)………………
珠江口水域夏季小型底栖生物群落结构 袁俏君,苗素英,李恒翔,等 (5962)……………………………………
2010 年夏季雷州半岛海岸带浮游植物群落结构特征及其与主要环境因子的关系
龚玉艳,张才学,孙省利,等 (5972)
……………………………
……………………………………………………………………………
阿根廷滑柔鱼两个群体间耳石和角质颚的形态差异 方摇 舟,陈新军,陆化杰,等 (5986)………………………
黄河三角洲滨海草甸与土壤因子的关系 谭向峰,杜摇 宁,葛秀丽,等 (5998)……………………………………
盘锦湿地净初级生产力时空分布特征 王莉雯,卫亚星 (6006)……………………………………………………
菜豆根瘤菌对土壤钾的活化作用 张摇 亮,黄建国,韩玉竹,等 (6016)……………………………………………
花生植株和土壤水浸液自毒作用研究及土壤中自毒物质检测 黄玉茜,韩立思,杨劲峰,等 (6023)……………
遮荫对金莲花光合特性和叶片解剖特征的影响 吕晋慧,王摇 玄,冯雁梦,等 (6033)……………………………
火干扰对小兴安岭草丛、灌丛沼泽温室气体短期排放的影响 顾摇 韩,牟长城,张博文,等 (6044)……………
古尔班通古特沙漠南部植物多样性及群落分类 张摇 荣,刘摇 彤 (6056)…………………………………………
黄土高原樟子松和落叶松与其他树种枯落叶混合分解对土壤的影响 李摇 茜,刘增文,米彩红 (6067)………
长期集约种植对雷竹林土壤氨氧化古菌群落的影响 秦摇 华,刘卜榕,徐秋芳,等 (6076)………………………
H2O2 参与 AM真菌与烟草共生过程 刘洪庆,车永梅,赵方贵,等 (6085)………………………………………
北京山区防护林优势树种分布与环境的关系 邵方丽,余新晓,郑江坤,等 (6092)………………………………
旱直播条件下强弱化感潜力水稻根际微生物的群落结构 熊摇 君,林辉锋,李振方,等 (6100)…………………
不同森林类型根系分布与土壤性质的关系 黄摇 林,王摇 峰,周立江,等 (6110)…………………………………
臭氧胁迫下硅对大豆抗氧化系统、生物量及产量的影响 战丽杰, 郭立月,宁堂原,等 (6120)…………………
垃圾填埋场渗滤液灌溉对土壤理化特征和草本花卉生长的影响 王树芹,赖摇 娟,赵秀兰 (6128)……………
稻麦轮作系统冬小麦农田耕作措施对氧化亚氮排放的影响 郑建初,张岳芳,陈留根,等 (6138)………………
不同施氮措施对旱作玉米地土壤酶活性及 CO2 排放量的影响 张俊丽,高明博,温晓霞,等 (6147)…………
北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应———以准格尔旗为例
孙特生,李摇 波,张新时 (6155)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
辽宁省能源消费和碳排放与经济增长的关系 康文星,姚利辉,何介南,等 (6168)………………………………
基于 FARSITE模型的丰林自然保护区潜在林火行为空间分布特征 吴志伟,贺红士,梁摇 宇,等 (6176)……
不同后作生境对玉米地天敌的冬季保育作用 田耀加,梁广文,曾摇 玲,等 (6187)………………………………
云南紫胶虫种群数量对地表蚂蚁多样性的影响 卢志兴,陈又清,李摇 巧,等 (6195)……………………………
阿波罗绢蝶种群数量和垂直分布变化及其对气候变暖的响应 于摇 非,王摇 晗,王绍坤,等 (6203)……………
专论与综述
海水养殖生态系统健康综合评价:方法与模式 蒲新明,傅明珠,王宗灵,等 (6210)……………………………
海草场生态系统及其修复研究进展 潘金华,江摇 鑫,赛摇 珊,等 (6223)…………………………………………
水华蓝藻对鱼类的营养毒理学效应 董桂芳,解绶启,朱晓鸣,等 (6233)…………………………………………
环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响 江志坚, 黄小平,张景平 (6242)……………………
生态免疫学研究进展 徐德立,王德华 (6251)………………………………………………………………………
研究简报
喀斯特峰丛洼地不同森林表层土壤有机质的空间变异及成因 宋摇 敏,彭晚霞,邹冬生,等 (6259)……………
准噶尔盆地东南缘梭梭种子雨特征 吕朝燕,张希明,刘国军,等 (6270)…………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*336*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄10
封面图说: 岸边的小白鹭———鹭科白鹭属共有 13 种,其中有大白鹭、中白鹭、白鹭(小白鹭)、黄嘴白鹭等,体羽皆是全白,世通
称白鹭。 夏季的白鹭成鸟繁殖时枕部着生两条狭长而软的矛状羽,状若双辫,肩和胸着生蓑羽,冬季时蓑羽常全部
脱落,白鹭虹膜黄色,嘴黑色,脚部黑色,趾呈黄绿色。 小白鹭常常栖息于稻田、沼泽、池塘水边,以及海岸浅滩的红
树林里。 白天觅食,好食小鱼、蛙、虾及昆虫等。 繁殖期 3—7月。 繁殖时成群,常和其他鹭类在一起,雌雄均参加营
巢,次年常到旧巢处重新修葺使用。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 19 期
2012 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 19
Oct. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(40871135);国家 973 资助项目(2007CB106807)
收稿日期:2011鄄06鄄03; 摇 摇 修订日期:2012鄄09鄄15
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: libo@ bnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201106030748
孙特生,李波,张新时.北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应———以准格尔旗为例.生态学报,2012,32(19):6155鄄6167.
Sun T S, Li B, Zhang X S. The response of agro鄄ecosystem productivity to climatic fluctuations in the farming鄄pastoral ecotone of northern China: a case
study in Zhunger County. Acta Ecologica Sinica,2012,32(19):6155鄄6167.
北方农牧交错区农业生态系统生产力
对气候波动的响应
———以准格尔旗为例
孙特生1,2,李摇 波1,*,张新时1,3
(1. 北京师范大学资源学院 /地表过程与资源生态国家重点实验室,北京摇 100875; 2. 西北师范大学社会发展与公共管理学院,兰州摇 730070;
3. 中国科学院植物研究所植被数量生态学开放研究实验室,北京摇 100093)
摘要:气候变化对区域生态系统结构和功能有重大影响。 以中国北方农牧交错区的准格尔旗为例,利用气象和《统计年鉴》数
据,采用数理统计方法分析准格尔旗 1961—2009 年降水量、平均气温的波动特征,计算出该地区 1961—2009 年农业生态系统
NPP 值和主要农作物的气候产量,论述了准格尔旗农业生态系统生产力对气候波动的响应。 结果表明:(1)降水量和平均气温
的年际、年内波动均显著。 (2)准格尔旗农业生态系统生产力呈现阶段性地波动上升趋势。 排除社会、科技等影响,气候生产
力对气候波动表现出较强的敏感性,是作物气候生态适应的结果。 (3)中国北方雨养旱作区,粮食气候产量受降水量年际波动
(特别是 7、8 月)显著影响;谷子、糜黍、玉米、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与降水量年际波动呈显著正相关;谷子、糜
黍的气候产量与生长季降水量年内波动呈显著负相关。 集水型生态农业是北方农牧交错区生态环境友好的农业发展模式。
(4)谷子、糜黍、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与 6、7、8 月平均气温年际波动呈显著负相关;生长季平均气温年内波动
对谷子、糜黍、大豆和油料等农作物的气候产量有显著负面影响。 因此,需要综合采取工程、生物和农业措施,将气候变化对主
要农作物气候产量的不利影响降到最低。
关键词:农业生态系统生产力;气候波动;气候产量;北方农牧交错区
The response of agro鄄ecosystem productivity to climatic fluctuations in the
farming鄄pastoral ecotone of northern China: a case study in Zhunger County
SUN Tesheng1,2, LI Bo1,*, ZHANG Xinshi1,3
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, College of Resource Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing
100875, China
2 College of Social Development and Public Administration, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
3 Laboratory of Quantitative Vegetation Ecology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Abstract: Global climate change affects the structure and function of regional ecosystems. The response of agro鄄ecosystem
productivity to fluctuations in climate continues to be a worthwhile research topic globally. Precipitation and average
temperature during the growing season are the most important meteorological indicators affecting crop climatic yield. In the
farming鄄pastoral ecotone of northern China, the effects of precipitation and temperature are very obvious. The objective of
this study is to address two questions: (1) How does climatic fluctuation affect climatic impacts on crop yield? (2) Which
crops have significant responses to fluctuations in precipitation or average temperature? Zhunger Counties in Inner Mongolia
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Autonomous Region was selected as a typical region in the farming鄄pastoral ecotone where the growing season of crops is
mainly from May to September. Using long鄄term observational data collected by the Bureau of Meteorology during 1961—
2009 in Dongsheng and Zhunger Counties of Inner Mongolia, and Hequ County of Shanxi Province, we found obvious inter鄄
annual and intra鄄annual fluctuations in precipitation and average temperature. Net primary productivity (NPP) of agro鄄
ecosystem is a comprehensive indicator reflecting the ability of crops to act as carbon sinks. Statistical Yearbook data,
including crop yield and the extent of the area planted during 1961—2009, were used to evaluate NPP of agro鄄ecosystem
using conversion formula. Results showed the rise of NPP had stages of volatility. During the first stage, NPP rose slowly
from 1961 to 1981. During the second stage, 1982—1998, NPP rose obviously with the implementation of the household
contract responsibility system, promotion of agricultural science and technology, and the application of large amounts of
pesticides and fertilizer. The third stage, 1999 to 2009, was varied. During 1999—2001, NPP declined sharply in a
period with less precipitation; after 2002, NPP rebounded slowly because some farmland was being converted into forest or
grassland. If the effects of human society, science and technology are removed, climatic productivity was very consistent
with climatic fluctuations during this time period. Based on crop yield and planting area, we calculated crop yield per unit
area. To remove effects of society, science and technology on crop yield, we evaluated crop technological yield ( trend
yield) using linear or nonlinear models, and calculated crop climatic yield, which obviously reflected changes in crop yield
caused by climatic fluctuation. We used SPSS13. 0 to quantify the correlation between crop climatic yield and climatic
fluctuation. Results showed grain climatic yield was affected by inter鄄annual fluctuations in precipitation in the semi鄄arid
Loess Plateau of China. These effects were particularly obvious in July and August. Specifically, there was an obvious,
positive correlation between crop climatic yield and inter鄄annual fluctuations in precipitation for millet, broomcorn millet,
maize, potatoes, soybeans and oil crops. During the growing season, intra鄄annual fluctuations of precipitation negatively
affected climatic yield of millet and broomcorn millet. So, developing water鄄harvesting ecological agriculture is very
important for efforts to improve the crop response to changing conditions related to water, fertilizer and heat, and for
enhancing the stability of agro鄄ecosystem in the farming鄄pastoral ecotone of northern China. Similarly, there was an obvious
negative correlation between crop climatic yield and inter鄄annual fluctuations in average temperature for millet, broomcorn
millet, potatoes, soybeans and oil crops. During the growing season, the intra鄄annual fluctuation of average temperature
negatively affected climatic yield of millet, broomcorn millet, soybeans and oil crops. Since rainfall and heating occur in the
same seasons, and temperatures show an increasing trend in Zhunger County, it is important to select crop varieties with
longer growing periods or to take effective protective tillage measures such as using no鄄till methods with straw cover. In
short, the effects of multi鄄scale climatic fluctuations on productivity were very different for different crops; the effect of
monthly鄄scale changes was the most obvious. In Zhunger County, climatic fluctuations, superimposing natural driving forces
and mankind忆s activities, would obviously affect the sensitive regional ecosystem and aggravate the degradation of land
productivity. So, it is very necessary to reduce the adverse effects of climate change on crop yield by taking appropriate
engineering, biological and agricultural measures.
Key Words: agro鄄ecosystem productivity; climatic fluctuations; climatic yield; the farming鄄pastoral ecotone
全球气候变化及其生态 /环境效应已经成为生态学、地球科学和大气科学等领域科学家研究的焦点和热
点之一。 全球气候变化,区域景观格局、生态过程和服务功能相应改变。 对于生态系统生产力的时空变化及
其与气候变化的关系,国内外学者利用遥感数据、GIS 手段和统计分析方法开展了大量研究[1鄄12]。 准格尔旗
地处北方农牧交错区,属于生态脆弱区和环境敏感区,受气候变化和人类活动的双重影响,区域生态系统功能
随之改变。 因此,选择准格尔旗作为研究区,具有较强的典型性,也是理想的研究案例。 目前,关于准格尔旗 /
皇甫川流域的研究主要集中于植物 /土壤的生理生态特征[13鄄17]、土壤侵蚀或水土保持[18鄄24]、土地利用变
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化[25鄄29]等方面。 因此,利用 1961—2009 年准格尔旗及其周边的东胜、河曲县 3 个气象站点数据以及《准格尔
旗统计年鉴》(1961—2009 年)中的农业生产数据,分析准格尔旗农业生态系统生产力对气候波动的响应,既
是对该地区生态环境特征研究的补充,又可为准格尔旗 /皇甫川流域农业生产活动、生态环境治理提供理论
参考。
1摇 研究区概况
准格尔旗位于内蒙古自治区西南部,39毅16忆—40毅20忆N 和 110毅05忆—111毅27忆E 之间,总面积 7692 km2。 准
格尔旗属于温带半干旱大陆性气候,年平均气温 6. 2—7. 2 益,逸10 益积温约 2900—3500 益。 准格尔旗光能
资源丰富,日照充足。 历年平均降水量在 379—420 mm之间波动,并集中在夏季,6—8月降雨量约占总降水
量的 61% 。 年平均蒸发量很大。 冬春季风力强盛且频繁,年均风速 2—3 m / s,大风日数 10—30 d。 准格尔旗
地带性土壤是栗钙土,因受黄土母质影响,还有大面积的黄绵土分布。 此外,还广泛分布着风沙土及小面积分
布的冲积土等非地带性土壤。 准格尔旗植被类型主要有乔、灌、草、农、沙地植被和低湿地植被等。 由于气候
变化、历史时期的砍伐及自清末以来的农垦,该旗天然林及草原已所剩无几,被人工植被和天然次生草原植被
所代替[30]。 当地农民常年种植谷子、糜子、黍、薯类、大豆、小麦、玉米、高粱等粮食作物和花生、胡麻、油菜等
油料作物以及甜菜、蔬菜、瓜类等其他农作物。 受降水少、低温冷害等气象灾害胁迫,农业生产极其不稳定,农
民大多还处于“靠天吃饭冶的局面。
2摇 资料来源与研究方法
2. 1摇 资料来源
本研究使用准格尔旗及其周边的东胜、河曲县 3 个气象站点 1961—2009 年气象数据,分析准格尔旗气候
波动变化;使用准格尔旗统计局提供的《统计年鉴》(1961—2009 年)数据,分析其农业生态系统生产力、气候
生产力和主要农作物的气候产量。
2. 2摇 气候波动分析方法
为了揭示主要气候要素(降水、气温)变化的内在规律,运用 3 个气象站点数据,采用距平分析方法,从全
年、整个生长季(5—9月)、生长季各月等方面分析准格尔旗 1961—2009 年降水量年际波动和平均气温年际
波动;采用变异系数计算方法,从全年各月之间、生长季各月之间两个方面分析准格尔旗 1961—2009 年各年
度的降水量年内波动变化,从生长季各月之间来分析各年度的平均气温年内波动变化。
距平计算公式为:
p = x - y (1)
式中, p为波动值, x为要素实际值, y为样本平均值。
变异系数计算公式为:
CV = S / 軃x 伊 100% (2)
式中, CV是变异系数, S为样本标准差, 軃x为样本平均值。
2. 3摇 农业生态系统 NPP 估算方法
根据准格尔旗《统计年鉴》 (1961—2009 年)中的农作物播种面积和总产量等数据,估算农业生态系统
NPP,其原理是根据不同作物收获部分的含水量和收获指数(经济产量与作物地上部分干质量的比值),将农
业统计数据的产量转换成植被碳储量,转换公式如下[31鄄32]:
NPP =移
n
i = 1
Yi(1 - MC i) 伊 0. 45
HIi 伊 0. 9
/移
n
i = 1
Ai (3)
式中, Yi是统计数据中作物 i的产量,MCi是作物收获部分的含水量,HIi是作物 i的收获指数, Ai是作物收获面
积。 运用准格尔旗主要种植的 8大类农作物的产量、播种面积等统计数据,以及作物收获部分的含水量和收获
指数(表 1)进行准格尔旗农业生态系统 NPP 的量化。 已有研究表明,运用该方法计算的 NPP 与利用 GLO鄄PEM
模型计算的结果呈极显著相关[33]。 因此,本研究采用此方法计算农业生态系统 NPP,结果是可靠的。
7516摇 19 期 摇 摇 摇 孙特生摇 等:北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应———以准格尔旗为例 摇
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表 1摇 主要农作物含水量及收获指数[34鄄35]
Table 1摇 Harvest index and water content of major crops
作物类型
Crop type
含水量
Water content / %
收获指数
Harvest index
作物类型
Crop type
含水量
Water content / %
收获指数
Harvest index
小麦 Wheat 12. 5 0. 387 谷子 Millet 14. 0 0. 382
薯类 Potato 80. 0 0. 600 荞麦 Buckwheat 12. 5 0. 400
玉米 Maize 13. 5 0. 433 大豆 Soybean 12. 5 0. 436
糜黍 Broomcorn millet 13. 0 0. 415 油料 Oil crops 13. 5 0. 251
2. 4摇 气候产量(气候生产力)计算方法
为了区分自然和非自然因素对农作物产量的影响,一般把作物产量分解为趋势产量、气候产量和随机误
差 3 部分,趋势产量反映历史时期生产力发展水平的长周期产量分量,也被称为技术产量,气候产量是受气候
要素为主的短周期变化因子影响的波动产量分量。 其中,趋势产量常采用“时间冶为自变量进行各种线性或
非线性模拟。 气候产量的计算公式如下[36]:
Yw = Y - Yt - e (4)
式中, Yw 为气候产量, Y为作物实际产量, Yt 为技术产量, e是受随机因素影响的产量分量。 因为 e很小,以
下的研究忽略 e的影响。
为排除各年度播种面积的影响,本研究中粮食实际产量及气候产量、主要农作物实际产量及气候产量均
为单位面积产量,单位为 kg / hm2。
3摇 降水和气温变化特征分析
3. 1摇 降水量波动
3. 1. 1摇 年际
运用准格尔旗及其周边的东胜、河曲县 3 个气象站点降水量数据,采用公式(1),计算出准格尔旗 1961—
2009 年全年、生长季和生长季中的 5、6、7、8、9 月的降水量年际波动值,其变化情况(图 1)。
图 1摇 准格尔旗降水量年际波动(1961—2009 年)
Fig. 1摇 The inter鄄annual fluctuation of precipitation in Zhunger County (1961—2009)
图 1 显示,从全年和整个生长季来看,降水量年际波动在 20 世纪 60 年代特别显著,70 年代后变得相对缓
和,但依然明显。 1961—2009 年,全年和生长季两者的降水量年际波动表现出高度的一致性( r = 0. 960,P =
0郾 000<0. 001)。 从生长季中的各月来看,降水量年际波动同样显著,相比 5、6、9 月,7、8 月的降水量年际波动
更加明显。
3. 1. 2摇 年内
准格尔旗属于北方半干旱区,分析降水量年内波动对于农作物气候产量的影响同样重要。 运用准格尔旗及
其周边的东胜、河曲县 3个气象站点降水量数据,采用公式(2),计算出准格尔旗 1961—2009 年全年和生长季的
降水量变异系数,表征降水量年内波动特征(图 2)。
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图 2摇 准格尔旗降水量年内波动(1961—2009 年)
摇 Fig. 2 摇 The intra鄄annual fluctuation of precipitation in Zhunger
County (1961—2009)
从图 2 可以看出,1961—2009 年,全年和生长季降
水变异系数分别介于 0. 87—2. 15 和 0. 27—1. 44 之间,
说明降水量年内波动特别显著。 就降水量年内波动而
言,生长季明显低于全年,但两者波动又表现出高度的
一致性( r=0. 859,P=0. 000<0. 001)。
3. 2摇 平均气温波动
由于全年的平均气温年际波动不显著,也不能较好
地反映其对于农作物气候产量的影响,因此本研究着重
分析生长季的平均气温年际、年内波动。 运用准格尔旗
及其周边的东胜、河曲县 3 个气象站点平均气温数据,
采用公式(1)、(2),分别计算出准格尔旗 1961—2009
年生长季中各月的平均气温年际波动值和生长季中各月之间的平均气温变异系数(表征平均气温年内波动
特征),其变化情况见图 3。
图 3摇 准格尔旗生长季平均气温波动(1961—2009 年)
Fig. 3摇 The fluctuation of average temperature during the growing season in Zhunger County (1961—2009)
图 3 显示,1961—2009 年,生长季中的 7、8 和 9 月平均气温年际波动较为明显;平均气温变异系数在
0郾 17 上下波动,1997 年最大为 0. 21,1969 年最小为 0. 12,表明生长季平均气温年内波动亦明显。
4摇 农业生态系统生产力对气候波动的响应
4. 1摇 农业生态系统 NPP 对气候波动的综合响应
运用准格尔旗统计年鉴(1961—2009 年)中的农业生产数据,利用公式(3)和表 1 数据计算出准格尔旗农
业生态系统 NPP 系列值,再利用公式(4)采用指数拟合模型剥离出技术产量,得到该地区 1961—2009 年的气
候生产力,两者的变化情况见图 4。
图 4 显示,准格尔旗农业生态系统 NPP 呈现明显的波动上升趋势,大致可划分为 3 个阶段:1961—1981
年,缓慢增长;1982—1998 年,受家庭联产承包责任制的农业政策、农业科技水平的提升和大量农药、化肥的
施用等因素影响,农业生态系统 NPP 明显增长;1999—2001 年,受极端干旱气候影响,农业生态系统 NPP 急
剧降低,2002 年后有所回升,但受国家退耕还林还草政策影响,增长趋势放缓。 这说明,受社会、科技和自然
等因素的综合影响,准格尔旗农业生态系统 NPP 变化明显,在有些年份气候条件对其有决定性的影响。 图 4
还显示,与农业生态系统 NPP 一样,气候生产力也呈波动性变化,80 年代以后这种变化更加明显。
农业生态系统是一种受人类强烈干预的人为控制系统,也是自我调节机制较为薄弱的生物系统,是全球
变化的主要承受者[37]。 植被净初级生产力 NPP,是度量植物生产能力的重要指标之一。 对于干旱、半干旱地
区,国内应用较多的植被 NPP 计量模型是周广胜、张新时根据水热平衡联系方程及植物的生理生态特点建立
的自然植被净第一性生产力模型[38],它能较综合地反映降水、气温、日照和风等气候因子对植被净初级生产
力 NPP 的影响。 本研究尝试运用 SPSS13. 0 对农业生态系统气候生产力与植被净初级生产力 NPP(图 5,计
9516摇 19 期 摇 摇 摇 孙特生摇 等:北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应———以准格尔旗为例 摇
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算过程及结果略)进行相关性分析,相关系数为 0. 393,在 0. 01 水平上显著相关。 这说明农业生态系统气候
生产力对气候波动同样表现出较强的敏感性。
摇 图 4摇 准格尔旗农业生态系统 NPP 和气候生产力变化(1961—
2009 年)
Fig. 4摇 The NPP and climatic productivity of agro鄄ecosystem in
Zhunger County (1961—2009)
摇 图 5摇 准格尔旗农业生态系统气候生产力、植被净初级生产力波
动变化(1961—2009 年)
Fig. 5 摇 The fluctuation of NPP, climatic productivity of agro -
ecosystem in Zhunger County (1961—2009)
4. 2摇 农作物气候产量对气候波动的响应
4. 2. 1摇 农作物气候产量
气候产量在一定程度上反映出受气候波动影响,陆地人工生态系统的气候生产力水平。 运用准格尔旗统
计年鉴(1961—2009 年)中的农业生产数据,首先计算出粮食作物淤和主要农作物的单位面积产量,再采用公
式(4)计算出各自对应的气候产量。 本研究中,粮食、谷子、糜黍、大豆的技术产量采用二次多项式拟合计算;
小麦、玉米和油料作物的技术产量采用指数曲线拟合计算;薯类的技术产量采用最小二乘法经线性拟合计算。
粮食及农作物气候产量的变化情况详见图 6。
图 6 显示如下特点:(1)1961—1981 年,粮食及主要农作物实际产量在波动中缓慢增长;(2)1982—1998
年,受家庭联产承包责任制的农业政策、农业科技水平的提升和大量农药、化肥的施用等因素影响,粮食及主
要农作物实际产量均明显增长;(3)受极端干旱气候影响,1999—2001 年粮食及主要农作物实际产量均急剧
降低,2002 年后有所回升,但受国家退耕还林还草政策影响,增长趋势放缓;(4)与实际产量相比,气候产量的
波动亦明显,但趋势不显著。
4. 2. 2摇 气候产量与降水量波动的关系
运用 SPSS13. 0 对粮食及主要农作物气候产量与不同时间段的降水量年际波动进行相关性分析,运行结
果见表 2。
表 2摇 气候产量与降水量年际波动的相关性
Table 2摇 The correlation between climatic yield and inter鄄annual fluctuation of precipitation
降水量年际波动
The inter鄄annual fluctuation
of precipitation
气候产量 Climatic yield
粮食
Grain
小麦
Wheat
谷子
Millet
糜黍
Broomcorn millet
玉米
Maize
薯类
Potato
大豆
Soybean
油料
Oil crops
全年 The whole year 0. 458** 0. 380** 0. 361* 0. 394** 0. 375** 0. 340* 0. 354*
生长季 The growing season 0. 459** - 0. 313* 0. 335* 0. 417** 0. 381** 0. 305* 0. 321*
5 月 May
6 月 June 0. 332*
7 月 July 0. 348* 0. 351*
8 月 August 0. 282*
9 月 September
摇 摇 *表示在 0. 05 水平上显著相关;**表示在 0. 01 水平上显著相关; 表示相关性不显著
0616 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
淤 本论文分析粮食气候产量,目的是从整体上反应粮食作物对降水量、平均气温波动的响应
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图 6摇 粮食及主要农作物的实际产量、气候产量变化(1961—2009 年)
Fig. 6摇 The actual and climatic yield of grain and major crops(1961—2009)
从表 2 可以看出,除小麦外,粮食及农作物的气候产量均与全年、整个生长季降水量年际波动存在不同程
度的正相关,说明全年、生长季降水量增加,粮食及主要农作物气候产量相应增加;反之则减少。 总体上,粮食
作物气候产量与 7、8 月降水量年际波动呈显著正相关,说明 7、8 月降水量丰缺显著影响粮食气候产量的高
低;玉米气候产量受 7 月降水量年际波动显著影响;油料作物气候产量对 6 月降水量年际波动较为敏感。
同理,运用 SPSS13. 0 对粮食及主要农作物气候产量与全年、生长季降水量年内波动进行相关性分析,运
行结果见表 3。
从表 3 可知,从全年来看,谷子气候产量与降水量年内波动呈显著负相关,说明全年降水变异系数越大,
降水量在年内分配越不均,越不利于谷子生长发育,其气候产量可能降低,造成减产;反之,谷子气候产量增
加。 从生长季来看,谷子、糜黍气候产量与降水量年内波动呈显著负相关,说明生长季降水变异系数越大,降
1616摇 19 期 摇 摇 摇 孙特生摇 等:北方农牧交错区农业生态系统生产力对气候波动的响应———以准格尔旗为例 摇
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水量在生长季内分配越不均,越不利于谷子、糜黍生长发育,其气候产量可能降低,造成减产;反之,谷子、糜黍
气候产量增加。
表 3摇 气候产量与降水量年内波动的相关性
Table 3摇 The correlation between climatic yield and intra鄄annual fluctuation of precipitation
降水量年内波动
The intra鄄annual fluctuation
of precipitation
气候产量 Climatic yield
粮食
Grain
小麦
Wheat
谷子
Millet
糜黍
Broomcorn millet
玉米
Maize
薯类
Potato
大豆
Soybean
油料
Oil crops
全年 The whole year 0. 301*
生长季 The growing season 0. 324* 0. 288*
摇 摇 *表示在 0. 05 水平上显著相关; 表示相关性不显著
4. 2. 3摇 气候产量与平均气温波动的关系
运用 SPSS13. 0 对粮食及主要农作物气候产量与 5、6、7、8 和 9 月的平均气温年际波动分别进行相关性分
析,运行结果见表 4。
表 4摇 气候产量与平均气温年际波动的相关性
Table 4摇 The correlation between climatic yield and inter鄄annual fluctuation of average temperature
平均气温年际波动
The inter鄄annual fluctuation
of average temperature
气候产量 Climatic yield
粮食
Grain
小麦
Wheat
谷子
Millet
糜黍
Broomcorn millet
玉米
Maize
薯类
Potato
大豆
Soybean
油料
Oil crops
5 月 May -0. 327* -0. 332*
6 月 June -0. 386** -0. 508** -0. 482** - -0. 382** -0. 432** -0. 501**
7 月 July -0. 418** -0. 537** -0. 438** - -0. 529** -0. 542** -0. 545**
8 月 August -0. 365** -0. 403** -0. 334* - -0. 425** -0. 361* -0. 441**
9 月 September
摇 摇 *表示在 0. 05 水平上显著相关;**表示在 0. 01 水平上显著相关; 表示相关性不显著
表 4 显示,总体上,粮食及主要农作物气候产量与平均气温年际波动间均呈显著负相关,说明生长季平均
气温年际波动越大,超出作物不同生育时期的最适温度,就不利于作物生长发育,作物气候产量可能降低,造
成减产;生长季平均气温年际波动越小,对作物生长发育影响越小,作物气候产量稳定性越强。 其中,5 月平
均气温年际波动对薯类、大豆气候产量有显著影响;6、7、8 月平均气温年际波动对除小麦、玉米外的农作物气
候产量影响显著。
同理,运用 SPSS13. 0 对粮食及主要农作物气候产量与整个生长季平均气温年内波动进行相关性分析,运
行结果见表 5。
表 5摇 气候产量与平均气温年内波动的相关性
Table 5摇 The correlation between climatic yield and intra鄄annual fluctuation of average temperature
平均气温年内波动
The intra鄄annual fluctuation
of average temperature
气候产量 Climatic yield
粮食
Grain
小麦
Wheat
谷子
Millet
糜黍
Broomcorn millet
玉米
Maize
薯类
Potato
大豆
Soybean
油料
Oil crops
生长季 The growing season -0. 442** -0. 293* -0. 361* -0. 351*
摇 摇 *表示在 0. 05 水平上显著相关;**表示在 0. 01 水平上显著相关; 表示相关性不显著
从表 5 可以看出,生长季平均气温年内波动,显著影响谷子、糜黍、大豆和油料作物的气候产量;这种波动
越大,超出作物不同生育时期的最适温度和耐受极限,就不利于作物生长发育,作物气候产量可能会降低,造
成减产,反之则稳产甚至增产。
5摇 结论与讨论
北方农牧交错区农业生态系统是一个生态鄄经济鄄社会复合巨系统,农业生态系统生产力受到自然条件、
2616 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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国家政策和科技水平等的综合影响,其中气候变化对农牧交错区生态系统功能有显著影响[39鄄42]。 本研究以
农牧交错区的准格尔旗为典型案例,分析农业生态系统生产力对气候波动的响应,结果表明:
(1)准格尔旗降水量年际、年内波动均特别显著;平均气温年际波动在 7、8 和 9 月较为明显,年内波动亦
显著。 其中,全年和生长季降水量年际波动特别显著且高度一致,生长季各月份的降水量年际波动同样显著,
7、8 月尤其明显;全年和生长季降水量年内波动也特别显著。 北方农牧交错区降水量、平均气温的波动性变
化,叠加上气候暖干化趋势,必将对区域农业生态系统粮食作物的生长发育、品种熟性、种植区域与面积、产量
与品质产生重大影响[43]。
(2)准格尔旗农业生态系统生产力呈现明显的波动上升趋势,大致划分为 3 个阶段:1961—1981 年,缓慢
增长;1982—1998 年,受家庭联产承包责任制的农业政策、农业科技水平的提升和大量农药、化肥的施用等因
素影响,农业生态系统生产力快速增长;1999—2001 年,受极端干旱气候影响,农业生态系统生产力急剧降低
(可表征作物群体动态特征),2002 年后有所回升,但受国家退耕还林还草政策影响,增长趋势放缓。 排除社
会、科技等因素,农业生态系统气候生产力波动性变化,并对气候波动表现出较强的敏感性,是作物气候生态
适应性的结果。
(3)谷子、糜黍、玉米、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与全年、生长季降水量年际波动均存在不同
程度的正相关,特别是 7、8 月降水量年际波动显著影响粮食气候产量。 其中,玉米气候产量受 7 月降水量年
际波动显著影响;油料作物气候产量对 6 月降水量年际波动较为敏感。 这是因为 7 月正值玉米抽穗、开花期;
而 6 月是油料作物(如花生)的开花结荚期,需水量最多。 从全年来看,谷子气候产量与降水量年内波动呈显
著负相关;从生长季来看,谷子、糜黍气候产量与降水量年内波动呈显著负相关。 谷子是耐旱作物,一生需水
规律为“早期宜旱、中期宜湿、后期怕涝冶。 因此,无论是全年还是生长季,降水的不合时宜,都将明显影响谷
子的气候产量。
准格尔旗属于典型的半干旱雨养农业区,该地区干旱出现频率高,持续时间长,影响范围广,并具有跨季
节和跨年度的特征,农作物容易遭受水分胁迫而减产。 这是由于在干旱和半干旱环境条件下,降水格局的变
化对农作物生理生态机理的影响甚至超过了 CO2 浓度和温度升高单一因子或两者共同作用的影响[44];降水
是决定农牧交错带位置及其气候生产力的关键因素,未来干热的气候趋势有可能使该地区的环境状况变得更
为严峻[42]。 降水量年际变化、年内分配格局仍然是影响准格尔旗农业生产和农业生态系统稳定性的最重要
因素。 就生产等量的干物质而言,多数 C3 作物需水量大于 C4 作物;禾谷类作物的孕穗期,对缺水最为敏感,
此期缺水,对生长发育极为不利,常造成大幅度减产[45]。 同时,光热资源增加必然增大作物田间蒸散量,再叠
加降水量减少的可能,黄土高原干旱风险程度将可能增大[46]。 因此,针对该地区降水波动特征,需要加强田
间垄沟集水、地膜覆盖、抗旱剂、抗旱品种、集雨补灌等节水技术的技术组合研究[47]和 SPAC 系统理论在半干
旱区节水农业中的应用研究,发展集水型生态农业[48],改善水肥热条件,维持土壤有机质动态平衡,降低干旱
灾害风险,增强农业生态系统稳定性。
(4)5 月平均气温年际波动对薯类、大豆气候产量有显著负面影响。 对于马铃薯而言,薯块形成后期以
17—18益最为适宜;对于大豆来说,出苗至开花日数受温度所左右,低于 17益开花大为推迟。 从 1961—2009
年,准格尔旗 5 月的多年平均气温约为 17 益,因而 5 月平均气温的年际波动对马铃薯、大豆的气候产量有显
著影响。 除小麦、玉米外,谷子、糜黍、薯类、大豆和油料等农作物的气候产量与 6、7、8 月平均气温年际波动呈
显著负相关;生长季平均气温年内波动对谷子、糜黍、大豆和油料等农作物的气候产量有显著负面影响。 小麦
生育期中的抽穗期、开花期和灌浆鄄黄熟旗的最适温度对应为 13—20 益、18—24 益和 18—22 益;玉米在籽粒
灌浆成熟时期要求日平均温度保持在 20—24 益,有利于有机物质合成和向果穗籽粒运转[45]。 从 1961—2009
年,准格尔旗 6、7、8 月的多年平均气温分别为 21. 4、23. 3、21. 3 益,基本符合小麦、玉米关键生育期对温度的
要求,因而两者的气候产量对 6、7、8 月平均气温年际波动不敏感。
准格尔旗生长季平均气温波动和气候变暖可能还会带来农业气象灾害。 这是由于气温升高,大气层中气
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流交换增强,大风天气会增加,风暴频率和强度都会有所增强,风蚀作用增强导致水土流失会加剧,从而影响
农业生产。 多数学者认为温度升高(尤其是非对称性增温[49])将对作物产量起到负效应[50鄄53]。 作物种或品
种的不同生育时期,三基点温度都是不同的,由于生长季平均气温的年际或年内波动,当温度超出作物不同生
育时期的最适温度和耐受极限,作物生长发育将受到显著影响。 最新研究认为温度对某些作物产量影响是非
线性的,当温度高于关键温度后其产量会迅速下降[54]。 该地区种植的春小麦、马铃薯为喜冷凉作物,容易出
现高温逼熟现象。 此外,低温往往限制某些病虫害的分布范围,气温升高后,这些病虫害的分布区可能扩大,
从而影响农作物生长,比如马铃薯会因病虫害而损失产量 15%左右[55]。 因此,针对准格尔旗雨热同期的气候
特征,结合气温升高趋势,一方面可以有选择地引进种植一些生育期较长的作物品种[56],另一方面可采取有
效的保护性耕作措施,如免耕秸秆覆盖处理对土壤温度起到“降温效应冶,而传统耕作地膜覆盖、免耕地膜覆
盖处理能阻止夜间土壤温度的回落,有显著的“保温作用冶 [57]。
(5)农业生态系统气候生产力的波动性变化,是气候因子波动性变化的反映,也是区域生态系统结构、功
能变化的表征。 降水、气温、日照、风等气候要素既作为生态因子影响农业生态系统生产力,又作为自然资本
参与到农业生态系统物质循环、能量流动中。 农业生态系统与自然生态系统最本质的区别就在于物质和能量
被大量移出,因而用于维持和修复系统的质能很少,这是造成生态脆弱区环境恶化的根源[58]。 准格尔旗波动
性的气候特征叠加上其它的自然驱动力和人类活动力,必将对该区域脆弱的生态系统结构、功能产生重要影
响,并加剧土地生产力退化。 因此,在准格尔旗生态环境建设过程中,要维护巩固水土保持工程措施,大力推
广实施以种植喜温、耐干旱植物为主的生物措施,依靠科技水平改进农业措施,将气候波动对农业生态系统生
产力的不利影响降到最低。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 19 October,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Assessment of monitoring methods for population abundance of Amur tiger in Northeast China
ZHANG Changzhi, ZHANG Minghai, JIANG Guangshun (5943)
…………………………………………
…………………………………………………………………
Changes of residents nitrogen consumption and its environmental loading from food in Xiamen
YU Yang,CUI Shenghui,ZHAO Shengnan, et al (5953)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
Analysis of the meiobenthic community in the Pearl River Estuary in summer
YUAN Qiaojun, MIAO Suying, LI Hengxiang, et al (5962)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………
Community characteristics of phytoplankton in the coastal area of Leizhou Peninsula and their relationships with primary environ鄄
mental factors in the summer of 2010 GONG Yuyan, ZHANG Caixue, SUN Xingli, et al (5972)………………………………
Morphological differences in statolith and beak between two spawning stocks for Illex argentinus
FANG Zhou, CHEN Xinjun, LU Huajie, et al (5986)
………………………………………
……………………………………………………………………………
Relationships between coastal meadow distribution and soil characteristics in the Yellow River Delta
TAN Xiangfeng, DU Ning, GE Xiuli, et al (5998)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
Variation analysis about net primary productivity of the wetland in Panjin region WANG Liwen, WEI Yaxing (6006)………………
Mobilization of potassium from Soils by rhizobium phaseoli ZHANG Liang, HUANG Jianguo, HAN Yuzhu, et al (6016)……………
Autotoxicity of aqueous extracts from plant, soil of peanut and identification of autotoxic substances in rhizospheric soil
HUANG Yuqian, HAN Lisi, YANG Jinfeng, et al (6023)
……………
…………………………………………………………………………
Effects of shading on the photosynthetic characteristics and anatomical structure of Trollius chinensis Bunge
LV Jinhui,WANG Xuan, FENG Yanmeng, et al (6033)
…………………………
……………………………………………………………………………
Short鄄term effects of fire disturbance on greanhouse gases emission from hassock and shrubs forested wetland in Lesser Xing忆an
Mountains, Northeast China GU Han,MU Changcheng, ZHANG Bowen, et al (6044)…………………………………………
Plant species diversity and community classification in the southern Gurbantunggut Desert ZHANG Rong, LIU Tong (6056)…………
Effects of mixing leaf litter from Pinus sylvestris var. mongolica and Larix principis鄄rupprechtii with that of other trees on soil
properties in the Loess Plateau LI Qian,LIU Zengwen,MI Caihong (6067)………………………………………………………
Effects of long鄄term intensive management on soil ammonia oxidizing archaea community under Phyllostachys praecox stands
QIN Hua, LIU Borong, XU Qiufang, et al (6076)
…………
…………………………………………………………………………………
Hydrogen peroxide participates symbiosis between AM fungi and tobacco plants
LIU Hongqing,CHE Yongmei, ZHAO Fanggui, et al (6085)
………………………………………………………
………………………………………………………………………
Relationships between dominant arbor species distribution and environmental factors of shelter forests in the Beijing mountain
area SHAO Fangli, YU Xinxiao, ZHENG Jiangkun, et al (6092)…………………………………………………………………
Analysis of rhizosphere microbial community structure of weak and strong allelopathic rice varieties under dry paddy field
XIONG Jun, LIN Huifeng, LI Zhenfang, et al (6100)
……………
……………………………………………………………………………
Root distribution in the different forest types and their relationship to soil properties
HUANG Lin, WANG Feng, ZHOU Lijiang,et al (6110)
……………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of silicon application on antioxidant system, biomass and yield of soybean under ozone pollution
ZHAN Lijie, GUO Liyue, NING Tangyuan, et al (6120)
………………………………
…………………………………………………………………………
Effect of landfill leachate irrigation on soil physiochemical properties and the growth of two herbaceous flowers
WANG Shuqin,LAI Juan,ZHAO Xiulan (6128)
………………………
……………………………………………………………………………………
Nitrous oxide emissions affected by tillage measures in winter wheat under a rice鄄wheat rotation system
ZHENG Jianchu, ZHANG Yuefang, CHEN Liugen, et al (6138)
………………………………
…………………………………………………………………
Effects of different fertilizers on soil enzyme activities and CO2 emission in dry鄄land of maize
ZHANG Junli, GAO Mingbo, WEN Xiaoxia,et al (6147)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
The response of agro鄄ecosystem productivity to climatic fluctuations in the farming鄄pastoral ecotone of northern China: a case
study in Zhunger County SUN Tesheng, LI Bo, ZHANG Xinshi (6155)…………………………………………………………
The relationship between energy consumption and carbon emissiont with economic growth in Liaoning Province
KANG Wenxing,YAO Lihui,HE Jienan,et al (6168)
………………………
………………………………………………………………………………
Spatial distribution characteristics of potential fire behavior in Fenglin Nature Reserve based on FARSITE Model
WU Zhiwei, HE Hongshi, LIANG Yu, et al (6176)
……………………
………………………………………………………………………………
Chill conservation of natural enemies in maize field with different post鄄crop habitats
TIAN Yaojia, LIANG Guangwen, ZENG Ling, et al (6187)
……………………………………………………
………………………………………………………………………
Effect of population of Kerria yunnanensis on diversity of ground鄄dwelling ant
LU Zhixing, CHEN Youqing, LI Qiao, et al (6195)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Response of Parnassius apollo population and vertical distribution to climate warming
YU Fei,WANG Han,WANG Shaokun,et al (6203)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Review and Monograph
Integrated assessment of marine aquaculture ecosystem health: framework and method
PU Xinming,FU Mingzhu, WANG Zongling, et al (6210)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………
Seagrass meadow ecosystem and its restoration: a review PAN Jinhua,JIANG Xin,SAI Shan,et al (6223)……………………………
Nutri鄄toxicological effects of cyanobacteria on fish DONG Guifang, XIE Shouqi, ZHU Xiaoming, et al (6233)………………………
Effect of environmental stress on non鄄structural carbohydrates reserves and transfer in seagrasses
JIANG Zhijian,HUANG Xiaoping,ZHANG Jingping (6242)
………………………………………
………………………………………………………………………
Advances in ecological immunology XU Deli, WANG Dehua (6251)……………………………………………………………………
Scientific Note
The causes of spatial variability of surface soil organic matter in different forests in depressions between karst hills
SONG Min, PENG Wanxia, ZOU Dongsheng, et al (6259)
…………………
………………………………………………………………………
Characteristics of seed rain of Haloxylon ammodendron in southeastern edge of Junggar Basin
L譈 Chaoyan, ZHANG Ximing, LIU Guojun, et al (6270)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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第 32 卷摇 第 19 期摇 (2012 年 10 月)
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