氣候變暖背景下中國北方地區(qū)谷子生長季氣候適宜性分析*

楊月婷，李凱偉，張繼權(quán)**，魏思成，劉 聰，王春乙

氣候變暖背景下中國北方地區(qū)谷子生長季氣候適宜性分析*

楊月婷1，李凱偉1，張繼權(quán)1**，魏思成1，劉 聰1，王春乙2

（1.東北師范大學環(huán)境學院，長春 130117；2.中國氣象科學研究院，北京 100081）

基于氣候適宜度模型，利用Anusplin軟件對中國北方谷子一作區(qū)314個氣象站點谷子生長季氣候資源和氣候適宜度進行1km×1km的精細化插值，分1960-1989年、1990-2019年兩個氣候年代對其空間分布和年代變化特征進行分析。結(jié)果表明：（1）北方谷子生長季氣候資源呈現(xiàn)出日照時數(shù)由東到西、由南到北遞增，累積降水量由北向南、由西向東遞增，平均氣溫南高北低的空間分布；隨著氣候變暖，研究區(qū)谷子生長季平均氣溫呈上升趨勢，日照時數(shù)和累積降水量均呈下降趨勢。（2）北方谷子生長季氣候適宜度呈現(xiàn)出溫度適宜度由東向西、由南向北遞減，降水適宜度由西北向東南遞增，日照適宜度由西北向東南遞減的態(tài)勢；由于氣候變暖，溫度適宜度和降水適宜度高值區(qū)增多，日照適宜度高值區(qū)減少。（3）根據(jù)綜合氣候適宜度的計算結(jié)果，利用自然斷點法將其劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個等級。1960-1989年（前30a）北方約21.5%的地區(qū)為谷子種植氣候最適宜區(qū)，隨著氣候變暖，1990-2019年（后30a）約有10.5%的地區(qū)從適宜區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钸m宜區(qū)，主要分布在山東、山西一帶，未來可以考慮在該區(qū)域根據(jù)實際情況擴大種植規(guī)模。

氣候變暖；谷子；氣候適宜性；精細化氣候區(qū)劃

谷子在種植過程中具有耐旱、耐瘠薄等多方面優(yōu)點，素有“旱地農(nóng)業(yè)綠洲”的美譽，已成為未來中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略儲備作物[1]。但不可否認，谷子的生長發(fā)育對氣候條件仍十分敏感，其產(chǎn)量的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣與種植區(qū)的光照、溫度、降水等資源密切相關(guān)，且不同區(qū)域氣候條件對其影響也大不相同。中國是世界谷子生產(chǎn)大國，谷子種植面積達世界總種植面積的80%[2]。中國谷子主產(chǎn)區(qū)集中在北方地區(qū)，該區(qū)域2018年谷子播種面積約76萬hm2，產(chǎn)量約228萬t，播種面積和產(chǎn)量均占全國總面積和總產(chǎn)量的90%以上[3]。然而，受全球氣候變暖的影響，近年來極端天氣事件頻繁發(fā)生，中國北方各地區(qū)出現(xiàn)氣溫升高、降水異常的現(xiàn)象[4?6]，使谷子生長發(fā)育所需要的光、溫、水等資源產(chǎn)生了明顯變化，進而導(dǎo)致其產(chǎn)量出現(xiàn)波動，可能會進一步影響國家糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)民收入水平[7?8]。因此，在氣候變化背景下對中國北方谷子進行適宜性分析，有助于科學合理布局谷子種植，充分發(fā)揮中國北方谷子種植有利的農(nóng)業(yè)氣候條件，規(guī)避不利氣象災(zāi)害的影響，促進谷子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

國內(nèi)外在氣候變化對作物的影響及其氣候適宜度方面的研究開展較早，研究成果也日趨豐富。普宗朝等[9]選擇≥10℃積溫、最低氣溫≤?25℃日數(shù)、最高氣溫≥40℃日數(shù)、終霜凍日早于≥10℃初日天數(shù)作為劃分核桃種植氣候適宜性的指標，對氣候變化背景下新疆核桃種植氣候適宜性及其分布特征進行研究；金林雪等[10]利用氣候適宜度評估模型分析內(nèi)蒙古馬鈴薯開花?采收期氣候適宜度的空間特征及變化趨勢；Tang等[11]采用GCM模型對華北平原2021?2100年的氣象數(shù)據(jù)進行預(yù)測，并以農(nóng)業(yè)氣候適宜性理論和模糊數(shù)學方法為基礎(chǔ)，分析溫度、降水和太陽輻射對冬小麥適宜性的影響。然而，以往的研究對象多集中在大田糧食作物[12?14]和特色林果作物[15?18]上，對于大田經(jīng)濟作物谷子生長氣候適宜性的研究相對較少。馬興祥等[19]基于各氣候區(qū)谷子氣候產(chǎn)量模型確定了影響產(chǎn)量形成關(guān)鍵時段的關(guān)鍵氣象因素，據(jù)此劃分5個谷子氣候生態(tài)種植區(qū)；高蓓等[20]根據(jù)谷子產(chǎn)量與環(huán)境指標的相關(guān)性分析結(jié)果選擇氣候、土壤、地形等指標作為主要參照，分別運用4個不同物種分布模型MaxEnt、EMFA、RF和GAM對目前中國谷子的潛在適宜性分布和變化規(guī)律進行分析；韓小英等[21]選擇山西省谷子研究區(qū)域≥10℃活動積溫、生育期平均氣溫、降水量和無霜期作為區(qū)劃指標，劃分出山西省谷子生產(chǎn)的4個氣候分區(qū)類型?？傮w而言，目前有關(guān)谷子氣候適宜性的研究大都存在研究時間序列短、研究范圍小、選擇的指標與方法較為單一等問題。本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響谷子生長發(fā)育所需的光、溫、水條件，通過建立各生育期溫度、日照和降水適宜度函數(shù)，構(gòu)建中國北方谷子生長季綜合氣候適宜度模型，分析該區(qū)域1960?2019年谷子氣候適宜性的空間分布和年代變化特征，以期為氣候資源的合理利用、種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整布局提供科學依據(jù)，從而實現(xiàn)谷子增產(chǎn)增收，提高農(nóng)民收入，助力鄉(xiāng)村振興。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇北方谷子一作區(qū)的11個省為研究區(qū)，該區(qū)位于昆侖山、阿爾金山、祁連山及秦嶺淮河線以北，包括東北地區(qū)（黑龍江、吉林、遼寧）、華北地區(qū)（內(nèi)蒙古、河北、山西、山東、河南）和西北地區(qū)（陜西、甘肅、寧夏），面積約占全國總面積的44%。研究區(qū)內(nèi)海拔變化較大，年均溫在5.6～13.7℃，年均降水量在150～1100mm[22]。谷子通常于5月播種，9月收獲[23]，此階段研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)氣候溫暖，日照充足，降水充沛[24]，具有適宜谷子生產(chǎn)的氣候環(huán)境（圖1）。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心，包括1960?2019年研究區(qū)內(nèi)314個氣象站觀測所得的逐日平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、降水量(mm)和平均風速(m·s?1)等，對于其中個別缺測值采用線性插值法進行補全[25]。地理信息數(shù)據(jù)包括研究區(qū)高程DEM數(shù)據(jù)（分辨率為1km×1km），來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http:// www.resdc.cn/Default.aspx）。作物數(shù)據(jù)包括谷子產(chǎn)量數(shù)據(jù)，來源于研究區(qū)各省統(tǒng)計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 谷子生長的溫度適宜度計算

溫度對于谷子的生長、發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)起著十分重要的作用，生長季最適溫度為白天22～25℃，夜間18～21℃，最適溫度最利于谷子開花受粉，氣溫過高會使花粉生活力下降，而氣溫過低會導(dǎo)致花藥不開裂，從而造成谷子障礙性冷害[26]。在前人研究的基礎(chǔ)上[27?28]確定了谷子各生育期的三基點溫度（表1），并利用式（1）和式（2）計算谷子各生育期的溫度適宜度。

式中，F(xiàn)i(t)為谷子第i生育期的溫度適宜度；ti為第i生育期日平均溫度（℃）；tli、thi和toi分別為谷子第i生育期所需的下限溫度、上限溫度和適宜溫度（℃）。

1.3.2 谷子生長的日照適宜度計算

谷子喜光不耐陰，充足的陽光有利于培育壯苗、花粉分化以及光合作用。在已有研究基礎(chǔ)上[29]，以日照時數(shù)大于可日照時數(shù)的55%作為谷子達到對光照反映的適宜狀態(tài)，利用式（3）計算谷子各生育期的日照適宜度。

式中，F(xiàn)i(s)為谷子第i生育期的日照適宜度；si為第i生育期實際日照時數(shù)（h），s0為可日照時數(shù)L0的55%，L0計算式為

表1 研究區(qū)谷子各生育期三基點溫度

1.3.3 谷子生長的降水適宜度計算

谷子較耐旱，在不同生育階段對水分的需求不同，總體表現(xiàn)為“前期宜旱，中期宜濕，后期怕澇”的特點[30]。綜合研究區(qū)的實際情況和谷子降水量/需水量指標，確定降水適宜度函數(shù)計算式為

式中，F(xiàn)i(r)為谷子第i生育期的降水適宜度；ri為谷子第i生育期累積降水量（mm）；ETci為谷子第i生育期需水量（mm）；Kci為谷子第i生育期作物系數(shù)，中國北方谷子各生育期的作物系數(shù)（表2）參考前人研究結(jié)果確定[31?32]；ET0i為該生育期參考作物蒸散量（mm），采用糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計算[33]。

表2 研究區(qū)谷子各生育期作物系數(shù)（Kc）

1.3.4 谷子生長的綜合氣候適宜度計算

谷子在不同生育期對溫度、日照和降水等氣象要素的需求不同，為分析不同生育期各氣象要素對產(chǎn)量的影響，首先對谷子單產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理，即

式中，j代表第j年，j?1代表第j?1年，ΔYj為第j年相對于第j-1年谷子單產(chǎn)增減率，即作物產(chǎn)量氣象影響指數(shù)[34]，Yj、Yj-1分別為第j年和第j?1年研究區(qū)內(nèi)各省谷子單產(chǎn)。

將各生育期溫度、降水和日照適宜度與谷子產(chǎn)量氣象影響指數(shù)進行相關(guān)分析，并將每個生育期的相關(guān)系數(shù)除以各生育期相關(guān)系數(shù)的總和分別作為每個生育期溫度、降水和日照適宜度的權(quán)重系數(shù)，利用式（9）和式（10）計算谷子生長季各單一要素的氣候適宜度，即

式中，bti、bri、bsi分別為第i個生育期溫度、降水和日照適宜度的權(quán)重系數(shù)；ati、ari、asi分別為第i個生育期溫度、降水和日照適宜度與谷子產(chǎn)量氣象影響指數(shù)的相關(guān)系數(shù)；F(t)、F(r)、F(s)分別為谷子生長季溫度、降水和日照適宜度。

每個生育期溫度、降水和日照適宜度的權(quán)重系數(shù)計算結(jié)果見表3。據(jù)此采用幾何平均法，得到谷子整個生長季的綜合氣候適宜度計算公式，即

表3 各生育期氣候適宜度的權(quán)重系數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

將研究期分為前30a（1960?1989年）和后30a（1990?2019年）兩個氣候年代，利用Matlab2018軟件處理中國北方314個氣象站點的逐日平均溫度、降水量和日照時數(shù)數(shù)據(jù)，計算得出兩個氣候年代谷子生長的溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和綜合氣候適宜度，利用Anusplin軟件以中國1km DEM柵格數(shù)據(jù)作為協(xié)變量對其進行空間內(nèi)插，利用ArcGIS軟件繪制空間分布圖，比較各氣候資源和氣候適宜度的年代變化和空間變化。由于研究區(qū)東西跨度較大，為方便空間結(jié)果比較，谷子生長季統(tǒng)一按5月上旬?9月中旬計算，并選取5月上旬?5月下旬為播種?出苗期，6月上旬?6月下旬為出苗?拔節(jié)期，7月上旬?7月下旬為拔節(jié)?抽穗期，8月上旬?9月中旬為抽穗?成熟期。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個氣候年代光溫水資源分布比較

2.1.1 光照資源

由圖2可見，在兩個氣候年代中，中國北方谷子生長季日照時數(shù)的空間分布均表現(xiàn)出由東到西、由南到北遞增的趨勢。日照時數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在內(nèi)蒙古大部和甘肅北部，低值區(qū)出現(xiàn)在河南大部、陜西南部和甘肅南部。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)約82.6%的區(qū)域日照時數(shù)減少，其中山東、山西、河南和河北等地日照時數(shù)減少明顯，最高達208.72h。

2.1.2 熱量資源

由圖3可以看出，在兩個氣候年代中，研究區(qū)谷子生長季平均溫度在空間上均表現(xiàn)出南高北低的分布。其中高值區(qū)出現(xiàn)在河北、山東、河南和陜西南部，低值區(qū)出現(xiàn)在黑龍江北部、內(nèi)蒙古北部和甘肅西南部。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)約95.2%的區(qū)域平均溫度升高，僅在山西東部、山東西部、河北北部和黑龍江東北部等區(qū)域平均溫度出現(xiàn)小幅下降。

圖2 兩個氣候年代谷子生長季日照時數(shù)分布對比

圖3 兩個氣候年代谷子生長季平均溫度分布對比

2.1.3 降水資源

由圖4可見，兩個氣候年代中谷子生長季累積降水量的空間分布均呈現(xiàn)由北到南、由西到東遞增的特點。降水量高值區(qū)集中分布在遼寧東部、河南南部和陜西南部，低值區(qū)集中在內(nèi)蒙古大部和甘肅北部。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)約46.43%區(qū)域累積降水量減少，主要分布在遼寧東南部、山西南部、河北南部和河南南部等區(qū)域，減少量最多達109.90mm。

2.2 兩個年代谷子生長的氣候適宜度比較

2.2.1 溫度適宜度

圖5表明，在兩個氣候年代中，北方谷子生長季溫度適宜度的空間差異均較大，高值區(qū)分布廣泛，低值區(qū)則集中在甘肅西南部和內(nèi)蒙古北部。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)谷子生長季溫度適宜度高值區(qū)面積有所增加，主要出現(xiàn)在東北地區(qū)西部；低值區(qū)面積明顯減少，以內(nèi)蒙古變化最為明顯，其北部低值區(qū)完全消失。總體而言，研究區(qū)約有77.44%的區(qū)域溫度適宜度增加，氣候變暖對谷子生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響。

2.2.2 降水適宜度

由圖6可見，在兩個氣候年代中，谷子生長季降水適宜度地區(qū)間差異均較大，高值區(qū)出現(xiàn)在東北地區(qū)東部、甘肅南部、陜西南部和河北北部，低值區(qū)的分布較為集中，主要包括甘肅北部和內(nèi)蒙古西北部。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)降水適宜度高值區(qū)面積增加約5.0%，且增加區(qū)域相對集中，主要出現(xiàn)在東北地區(qū)東部，降水適宜度低值區(qū)面積略微減少，主要出現(xiàn)在內(nèi)蒙古西部。總體而言，隨著氣候變暖，研究區(qū)76.3%的區(qū)域降水適宜度增多，23.7%的區(qū)域降水適宜度減少。

圖4 兩個氣候年代谷子生長季累積降水量分布對比

圖5 兩個氣候年代谷子生長季溫度適宜度分布對比

圖6 兩個氣候年代谷子生長季降水適宜度分布對比

2.2.3 日照適宜度

由圖7可見，在兩個氣候年代中，谷子生長季日照適宜度整體較高，大多數(shù)地區(qū)日照適宜度處于0.85以上，僅甘肅南部、陜西南部和河南南部適宜度較低，均低于0.75。從年代變化上分析，與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）研究區(qū)日照適宜度高值區(qū)面積減少14.6%，東北地區(qū)西部、內(nèi)蒙古北部、河北大部和山東北部的高值區(qū)基本消失，同時甘肅南部、陜西南部和河南南部低值區(qū)面積增大?？傮w而言，由于氣候變暖的影響，研究區(qū)80.7%的區(qū)域谷子日照適宜度下降。

2.2.4 綜合氣候適宜度

根據(jù)綜合氣候適宜度的計算結(jié)果，利用自然斷點法將其劃分為最適宜、適宜、次適宜、不適宜4個等級，繪制兩個氣候年代研究區(qū)谷子生長季綜合氣候適宜度空間分布圖（圖8）。

（1）最適宜區(qū)：0.65≤F(S)＜1，谷子最適宜區(qū)熱量資源豐富，光照充足，降水量充沛，生長季平均氣溫為15～25℃，累積降水量為700～1100mm，日照時數(shù)為600～1200h，各方面資源均能滿足谷子生長發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需要，是谷子種植最理想的區(qū)域。1960?1989年（前30a），谷子最適宜區(qū)主要分布在東北地區(qū)中東部、河北東北部、山東東部、陜西中南部、山西南部和河南南部等區(qū)域，其面積約占研究區(qū)總面積的21.5%。1990?2019年（后30a），谷子最適宜區(qū)面積較之前相比明顯增多，增多面積約占研究區(qū)面積的10.5%，主要分布在山東、山西一帶。與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）谷子最適宜區(qū)明顯擴大的主要原因之一是受氣候變暖的影響，谷子生長季平均氣溫升高，溫度適宜度增大，而降水適宜度和日照適宜度變化不明顯，使得部分谷子適宜區(qū)成為最適宜區(qū)。

（2）適宜區(qū)：0.4≤F(S)＜0.65，谷子適宜區(qū)的氣候條件對谷子種植的適宜程度總體略遜于最適宜區(qū)，但能滿足谷子正常生長發(fā)育的需求，適宜谷子生長。1960?1989年（前30a），谷子適宜區(qū)分布范圍廣泛，研究區(qū)內(nèi)每個省份都有分布，主要集中在研究區(qū)的東南部地區(qū)，其面積約占研究區(qū)總面積的52.3%。1990?2019年（后30a），谷子適宜區(qū)范圍向西北方向轉(zhuǎn)移。與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）谷子適宜區(qū)向西北方向轉(zhuǎn)移的主要原因是，受氣候變暖的影響，溫度升高，海拔較高的甘肅西南部因熱量不足而影響谷子正常生長的區(qū)域成為谷子適宜區(qū)；其次，內(nèi)蒙古西北部降水增多，谷子遭受嚴重干旱災(zāi)害的幾率變小，成為適宜區(qū)。

（3）次適宜區(qū)：0.2≤F(S)＜0.4，1960?1989年（前30a），谷子次適宜區(qū)主要分布于甘肅、內(nèi)蒙古兩地，集中在甘肅南部和北部、內(nèi)蒙古中西部和北部，其面積約占研究區(qū)總面積的19.4%。1990?2019年（后30a），谷子次適宜區(qū)面積較之前有所減少，整體向西轉(zhuǎn)移。谷子次適宜區(qū)綜合氣候適宜度較差，其中，甘肅北部谷子生長季平均溫度在5℃左右，累積降水量在200mm左右，對谷子結(jié)實過程產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致結(jié)實率降低，影響當?shù)毓茸赢a(chǎn)量。內(nèi)蒙古中西部溫度、日照均較適合谷子的種植，但由于地處阿拉善沙漠附近，降水短缺，谷子易遭受干旱，延遲抽穗，谷穗變小，形成禿尖，產(chǎn)量下降。而甘肅南部與內(nèi)蒙古北部谷子生長季平均溫度較低，在0℃左右，易使谷子在出苗期遭受低溫冷害。與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）谷子次適宜區(qū)整體向西轉(zhuǎn)移的主要原因是，受氣候變化影響，谷子適宜區(qū)向西北轉(zhuǎn)移，使谷子次適宜區(qū)被壓縮。

（4）不適宜區(qū)：F(S)＜0.2，1960?1989年（前30a），谷子不適宜區(qū)分布范圍較小，其面積約占研究區(qū)總面積的6.8%，主要存在于甘肅東南部、內(nèi)蒙古西部和北部。這與馬興祥等[19,35]的研究結(jié)果一致。1990?2019年（后30a），谷子不適宜區(qū)面積總體變化不大，內(nèi)蒙古北部不適宜區(qū)消失，西部不適宜區(qū)增多。不適宜區(qū)氣候條件對谷子種植的適宜程度極低，但各地制約其種植氣候適宜性的因素不同。其中，甘肅東南部處于祁連山區(qū)、青藏高原邊緣地帶、六盤山地等高海拔地區(qū)，由于海拔較高，氣溫相對較低，谷子生長季平均溫度低于0℃，谷子無法出苗，因此是谷子種植的不適宜區(qū)；內(nèi)蒙古北部由于緯度較高，谷子灌漿期溫度嚴重不足，影響谷子正常生長，導(dǎo)致谷子產(chǎn)量低而不穩(wěn)，種植風險大，不適宜谷子種植；內(nèi)蒙古西部處于阿拉善沙漠，谷子生長季累積降水量在60～100mm，遠低于谷子能正常生長發(fā)育的需水量，谷子無法生長，因此也不適宜谷子種植。與1960?1989年（前30a）相比，1990?2019年（后30a）谷子不適宜區(qū)變化的主要原因是，由于氣候變暖使得內(nèi)蒙古北部溫度上升，該區(qū)域的不適宜區(qū)成為次適宜區(qū)；而內(nèi)蒙古西部降水量和日照時數(shù)減少，溫度升高，谷子遭受干旱災(zāi)害的幾率上升，谷子不適宜區(qū)增大。

圖7 兩個氣候年代谷子生長季日照適宜度分布對比

圖8 兩個氣候年代谷子生長季綜合氣候適宜度分布對比

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）在兩個氣候年代中，中國北方地區(qū)谷子生長季氣候資源均呈現(xiàn)出“日照時數(shù)由東到西、由南到北遞增，累積降水量由北向南、由西向東遞增，平均氣溫南高北低”的空間分布。隨著氣候變暖，研究區(qū)谷子生長季平均氣溫呈上升趨勢，日照時數(shù)和累積降水量呈下降趨勢，氣候趨于暖干化。

（2）在兩個氣候年代中，中國北方谷子生長季氣候適宜度在空間分布上的主要特征為，溫度適宜度由東向西、由南向北遞減，降水適宜度由東南向西北遞減，日照適宜度由西北向東南呈“高?中?低”的帶狀分布。由于氣候變暖，中國北方谷子的溫度適宜度、降水適宜度高值區(qū)有所增多，主要存在于黑龍江和內(nèi)蒙古兩地；而日照適宜度高值區(qū)有較大程度的減少，整體向北移動。

（3）在溫度、日照和降水的綜合作用下，兩個氣候年代中北方谷子種植最適宜區(qū)主要分布在東北地區(qū)中東部、河北東北部、山東東部、陜西中南部、山西南部和河南南部；適宜區(qū)分布范圍廣泛，主要集中在研究區(qū)的東南部地區(qū)；次適宜區(qū)和不適宜區(qū)多存在于甘肅南部和北部、內(nèi)蒙古中西部和北部。在氣候變暖背景下，谷子種植最適宜區(qū)明顯擴大，擴大面積約占研究區(qū)總面積的10.5%，主要分布在山東和山西一帶；次適宜區(qū)和不適宜區(qū)減小，整體向西北方向轉(zhuǎn)移?？傮w而言氣候變暖使得研究區(qū)熱量資源進一步優(yōu)化，對中國北方谷子的種植趨于有利。

3.2 討論

與已有研究相比，本研究所選擇的綜合指標考慮了影響谷子生長發(fā)育的光、溫、水條件，更加全面；同時考慮到谷子不同生育期對光、溫、水條件的需求不同，結(jié)合作物產(chǎn)量變異系數(shù)確定不同生育期溫度、日照、降水適宜度權(quán)重，以此計算谷子全生長季綜合氣候適宜度；除此之外本研究利用Anusplin軟件進行精細化插值，提高了氣候區(qū)劃的準確度。通過與全國谷子優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的對比分析[36]，發(fā)現(xiàn)中國北方谷子生長季綜合氣候適宜度高值區(qū)分布情況與實際優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)分布情況相符，說明該評價方法具有較好的表征能力。但谷子的生長發(fā)育本身是一個繁雜的過程，受多方面因素影響，主要包括種植區(qū)土壤條件、地勢地形以及谷子品種特質(zhì)、病蟲害等，各要素之間會相互影響，并且在不同生育期所產(chǎn)生的影響也不同，因此在今后的研究中，有必要考慮不同要素的綜合影響，進行更加深入、細致的研究，以進一步完善適宜度評價方法的實際表征能力。

受到當前全球氣候變化的影響，近年來溫度、日照、降水等主要農(nóng)業(yè)氣候資源均呈現(xiàn)出長期的波動態(tài)勢，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性逐年增加，作物的生長發(fā)育過程也會產(chǎn)生相應(yīng)程度的變化[37?38]。本研究從時間尺度上分兩個時間段詳細分析了谷子生長季的適宜度變化情況，結(jié)果表明隨著氣候變暖，中國北方谷子氣候適宜性呈上升趨勢，最適宜區(qū)和適宜區(qū)向西北擴張，面積由73.8%增加至81.5%，今后可以考慮在中國北方根據(jù)實際情況擴大谷子種植規(guī)模，從而提高農(nóng)民收入，促進脫貧攻堅工作。但是本研究只利用歷史氣象資料建立適宜度模型，并以此為基礎(chǔ)分析近60a中國北方谷子適宜區(qū)的變化情況，缺少對未來谷子適宜區(qū)變化的研究。因此在未來的研究中應(yīng)結(jié)合未來氣候變化情景數(shù)據(jù)，對中國北方谷子氣候區(qū)劃進行深入研究，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 李順國,劉斐,劉猛,等.我國谷子產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及對策建議[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2014,35(5):531-535.

Li S G,Liu F,Liu M,et al.The current industry situation,development trend,and suggestions for the future of foxtail millet in China[J].Research of Agricultural Modernization,2014,35(5):531-535.(in Chinese)

[2] 李紅英,程鴻燕,郭昱,等.谷子抗旱機制研究進展[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2018,38(1):6-10.

Li H Y,Cheng H Y,Guo Y,et al.Progress in the mechanisms of drought tolerance in foxtail millet[J].Journal of Shanxi Agricultural University(Natural Science Edition),2018, 38(1): 6-10.(in Chinese)

[3] 李順國,劉斐,劉猛,等.中國谷子產(chǎn)業(yè)和種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2021,54(3):459-470.

Li S G,Liu F,Liu M,et al.The current industry situation, development trend,and suggestions for the future of foxtail millet in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2021,54(3): 459-470.(in Chinese)

[4] 何斌,劉志娟,楊曉光,等.氣候變化背景下中國主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時空分布特征(Ⅱ):西北主要糧食作物干旱[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(1):31-41.

He B,Liu Z J,Yang X G,et al.Temporal and spatial variations of agro-meteorological disasters of main crops in China in a changing climate(Ⅱ):drought of cereal crops in northwest China[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2017,38(1):31-41.(in Chinese)

[5] 張夢婷,劉志娟,楊曉光,等.氣候變化背景下中國主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時空分布特征(Ⅰ):東北春玉米延遲型冷害[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(5):599-610.

Zhang M T,Liu Z J,Yang X G,et al.Temporal and spatial variations of agro-meteorological disasters of major crops in China under the background of climate change(Ⅰ): delayed chilling damage of spring maize in northeast China[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2016,37(5):599-610.(in Chinese)

[6] 萬能涵,楊曉光,劉志娟,等.氣候變化背景下中國主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時空分布特征(Ⅲ):華北地區(qū)夏玉米干旱[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(4):209-219.

Wan N H,Yang X G,Liu Z J,et al.Temporal and spatial variations of agro-meteorological disasters of main crops in China in a changing climate(Ⅲ):drought of summer maize in north China plain[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(4):209-219.(in Chinese)

[7] 郭建平.氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究進展[J].應(yīng)用氣象學報,2015,26(1):1-11.

Guo J P.Advance in impacts of climate change on agricultural production in China[J].Journal of Applied Meteorological Science,2015,26(1):1-11.(in Chinese)

[8] Ye L,Xiong W,Li Z,et al.Climate change impact on China food security in 2050[J].Agronomy and Sustainable Development,2012,33(2):363-374.

[9] 普宗朝,張山清.氣候變暖對新疆核桃種植氣候適宜性的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(4):267-279.

Pu Z C,Zhang S Q.Impact of climate change on walnut-planting climatic suitability in Xinjiang[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(4):267-279. (in Chinese)

[10] 金林雪,李云鵬,李丹,等.氣候變化背景下內(nèi)蒙古馬鈴薯關(guān)鍵生長期氣候適宜性分析[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2018, 26(1):38-48.

Jin L X,Li Y P,Li D,et al.Suitability analysis of key potato growth stages in Inner Mongolia under climate change[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2018,26(1): 38-48.(in Chinese)

[11] Tang X P,Liu H J.Spatial-temporal distribution of climate suitability of winter wheat in North China Plain for current and future climate scenarios[J].Theoretical and Applied Climatology,2021,143:915-930.

[12]` 薛志丹,孟軍,吳秋峰.基于氣候適宜度的黑龍江省大豆種植區(qū)劃研究[J].大豆科學,2019,38(3):399-406.

Xue Z D,Meng J,Wu Q F.Soybean planting division in Heilongjiang province based on climate suitability[J]. Soybean Science,2019,38(3):399-406.(in Chinese)

[13] 趙彥茜,肖登攀,柏會子,等.華北平原冬小麥和夏玉米氣候適宜性[J].生態(tài)學雜志,2020,39(7):2251-2262.

Zhao Y X,Xiao D P,Bai H Z,et al.Climatic suitability of winter wheat and summer maize in the North China Plain[J].Chinese Journal of Ecology,2020,39(7):2251- 2262.(in Chinese)

[14] Yang X J,Sun J Y,Guo J L,et al.Effects of climate change on cultivation patterns and climate suitability of spring Maize in Inner Mongolia[J].Sustainability,2021,13(14): 072-8072.

[15] 張旭然,王明田,楊再強,等.川西高原錯季草莓種植的適宜度分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2021,42(2):102-111.

Zhang X R,Wang M T,Yang Z Q,et al.Climate suitability of unseasonal strawberry planting in the western Sichuan plateau[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2021,42(2): 102-111.(in Chinese)

[16] 張柳紅,王華,唐力生.廣東種植青棗氣候適宜度評價[J].熱帶氣象學報,2020,36(5):660-667.

Zhang L H,Wang H,Tang L S.Zizyphus mauritiana Lam.planting in Guangdong province[J].Journal of Tropical Meteorology,2020,36(5):660-667.(in Chinese)

[17] 張波,胡家敏,谷曉平,等.基于氣候適宜度的貴州番茄精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[J].北方園藝,2018(2):193-198.

Zhang B,Hu J M,Gu X P,et al.Precise comprehensive agricultural climate division for tomato in Guizhou province based on climatic suitability models[J].Northern Horticulture,2018(2):193-198.(in Chinese)

[18] 肖秀珠,劉佳明,孫朝鋒,等.福建省藍莓種植氣候適宜性區(qū)劃[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(8):520-528.

Xiao X Z,Liu J M,Sun C F,et al.Climate suitability zoning of blueberry in Fujian province[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2020,41(8):520-528.(in Chinese)

[19] 馬興祥,鄧振鏞,魏育國,等.甘肅省谷子氣候生態(tài)適應(yīng)性分析及適生種植區(qū)劃[J].干旱氣象,2004(3):59-62.

Ma X X,Deng Z Y,Wei Y G,et al.Study on ecoclimatic applicability and suitable planting division of millet in Gansu province[J].Arid Meteorology,2004(3):59-62.(in Chinese)

[20] 高蓓,胡凝,郭彥龍,等.中國谷子潛在地理分布的多模型比較[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2017,28(10):3331-3340.

Gao B,Hu N,Guo Y L,et al.Comparison of the potential geographical distribution of foxtail millet(Setaria italica) predicted by different models[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2017,28(10):3331-3340.(in Chinese)

[21] 韓小英,張蕾,韓偉宏,等.基于GIS的山西谷子種植氣候區(qū)劃分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學,2020,48(4):609-614.

Han X Y,Zhang L,Han W H,et al.Analysis on climate division of millet planting based on GIS technology in Shanxi[J].Journal of Shanxi Agricultural Sciences,2020, 48(4):609-614.(in Chinese)

[22] 王天強.1960-2016年中國北方喜涼作物氣候生長期的時空特征及其影響因素[D].蘭州:西北師范大學,2018.

Wang T Q.Spatial-temporal characteristics and influencing factors of climate growth period of chimonophilous crop in north China from 1960 to 2016[D].Lanzhou:Northwest Normal University,2018.(in Chinese)

[23] 李效珍,魯巨,王孔香,等.大同地區(qū)谷子生產(chǎn)的氣候條件評述[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(S2):227-229.

Li X Z,Lu J,Wang K X,et al.Review on climate condition on millet production in Datong[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2009,30(S2):227-229.(in Chinese)

[24] 邱美娟,劉布春,劉園,等.中國北方蘋果主產(chǎn)省降水分布特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(5):263-274.

Qiu M J,Liu B C,Liu Y,et al.Analysis on distribution characteristics of precipitation in major production provinces of apple in northern China[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2020,41(5):263-274.(in Chinese)

[25] 胡琦,潘學標,張丹,等.東北地區(qū)不同時間尺度下氣溫和無霜期的變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(1):1-8.

Hu Q,Pan X B,Zhang D,et al.Variation of temperature and frost-free period in different time scales in northeast China[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(1): 1-8.(in Chinese)

[26] 張玲,趙愛慧,宮克發(fā),等.突泉縣種植優(yōu)質(zhì)谷子的氣候條件分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011(11):307.

Zhang L,Zhao A H,Gong K F,et al.Climatic condition analysis of planting high quality millet in Tuquan county[J].Modern Agricultural Science and Technology, 2011(11):307.(in Chinese)

[27] 張新龍.谷子不同生長期溫度和降水波動對品質(zhì)的影響[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2021(12):65-66.

Zhang X L.Effects of temperature and precipitation fluctuation on quality of millet in different growing stages[J].Inner Mongolia Science Technology & Economy,2021(12):65-66.(in Chinese)

[28] 陳笑,吳宏亮,趙芮.基于GIS的張雜19在寧夏中部干旱帶的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學,2018(6):22-25.

ChenX,Wu H L,Zhao R.Agricultural climate division of Zhangza 19 based on GIS in Ningxia central arid zone[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences,2018(6):22-25.(in Chinese)

[29] 黃璜.中國紅黃壤地區(qū)作物生產(chǎn)的氣候生態(tài)適應(yīng)性研究[J].自然資源學報,1996(4):340-346.

Huang H.A study on the climatic ecology adaptability of the crop production in the red and yellow soils regions of China[J].Journal of Natural Resources,1996(4):340-346.(in Chinese)

[30] 薛景軒,王琎.隴東谷子的氣象條件分析[J].甘肅農(nóng)業(yè),2005(3):88.

Xue J X,Wang J.Analysis on meteorological conditions of millet in Longdong[J].Gansu Agriculture,2005(3): 88.(in Chinese)

[31]翟超,張娜,肖楊,等.新疆主要糧食作物滴灌條件下作物系數(shù)及水分生產(chǎn)率試驗研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2021, 35(3):162-167.

Zhai C,Zhang N,Xiao Y,et al.Experiment on crop coefficient and water productivity of main grain crops under drip irrigation in Xinjiang[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2021,35(3):162-167.(in Chinese)

[32] 何俊仕,邊曉東,付玉娟,等.西遼河平原主要作物耗水量及耗水規(guī)律研究[J].節(jié)水灌溉,2012(11):1-4.

He J S,Bian X D,Fu Y J,et al.Research on water consumption and its law of main crops in West Liaohe River plain[J].Water Saving Irrigation,2012(11):1-4.(in Chinese)

[33] Allen R G,Pereira L S,Rase D,et al.Crop evaportranspiration guide lines for computing crop water requirements[R]. FAO,1998.

[34] 邱美娟,劉布春,袁福香,等.基于氣候適宜度指數(shù)預(yù)報玉米產(chǎn)量時旬權(quán)重系數(shù)的確定方法[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(10):664-673.

Qiu M J,Liu B C,Yuan F X,et al.Determination methods of weight coefficient in spring maize yield prediction based on climatic suitability index[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(10):664-673.(in Chinese)

[35] 柴曉嬌,李書田,趙敏,等.內(nèi)蒙古谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題與解決對策[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技,2012(5):8.

Chai X J,Li S T,Zhao M,et al.Problems and countermeasures of millet industry development in Inner Mongolia[J].Inner Mongolia Agricultural Science and Technology,2012(5):8.(in Chinese)

[36] 劉杰安,王小慧,吳堯,等.近30年我國谷子生產(chǎn)時空變化與區(qū)域優(yōu)勢研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2019,52(11):1883- 1894.

Liu J A,Wang X H,Wu Y,et al.Spatiotemporal variation and regional advantages of foxtail millet production in recent 30 years in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2019, 52(11):1883-1894.(in Chinese)

[37] 楊曉光,李勇,代姝瑋,等.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化Ⅸ:中國農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2011,22(12):3177-3188.

Yang X G,Li Y,Dai S W,et al.Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change Ⅸ:spatiotemporal change characteristics of China agricultural climate resources[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(12):3177-3188.(in Chinese)

[38] Qin Z,Tang H,Li W,et al.Modelling impact of agro-drought on grain production in China[J].International Journal of Disaster Risk Reduction,2013(7):109-121.

Climatic Suitability Analysis of Millet Growing Season in Northern China Region in the Context of Climate Warming

YANG Yue-ting1, LI Kai-wei1, ZHANG Ji-quan1, WEI Si-cheng1, LIU Cong1, WANG Chun-yi2

(1.School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China; 2.Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081）

Millet shows a strong tolerance to drought and barren soil during the process of planting. Millet is also an important strategic reserved crop for sustainable agricultural development in China in the future. It is of great practical significance to discuss the regional adaptability of millet in the context of climate change. Based on the climate suitability model, Anusplin software was used to interpolate the climate resources and climate suitability of 314 meteorological stations in millet growing area in Northern China Region by 1km×1km. The spatial distribution and temporal variation characteristics of climate resources and climate suitability in millet growing season were analyzed in 1960-1989 and 1990-2019. The results showed that: (1) the climate resources in millet growing season in Northern China Region showed that sunshine duration increased from east to west and from south to north; Cumulative precipitation increased from north to south and from west to east. The spatial distribution of mean temperature was higher in the south and lower in the north. With the warming of climate, the mean temperature in millet growing season showed an increasing trend, while sunshine duration and accumulated precipitation showed a decreasing trend. (2) The climate suitability in millet growing season presented a trend of "temperature suitability decreased from east to west and from south to north, precipitation suitability increased from northwest to southeast, and sunshine suitability decreased from northwest to southeast". Due to climate warming, the high value areas of temperature suitability and precipitation suitability increased, while the high value areas of sunshine suitability decreased greatly. (3) According to the calculation results of comprehensive climate suitability, the method of natural break was used to divide it into four grades: most suitable, suitable, sub-suitable and unsuitable. About 21.5% of Northern China Region was the most suitable area for millet planting in 1960-1989 (the first 30 years). As the climate warms, about 10.5% areas changed from the suitable area to the most suitable area in 1990-2019(the last 30 years), mainly in Shandong and Shanxi. In the future, it can be considered to expand the planting area in this region according to the actual situation.

Climate warming; Millet; Climate suitability; Refined climate zoning

楊月婷,李凱偉,張繼權(quán),等.氣候變暖背景下中國北方地區(qū)谷子生長季氣候適宜性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(3):215-228

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.005

2021?05?10

國家重點研發(fā)計劃（2019YFD1002201）；國家自然科學基金項目（41877520）；吉林省科技攻關(guān)項目（20190303018SF）；長春市重大科技攻關(guān)項目（19SS007）

張繼權(quán)，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，E-mail：zhangjq022@nenu.edu.cn

楊月婷，E-mail：yangyt042@nenu.edu.cn