內(nèi)蒙古大豆氣候適宜性變化及未來情景預(yù)估

金林雪 武榮盛 吳瑞芬

摘要：用內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)14個(gè)氣象站1981—2016年氣象觀測(cè)資料與RegCM4.0區(qū)域氣候模式，在低排放RCP4.5和高排放RCP8.5 2種情景下，基于氣候適宜度指數(shù)的構(gòu)建，分析和預(yù)估內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)光、溫、水及綜合氣候適宜度的變化特征。結(jié)果表明，近35年，內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆日照適宜度東部偏北及赤峰呈微弱的下降趨勢(shì)、通遼為上升趨勢(shì)，降水適宜度呈不同程度的下降趨勢(shì)，氣溫適宜度均呈顯著上升趨勢(shì)，綜合氣候適宜度赤峰小幅降低、東部偏北及通遼變化相對(duì)較為平緩;總體而言，1981—2016年內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆氣候適宜性影響為弱的負(fù)效應(yīng)。在未來2種氣候情景下，2021—2050年，日照適宜度變化總體平穩(wěn)，溫度適宜度基本呈上升趨勢(shì)，降水適宜度線性傾向率以正值為主，綜合適宜度呈略微增加的趨勢(shì)，未來氣候?qū)Υ蠖股a(chǎn)為弱的正效應(yīng)影響可能性大，并根據(jù)模擬的2種未來氣候情景，提出對(duì)內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆生產(chǎn)的相應(yīng)適應(yīng)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：氣候適宜度;變化特征;情景預(yù)估;大豆;內(nèi)蒙古

中圖分類號(hào)： S162.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）12-0134-07

目前，氣候變化已引起全球的普遍關(guān)注[1-3]，氣候適宜度近年來成為研究氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的主要方法之一，為農(nóng)業(yè)氣候資源的定量分析和分類評(píng)價(jià)開辟了一個(gè)新的途徑。該方法可綜合考慮光、溫、水3個(gè)要素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，能客觀反映氣候條件對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度[4-6]。國(guó)內(nèi)外開展作物氣候適宜度變化方面的研究已有多年的歷史，研究成果也日趨豐富：任玉玉等得出河南省棉花（Gossypium spp.）氣候適宜度呈下降的趨勢(shì)，且適宜度的變化有明顯的地域差異[7]。姚小英等研究發(fā)現(xiàn)，1971—2008年玉米（Zea mays）全生育期溫度、光照適宜度呈上升趨勢(shì)，降水適宜度呈下降趨勢(shì)[8]。王連喜等研究得出，1971—2010年江蘇省小麥（Triticum aestivum L.）的溫度適宜度、降水適宜度和氣候適宜度都呈弱增加趨勢(shì)[9]，而日照適宜度呈微弱減少的趨勢(shì)。在未來氣候適宜度變化方面我國(guó)研究起步較晚，但也有相關(guān)學(xué)者已初步取得了一定成果，胡雪瓊等分析了1986—2005年及RCP4.5和RCP8.5氣候情景下2021—2060年云南省烤煙（Nicotiana tabacum）種植氣候適宜性分布的變化[10]。杜堯東等結(jié)合IPCCSRESA2情景，分別對(duì)我國(guó)亞熱帶地區(qū)柑桔（Citrus）氣候適宜性及氣候風(fēng)險(xiǎn)度變化進(jìn)行分析[11]。申雙和等結(jié)合RegCM3區(qū)域氣候模式，對(duì)1951—2100年黃淮海冬麥區(qū)小麥各主要生育期降水量及適宜度變化進(jìn)行時(shí)空分析[12]。而關(guān)于氣候變化對(duì)內(nèi)蒙古大豆（Glycine max）氣候適宜性的變化及未來氣候情景預(yù)估方面的研究鮮見報(bào)道。

在全球氣候變化背景下，內(nèi)蒙古地區(qū)光、溫、水等氣象要素均發(fā)生了明顯改變[13]，而內(nèi)蒙古大豆主要分布在東北部地區(qū)，該區(qū)域地形復(fù)雜，氣候差異大，農(nóng)田水利設(shè)施不完善，農(nóng)業(yè)以靠天吃飯為主，是典型的氣候變化敏感區(qū)和脆弱區(qū)[14]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020年）》內(nèi)容，在內(nèi)蒙古東北部培育大豆優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，保障國(guó)家糧食安全和大豆的有效供給。因此，探討內(nèi)蒙古大豆氣候適宜性不僅有助于加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)大豆的監(jiān)測(cè)，同時(shí)探索未來氣候情景下的大豆氣候變化趨勢(shì)可為種植業(yè)適應(yīng)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，也可為全國(guó)大豆氣候變化影響評(píng)估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

內(nèi)蒙古大豆主要分布在東北部，包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市，累計(jì)種植面積占內(nèi)蒙古大豆總面積的97%[15];選取內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)近5年播種面積大于 500 hm2、總產(chǎn)量大于500 t的14個(gè)站點(diǎn)作為代表站，且研究區(qū)域熱量條件由東北向西南遞增、降水量由東北向西南遞減，因此根據(jù)氣候條件及地理位置將14個(gè)旗縣劃分為以下3個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究（圖1）：東部偏北（阿榮旗、鄂倫春、扎賚特、扎蘭屯、索倫、莫力達(dá)瓦）、赤峰（巴林左旗、敖漢旗、翁牛特）、通遼（科右中旗、科左中旗、開魯、科左后旗、扎魯特）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1981—2016年的大豆生長(zhǎng)季（5—9月）氣象數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古地區(qū)14個(gè)自動(dòng)氣象站觀測(cè)的平均氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、降水量（mm）、日照時(shí)數(shù)（h）等逐日數(shù)據(jù)。各站點(diǎn)大豆產(chǎn)量和種植面積資料來源于統(tǒng)計(jì)部門;大豆生育期采用農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站及農(nóng)牧廳大豆品種試驗(yàn)的發(fā)育期數(shù)據(jù)，并將發(fā)育期劃分為播種期-出苗期、出苗期-分枝期、分枝期-開花期、開花期-鼓粒期、鼓粒期-成熟期5個(gè)時(shí)期（表1）。大豆各發(fā)育階段的三基點(diǎn)溫度（表2）、需水量（表3）及最適日照時(shí)數(shù)（表4）等氣象指標(biāo)數(shù)據(jù)（表2至表4）參考前人研究成果及“2016年內(nèi)蒙古氣象局重點(diǎn)攻關(guān)業(yè)務(wù)建設(shè)項(xiàng)目：大豆農(nóng)業(yè)氣候資源分析與區(qū)劃”的研究成果。未來氣候模式選取RegCM4.0區(qū)域氣候模式，單項(xiàng)嵌套BCC_CSM1.1（全球模式，北京氣候中心氣候系統(tǒng)模式1.1）全球氣候耦合模式的輸出結(jié)果，包括低排放RCP4.5和高排放RCP8.5 2種情景。利用Origin 9.1、Excel 2013對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析并完成圖表的繪制，采用ArcGIS 10.2制作研究區(qū)域圖。

1.3 研究方法

1.3.1 產(chǎn)量分離 本研究采用5年直線滑動(dòng)平均模擬和建立回歸模型的方法提取氣象產(chǎn)量[16]。

1.3.2 氣候傾向率 本研究利用氣候傾向率分析氣候適宜度的變化趨勢(shì)。用Xi表示樣本量為n的某氣象變量，用t表示Xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立Xi與t之間的一元線性回歸方程[17]：Xi=ati+b。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候適宜度與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系

將大豆主產(chǎn)旗縣（14個(gè)代表站）1981—2013年間的全生育期氣候適宜度指數(shù)與對(duì)應(yīng)年份氣象產(chǎn)量作相關(guān)分析（圖2），發(fā)現(xiàn)全生育期氣候適宜度指數(shù)和大豆產(chǎn)量數(shù)據(jù)的年際變化有很好的一致性（東部偏北地區(qū)以索倫為例，赤峰以巴林左旗為例，通遼以科左中旗為例詳見圖2），均為正相關(guān)關(guān)系，

且通過顯著性檢驗(yàn)水平，表明氣候適宜指數(shù)能夠客觀反映內(nèi)蒙古大豆生長(zhǎng)季內(nèi)氣象要素的適宜程度及產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化，可以表征氣候條件對(duì)大豆生產(chǎn)的影響。

2.2 近35年氣候適宜度變化特征

2.2.1 日照適宜度的變化 由圖3-A可知，近35年，內(nèi)蒙古大豆生育期內(nèi)日照適宜度東部偏北及赤峰地區(qū)呈上升趨勢(shì)（氣候傾向率分別為0.016/10年、0.015/10年），通遼地區(qū)呈下降趨勢(shì)，線性趨勢(shì)為-0.022/10年，其中赤峰、通遼的日照適宜度年際變化通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

2.2.2 溫度適宜度的變化 在全球變暖的背景下，內(nèi)蒙古的熱量資源存在著較為顯著的氣候變化特征。由圖3-B可知，大豆生育期內(nèi)的溫度適宜度在東部偏北、赤峰及通遼年代際變化趨勢(shì)較為一致，均呈顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率分別為0.044/10年、0.026/10年、0.024/10年，通過了極顯著檢驗(yàn)。

2.2.3 降水適宜度的變化 由圖3-C可知，1981—2016年，內(nèi)蒙古大豆降水適宜度呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，其中東部偏北、赤峰地區(qū)下降率為-0.032/10年、-0.043/10年，分別通過0.05、0.01顯著檢驗(yàn);通遼地區(qū)呈微弱的下降趨勢(shì)（-0.011/10年）。

2.2.4 綜合氣候適宜度的變化 由圖3-D可知，綜合光溫水3個(gè)要素，1981—2016年內(nèi)蒙古大豆綜合氣候適宜度的年際變化特點(diǎn)為東部偏北及通遼市較為平緩（線性傾向率為 -0.007/10年、-0.005/10年），赤峰市呈下降趨勢(shì)，下降率為-0.021/10年。

總體而言，1981—2016年內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆生育期內(nèi)的氣候適宜性影響為弱的負(fù)效應(yīng)，對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育不利。

2.3 未來2種情景下氣候適宜度的可能變化

2.3.1 日照適宜度的可能變化 從圖4及表6可以看出，在 RCP 4.5 低排放情景下，2021—2050年大豆日照適宜度為持平略增的趨勢(shì)，氣候傾向率為東部偏北0.002/10年、赤峰 0.008/10年、通遼0.015/10年，說明未來30年大豆生育期內(nèi)的日照適宜度沒有明顯的變化趨勢(shì)，僅略微有所上升;其中2021—2030年3個(gè)區(qū)域均為下降趨勢(shì)，2031—2040轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，最后10年僅東部偏北呈下降趨勢(shì)，其他區(qū)域均為上升趨勢(shì)。在RCP8.5高排放情景下，除東部偏北日照適宜度線性傾向率為正值以外，其他均為負(fù)值，但變化均較為平緩;年際變化上看，東部偏北和赤峰地區(qū)3個(gè)10年的日照適宜度均呈微弱的下降趨勢(shì)，而通遼地區(qū)為微弱的上升趨勢(shì)（表6）。未來2種氣候情景下的日照適宜度變化均較為平緩，因此對(duì)大豆生產(chǎn)的影響較小。

2.3.2 溫度適宜度的可能變化 從圖5可以看出，在RCP 4.5低排放情景下，2021—2050年溫度適宜度的線性傾向率均為正值，這說明未來30年內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆的溫度適宜度呈現(xiàn)出一致上升的氣候特征，3個(gè)區(qū)域線性趨勢(shì)均通過顯著檢驗(yàn)

水平;其中，在2021—2050年的3個(gè)10年年際變化中，東部偏北呈不同程度的下降趨勢(shì)，而赤峰則呈不同程度的上升趨勢(shì)，通遼為先下降再上升最后再下降的趨勢(shì)。在RCP8.5高排放情景下，未來30年3個(gè)區(qū)域溫度適宜度的線性傾向率同樣均為正值;從年際變化上來看，東部偏北地區(qū)均呈弱的下降趨勢(shì)，赤峰和通遼在2021—2030年為下降趨勢(shì)，2031—2040年轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，2041—2050年轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)（表7）。熱量條件適當(dāng)增多有利于大豆生長(zhǎng)，由于未來2種氣候情景下的溫度適宜度均呈上升趨勢(shì)，因此對(duì)大豆生產(chǎn)起到積極作用的可能性較大。

2.3.3 降水適宜度的可能變化 從圖6可知，在RCP4.5低排放情景下，2021—2050年降水適宜度赤峰地區(qū)為弱的下降趨勢(shì)（-0.002/10年），其余區(qū)域?yàn)樯仙厔?shì)（東部偏北 0.003/10年，通遼0.012/10年），升降趨勢(shì)均較為平緩;從年際波動(dòng)上來看，3個(gè)區(qū)域的降水適宜度變化趨勢(shì)均不相同，東部偏北為先降后升趨勢(shì)，通遼則為先升后降趨勢(shì)，赤峰為升-降-升趨勢(shì)。RCP8.5高排放情景下，降水適宜度的變化趨勢(shì)東部偏北地區(qū)為負(fù)值（-0.009/10年），其余2個(gè)區(qū)域?yàn)檎担ǔ喾鍨?0.008/10年，通遼為0.023/10年）;其年際波動(dòng)特點(diǎn)也不相同，2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年東部偏北地區(qū)均為上升趨勢(shì)，通遼均為下降趨勢(shì)，赤峰為前10年上升趨勢(shì)，后面2個(gè)10年均轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)。未來2種氣候情景下，2021—2050年降水適宜度的線性傾向率以正值為主，說明大部分區(qū)域、大部分年份水分條件適宜，因此對(duì)內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆生產(chǎn)的作用總體利多于弊（表8）。

3 結(jié)論與討論

1981—2016年，內(nèi)蒙古主產(chǎn)區(qū)大豆氣候適宜度不同區(qū)域的變化趨勢(shì)各不相同，其中日照適宜度東部偏北、赤峰呈弱的增加，通遼為減少趨勢(shì);降水適宜度呈不同程度的下降趨勢(shì)，氣溫適宜度均明顯上升。綜合光溫水三要素的影響，氣候適宜度赤峰小幅降低，東部偏北及通遼微弱降低，總體的氣候適宜性影響為弱的負(fù)效應(yīng)，對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育不利。

未來2種氣候情景下，日照適宜度變化均較為平緩，其中RCP8.5情景下東部偏北和赤峰地區(qū)為微弱的下降趨勢(shì)，可適當(dāng)采取合理密植、加強(qiáng)田間管理從而提高光能利用率。

未來2種氣候情景下，溫度適宜度均呈上升趨勢(shì)，可能使冷害發(fā)生頻率下降、大豆播種期提前、生育期延長(zhǎng)等，對(duì)大豆生產(chǎn)均為有利形勢(shì)，可種植生育期更長(zhǎng)的晚熟品種以提高大豆產(chǎn)量。

未來2種氣候情景下，降水適宜度的氣候傾向率以正值為主，但RCP4.5情景下的赤峰和RCP8.5情景下的東部偏北地區(qū)為負(fù)值，上述地區(qū)溫度適宜度均呈上升趨勢(shì)，加上降水適宜度減少，出現(xiàn)暖干化趨勢(shì)，易導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生，對(duì)大豆生產(chǎn)和發(fā)展構(gòu)成威脅;以上區(qū)域可采取培育抗旱品種、加強(qiáng)田間水分條件的精準(zhǔn)管理，提高大豆降水適宜性。

2021—2050年未來情景下內(nèi)蒙古大豆主產(chǎn)區(qū)綜合氣候適宜度大部分隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，可以考慮根據(jù)實(shí)際情況小幅擴(kuò)大種植規(guī)模;東部偏北綜合氣候適宜度呈下降趨勢(shì)，但幅度較小，基本能滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育需求，可以考慮保持現(xiàn)有種植規(guī)?；蛐》鶞p小種植規(guī)模。

參考文獻(xiàn)：

[1]Peiris D R，Crawford J W，Grashoff C，et al. A simulation study of crop growth and development under climate change[J]. Agricultural and Forest Meteorology，1996，79（4）：271-287.

[2]鄧振鏞，張 強(qiáng)，蒲金涌，等. 氣候變暖對(duì)中國(guó)西北地區(qū)農(nóng)作物種植的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（8）：3760-3768.

[3]張 強(qiáng)，鄧振鏞，趙映東，等. 全球氣候變化對(duì)我國(guó)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：1210-1218.

[4]柳 芳，薛慶禹，黎貞發(fā). 天津棉花氣候適宜度變化特征及其產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2014，35（1）：48-54.

[5]黃淑娥，田 俊，吳慧峻. 江西省雙季水稻生長(zhǎng)季氣候適宜度評(píng)價(jià)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（4）：527-533.

[6]侯英雨，張艷紅，王良宇，等. 東北地區(qū)春玉米氣候適宜度模型[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24（11）：3207-3212.

[7]任玉玉，千懷遂. 河南省棉花氣候適宜度變化趨勢(shì)分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（1）：87-93.

[8]姚小英，蒲金涌，姚茹莘，等. 氣候暖干化背景下甘肅旱作區(qū)玉米氣候適宜性變化[J]. 地理學(xué)報(bào)，2011，66（1）：59-67.

[9]王連喜，顧嘉熠，李 琪，等. 江蘇省冬小麥適宜度時(shí)空變化研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（1）：67-75.

[10]胡雪瓊，徐夢(mèng)瑩，何雨芩，等. 未來氣候變化對(duì)云南烤煙種植氣候適宜性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，27（4）：1241-1247.

[11]杜堯東，段海來，唐力生. 全球氣候變化下中國(guó)亞熱帶地區(qū)柑桔氣候適宜性[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（5）：833-839.

[12]申雙和，褚榮浩，呂厚荃，等. 氣候變化情景下黃淮海冬麥區(qū)降水量及其適宜度變化分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2015，36（4）：454-464.

[13]秦大河. 進(jìn)入21世紀(jì)的氣候變化科學(xué)——?dú)夂蜃兓氖聦?shí)、影響與對(duì)策[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2004，22（7）：4-7.

[14]侯 瓊，李 楊，包松林. 內(nèi)蒙古東部區(qū)糧食產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2011（增刊1）：113-117.

[15]胡興國(guó)，宋雯雯，魏云山，等. 內(nèi)蒙古自治區(qū)大豆品種生育期分組及種植區(qū)劃[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（2）：260-271.

[16]王馥棠，李郁竹，王石立. 農(nóng)業(yè)產(chǎn)量氣象模擬與模型引論[M]. 北京：科學(xué)出版社，1990.

[17]張彩霞，肖金香，葉 清，等. 1951—2010年南方晚稻氣候適宜度時(shí)空變化特征分析[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（4）：792-804.

[18]馬樹慶. 氣候變化對(duì)東北糧食產(chǎn)量的模擬研究[J]. 資源科學(xué)，1994，16（1）：34-40.

[19]趙 峰，千懷遂，焦士興. 農(nóng)作物氣候適宜度模型研究——以河南省冬小麥為例[J]. 資源科學(xué)，2003，25（6）：77-82.

[20]魏瑞江，宋迎波，王 鑫. 基于氣候適宜度的玉米產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009，2（5）：622-627.

[21]賀瑞敏，劉九夫，王國(guó)慶，等. 氣候變化影響評(píng)價(jià)中的不確定性問題[J]. 中國(guó)水利，2008（2）：62-64，76.史一然，徐偉慧，呂智航，等. 解淀粉芽孢桿菌LZN01對(duì)西瓜專化型尖孢鐮刀菌的抑制效應(yīng)[J].