气候变暖背景下中国北方地区谷子生长季气候适宜性分析*

杨月婷，李凯伟，张继权**，魏思成，刘 聪，王春乙

气候变暖背景下中国北方地区谷子生长季气候适宜性分析*

杨月婷1，李凯伟1，张继权1**，魏思成1，刘 聪1，王春乙2

（1.东北师范大学环境学院，长春 130117；2.中国气象科学研究院，北京 100081）

基于气候适宜度模型，利用Anusplin软件对中国北方谷子一作区314个气象站点谷子生长季气候资源和气候适宜度进行1km×1km的精细化插值，分1960-1989年、1990-2019年两个气候年代对其空间分布和年代变化特征进行分析。结果表明：（1）北方谷子生长季气候资源呈现出日照时数由东到西、由南到北递增，累积降水量由北向南、由西向东递增，平均气温南高北低的空间分布；随着气候变暖，研究区谷子生长季平均气温呈上升趋势，日照时数和累积降水量均呈下降趋势。（2）北方谷子生长季气候适宜度呈现出温度适宜度由东向西、由南向北递减，降水适宜度由西北向东南递增，日照适宜度由西北向东南递减的态势；由于气候变暖，温度适宜度和降水适宜度高值区增多，日照适宜度高值区减少。（3）根据综合气候适宜度的计算结果，利用自然断点法将其划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级。1960-1989年（前30a）北方约21.5%的地区为谷子种植气候最适宜区，随着气候变暖，1990-2019年（后30a）约有10.5%的地区从适宜区转变为最适宜区，主要分布在山东、山西一带，未来可以考虑在该区域根据实际情况扩大种植规模。

气候变暖；谷子；气候适宜性；精细化气候区划

谷子在种植过程中具有耐旱、耐瘠薄等多方面优点，素有“旱地农业绿洲”的美誉，已成为未来中国农业可持续发展的重要战略储备作物[1]。但不可否认，谷子的生长发育对气候条件仍十分敏感，其产量的高低和质量的优劣与种植区的光照、温度、降水等资源密切相关，且不同区域气候条件对其影响也大不相同。中国是世界谷子生产大国，谷子种植面积达世界总种植面积的80%[2]。中国谷子主产区集中在北方地区，该区域2018年谷子播种面积约76万hm2，产量约228万t，播种面积和产量均占全国总面积和总产量的90%以上[3]。然而，受全球气候变暖的影响，近年来极端天气事件频繁发生，中国北方各地区出现气温升高、降水异常的现象[4−6]，使谷子生长发育所需要的光、温、水等资源产生了明显变化，进而导致其产量出现波动，可能会进一步影响国家粮食生产安全和农民收入水平[7−8]。因此，在气候变化背景下对中国北方谷子进行适宜性分析，有助于科学合理布局谷子种植，充分发挥中国北方谷子种植有利的农业气候条件，规避不利气象灾害的影响，促进谷子产业的持续稳定发展。

国内外在气候变化对作物的影响及其气候适宜度方面的研究开展较早，研究成果也日趋丰富。普宗朝等[9]选择≥10℃积温、最低气温≤−25℃日数、最高气温≥40℃日数、终霜冻日早于≥10℃初日天数作为划分核桃种植气候适宜性的指标，对气候变化背景下新疆核桃种植气候适宜性及其分布特征进行研究；金林雪等[10]利用气候适宜度评估模型分析内蒙古马铃薯开花−采收期气候适宜度的空间特征及变化趋势；Tang等[11]采用GCM模型对华北平原2021−2100年的气象数据进行预测，并以农业气候适宜性理论和模糊数学方法为基础，分析温度、降水和太阳辐射对冬小麦适宜性的影响。然而，以往的研究对象多集中在大田粮食作物[12−14]和特色林果作物[15−18]上，对于大田经济作物谷子生长气候适宜性的研究相对较少。马兴祥等[19]基于各气候区谷子气候产量模型确定了影响产量形成关键时段的关键气象因素，据此划分5个谷子气候生态种植区；高蓓等[20]根据谷子产量与环境指标的相关性分析结果选择气候、土壤、地形等指标作为主要参照，分别运用4个不同物种分布模型MaxEnt、EMFA、RF和GAM对目前中国谷子的潜在适宜性分布和变化规律进行分析；韩小英等[21]选择山西省谷子研究区域≥10℃活动积温、生育期平均气温、降水量和无霜期作为区划指标，划分出山西省谷子生产的4个气候分区类型。总体而言，目前有关谷子气候适宜性的研究大都存在研究时间序列短、研究范围小、选择的指标与方法较为单一等问题。本研究在已有研究的基础上，综合考虑影响谷子生长发育所需的光、温、水条件，通过建立各生育期温度、日照和降水适宜度函数，构建中国北方谷子生长季综合气候适宜度模型，分析该区域1960−2019年谷子气候适宜性的空间分布和年代变化特征，以期为气候资源的合理利用、种植结构的调整布局提供科学依据，从而实现谷子增产增收，提高农民收入，助力乡村振兴。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

选择北方谷子一作区的11个省为研究区，该区位于昆仑山、阿尔金山、祁连山及秦岭淮河线以北，包括东北地区（黑龙江、吉林、辽宁）、华北地区（内蒙古、河北、山西、山东、河南）和西北地区（陕西、甘肃、宁夏），面积约占全国总面积的44%。研究区内海拔变化较大，年均温在5.6～13.7℃，年均降水量在150～1100mm[22]。谷子通常于5月播种，9月收获[23]，此阶段研究区内大部分地区气候温暖，日照充足，降水充沛[24]，具有适宜谷子生产的气候环境（图1）。

图1 研究区域内气象站点分布

1.2 数据来源

气象数据来源于国家气象信息中心，包括1960−2019年研究区内314个气象站观测所得的逐日平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、降水量(mm)和平均风速(m·s−1)等，对于其中个别缺测值采用线性插值法进行补全[25]。地理信息数据包括研究区高程DEM数据（分辨率为1km×1km），来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http:// www.resdc.cn/Default.aspx）。作物数据包括谷子产量数据，来源于研究区各省统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 谷子生长的温度适宜度计算

温度对于谷子的生长、发育、产量以及品质起着十分重要的作用，生长季最适温度为白天22～25℃，夜间18～21℃，最适温度最利于谷子开花受粉，气温过高会使花粉生活力下降，而气温过低会导致花药不开裂，从而造成谷子障碍性冷害[26]。在前人研究的基础上[27−28]确定了谷子各生育期的三基点温度（表1），并利用式（1）和式（2）计算谷子各生育期的温度适宜度。

式中，Fi(t)为谷子第i生育期的温度适宜度；ti为第i生育期日平均温度（℃）；tli、thi和toi分别为谷子第i生育期所需的下限温度、上限温度和适宜温度（℃）。

1.3.2 谷子生长的日照适宜度计算

谷子喜光不耐阴，充足的阳光有利于培育壮苗、花粉分化以及光合作用。在已有研究基础上[29]，以日照时数大于可日照时数的55%作为谷子达到对光照反映的适宜状态，利用式（3）计算谷子各生育期的日照适宜度。

式中，Fi(s)为谷子第i生育期的日照适宜度；si为第i生育期实际日照时数（h），s0为可日照时数L0的55%，L0计算式为

表1 研究区谷子各生育期三基点温度

1.3.3 谷子生长的降水适宜度计算

谷子较耐旱，在不同生育阶段对水分的需求不同，总体表现为“前期宜旱，中期宜湿，后期怕涝”的特点[30]。综合研究区的实际情况和谷子降水量/需水量指标，确定降水适宜度函数计算式为

式中，Fi(r)为谷子第i生育期的降水适宜度；ri为谷子第i生育期累积降水量（mm）；ETci为谷子第i生育期需水量（mm）；Kci为谷子第i生育期作物系数，中国北方谷子各生育期的作物系数（表2）参考前人研究结果确定[31−32]；ET0i为该生育期参考作物蒸散量（mm），采用粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式计算[33]。

表2 研究区谷子各生育期作物系数（Kc）

1.3.4 谷子生长的综合气候适宜度计算

谷子在不同生育期对温度、日照和降水等气象要素的需求不同，为分析不同生育期各气象要素对产量的影响，首先对谷子单产数据进行处理，即

式中，j代表第j年，j−1代表第j−1年，ΔYj为第j年相对于第j-1年谷子单产增减率，即作物产量气象影响指数[34]，Yj、Yj-1分别为第j年和第j−1年研究区内各省谷子单产。

将各生育期温度、降水和日照适宜度与谷子产量气象影响指数进行相关分析，并将每个生育期的相关系数除以各生育期相关系数的总和分别作为每个生育期温度、降水和日照适宜度的权重系数，利用式（9）和式（10）计算谷子生长季各单一要素的气候适宜度，即

式中，bti、bri、bsi分别为第i个生育期温度、降水和日照适宜度的权重系数；ati、ari、asi分别为第i个生育期温度、降水和日照适宜度与谷子产量气象影响指数的相关系数；F(t)、F(r)、F(s)分别为谷子生长季温度、降水和日照适宜度。

每个生育期温度、降水和日照适宜度的权重系数计算结果见表3。据此采用几何平均法，得到谷子整个生长季的综合气候适宜度计算公式，即

表3 各生育期气候适宜度的权重系数

1.4 数据处理

将研究期分为前30a（1960−1989年）和后30a（1990−2019年）两个气候年代，利用Matlab2018软件处理中国北方314个气象站点的逐日平均温度、降水量和日照时数数据，计算得出两个气候年代谷子生长的温度适宜度、降水适宜度、日照适宜度和综合气候适宜度，利用Anusplin软件以中国1km DEM栅格数据作为协变量对其进行空间内插，利用ArcGIS软件绘制空间分布图，比较各气候资源和气候适宜度的年代变化和空间变化。由于研究区东西跨度较大，为方便空间结果比较，谷子生长季统一按5月上旬−9月中旬计算，并选取5月上旬−5月下旬为播种−出苗期，6月上旬−6月下旬为出苗−拔节期，7月上旬−7月下旬为拔节−抽穗期，8月上旬−9月中旬为抽穗−成熟期。

2 结果与分析

2.1 两个气候年代光温水资源分布比较

2.1.1 光照资源

由图2可见，在两个气候年代中，中国北方谷子生长季日照时数的空间分布均表现出由东到西、由南到北递增的趋势。日照时数高值区出现在内蒙古大部和甘肃北部，低值区出现在河南大部、陕西南部和甘肃南部。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区约82.6%的区域日照时数减少，其中山东、山西、河南和河北等地日照时数减少明显，最高达208.72h。

2.1.2 热量资源

由图3可以看出，在两个气候年代中，研究区谷子生长季平均温度在空间上均表现出南高北低的分布。其中高值区出现在河北、山东、河南和陕西南部，低值区出现在黑龙江北部、内蒙古北部和甘肃西南部。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区约95.2%的区域平均温度升高，仅在山西东部、山东西部、河北北部和黑龙江东北部等区域平均温度出现小幅下降。

图2 两个气候年代谷子生长季日照时数分布对比

图3 两个气候年代谷子生长季平均温度分布对比

2.1.3 降水资源

由图4可见，两个气候年代中谷子生长季累积降水量的空间分布均呈现由北到南、由西到东递增的特点。降水量高值区集中分布在辽宁东部、河南南部和陕西南部，低值区集中在内蒙古大部和甘肃北部。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区约46.43%区域累积降水量减少，主要分布在辽宁东南部、山西南部、河北南部和河南南部等区域，减少量最多达109.90mm。

2.2 两个年代谷子生长的气候适宜度比较

2.2.1 温度适宜度

图5表明，在两个气候年代中，北方谷子生长季温度适宜度的空间差异均较大，高值区分布广泛，低值区则集中在甘肃西南部和内蒙古北部。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区谷子生长季温度适宜度高值区面积有所增加，主要出现在东北地区西部；低值区面积明显减少，以内蒙古变化最为明显，其北部低值区完全消失。总体而言，研究区约有77.44%的区域温度适宜度增加，气候变暖对谷子生长发育产生积极影响。

2.2.2 降水适宜度

由图6可见，在两个气候年代中，谷子生长季降水适宜度地区间差异均较大，高值区出现在东北地区东部、甘肃南部、陕西南部和河北北部，低值区的分布较为集中，主要包括甘肃北部和内蒙古西北部。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区降水适宜度高值区面积增加约5.0%，且增加区域相对集中，主要出现在东北地区东部，降水适宜度低值区面积略微减少，主要出现在内蒙古西部。总体而言，随着气候变暖，研究区76.3%的区域降水适宜度增多，23.7%的区域降水适宜度减少。

图4 两个气候年代谷子生长季累积降水量分布对比

图5 两个气候年代谷子生长季温度适宜度分布对比

图6 两个气候年代谷子生长季降水适宜度分布对比

2.2.3 日照适宜度

由图7可见，在两个气候年代中，谷子生长季日照适宜度整体较高，大多数地区日照适宜度处于0.85以上，仅甘肃南部、陕西南部和河南南部适宜度较低，均低于0.75。从年代变化上分析，与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）研究区日照适宜度高值区面积减少14.6%，东北地区西部、内蒙古北部、河北大部和山东北部的高值区基本消失，同时甘肃南部、陕西南部和河南南部低值区面积增大。总体而言，由于气候变暖的影响，研究区80.7%的区域谷子日照适宜度下降。

2.2.4 综合气候适宜度

根据综合气候适宜度的计算结果，利用自然断点法将其划分为最适宜、适宜、次适宜、不适宜4个等级，绘制两个气候年代研究区谷子生长季综合气候适宜度空间分布图（图8）。

（1）最适宜区：0.65≤F(S)＜1，谷子最适宜区热量资源丰富，光照充足，降水量充沛，生长季平均气温为15～25℃，累积降水量为700～1100mm，日照时数为600～1200h，各方面资源均能满足谷子生长发育和优质高产的需要，是谷子种植最理想的区域。1960−1989年（前30a），谷子最适宜区主要分布在东北地区中东部、河北东北部、山东东部、陕西中南部、山西南部和河南南部等区域，其面积约占研究区总面积的21.5%。1990−2019年（后30a），谷子最适宜区面积较之前相比明显增多，增多面积约占研究区面积的10.5%，主要分布在山东、山西一带。与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）谷子最适宜区明显扩大的主要原因之一是受气候变暖的影响，谷子生长季平均气温升高，温度适宜度增大，而降水适宜度和日照适宜度变化不明显，使得部分谷子适宜区成为最适宜区。

（2）适宜区：0.4≤F(S)＜0.65，谷子适宜区的气候条件对谷子种植的适宜程度总体略逊于最适宜区，但能满足谷子正常生长发育的需求，适宜谷子生长。1960−1989年（前30a），谷子适宜区分布范围广泛，研究区内每个省份都有分布，主要集中在研究区的东南部地区，其面积约占研究区总面积的52.3%。1990−2019年（后30a），谷子适宜区范围向西北方向转移。与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）谷子适宜区向西北方向转移的主要原因是，受气候变暖的影响，温度升高，海拔较高的甘肃西南部因热量不足而影响谷子正常生长的区域成为谷子适宜区；其次，内蒙古西北部降水增多，谷子遭受严重干旱灾害的几率变小，成为适宜区。

（3）次适宜区：0.2≤F(S)＜0.4，1960−1989年（前30a），谷子次适宜区主要分布于甘肃、内蒙古两地，集中在甘肃南部和北部、内蒙古中西部和北部，其面积约占研究区总面积的19.4%。1990−2019年（后30a），谷子次适宜区面积较之前有所减少，整体向西转移。谷子次适宜区综合气候适宜度较差，其中，甘肃北部谷子生长季平均温度在5℃左右，累积降水量在200mm左右，对谷子结实过程产生不利影响，导致结实率降低，影响当地谷子产量。内蒙古中西部温度、日照均较适合谷子的种植，但由于地处阿拉善沙漠附近，降水短缺，谷子易遭受干旱，延迟抽穗，谷穗变小，形成秃尖，产量下降。而甘肃南部与内蒙古北部谷子生长季平均温度较低，在0℃左右，易使谷子在出苗期遭受低温冷害。与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）谷子次适宜区整体向西转移的主要原因是，受气候变化影响，谷子适宜区向西北转移，使谷子次适宜区被压缩。

（4）不适宜区：F(S)＜0.2，1960−1989年（前30a），谷子不适宜区分布范围较小，其面积约占研究区总面积的6.8%，主要存在于甘肃东南部、内蒙古西部和北部。这与马兴祥等[19,35]的研究结果一致。1990−2019年（后30a），谷子不适宜区面积总体变化不大，内蒙古北部不适宜区消失，西部不适宜区增多。不适宜区气候条件对谷子种植的适宜程度极低，但各地制约其种植气候适宜性的因素不同。其中，甘肃东南部处于祁连山区、青藏高原边缘地带、六盘山地等高海拔地区，由于海拔较高，气温相对较低，谷子生长季平均温度低于0℃，谷子无法出苗，因此是谷子种植的不适宜区；内蒙古北部由于纬度较高，谷子灌浆期温度严重不足，影响谷子正常生长，导致谷子产量低而不稳，种植风险大，不适宜谷子种植；内蒙古西部处于阿拉善沙漠，谷子生长季累积降水量在60～100mm，远低于谷子能正常生长发育的需水量，谷子无法生长，因此也不适宜谷子种植。与1960−1989年（前30a）相比，1990−2019年（后30a）谷子不适宜区变化的主要原因是，由于气候变暖使得内蒙古北部温度上升，该区域的不适宜区成为次适宜区；而内蒙古西部降水量和日照时数减少，温度升高，谷子遭受干旱灾害的几率上升，谷子不适宜区增大。

图7 两个气候年代谷子生长季日照适宜度分布对比

图8 两个气候年代谷子生长季综合气候适宜度分布对比

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）在两个气候年代中，中国北方地区谷子生长季气候资源均呈现出“日照时数由东到西、由南到北递增，累积降水量由北向南、由西向东递增，平均气温南高北低”的空间分布。随着气候变暖，研究区谷子生长季平均气温呈上升趋势，日照时数和累积降水量呈下降趋势，气候趋于暖干化。

（2）在两个气候年代中，中国北方谷子生长季气候适宜度在空间分布上的主要特征为，温度适宜度由东向西、由南向北递减，降水适宜度由东南向西北递减，日照适宜度由西北向东南呈“高−中−低”的带状分布。由于气候变暖，中国北方谷子的温度适宜度、降水适宜度高值区有所增多，主要存在于黑龙江和内蒙古两地；而日照适宜度高值区有较大程度的减少，整体向北移动。

（3）在温度、日照和降水的综合作用下，两个气候年代中北方谷子种植最适宜区主要分布在东北地区中东部、河北东北部、山东东部、陕西中南部、山西南部和河南南部；适宜区分布范围广泛，主要集中在研究区的东南部地区；次适宜区和不适宜区多存在于甘肃南部和北部、内蒙古中西部和北部。在气候变暖背景下，谷子种植最适宜区明显扩大，扩大面积约占研究区总面积的10.5%，主要分布在山东和山西一带；次适宜区和不适宜区减小，整体向西北方向转移。总体而言气候变暖使得研究区热量资源进一步优化，对中国北方谷子的种植趋于有利。

3.2 讨论

与已有研究相比，本研究所选择的综合指标考虑了影响谷子生长发育的光、温、水条件，更加全面；同时考虑到谷子不同生育期对光、温、水条件的需求不同，结合作物产量变异系数确定不同生育期温度、日照、降水适宜度权重，以此计算谷子全生长季综合气候适宜度；除此之外本研究利用Anusplin软件进行精细化插值，提高了气候区划的准确度。通过与全国谷子优势产区的对比分析[36]，发现中国北方谷子生长季综合气候适宜度高值区分布情况与实际优势产区分布情况相符，说明该评价方法具有较好的表征能力。但谷子的生长发育本身是一个繁杂的过程，受多方面因素影响，主要包括种植区土壤条件、地势地形以及谷子品种特质、病虫害等，各要素之间会相互影响，并且在不同生育期所产生的影响也不同，因此在今后的研究中，有必要考虑不同要素的综合影响，进行更加深入、细致的研究，以进一步完善适宜度评价方法的实际表征能力。

受到当前全球气候变化的影响，近年来温度、日照、降水等主要农业气候资源均呈现出长期的波动态势，现有农业生产不稳定性逐年增加，作物的生长发育过程也会产生相应程度的变化[37−38]。本研究从时间尺度上分两个时间段详细分析了谷子生长季的适宜度变化情况，结果表明随着气候变暖，中国北方谷子气候适宜性呈上升趋势，最适宜区和适宜区向西北扩张，面积由73.8%增加至81.5%，今后可以考虑在中国北方根据实际情况扩大谷子种植规模，从而提高农民收入，促进脱贫攻坚工作。但是本研究只利用历史气象资料建立适宜度模型，并以此为基础分析近60a中国北方谷子适宜区的变化情况，缺少对未来谷子适宜区变化的研究。因此在未来的研究中应结合未来气候变化情景数据，对中国北方谷子气候区划进行深入研究，有利于农业的可持续发展。

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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

杨月婷,李凯伟,张继权,等.气候变暖背景下中国北方地区谷子生长季气候适宜性分析[J].中国农业气象,2022,43(3):215-228

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.005

2021−05−10

国家重点研发计划（2019YFD1002201）；国家自然科学基金项目（41877520）；吉林省科技攻关项目（20190303018SF）；长春市重大科技攻关项目（19SS007）

张继权，教授，研究方向为农业气象灾害，E-mail：zhangjq022@nenu.edu.cn

杨月婷，E-mail：yangyt042@nenu.edu.cn