23农业气候资源课件.docx

1、23农业气候资源课件2.3 农业气候资源 2.3.1 农业气候资源概述一、含义农业气候资源是指能为农业生产所利用的气候要素中的物质和能量。农业气候资源由光资源、热量资源、水分资源、大气资源和风资源组成，这些资源在一个地区的数量多少、分布特点及其配合，形成了各种各样的农业气候资源类型，在很大程度上决定了某一地区的农业生产类型（如作物种类、品种、种植方式、栽培措施等）、作物产量高低和品质的优劣（胡毅等，2015）。二、特征气候资源是自然资源的组成部分，与其他类型的自然资源相比，农业气候资源具有以下主要特征（姜会飞，2008）：1农业气候资源是一种循环可再生的资源。由于日地位置及其运动特点和地球生态

2、系统的相对稳定性，形成了各种气候的无限循环性，光、热、水、气等农业气候要素不断循环和更新，因而农业气候资源是一种可再生资源，有随时间变化的周期性和随机波动性。2具有明显的时空变化规律。农业气候资源在地球表面上呈现出有规律的不均匀分布，光、热、水资源的数量一般由赤道向两极递减，且由于地球表面的不均匀和生态系统的复杂性，形成了地球上多种多样的农业气候资源类型，从而形成了全球范围内农业生产类型的多样性。农业气候资源还随天气、气候不断变化，在明显周期性变化特点之上叠加较大的不稳定性。由于地球的自转和公转，农业气候资源形成了以日和年为周期的循环变化。例如，气温和太阳辐射随昼夜和季节变化，形成生物特征有一

3、定的节律。同时，由于气候条件年际间的波动，导致农业气候资源年际间的交化，从而引起作物产量的波动。3农业气候资源要素的整体性和不可取代性。农业气候资源要素之间相互依存和相互制约以及不可替代性，构成了农业气候资源的整体性。在农业气候资源系统中，其中一个因子的变化，往往会引起其他因子的连锁反应，并综合地影响农作物的生长发育和产量形成，而且，某一因子的过量或不足，均显著影响农业气候资源的有效利用。任一有利的农业气候要素不能因其有利而替代另一不利农业气候条件，如干旱地区，光、热条件充足，水分缺少，但不会因光、热更多就可替代水分对农业生产的有利，即农业生产对农业气候资源要素的要求缺一不可，要素之间是不可取

4、代的。4农业气候资源的有限性和可改造性。虽然农业气候资源总体上看是一种取之不尽用之不竭的可再生资源，单就一定的时空来说又是有限的，因而各地的农业生产不仅类型不同，还有季节性限制，所以，必须因地制宜，不误农时，才会有较好的收成。在一定的时空范围和条件下，施加有力措施（或不良人为活动）可改善（或恶化）气候资源和环境。 2.3.2 农业气候资源计算一、主要数量指标1光能资源 光能（太阳辐射）是地球上一切生命存在和发展的能量基础，也是农业生产最主要的能量来源。光能资源常从光的强度和总量、光谱成分（光质）和光照时间长短这三个大的方面来归纳。 具体的指标有：太阳总辐射、直接辐射、散射辐射、地面反射辐射、地

5、面有效辐射、净辐射、光合有效辐射、日照时数和日照百分率。 2热量资源 适宜的温度条件和足够的热量资源是保证农作物进行正常生理活动所必需的环境条件。热量资源主要来源于太阳辐射的热效应。温度是物质运动状态的一个表征量，它影响光合作用和代谢活动，不直接参与光合有机物生长和代谢过程。 鉴于温度条件在农业生产中的重要性，人们习惯称之为热量资源，常用的指标有：气温、地温以及与之有关的各种统计量，如年平均气温、积温、最热月均温、最冷月均温、年绝对最低气温等，各级农业界限温度及其始日、终日、持续天数等。 3水分资源 水分是动植物体的主要组成物质，是光合作用的原料，也是养分和有机物的输送者，大气降水是农业生产水

6、分的主要来源，降水量及自然水体贮水量的多少，决定了一个地区的农业生产类型，如旱地农业、灌溉农业、雨养农业、水田农业等。 表示水分资源的主要指标有：降水量、降水变率、降水日数、雨季开始日、空气水汽压、相对湿度、蒸发量、干燥度和土壤湿度等。二、农业气候生产潜力农业气候生产潜力( agroclimatic potential productivity)是以气候条件来估算的农业生产力，即在当地自然的光、热、水等气候因素作用下，假设作物品种、土壤肥力、栽培技术和作群体结构都处于最适状态时，单位面积可能达到的最高产量。 农业气候生产潜力的高低依光、温、水条件及其组合状况而不同。估算时可分别计算光合生产潜力

7、、光温生产潜力和气候生产潜力。（一） 光合生产潜力 光合生产潜力是在温度、水分、土壤、品种以及其他农业技术条件都处于最佳状况时，完全由光合有效辐射决定的生产潜力。 (2-1)式中，为可用于光合作用的有效辐射比率，一般取0.49；为植物群体反射率，1-为作物群体吸收率。在作物整个生育期间，吸收率是叶片面积增长的函数，即1-=0.83Li/L0，其中，L0为最大叶面积指数，Li为某时间段的叶面积指数；为植物繁茂群体透光率；为超过光饱和点光的比例；为作物非光合器官截获的辐射比例，取0.1；为呼吸作用的耗损率，取0.3；为光合作用量子效率，取0.224；为植物体无机养分，取0.08；x为含水率，取0.

8、14；H为形成1g干物质所需的热量，取1.8104Jg-1；为投射到单位面积上的总辐射量（Jm-2）。式中总辐射Q一般采用线性估算模式 （2-2）式中，Q0为天文辐射，s为日照百分率，a、b是大气参数，主要与各地的气候特征有关。（二） 光温生产潜力 光温生产潜力是在一定的光、温条件下，其他环境因素（水分、二氧化碳、养分等）和作物群体因素处于最适宜状态，作物利用当地的光、温资源的潜在生产力。通常采用光合生产潜力乘以温度订正函数进行估算。表示温度订正函数的经验公式，主要有以下几种：光合作用温度分段线性拟合式，光合作用温度二次曲线拟合式，界限温度间隔日数代数式等。光温生产潜力可近似地看成当地作物产量

9、的上限，是规划作物生产的科学依据。关于光温生产潜力的计算，国内外已有不少研究，传统的方法是采用环境因子逐步订正方法，即先计算出光合生产潜力，再进行温度影响的订正获得光温生产潜力。这种方法从作物光合作用与其环境条件相互关系出发，物理意义清晰，结果可用作时空分布比较，关键技术在于采用合适的参数和订正函数。光温生产潜力，其形式为：Y2=Y1 f (t) (2-3)式中，f（t）为温度订正系数，对喜温作物的温度订正函数为：6t2121t2828t3232t44t6或t44 （2-4）对喜凉作物（小麦等）的温度订正函数为： （2-5）式中，t0为最适温度，取20；t为实际温度；a为参数，当tt0时，a=

10、1，当tt0时，a=-2。（三） 气候生产潜力 气候生产潜力是指充分和合理利用当地的光、热、水气候资源，而其他条件（如土壤、养分、二氧化碳等）处于最适状况时单位面积土地上可能获得的最高生物学产量或农业产量。一般以干物质重量表示，单位为吨/公顷年或千克/亩年。估算方法为：光生理学-统计学方法。根据光合作用最大效率的研究结果，对自然条件下植物群体进行光合有效辐射的最大吸收率修正、叶面积指数修正、生长率修正、呼吸修正，以及温度条件和水分条件的修正；动力学方法。气候生产潜力随植物种类而异，故一般需要分别对不同植物进行估算。但为了概括说明气候资源条件对植物生产力的影响，也可进行综合的、概括的估算。气候生

11、产潜力的估计结果虽较粗略，但仍不失为重要参考数据。人们可从现有生产力水平与气候生产潜力的对比中发现挖潜的可能与幅度，也可利用气候生产潜力的分析方法找出主要的限制因子，从而确定主攻目标和方案。目前，农业气候生产潜力的研究，国内外所采用的模型大致也可概括为3类：1）潜力衰减法：即环境因子逐段订正模型，通过对光合生产潜力光温生产潜力气候生产潜力几个阶段的逐步订正来计算。潜力衰减法，又称为气候生产潜力的乘积模型或逐步订正模型。2）气候因子综合法：即经验法，这类模式主要有迈阿密( Miami)模型、Thornthwaite Memorial模型等，主要利用经验公式来计算生产潜力。3）作物生长过程模拟方法

12、：此类方法是根据作物光合作用过程、生理生态特性和外界环境因子来计算生产潜力，如CERES模型、EPIC模型、CROPGRO模型等。1. 潜力衰减法对光温生产潜力进行水分订正后的值，可视为气候生产潜力（Y3），其表达式为： (2-6)式中，为水分订正函数，其大小可用土壤水分系数（即实际蒸散量ETa与可能蒸散量ETp的比值）来表示，其式为： （2-7）式中，实际蒸散量（ETa）可视为降水量（R）与流出量（NR）之差，即：ETa=R-NR= (1-N) R （2-8）其中，N为径流与渗漏的总流出量系数。将（2-8）式代入（2-7）式，可得到水分订正函数的计算式： 0 (1-N) R0.316L时才适

13、用，否则v=R。式(2-12)中，30000是经验系数，这是研究者利用世界各地资料统计分析得出的地球上自然植物在每公顷面积上全年的最高干物质产量。该模型充分考虑了光、温、水对作物干物质积累的综合影响，表征了作物产量与光合作用的密切关系。L=300+25T+0.05T3 （2-14） 2.3.3农业气候资源开发与利用途径 农业气候资源是取之不竭、用之不尽、可永久利用的自然资源，合理利用农业气候资源，协调农业生产与气候条件之间的关系，是实现农业可持续发展的重要前提。我国夏季炎热，热量资源丰富，最北部的黑龙江也能种植水稻、棉花等喜温作物，是世界种植水稻的最北限；同时降水量主要集中在夏季，雨热同季，为

14、农业生产提供了有利的水热条件。但由于季风性气候不稳定，常有低温、旱涝等灾害性天气，且我国气候类型复杂，各地气候资源各异，针对各地气候特点，合理利用气候资源，趋利避害，是获得优质、高产农产品及使农业可持续发展的重要保障（陈丹等，2009）。一、利用农业气候区划，调整农业产业结构 我国东西横跨逾60个经度，南北纵跨约50个纬度，且地形地貌复杂，气候多样，具有多种农业气候类型。只有尊重客观规律，从作物的气候适应性出发，选择适宜的地区，种植适宜的作物和品种，即通过气候区划和气候风险分析，进行农业气候区划研究，实行区域化种植，宜农则农，宜牧则牧，宜林则林，合理布局，调整农业产业结构，才能充分及合理利用气

15、候资源，获得稳定的产量和优良的品质。美国、日本根据气候和土壤条件实行区域性种植就是较为成功的例子。美国将一半以上的小麦集中于两个小麦适宜种植带内，2/3的玉米集中在适宜种植玉米的地带内；日本利用丘陵起伏地形集中发展柑橘，仅佐贺县一个县的柑橘年产量就接近于我国柑橘的总产量。 广西是我国甘蔗的主产区之一，但并非广西各地气候条件均利于甘蔗生产。涂方旭等(2003)用小网格气候分析的方法，将广西甘蔗生产划分为4个气候区：最适宜气候区、适宜气候区、次适宜气候区和不适宜气候区。最适宜气候区主要分布在桂南；适宜气候区主要分布在桂南偏北及桂中地区；次适宜气候区主要分布在桂北平原、丘陵、低山地区，以及桂中海拔6

16、00800 m的山区；不适宜气候区主要分布在桂北高寒山区。显然，根据甘蔗的气候区划规划甘蔗生产，是广西合理利用甘蔗农业气候资源，获取优质高产甘蔗产品的前提。二、依据农业气候相似原理，进行科学引种 成功地引进优质品种是提高农业经济效益的有效途径，在引进外地优良品种时，一定要遵循客观规律，讲科学，不能盲目引进。影响一种作物生长发育的气象因子是很多的，但这些因子在作物整个生长发育过程中所起的作用不同，在进行农业气候相似程度分析时，一定要选择对引种作物生长发育影响最大的气候要素作为对比分析因子。同时，由于物种存在迁移、适应、突变和变异的特性，把适产地优良品种引种到“农业气候相似”而气候条件不是相似的地

17、方，也有成功的可能。如亩产500 kg以上的西藏高原肥麦（丹麦1号），原产地北欧丹麦海拔在10 m以下，平均气温8.5，从气候上分析两地相差甚远，但从肥麦产量形成期间的农业条件看两地十分相似，所以适宜引种，并取得了成功。但从某种程度上说，农业气候相似原理只是加快优良品种引进的进程，并不能替代试种。合理地间作套种，能使植物整个生育过程处于较好的光热条件下，避开不利的气象条件，使光、热、水资源得到充分利用；采用温室、大棚等农业生产设施可以增温保温，充分利用气候资源，实现反季节种植，延长年种植时间；通过生态农业、立体农业的合理规划等，挖掘农业气候资源潜力，提高农业生产效率。三、依据各地农业气候资源，

18、合理安排种植制度 种植制度是指作物的种类、品种、熟制及种植方式与当地农业资源和生产条件相适应的地域配置。合理安排种植制度对全面开发一地农业气候资源和科学技术成果，解决农业生产中争季节、争土地、争水肥、争劳力等方面的矛盾，因地制宜地发展农业生产有重要意义。一个地区种植制度的确定，涉及气候、土壤、地貌、水肥和社会经济条件等诸多因素，但其中气候资源状况在很大程度上起制约作用。农业气候条件保证率80%的年份能否满足某种熟制的要求，是可否实行某种种植制度的基本保证。 1温度 分析多熟种植制度温度条件的主要指标是生长期、积温和最热（冷）月平均气温等。在我国的条件下，一般10持续日数（生长期）小于180天的

19、地区多为一年一熟，180250天宜一年两熟，250360天为一年三熟。日平均气温10活动积温表示喜温作物生长朔内可利用的热量资源，一般地，10活动积温小于3 000为一年一熟，4 000-5 000为一年两熟，一年三熟则要求10积温在5 000以上。在生产上实行多熟制还要考虑前茬收获后到后茬作物播、栽前农事操作所需的农耗积温，故要有80%保证率的积温和生长期日数。 此外，安排多熟制还要考虑最热（冷）月的平均气温，如喜温作物水稻、棉花、玉米等，在营养生长期与开花授粉期要求最适温度为2528，故要求夏季白天平均气温大于20的日数在60天以上，才能种植以上喜温作物。最冷月平均气温大于15的地区才能种

20、植冬红薯和冬玉米。 2水 多熟制比一熟制耗水量大，高产作物又比中、低产作物耗水量大。从我国大范围的农业布局看，在热量条件满足的情况下，年降水量不足200 mm的地区只能在灌溉的条件下才有农业；年降水量600 mm地区旱地多为小麦 谷子（豆子）两熟；年降水量800 mm地区可以有较大面积的麦-稻两熟；种植双季稻则要求年降水量在1000 mm以上。由此可见，在热量保证的情况下，实行多熟制必须有水的保证。如长江中下游和珠江流域的平原地区，地势平坦，雨热同季，0积温在5 500以上，年降水量在1000 mm以上，是历史上精耕细作的农业区，一年两熟或三熟，适宜种植水稻等喜温作物，是我国商品粮的重要基地。

21、 3日照 一年内熟制的多少虽然首先决定于热量而不是日照，但日照的多少及其季节分布，对熟制作物（品种）的安排、产量的高低、品质的优劣以及增产潜力将有明显的影响，与种植类型的确定亦有关系。如冬季日照少的地区对叶菜类作物生长有利，而对开花结果作物生长发育则不利，产量亦较低。 2.3.4 农业气候区划一、概念（一）农业气候区划含义农业气候区划是从农业生产的需要出发，根据农业气候条件的地区差异进行的区域划分。一般是在分析地区农业气候条件的基础上，采用对农业生产有重要意义的气候指标，遵循农业气候相似原则，将一个地区划分为若干个农业气候区域；各区都有其自身的农业气候特点、农业发展方向和利用改造途径。（二）农

22、业气候区划的目标和意义理想的气候区划是建立在对区域气候特征及其成因有深刻认识的基础之上的，因此，气候区划本身的合理性和先进性也表明了气候研究工作的发展水平。我国曾开展过多种气候区划研究，既有综合性的又有专业性或专门性的区划。新中国建立后，农业气候区划工作就是最有代表性的专业性气候区划。以我国的气候区划为例，对于各个层次的各种需求而言，划分气候区域，无非是为了更好地规划用于全局性的或用于局部性的或用于行业性的气候资源，以便于气候资源的各种合理应用。就以农业气候资源区划来说，各地都有复杂的地形地貌和小气候特征，尤其是对于山区，由于海拔高度和地形的千差万别，其温度、风、降水等气候要素也千变万化，必然

23、会对其自然植被分布产生一定的影响，所以各种农作物生产都需要根据地方的气候特征与资源状况区划的结果合理安排布局。这才符合科学发展观。不过，对于气候资源或气候灾害区划而言，应当具有各种不同的层次和不同的尺度，才能为各层次和各种尺度的国民经济发展服务。二、农业气候区划分类 根据区划对象的不同，农业气候区划一般可以分为综合区划和单项区划两类。根据区划范围的大小可以分为全国、省级、县级和区域的区划。按照区划方法可分为类型区划和区域区划。（一）综合农业气候区划 综合农业气候区划也称普通农业气候区划，是为解决大农业问题而进行的区划。综合农业气候区划主要着眼于农、林、牧业综合考虑，为合理配置农业生产提供气候上

24、的科学依据。对于地理、行政范围较大，农业和气候差异大的区域一般都要进行综合农业气候区划。但综合农业气候区划的内容比较笼统，难以解决农业生产中的具体问题。 （二）单项农业气候区划 单项农业气候区划是重点针对某一方面的区划。按农业对象分，有专门针对某一种作物或某一类作物的区划，如小麦气候区划、热带作物区划。按气候要素分，有专门针对某一种农业气候资源的区划，如降水区划、热量区划等；有专门针对多种或某一种不利气候条件所作的区划，如农业气象灾害风险区划等。另外，还有畜牧气候区划、林业气候区划、种植制度气候区划等。（三）类型区划与区域区划 类型区划和区域区划是两种不同分区划片的方法，它与构建的农业气候区划

25、指标体系有关。类型区划是基于不同农业气候指标在地域分布上的差异逐级划分单元，其同类型的农业气候区可以在不同地区重复出现，在地域上不一定连成一片，同一级类型区内反映的农业气候因子较单一，但能突出主导因子的作用，较容易确定农业气候相似地区，在地形复杂的山区可划分较多的类型区。区域区划则是基于对农业地域分布具有决定意义的多种农业气候因子及其组合特征差别，将一个地区划分为若干农业气候区，每个区在地域上总是连成一片，具有空间地域上的独特性和不重复性，能突出多种因子对农业的综合作用。 由于我国季风气候特点和地形复杂，因此多数学者认为全国或较大区域的农业气候区划采用区域区划与类型区划相结合比较符合客观实际。

26、有一些区域区划是以一定的类型为根据的，因为一个区域内可能有几种类型，且往往以某一种类型占优势，可以根据优势类型的分布范围来划区。三、农业气候区划方法（王连喜等，2010）（一）农业气候区划指标选取方法 农业气候区划指标是指对农业地理分布、农业生物的生长发育和产量形成有决定意义的农业气候要素及其临界值。区划指标是区划工作中最关键、最核心的问题。各种区划的等级和界限是由指标确定的，而采用什么指标，又与区划的方法、原则、种类和对象等有关。 开展农业气候区划，必须首先探讨农业生物与气候条件之间的关系，并以此为指标对所关注区域的气候进行农业鉴定。指标体系是气候区划分的理论依据，农业气候区划比一般的气候区

27、划更强调实用性，因此要选取与服务对象关系最密切的要素作为区划指标，划出的区域之间要能反映研究区内的农业生产特征。 农业气候区划通常采用作物生长关键期中的气候影响因子作指标。与一般的气候研究所不同的是，农业气候研究经常会涉及到气象要素的非标准临界值问题。毫无疑问，获取真正能够反映作物对气候条件要求的、客观的农业气候指标是进行农业气候区划的关键，它直接影响和决定着区划研究的水平以及区划结果的适用性。 在实际研究中，既可根据长期农业实践和经验直接选取合适的区划指标，也可以通过农业气候资源分析，用气候资料与农作物产量、面积、灾情等数据运用统计学、生物学等方法，结合田间试验确定农作物生长发育的气候条件作

28、为农业区划指标。前者不需要大量的观测数据支撑，以定性为主，操作简便但精度不高，专家的经验对区划结果的影响较大，常见的调查法、实验法、经验法都属于这种类型；后者以定量研究为主，精度较高，区划结果也更为客观，但对数据的依赖性大，常见的有数理统计法。（二）农业气候区划方法 在确定好区划指标后，农业气候区划的下一步工作就是遵循农业气候相似原理，采用一定的方法，划分出各个相同的和不同的农业气候区或区域单元。早期的农业气候区划一般采用重叠法(叠套法)和指示法(经验区划法)，这两种方法都以定性研究为主，因此存在区划结果精度不高的问题。鉴于此，20 世纪90年代以后，越来越多的区划工作采用了数理统计方法进行分

29、区，农业气候区划也由定性研究阶段转向了定量研究阶段。 根据农业生产实践中的经验对各指标直接分级，处于相同级别的地区被划分在同一类区划单元上，这种指标分级法是农业气候区划定性研究的主要方法之一。如冯晓云和王建源（2005）选用干燥度指数K作为气候区划的指标，并定义K1.0为湿润区，1.0K1.5为半湿润区，K1.5为半干燥区，以此分级标准进行一级气候区划，并按相同的方法进行二级、三级气候区划。权维俊等（2007）则采用专家分类器方法对北京市的京白梨种植区进行了农业气候区划。专家分类器是在遥感分类中使用较广泛的一种基于规则的分类方法，是模拟人类组合各种带有因果关系知识进行推理并得出结论的一种思维过

30、程。该方法能充分地将专家的知识、经验和科研成果应用到农业气候区划中，从而得到较客观和全面的区划结果。但其精度在很大程度上受专家知识的限制，参与专家分类器的变量(因子)也很重要。指标分级方法虽然操作简单，易于推广，但分级标准过于机械，对分级人员的经验和知识有很大的依赖性，主观性较强。在认识到该方法的优缺点后，许多学者开始使用数理方法进行农业气候区划，取得了很好的效果。此类农业气候区划方法主要包括以下几种。1. 聚类分析法 聚类分析法是一种对事物进行分类的方法，该方法能使同类中各事物具有相同的特性，而在类与类之间有比较显著的差异。该方法与农业气候区划进行单元分类的目标相吻合，因此是农业气候区划中应用最广泛的一种方法。在农业气候区划中有多种聚类分析法出现。如乔丽等（2009）选取主要气候变量、地质土壤类型、水文等10个影响陕西省生态环境干旱的因子，利用K-均值聚类分析和系统聚类分析相结合的方法，对陕西省生态环境干旱区划进行了研究，结果表明：采用生态因子和干旱因子相结合的聚类分析方法能够充分地体现“陕西省生态农业干旱”的空间分布特征。陈同英（2002）运用“星座”聚类分析方法探讨县级气候区域划分，取得了与实际自然环境相吻合的结果。另外，有学者将聚类分析法与其他分析方法综合运用，对聚类分析法进行了完善。如丁裕国等（2007）从理论上分析并证明统计聚类检验(CAST)与