RCP 情景下未來氣候變化對(duì)河南省大豆生育期和產(chǎn)量的影響分析

劉 佳，李 聰，李彤霄，劉 燕

（1.中國(guó)氣象局·河南氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.鄭州市氣象局，鄭州 450000；3.河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450000；4.安陽市氣象局，河南 安陽 455000）

近些年來，氣候變化越來越受到人們的廣泛關(guān)注，其對(duì)農(nóng)作物的影響和評(píng)估成為研究重點(diǎn)，在小麥、玉米、水稻、棉花等方面進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的成果［1-7］。但氣候變化對(duì)大豆的影響研究目前國(guó)內(nèi)相對(duì)較少，對(duì)黃淮地區(qū)的研究較為鮮見。大豆是中國(guó)主要的油料作物之一。華北、黃淮地區(qū)是中國(guó)夏大豆主產(chǎn)區(qū)，種植面積占比較大，總產(chǎn)量近些年來雖有下降，但也維持在一定的水平。其中，河南省大豆產(chǎn)量常年穩(wěn)居80 萬t 以上。因此，研究氣候變化對(duì)河南省大豆產(chǎn)量的影響有重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)氣候概況和樣點(diǎn)選擇

河南省位于中國(guó)中部偏東、黃河中下游，介于31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E，地形呈西高東低地勢(shì)，中、東部為黃淮海平原；氣候處在自南向北由亞熱帶向暖溫帶的過渡帶，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣、氣象災(zāi)害頻繁的基本特點(diǎn)。根據(jù)河南省氣候的特點(diǎn)，分別從河南省南部、中部和北部地區(qū)選取正陽縣、黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)和林州市作為代表站，分析未來氣候變化對(duì)河南省大豆產(chǎn)量的影響。

1.2 未來氣候情景的選取

采用IPCC 第五次報(bào)告中所采用的典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 新情景來模擬未來的氣候變化情景。選用意大利國(guó)際理論物理中心ICTP（Abdus salam international centre for theoretical physics）發(fā)展的區(qū)域氣候模式RegCM 4.0，生成RCP 4.5 和RCP 8.5 新情景下的2015—2099 年的情景文件，進(jìn)而提取3 個(gè)代表站點(diǎn)的多年逐日氣象數(shù)據(jù)，代入模型，分析未來21 世紀(jì)前期（2020—2040 年）、21 世紀(jì)中期（2041—2070 年）和21 世紀(jì)后期（2071—2099年）氣候變化的影響。

RCP 8.5 為CO2排放的高端路徑，其輻射強(qiáng)迫將持續(xù)上漲，2100 年達(dá)8.5 W/m2，其相當(dāng)濃度約為1 300 CO2-eq；RCP 4.5 為中間穩(wěn)定路徑，其路徑形式均沒有超過目標(biāo)水平達(dá)到穩(wěn)定，2100 年后為4. 5 W/m2，其相當(dāng)濃度約為650 CO2-eq。

1.3 品種選擇

河南省大豆品種資源豐富，但為了便于對(duì)比全省的大豆生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量情況，選取中熟品種為研究對(duì)象，進(jìn)而分析河南省氣候變化對(duì)大豆生產(chǎn)的影響。正陽縣選取的大豆品種為89B，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)選取的大豆品種主要以豫豆29 號(hào)為主，林州市選取的大豆品種為豫州6 號(hào)。

1.4 模型的選擇和調(diào)試

選取國(guó)際上得到廣泛驗(yàn)證的DSSAT v4.5 軟件中有關(guān)豆科作物的子模塊CROPGRO-Soybean 模型對(duì)河南省大豆品種進(jìn)行本地化調(diào)試。CROPGROSoybean 模型有2 個(gè)日長(zhǎng)敏感性參數(shù)［CSDL（臨界短日長(zhǎng)）、PPSEN（光周期斜率）］、5 個(gè)生育階段［（EMFL（出苗-初花期）、FL-SH（初花-初莢期）、SD-PM（鼓粒-初熟期）、FL-LF（初花-展葉結(jié)束）、LFMAX（最大葉片光合作用速率，定義為30 ℃、687.5 mg/m3CO2和高光強(qiáng)條件下最大葉片光合作用速率）］、3 個(gè)營(yíng)養(yǎng)階段特性［SLAVR（在標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)條件下，品種的比葉面積）、SIZELF（整個(gè)復(fù)葉的最大葉面積）、XFRT（每日生長(zhǎng)中分配給種子和外殼的最大比例）］及4 個(gè)生殖階段特性［WTPSD（單粒種子的最大重量）、SFDUR（標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)條件下，所有莢內(nèi)子粒灌漿持續(xù)天數(shù)）、SDPDV（標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)條件下，每莢平均粒數(shù)）、PODUR（最佳生長(zhǎng)條件下，到結(jié)莢期的持續(xù)天數(shù)）］及THRSH（脫粒率）等15 個(gè)參數(shù)。

對(duì)模型模擬的主要發(fā)育期和產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證，選擇模擬值與觀測(cè)值的均方根誤差（SE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）和相關(guān)系數(shù)（R2）作為模型的驗(yàn)證指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各區(qū)大豆遺傳參數(shù)的調(diào)試結(jié)果

選取林州市2008—2017 年，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)2006—2017 年和正陽縣2000—2008 年的氣象和觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。其中，選取林州市2008—2012年，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)2006—2012 年和正陽縣2000—2005 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)參，選取林州市2013—2017年，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)2013—2017 年和正陽縣2006—2008 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1.1 各地區(qū)大豆的生育期模擬結(jié)果 在CROPGRO-Soybean 模型參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)出苗期為模擬初始日期，以對(duì)應(yīng)代表站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)CROPGRO-Soybean 模型模擬大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程，與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m應(yīng)性。

1）各地區(qū)大豆的開花期模擬結(jié)果。從表1 可以看出，各處理模擬生育期與實(shí)測(cè)生育期間的RMSE均較小，波動(dòng)范圍也較小。R2反映了模擬生育期與實(shí)測(cè)生育期數(shù)據(jù)的擬合情況，北部和中部地區(qū)生育期模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較好，南部地區(qū)略差。NRMSE 的波動(dòng)范圍為1.9%～5.7%，說明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較小。標(biāo)準(zhǔn)差在1.000～3.215 d。從圖1 可以看出，大豆的開花期主要在播種后40～55 d，北部地區(qū)稍短，南部地區(qū)稍長(zhǎng)。各地區(qū)的散點(diǎn)大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果較好。

表1 各地區(qū)大豆的開花期調(diào)參值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

圖1 各地區(qū)大豆開花期（播種后天數(shù)）驗(yàn)證值模擬結(jié)果比較

2）各地區(qū)大豆的始粒期模擬結(jié)果。從表2 可以看出，各處理模擬生育期與實(shí)測(cè)生育期間的RMSE均較小，波動(dòng)范圍也較小。R2顯示南部和中部地區(qū)生育期模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較好，北部地區(qū)略差。NRMSE 波動(dòng)范圍在0～5.0%，說明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較小。標(biāo)準(zhǔn)差在0～4.726 d。從圖2可以看出，大豆的始粒期主要在播后78～90 d，北部地區(qū)稍短，南部地區(qū)稍長(zhǎng)。各地區(qū)的散點(diǎn)大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果表現(xiàn)為中部＞北部＞南部。

表2 各地區(qū)大豆的始粒期調(diào)參值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

圖2 各地區(qū)大豆始粒期（播種后天數(shù)）驗(yàn)證值模擬結(jié)果比較

3）各地區(qū)大豆的成熟期模擬結(jié)果。從表3 可以看出，各處理模擬生育期與實(shí)測(cè)生育期間的RMSE均較小，波動(dòng)范圍也較小。R2顯示南部和北部地區(qū)生育期模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較好，中部地區(qū)略差。NRMSE 波動(dòng)范圍為2.3%～4.7%，說明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較小。標(biāo)準(zhǔn)差在1.000～2.310 d。從圖3 可以看出，大豆的成熟期主要在播后102～125 d，中部地區(qū)稍長(zhǎng)。各地區(qū)的散點(diǎn)大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果較好。

表3 各地區(qū)大豆的成熟期調(diào)參值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

圖3 各地區(qū)大豆成熟期（播種后天數(shù)）驗(yàn)證值模擬結(jié)果比較

2.1.2 各地區(qū)大豆的產(chǎn)量模擬結(jié)果 從表4 可以看出，各處理模擬產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量之間的RMSE 相差不大。R2顯示南部地區(qū)生育期模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較好，中部地區(qū)略差，北部地區(qū)最差。NRMSE 顯示為中部＞南部＞北部，北部地區(qū)的效果最差。SD 在218～333 kg/hm2。從圖4 可以看出，大豆的產(chǎn)量各區(qū)差異很大，中部地區(qū)較高。各地區(qū)的散點(diǎn)大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果中部地區(qū)較好，南部地區(qū)和北部地區(qū)誤差較大。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)地區(qū)的生育期和最終產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值一致性較好，模型能較為準(zhǔn)確地模擬河南省各地區(qū)大豆的生長(zhǎng)過程和產(chǎn)量情況。總體上，CROPGRO-Soybean 模型具有較好的模擬精度及較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠用于河南省大豆生產(chǎn)，可為進(jìn)一步應(yīng)用模型展開資源利用分析、生產(chǎn)管理支持及氣候變化影響研究提供依據(jù)。由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)在的復(fù)雜性和作物模型自身算法偏差，CROPGRO-Soybean 模型尚不能完全反映所有的過程與關(guān)系，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果仍有一定偏差，因而，作物模型本身有待進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。

表4 各地區(qū)大豆的產(chǎn)量調(diào)參值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

圖4 各區(qū)大豆產(chǎn)量驗(yàn)證值模擬結(jié)果比較

2.2 不同情景下氣候變化對(duì)大豆生育期和產(chǎn)量的影響

2.2.1 對(duì)大豆開花期的影響 從表5 可以看出，在不改變當(dāng)前種植模式、品種和其他環(huán)境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的開花期呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)。 RCP4.5 情景下延長(zhǎng)2.4～7.2 d，RCP8.5 情景下延長(zhǎng)2.3～9.8 d，且隨著未來時(shí)間的推移，延長(zhǎng)日數(shù)逐漸增加。從全省平均來看，RCP4.5情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均延長(zhǎng)3.6、4.1、4.5 d，平均為4.1 d；RCP8.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均延長(zhǎng)3.6、4.6、5.8 d，平均為4.7 d。總體而言，未來RCP8.5 情景下比RCP4.5 情景下溫室氣體濃度增加，大豆開花期延長(zhǎng)的趨勢(shì)更加明顯，特別是在21 世紀(jì)中期以后。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的開花期都呈從南部到北部延長(zhǎng)的趨勢(shì)。RCP4.5 情景下大豆開花期延長(zhǎng)的趨勢(shì)略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區(qū)延長(zhǎng)2.4～2.7 d，中部地區(qū)延長(zhǎng)5.3～7.2 d，北部地區(qū)延長(zhǎng)3.0～3.5 d，中部地區(qū)延長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；RCP8.5 情景下南部地區(qū)延長(zhǎng)2.3～2.8 d，中部地區(qū)延長(zhǎng)5.6～9.8 d，北部地區(qū)延長(zhǎng)3.0～4.9 d，中部地區(qū)整體上延長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。總體而言，未來RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下，溫室氣體濃度的增加對(duì)大豆開花期的影響均表現(xiàn)為北部地區(qū)大于南部地區(qū)。

2.2.2 對(duì)大豆始粒期的影響 從表6 可以看出，在不改變當(dāng)前種植模式、品種和其他環(huán)境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)。 RCP4.5 情景下延長(zhǎng)1.9～11.3 d，RCP8.5 情景下延長(zhǎng)1.8～14.5 d，且隨著未來時(shí)間的推移，延長(zhǎng)日數(shù)逐漸增加。 從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均分別延長(zhǎng)6.2、7.0、7.6 d，平均為6.9 d；RCP8.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均分別延長(zhǎng)6.2、8.0、9.7 d，平均為8.0 d。總體而言，未來RCP8.5 情景下與RCP4.5 情景下相比，隨著溫室氣體濃度增加，大豆的始粒期延長(zhǎng)的趨勢(shì)更加明顯。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期都呈從南部到北部延長(zhǎng)的趨勢(shì)。RCP4.5 情景下大豆始粒期延長(zhǎng)的趨勢(shì)略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區(qū)延長(zhǎng)8.1～9.3 d，中部地區(qū)延長(zhǎng)8.7～11.3 d，北部地區(qū)延長(zhǎng)1.9～2.2 d，北部地區(qū)整體上延長(zhǎng)趨勢(shì)更明顯；RCP8.5 情景下南部地區(qū)延長(zhǎng)8.2～10.9 d，中部地區(qū)延長(zhǎng)8.6～14.5 d，北部地區(qū)延長(zhǎng)1.8～3.8 d，中部地區(qū)整體上延長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯，北部次之?？傮w而言，未來RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對(duì)大豆始粒期的影響均表現(xiàn)為中部＞南部＞北部。

表5 未來情景模式下各地區(qū)大豆開花期延長(zhǎng)情況 （單位：d）

表6 未來情景模式下各地區(qū)大豆始粒期延長(zhǎng)情況 （單位：d）

2.2.3 對(duì)大豆成熟期的影響 從表7 可以看出，在不改變當(dāng)前種植模式、品種和其他環(huán)境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世紀(jì)中期以前呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)，在21 世紀(jì)后期呈縮短的趨勢(shì)。從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均分別延長(zhǎng)7.2、15.0、-3.0 d，平均延長(zhǎng)6.4 d；RCP8.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期平均分別延長(zhǎng)7.9、16.2、-2.8 d，平均延長(zhǎng)7.1 d?？傮w而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5情景下隨著溫室氣體濃度的增加，大豆成熟期整體上呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世紀(jì)前期、中期和后期從南到北整體上平均都呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)。RCP4.5 情景下大豆成熟期延長(zhǎng)的趨勢(shì)略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區(qū)平均延長(zhǎng)6.0 d，中部地區(qū)平均延長(zhǎng)6.3 d，北部地區(qū)平均延長(zhǎng)6.9 d，北部地區(qū)延長(zhǎng)明顯；RCP8.5 情景下南部地區(qū)平均延長(zhǎng)5.8 d，中部地區(qū)平均延長(zhǎng)7.0 d，北部地區(qū)平均延長(zhǎng)8.6 d，北部地區(qū)整體上延長(zhǎng)趨勢(shì)明顯?？傮w而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對(duì)大豆成熟期的影響表現(xiàn)為北部＞中部＞南部。

2.2.4 對(duì)大豆產(chǎn)量的影響 對(duì)大豆產(chǎn)量的模擬研究發(fā)現(xiàn)，在未來RCP 情景下，大豆的產(chǎn)量整體上呈減少的趨勢(shì)，以在21 世紀(jì)后期減少較為明顯，21 世紀(jì)中期減少的趨勢(shì)有所減緩。 從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期產(chǎn)量平均分 別 減 少 24.92%、15.89%、26.56%，平 均 減 少22.46%；RCP8.5 情景下在21 世紀(jì)前期、中期、后期產(chǎn)量平均分別減少31.42%、19.15%、27.26%，平均減少25.94%。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆產(chǎn)量都呈從南部向北部地區(qū)減少的趨勢(shì)。RCP4.5 情景下大豆產(chǎn)量減少的趨勢(shì)略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5情景下南部地區(qū)平均減少17.18%，中部地區(qū)平均減少23.68%，北部地區(qū)平均減少26.52%，北部地區(qū)減產(chǎn)較明顯；RCP8.5 情景下南部地區(qū)平均減少18.18%，中部地區(qū)平均減少27.12%，北部地區(qū)平均減少32.54%，北部地區(qū)減少趨勢(shì)較為明顯?？傮w而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對(duì)大豆產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為北部＞中部＞南部。在未來氣候情景下，大豆的產(chǎn)量呈減少的趨勢(shì)，隨著溫室氣體的增加，減少的趨勢(shì)更加明顯。

3 小結(jié)與討論

本研究選取林州市2008—2017 年，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)2006—2017 年和正陽縣2000—2008 年大豆生育資料數(shù)據(jù)和同期氣候資料對(duì)CROPGRO-Soybean 模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證，得到適合河南省南部、中部和北部地區(qū)的大豆模型參數(shù)。

通過引入未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5氣候情景數(shù)據(jù)，分析了未來氣候變化情景下，大豆的生育期和產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)情況。

研究表明，在未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 氣候情景下，河南省大豆開花期和始粒期呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)，且RCP8.5 氣候情景下的延長(zhǎng)趨勢(shì)較RCP4.5 更明顯。河南省大豆開花期延長(zhǎng)的趨勢(shì)表現(xiàn)為中部＞北部＞南部，河南省大豆和始粒期延長(zhǎng)的趨勢(shì)表現(xiàn)為中部＞南部＞北部。河南省大豆成熟期在未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 氣候情景下與成熟期相似，即大豆成熟期延長(zhǎng)的趨勢(shì)表現(xiàn)為北部＞中部＞南部。

表7 未來情景模式下各地區(qū)大豆成熟期增減情況 （單位：d）

表8 未來情景模式下各地區(qū)大豆產(chǎn)量增減情況 （單位：%）

河南省大豆產(chǎn)量在未來典型濃度路徑RCP4.5和RCP8.5 氣候情景下，呈減少的趨勢(shì)，且RCP8.5氣候情景下的減少程度較RCP4.5 更明顯。河南省大豆產(chǎn)量從南部地區(qū)到北部地區(qū)呈加速減少的趨勢(shì)，南部地區(qū)減少趨勢(shì)最小。