河南省優(yōu)質(zhì)小麥適宜種植區(qū)及未來變化趨勢

余衛(wèi)東 楊君健

(1.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003；2.商丘市氣象局，河南 商丘 476000)

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物，常年播種面積維持在0.24億hm2以上。近年來我國小麥總產(chǎn)量連續(xù)超過1.3億t[1]，基本滿足國內(nèi)市場需求，但隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的提高，我國對優(yōu)質(zhì)強筋和優(yōu)質(zhì)弱筋專用小麥的需求逐年上升。每年優(yōu)質(zhì)專用小麥消費量在1 000萬t左右，其中約300萬t需要依賴進口[2-3]。

小麥品質(zhì)是一個由多因素構(gòu)成的復(fù)雜的綜合性概念。在一定栽培措施條件下，小麥生育期內(nèi)光、溫、水等氣象條件是影響籽粒品質(zhì)形成的主要因素[4-7]。同一小麥品種的品質(zhì)存在明顯的地域差異，且品質(zhì)的地域間差異大于品種間差異[8]。我國北方冬麥區(qū)小麥籽粒的蛋白質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量整體優(yōu)于南方冬麥區(qū)和春播麥區(qū)[9-10]。蛋白質(zhì)含量與緯度呈極顯著正相關(guān)，并在北緯33°附近有一明顯分界線[11]。受全球氣候變暖影響，我國冬小麥種植區(qū)熱量資源明顯增加，光照減少，降水量變化趨勢不明顯，但部分地區(qū)參考作物蒸散量增加，水資源短缺加劇[12-14]，氣候波動性增加，對小麥生育進程、產(chǎn)量和品質(zhì)都產(chǎn)生一定影響[15-19]。

河南省位于華北平原南部，地處北緯31°23′～36°22′。小麥?zhǔn)呛幽限r(nóng)業(yè)的優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)業(yè)之一，2018年全省種植面積占全國小麥總面積的23.7%，產(chǎn)量占27.4%[1]。優(yōu)質(zhì)強筋、中筋和弱筋小麥在河南省都有適宜的種植區(qū)域[20-21]。近年來圍繞“建設(shè)優(yōu)質(zhì)專用小麥為主的全國重要的優(yōu)質(zhì)糧生產(chǎn)和加工基地”目標(biāo)，以小麥優(yōu)質(zhì)化種植推進農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，重點發(fā)展優(yōu)質(zhì)強筋小麥和弱筋小麥，至2020年河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥種植面積已發(fā)展到900×103hm2。拓展小麥種植進一步發(fā)展的空間，需要分析優(yōu)質(zhì)專用小麥農(nóng)業(yè)氣候資源?，F(xiàn)有研究多集中在氣候變化和未來氣候條件對小麥種植界限、生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響，針對優(yōu)質(zhì)小麥種植區(qū)域的影響較少涉及。因此，為分析氣候條件與優(yōu)質(zhì)小麥種植的關(guān)系，本研究擬以河南省優(yōu)質(zhì)小麥為研究對象，利用小麥品質(zhì)形成關(guān)鍵期農(nóng)業(yè)氣象條件量化賦值的方式，確定河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥適宜種植農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)，研究未來氣候條件對河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植區(qū)域的影響，為合理規(guī)劃河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植布局、培育優(yōu)質(zhì)小麥品種和研發(fā)適應(yīng)未來氣候情景的栽培技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本研究數(shù)據(jù)包括氣象觀測數(shù)據(jù)和氣候情景模擬數(shù)據(jù)。結(jié)合河南省臺站資料的完整性與可用性，地面觀測數(shù)據(jù)時間序列為1971—2000年，由河南省氣象數(shù)據(jù)中心提供河南省113 個氣象觀測站的逐日日照時數(shù)(h)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)和降水量(mm)。氣候情景模擬數(shù)據(jù)為區(qū)域氣候模式數(shù)據(jù)RegCM4.0，嵌套BCC_CSM1.1全球氣候系統(tǒng)模式的輸出結(jié)果[22-23]，包括1971—2000年的歷史模擬值和RCP 4.5、RCP 8.5情景下氣候預(yù)估數(shù)據(jù)(2001—2050年)，空間分辨率為0.5°×0.5°。統(tǒng)計分析的RCP情景要素種類主要包括逐日2 m處平均氣溫(K)、最高氣溫(K)、最低氣溫(K)、降水量(mm)和太陽輻射量(W/m2)，應(yīng)用時將氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為℃。

根據(jù)河南省行政區(qū)域經(jīng)緯度范圍，本研究選取的經(jīng)度范圍為110.0° E～117.0° E，15 個格點；緯度范圍31.0° N～37.0° N，13個格點，共195個格點。RCP情景數(shù)據(jù)空間格點及河南省113 個氣象觀測站分布見圖1。

圖1 河南省RCP情景數(shù)據(jù)格點及113 個氣象觀測站點分布圖Fig.1 Distribution points of RCP grid and 113 weather stations in Henan Province

1.2 研究方法

1.2.1河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥區(qū)劃指標(biāo)

參考小麥品質(zhì)與氣象條件關(guān)系研究結(jié)果和已有河南省優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)[21]，結(jié)合RCP情景輸出的數(shù)據(jù)類型，確定適用于RCP4.5和RCP8.5未來氣候情景數(shù)據(jù)的河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥區(qū)劃指標(biāo)體系(表1)，并對強筋、中筋和弱筋適宜區(qū)分別賦值3分、2分和1分。

1.2.2區(qū)劃指標(biāo)統(tǒng)計分析

按照表1中的區(qū)劃指標(biāo)，分別統(tǒng)計基準(zhǔn)時段(1971—2000年)、2030年、2040年和2050年8個區(qū)劃指標(biāo)的多年平均值。本研究用氣候情景輸出結(jié)果中1971—2000年的平均值代表基準(zhǔn)時段，分別用2001—2030年、2011—2040年和2021—2050年氣候指標(biāo)的多年平均值代表2030年、2040年和2050年的農(nóng)業(yè)氣候資源平均狀況，由此得到覆蓋河南省195 個格點4 個時段的統(tǒng)計結(jié)果。

表1 基于RCP氣候情景數(shù)據(jù)的河南省優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)劃指標(biāo)Table 1 Regionalization index of high-quality wheat in Henan Province based on RCP data

1.2.3統(tǒng)計結(jié)果偏差校正

區(qū)域氣候模式模擬結(jié)果不可避免地會存在一定偏差，在實際應(yīng)用之前，通常要根據(jù)實測資料對輸出結(jié)果進行偏差校正[24-25]。由于本研究關(guān)注的是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃要素的變化情況，一般統(tǒng)計分析氣候要素的30年平均值，因此采用Delta法[26]對模型輸出結(jié)果的統(tǒng)計量進行校正，而不是直接校正模型輸出結(jié)果。

首先根據(jù)河南省1971—2000年的地面觀測站逐日資料，分別統(tǒng)計113 個站8 個區(qū)劃指標(biāo)的30年平均值；其次利用Bessel插值法[27]將相同時段195 個格點的氣候模式模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果內(nèi)插到113 個站點上；然后利用Delta法分別確定113 個站點逐個區(qū)劃指標(biāo)的校正系數(shù)；最后基于各站逐指標(biāo)的校正系數(shù)，分別對2030年、2040年和2050年區(qū)劃指標(biāo)統(tǒng)計值進行偏差校正。

在使用Delta法確定區(qū)劃指標(biāo)的校正系數(shù)時，對降水類(降水量、雨日)和輻射數(shù)據(jù)采取比值法，而對溫度類數(shù)據(jù)(積溫、日較差、日最高氣溫≥32 ℃的天數(shù))采用差值法。

降水類或輻射數(shù)據(jù)校正公式為：

Pf=P0×(PGf/PG0)

(1)

式中：Pf為校正后的降水或輻射數(shù)據(jù)；PGf為RCP未來情景的模擬值；PG0為RCP輸出的基準(zhǔn)時段(1971—2000年)的平均值；P0為對應(yīng)的基準(zhǔn)時段的實測值。由于缺少1971—2000年的輻射實測數(shù)據(jù)，本研究利用經(jīng)驗公式將日照時數(shù)轉(zhuǎn)換為輻射后再進行校正。轉(zhuǎn)換公式為：

Rs=(a+b×n/N)×Ra

(2)

式中：Rs為太陽輻射，MJ/(m2·d)；a和b為回歸系數(shù)，分別取0.146和0.595；n為實際日照時數(shù)，h；N可照時數(shù)，h；Ra為每天的地球外輻射，MJ/(m2·d)。由于未來情景數(shù)據(jù)中輻射的單位為W/m2，因此還需要把計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為相同量綱數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化方法如下：

R′s=Rs×106/(24×60×60)

(3)

溫度類數(shù)據(jù)校正公式為：

Tf=T0+(TGf-TG0)

(4)

式中：Tf為校正后的溫度類數(shù)據(jù)；TGf為RCP未來情景的模擬值；TG0為RCP輸出的基準(zhǔn)時段的平均值；T0為基準(zhǔn)時段的觀測值。

1.2.4區(qū)劃要素空間插值

利用河南省113 個氣象站的實際觀測資料及對應(yīng)站點的經(jīng)度、緯度、海拔高度數(shù)據(jù)，將經(jīng)度、緯度和海拔高度作為自變量，區(qū)劃指標(biāo)作為因變量，建立氣候要素網(wǎng)格推算多元回歸方程(表2)。

表2 河南省農(nóng)業(yè)氣候要素地理推算模型Table 2 Geographical model of agro-climatic regionalization index in Henan Province

根據(jù)表2中各區(qū)劃指標(biāo)地理推算方程的回歸系數(shù)和1∶100 萬河南省基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)，利用梯度距離反比法[28]，分別對基準(zhǔn)時段、校正后的RCP4.5和RCP8.5情景下2030年、2040年和2050年各氣候指標(biāo)進行空間插值，得到1 km×1 km區(qū)劃指標(biāo)空間分布結(jié)果。

1.2.5農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃制作

基于上述千米網(wǎng)格的河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)，按照強筋、中筋和弱筋適宜區(qū)的不同分值，采取打分法進行分級打分，然后對每個區(qū)劃指標(biāo)的分值進行求和得到8 個指標(biāo)的總分?jǐn)?shù)，最后根據(jù)總分?jǐn)?shù)的大小，將河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥種植區(qū)劃分為5 種類型：當(dāng)總分≥22為強筋小麥適宜區(qū)；[17，22)為強筋中筋小麥過渡區(qū)；[14，17)為中筋小麥適宜種植區(qū)；[11，14]時為中筋弱筋小麥過渡區(qū)；<11為弱筋小麥適宜種植區(qū)。在Surfer 9中為不同種植區(qū)賦予不同的顏色，制作出河南省優(yōu)質(zhì)專用小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖，并進一步分析未來氣候條件下，優(yōu)質(zhì)小麥種植區(qū)域和種植面積比例的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 基準(zhǔn)時段河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植分布

基準(zhǔn)時段1971—2000年河南省優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)結(jié)果見圖2?？芍黝悆?yōu)質(zhì)小麥適宜區(qū)的分布基本上呈緯向分布。從北向南依次分布著強筋小麥適宜區(qū)、強筋中筋小麥過渡區(qū)、中筋小麥適宜區(qū)、中筋弱筋小麥過渡區(qū)和弱筋小麥適宜區(qū)。

圖2 基準(zhǔn)時段1971—2000年河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植適宜區(qū)分布Fig.2 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 1971 to 2000

強筋小麥適宜區(qū)主要分布在河南省內(nèi)34°N以北。該區(qū)光溫條件較好，冬小麥生長期內(nèi)≥0 ℃積溫2 000～2 300 ℃.d，降水量200～260 mm，日照時數(shù)1 400～1 600 h。冬季溫度適宜，光照充足，有利于培育冬前壯苗和安全越冬；拔節(jié)期干旱和倒春寒幾率較高，影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。多數(shù)年份小麥生長受到一定的水分脅迫，但灌漿期光照條件好、降水少且氣溫日較差大，適合優(yōu)質(zhì)強筋小麥種植。

中筋小麥適宜區(qū)主要分布在33～34°N的駐馬店、漯河、南陽等地。該區(qū)域冬小麥全生育期≥0 ℃積溫2 300～2 500 ℃.d，降水量300～400 mm，日照時數(shù)1 200～1 350 h。正常年份降水量可以滿足需求，但春季雨日較多，光照不足，氣溫偏低。灌漿期降水量70～90 mm且氣溫日較差較小，對小麥灌漿攻籽，粒重提高影響較大。

弱筋小麥適宜區(qū)主要分布在32.5°N以南的信陽南部。這一地區(qū)氣候?qū)儆诒眮啛釒?，小麥生育期? ℃積溫多于2 500 ℃.d，降水量450～600 mm，日照時數(shù)1 150～1 250 h。冬前氣溫高，播種較晚，麥苗偏弱。春季多雨，3—4月雨日≥18 d，對小麥穗形成不利。灌漿期高溫、多雨、5月氣溫日較差平均值<11.0 ℃，不利于籽粒蛋白質(zhì)和面筋的形成，面團強度較低，適合發(fā)展優(yōu)質(zhì)弱筋小麥。

2.2 未來氣候情景下河南省優(yōu)質(zhì)小麥分布

利用相同的方法分別繪制出RCP4.5和RCP8.5情景下，2030年、2040年和2050年河南省優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)結(jié)果(圖3)，根據(jù)分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計得到基準(zhǔn)時段和2030—2050年各適宜種植區(qū)的面積比例(表3)。

表3 基準(zhǔn)時段1971—2000年及RCP未來情景下河南省優(yōu)質(zhì)小麥各適宜種植區(qū)比例Table 3 Proportion of suitable area for different high quality wheat inHenan Province under historical period and RCP scenarios %

圖3 不同RCP情景下2030—2050年河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植適宜區(qū)分布Fig.3 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 2030 to 2050 under different RCP scenarios

與基準(zhǔn)時段1971—2000年相比，2030年RCP4.5和RCP8.5情景下強筋適宜區(qū)面積比例均出現(xiàn)了減少的趨勢，而強筋中筋過渡區(qū)則出現(xiàn)了增加的趨勢。其中強筋適宜區(qū)面積比例分別減少了14.8和10.6 個百分點，強筋中筋過渡區(qū)面積比例則分別增加了15.3和7.3 個百分點。主要是鄭州西部、洛陽和三門峽等地的強筋適宜區(qū)變成了強筋中筋過渡區(qū)。弱筋適宜區(qū)面積比例有所增加，與基準(zhǔn)時段相比， RCP4.5和RCP8.5情景下弱筋小麥適宜面積比例分別增加了6.1和5.3 個百分點。中筋適宜區(qū)面積比例RCP4.5情景下減少了3.7 個百分點，而RCP8.5情景下則增加了2.4 個百分點。

2040年RCP4.5和RCP8.5情景下強筋適宜區(qū)面積比例均出現(xiàn)了明顯的減少趨勢，面積比例分別減少了26.0和17.4 個百分點；強筋中筋過渡區(qū)面積比例大幅度增加，2 種情景下分別增加了22.7和15.3 個百分點。弱筋適宜區(qū)面積比例比也進一步增加，與基準(zhǔn)時段相比，2040年RCP4.5和RCP8.5情景下比例分別增加了6.5和5.4 個百分點。中筋適宜區(qū)面積比例變化不一致，RCP4.5情景下減少了2.1 個百分點，而RCP8.5情景下增加了0.1 個百分點。

2050年RCP4.5和RCP8.5情景下強筋適宜區(qū)面積比例均進一步減少，適宜面積比例分別減少到10.4%和12.9%。與基準(zhǔn)時段相比，分別減少了26.8和24.3 個百分點。與2040年類似，RCP4.5和RCP8.5情景下強筋中筋過渡區(qū)面積比例分別增加了22.6和23.2 個百分點。弱筋適宜區(qū)面積比例則分別穩(wěn)定在12.4%和11.6%；中筋適宜區(qū)面積比例變化不大，與基準(zhǔn)時段相比，2 種情景下變化幅度均在1 個百分點左右。

3 討 論

本研究基于河南省氣象觀測站歷史觀測資料、同時段RCP情景模擬數(shù)據(jù)以及未來氣候情景(RCP4.5和RCP8.5)的模擬結(jié)果，選取與冬小麥品質(zhì)形成相關(guān)的8 個氣候要素，確定了河南省優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)劃指標(biāo)，分別統(tǒng)計分析了2030年、2040年和2050年河南省強筋、中筋和弱筋優(yōu)質(zhì)小麥種植面積比例變化趨勢。其中，基準(zhǔn)時段河南省優(yōu)質(zhì)小麥種植布局與已有研究結(jié)果和生產(chǎn)實際基本一致[20-21,29]，總體上都是強筋小麥主要分布在豫西和豫北，豫中、豫東南是強筋小麥次適宜區(qū)和中筋適宜區(qū)，豫南是弱筋小麥適宜區(qū)，在一定程度上說明了本研究優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)劃指標(biāo)的可用性以及未來氣候情景區(qū)劃結(jié)果的可信度。

已有研究表明干燥、少雨及光照充足的氣候條件有利于蛋白質(zhì)和面筋含量的提高[30-31]。籽粒開花至成熟期間，尤其是成熟前15～20 d的氣象條件，對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響。強筋小麥適于種植在光熱資源充足，晴天多、降水較少，土壤肥沃的地區(qū)[30]。在現(xiàn)有耕作制度下，氣候變暖將導(dǎo)致河南省冬小麥全生育期≥0 ℃積溫和降水量增加，拔節(jié)—抽穗期輻射量減少而降水天數(shù)增加，豫北地區(qū)5 月份氣溫日較差下降、日最高氣溫≥32 ℃天數(shù)增加(>5 d)，這些因素都影響了強筋小麥種植。雖然5 月份輻射增加、降水量減少在一定程度上抵消了對強筋小麥種植的不利影響，但總體上河南省強筋小麥適宜種植面積比例仍然呈現(xiàn)明顯減少趨勢。

優(yōu)質(zhì)專用小麥的生產(chǎn)需要在優(yōu)良基因型的基礎(chǔ)上，選擇適宜的生態(tài)環(huán)境，采取相應(yīng)的栽培措施[30]。為適應(yīng)和緩解氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響，許多研究探索了調(diào)整農(nóng)業(yè)種植制度和布局、選育優(yōu)良農(nóng)作物品種、加強農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害防控等對策和措施[32-35]。本研究中雖然未來氣候情景下河南省強筋優(yōu)質(zhì)小麥適宜區(qū)面積比例減少，但它與強筋中筋過渡區(qū)面積比例之和變化不大，和基準(zhǔn)時段相比，減少量不超過4.2個百分點。因此，在實際生產(chǎn)中，可選擇適當(dāng)?shù)脑耘啻胧┖托←溒贩N來緩解氣候變化的影響。例如通過推遲播期以減少全生育期積溫和降水量；培育適應(yīng)灌漿期耐32 ℃以上高溫的優(yōu)質(zhì)強筋小麥新品種等。這些應(yīng)對措施的效果還需要在今后的工作中進一步量化評價。另外，未來氣候變化還存在一定的不確定性[36-38]，不同的全球或區(qū)域氣候模式輸出結(jié)果之間存在差異，氣溫、降水和太陽輻射等氣象要素的不確定性程度也不相同。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有種植制度和品種屬性不變的情況下， 2030—2050年河南省優(yōu)質(zhì)強筋小麥適宜區(qū)面積比例呈現(xiàn)減少趨勢，與基準(zhǔn)時段(1971—2000年)相比，在RCP4.5和RCP8.5的氣候情景下分別減少14.8～26.8和10.6～24.3個百分點，但是強筋適宜區(qū)與強筋中筋過渡區(qū)面積比例之和變化不明顯；2種氣候情景下優(yōu)質(zhì)中筋適宜區(qū)面積比例變化不大，而優(yōu)質(zhì)弱筋小麥適宜種植區(qū)面積比例將分別增加6.1～6.5和5.3～5.5 個百分點。

致謝

感謝國家氣候中心提供未來氣候變化情景數(shù)據(jù)。