未來氣候變化對云南檸檬氣候適宜性的影響

范丹華 楊弘偉 邵晨揚 王鵬云 朱勇

(1 成都信息工程大學，成都 610200； 2云南省芒市氣象局，芒市 678400；3 昆明國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站，昆明 650000； 4 云南省氣候中心，昆明 650000 )

引言

檸檬由于富含次生代謝產(chǎn)物，具有降血脂、降血糖等營養(yǎng)保健功效[1-2]，廣泛應用在食品、美容與保健、醫(yī)療等行業(yè)[3-6]，市場潛力巨大。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2017年數(shù)據(jù)顯示[7]，全球有218個國家種植檸檬(含酸橙)，總面積108.45萬hm2，總產(chǎn)量1721.8萬t；中國是全球第三大檸檬(含酸橙)生產(chǎn)國，面積10.0 hm2，占全球9.2%。從供需量來看，我國目前檸檬鮮果年產(chǎn)量約100萬t左右。而僅中國周邊日、韓、俄羅斯、東南亞等國家和地區(qū)的常年需求量就有80萬t，且呈穩(wěn)定上升趨勢。而云南具有適宜檸檬生長的獨特氣候生態(tài)環(huán)境，目前主要種植在德宏、保山、普洱、曲靖等地，是我國檸檬主產(chǎn)區(qū)之一。云南檸檬品質(zhì)好，果實中油、果膠、檸檬苦素等次生代謝產(chǎn)物含量高[8-9]，使其成為云南特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，被列為高原特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“十百千”行動計劃重點項目。

全球氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生了重大影響，已成為21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一[10]。近年來，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)氣候資源分布和作物生長氣候適宜性等方面的影響及應對措施，已成為目前國內(nèi)外學者研究的熱點，并取得了豐碩的研究成果。張建平等[11]借助WOFOST作物模型，模擬了近46年來由溫度導致的東北地區(qū)玉米產(chǎn)量波動情況，為定量化評估提供了一種新技術和思路；郭建平[12]對氣候變化下的中國農(nóng)業(yè)氣候資源演變趨勢進行了分析；徐敏等[13]利用RegCM4區(qū)域氣候模式在不同排放情景下的預估數(shù)據(jù)，研究了江蘇省玉米氣候資源的變化特征和未來氣候情景下的變化，對調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、應對氣候變化提供參考；胡雪瓊等[14]利用氣候模擬數(shù)據(jù)分析了未來氣候情景下云南烤煙種植氣候適宜變化趨勢，得到云南烤煙可種植區(qū)域增大的結(jié)論；張悅等[15]以氣候傾向率的方法分析了冬小麥節(jié)氣時空分布和變化特征。前人的研究多針對糧食作物，涉及檸檬的研究較少。

檸檬性喜溫暖，耐陰，不耐寒，也怕熱，因此，適宜在冬暖夏涼、年溫差小的亞熱帶地區(qū)栽培。但是，全球氣候變化對檸檬的生長適應性、產(chǎn)量、品質(zhì)造成一定的影響。為了應對氣候變化對云南檸檬生長的影響，本文在分析檸檬種植氣候適宜性指標的基礎上，利用全球氣候模式(BCC_CSM1.1)與區(qū)域氣候模式(RegCM4)單向嵌套的氣候變化情景模擬值[16]，研究未來2021—2050年云南檸檬種植適宜區(qū)對氣候變化的響應，以期為檸檬產(chǎn)業(yè)布局、規(guī)劃、引種提供科學的指導。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù):云南省125個地面氣象站1981—2018年月平均氣溫、月平均降水量、月日照時數(shù)。

本文所用模式預估數(shù)據(jù)來源于全球氣候模式比較計劃第六階段(CMIP6)的全球氣候模式HadGEM2-ES驅(qū)動的區(qū)域氣候模式RegCM4下模擬生成的過去基準時期以及未來3個時期的不同排放情境下的氣候要素，區(qū)域范圍為14.75°～55.25°N，69.75°～140.25°E，格點數(shù)283(東西方向)×163(南北方向)，水平分辨率25 km×25 km。預估數(shù)據(jù)采用了代表性濃度路徑(representative concentration pathways_RCPs)中RCP8.5、RCP4.5以及RCP2.6這3個排放情景下的過去基準時期(1981—2018年)以及未來50年(2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年)的月平均降水量、月平均氣溫、月最低氣溫等數(shù)據(jù)。

地理數(shù)據(jù):中國氣象局統(tǒng)一下發(fā)的1∶100萬地理數(shù)據(jù)，包括省界、州市界、高程等信息。

1.2 研究方法

1.2.1 年代劃分

以模式下的1981—2018年為基準年代，以2021—2030年(未來時期1)、2031—2040年(未來時期2)、2041—2050年(未來時期3)為未來氣候情景下的研究年代。

1.2.2 基準年代實況氣候資源推算

1.2.2.1 降水量模型

建立降水與海拔高程回歸模型，進行降水空間插值[17]。

(1)

式中，P1和P2為搜索半徑內(nèi)任意兩點的降水量觀測值，Z1、Z2為測點海拔；β0、β1為回歸方程系數(shù)。

在估計降水時，對于參與估值的站點降水，與海拔高程進行加權最小二乘回歸分析，則插值點的降水量(Pp)：

(2)

式中，Wi為綜合權重因子，f=β0+β1(Zp-Zi),Zp為插值點海拔，β0、β1為系數(shù)。要求│f│<1.0，并規(guī)定當│f│>0.95時，│f│=0.95。

1.2.2.2 太陽總輻射模型

實際太陽總輻射與太陽高度角、大氣狀況、云量、云狀和地形等有關。應用DEM數(shù)據(jù)，采用根據(jù)Rich等人(Rich 1990，Rich 等1994)創(chuàng)立并進一步由 Fu 和 Rich(2000，2002)發(fā)展的半球視域算法中的方法[18]，建立總輻射與理論總輻射、海拔高度、經(jīng)度，緯度、日照時數(shù)和降水量的多元回歸統(tǒng)計模型，計算了云南1—12月的基于DEM的理論太陽總輻射。逐月總輻射推算理論模型如下：

Q=a+bQt+cS+dR+eλ+fφ+gh

(3)

式中,Q為氣象站觀測的月總輻射模擬值(MJ/m2)；Qt為地理可能太陽輻射(MJ/m2)；λ為經(jīng)度；φ為緯度；S為月日照時數(shù)(h)；R為降水量(mm)；h為海拔高度(m)，a、b、c、d、e、f、g為回歸系數(shù)。再運用ArcMap柵格計算工具逐月計算出1—12月的月總輻射空間分布，經(jīng)過殘差訂正后，最終得到云南逐月實際總輻射空間分布，數(shù)值單位為MJ/m2。

1.2.2.3 平均氣溫模型

以DEM太陽輻射推算為基礎，建立月平均氣溫與月總輻射和海拔高度推算模型。

T=i+jh+kQ

(4)

式中,T為氣象站觀測的月氣溫模擬值；h為海拔高度(m)；Q為氣象站觀測的月太陽總輻射(MJ/m2)；i、j、k為回歸系數(shù)。其中海拔高度是影響氣溫的主要因子。

1.2.3 不同時期模式氣候數(shù)據(jù)的空間精細化推算

首先通過實況數(shù)據(jù)演算獲得基準年代實況氣候要素空間細網(wǎng)格精細化分布，然后利用模式輸出1981—2018年(基準時期)、2021—2030年(未來時期1)、2031—2040年(未來時期2)、2041—2050年(未來時期3)的模擬氣候要素格點值。對比模擬基準年代及未來年代的氣候要素差異，用模式輸出基準年代氣溫要素減去氣候模式下的未來年代氣溫要素，用模式輸出基準年代降水要素除以氣候模式下的未來年代降水要素，最終得到未來氣象要素變化的“信號”。把此“信號”疊加在基準時期的實況氣候要素空間精細分布值上，從而獲得未來時期氣候要素的空間精細化分布[19]。

1.2.4 檸檬種植適宜性區(qū)劃指標

由于檸檬為原產(chǎn)熱帶亞熱帶雨林下的灌木或小喬木，喜溫暖不耐嚴寒，較耐陰，因此在高原上種植檸檬最關鍵的影響因子是氣溫。根據(jù)陳海燕、吳昌標等人[20-21]的研究，檸檬最適生長溫度為23～34 ℃，植株停止生長的最低溫度12.5～13.0 ℃，最高溫度37～39 ℃，年平均氣溫決定了檸檬種植北界。極端最低氣溫-3 ℃以下或<0 ℃持續(xù)3天以上即遭受凍害。一般檸檬展葉期生長適宜溫度為15～25 ℃，當日最低氣溫<8 ℃時將影響檸檬萌動，導致展葉時間延遲，發(fā)芽整齊度低，影響檸檬掛果。檸檬開花關鍵期是2—4月，花芽分化量、開花時間、整齊度決定后期果實的數(shù)量及質(zhì)量，這一階段降雨量是影響檸檬開花的主要氣象因子。

在對云南農(nóng)業(yè)氣候資源分析的基礎上，結(jié)合以往研究成果[22-23]及云南檸檬種植實際，本文選取年平均氣溫、最冷月平均氣溫、2—4月降水量3個指標作為檸檬種植的氣候適宜性指標，并分為高度、中度、次和不適宜區(qū)4個等級，見表1。

表1 云南檸檬種植氣候適宜性指標

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Arc GIS軟件，進行氣候因子的精細化空間插值，利用ArcMAP空間分析功能對檸檬不同時期的氣候適宜性進行分區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 未來檸檬種植氣候資源的變化情況

2.1.1 年平均氣溫的變化情況

基準時期( 1981—2018年) ，云南年平均氣溫總體呈自北向南逐漸升高的分布趨勢，其中，低值區(qū)主要分布在迪慶、怒江、麗江中北部、昭通西部和曲靖北部，年平均氣溫低于 10.0 ℃；南部年平均氣溫高，河谷、壩區(qū)等低海拔地區(qū)達 20.0～23.0 ℃。在未來氣候變化的情況下，云南年均氣溫總體表現(xiàn)為增高趨勢。2021—2030年間，3種氣候變化情景下年平均氣溫的增幅大多在 1.0 ℃左右，不同情景下增幅差異不大。2031—2040年間，年平均氣溫增幅大多在1.0～1.9 ℃左右，其中RCP8.5情景的增幅明顯比RCP4.5、RCP2.6情景偏高，比RCP4.5平均偏高0.3 ℃ 左右，比RCP2.6平均偏高0.9 ℃。2041—2050年間，3種氣候變化情景下年平均氣溫的增幅大多在1.1～2.5 ℃ ，RCP8.5情景的增幅比RCP4.5偏高0.5 ℃，比RCP2.6情景平均偏高約1.1 ℃。

2.1.2 最冷月平均氣溫的變化情況

基準時期( 1981—2018年) ，云南最冷月氣溫分布趨勢與年平均氣溫類似，總體呈自北向南逐漸升高的分布趨勢，其中，低值區(qū)主要分布在迪慶、怒江、麗江中北部、昭通西部和曲靖北部，最冷月氣溫低于3.0 ℃；南部德宏、臨滄南部、西雙版納、紅河南部和文山東部氣溫高，河谷、壩區(qū)等低海拔地區(qū)達 10.0～15.0 ℃。在未來氣候變化的情況下，云南最冷月平均氣溫表現(xiàn)為冷的地方更冷，而熱的地方更熱的更為極端的氣候特征。2021—2030年間，RCP2.6情景與基準時期相差不大，RCP4.5和RCP8.5低值比基準時期下降0.1 ℃，高值增加0.1 ℃左右。2031—2040年間，RCP2.6情景低值比基準時期下降0.2 ℃，高值持平，而RCP4.5和RCP8.5情景下最冷月平均氣溫的高值都比基準年代升高0.3 ℃左右。2041—2050年間，3種氣候變化情景下最冷月平均氣溫的低值下降了約0.2 ℃，高值升高了約0.2 ℃。

2.1.3 2—4月降水量的變化情況

英語與漢語的語句組成方式不同，且漢語中有一些獨有的詞匯與概念，時，可以在結(jié)尾處標記注解，方便對方理解。例如“龍頭企業(yè)”這一名稱，在中國的意思是領軍企業(yè)，但國外的語言環(huán)境中不會接觸到這一稱呼，如果直接翻譯成“dragon head enterprise”，那就會產(chǎn)生語用失誤。因此在翻譯時應解釋出語句的具體含義，在漢語中表示的內(nèi)容。正確表達方法如下：“l(fā)eading enterprise”。

基準時期( 1981—2018年)， 2—4月降水量高值區(qū)主要分布在云南西北邊緣怒江、德宏西部一帶以及紅河南部，累積降水在300 mm以上；低值區(qū)主要分布在云南中部麗江、大理、楚雄、臨滄東部、普洱和西雙版納，累積降水在100 mm以下，其余地區(qū)介于100～300 mm。在未來氣候變化情景下，云南2—4月累計降水總體增多，滇中區(qū)域低于100 mm的面積減少幅度大，降水較多的滇西北區(qū)域高于500 mm的面積有所增大。2021—2050年，3種氣候變化情景下2—4月累計降水變化較大，較基準年都有所增加，其中RCP8.5情景下比RCP4.5和RCP2.6情景下增幅較大。3種氣候變化情景下2—4月累計降水在滇中、滇南、滇東南增幅較大，RCP8.5情景下較其他2種情景在滇東南區(qū)域增幅較大。

2.2 基準年代(1981—2018年)氣候適宜性分區(qū)

基準年代(1981—2018年)檸檬種植適宜性區(qū)劃如圖1。高度適宜區(qū)主要分布在德宏、西雙版納東部，國土面積5.7萬km2；中度適宜區(qū)在臨滄東部、普洱西部、紅河中東部，范圍較廣，國土面積12.7萬km2；次適宜區(qū)面積較小，主要分布在云南中部和昭通東北部，國土面積4.6萬km2；不適宜種植檸檬的區(qū)域主要分布在云南中部及北部地區(qū)，國土面積16.4萬km2。

圖1 云南檸檬種植氣候適宜性分布

2.3 未來氣候變化對檸檬適宜種植區(qū)的影響

2.3.1 RCP2.6情景模式

由于年平均氣溫整體增高，最冷月平均氣溫在南部種植區(qū)也有增高的趨勢，加之2—4月降水在滇東南的增加也造成檸檬氣候適宜區(qū)較基準年代整體向北擴(圖2)。2021—2030年代(未來時期1)，全省可種植區(qū)較基準年代增加了10.2%，其中，德宏、臨滄西部、西雙版納西部、普洱北部最適宜范圍擴大，適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積縮小。與基準年代相比，全省最適宜區(qū)增加了94.7%，次適宜區(qū)增加了9.1%，適宜區(qū)減小了27.7%，不適宜區(qū)域減小了14.2%(表2)。

表2 RCP2.6情景下2021—2050年云南檸檬區(qū)劃面積

圖2 RCP2.6情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)、2041—2050年(c)云南檸檬種植適宜性區(qū)劃

2031—2040年代(未來時期2)，檸檬種植適宜區(qū)域依然呈向北擴的趨勢，最適宜區(qū)進一步擴大，滇東南最適宜區(qū)面積增加，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了16.3%。與基準年代相比，最適宜區(qū)增加了113.1%，適宜區(qū)減小了24.4%，次適宜區(qū)增加了7.6%，不適宜區(qū)減小了22.8%。

2041—2050年代(未來時期3)，德宏、西雙版納幾乎全境都適宜檸檬種植，滇東南文山等地的適宜種植范圍進一步擴大，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了21.9%。與基準年代相比，最適宜區(qū)范圍大幅度擴大，增加了129.1%；適宜區(qū)減小了23.6%；次適宜區(qū)增加了13.6%；不適宜區(qū)減小了30.7%。

2.3.2 RCP4.5情景

年平均氣溫和南部最冷月平均氣溫的增高，以及滇南、滇東南的2—4月降水在未來時期2、3有增加的趨勢，都造成該情景下檸檬的高度適宜區(qū)增加幅度較大(圖3)。2021—2030年代(未來時期1)，檸檬整體氣候適宜布局向北擴， 最適宜區(qū)適宜范圍

圖3 RCP4.5情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)、2041—2050年(c)云南檸檬種植適宜性區(qū)劃

略微擴大，適宜區(qū)和次適宜區(qū)北擴，昭通東北部適宜區(qū)增加，全省可種植區(qū)域較基準年代增加35.4%，其中，最適宜區(qū)增加30.2%，適宜區(qū)增加20.3%，次適宜區(qū)增加83.1%，不適宜區(qū)減小了49.5%(表3)。

表3 Rcp4.5情景下2021—2050年云南檸檬區(qū)劃面積

2031—2040年代(未來時期2)，最適宜區(qū)明顯增加，適宜區(qū)繼續(xù)北擴，但次適宜區(qū)較前一時期變化不大，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了26.1%。西雙版納大部地區(qū)、普洱西南部、臨滄西部和文山中部地區(qū)都為最適宜區(qū)。最適宜區(qū)增加了109.0%，適宜區(qū)減小了11.8%，次適宜區(qū)增加了27.1%，不適宜區(qū)減小了36.5%。

2041—2050年代(未來時期3)，最適宜區(qū)面積大幅增加，可種植的北界達到大理、楚雄、曲靖的中部地區(qū)，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了29.9%。德宏、西雙版納大部地區(qū)、文山中部、普洱中東部都成為最適宜區(qū)，與基準年代相比，最適宜區(qū)增加了149.5%，適宜區(qū)減小了16.8%，次適宜區(qū)增加了9.3%，不適宜區(qū)減小了41.8%。

2.3.3 RCP8.5情景

RCP8.5情景下，檸檬氣候適宜區(qū)增幅比RCP2.6、RCP 4.5情景大，但在2041—2050年代(未來時期3)由于滇南和滇東南的2—4月降水增幅較大，部分地區(qū)降水過多反而不利于檸檬生長，雖然最適宜區(qū)進一步擴大，但中度適宜區(qū)范圍下降(圖4)。

圖4 RCP8.5情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)2041—2050年(c)云南檸檬種植適宜性區(qū)劃

2021—2030年代(未來時期1)，全省可種植區(qū)域北擴，適宜區(qū)大幅度的增加，不適宜區(qū)縮小，可種植區(qū)域較基準年代增加了23.7%。西雙版納西部、紅河、文山中部地區(qū)都成為最適宜區(qū)。其中，最適宜區(qū)增加了103.6%，適宜區(qū)減少了12.7%，次適宜區(qū)增加了24.4%，不適宜區(qū)減小了33.1%(表4)。

表4 RCP8.5情景下2021—2050年檸檬區(qū)劃面積

2031—2040年代(未來時期2)，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了43.6%。最適宜區(qū)增加，不適宜區(qū)縮小。其中，最適宜區(qū)增加了117.9%，適宜區(qū)減小了4.5%，次適宜區(qū)增加了83.6%，不適宜區(qū)減小了61.0%。

2041—2050年代(未來時期3)，最適宜區(qū)面積大范圍增加，德宏、西雙版納、文山、普洱、臨滄大部地區(qū)均成為最適宜區(qū)。但是受降水條件的影響，可種植的北界反而有所退縮，中度適宜區(qū)面積縮小，全省可種植區(qū)域較基準年代增加了42.6%。其中，最適宜區(qū)增加了195.7%，適宜區(qū)減小了20.2%，次適宜區(qū)增加了24.9%，不適宜區(qū)減小了59.6%。

3 結(jié)論與討論

在本研究中，3種情景下總趨勢相同：云南檸檬種植在未來時期(2021—2050年)氣候適宜區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)北擴的趨勢，隨著時間推移，適宜區(qū)范圍增加。在高排放的RCP8.5情景下，這一趨勢較RCP4.5、RCP2.6情景下北擴范圍更大，檸檬可種植區(qū)域更廣。到21世紀中葉，RCP2.6情景下檸檬最適宜種植區(qū)增加了3成左右，RCP4.5情景下檸檬最適宜種植區(qū)增加了5成左右，RCP8.5情景下檸檬最適宜種植區(qū)增加了9成左右。但由于受降水因子的限制，中度適宜區(qū)到2041—2050年開始減小，總的可適宜種植區(qū)(高度適宜區(qū)+中度適宜區(qū))基本趨于穩(wěn)定。

本研究結(jié)果與目前大多數(shù)氣候變化研究結(jié)論基本一致[24-27]：即未來氣候變化中緯度地區(qū)熱量資源增加，作物種植北界向北移動。

未來云南南部西雙版納、普洱、文山檸檬種植高度適宜區(qū)增加幅度較大，西南部德宏、臨滄檸檬種植高度適宜區(qū)也增加較多，云南中部楚雄、紅河、大理等中部地區(qū)中度適宜區(qū)增大，云南東北部昭通北部的可種植面積也有所增加，這都將給檸檬在云南的種植發(fā)展提供廣闊空間。

本研究通過對未來時期(2021—2050年)云南檸檬種植氣候適宜性的變化分析，對檸檬種植基地選址以及檸檬產(chǎn)業(yè)在云南的發(fā)展，都具有較好的參考價值。但是，檸檬的種植條件還涉及土壤、市場等多方面因素，這都有待進一步深入的研究。同時，云南省中北部為低溫、冬春干旱災害的多發(fā)區(qū)，未來極端氣候增多，檸檬種植區(qū)域向北擴展可能面臨冬季低溫、冬春干旱等極端氣象災害的風險。因此，需加合理規(guī)劃檸檬產(chǎn)業(yè)，開展技術創(chuàng)新，培育、引進新品種，推廣成熟的技術，為檸檬產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強有力的技術支持。