東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃

李凱偉 張繼權(quán)* 魏思成 劉 聰 王春乙

1)(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 長(zhǎng)春 130117) 2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

引 言

中國(guó)東北春大豆種植區(qū)包括東北三省(黑龍江、吉林、遼寧)和內(nèi)蒙古東北部地區(qū)，是我國(guó)最重要的大豆產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)大豆商品基地。東北大豆產(chǎn)區(qū)因面積廣闊、土壤肥沃、溫度適宜、降水豐沛等優(yōu)良的自然條件，為大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了保障[1]。近年?yáng)|北三省玉米產(chǎn)量供過(guò)于求，“一糧獨(dú)大”的局面導(dǎo)致農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)不合理，無(wú)法滿足人民改善生活和增加收入的需求，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整[2]。在大豆、玉米和粳稻中，大豆的平均總成本最低，但單位面積成本更高，且大豆種植面積呈下降趨勢(shì)[3]。此外，大豆具有固氮作用，能培肥地力，生產(chǎn)過(guò)程中化肥和農(nóng)藥施用量低，屬綠色環(huán)保作物。擴(kuò)大東北地區(qū)大豆種植面積，提高大豆產(chǎn)量，不僅能夠緩解國(guó)家面臨的糧食安全問(wèn)題，還能有效緩解東北農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)失調(diào)和長(zhǎng)期大規(guī)模種植玉米引發(fā)的土壤退化問(wèn)題[4]。大豆的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程與溫度、降水、日照等氣象條件密切相關(guān)。隨著全球變暖，氣象災(zāi)害頻發(fā)，干旱、高溫等災(zāi)害事件嚴(yán)重影響東北地區(qū)大豆安全生產(chǎn)[5-6]。因此，研究東北春大豆氣候適宜性對(duì)我國(guó)大豆生產(chǎn)意義重大。

氣候變化會(huì)改變農(nóng)作物生長(zhǎng)的適宜程度[7-9]。近年氣候適應(yīng)性方法已被廣泛用于研究農(nóng)作物與氣候條件之間的適應(yīng)程度，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣候資源適宜性評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和合理開(kāi)發(fā)利用農(nóng)業(yè)氣候資源等[10]。關(guān)于氣候適宜度的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：①氣候要素的適宜度曲線與隸屬函數(shù)的建立[5,11-12]，②農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型的建立[1,13-14]，③不同尺度農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源的分區(qū)與評(píng)價(jià)研究[11,15]，④運(yùn)用農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論指導(dǎo)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究[16-18]。氣候適宜度評(píng)價(jià)以農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的溫度、降水和日照為基礎(chǔ)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的方法，建立作物氣候適宜度評(píng)價(jià)模型(基于區(qū)劃指標(biāo)[19]或基于作物反應(yīng)函數(shù)[20])，以適宜度指標(biāo)作為區(qū)劃因子，結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行種植區(qū)劃?？傮w上，因氣候資源、耕作制度、品種等的差異，不同地區(qū)的區(qū)劃指標(biāo)體系(閾值)不同，同種作物不同的熟型對(duì)氣候條件的要求不相同[21]。適宜度模型構(gòu)建中常用到的層次分析[22]、專家打分法[20]等權(quán)重的確定方法缺乏客觀性。氣候區(qū)劃等級(jí)閾值劃分時(shí)用到的自然斷點(diǎn)法、百分位法等[23-24]方法缺少事實(shí)依據(jù)。故需要建立基于作物熟型的且符合區(qū)域特點(diǎn)的典型氣候區(qū)劃指標(biāo)體系和典型氣候要素適宜度隸屬函數(shù)。同時(shí)，為更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，應(yīng)開(kāi)發(fā)基于減產(chǎn)率與氣候適宜度之間定量關(guān)系的適宜度等級(jí)閾值劃分方法。

目前對(duì)東北春大豆大范圍適應(yīng)性研究鮮有報(bào)道。楊顯峰等[12]依據(jù)東北春大豆不同發(fā)育期對(duì)環(huán)境條件(溫度、降水、日照)的需求，初步確立東北春大豆氣候適宜性指標(biāo)體系，為運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的方法建立東北大豆適宜性模型奠定了基礎(chǔ)。何英彬等[20]建立包含影響大豆生產(chǎn)的自然與經(jīng)濟(jì)因子適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用專家打分法獲得權(quán)重，以東北三省為例開(kāi)展適宜性的研究。沈國(guó)強(qiáng)[25]采用最大熵模型量化主導(dǎo)氣候因子對(duì)大豆氣候適宜性的貢獻(xiàn)，得到東北地區(qū)大豆氣候適宜性模型，并分析大豆氣候適宜性的年際變化。薛志丹等[13]依據(jù)黑龍江省大豆種植實(shí)際情況，建立綜合考慮溫度、降水和日照的氣候適宜度模型，計(jì)算大豆種植氣候適宜度并利用K-means算法對(duì)全省大豆種植區(qū)域進(jìn)行劃分。王彥平等[1]采用氣候適宜度分析方法，計(jì)算內(nèi)蒙古東北部近30年的大豆氣候適宜度，依據(jù)小網(wǎng)格推算模型，結(jié)合經(jīng)度、緯度和海拔推算區(qū)域氣候適宜度，基于GIS技術(shù)對(duì)呼倫貝爾市進(jìn)行大豆適宜性區(qū)劃。以往研究[26-29]多以氣象站點(diǎn)適宜度計(jì)算為主，采用多元線性模型對(duì)適宜度進(jìn)行空間推算，線性擬合效果影響著適宜度區(qū)劃的空間特征。本研究擬在適宜度計(jì)算前完成對(duì)氣象數(shù)據(jù)的精細(xì)化插值，提高區(qū)劃結(jié)果的空間精度。隨著氣候變暖，大豆氣候適宜度發(fā)生了變化[1]，但關(guān)于不同時(shí)期氣候區(qū)劃結(jié)果對(duì)比報(bào)道較少。

綜上所述，本文以東北地區(qū)241個(gè)市(縣)大豆產(chǎn)量和氣象因子關(guān)系為依據(jù)，確定基于熟型的東北春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)和等級(jí)閾值。對(duì)比區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)和作物反應(yīng)函數(shù)兩種適宜度評(píng)價(jià)方法對(duì)東北春大豆的適用性。根據(jù)適宜度與相對(duì)氣象產(chǎn)量的定量關(guān)系，將適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為4個(gè)等級(jí)，并將研究時(shí)段分為1990—2004年和2005—2019年兩個(gè)時(shí)段，分析東北農(nóng)田區(qū)域春大豆適宜度等級(jí)的空間變化，從時(shí)間、空間(1 km×1 km農(nóng)田)和熟型3個(gè)角度進(jìn)行東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域概況

所選研究區(qū)域位于中國(guó)東北，包括黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東四盟，總面積約為1.24×106km2，由三江平原、松嫩平原、遼河平原組成，土地肥沃，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。東北地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量為300～1000 mm，年平均溫度為-3℃～10℃。該區(qū)域從東南向西北由濕潤(rùn)地區(qū)過(guò)渡到半濕潤(rùn)地區(qū)和半干旱地區(qū)。2016年?yáng)|北春大豆種植面積為4.05×106hm2，占全國(guó)大豆播種面積的56%[30]。東北地區(qū)是中國(guó)春大豆優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，因其緯度跨度大，地形復(fù)雜，氣候資源差異顯著，春大豆種植種類豐富。東北春大豆品種眾多，春大豆物候期因熟型不同有所差異，大致可分為早熟、中熟和晚熟3類[20]，根據(jù)研究區(qū)10℃以上積溫和農(nóng)業(yè)氣象站數(shù)據(jù)，3類熟型的積溫范圍分別是大于等于1600 ℃·d且小于2600 ℃·d，大于等于2600 ℃·d且小于3000 ℃·d，大于等于3000 ℃·d，具體分布見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心，包括1990—2019年研究區(qū)內(nèi)119個(gè)國(guó)家級(jí)基本氣象站(圖1)的逐日降水量、逐日平均溫度、逐日最高溫度、逐日最低溫度、逐日平均風(fēng)速、逐日濕度等，缺測(cè)數(shù)據(jù)采用臨近站點(diǎn)線性擬合方法進(jìn)行插補(bǔ)。發(fā)育期數(shù)據(jù)來(lái)自農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)站，春大豆生長(zhǎng)期分為6個(gè)發(fā)育階段：播種-出苗、出苗-三真葉、三真葉-開(kāi)花、開(kāi)花-結(jié)莢、結(jié)莢-鼓粒、鼓粒-成熟?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)，包括行政邊界、高程、土地利用等數(shù)據(jù)。春大豆產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自1990—2019年各省統(tǒng)計(jì)年鑒，主要包括241個(gè)市(縣)每年的春大豆種植面積和產(chǎn)量。

圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)和春大豆熟型空間分布Fig.1 The target area with meteorological stations and spring soybean maturity types

1.3 研究方法

1.3.1 產(chǎn)量數(shù)據(jù)處理

將各市(縣)的春大豆產(chǎn)量除以面積得到大豆單產(chǎn)。采用HP濾波方法[31]將春大豆的單產(chǎn)(Y)分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，即Y=y(t)+y(w)，其中y(t)為趨勢(shì)產(chǎn)量，反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的長(zhǎng)周期產(chǎn)量分量；y(w)為氣象產(chǎn)量，反映受氣象要素影響的短周期產(chǎn)量分量?？紤]不同品種春大豆單產(chǎn)存在差異，定義相對(duì)氣象產(chǎn)量為氣象產(chǎn)量和趨勢(shì)產(chǎn)量的比值。相對(duì)氣象產(chǎn)量不受時(shí)間、空間和農(nóng)業(yè)技術(shù)水平影響，不同地區(qū)之間具有可比性；所有相對(duì)氣象產(chǎn)量為負(fù)的年份的均方根為減產(chǎn)率均方根(YRMS)，代表區(qū)域多年減產(chǎn)率的大小及產(chǎn)量穩(wěn)定性，值越大，表示越容易受氣候變化影響，產(chǎn)量穩(wěn)定性越差；高穩(wěn)產(chǎn)量定義為YHS=(1-YRMS)×Ymean，其中YHS為某區(qū)域春大豆高穩(wěn)產(chǎn)量，Ymean為多年平均單產(chǎn)。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)處理

Anusplin軟件是基于普通薄盤(pán)和局部薄盤(pán)樣條函數(shù)對(duì)多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插的工具，能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)表面的空間插值，適用于氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列[32]。采用Anusplin軟件依據(jù)1 km×1 km分辨率的高程數(shù)據(jù)對(duì)1990—2019年春大豆生長(zhǎng)季(5—9月)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插，得到1 km×1 km分辨率的氣象數(shù)據(jù)集。運(yùn)用ArcGIS和Matlab軟件統(tǒng)計(jì)不同市(縣)農(nóng)田區(qū)域氣象因子的中位數(shù)，得到各市(縣)每年春大豆生長(zhǎng)季不同月份的氣象因子。

1.3.3 氣候區(qū)劃指標(biāo)及適宜度等級(jí)閾值劃分

對(duì)不同發(fā)育期內(nèi)的各氣象要素與春大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量進(jìn)行Spearman[33]相關(guān)分析，選取影響春大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素。對(duì)關(guān)鍵氣象要素和相對(duì)氣象產(chǎn)量進(jìn)行二次曲線擬合，根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)質(zhì)量考核辦法》產(chǎn)量增減百分比在3%～5%預(yù)報(bào)等級(jí)為“平偏豐/歉”，以4%減產(chǎn)率為適宜指標(biāo)的邊界，結(jié)合春大豆生長(zhǎng)發(fā)育適宜條件，確定早熟、中熟、晚熟型和整個(gè)東北地區(qū)的春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)體系。

基于區(qū)劃指標(biāo)和適宜度模型計(jì)算1990—2019年?yáng)|北春大豆氣候適宜度，對(duì)氣候適宜度和相對(duì)氣象產(chǎn)量分別進(jìn)行線性擬合和冪函數(shù)曲線擬合，以兩條擬合曲線相交時(shí)的適宜度為春大豆最適宜等級(jí)，4%和50%減產(chǎn)率與冪函數(shù)曲線的交點(diǎn)為適宜與次適宜，次適宜與不適宜的閾值，最終將東北春大豆種植區(qū)劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個(gè)等級(jí)。

1.3.4 基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的適宜度模型

基于影響春大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候區(qū)劃指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)隸屬度函數(shù)方法構(gòu)建春大豆氣候適宜度模型：

Sx=

(1)

式(1)中，Sx表示氣候因子適宜度，Xh和Xl分別表示區(qū)劃指標(biāo)上限和下限；Xm表示最適指標(biāo)，氣候條件越接近最適指標(biāo)，適宜性值越大，越適宜春大豆生長(zhǎng)。當(dāng)Sx≤0時(shí)，Sx賦值為0.01。

(2)

式(2)中，S表示春大豆氣候綜合適宜度，ST，SC，SS分別表示溫度、降水和日照適宜度。

1.3.5 基于作物反應(yīng)函數(shù)的適宜度模型

基于春大豆不同發(fā)育期對(duì)溫度、降水量和日照時(shí)數(shù)的需求及反應(yīng)，構(gòu)建基于作物反應(yīng)函數(shù)的春大豆氣候適宜度模型。

1.3.5.1 溫度適宜度模型

采用Beta函數(shù)[34]計(jì)算溫度適宜度，該函數(shù)能較好反映作物生長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，且具有普適性，具體公式如下：

(3)

式(3)中，F(xiàn)(t)表示某發(fā)育期溫度適宜度；t為春大豆某發(fā)育期日平均溫度(單位：℃)；th，tl和t0分別為春大豆各發(fā)育期所需的上限溫度(單位：℃)、下限溫度(單位：℃)和適宜溫度(單位：℃)，參考東北春大豆指標(biāo)體系[9]，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，確定春大豆生育階段三基點(diǎn)溫度(表1)。

表1 春大豆各發(fā)育階段三基點(diǎn)溫度Table 1 Triple base point temperature of spring soybean at each reproductive stage

1.3.5.2 降水適宜度模型

降水適宜度表示降水量對(duì)春大豆生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的適宜程度[1]。基于春大豆正常生長(zhǎng)需水量和發(fā)育期降水量構(gòu)建春大豆降水適宜度模型。以0.7和1.2作為旱、澇與正常的分界線[1,13]，發(fā)育期降水適宜度公式如下：

(4)

式(4)中,F(r)為某發(fā)育期降水適宜度，r為發(fā)育期降水量(單位：mm)，ETc為春大豆發(fā)育期理論需水量(單位：mm)。Kc為春大豆作物系數(shù)，6個(gè)發(fā)育期的作物系數(shù)分別為0.45，0.6，0.9，1.32，1.2和0.7。ETo為春大豆參考蒸散量，采用國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算。

1.3.5.3 日照適宜度模型

相關(guān)研究表明，當(dāng)日照時(shí)數(shù)達(dá)到可照時(shí)數(shù)的70%以上時(shí)，作物滿足對(duì)光照反應(yīng)的適宜狀態(tài)[12]，采用下式計(jì)算春大豆各發(fā)育期日照適宜度：

(5)

式(5)中，F(xiàn)(s)為某發(fā)育期日照適宜度，s為發(fā)育期實(shí)際日照時(shí)數(shù)(單位：h)，s0為可日照時(shí)數(shù)(L0)的70%(單位：h)。

1.3.5.4 綜合適宜度模型

春大豆正常的生長(zhǎng)發(fā)育由溫度、降水和日照共同決定[19]，構(gòu)建春大豆綜合適宜度模型反映三者對(duì)春大豆氣候適宜性的影響：

(6)

(7)

其中，F(xiàn)(c)為某發(fā)育期綜合適宜度；F為生長(zhǎng)季氣候適宜度，是6個(gè)發(fā)育期綜合適宜度的平均值。早熟(生育期100 d)、中熟(生育期120 d)和晚熟(生育期140 d)型適宜度的計(jì)算通過(guò)改變不同發(fā)育期的時(shí)間實(shí)現(xiàn)。

1.3.6 春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃

采用最大值合成方法[33]，將春大豆早熟、中熟和晚熟型氣候適宜度合成為東北春大豆氣候適宜度。運(yùn)用GIS技術(shù)提取農(nóng)田區(qū)域春大豆的氣候適宜度，并依據(jù)適宜度等級(jí)閾值，將適宜度劃分為4個(gè)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃。比較1990—2004年和2005—2019年兩個(gè)時(shí)段的東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃，分析不同適宜度等級(jí)區(qū)域面積變化。

2 結(jié)果分析

2.1 春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)的確定

受種植制度、品種和氣候等因素的影響，東北不同區(qū)域春大豆發(fā)育時(shí)段略有差異，但生長(zhǎng)季均在5—9月。為使不同熟型區(qū)域的區(qū)劃指標(biāo)存在可比性，計(jì)算生長(zhǎng)季內(nèi)各月氣象要素與相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)(表2)，將達(dá)到0.1顯著性水平的相關(guān)系數(shù)(R)的中位數(shù)作為相關(guān)分析的最終結(jié)果，篩選影響東北春大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素。由表2可知，在春大豆生長(zhǎng)季內(nèi)，與相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)性最強(qiáng)氣象因子分別為8月平均溫度(R=-0.33)、5—9月累積降水量(R=0.40)和7月累積日照時(shí)數(shù)(R=-0.39)，故將其作為東北春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)。

圖2是東北(不分熟型)春大豆關(guān)鍵氣象要素與相對(duì)氣象產(chǎn)量的二次曲線擬合，圖中可見(jiàn)二者擬合為拋物線型(達(dá)到0.01顯著性水平)，溫度、降水和日照異常均會(huì)引起產(chǎn)量下降。類似地可對(duì)不同熟型春大豆種植區(qū)域進(jìn)行擬合?；诜€(wěn)產(chǎn)線(減產(chǎn)率為4%)與拋物線的交點(diǎn)，綜合春大豆各發(fā)育期對(duì)氣象條件的需求，確定東北地區(qū)各熟型春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)(表3)。由表3可知，不同熟型區(qū)劃指標(biāo)存在差異，且與東北地區(qū)(不分熟型)指標(biāo)不同。

表2 東北春大豆生長(zhǎng)季內(nèi)氣象要素與相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between meteorological elements and relative meteorological yield during the growing season of spring soybean in Northeast China

圖2 東北春大豆關(guān)鍵氣象要素與相對(duì)氣象產(chǎn)量二次曲線擬合Fig.2 Quadratic curve fitting of key meteorological elements and relative meteorological yield of spring soybean in Northeast China

表3 早熟、中熟、晚熟型和東北(不分熟型)春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)Table 3 Climatic zoning indicators for early,medium,late maturing spring soybean regions and the whole area(with no distinction of maturity type) in Northeast China

2.2 基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的適宜度空間分布

圖3是東北(不分熟型)春大豆基于各區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的適宜度評(píng)價(jià)分布。由溫度適宜度可知，海拔較低的平原和緯度較低的地區(qū)適宜度較高。降水適宜度在研究區(qū)東部和北部更高，這可能是因?yàn)闁|部降水充足，北部較涼爽導(dǎo)致蒸散發(fā)減少，從而滿足春大豆生長(zhǎng)發(fā)育所需水分。春大豆是短日照作物，內(nèi)蒙古東四盟高海拔地區(qū)的過(guò)高日照時(shí)長(zhǎng)使得日照適宜度處于較低水平。對(duì)分熟型的春大豆種植區(qū)，各氣象要素的氣候適宜度和綜合氣候適宜度空間分布(圖4)顯示，早熟、中熟和晚熟型適宜度空間分布受海拔和緯度的影響較大，適宜度較高的地區(qū)分別靠近黑龍江、吉林和遼寧。相比于不分熟型的綜合適宜度，分熟型的氣候適宜度空間分布顯示明顯的空間異質(zhì)性。以呼倫貝爾地區(qū)為例，前者整體適宜度較低，后者在呼倫貝爾東部地區(qū)的農(nóng)田區(qū)域表現(xiàn)出更高的適宜度，這也更符合春大豆實(shí)際種植情況。

圖3 基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的東北春大豆氣候適宜度(不分熟型)Fig.3 Climate suitability of spring soybean based on the affiliation function of zoning index in Northeast China(with no distinction of maturity type)

續(xù)圖3

圖4 基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的東北各熟型春大豆氣候適宜度Fig.4 Climate suitability of based on the affiliation function of the zoning index in Northeast China

2.3 基于作物反應(yīng)函數(shù)的東北春大豆氣候適宜度

基于作物反應(yīng)函數(shù)的早熟、中熟和晚熟型東北春大豆氣候適宜度最大值合成結(jié)果如圖5所示。盡管以發(fā)育期時(shí)間區(qū)分春大豆不同熟型并得到的各熟型氣候適宜度空間分布相似(圖略)，但結(jié)果仍顯示最適重心由北向南的移動(dòng)趨勢(shì)。基于作物反應(yīng)函數(shù)的氣候適宜度空間分布與基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的溫度適宜度空間分布結(jié)果相似，表明溫度是影響春大豆氣候適宜度空間分布的主要因素。

2.4 東北春大豆氣候適宜度驗(yàn)證

不同市(縣)多年平均單產(chǎn)、減產(chǎn)率均方根和高穩(wěn)產(chǎn)量3個(gè)指標(biāo)與氣候適宜度的相關(guān)(圖6)顯示，除了基于作物反應(yīng)函數(shù)的適宜度與減產(chǎn)率均方根的相關(guān)性較弱外，其余適宜度與產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)均顯著(達(dá)到0.001顯著性水平)?；趨^(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的分熟型氣候適宜度在表達(dá)春大豆產(chǎn)量特征上全面優(yōu)于不分熟型的適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果，產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)隨適宜度的增加并非呈線性變化趨勢(shì)，而是隨著適宜度增加變化率降低，說(shuō)明隨氣候適宜度增加，產(chǎn)量有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，與生產(chǎn)實(shí)際符合。通常當(dāng)適宜度增加到一定程度，春大豆產(chǎn)量會(huì)趨于相對(duì)穩(wěn)定的水平?；谧魑锓磻?yīng)函數(shù)的氣候適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果在表達(dá)單產(chǎn)變化上，其相關(guān)性優(yōu)于基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的氣候適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果，但在表達(dá)產(chǎn)量穩(wěn)定性上，與減產(chǎn)率均方根的相關(guān)不顯著，且單產(chǎn)變化率隨氣候適宜度增加有增大的趨勢(shì)，不符合生產(chǎn)實(shí)際。原因可能是基于作物反應(yīng)函數(shù)的春大豆氣候適宜度僅靠發(fā)育期的時(shí)間差異代表不同熟型，但未改變春大豆不同熟型的適宜度指標(biāo)，導(dǎo)致不能區(qū)分各熟型的春大豆。大豆熟型(品種)是導(dǎo)致春大豆單產(chǎn)差異的重要因素，一般晚熟品種的單產(chǎn)更高。此外，溫度是影響春大豆熟型分布最關(guān)鍵的因素，這也解釋適宜度空間分布受溫度適宜度的影響最大。綜上分析，分熟型的基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的氣候適宜度評(píng)價(jià)方法可用于東北春大豆氣候適宜度評(píng)價(jià)，且優(yōu)于作物反應(yīng)函數(shù)方法。

圖5 基于作物反應(yīng)函數(shù)的東北早熟、中熟和 晚熟春大豆氣候適宜度最大值合成空間分布Fig.5 Synthetic spatial distribution of early, medium and late maturity climate suitability maxima for spring soybean based on crop response functions

圖6 東北春大豆氣候適宜度與產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)Fig.6 Correlation between climate suitability and yield index of spring soybean in Northeast China

續(xù)圖6

2.5 東北春大豆氣候區(qū)劃等級(jí)閾值確定

基于區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)的氣候適宜度與相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系(圖7)顯示，相對(duì)氣象產(chǎn)量隨氣候適宜度增加呈顯著增加趨勢(shì)。線性擬合和冪函數(shù)擬合曲線在適宜度為0.76時(shí)相交，冪函數(shù)擬合曲線與4%和50%減產(chǎn)率的交點(diǎn)分別出現(xiàn)在適宜度為0.65和0.49處。據(jù)此，將氣候適宜度劃分為4個(gè)等級(jí)：最適宜(0.76≤S≤1)、適宜(0.65≤S<0.76)、次適宜(0.49≤S<0.65)和不適宜(0≤S<0.49)。

2.6 東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃

分1990—2004年和2005—2019年兩個(gè)時(shí)段，基于不同熟型區(qū)劃指標(biāo)的隸屬度函數(shù)方法對(duì)東北春大豆進(jìn)行精細(xì)化氣候區(qū)劃(圖8)。由圖8可見(jiàn)，春大豆種植最適宜區(qū)域分布于吉林省中東部、松嫩平原北部和三江平原除最北部地區(qū)外的大部分區(qū)域。適宜區(qū)主要分布在松遼平原東部的大慶市、松原市和沈陽(yáng)市一帶。次適宜區(qū)主要分布于松嫩平原的西部和遼河平原南部地區(qū)。不適宜區(qū)極少，主要分布在呼倫貝爾草原地區(qū)。前后兩個(gè)時(shí)段最適宜區(qū)由1.77×105km2增加至2.21×105km2，適宜區(qū)由2.09×105km2減少至2.01×105km2，次適宜區(qū)由7.14×104km2減少至4.17×104km2，不適宜區(qū)由7.78×103km2減少至1.48×103km2，即相比于1990—2004年，2005—2019年春大豆種植最適宜區(qū)顯著增加，適宜、次適宜、不適宜區(qū)域均在減少。最適宜區(qū)面積的擴(kuò)大主要源于研究區(qū)北部的黑河市及其臨近的呼倫貝爾市東部地區(qū)。隨著氣候變暖，東北春大豆氣候適宜性增加，適宜春大豆種植的地區(qū)向高緯度和高海拔地區(qū)擴(kuò)大。

圖7 隸屬度函數(shù)的氣候適宜度與 相對(duì)氣象產(chǎn)量關(guān)系Fig.7 Relationship between climate suitability based on the affiliation function and relative meteorological yield

圖8 東北春大豆精細(xì)化氣候區(qū)劃Fig.8 Refined climatic zoning for spring soybean in Northeast China

3 結(jié)論與討論

以東北春大豆為研究對(duì)象，基于多年相對(duì)氣象產(chǎn)量和氣象數(shù)據(jù)確定分熟型的東北春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)。選取區(qū)劃指標(biāo)隸屬度函數(shù)和作物反應(yīng)函數(shù)兩種方法，綜合考慮溫度、降水和日照對(duì)春大豆生長(zhǎng)的影響，對(duì)東北春大豆進(jìn)行氣候適宜度評(píng)價(jià)，并利用產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)春大豆減產(chǎn)率與適宜度的定量關(guān)系確定氣候區(qū)劃等級(jí)閾值，并分1990—2004年和2005—2019年兩個(gè)時(shí)段對(duì)東北春大豆開(kāi)展精細(xì)化氣候區(qū)劃，主要結(jié)論如下：

1) 結(jié)莢鼓粒期溫度(8月平均溫度)、生長(zhǎng)季降水量(5—9月累積降水量)和開(kāi)花結(jié)莢期日照(7月累積日照時(shí)數(shù))是影響東北春大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素。早熟、中熟和晚熟型春大豆的氣候區(qū)劃指標(biāo)不同。

2) 相比于不分熟型的氣候適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果，分熟型的評(píng)價(jià)結(jié)果在空間分布上細(xì)節(jié)更豐富，在表達(dá)春大豆單產(chǎn)分布、產(chǎn)量穩(wěn)定性方面也更優(yōu)。當(dāng)缺乏產(chǎn)量數(shù)據(jù)時(shí)，基于作物反應(yīng)函數(shù)的氣候區(qū)劃方法是很好的補(bǔ)充，能夠指示春大豆單產(chǎn)的分布，但對(duì)產(chǎn)量穩(wěn)定性的描述存在缺陷。

3) 基于春大豆減產(chǎn)率和適宜度的定量關(guān)系，將東北春大豆氣候適宜度劃分為最適宜(0.76≤S≤1)、適宜(0.65≤S<0.76)、次適宜(0.49≤S<0.65)和不適宜(0≤S<0.49)4個(gè)等級(jí)。相比于1990—2004年，2005—2019年春大豆種植最適宜區(qū)顯著擴(kuò)大，適宜、次適宜、不適宜區(qū)域均在縮小。

東北地區(qū)最適宜春大豆種植的區(qū)域主要集中在松嫩平原的北部和三江平原中南部之間。松遼平原西部及南部和三江平原北部分別受限于降水量和日照時(shí)數(shù)，并非春大豆種植的絕佳區(qū)域[18]。隨著氣候變暖，東北春大豆氣候適宜性增加，適宜春大豆種植的地區(qū)向高緯度和高海拔地區(qū)擴(kuò)大。作物產(chǎn)量的高產(chǎn)及穩(wěn)定性有效反映潛在氣候適宜性[35]，基于產(chǎn)量和氣象要素關(guān)系確定的區(qū)劃指標(biāo)和等級(jí)閾值減小了區(qū)劃結(jié)果的主觀性。不同熟型(品種)春大豆對(duì)氣候條件的要求各異，從適宜度與產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)可知，分熟型的春大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)的應(yīng)用可提高春大豆適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。春大豆氣候適宜性區(qū)劃不僅與氣象要素有關(guān)，還與土壤、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等要素[20]有關(guān)，在今后研究中需補(bǔ)充完善。此外，還應(yīng)關(guān)注未來(lái)氣候變化對(duì)東北春大豆氣候適宜性的影響。本研究結(jié)果可為東北春大豆生產(chǎn)、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)提供參考。