不同RCP情景下山東省小麥、玉米關鍵生育期的氣候變化預估

陳玉潔　陳國慶　王良　劉曉靜　王蘭　劉肖瑜　李學國

摘要：為了研究氣候變化情況下小麥、玉米關鍵生育時期氣候要素的變化趨勢和對生產的適應性，選用基于BCC-CSM1-1氣候系統模式下的3種不同濃度路徑（RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5）的模擬數據，研究了山東省冬小麥和夏玉米播種至出苗期和抽穗至灌漿期的最高溫和降水量變化趨勢。結果表明：在歷史（1961—2005年）氣候條件下，小麥季和玉米季關鍵生育期的最高溫均呈增加趨勢；在未來情景模式下，小麥季和玉米季播種至出苗期的最高溫均在RCP2.6情景下呈下降趨勢，在RCP4.5和RCP8.5情景下呈增加趨勢，且在RCP8.5情景下增加最快，氣侯傾向率分別為0.56、0.62℃/10a；小麥季和玉米季抽穗至灌漿期的最高溫在3種RCP情景下均存在不同程度的增加趨勢，在RCP8.5情景下增加最快，氣候傾向率分別為0.45、0.76℃/10a。在歷史氣候條件下，小麥季播種至出苗期的降水量呈上升趨勢，抽穗至灌漿期的降水量呈下降趨勢，而玉米季兩關鍵生育期的降水量均呈下降趨勢；在未來情景模式下，小麥季播種至出苗期的降水量在3種RCP情景下均呈下降趨勢，在RCP4.5情景下下降最快，氣候傾向率為-0.43 mm/10a；小麥季抽穗至灌漿期和玉米季播種至出苗期的降水量均呈增加趨勢，在RCP8.5情景下增加最快，氣候傾向率分別為1.53、4.62 mm/10a；玉米季抽穗至灌漿期的降水量在RCP2.6和RCP8.5情景下呈增加趨勢，在RCP4.5情景下呈減少趨勢，在RCP2.6情景下降水量增加最快，氣候傾向率為2.41 mm/10a。綜合來看，在RCP4.5和RCP8.5情景下玉米季關鍵生育時期最高溫的增溫速率均大于小麥季，而降水量的變化不顯著，因此，在未來氣候變化條件下，隨著CO2濃度的增加，可通過調整播期和優化作物管理模式實現作物產量的提高。

關鍵詞：RCP情景；冬小麥；夏玉米；溫度；降水量；山東省

中圖分類號：S165+.29 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）08-0127-10

Prediction of Climate Change in Key Growth Stages of Wheat and

Maize in Shandong Province under Different RCP Scenarios

Chen Yujie， Chen Guoqing， Wang Liang， Liu Xiaojing， Wang Lan， Liu Xiaoyu， Li Xueguo

（Agricultural College， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Abstract In order to study the variation tendency of climatic factors and adaptability to production of wheat and maize during the critical growth period in the case of climate change， the simulation data of 3 different concentration paths （RCP2.6， RCP4.5 and RCP8.5） based on the BCC-CSM1-1 climate system model were selected， the variation trend of maximum temperature and precipitation of winter wheat and summer maize from sowing to seedling and heading to filling stages were studied. The results showed that the highest temperature of wheat and maize at critical growth stages was increased in the historical （1961-2005） climate condition. Under the future scenario models， the highest temperature of wheat and maize at sowing to seedling stage decreased in the RCP2.6 scenarios， but increased in RCP8.5 and RCP4.5 scenarios. The maximum increase of the highest temperature was in RCP8.5 and the climate inclination rate was 0.56 and 0.62℃/10a， respectively. The highest temperature of winter wheat and summer maize from heading to filling stage increased in different degrees under the 3 RCP scenarios；under the RCP8.5 scenario， the highest temperature increased the largest， and the climate inclination rate was 0.45 and 0.76℃/10a， respectively. In the historical climate conditions， the precipitation of wheat from sowing to seedling increased， while it decreased from heading to filling stage， however， the precipitation of maize decreased during the critical growth stages. Under the future scenario model， the precipitation of wheat from sowing to seedling stage in the 3 RCP scenario all decreased，and it declined the fastest in the RCP4.5 scenario with the climate inclination rate as -0.43 mm/10a. The precipitation in the wheat season from heading to filling stage and in the maize season from sowing to seedling stage all increased， and both increased the fastest in the RCP8.5 situation with the climate inclination rate as 1.53 and 4.62 mm/10a. The precipitation of maize season from heading to filling stage showed an increasing trend under the RCP2.6 and RCP8.5 scenarios， but showed a decreasing trend under the RCP4.5 scenario. In the RCP2.6 scenario， the increase of precipitation was the fastest and the climate inclination rate was 2.41 mm/10a. In a comprehensive view， the temperature increasing rate of maize was higher than that of wheat in the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios during all the critical growth stages， and there was no significant changes in precipitation. Therefore， with the increase of CO2 concentration， the purpose of increasing yield could be achieved by adjusting sowing date and optimizing crop management mode under the conditions of climate change in the future.

Keywords RCP scenario； Winter wheat； Summer maize； Temperature； Precipitation；Shandong Province

全球變暖對生態環境的潛在及直接影響正逐漸顯現。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告指出，1980—2012 年全球氣溫平均升高了0.89℃（0.65～1.06℃），21 世紀全球變暖程度可能超過1.5℃[1，2]。農業是對氣候變化最敏感的領域之一，農業生產依賴于氣候條件，受氣候變化的影響明顯而廣泛，不同農業種植區域內光、溫、水等氣象條件的變化會對當地作物生長發育和產量產生不同程度的影響[3，4]。因此，結合不同RCP情景研究未來氣候變化條件下小麥、玉米關鍵生育期氣候要素的變化趨勢，對未來農業生產應對氣候變化的影響具有重要意義。

IPCC 第5次評估報告（IPCC AR5）提出了以穩定濃度為特征的新情景，并開展了4 個不同代表性濃度路徑（RCPs） 下的耦合模式相互比較計劃第5 階段（CMIP5） [5-7]。研究表明，盡管不同模式對不同情景未來氣候變化的預估結果有差異，但對未來50～100年全球氣候變化的模擬結果大體一致，即全球將持續增溫，降水出現區域性增加[8，9]；在未來三種典型碳排放情景下，2011—2060 年呈現升溫趨勢，RCP8.5情景下升溫率最大，而年降水量總體趨勢不明顯[10]。氣候變化會改變農作物生長發育過程中光照、熱量、水分的分配，從而對作物生長、產量、農業布局和種植制度產生影響[11，12]。研究表明，溫度對作物產量的影響明顯高于降水，無論是冬小麥還是夏玉米[13]；不同關鍵生育時期溫度的增加可有利于作物生長[14]。在未來氣候變暖的前提下，溫度對玉米產量具有正效應，播種期溫度增加，會使夏玉米播種期提前而成熟期推遲[15，16] ；降水增加對作物一般是負面影響，而降水少容易出現干旱影響夏玉米生長發育進程與產量形成[17，18]。

近年來，有學者開始研究未來氣候對作物生育期及產量的影響。龐艷梅等[19]通過對氣候模式PRECIS輸出的未來A2和B2氣候情景下的研究發現，未來2071—2100年四川盆地玉米生育期內≥10℃積溫、日照時數和參考作物蒸散量都呈增加趨勢；降水量在大部分地區呈減少趨勢。但是目前對不同RCP情景下小麥、玉米關鍵生育期氣候變化趨勢的預估研究較少。因此，本文基于BCC-CSM1氣候模式下的3種不同濃度路徑（RCP2.6、 RCP4.5和 RCP8.5）輸出的2020—2099 年1°×1°格點數據，包括最高氣溫、降水等逐日氣象資料，采用雙線性內插法和氣候傾向率等方法，研究未來80a（2020—2099年）不同碳排放濃度路徑下小麥、玉米關鍵生育期溫度和降水的變化趨勢，以有助于建立氣候變化背景下作物生長氣象指標，進而開展農業氣象分析、作物生育期和產量預測，為應對未來氣候變化、合理開發并利用氣候資源、調整種植布局、探討小麥和玉米的增產潛力及增產途徑等提供重要的理論依據，對降低地區性農業經濟損失、保障糧食安全等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，北緯34°22.9′～38°24.01′、東經114°47.5′～122°42.3′之間。屬暖溫帶季風氣候類型，降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。年平均氣溫11～14℃，氣溫地區差異東西大于南北。光照資源充足，光照時數年均2 290～2 890 h，熱量條件可滿足農作物一年兩作的需要。年平均降水量一般在550～950 mm之間，由東南向西北遞減；降水季節分布很不均衡，全年降水量有60%～70%集中于夏季，易形成澇災，冬、春及晚秋易發生旱情，對農業生產影響最大。小麥、玉米是山東省的主要糧食作物。

1.2 數據來源

本文數據來源于國家氣候中心提供的BCC-CSM1-1基本模式模擬的歷史數據資料（1961—2005）和3種RCP情景下（RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5） 2020—2099年1°×1°逐日格點數據資料集，包括最高溫度和降水等氣象因子。RCP是對輻射活性氣體和顆粒物排放量、濃度隨時間變化的一致性預測，作為一個集合，它涵蓋廣泛的人為氣候強迫[5]。

1.3 研究方法

選取山東省65個縣市氣象站點，為了保持模擬氣象數據與各站點的一致性，采用雙線性插值法將格點數據降尺度到各個氣象站點，然后采用氣候傾向率、累計距平、Mann-Kendall趨勢檢驗等方法，分析不同RCP情景下2020—2099年小麥季和玉米季關鍵生育期的氣候變化特征。選取小麥季的關鍵生育期為播種至出苗期（小麥季10月）、抽穗至灌漿期（小麥季5月），玉米季的關鍵生育期為播種至出苗期（玉米季6月）、抽穗至灌漿期（玉米季8月）。

1.3.1 雙線性內插法 采用雙線性內插法[20]將3種不同RCP情景下2020—2099年的模擬格點數據插值到觀測站O（x，y），假設模擬格點為S1（x1，y1）、S2（x2，y1）、S3（x1，y2）、S4（x2，y2），其中（x，y）代表站點經緯度坐標，格點各氣象要素預報值分別為F1、F2、F3、F4，觀測站要素模擬值F為：

1.3.2 氣候傾向率 氣候要素的趨勢變化一般采用一元線性回歸模型描述，即：

y=a+bx 。（2）

式中，y為氣候要素序列，x為時間序列（本文中為2020—2099年），b為線性趨勢項，10b 即氣候要素每10a的氣候傾向率，用于定量分析氣候要素變化的線性趨勢[21]。

1.3.3 累積距平法 累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢的方法。對于氣候要素序列，t時的累積距平表示為：

將 n 個時間點的累積距平值全部算出，繪出累積距平曲線，進行趨勢分析[21]。

1.3.4 Mann -Kendall 檢驗 在Mann-Kendall 檢驗中，原假設H0為時間序列（X1，X2，…，Xn），是n 個獨立的、隨機變量同分布的樣本[21]；備擇假設H1是雙邊檢驗，對于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的，檢驗的統計變量S計算式如下：

這樣，在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α 置信水平上，如果| Z | ≥Z1-α/2 ，則原假設H0是不可接受的，即在α 置信水平上，時間序列數據存在顯著的上升或下降趨勢，Z>0時，是上升趨勢，Z<0時是下降趨勢。Z的絕對值大于等于1.28、1.64、2.32時分別表示通過了置信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 歷史氣候下山東省小麥季、玉米季關鍵生育期的氣候變化趨勢

2.1.1 最高溫的變化趨勢 在歷史（1961—2005年）氣候條件下，小麥季和玉米季關鍵生育期的最高溫均呈增加趨勢（圖1、圖2）。小麥季播種至出苗期的最高溫變化范圍為13.19～19.23℃，氣候傾向率為0.33℃/10a（P<0.05）；玉米季播種至出苗期的最高溫變化范圍為20.70～27.89℃，氣候傾向率為0.25℃/10a，增加趨勢不顯著；兩者的距平值變化整體上均呈現波動性先降低后升高的趨勢（圖1）。小麥季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為15.71～24.09℃，氣候傾向率為0.08℃/10a，增加趨勢不顯著，距平值變化呈現先增高后降低再升高的波動變化趨勢；玉米季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為23.64～31.28℃，氣候傾向率為0.40℃/10a（P<0.05），距平值變化呈現波動性先降低后升高的趨勢（圖2）。

2.1.2 降水量的變化趨勢 在歷史（1961—2005年）氣候條件下，小麥季播種至出苗期的降水量呈上升趨勢，小麥季抽穗至灌漿期和玉米季兩關鍵生育期的降水量均呈下降趨勢（圖3、圖4）。小麥季播種至出苗期的降水量變化范圍為3.91～182.01 mm，氣候傾向率為0.71 mm/10a，出現負距平次數居多，降水量偏少；玉米季播種至出苗期的降水量變化范圍為53.99～234.05 mm，氣候傾向率為-3.50 mm/10a，出現正距平次數居多，降水量偏多（圖3）。小麥季抽穗至灌漿期的降水量變化范圍為34.74～317.16 mm，氣候傾向率為-1.58 mm/10a，正距平次數較多，降水量偏多；玉米季抽穗至灌漿期的降水量變化范圍為41.56～261.07 mm，氣候傾向率為-8.82 mm/10a，負距平次數較多，降水量偏少（圖4）。

2.2 不同RCP情景下小麥季、玉米季關鍵生育期的氣候變化趨勢

2.2.1 播種至出苗期的最高溫變化趨勢 在3種RCP情景下，小麥季和玉米季的播種至出苗期最高溫在RCP2.6情景下呈下降趨勢，在RCP8.5和RCP4.5情景下呈增加趨勢（圖5）。在RCP2.6情景下，小麥季播種至出苗期的最高溫變化范圍為14.74～20.86℃，氣候傾向率為-0.04℃/10a，距平值變化為先上升后降低的循環趨勢；玉米季播種至出苗期的最高溫變化范圍為22.07～29.90℃，氣候傾向率為-0.09℃/10a，距平值變化為先降低后上升再降低的趨勢。在RCP4.5情景下，小麥季播種至出苗期最高溫的變化范圍為15.81～22.61℃，氣候傾向率為0.17℃/10a（P<0.01）；玉米季播種至出苗期的最高溫變化范圍為22.02～31.02℃，氣候傾向率為0.21℃/10a（P<0.01）。在RCP8.5情景下，小麥季播種至出苗期的最高溫變化范圍為15.76～24.91℃，氣候傾向率為0.56℃/10a（P<0.01）；玉米季播種至出苗期的最高溫變化范圍為23.54～33.15℃，氣候傾向率為0.62℃/10a（P<0.01）。在RCP4.5和RCP8.5情景下，玉米季播種至出苗期的增溫速率大于小麥季，且在RCP8.5情景下，距平值變化均為先降低后上升的趨勢。

2.2.2 播種至出苗期的降水量變化趨勢 在3種RCP情景下，小麥季播種至出苗期的降水量呈減少趨勢，玉米季播種至出苗期的降水量呈增加趨勢（圖6）。在RCP2.6情景下，小麥季播種至出苗期降水量的變化范圍為0.67～212.99 mm，氣候傾向率為-0.60 mm/10a；玉米季播種至出苗期的降水量變化范圍為30.59～363.78 mm，氣候傾向率為0.93 mm/10a。在RCP4.5情景下，小麥季播種至出苗期的降水量變化范圍為2.95～238.99 mm，氣候傾向率為-0.43 mm/10a；玉米季播種至出苗期的降水量變化范圍為32.66～309.30 mm，氣候傾向率為0.65 mm/10a。在RCP8.5情景下，小麥季播種至出苗期降水量的變化范圍為1.95～186.60 mm，氣候傾向率為-0.68 mm/10a；玉米季播種至出苗期的降水量變化范圍為32.66～337.40 mm，氣候傾向率為1.53 mm/10a。在3種RCP情景下，小麥季播種至出苗期的降水量在RCP4.5情景下降速率最快，玉米季播種至出苗期的降水量在RCP8.5情景下增加速率最快。

2.2.3 抽穗至灌漿期的最高溫變化趨勢 在3種RCP情景下，小麥季和玉米季的抽穗至灌漿期最高溫均呈增加趨勢（圖7）。在RCP2.6情景下，小麥季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為18.91～24.49℃，氣候傾向率為0.09℃/10a；玉米季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為25.93～32.68℃，氣候傾向率為0.08℃/10a；兩者的距平值變化均呈現不同程度的先降低后上升再降低的趨勢。在RCP4.5情景下，小麥季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為19.09～25.57℃，氣候傾向率為0.20℃/10a（P<0.01）；玉米季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為25.23～37.02℃，氣候傾向率為0.34℃/10a（P<0.01）。在RCP8.5情景下，小麥季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為18.25～27.95℃，氣候傾向率為0.45℃/10a（P<0.01）；玉米季抽穗至灌漿期的最高溫變化范圍為24.47～37.20℃，氣候傾向率為0.76℃/10a（P<0.01）。在RCP4.5和RCP8.5情景下，玉米季抽穗至灌漿期的增溫速率均大于小麥季，且距平值變化均呈現不同程度的先降低后上升的趨勢（圖7）。

2.2.4 抽穗至灌漿期的降水量變化趨勢 在3種RCP情景下，小麥季抽穗至灌漿期的降水量均呈增加趨勢，玉米季抽穗至灌漿期的降水量在RCP2.6和RCP8.5情景下呈增加趨勢，在RCP4.5情景下呈減少趨勢（圖8）。在RCP2.6情景下，小麥季抽穗至灌漿期降水量的變化范圍為16.01～253.45 mm，氣候傾向率為1.67 mm/10a；玉米季抽穗至灌漿期的降水量變化范圍為29.95～280.88 mm，氣候傾向率為2.41 mm/10a。在RCP4.5情景下，小麥季抽穗至灌漿期降水量的變化范圍為27.22～357.90 mm，氣候傾向率為1.62 mm/10a；玉米季抽穗至灌漿期的降水量變化范圍為20.39～312.23 mm，氣候傾向率為-0.51 mm/10a。在RCP8.5情景下，小麥季抽穗至灌漿期降水量的變化范圍為16.31～262.71 mm，氣候傾向率為4.62 mm/10a；玉米季抽穗至灌漿期降水量的變化范圍為21.40～302.95 mm，氣候傾向率為0.77 mm/10a。3種RCP情景下，小麥季抽穗至灌漿期降水量的增加速率均大于玉米季。

2.3 不同RCP情景下小麥、玉米關鍵生育期的氣候要素變化率

利用Mann-Kendall趨勢檢驗方法對小麥、玉米關鍵生育期最高溫和降水量的變化進行趨勢檢驗，結果見表1。在RCP4.5和RCP8.5情景下，小麥季和玉米季關鍵生育期的最高溫均呈上升趨勢，且都通過了0.01的趨勢檢驗，說明最高溫增加趨勢十分明顯。

在3種RCP情景下，小麥季和玉米季關鍵生育時期降水量的變化多不顯著，只有RCP8.5情景下的小麥季抽穗至灌漿期的降水量變化通過了

0.05的趨勢檢驗，說明小麥季抽穗至灌漿期降水量的增加趨勢明顯。

3 討論與結論

全球變暖背景下，IPCC報告指出未來溫度和降水量均呈現增加趨勢[5]，氣候變化對農業生產能力影響主要取決于溫度的升高程度、降水格局及作物對CO2 濃度升高的生理反應。本研究結果表明，在歷史氣候條件下，小麥季和玉米季兩關鍵生育期的最高溫度均呈增加趨勢，該結果與已有對小麥、玉米生育期氣候變化的研究結果一致[23] ；小麥季播種至出苗期的降水量呈上升趨勢，抽穗至灌漿期的降水量呈下降趨勢，玉米季兩關鍵生育期的降水量均呈下降趨勢。

在3種RCP情景下，小麥季播種至出苗期的降水量均呈下降趨勢，抽穗至灌漿期的降水量和最高溫均呈增加趨勢；玉米季播種至出苗期的降水量和抽穗至灌漿期的最高溫均呈增加趨勢。小麥季和玉米季的播種至出苗期的最高溫在RCP2.6情景下呈下降趨勢，在RCP8.5和RCP4.5情景下呈增加趨勢；玉米季抽穗至灌漿期的降水量在RCP2.6和RCP8.5情景下呈增加趨勢，在RCP4.5情景下呈減少趨勢。小麥季和玉米季關鍵生育期最高溫的增加趨勢與前人研究結果相一致[24，25]。研究未來氣候變化背景下冬小麥和夏玉米關鍵生育時期對氣候變化的響應，對更好地指導小麥、玉米生產具有重大意義。作物生育期的變化除了受到氣候變化的影響外，還與管理方式、品種特性等有密切關系[26，27]。本文僅從氣候方面考慮，未考慮灌溉、施肥、病蟲害等其他因素，還不夠全面，今后將從多方面著手進行分析研究。

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