河南省優質小麥適宜種植區及未來變化趨勢

余衛東 楊君健

(1.中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；2.商丘市氣象局，河南 商丘 476000)

小麥是我國主要糧食作物，常年播種面積維持在0.24億hm2以上。近年來我國小麥總產量連續超過1.3億t[1]，基本滿足國內市場需求，但隨著經濟發展和人們生活水平的提高，我國對優質強筋和優質弱筋專用小麥的需求逐年上升。每年優質專用小麥消費量在1 000萬t左右，其中約300萬t需要依賴進口[2-3]。

小麥品質是一個由多因素構成的復雜的綜合性概念。在一定栽培措施條件下，小麥生育期內光、溫、水等氣象條件是影響籽粒品質形成的主要因素[4-7]。同一小麥品種的品質存在明顯的地域差異，且品質的地域間差異大于品種間差異[8]。我國北方冬麥區小麥籽粒的蛋白質數量和質量整體優于南方冬麥區和春播麥區[9-10]。蛋白質含量與緯度呈極顯著正相關，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、產量和品質都產生一定影響[15-19]。

河南省位于華北平原南部，地處北緯31°23′～36°22′。小麥是河南農業的優勢農產業之一，2018年全省種植面積占全國小麥總面積的23.7%，產量占27.4%[1]。優質強筋、中筋和弱筋小麥在河南省都有適宜的種植區域[20-21]。近年來圍繞“建設優質專用小麥為主的全國重要的優質糧生產和加工基地”目標，以小麥優質化種植推進農業結構調整，重點發展優質強筋小麥和弱筋小麥，至2020年河南省優質專用小麥種植面積已發展到900×103hm2。拓展小麥種植進一步發展的空間，需要分析優質專用小麥農業氣候資源。現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、生長發育和產量的影響，針對優質小麥種植區域的影響較少涉及。因此，為分析氣候條件與優質小麥種植的關系，本研究擬以河南省優質小麥為研究對象，利用小麥品質形成關鍵期農業氣象條件量化賦值的方式，確定河南省優質專用小麥適宜種植農業氣候指標，研究未來氣候條件對河南省優質小麥種植區域的影響，為合理規劃河南省優質小麥種植布局、培育優質小麥品種和研發適應未來氣候情景的栽培技術提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 研究數據

本研究數據包括氣象觀測數據和氣候情景模擬數據。結合河南省臺站資料的完整性與可用性，地面觀測數據時間序列為1971—2000年，由河南省氣象數據中心提供河南省113 個氣象觀測站的逐日日照時數(h)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)和降水量(mm)。氣候情景模擬數據為區域氣候模式數據RegCM4.0，嵌套BCC_CSM1.1全球氣候系統模式的輸出結果[22-23]，包括1971—2000年的歷史模擬值和RCP 4.5、RCP 8.5情景下氣候預估數據(2001—2050年)，空間分辨率為0.5°×0.5°。統計分析的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)，應用時將氣溫數據統一轉換為℃。

根據河南省行政區域經緯度范圍，本研究選取的經度范圍為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情景數據空間格點及河南省113 個氣象觀測站分布見圖1。

圖1 河南省RCP情景數據格點及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河南省優質專用小麥區劃指標

參考小麥品質與氣象條件關系研究結果和已有河南省優質小麥農業氣候區劃指標[21]，結合RCP情景輸出的數據類型，確定適用于RCP4.5和RCP8.5未來氣候情景數據的河南省優質專用小麥區劃指標體系(表1)，并對強筋、中筋和弱筋適宜區分別賦值3分、2分和1分。

1.2.2區劃指標統計分析

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

表1 基于RCP氣候情景數據的河南省優質小麥區劃指標Table 1 Regionalization index of high-quality wheat in Henan Province based on RCP data

1.2.3統計結果偏差校正

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

首先根據河南省1971—2000年的地面觀測站逐日資料，分別統計113 個站8 個區劃指標的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據統計結果內插到113 個站點上；然后利用Delta法分別確定113 個站點逐個區劃指標的校正系數；最后基于各站逐指標的校正系數，分別對2030年、2040年和2050年區劃指標統計值進行偏差校正。

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

降水類或輻射數據校正公式為：

Pf=P0×(PGf/PG0)

(1)

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

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，分別取0.146和0.595；n為實際日照時數，h；N可照時數，h；Ra為每天的地球外輻射，MJ/(m2·d)。由于未來情景數據中輻射的單位為W/m2，因此還需要把計算結果轉換為相同量綱數據，轉化方法如下：

R′s=Rs×106/(24×60×60)

(3)

溫度類數據校正公式為：

Tf=T0+(TGf-TG0)

(4)

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

1.2.4區劃要素空間插值

利用河南省113 個氣象站的實際觀測資料及對應站點的經度、緯度、海拔高度數據，將經度、緯度和海拔高度作為自變量，區劃指標作為因變量，建立氣候要素網格推算多元回歸方程(表2)。

表2 河南省農業氣候要素地理推算模型Table 2 Geographical model of agro-climatic regionalization index in Henan Province

根據表2中各區劃指標地理推算方程的回歸系數和1∶100 萬河南省基礎地理背景數據，利用梯度距離反比法[28]，分別對基準時段、校正后的RCP4.5和RCP8.5情景下2030年、2040年和2050年各氣候指標進行空間插值，得到1 km×1 km區劃指標空間分布結果。

1.2.5農業氣候區劃制作

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

2 結果與分析

2.1 基準時段河南省優質小麥種植分布

基準時段1971—2000年河南省優質小麥農業氣候分區結果見圖2。可知各類優質小麥適宜區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、強筋中筋小麥過渡區、中筋小麥適宜區、中筋弱筋小麥過渡區和弱筋小麥適宜區。

圖2 基準時段1971—2000年河南省優質小麥種植適宜區分布Fig.2 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 1971 to 2000

強筋小麥適宜區主要分布在河南省內34°N以北。該區光溫條件較好，冬小麥生長期內≥0 ℃積溫2 000～2 300 ℃.d，降水量200～260 mm，日照時數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；拔節期干旱和倒春寒幾率較高，影響小麥產量和品質。多數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，適合優質強筋小麥種植。

中筋小麥適宜區主要分布在33～34°N的駐馬店、漯河、南陽等地。該區域冬小麥全生育期≥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。

弱筋小麥適宜區主要分布在32.5°N以南的信陽南部。這一地區氣候屬于北亞熱帶，小麥生育期≥0 ℃積溫多于2 500 ℃.d，降水量450～600 mm，日照時數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 ℃，不利于籽粒蛋白質和面筋的形成，面團強度較低，適合發展優質弱筋小麥。

2.2 未來氣候情景下河南省優質小麥分布

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年河南省優質小麥農業氣候分區結果(圖3)，根據分區結果統計得到基準時段和2030—2050年各適宜種植區的面積比例(表3)。

表3 基準時段1971—2000年及RCP未來情景下河南省優質小麥各適宜種植區比例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年河南省優質小麥種植適宜區分布Fig.3 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 2030 to 2050 under different RCP scenarios

與基準時段1971—2000年相比，2030年RCP4.5和RCP8.5情景下強筋適宜區面積比例均出現了減少的趨勢，而強筋中筋過渡區則出現了增加的趨勢。其中強筋適宜區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變成了強筋中筋過渡區。弱筋適宜區面積比例有所增加，與基準時段相比， 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情景下強筋適宜區面積比例均出現了明顯的減少趨勢，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。弱筋適宜區面積比例比也進一步增加，與基準時段相比，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面積比例分別增加了22.6和23.2 個百分點。弱筋適宜區面積比例則分別穩定在12.4%和11.6%；中筋適宜區面積比例變化不大，與基準時段相比，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情景模擬數據以及未來氣候情景(RCP4.5和RCP8.5)的模擬結果，選取與冬小麥品質形成相關的8 個氣候要素，確定了河南省優質小麥區劃指標，分別統計分析了2030年、2040年和2050年河南省強筋、中筋和弱筋優質小麥種植面積比例變化趨勢。其中，基準時段河南省優質小麥種植布局與已有研究結果和生產實際基本一致[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和中筋適宜區，豫南是弱筋小麥適宜區，在一定程度上說明了本研究優質小麥區劃指標的可用性以及未來氣候情景區劃結果的可信度。

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，對小麥產量和品質有重要影響。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[30]。在現有耕作制度下，氣候變暖將導致河南省冬小麥全生育期≥0 ℃積溫和降水量增加，拔節—抽穗期輻射量減少而降水天數增加，豫北地區5 月份氣溫日較差下降、日最高氣溫≥32 ℃天數增加(>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明顯減少趨勢。

優質專用小麥的生產需要在優良基因型的基礎上，選擇適宜的生態環境，采取相應的栽培措施[30]。為適應和緩解氣候變化對農業的影響，許多研究探索了調整農業種植制度和布局、選育優良農作物品種、加強農業氣候災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質小麥適宜區面積比例減少，但它與強筋中筋過渡區面積比例之和變化不大，和基準時段相比，減少量不超過4.2個百分點。因此，在實際生產中，可選擇適當的栽培措施和小麥品種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；培育適應灌漿期耐32 ℃以上高溫的優質強筋小麥新品種等。這些應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]，不同的全球或區域氣候模式輸出結果之間存在差異，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 論

在現有種植制度和品種屬性不變的情況下， 2030—2050年河南省優質強筋小麥適宜區面積比例呈現減少趨勢，與基準時段(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，但是強筋適宜區與強筋中筋過渡區面積比例之和變化不明顯；2種氣候情景下優質中筋適宜區面積比例變化不大，而優質弱筋小麥適宜種植區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據。