中国亚热带地区油茶温度适宜性及其变化趋势

代劲松，曹 林，王婧琦，汪贵斌

（南京林业大学 森林资源与环境学院，江苏 南京 210037）

中国亚热带地区油茶温度适宜性及其变化趋势

代劲松，曹 林，王婧琦，汪贵斌

（南京林业大学 森林资源与环境学院，江苏 南京 210037）

随着气候变化问题成为目前国际上关注的热点之一，植被对气候变化的响应也越来越受到专家学者的广泛关注。本研究以降尺度历史（1960～2009年）和未来（2010～2099年），来源于全球环流模型MIROC3.2 medres A2情景）高分辨率年均温数据为基础；首先，运用温度适宜度模型对亚热带地区1980～2009年、2010～2039年、2040～2069年和20 70～2099年时期油茶温度适宜性及其时空差异进行了计算，并将其划分为最适宜型、适宜型、次适宜型和不适宜型。适合油茶生长区域有着较为明显的向北偏移趋势，适宜型区域到2010～2039年时期已经到达亚热带的东北部边界，最适宜型区域到2040～2069年时期也到达了亚热带北部边界，与1980～2009年时期相比，未来三个时期的最适宜型和不适宜型面积均有所增加，而适宜型和次适宜型面积有所减小；其次，分析亚热带地区油茶温度适宜度时间变化，油茶温度适宜度随时间呈波动上升趋势；最后，分析油茶温度适宜度倾向率和变率的空间分布，亚热带东南部油茶温度适宜度下降最为明显，而东北部地区有着较高的增加趋势。

油茶；温度适宜性；气候变化；全球环流模型；降尺度

全球气候变化问题已经成为当前国际上关注的重大科学问题之一，其中温度的不断升高最为明显，在2007年IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）公布的第四次评估报告（AR4）指出，近100年全球平均地表温度升高了0.74 ℃，预计到21世纪末温度还将升高1.1～6.4 ℃[1]。由全球气候变化引起的一系列生态问题日益突出，尤其是对植物生长产生重要影响，相关研究表明随着气候变化植物生态系统和物种分布区边界都将发生明显的变动[2-8]。因此以气候变化为前提，研究不同树种未来气候适宜性变化规律，以便相关部门造林时进行合理的种子资源调配，最大程度地做到适地适树，充分发挥森林的经济和生态价值。

油茶Camellia oleifera Abel为山茶科山茶属常绿小乔木，是我国特有的木本油料树种[9]。在我国南方15省的550个县中都有不同面积的分布，总的栽培面积达到400万hm2，其中栽培面积在6 670 hm2以上的县达到153个[10-14]。茶油是优质高级食用油，其成分以油酸和亚油酸为主的不饱和脂肪酸占90%以上，人体易于消化吸收。长期以来前人在气候因子对油茶生长发育的影响、油茶生长立地条件划分及油茶气候区划分等方面开展了大量研究工作[11,15-19]。但这些都是建立在某一气候条件下的静态研究，没有考虑气候变化所带来的潜在影响。

本研究以历史（1960～2009年）和未来（2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年三个时期）的年均温降尺度数据为基础，首先，根据油茶的生长发育特点，建立油茶温度适宜度模型，并预测未来温度变化条件下其适宜度的空间分布；其次，根据温度适宜度模型计算油茶温度适宜度的年变化趋势；最后，根据每个像元点的温度适宜度时间序列计算其倾向率和变率的空间分布。

1 数据与方法

1.1 数据处理

本研究历史时期（1960～2009年）温度数据来自于英国东英吉利大学气候研究中心分发的CRU TS 3.1（Climate Research Unit Time Series，Version 3.1），空间分辨率为0.5°×0.5°。未来温度预测数据来自于IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）AR4，全球环流模型（GCM，global circulation model）为日本国际环境研究院（National Institute for Environmental Studies，NIES）的MIROC3.2 medres模型，模拟情景A2，该情景中未来世界发展很不均衡，表现为自给自足、保持区域特色、强调家庭价值和当地传统的特征；不同地区间生产力方式的趋同非常缓慢，导致人口持续增加。时间阶段分为2010～2039年、2040～2069年及2070～2099年时期，详细信息参见http://www.ipcc-data.org/。由于原始温度数据空间分辨率较低，本研究借助降尺度方法对温度数据进行自由尺度转换[20]，主要方法为：首先以1961～1990年累年平均温度数据为基线，按月构建温度变量与地理位置变量之间的36个回归方程；并对方程求海拔变量的一阶偏导，生成温度海拔-调整方程；其次，结合海拔-调整方程和双线性距离加权插值，构建自由尺度基线气候表面；然后，将历史和未来时期气候数据与原始基线气候数据相减，生成距平气候表面；最后，任意位置的气候变量值的计算，（1）在自由尺度基线气候表面上获得基线值，（2）再结合双线性距离加权插值在相应时期的距平气候表面上获得距平值，（3）将基线值与距平值相加获得任意位置的气候变量估计值。通过降尺度，生成了亚热带1960～2009每年以及2010～2039、2040～2069、2070～2099累年平均，空间分辨率0.05°×0.05°的年均温栅格表面。

1.2 温度适宜度模型构建

为了定量分析热量对油茶生长发育的满足程度，引入植物生长对温度条件的响应函数，根据段海来、刘清春、宁平、张静芬等的研究[1,21-23]，结合油茶的实际情况，温度适宜度函数为公式1和公式2，并根据温度适宜度值，将其划分为最适宜型、适宜型、次适宜型和不适宜型。

式（1）与式（2）中，T为某一时期（某月或某生育期）的平均温，T1、T2、T0分别为油茶在该时段内生长发育的下限温度、上限温度和最适温度，综合各方面研究资料[15-18]，本研究选择年均温作为评价指标，并设置年均温下限为13 ℃，最适宜温度为19 ℃，上限温度为23 ℃；S(T)是由实际温度与T0、T1、T2决定的温度适宜度，根据油茶生长发育和温度的关系，当T≤T1或T≥T2时，S(T)=0，当T=T0时，S(T)=1，S(T)是一个在0～1之间变化的不对称抛物线函数（图1），它反映了温度条件从不适宜到适宜以及从适宜到不适宜的连续变化过程，该函数反映了一个普遍规律，即适宜度随温度的升高而增长，到达某一适宜值后，适宜度随温度升高迅速下降。

图1 油茶年均温反应过程Fig.1 Reaction process of mean annual temperature of C. oleifera

1.3 温度适宜度倾向率和变率

油茶温度适宜度决定了某一地区是否适合油茶种植，随着气候的变化，温度的改变，不同地区的油茶温度适宜性也随之发生变化。本研究用线性回归方程：y=ax+b来拟合每个像元点的温度适宜度时间序列（x=1，2，3，…，53；分别代表1960～2009每年以及2010～2039、2040～2069、2070～2099年时期），a为温度适宜度倾向率，可定量反映温度适宜度随年份变化的趋势，其符号的正负可反映适宜度的升降，数值的大小反映了变化的剧烈程度[23]。为了反映各像元点温度适宜度变率的大小，本研究计算其时间序列标准差，它是温度适宜度稳定性的量度指标之一。

2 结果与分析

2.1 亚热带地区油茶温度适宜度分类

亚热带地处热量过渡带上，气候呈现明显的南北过渡性，温度适宜度也有明显的南北差异。根据1980～2009年时期30 a平均年均温分布，结合相关研究结果[9]和适宜度模型对油茶温度适宜性进行分析，生成油茶温度适宜度分布图（图2a），并根据适宜度的大小将其分为4个类型。

（1）最适宜型。适宜度为0.9～1.0，主要包括江西省和福建省大部分区域，广西壮族自治区和广东省的北部地区，四川盆地中南部，云南省南部，湖南省东部，湖北省、安徽省和浙江省的小部分地区。最适宜区域大部分位于中亚热带，热量条件比较丰富，年均温度在17.5 ℃到20.5 ℃之间，满足了油茶对热量条件的需求，温度适宜度最高。

（2）适宜型。适宜度为0.7～0.9，主要包括了四川盆地北部，上海市，浙江省大部分地区，安徽省南部，河南省南部小部分地区，湖北省东部，贵州省、湖南省、江西省、福建省、云南省、广东省、广西壮族自治区的局部地区。该区域年均温均在16 ℃以上，热量条件仅次于最适宜型。

图2 我国亚热带地区油茶温度适宜度分布Fig. 2 Distribution of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

（3）次适宜型。适宜度为0.4～0.7，主要包括了广东省和广西壮族自治区南部，贵州省东北部，江苏省南部，云南省、重庆市、湖北省、河南省、安徽省的小部分地区。该区域年均温在15 ℃和22℃左右，不能充分满足油茶对温度条件的要求，为次适宜型

（4）不适宜型。适宜度为0～0.4，主要包括四川盆地周围，云南省北部，了广东省和广西壮族自治区南部小部分地区。该地区年均温度高于23 ℃或低于13 ℃，温度过高，油茶呼吸加强，消耗有机物较多，并会破坏叶绿素，灼伤油茶枝、叶、花果，，对其生长不利，温度过高还会使蒸腾加剧，引起体内缺水，造成生理干旱，引起生理失调；温度偏低，油茶虽能正常生长，但不能正常开化结果。

根据上述建立的油茶适宜度划分标准，结合未来3个时期年均温变化情况，对2010～2039年（图2b）、2040～2069年（图2c）及2070～2099年（图2d）的油茶温度适宜度进行了预测。由图2可知，油茶不同适宜度类型有了明显的变化，首先，适合油茶生长区域有着较为明显的向北偏移趋势，适宜型区域到2010～2039年时期已经到达亚热带的东北部边界，最适宜型区域到2040～2069年时期也到达了亚热带北部边界；其次，不同适宜度类型面积也有了较大的变化（表1），与1980～2009年时期相比，2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年时期最适宜型面积分别增加了38.73%、75.90%和39.78%，适宜型面积分别减少了12.7%、42.47%和27.12%，次适宜型面积分别减少了45.64%、58.34%和43.63%，不适宜型面积分别增加了3.83%、1.83%和23.89%。

表1 不同时期亚热带油茶温度适宜度类型面积Table 1 Areas of different types of temperature suitability in different periods hm2

2.2 亚热带地区油茶温度适宜度的变化趋势

2.2.1 亚热带地区油茶温度适宜度的年变化

根据亚热带地区历史时期（1960～2009每年）以及预测的未来三个时期（2010～2039、2040～2069和2070～2099）年均温分布，计算了亚热带地区油茶平均温度适宜度。由图3可知，亚热带地区油茶的温度适宜度随时间呈波动上升趋势，其变化范围为0.62～0.75；历史不同时期1960～ 1969、1970～ 1979、1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2099累年平均温度适宜度分别为0.655、0.656、0.661、0.680、0.707和0.717。拟合的线性趋势线为上升的直线（图3），温度倾向率为0.001 4，表明在温度不断升高的背景下，油茶的温度适宜性提高，其所需的温度条件有所转好。

图3 我国亚热带地区油茶温度适宜度年变化Fig.3 Temporal changes of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

2.2.2 亚热带地区油茶温度适宜度倾向率和变率

从温度适宜度倾向率（图4a）可以看出，广东省和广西壮族自治区，云南省、湖南省、江西省和福建省的部分区域，四川盆地东南部，温度适宜性呈现下降趋势（倾向率小于0）；其它地区温度适宜性均表现为不同程度的升高，其中亚热带东北部和云南省东部小部分地区呈现出较为明显的上升，而贵州省、湖北省和浙江省的大部分地区上升趋势不明显。从温度适宜度变率（图4b）可以看出，广东省和广西壮族自治区南部、亚热带西北小部分、贵州省中部小部分、云南省东部小部分地区变率最大；四川盆地、湖北省东南部、湖南省东部、江西省和福建省大部分、云南省等温度适宜度变率较小。

3 结论与讨论

图4 我国亚热带地区油茶温度适宜度倾向率（a）和变率分布（b）Fig.4 Distribution of trend rate (a) and variability (b) of temperature suitability of C. oleifera in subtropical China

本研究利用温度适宜度模型对亚热带地区1980～2009年时期油茶的温度适宜性及空间差异进行了分析，与前人的研究基本一致[9]，并根据适宜度的大小将其分为最适宜型、适宜型、次适宜型和不适宜型4种类型，面积分别为93 385 894 hm2、87 865 220 hm2、59 179 709 hm2和 52 330 076 hm2。在气候变暖的背景下，亚热带地区油茶平均温度适宜度呈现出上升的趋势（趋向率0.001 4）；总的适合油茶种植区域有着较为明显的向北偏移趋势，适宜型区域到2010～2039年时期已经到达亚热带的东北部边界，最适宜型区域到2040～2069年时期也到达了亚热带北部边界，与1980～2009年时期相比，不同温度适宜度类型面积也有了较大的变化，2010～2039年、2040～2069年和2070～2099年时期最适宜型面积和不适宜型面积均有所增加，适宜型面积和次适宜型面积均有所减少。综合温度适宜度倾向率和变率分析，在气候变暖的背景下，亚热带东南部的广东省和广西壮族自治区油茶温度适宜度下降最为明显，而东北部地区有较高的增加趋势。

许多物种分布模型被用来预测物种在各种环境变化情景下的生境变化趋势，其预测精度均取决于环境条件是否为决定该物种生态位的主导因素。影响油茶适宜性分布的气候因子很多，本研究只考虑了年均温的影响，其结果也只反映年均温的适宜性情况。相关研究报告指出降雨日数、积温、日照时数、霜期和无霜期等在油茶的生长发育都有重要的作用[17-18]，花期的温度和降雨量也会对油茶的果实产量造成很大的影响，将这些气候因子综合起来[1,21]，结合已知的油茶分布数据，采用更加复杂的随机森林、分类回归树、最大熵等物种分布模型[24-25]，进行油茶适宜度的综合评价，从而可以更全面的评估油茶分布区的气候适宜性。油茶是泛指山茶属中具有生产价值的油用物种，在我国有很多栽培物种，各物种都具有各自最适宜的分布范围和最适宜的生长条件，分布上也具有地带性或不连续的间断性，不论是自然分布和适生栽培区都具有和生物气候因素相一致的客观规律，在相同的生物气候区内可以出现相同物种的分布，由于地形对微气候的影响，不同的生物气候区内也可能出现一些物种的间断分布[9]，然而这些物种间的差异在目前的物种分布模型中并未得到很好模拟[26]。因此，以后的研究中应当综合考虑气候、土壤、地形、物种竞争、物种间差异等因素，建立更加复杂且符合实际的物种分布模型，为油茶人工林应对气候变化提供更加科学、合理的决策支持。

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Temperature suitability of Camellia oleifera and its change trend in subtropical China

DAI Jin-song, CAO Lin, WANG Jing-qi, WANG Gui-bin
(College of Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

s: The climate change has become one of the hot topics and an issue of international concern, the vegetal response to climate change has also caused more and more concerns and discussions by the scientists. This study was conducted based on the high-resolution annual average temperature data with the historical (during 1960～2009) and the projected (during 2010～2099. Firstly, simulated by Global Circulation Model MIROC 3.2 medres emission scenario A2) high-resolution spatial mean annual temperatures, which were obtained by using downscaling algorithm. Firstly, by using temperature suitability model, the temperature suitability and spatial and temporal differences of Camellia oleifera during the periods of 1980～2009, 2010～2039, 2040～2069 and 2070～2099 in the subtropical area of China were calculated. The subtropical area for C. oleifera temperature suitability could be divided into four types, high suitability, suitability, low suitability and no suitability. The all suitable regions gradually moved from the south to north, the suitability areas would arrive the boundary of northeast subtropics in the period of 2010～2039 and the high suitability areas would arrive the boundary of north subtropics in the period of 2040～2069. While comparing with the period of 1980～2009, in the three projected periods,the areas of high suitability and no suitability were increasing, the suitability and low suitability were decreasing. Secondly, according to the analyses of the time series of temperature suitability, the mean temperature suitability of C. oleifera over the subtropics had an increasing trend. Finally, the analyses of the trend rate and variability of temperature suitability indicated that the suitability of southeast subtropics declined obviously and the suitability of northeast had higher increasing trend.

Camellia oleifera; temperature suitability; climate change; GCMs; downscaling

S794.4

A

1673-923X(2014)02-0020-06

2013-05-21

国家科技支撑计划课题（2012BAD21B04）

代劲松（1985-），男，重庆丰都人，博士研究生，主要从事林业应对气候变化及森林生态系统模型模拟方面的研究；

E-mail：Aaron-dai@163.com

曹 林（1983-），男，江苏南京人，讲师，主要从事林业遥感及森林可持续经营方面的研究；

E-mail：ginkgocao@gmail.com

[本文编校：文凤鸣]