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气候变化下大田作物生长的水热要素发生了变化，进而影响到作物的适宜生长区与产量。全面了解水热要素组合变化下的作物适宜生长区与产量的变化方向和幅度是明晰作物种植带演变、发展农业地理的必要步骤。本部分从农业水热要素变化、气候变化对主要粮食作物和其他作物种植影响三个方面评估气候变化下的农业地理发展和作物种植带的演变。总体来看，气候变化下的中国主要粮食作物种植界线在向北迁移，但迁移幅度受制于水资源的分布。对于其他作物，繁杂的作物种类和对水热需求的差异导致作物适宜生长区的变化方向与变化幅度存在明显的区域性。
农业问题一个重要基础是农业地理的变化。研究已经确认，在农业地理上，以温度增加和降水变动为特征的全球气候变化可以改善热量资源，延长农作物的生育期，但极端气候事件增加也会造成农业生产的不稳定（吴绍洪等，2014）。宁晓菊等（2015a）证实，在全国尺度上，1951～2010年，中国年平均气温、0摄氏度积温和最冷月平均气温等温线均在不同程度上向北迁移。三者在全国大部分区域表现为显著增加趋势。最热月平均气温分成显著的下降和上升区。显著上升区集中在东北地区、内蒙古高原与东南沿海地区；显著下降区为黄河与长江中下游地区。降水方面，对中国农业分布格局至关重要的400毫米等降水量线南段和800毫米等降水量线在整体上相对稳定，但是黄河与长江中下游地区最热月平均气温的下降趋势和最冷月平均气温的等温线尤其是0摄氏度等温线逐渐从秦岭—淮河一带北移到黄河一线。宁晓菊等（2015b）还发现，在无霜期及初终霜日方面，1951～2012年全国无霜期的年际波动幅度随纬度增加或随海拔降低而减少。全国80%以上区域呈现初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势，且三者的变化幅度均是北方大于南方、东部大于西部。中国多数农区无霜期延长是初霜日推后和终霜日提前的共同影响。而西南地区和长江中下游部分地区无霜期延长的原因是初霜日的推后幅度大于终霜日的推后幅度或终霜日的提前幅度大于初霜日的提前幅度。
在区域尺度上，1961～2010年东北地区增温率为0.33摄氏度/十年。在RCP4.5和RCP8.5情景下2005～2099年增温率将分别达到0.19摄氏度/十年和0.48摄氏度/十年，且北部地区增温更加快速。其他农业热量资源随温度变化趋势相一致，生长季降水呈增加趋势，因此总体是未来东北地区向暖湿方向发展。热量资源整体增加，但与降水的不匹配可能会对农业生产造成不利的影响（初征等，2017）。对于华北地区，1951～2000年气温和降水分别呈明显升高和减少特征，其中冬季升温和夏季降水减少最为显著。气候呈现暖干化趋势。考虑到蒸发的影响，华北地区年春季的水分亏缺量总体呈增加趋势。春季亏缺尤为严重，使得该区域冬小麦生长季内存在干旱加重趋势（徐建文等，2014）。陈亚宁等（2014）分析认为西北干旱区平均气温在1987年出现了“突变型”升高。1960～1986年平均气温增加幅度较小。1987年后升高速率是0.517摄氏度/十年，但是1997年后温度一直处于高位震荡状态，升温趋势不明显。西北地区增加的光热资源已经提高了部分绿洲地区喜温作物的光温生产潜力。整个西北地区喜温作物面积扩大，越冬作物种植区北界向北扩展（玉苏甫等，2014）。华南地区活动积温增加趋势最明显的区域分布在云南中部、广东南部和海南岛等地区。在变暖形势下，气候带整体向高海拔扩张和高纬度北移（戴声佩等，2014）。在青藏高原雅鲁藏布江河谷地区，受气候变暖的影响，自1970～2000年，一熟制作物种植的海拔上界已经从5001米扩展到5032米，两熟制作物种植的海拔上界从3608米扩展至3813米（Zhang et al., 2013）。
选择小麦、玉米和水稻三种主要粮食作物，分析气候变化对其种植的影响。1981～2010年全国小麦的播种、出苗、三叶期和乳熟期均在推迟，而分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期均提前。这导致小麦营养生长阶段长度和生长季长度均缩短，而生殖生长阶段长度平均延长0.06天/年。因此，春小麦和冬小麦生长季长度分别随着生长季内平均温度上升而缩短和延长（刘玉洁等，2018）。华北地区，1996～2012年冬小麦返青期提前的区域占整个华北地区的78%，其中显著提前（p=0.05）的区域占整个华北地区的37.8%，提前的速度为1.8天/十年（Wang et al., 2017）。河南省冬小麦产量对生育期平均气温和日照时数的变化比较敏感（张荣荣等，2018）。四川省冬小麦产量对生育期平均气温、日较差、降水量和辐射量均比较敏感（陈超等，2017）。同时，极端气候事件对小麦生长造成了影响。1980～2008年黄淮海平原冬小麦生长季的极端高温有加剧趋势，且空间上自东向西逐渐加重，不利于冬小麦的生长发育（石晓丽等，2016）。1982～2013年冬小麦生长期，河南省和山东省分别呈现变干和变湿两种趋势，总体上冬小麦产量与标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI）变化的关联度高（Liu et al., 2018）。
受气候变化的影响，1981～2010年间，玉米生育期内平均温度和有效积温呈现增加趋势，降水量和日照时数呈现减少趋势。这导致西北内陆玉米区和西南山地丘陵玉米区的春玉米物候期以提前趋势为主，夏玉米和春夏玉米各物候期在不同区域均呈现推迟的趋势。不过西北内陆玉米区夏玉米各物候期推迟的幅度大于黄淮海平原夏玉米各物候期推迟的幅度（秦雅等，2018）。东北地区，1981～2010年玉米生长季气候趋暖明显，热量增加。玉米各等级冷害发生年数、区域及频率都呈显著减少趋势，但是个别年份还发生重度以上冷害（余弘泳等，2017）。同时期华北地区明显的增温导致玉米开花和成熟提前，相应的生殖生长期缩短（Xiao et al., 2016）。肖薇薇（2015）发现，1992～2012年北方地区玉米自身随着年际间气温波动进行生育期调整，即年平均气温每升高1摄氏度，玉米生育期大致缩短3～5天。气候要素中，降水对玉米单产也表现为促进作用。当降水量每增加1%，玉米产量会增长0.21%；而气温和太阳辐射（云覆盖率）则对玉米单产产生负面影响。当温度每增加1%和太阳辐射每减少1%，将导致玉米单产下降0.99%和1.04%（杨笛等，2017）。河北省每公顷玉米产量会因为温度增加1摄氏度和降水量减小1毫米分别减产150.255千克/公顷和1.941千克/公顷（Chen et al., 2017）。相对于小麦，华北平原夏玉米产量与SPEI的关联度较低（Liu et al., 2018）。在RCP2.6、4.5和8.5的情景下，考虑气候变化与氮吸收率，2100年华北地区玉米产量将会平均增长8.5%（Liang et al., 2018）。黄土高原过渡带的玉米单产对平均温和日照时数均为负响应，对降水量变化呈正响应（高娟等，2016）。西南地区46%的站点春玉米雨养产量呈显著降低趋势，其中生长季辐射降低、温度升高、降水减少和温度日较差降低对减产的贡献率分别为32%、40%、1%和–2%（戴彤等，2016）。
当水稻生长季平均温度超过20摄氏度时，由于增加的热胁迫和缩短的生长期导致气温每上升1摄氏度产量下降4%。总体上1961～2010年增加的热胁迫和缩短的生长期导致水稻总产量下降11.5%（Yang et al., 2014）。在长江中下游双季稻地区，早稻生长期间升温和积温明显增加有利于早稻提前播种、选用生育期稍长的品种、提高产量潜力和产量。晚稻生长期间升温不明显且日照时数下降则可能不利于光合作用和产量形成，影响其产量潜力和产量（艾志勇等，2014）。江苏省未来水稻生长季高温热害事件会增加（宋瑞明等，2017）。HadCM3模式的A2和B1情景下其水稻灌溉需水量呈增加趋势，并且在2071～2100年增幅最大（白凯华等，2016）。在RCP4.5和RCP8.5的情景下，到2100年福建省各站点水稻生育期将明显缩短。生育期内平均温度均有所升高。不考虑二氧化碳肥效作用，早稻、后季稻和单季稻产量相对于基准年份均普遍减产，但是考虑二氧化碳肥效后，则普遍表现为增产（周桐宇等，2018）。西南地区水稻洪涝灾害风险是移栽分蘖期＞拔节孕穗期＞抽穗成熟期。高风险地区主要位于云南南部和东北部、贵州南部，以及四川中部的成都、眉山和德阳地区（杨建莹等，2015）。东北地区，1951～2010年水稻延迟型冷害与气候变暖有着较好的对应关系，5～9月平均气温和延迟型冷害呈明显反相关。其中5～9月平均气温升高1摄氏度，水稻延迟型冷害减少约45次。内蒙古东部地区的西部、吉林东部和黑龙江交界延迟型冷害出现的频率较大。辽宁中南部延迟型冷害出现的频率较小（袭祝香等，2014）。历史时期和气候变化情景下松嫩平原水稻全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势（黄志刚等，2015）。
冬小麦在宁夏—甘肃、河北—辽宁、山东—河北和安徽、江苏、河南以及山东交界处等地区具有明显的北移趋势（郭建平，2015）。将小麦适宜生长区分成高中低适宜区和不适宜区。1953～2012年，小麦适宜生长区在全国多数农区范围扩大或者适宜生长等级升高，而且小麦适宜生长区对气候变化的响应程度在北方农区大于南方农区。不过总体上小麦适宜生长区在全国尺度上的分布与小麦产量的相关性并不显著（表1–2）（宁晓菊等，2019）。考虑农户依据气候变化对作物种植结构做出的适应性调整，温度对小麦种植面积重心迁移的驱动作用明显，且具有显著的负面效应，即温度每升高1%，种植面积将减少0.27%（范玲玲，2018）。模拟未来气候变化，相较于1981～2010年，2071～2100年冬小麦种植北界将平均向北移动147.8千米，北移面积约1.86×10 5 平方千米（张梦婷等，2017）。在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5的情景下，2011～2059年黄淮海地区冬性和弱冬性品种将可能逐渐取代强冬性品种。冬小麦种植区逐步北移。北部地区的种植面积可能增加，而南部地区的种植面积则可能缩减（胡实等，2017）。冬小麦种植面积扩张增加海河流域农业用水短缺。水分成为限制该区域冬小麦扩张的主要因素。只有提高用水效率，并且将冬小麦种植面积减少3%～15.9%，才可以应对华北地区的水短缺（Mo et al., 2017）。
表1–2 粮食作物适宜类型区面积比值及变化值（%）
资料来源：宁晓菊等，2019。
1953～2012年，玉米适宜生长区在东北地区、内蒙古及长城沿线地区、甘新地区、黄土高原地区和黄淮海地区范围扩大或适宜生长等级升高。在长江中下游地区、西南地区和华南地区适宜生长范围缩小或适宜生长等级降低。总体上气候变化对玉米生长在北方农区以正向影响为主，在南方农区以负向影响居多，且玉米适宜生长区在全国尺度上的分布与玉米产量的相关性在0.5置信水平上显著（表1–2）（宁晓菊等，2019）。肖薇薇（2015）认为年平均气温11℃可能是北方地区春玉米和夏玉米的分界阈值。不同熟型的玉米在东北地区的种植北界发生不同程度北移和东扩（郭建平，2015）。在RCP4.5和RCP8.5情景下（2011～2099年）东北地区玉米可种植边界北移东扩，南部地区为晚熟品种，新扩展地区以早熟品种为主，不能种植地区减少（初征等，2018）。
当前气候变化使得中国单季稻和双季稻潜在种植边界显著北移（凌霄霞等，2019）。近60年来，中国省级尺度的水稻种植重心向东北迁移（Li et al., 2016）。1953～2012年，水稻适宜生长区在长江中下游地区、西南地区和华南地区的变化相对稳定，在东北地区其生长边界和生长范围向北移动和扩大，在黄淮海区适宜生长等级降低。总体上水稻适宜生长区在全国尺度上的分布与水稻产量的相关性在0.01置信水平上显著（表1–2）（宁晓菊等，2019）。在区域尺度上，1980～2010年升温使得东北地区水稻面积扩张了近4.5倍。其扩张方向与温度迁移方向一致，表现出明显的纬度地带性特点，但有时间滞后效应（Xia et al., 2014）。受气候变化影响，广东省晚熟+晚熟地区面积明显扩大，早熟+晚熟地区面积明显减小，而早熟+早熟区的面积变化不明显。与1961～1990年相比，1971～2000年和1981～2010年广东省晚熟+晚熟区面积分别增加了1.22×10 6 公顷和2.56×10 6 公顷，早熟+晚熟区的面积分别减小了1.13×10 6 公顷和2.56×10 6 公顷（杜尧东等，2018）。未来中国东部以秦岭—淮河为界的稻麦分界线有可能会北推到黄河一线（王铮等，2016）。
在气候变化的影响下，陕北红枣各生育期平均气温呈上升趋势，日照时数呈减少趋势，降水量在不同生育期内的变化趋势不一。这使得红枣开花期阴雨呈减弱趋势。脆熟采收期阴雨呈增强趋势（刘璐等，2016a）。当前气候情景下，黑果枸杞的适宜种植区面积约为207 382.8平方千米，主要分布在河西走廊及其周边、柴达木盆地、塔里木盆地、准格尔盆地、吐鲁番盆地。在未来不同的温室气体排放情景下，黑果枸杞的适宜种植面积均有不同幅度的扩大，但不受气候变化影响的黑果枸杞适宜种植地区面积将逐渐减小（赵泽芳等，2019）。近52年，尤其是20世纪90年代以来，北疆宜棉区面积明显扩大，次宜棉区和不宜棉区有所减小，风险棉区变化不大。2001～2012年与20世纪60年代相比，宜棉区面积扩大了6.541 64×10 4 平方千米；次宜棉区和不宜棉区分别缩小了0.999 82×10 4 平方千米和5.286 75×10 4 平方千米（李景林等，2015）。近54年，新疆无霜冻期、4～9月干燥度和大风日数的倾向率均呈显著（α=0.001）增多趋势，并在1980年和1990年发生突变。相较于1997年之前，新疆酿酒葡萄最适宜种植地区减小了6.201平方千米，占比减小了3.7个百分点；适宜种植地区增大了25.63万平方千米，占比增大15.4个百分点；次适宜种植地区和不宜种植地区分别缩小了7.432万平方千米和11.99万平方千米，占比分别减小4.4和7.2个百分点（张山清等，2018）。1961～2015年新疆年平均气温、6～8月平均气温和1月平均气温显著升高。冬季日最低气温≤–20摄氏度日数显著减少，并且上述各要素分别于1979年、1985年和1997年发生了突变。受气候变暖的影响，1997年后较其之前，新疆苹果适宜种植地区明显减小，次适宜种植地区明显扩大，不适宜种植地区也有所减小（张山清等，2016）。
在西南地区，1961～2010年各时期贵州省刺梨种植中度适宜地区比例较高，高度适宜地区比例居中，基本适宜地区和不适宜地区比例或高或低。1961～1990年刺梨种植各适宜等级空间格局变化较小，1991～2000年和2001～2010年各适宜等级空间格局变化较大。变化地区集中于黔东南州、铜仁市、遵义市和毕节市。5～8月平均气温、7月平均气温和3～10月≥10摄氏度积温变化对贵州省刺梨种植适宜性影响较大，3～8月降水总量变化影响相对较小（韩会庆等，2017）。与1986～2005年相比，在RCP2.6、RCP4.5情景下，2081～2100年贵州红心猕猴桃种植气候适宜性整体呈增加趋势；高适宜地区和中适宜地区面积和比例增加突出，低适宜地区和不适宜地区面积和比例明显下降；各时期红心猕猴桃种植气候适宜性变化空间异质性突出；未来气候变化影响下各气温因子和年降水量对红心猕猴桃种植气候适宜性变化影响存在差异（韩会庆等，2018）。RCP4.5和RCP8.5气候情景下，2021～2060年云南烤烟种植气候适宜分布呈现北抬东扩的趋势。未来云南烤烟可种植地区将呈逐渐增加的趋势，且2041～2060年增幅大于2021～2040年，同时RCP8.5情景的增幅大于RCP4.5情景。其中，烤烟的最适宜地区、次适宜地区增幅均较大，适宜地区则变化不大。未来云南中北部烟区的昆明、曲靖、大理、楚雄、丽江最适宜地区面积与可种植面积增幅较大；文山、红河、普洱、西双版纳等南部烟区最适宜地区面积与可种植面积减幅较大（胡雪琼等，2016）。
在RCP4.5情景下，2041～2060年和2061～2080年中国天然橡胶的种植气候适宜地区范围总体呈北扩趋势，对橡胶树北移有利。2041～2060年和2061～2080年中国天然橡胶气候适宜区总面积较1981～2010年呈增长趋势。高适宜地区和中适宜地区的面积均有增加趋势，而低适宜地区面积呈减少趋势。局部地区气候适宜性发生明显变化。云南的橡胶主产区的适宜地区总面积减少。其中，云南省的景洪、勐腊等地区将由现在的高适宜地区转变为中适宜地区；海南岛及广东雷州半岛的橡胶种植高适宜地区面积明显增加；台湾岛出现了新的橡胶种植低适宜地区等（刘少军等，2015）。在当前气候条件下，榨菜的适宜种植地区比例为4.2%，主要集中在重庆涪陵的东北部、西部和东部，长寿的东部和南部，垫江的南部和东南部，丰都的西北部和北部，忠县的东南部地区，以及武隆和南川的少部分地区等。中度适宜种植地区面积比例为6.3%。在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5气候情景下，预测21世纪50年代榨菜适宜生境的比例下降，分别为2.7%、3.8%、3.1%和3.2%；21世纪70年代比例也下降，分别为3.1%、3.7%、3.5%和2.9%，而中度适宜种植地区的比例有所上升（李宏群等，2018）。
显然，无论是全国尺度还是区域尺度，气候变化下农业水热要素均在发生变化，不过变化的幅度和方向存在区域差异。受农业水热要素变化的影响，很多作物生长发育出现变化，抑或受到某一水热要素的制约改变作物物候期，造成产量的波动，作用到空间上则是作物适宜生长区和生长界线的变动。因此，分析作物模拟未来气候变化下作物适宜生长区的分布，计算作物适宜生长边界的移动方向和距离，是全面理清气候变化对农业生产影响的关键，这成为下一步研究的重点内容之一。