未来气候变化对云南柠檬气候适宜性的影响

范丹华 杨弘伟 邵晨扬 王鹏云 朱勇

(1 成都信息工程大学，成都 610200； 2云南省芒市气象局，芒市 678400；3 昆明国家农业气象试验站，昆明 650000； 4 云南省气候中心，昆明 650000 )

引言

柠檬由于富含次生代谢产物，具有降血脂、降血糖等营养保健功效[1-2]，广泛应用在食品、美容与保健、医疗等行业[3-6]，市场潜力巨大。据联合国粮农组织2017年数据显示[7]，全球有218个国家种植柠檬(含酸橙)，总面积108.45万hm2，总产量1721.8万t；中国是全球第三大柠檬(含酸橙)生产国，面积10.0 hm2，占全球9.2%。从供需量来看，我国目前柠檬鲜果年产量约100万t左右。而仅中国周边日、韩、俄罗斯、东南亚等国家和地区的常年需求量就有80万t，且呈稳定上升趋势。而云南具有适宜柠檬生长的独特气候生态环境，目前主要种植在德宏、保山、普洱、曲靖等地，是我国柠檬主产区之一。云南柠檬品质好，果实中油、果胶、柠檬苦素等次生代谢产物含量高[8-9]，使其成为云南特色优势产业之一，被列为高原特色现代农业“十百千”行动计划重点项目。

全球气候变化对陆地生态系统、农业生产等产生了重大影响，已成为21世纪人类面临的巨大挑战之一[10]。近年来，气候变化对农业生产、农业气候资源分布和作物生长气候适宜性等方面的影响及应对措施，已成为目前国内外学者研究的热点，并取得了丰硕的研究成果。张建平等[11]借助WOFOST作物模型，模拟了近46年来由温度导致的东北地区玉米产量波动情况，为定量化评估提供了一种新技术和思路；郭建平[12]对气候变化下的中国农业气候资源演变趋势进行了分析；徐敏等[13]利用RegCM4区域气候模式在不同排放情景下的预估数据，研究了江苏省玉米气候资源的变化特征和未来气候情景下的变化，对调整种植结构、应对气候变化提供参考；胡雪琼等[14]利用气候模拟数据分析了未来气候情景下云南烤烟种植气候适宜变化趋势，得到云南烤烟可种植区域增大的结论；张悦等[15]以气候倾向率的方法分析了冬小麦节气时空分布和变化特征。前人的研究多针对粮食作物，涉及柠檬的研究较少。

柠檬性喜温暖，耐阴，不耐寒，也怕热，因此，适宜在冬暖夏凉、年温差小的亚热带地区栽培。但是，全球气候变化对柠檬的生长适应性、产量、品质造成一定的影响。为了应对气候变化对云南柠檬生长的影响，本文在分析柠檬种植气候适宜性指标的基础上，利用全球气候模式(BCC_CSM1.1)与区域气候模式(RegCM4)单向嵌套的气候变化情景模拟值[16]，研究未来2021—2050年云南柠檬种植适宜区对气候变化的响应，以期为柠檬产业布局、规划、引种提供科学的指导。

1 数据和方法

1.1 数据来源

气象数据:云南省125个地面气象站1981—2018年月平均气温、月平均降水量、月日照时数。

本文所用模式预估数据来源于全球气候模式比较计划第六阶段(CMIP6)的全球气候模式HadGEM2-ES驱动的区域气候模式RegCM4下模拟生成的过去基准时期以及未来3个时期的不同排放情境下的气候要素，区域范围为14.75°～55.25°N，69.75°～140.25°E，格点数283(东西方向)×163(南北方向)，水平分辨率25 km×25 km。预估数据采用了代表性浓度路径(representative concentration pathways_RCPs)中RCP8.5、RCP4.5以及RCP2.6这3个排放情景下的过去基准时期(1981—2018年)以及未来50年(2021—2030年、2031—2040年、2041—2050年)的月平均降水量、月平均气温、月最低气温等数据。

地理数据:中国气象局统一下发的1∶100万地理数据，包括省界、州市界、高程等信息。

1.2 研究方法

1.2.1 年代划分

以模式下的1981—2018年为基准年代，以2021—2030年(未来时期1)、2031—2040年(未来时期2)、2041—2050年(未来时期3)为未来气候情景下的研究年代。

1.2.2 基准年代实况气候资源推算

1.2.2.1 降水量模型

建立降水与海拔高程回归模型，进行降水空间插值[17]。

(1)

式中，P1和P2为搜索半径内任意两点的降水量观测值，Z1、Z2为测点海拔；β0、β1为回归方程系数。

在估计降水时，对于参与估值的站点降水，与海拔高程进行加权最小二乘回归分析，则插值点的降水量(Pp)：

(2)

式中，Wi为综合权重因子，f=β0+β1(Zp-Zi),Zp为插值点海拔，β0、β1为系数。要求│f│<1.0，并规定当│f│>0.95时，│f│=0.95。

1.2.2.2 太阳总辐射模型

实际太阳总辐射与太阳高度角、大气状况、云量、云状和地形等有关。应用DEM数据，采用根据Rich等人(Rich 1990，Rich 等1994)创立并进一步由 Fu 和 Rich(2000，2002)发展的半球视域算法中的方法[18]，建立总辐射与理论总辐射、海拔高度、经度，纬度、日照时数和降水量的多元回归统计模型，计算了云南1—12月的基于DEM的理论太阳总辐射。逐月总辐射推算理论模型如下：

Q=a+bQt+cS+dR+eλ+fφ+gh

(3)

式中,Q为气象站观测的月总辐射模拟值(MJ/m2)；Qt为地理可能太阳辐射(MJ/m2)；λ为经度；φ为纬度；S为月日照时数(h)；R为降水量(mm)；h为海拔高度(m)，a、b、c、d、e、f、g为回归系数。再运用ArcMap栅格计算工具逐月计算出1—12月的月总辐射空间分布，经过残差订正后，最终得到云南逐月实际总辐射空间分布，数值单位为MJ/m2。

1.2.2.3 平均气温模型

以DEM太阳辐射推算为基础，建立月平均气温与月总辐射和海拔高度推算模型。

T=i+jh+kQ

(4)

式中,T为气象站观测的月气温模拟值；h为海拔高度(m)；Q为气象站观测的月太阳总辐射(MJ/m2)；i、j、k为回归系数。其中海拔高度是影响气温的主要因子。

1.2.3 不同时期模式气候数据的空间精细化推算

首先通过实况数据演算获得基准年代实况气候要素空间细网格精细化分布，然后利用模式输出1981—2018年(基准时期)、2021—2030年(未来时期1)、2031—2040年(未来时期2)、2041—2050年(未来时期3)的模拟气候要素格点值。对比模拟基准年代及未来年代的气候要素差异，用模式输出基准年代气温要素减去气候模式下的未来年代气温要素，用模式输出基准年代降水要素除以气候模式下的未来年代降水要素，最终得到未来气象要素变化的“信号”。把此“信号”叠加在基准时期的实况气候要素空间精细分布值上，从而获得未来时期气候要素的空间精细化分布[19]。

1.2.4 柠檬种植适宜性区划指标

由于柠檬为原产热带亚热带雨林下的灌木或小乔木，喜温暖不耐严寒，较耐阴，因此在高原上种植柠檬最关键的影响因子是气温。根据陈海燕、吴昌标等人[20-21]的研究，柠檬最适生长温度为23～34 ℃，植株停止生长的最低温度12.5～13.0 ℃，最高温度37～39 ℃，年平均气温决定了柠檬种植北界。极端最低气温-3 ℃以下或<0 ℃持续3天以上即遭受冻害。一般柠檬展叶期生长适宜温度为15～25 ℃，当日最低气温<8 ℃时将影响柠檬萌动，导致展叶时间延迟，发芽整齐度低，影响柠檬挂果。柠檬开花关键期是2—4月，花芽分化量、开花时间、整齐度决定后期果实的数量及质量，这一阶段降雨量是影响柠檬开花的主要气象因子。

在对云南农业气候资源分析的基础上，结合以往研究成果[22-23]及云南柠檬种植实际，本文选取年平均气温、最冷月平均气温、2—4月降水量3个指标作为柠檬种植的气候适宜性指标，并分为高度、中度、次和不适宜区4个等级，见表1。

表1 云南柠檬种植气候适宜性指标

1.3 数据处理

利用Arc GIS软件，进行气候因子的精细化空间插值，利用ArcMAP空间分析功能对柠檬不同时期的气候适宜性进行分区。

2 结果与分析

2.1 未来柠檬种植气候资源的变化情况

2.1.1 年平均气温的变化情况

基准时期( 1981—2018年) ，云南年平均气温总体呈自北向南逐渐升高的分布趋势，其中，低值区主要分布在迪庆、怒江、丽江中北部、昭通西部和曲靖北部，年平均气温低于 10.0 ℃；南部年平均气温高，河谷、坝区等低海拔地区达 20.0～23.0 ℃。在未来气候变化的情况下，云南年均气温总体表现为增高趋势。2021—2030年间，3种气候变化情景下年平均气温的增幅大多在 1.0 ℃左右，不同情景下增幅差异不大。2031—2040年间，年平均气温增幅大多在1.0～1.9 ℃左右，其中RCP8.5情景的增幅明显比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年间，3种气候变化情景下年平均气温的增幅大多在1.1～2.5 ℃ ，RCP8.5情景的增幅比RCP4.5偏高0.5 ℃，比RCP2.6情景平均偏高约1.1 ℃。

2.1.2 最冷月平均气温的变化情况

基准时期( 1981—2018年) ，云南最冷月气温分布趋势与年平均气温类似，总体呈自北向南逐渐升高的分布趋势，其中，低值区主要分布在迪庆、怒江、丽江中北部、昭通西部和曲靖北部，最冷月气温低于3.0 ℃；南部德宏、临沧南部、西双版纳、红河南部和文山东部气温高，河谷、坝区等低海拔地区达 10.0～15.0 ℃。在未来气候变化的情况下，云南最冷月平均气温表现为冷的地方更冷，而热的地方更热的更为极端的气候特征。2021—2030年间，RCP2.6情景与基准时期相差不大，RCP4.5和RCP8.5低值比基准时期下降0.1 ℃，高值增加0.1 ℃左右。2031—2040年间，RCP2.6情景低值比基准时期下降0.2 ℃，高值持平，而RCP4.5和RCP8.5情景下最冷月平均气温的高值都比基准年代升高0.3 ℃左右。2041—2050年间，3种气候变化情景下最冷月平均气温的低值下降了约0.2 ℃，高值升高了约0.2 ℃。

2.1.3 2—4月降水量的变化情况

英语与汉语的语句组成方式不同，且汉语中有一些独有的词汇与概念，时，可以在结尾处标记注解，方便对方理解。例如“龙头企业”这一名称，在中国的意思是领军企业，但国外的语言环境中不会接触到这一称呼，如果直接翻译成“dragon head enterprise”，那就会产生语用失误。因此在翻译时应解释出语句的具体含义，在汉语中表示的内容。正确表达方法如下：“leading enterprise”。

基准时期( 1981—2018年)， 2—4月降水量高值区主要分布在云南西北边缘怒江、德宏西部一带以及红河南部，累积降水在300 mm以上；低值区主要分布在云南中部丽江、大理、楚雄、临沧东部、普洱和西双版纳，累积降水在100 mm以下，其余地区介于100～300 mm。在未来气候变化情景下，云南2—4月累计降水总体增多，滇中区域低于100 mm的面积减少幅度大，降水较多的滇西北区域高于500 mm的面积有所增大。2021—2050年，3种气候变化情景下2—4月累计降水变化较大，较基准年都有所增加，其中RCP8.5情景下比RCP4.5和RCP2.6情景下增幅较大。3种气候变化情景下2—4月累计降水在滇中、滇南、滇东南增幅较大，RCP8.5情景下较其他2种情景在滇东南区域增幅较大。

2.2 基准年代(1981—2018年)气候适宜性分区

基准年代(1981—2018年)柠檬种植适宜性区划如图1。高度适宜区主要分布在德宏、西双版纳东部，国土面积5.7万km2；中度适宜区在临沧东部、普洱西部、红河中东部，范围较广，国土面积12.7万km2；次适宜区面积较小，主要分布在云南中部和昭通东北部，国土面积4.6万km2；不适宜种植柠檬的区域主要分布在云南中部及北部地区，国土面积16.4万km2。

图1 云南柠檬种植气候适宜性分布

2.3 未来气候变化对柠檬适宜种植区的影响

2.3.1 RCP2.6情景模式

由于年平均气温整体增高，最冷月平均气温在南部种植区也有增高的趋势，加之2—4月降水在滇东南的增加也造成柠檬气候适宜区较基准年代整体向北扩(图2)。2021—2030年代(未来时期1)，全省可种植区较基准年代增加了10.2%，其中，德宏、临沧西部、西双版纳西部、普洱北部最适宜范围扩大，适宜区和不适宜区面积缩小。与基准年代相比，全省最适宜区增加了94.7%，次适宜区增加了9.1%，适宜区减小了27.7%，不适宜区域减小了14.2%(表2)。

表2 RCP2.6情景下2021—2050年云南柠檬区划面积

图2 RCP2.6情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)、2041—2050年(c)云南柠檬种植适宜性区划

2031—2040年代(未来时期2)，柠檬种植适宜区域依然呈向北扩的趋势，最适宜区进一步扩大，滇东南最适宜区面积增加，全省可种植区域较基准年代增加了16.3%。与基准年代相比，最适宜区增加了113.1%，适宜区减小了24.4%，次适宜区增加了7.6%，不适宜区减小了22.8%。

2041—2050年代(未来时期3)，德宏、西双版纳几乎全境都适宜柠檬种植，滇东南文山等地的适宜种植范围进一步扩大，全省可种植区域较基准年代增加了21.9%。与基准年代相比，最适宜区范围大幅度扩大，增加了129.1%；适宜区减小了23.6%；次适宜区增加了13.6%；不适宜区减小了30.7%。

2.3.2 RCP4.5情景

年平均气温和南部最冷月平均气温的增高，以及滇南、滇东南的2—4月降水在未来时期2、3有增加的趋势，都造成该情景下柠檬的高度适宜区增加幅度较大(图3)。2021—2030年代(未来时期1)，柠檬整体气候适宜布局向北扩， 最适宜区适宜范围

图3 RCP4.5情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)、2041—2050年(c)云南柠檬种植适宜性区划

略微扩大，适宜区和次适宜区北扩，昭通东北部适宜区增加，全省可种植区域较基准年代增加35.4%，其中，最适宜区增加30.2%，适宜区增加20.3%，次适宜区增加83.1%，不适宜区减小了49.5%(表3)。

表3 Rcp4.5情景下2021—2050年云南柠檬区划面积

2031—2040年代(未来时期2)，最适宜区明显增加，适宜区继续北扩，但次适宜区较前一时期变化不大，全省可种植区域较基准年代增加了26.1%。西双版纳大部地区、普洱西南部、临沧西部和文山中部地区都为最适宜区。最适宜区增加了109.0%，适宜区减小了11.8%，次适宜区增加了27.1%，不适宜区减小了36.5%。

2041—2050年代(未来时期3)，最适宜区面积大幅增加，可种植的北界达到大理、楚雄、曲靖的中部地区，全省可种植区域较基准年代增加了29.9%。德宏、西双版纳大部地区、文山中部、普洱中东部都成为最适宜区，与基准年代相比，最适宜区增加了149.5%，适宜区减小了16.8%，次适宜区增加了9.3%，不适宜区减小了41.8%。

2.3.3 RCP8.5情景

RCP8.5情景下，柠檬气候适宜区增幅比RCP2.6、RCP 4.5情景大，但在2041—2050年代(未来时期3)由于滇南和滇东南的2—4月降水增幅较大，部分地区降水过多反而不利于柠檬生长，虽然最适宜区进一步扩大，但中度适宜区范围下降(图4)。

图4 RCP8.5情景2021—2030年(a)、2031—2040年(b)2041—2050年(c)云南柠檬种植适宜性区划

2021—2030年代(未来时期1)，全省可种植区域北扩，适宜区大幅度的增加，不适宜区缩小，可种植区域较基准年代增加了23.7%。西双版纳西部、红河、文山中部地区都成为最适宜区。其中，最适宜区增加了103.6%，适宜区减少了12.7%，次适宜区增加了24.4%，不适宜区减小了33.1%(表4)。

表4 RCP8.5情景下2021—2050年柠檬区划面积

2031—2040年代(未来时期2)，全省可种植区域较基准年代增加了43.6%。最适宜区增加，不适宜区缩小。其中，最适宜区增加了117.9%，适宜区减小了4.5%，次适宜区增加了83.6%，不适宜区减小了61.0%。

2041—2050年代(未来时期3)，最适宜区面积大范围增加，德宏、西双版纳、文山、普洱、临沧大部地区均成为最适宜区。但是受降水条件的影响，可种植的北界反而有所退缩，中度适宜区面积缩小，全省可种植区域较基准年代增加了42.6%。其中，最适宜区增加了195.7%，适宜区减小了20.2%，次适宜区增加了24.9%，不适宜区减小了59.6%。

3 结论与讨论

在本研究中，3种情景下总趋势相同：云南柠檬种植在未来时期(2021—2050年)气候适宜区域将呈现北扩的趋势，随着时间推移，适宜区范围增加。在高排放的RCP8.5情景下，这一趋势较RCP4.5、RCP2.6情景下北扩范围更大，柠檬可种植区域更广。到21世纪中叶，RCP2.6情景下柠檬最适宜种植区增加了3成左右，RCP4.5情景下柠檬最适宜种植区增加了5成左右，RCP8.5情景下柠檬最适宜种植区增加了9成左右。但由于受降水因子的限制，中度适宜区到2041—2050年开始减小，总的可适宜种植区(高度适宜区+中度适宜区)基本趋于稳定。

本研究结果与目前大多数气候变化研究结论基本一致[24-27]：即未来气候变化中纬度地区热量资源增加，作物种植北界向北移动。

未来云南南部西双版纳、普洱、文山柠檬种植高度适宜区增加幅度较大，西南部德宏、临沧柠檬种植高度适宜区也增加较多，云南中部楚雄、红河、大理等中部地区中度适宜区增大，云南东北部昭通北部的可种植面积也有所增加，这都将给柠檬在云南的种植发展提供广阔空间。

本研究通过对未来时期(2021—2050年)云南柠檬种植气候适宜性的变化分析，对柠檬种植基地选址以及柠檬产业在云南的发展，都具有较好的参考价值。但是，柠檬的种植条件还涉及土壤、市场等多方面因素，这都有待进一步深入的研究。同时，云南省中北部为低温、冬春干旱灾害的多发区，未来极端气候增多，柠檬种植区域向北扩展可能面临冬季低温、冬春干旱等极端气象灾害的风险。因此，需加合理规划柠檬产业，开展技术创新，培育、引进新品种，推广成熟的技术，为柠檬产业发展提供强有力的技术支持。