内蒙古大豆气候适宜性变化及未来情景预估

2019-08-21金林雪武荣盛吴瑞芬

江苏农业科学 2019年12期

金林雪武荣盛吴瑞芬

摘要：用内蒙古大豆主产区14个气象站1981—2016年气象观测资料与RegCM4.0区域气候模式，在低排放RCP4.5和高排放RCP8.5 2种情景下，基于气候适宜度指数的构建，分析和预估内蒙古大豆主产区光、温、水及综合气候适宜度的变化特征。结果表明，近35年，内蒙古主产区大豆日照适宜度东部偏北及赤峰呈微弱的下降趋势、通辽为上升趋势，降水适宜度呈不同程度的下降趋势，气温适宜度均呈显著上升趋势，综合气候适宜度赤峰小幅降低、东部偏北及通辽变化相对较为平缓;总体而言，1981—2016年内蒙古主产区大豆气候适宜性影响为弱的负效应。在未来2种气候情景下，2021—2050年，日照适宜度变化总体平稳，温度适宜度基本呈上升趋势，降水适宜度线性倾向率以正值为主，综合适宜度呈略微增加的趋势，未来气候对大豆生产为弱的正效应影响可能性大，并根据模拟的2种未来气候情景，提出对内蒙古主产区大豆生产的相应适应对策。

关键词：气候适宜度;变化特征;情景预估;大豆;内蒙古

中图分类号： S162.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）12-0134-07

目前，气候变化已引起全球的普遍关注[1-3]，气候适宜度近年来成为研究气候变化对作物生长发育影响的主要方法之一，为农业气候资源的定量分析和分类评价开辟了一个新的途径。该方法可综合考虑光、温、水3个要素对作物生长发育的影响，能客观反映气候条件对作物生长发育的满足程度[4-6]。国内外开展作物气候适宜度变化方面的研究已有多年的历史，研究成果也日趋丰富：任玉玉等得出河南省棉花（Gossypium spp.）气候适宜度呈下降的趋势，且适宜度的变化有明显的地域差异[7]。姚小英等研究发现，1971—2008年玉米（Zea mays）全生育期温度、光照适宜度呈上升趋势，降水适宜度呈下降趋势[8]。王连喜等研究得出，1971—2010年江苏省小麦（Triticum aestivum L.）的温度适宜度、降水适宜度和气候适宜度都呈弱增加趋势[9]，而日照适宜度呈微弱减少的趋势。在未来气候适宜度变化方面我国研究起步较晚，但也有相关学者已初步取得了一定成果，胡雪琼等分析了1986—2005年及RCP4.5和RCP8.5气候情景下2021—2060年云南省烤烟（Nicotiana tabacum）种植气候适宜性分布的变化[10]。杜尧东等结合IPCCSRESA2情景，分別对我国亚热带地区柑桔（Citrus）气候适宜性及气候风险度变化进行分析[11]。申双和等结合RegCM3区域气候模式，对1951—2100年黄淮海冬麦区小麦各主要生育期降水量及适宜度变化进行时空分析[12]。而关于气候变化对内蒙古大豆（Glycine max）气候适宜性的变化及未来气候情景预估方面的研究鲜见报道。

在全球气候变化背景下，内蒙古地区光、温、水等气象要素均发生了明显改变[13]，而内蒙古大豆主要分布在东北部地区，该区域地形复杂，气候差异大，农田水利设施不完善，农业以靠天吃饭为主，是典型的气候变化敏感区和脆弱区[14]。根据农业部《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》内容，在内蒙古东北部培育大豆优势产区，保障国家粮食安全和大豆的有效供给。因此，探讨内蒙古大豆气候适宜性不仅有助于加强优势产区大豆的监测，同时探索未来气候情景下的大豆气候变化趋势可为种植业适应气候变化提供科学依据，对当地的农业生产具有重要的指导意义，也可为全国大豆气候变化影响评估提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

内蒙古大豆主要分布在东北部，包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市，累计种植面积占内蒙古大豆总面积的97%[15];选取内蒙古大豆主产区近5年播种面积大于 500 hm2、总产量大于500 t的14个站点作为代表站，且研究区域热量条件由东北向西南递增、降水量由东北向西南递减，因此根据气候条件及地理位置将14个旗县划分为以下3个区域进行研究（图1）：东部偏北（阿荣旗、鄂伦春、扎赉特、扎兰屯、索伦、莫力达瓦）、赤峰（巴林左旗、敖汉旗、翁牛特）、通辽（科右中旗、科左中旗、开鲁、科左后旗、扎鲁特）。

1.2 数据处理

1981—2016年的大豆生长季（5—9月）气象数据来源于内蒙古地区14个自动气象站观测的平均气温（℃）、最高气温（℃）、最低气温（℃）、降水量（mm）、日照时数（h）等逐日数据。各站点大豆产量和种植面积资料来源于统计部门;大豆生育期采用农业气象观测站及农牧厅大豆品种试验的发育期数据，并将发育期划分为播种期-出苗期、出苗期-分枝期、分枝期-开花期、开花期-鼓粒期、鼓粒期-成熟期5个时期（表1）。大豆各发育阶段的三基点温度（表2）、需水量（表3）及最适日照时数（表4）等气象指标数据（表2至表4）参考前人研究成果及“2016年内蒙古气象局重点攻关业务建设项目：大豆农业气候资源分析与区划”的研究成果。未来气候模式选取RegCM4.0区域气候模式，单项嵌套BCC_CSM1.1（全球模式，北京气候中心气候系统模式1.1）全球气候耦合模式的输出结果，包括低排放RCP4.5和高排放RCP8.5 2种情景。利用Origin 9.1、Excel 2013对气象数据进行运算分析并完成图表的绘制，采用ArcGIS 10.2制作研究区域图。

1.3 研究方法

1.3.1 产量分离本研究采用5年直线滑动平均模拟和建立回归模型的方法提取气象产量[16]。

1.3.2 气候倾向率本研究利用气候倾向率分析气候适宜度的变化趋势。用Xi表示样本量为n的某气象变量，用t表示Xi所对应的时间，建立Xi与t之间的一元线性回归方程[17]：Xi=ati+b。

2 结果与分析

2.1 气候适宜度与产量相关关系

将大豆主产旗县（14个代表站）1981—2013年间的全生育期气候适宜度指数与对应年份气象产量作相关分析（图2），发现全生育期气候适宜度指数和大豆产量数据的年际变化有很好的一致性（东部偏北地区以索伦为例，赤峰以巴林左旗为例，通辽以科左中旗为例详见图2），均为正相关关系，

且通过显著性检验水平，表明气候适宜指数能够客观反映内蒙古大豆生长季内气象要素的适宜程度及产量的动态变化，可以表征气候条件对大豆生产的影响。

2.2 近35年气候适宜度变化特征

2.2.1 日照适宜度的变化由图3-A可知，近35年，内蒙古大豆生育期内日照适宜度东部偏北及赤峰地区呈上升趋势（气候倾向率分别为0.016/10年、0.015/10年），通辽地区呈下降趋势，线性趋势为-0.022/10年，其中赤峰、通辽的日照适宜度年际变化通过了0.05的显著性检验。

2.2.2 温度适宜度的变化在全球变暖的背景下，内蒙古的热量资源存在着较为显著的气候变化特征。由图3-B可知，大豆生育期内的温度适宜度在东部偏北、赤峰及通辽年代际变化趋势较为一致，均呈显著上升趋势，气候倾向率分别为0.044/10年、0.026/10年、0.024/10年，通过了极显著检验。

2.2.3 降水适宜度的变化由图3-C可知，1981—2016年，内蒙古大豆降水适宜度呈现不同程度的下降趋势，其中东部偏北、赤峰地区下降率为-0.032/10年、-0.043/10年，分别通过0.05、0.01显著检验;通辽地区呈微弱的下降趋势（-0.011/10年）。

2.2.4 综合气候适宜度的变化由图3-D可知，综合光温水3个要素，1981—2016年内蒙古大豆综合气候适宜度的年际变化特点为东部偏北及通辽市较为平缓（线性倾向率为 -0.007/10年、-0.005/10年），赤峰市呈下降趋势，下降率为-0.021/10年。

总体而言，1981—2016年内蒙古主产区大豆生育期内的气候适宜性影响为弱的负效应，对大豆生长发育不利。

2.3 未来2种情景下气候适宜度的可能变化

2.3.1 日照适宜度的可能变化从图4及表6可以看出，在 RCP 4.5 低排放情景下，2021—2050年大豆日照适宜度为持平略增的趋势，气候倾向率为东部偏北0.002/10年、赤峰 0.008/10年、通辽0.015/10年，說明未来30年大豆生育期内的日照适宜度没有明显的变化趋势，仅略微有所上升;其中2021—2030年3个区域均为下降趋势，2031—2040转为上升趋势，最后10年仅东部偏北呈下降趋势，其他区域均为上升趋势。在RCP8.5高排放情景下，除东部偏北日照适宜度线性倾向率为正值以外，其他均为负值，但变化均较为平缓;年际变化上看，东部偏北和赤峰地区3个10年的日照适宜度均呈微弱的下降趋势，而通辽地区为微弱的上升趋势（表6）。未来2种气候情景下的日照适宜度变化均较为平缓，因此对大豆生产的影响较小。

2.3.2 温度适宜度的可能变化从图5可以看出，在RCP 4.5低排放情景下，2021—2050年温度适宜度的线性倾向率均为正值，这说明未来30年内蒙古主产区大豆的温度适宜度呈现出一致上升的气候特征，3个区域线性趋势均通过显著检验

水平;其中，在2021—2050年的3个10年年际变化中，东部偏北呈不同程度的下降趋势，而赤峰则呈不同程度的上升趋势，通辽为先下降再上升最后再下降的趋势。在RCP8.5高排放情景下，未来30年3个区域温度适宜度的线性倾向率同样均为正值;从年际变化上来看，东部偏北地区均呈弱的下降趋势，赤峰和通辽在2021—2030年为下降趋势，2031—2040年转为上升趋势，2041—2050年转为下降趋势（表7）。热量条件适当增多有利于大豆生长，由于未来2种气候情景下的温度适宜度均呈上升趋势，因此对大豆生产起到积极作用的可能性较大。

2.3.3 降水适宜度的可能变化从图6可知，在RCP4.5低排放情景下，2021—2050年降水适宜度赤峰地区为弱的下降趋势（-0.002/10年），其余区域为上升趋势（东部偏北 0.003/10年，通辽0.012/10年），升降趋势均较为平缓;从年际波动上来看，3个区域的降水适宜度变化趋势均不相同，东部偏北为先降后升趋势，通辽则为先升后降趋势，赤峰为升-降-升趋势。RCP8.5高排放情景下，降水适宜度的变化趋势东部偏北地区为负值（-0.009/10年），其余2个区域为正值（赤峰为 0.008/10年，通辽为0.023/10年）;其年际波动特点也不相同，2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年东部偏北地区均为上升趋势，通辽均为下降趋势，赤峰为前10年上升趋势，后面2个10年均转为下降趋势。未来2种气候情景下，2021—2050年降水适宜度的线性倾向率以正值为主，说明大部分区域、大部分年份水分条件适宜，因此对内蒙古主产区大豆生产的作用总体利多于弊（表8）。

3 结论与讨论

1981—2016年，内蒙古主产区大豆气候适宜度不同区域的变化趋势各不相同，其中日照适宜度东部偏北、赤峰呈弱的增加，通辽为减少趋势;降水适宜度呈不同程度的下降趋势，气温适宜度均明显上升。综合光温水三要素的影响，气候适宜度赤峰小幅降低，东部偏北及通辽微弱降低，总体的气候适宜性影响为弱的负效应，对大豆生长发育不利。

未来2种气候情景下，日照适宜度变化均较为平缓，其中RCP8.5情景下东部偏北和赤峰地区为微弱的下降趋势，可适当采取合理密植、加强田间管理从而提高光能利用率。

未来2种气候情景下，温度适宜度均呈上升趋势，可能使冷害发生频率下降、大豆播种期提前、生育期延长等，对大豆生产均为有利形势，可种植生育期更长的晚熟品种以提高大豆产量。

未来2种气候情景下，降水适宜度的气候倾向率以正值为主，但RCP4.5情景下的赤峰和RCP8.5情景下的东部偏北地区为负值，上述地区温度适宜度均呈上升趋势，加上降水适宜度减少，出现暖干化趋势，易导致农业干旱的发生，对大豆生產和发展构成威胁;以上区域可采取培育抗旱品种、加强田间水分条件的精准管理，提高大豆降水适宜性。

2021—2050年未来情景下内蒙古大豆主产区综合气候适宜度大部分随时间呈上升趋势，可以考虑根据实际情况小幅扩大种植规模;东部偏北综合气候适宜度呈下降趋势，但幅度较小，基本能满足大豆生长发育需求，可以考虑保持现有种植规模或小幅减小种植规模。

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