中國亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜性及其變化趨勢(shì)

代勁松，曹 林，王婧琦，汪貴斌

（南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037）

中國亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜性及其變化趨勢(shì)

代勁松，曹 林，王婧琦，汪貴斌

（南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037）

隨著氣候變化問題成為目前國際上關(guān)注的熱點(diǎn)之一，植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)也越來越受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。本研究以降尺度歷史（1960～2009年）和未來（2010～2099年），來源于全球環(huán)流模型MIROC3.2 medres A2情景）高分辨率年均溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)；首先，運(yùn)用溫度適宜度模型對(duì)亞熱帶地區(qū)1980～2009年、2010～2039年、2040～2069年和20 70～2099年時(shí)期油茶溫度適宜性及其時(shí)空差異進(jìn)行了計(jì)算，并將其劃分為最適宜型、適宜型、次適宜型和不適宜型。適合油茶生長(zhǎng)區(qū)域有著較為明顯的向北偏移趨勢(shì)，適宜型區(qū)域到2010～2039年時(shí)期已經(jīng)到達(dá)亞熱帶的東北部邊界，最適宜型區(qū)域到2040～2069年時(shí)期也到達(dá)了亞熱帶北部邊界，與1980～2009年時(shí)期相比，未來三個(gè)時(shí)期的最適宜型和不適宜型面積均有所增加，而適宜型和次適宜型面積有所減??；其次，分析亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度時(shí)間變化，油茶溫度適宜度隨時(shí)間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；最后，分析油茶溫度適宜度傾向率和變率的空間分布，亞熱帶東南部油茶溫度適宜度下降最為明顯，而東北部地區(qū)有著較高的增加趨勢(shì)。

油茶；溫度適宜性；氣候變化；全球環(huán)流模型；降尺度

全球氣候變化問題已經(jīng)成為當(dāng)前國際上關(guān)注的重大科學(xué)問題之一，其中溫度的不斷升高最為明顯，在2007年IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）公布的第四次評(píng)估報(bào)告（AR4）指出，近100年全球平均地表溫度升高了0.74 ℃，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末溫度還將升高1.1～6.4 ℃[1]。由全球氣候變化引起的一系列生態(tài)問題日益突出，尤其是對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響，相關(guān)研究表明隨著氣候變化植物生態(tài)系統(tǒng)和物種分布區(qū)邊界都將發(fā)生明顯的變動(dòng)[2-8]。因此以氣候變化為前提，研究不同樹種未來氣候適宜性變化規(guī)律，以便相關(guān)部門造林時(shí)進(jìn)行合理的種子資源調(diào)配，最大程度地做到適地適樹，充分發(fā)揮森林的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。

油茶Camellia oleifera Abel為山茶科山茶屬常綠小喬木，是我國特有的木本油料樹種[9]。在我國南方15省的550個(gè)縣中都有不同面積的分布，總的栽培面積達(dá)到400萬hm2，其中栽培面積在6 670 hm2以上的縣達(dá)到153個(gè)[10-14]。茶油是優(yōu)質(zhì)高級(jí)食用油，其成分以油酸和亞油酸為主的不飽和脂肪酸占90%以上，人體易于消化吸收。長(zhǎng)期以來前人在氣候因子對(duì)油茶生長(zhǎng)發(fā)育的影響、油茶生長(zhǎng)立地條件劃分及油茶氣候區(qū)劃分等方面開展了大量研究工作[11,15-19]。但這些都是建立在某一氣候條件下的靜態(tài)研究，沒有考慮氣候變化所帶來的潛在影響。

本研究以歷史（1960～2009年）和未來（2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年三個(gè)時(shí)期）的年均溫降尺度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先，根據(jù)油茶的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，建立油茶溫度適宜度模型，并預(yù)測(cè)未來溫度變化條件下其適宜度的空間分布；其次，根據(jù)溫度適宜度模型計(jì)算油茶溫度適宜度的年變化趨勢(shì)；最后，根據(jù)每個(gè)像元點(diǎn)的溫度適宜度時(shí)間序列計(jì)算其傾向率和變率的空間分布。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)處理

本研究歷史時(shí)期（1960～2009年）溫度數(shù)據(jù)來自于英國東英吉利大學(xué)氣候研究中心分發(fā)的CRU TS 3.1（Climate Research Unit Time Series，Version 3.1），空間分辨率為0.5°×0.5°。未來溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來自于IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）AR4，全球環(huán)流模型（GCM，global circulation model）為日本國際環(huán)境研究院（National Institute for Environmental Studies，NIES）的MIROC3.2 medres模型，模擬情景A2，該情景中未來世界發(fā)展很不均衡，表現(xiàn)為自給自足、保持區(qū)域特色、強(qiáng)調(diào)家庭價(jià)值和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的特征；不同地區(qū)間生產(chǎn)力方式的趨同非常緩慢，導(dǎo)致人口持續(xù)增加。時(shí)間階段分為2010～2039年、2040～2069年及2070～2099年時(shí)期，詳細(xì)信息參見http://www.ipcc-data.org/。由于原始溫度數(shù)據(jù)空間分辨率較低，本研究借助降尺度方法對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行自由尺度轉(zhuǎn)換[20]，主要方法為：首先以1961～1990年累年平均溫度數(shù)據(jù)為基線，按月構(gòu)建溫度變量與地理位置變量之間的36個(gè)回歸方程；并對(duì)方程求海拔變量的一階偏導(dǎo)，生成溫度海拔-調(diào)整方程；其次，結(jié)合海拔-調(diào)整方程和雙線性距離加權(quán)插值，構(gòu)建自由尺度基線氣候表面；然后，將歷史和未來時(shí)期氣候數(shù)據(jù)與原始基線氣候數(shù)據(jù)相減，生成距平氣候表面；最后，任意位置的氣候變量值的計(jì)算，（1）在自由尺度基線氣候表面上獲得基線值，（2）再結(jié)合雙線性距離加權(quán)插值在相應(yīng)時(shí)期的距平氣候表面上獲得距平值，（3）將基線值與距平值相加獲得任意位置的氣候變量估計(jì)值。通過降尺度，生成了亞熱帶1960～2009每年以及2010～2039、2040～2069、2070～2099累年平均，空間分辨率0.05°×0.05°的年均溫柵格表面。

1.2 溫度適宜度模型構(gòu)建

為了定量分析熱量對(duì)油茶生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度，引入植物生長(zhǎng)對(duì)溫度條件的響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)段海來、劉清春、寧平、張靜芬等的研究[1,21-23]，結(jié)合油茶的實(shí)際情況，溫度適宜度函數(shù)為公式1和公式2，并根據(jù)溫度適宜度值，將其劃分為最適宜型、適宜型、次適宜型和不適宜型。

式（1）與式（2）中，T為某一時(shí)期（某月或某生育期）的平均溫，T1、T2、T0分別為油茶在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度，綜合各方面研究資料[15-18]，本研究選擇年均溫作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)置年均溫下限為13 ℃，最適宜溫度為19 ℃，上限溫度為23 ℃；S(T)是由實(shí)際溫度與T0、T1、T2決定的溫度適宜度，根據(jù)油茶生長(zhǎng)發(fā)育和溫度的關(guān)系，當(dāng)T≤T1或T≥T2時(shí)，S(T)=0，當(dāng)T=T0時(shí)，S(T)=1，S(T)是一個(gè)在0～1之間變化的不對(duì)稱拋物線函數(shù)（圖1），它反映了溫度條件從不適宜到適宜以及從適宜到不適宜的連續(xù)變化過程，該函數(shù)反映了一個(gè)普遍規(guī)律，即適宜度隨溫度的升高而增長(zhǎng)，到達(dá)某一適宜值后，適宜度隨溫度升高迅速下降。

圖1 油茶年均溫反應(yīng)過程Fig.1 Reaction process of mean annual temperature of C. oleifera

1.3 溫度適宜度傾向率和變率

油茶溫度適宜度決定了某一地區(qū)是否適合油茶種植，隨著氣候的變化，溫度的改變，不同地區(qū)的油茶溫度適宜性也隨之發(fā)生變化。本研究用線性回歸方程：y=ax+b來擬合每個(gè)像元點(diǎn)的溫度適宜度時(shí)間序列（x=1，2，3，…，53；分別代表1960～2009每年以及2010～2039、2040～2069、2070～2099年時(shí)期），a為溫度適宜度傾向率，可定量反映溫度適宜度隨年份變化的趨勢(shì)，其符號(hào)的正負(fù)可反映適宜度的升降，數(shù)值的大小反映了變化的劇烈程度[23]。為了反映各像元點(diǎn)溫度適宜度變率的大小，本研究計(jì)算其時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差，它是溫度適宜度穩(wěn)定性的量度指標(biāo)之一。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度分類

亞熱帶地處熱量過渡帶上，氣候呈現(xiàn)明顯的南北過渡性，溫度適宜度也有明顯的南北差異。根據(jù)1980～2009年時(shí)期30 a平均年均溫分布，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果[9]和適宜度模型對(duì)油茶溫度適宜性進(jìn)行分析，生成油茶溫度適宜度分布圖（圖2a），并根據(jù)適宜度的大小將其分為4個(gè)類型。

（1）最適宜型。適宜度為0.9～1.0，主要包括江西省和福建省大部分區(qū)域，廣西壯族自治區(qū)和廣東省的北部地區(qū)，四川盆地中南部，云南省南部，湖南省東部，湖北省、安徽省和浙江省的小部分地區(qū)。最適宜區(qū)域大部分位于中亞熱帶，熱量條件比較豐富，年均溫度在17.5 ℃到20.5 ℃之間，滿足了油茶對(duì)熱量條件的需求，溫度適宜度最高。

（2）適宜型。適宜度為0.7～0.9，主要包括了四川盆地北部，上海市，浙江省大部分地區(qū)，安徽省南部，河南省南部小部分地區(qū)，湖北省東部，貴州省、湖南省、江西省、福建省、云南省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)的局部地區(qū)。該區(qū)域年均溫均在16 ℃以上，熱量條件僅次于最適宜型。

圖2 我國亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度分布Fig. 2 Distribution of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

（3）次適宜型。適宜度為0.4～0.7，主要包括了廣東省和廣西壯族自治區(qū)南部，貴州省東北部，江蘇省南部，云南省、重慶市、湖北省、河南省、安徽省的小部分地區(qū)。該區(qū)域年均溫在15 ℃和22℃左右，不能充分滿足油茶對(duì)溫度條件的要求，為次適宜型

（4）不適宜型。適宜度為0～0.4，主要包括四川盆地周圍，云南省北部，了廣東省和廣西壯族自治區(qū)南部小部分地區(qū)。該地區(qū)年均溫度高于23 ℃或低于13 ℃，溫度過高，油茶呼吸加強(qiáng)，消耗有機(jī)物較多，并會(huì)破壞葉綠素，灼傷油茶枝、葉、花果，，對(duì)其生長(zhǎng)不利，溫度過高還會(huì)使蒸騰加劇，引起體內(nèi)缺水，造成生理干旱，引起生理失調(diào)；溫度偏低，油茶雖能正常生長(zhǎng)，但不能正常開化結(jié)果。

根據(jù)上述建立的油茶適宜度劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合未來3個(gè)時(shí)期年均溫變化情況，對(duì)2010～2039年（圖2b）、2040～2069年（圖2c）及2070～2099年（圖2d）的油茶溫度適宜度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。由圖2可知，油茶不同適宜度類型有了明顯的變化，首先，適合油茶生長(zhǎng)區(qū)域有著較為明顯的向北偏移趨勢(shì)，適宜型區(qū)域到2010～2039年時(shí)期已經(jīng)到達(dá)亞熱帶的東北部邊界，最適宜型區(qū)域到2040～2069年時(shí)期也到達(dá)了亞熱帶北部邊界；其次，不同適宜度類型面積也有了較大的變化（表1），與1980～2009年時(shí)期相比，2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年時(shí)期最適宜型面積分別增加了38.73%、75.90%和39.78%，適宜型面積分別減少了12.7%、42.47%和27.12%，次適宜型面積分別減少了45.64%、58.34%和43.63%，不適宜型面積分別增加了3.83%、1.83%和23.89%。

表1 不同時(shí)期亞熱帶油茶溫度適宜度類型面積Table 1 Areas of different types of temperature suitability in different periods hm2

2.2 亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度的變化趨勢(shì)

2.2.1 亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度的年變化

根據(jù)亞熱帶地區(qū)歷史時(shí)期（1960～2009每年）以及預(yù)測(cè)的未來三個(gè)時(shí)期（2010～2039、2040～2069和2070～2099）年均溫分布，計(jì)算了亞熱帶地區(qū)油茶平均溫度適宜度。由圖3可知，亞熱帶地區(qū)油茶的溫度適宜度隨時(shí)間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其變化范圍為0.62～0.75；歷史不同時(shí)期1960～ 1969、1970～ 1979、1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2099累年平均溫度適宜度分別為0.655、0.656、0.661、0.680、0.707和0.717。擬合的線性趨勢(shì)線為上升的直線（圖3），溫度傾向率為0.001 4，表明在溫度不斷升高的背景下，油茶的溫度適宜性提高，其所需的溫度條件有所轉(zhuǎn)好。

圖3 我國亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度年變化Fig.3 Temporal changes of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

2.2.2 亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度傾向率和變率

從溫度適宜度傾向率（圖4a）可以看出，廣東省和廣西壯族自治區(qū)，云南省、湖南省、江西省和福建省的部分區(qū)域，四川盆地東南部，溫度適宜性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（傾向率小于0）；其它地區(qū)溫度適宜性均表現(xiàn)為不同程度的升高，其中亞熱帶東北部和云南省東部小部分地區(qū)呈現(xiàn)出較為明顯的上升，而貴州省、湖北省和浙江省的大部分地區(qū)上升趨勢(shì)不明顯。從溫度適宜度變率（圖4b）可以看出，廣東省和廣西壯族自治區(qū)南部、亞熱帶西北小部分、貴州省中部小部分、云南省東部小部分地區(qū)變率最大；四川盆地、湖北省東南部、湖南省東部、江西省和福建省大部分、云南省等溫度適宜度變率較小。

3 結(jié)論與討論

圖4 我國亞熱帶地區(qū)油茶溫度適宜度傾向率（a）和變率分布（b）Fig.4 Distribution of trend rate (a) and variability (b) of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

本研究利用溫度適宜度模型對(duì)亞熱帶地區(qū)1980～2009年時(shí)期油茶的溫度適宜性及空間差異進(jìn)行了分析，與前人的研究基本一致[9]，并根據(jù)適宜度的大小將其分為最適宜型、適宜型、次適宜型和不適宜型4種類型，面積分別為93 385 894 hm2、87 865 220 hm2、59 179 709 hm2和 52 330 076 hm2。在氣候變暖的背景下，亞熱帶地區(qū)油茶平均溫度適宜度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)（趨向率0.001 4）；總的適合油茶種植區(qū)域有著較為明顯的向北偏移趨勢(shì)，適宜型區(qū)域到2010～2039年時(shí)期已經(jīng)到達(dá)亞熱帶的東北部邊界，最適宜型區(qū)域到2040～2069年時(shí)期也到達(dá)了亞熱帶北部邊界，與1980～2009年時(shí)期相比，不同溫度適宜度類型面積也有了較大的變化，2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年時(shí)期最適宜型面積和不適宜型面積均有所增加，適宜型面積和次適宜型面積均有所減少。綜合溫度適宜度傾向率和變率分析，在氣候變暖的背景下，亞熱帶東南部的廣東省和廣西壯族自治區(qū)油茶溫度適宜度下降最為明顯，而東北部地區(qū)有較高的增加趨勢(shì)。

許多物種分布模型被用來預(yù)測(cè)物種在各種環(huán)境變化情景下的生境變化趨勢(shì)，其預(yù)測(cè)精度均取決于環(huán)境條件是否為決定該物種生態(tài)位的主導(dǎo)因素。影響油茶適宜性分布的氣候因子很多，本研究只考慮了年均溫的影響，其結(jié)果也只反映年均溫的適宜性情況。相關(guān)研究報(bào)告指出降雨日數(shù)、積溫、日照時(shí)數(shù)、霜期和無霜期等在油茶的生長(zhǎng)發(fā)育都有重要的作用[17-18]，花期的溫度和降雨量也會(huì)對(duì)油茶的果實(shí)產(chǎn)量造成很大的影響，將這些氣候因子綜合起來[1,21]，結(jié)合已知的油茶分布數(shù)據(jù)，采用更加復(fù)雜的隨機(jī)森林、分類回歸樹、最大熵等物種分布模型[24-25]，進(jìn)行油茶適宜度的綜合評(píng)價(jià)，從而可以更全面的評(píng)估油茶分布區(qū)的氣候適宜性。油茶是泛指山茶屬中具有生產(chǎn)價(jià)值的油用物種，在我國有很多栽培物種，各物種都具有各自最適宜的分布范圍和最適宜的生長(zhǎng)條件，分布上也具有地帶性或不連續(xù)的間斷性，不論是自然分布和適生栽培區(qū)都具有和生物氣候因素相一致的客觀規(guī)律，在相同的生物氣候區(qū)內(nèi)可以出現(xiàn)相同物種的分布，由于地形對(duì)微氣候的影響，不同的生物氣候區(qū)內(nèi)也可能出現(xiàn)一些物種的間斷分布[9]，然而這些物種間的差異在目前的物種分布模型中并未得到很好模擬[26]。因此，以后的研究中應(yīng)當(dāng)綜合考慮氣候、土壤、地形、物種競(jìng)爭(zhēng)、物種間差異等因素，建立更加復(fù)雜且符合實(shí)際的物種分布模型，為油茶人工林應(yīng)對(duì)氣候變化提供更加科學(xué)、合理的決策支持。

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Temperature suitability of Camellia oleifera and its change trend in subtropical China

DAI Jin-song, CAO Lin, WANG Jing-qi, WANG Gui-bin
(College of Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

s: The climate change has become one of the hot topics and an issue of international concern, the vegetal response to climate change has also caused more and more concerns and discussions by the scientists. This study was conducted based on the high-resolution annual average temperature data with the historical (during 1960～2009) and the projected (during 2010～2099. Firstly, simulated by Global Circulation Model MIROC 3.2 medres emission scenario A2) high-resolution spatial mean annual temperatures, which were obtained by using downscaling algorithm. Firstly, by using temperature suitability model, the temperature suitability and spatial and temporal differences of Camellia oleifera during the periods of 1980～2009, 2010～2039, 2040～2069 and 2070～2099 in the subtropical area of China were calculated. The subtropical area for C. oleifera temperature suitability could be divided into four types, high suitability, suitability, low suitability and no suitability. The all suitable regions gradually moved from the south to north, the suitability areas would arrive the boundary of northeast subtropics in the period of 2010～2039 and the high suitability areas would arrive the boundary of north subtropics in the period of 2040～2069. While comparing with the period of 1980～2009, in the three projected periods,the areas of high suitability and no suitability were increasing, the suitability and low suitability were decreasing. Secondly, according to the analyses of the time series of temperature suitability, the mean temperature suitability of C. oleifera over the subtropics had an increasing trend. Finally, the analyses of the trend rate and variability of temperature suitability indicated that the suitability of southeast subtropics declined obviously and the suitability of northeast had higher increasing trend.

Camellia oleifera; temperature suitability; climate change; GCMs; downscaling

S794.4

A

1673-923X(2014)02-0020-06

2013-05-21

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAD21B04）

代勁松（1985-），男，重慶豐都人，博士研究生，主要從事林業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化及森林生態(tài)系統(tǒng)模型模擬方面的研究；

E-mail：Aaron-dai@163.com

曹 林（1983-），男，江蘇南京人，講師，主要從事林業(yè)遙感及森林可持續(xù)經(jīng)營方面的研究；

E-mail：ginkgocao@gmail.com

[本文編校：文鳳鳴]