黄淮海地区冬小麦种植北界时空演变及未来趋势分析

唐晓培，宋 妮，陈智芳，王景雷※

（1. 中国农业科学院农田灌溉研究所 农业农村部作物需水与调控重点实验室，新乡 453002；2. 北京师范大学水科学研究院 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875）

0 引 言

全球气候变化已成为不可争议的事实。农业作为最易遭受气候变化影响的产业之一，面临很大的挑战。黄淮海地区是中国优质小麦生产基地，其稳定地生产产量对保障中国粮食安全意义重大。在众多气候因子中，农业植被对温度的敏感性最强[1]，1960—2009年黄淮海农作区温度总体呈上升趋势[2]。冬前温度过高可促使麦苗生长旺盛，冬小麦越冬时间后移[3]，越冬期负积温减少，冻害风险减小[4]，冬小麦安全越冬的概率加大，故冬小麦安全种植区域将发生变化，特别是对温度最敏感的北界地区，变化较为显著[5-8]。因此，研究气候变化情景下黄淮海地区冬小麦种植北界的变化趋势对合理利用该地区潜在地理、气候资源以及有效避免自然灾害、确保该地区小麦稳产高产具有重要的指导意义。

研究气候变化对冬小麦种植北界的影响，关键是冬小麦种植北界气候指标地选择。影响冬小麦种植的潜在气候因子主要分3类，第1类是能够承受的最低温度，第2类是完整的生育期和需求的热量，第3类是形成植株体所需的水量[9]。早期学者仅考虑第1类气候因子。如崔读昌[10]认为严寒低温是决定冬小麦冻害的主要因子，并将最冷月平均最低气温-15℃和极端最低气温-22～-24 ℃作为中国冬春小麦品种分布气候区域的北界，国内多位学者用此方法分别研究了中国冬小麦的种植北界及产量、可种植区域概率、农业气候资源及水资源盈亏等问题[11-15]。这种方法虽然考虑了冬小麦安全越冬的抗冻温度指标，但未考虑其耐冻温度指标，故此王宏[16]提出确定中国冬小麦安全种植北界的气候指标为最冷月平均温度-8 ℃、冬季最低温度小于等于-20 ℃的天数为 3 d且11月平均气温为2 ℃，同时，金之庆等[17-18]用此方法研究了未来气候变化情景下中国冬小麦种植北界可能发生的地理位移及灌溉需水量等问题。近几年来，随着人们对冬小麦栽培学的深入了解，生育期热量指标和需水量指标逐渐被大家认识，如冬前积温、越冬期负积温、全生育期积温、蒸腾量和降雨量等。郝志新等[19]采用灰色关联分析方法对 8个气候因子进行分析，认为冬小麦种植主要气候因子是越冬前积温，其次是越冬期负积温。钱锦霞等[20]通过对 3个气候因子的分析，认为决定山西省冬小麦能否种植的关键因子是负积温和年极端最低气温。Sun等[21]采用最大熵法从18个因子中确定影响冬小麦分布区域的主导气候因子为越冬期负积温、最冷月平均温度、Penman模型估算的蒸腾量以及每年的降雨量。王连喜等[22]采用冬前积温、最冷月平均温度、越冬期负积温以及全生育期积温 4个热量指标作为北界参量，从单个站点的热量资源角度以及不同站点坐标位置的纬度信息角度，分析了气候变暖背景下京津冀地区冬小麦种植北界的变化趋势，发现1961—2010年北界纬度以每年0.004 3°的速率北移。此外，对冬小麦种植北界气候指标的确定还包括这些指标的临界点。对于冬小麦生物学冻害温度指标，大部分学者选择相同的临界点，如最冷月平均温度为-8 ℃、平均最低温度为-15 ℃以及极端最低气温-22～-24 ℃。而对于冬小麦耐冻温度指标，不同地区的临界点不同，如越冬期负积温，郝志新等[19]在中国东北采用-600 ℃，刘德祥等[23]在中国西北地区采用-500 ℃，郑小华等[24]在陕西省采用-400 ℃，王连喜等[22]在京津冀地区采用-450 ℃，高桂芹等[25]认为河北唐山地区冬小麦负积温在-350～-450 ℃之间可安全越冬。

气候变化对中国冬小麦种植北界产生重大影响。基于崔读昌[10]提出的冬小麦种植北界指标，杨晓光等[11]认为，与1951—1980年相比，1981—2007年冬小麦种植北界在辽宁省东部北移约120 km，西部北移约80 km，河北省北移约50 km，山西省北移约40 km，陕西省西部北移约47 km，内蒙古、宁夏一线北移约200 km，甘肃西扩20 km，青海西扩120 km。排放情景特别报告（special report on emissions scenarios，SRES）的高经济发展能源种类平衡发展排放情景A1B下，相较于1951—1980年，2011—2040年和 2041—2050年种植北界在辽宁省、甘肃省和宁夏回族自治区继续北移，在青海省继续西扩[15]。张梦婷等[14]认为，区域气候模式 PRECIS（providing regional climates for impact studies）在代表性浓度路径（representative concentration pathways，RCPs）RCP4.5 情景下，与1981—2010年相比，2071—2097年种植北界将平均北移约 147.8 km，其中辽宁省北移最明显，其次为山西省。由于以往对冬小麦种植北界的研究，或基于全国范围，面积较大，或基于单个站点，仅分析气象指标的变化趋势，此外，所选气候因子较为局限，所选情景较为单一，又因黄淮海地区为中国冬小麦重要产地，故此本研究以该地区为对象，从冬小麦生理学冻害温度以及生育期所需积温两方面选择 5个气候指标（最冷月平均温度≥-8 ℃、极端最低气温≥-24 ℃、冬前积温≥400 ℃、越冬期负积温≥-450 ℃、全生育期积温≥1 700 ℃）作为北界参量，分析 1961—2017年以及未来主要情景下2011—2100年黄淮海地区冬小麦种植北界的变化趋势，为黄淮海地区冬小麦种植区科学应对气候变化、气候资源最大化利用、趋利避害提供数据支撑。

1 数据来源与方法

1.1 历史气象数据

历史气象数据来自中国气象科学数据共享网（http://cdc.nmic.cn/home.do），包括黄淮海及周边地区共94个气象站1961—2017年逐日平均温度和最低温度气象资料。

1.2 未来气候模式与情景数据

联合国政府间气候变化专门委员会提出的代表性浓度路径新情景中，RCP4.5为中间稳定路径，接近当前实际发展，RCP8.5为高浓度路径，是发展的上限，故此本研究采用这 2种情景来分析未来黄淮海地区冬小麦种植北界的变化趋势。大气环流模型（general circulation models，GCMs）采用加拿大气候模式与分析中心推出的CanESM2（the second generation of Canadian Earth System Model）气候模式。该气候模式与其他气候模式相比，在中国的年尺度和月尺度上对温度的模拟具有较高精度[26-27]，且黄淮海地区采用统计降尺度模型（statistical downscaling model，SDSM）对其处理后，日尺度上率定期和验证期的观测值与模拟值的确定性系数在0.95以上，均方根误差在0.3之内[28]，因此该模式适用于中国黄淮海地区。气候模式数据来自 Canadian Climate Data and Scenarios（http://www.cccsn.ec.gc.ca），具体降尺度预测过程详见文献[28]。

1.3 冬小麦种植北界气象指标

黄淮海地区属于温带大陆性季风气候，冬小麦—夏玉米轮作是其主要种植模式。冬小麦一般在每年10月份播种，翌年 6月份收获，大部分种植区的灌溉条件已经能够满足生长期的正常需水量[29]。因此，本研究在前人研究以及实际种植基础上，考虑冬小麦理论播种期（10月份日均温连续3 d低于18 ℃[29]）以及不影响夏玉米收获日期，以冬小麦可种植最大机率来研究北界的演变趋势，将冬小麦播种期定为每年的10月1号，收获期定为翌年6月20号。采用5日滑动平均法在冬小麦生育期内将日平均温度稳定降至0和稳定升至0期间定为冬小麦越冬期，从冬小麦生理学冻害温度以及生育期所需积温两方面选择 5个气象指标作为黄淮海地区冬小麦种植北界气象参数，分别为：最冷月平均气温≥-8 ℃[16]、极端最低气温≥-24 ℃[10]、冬前积温≥400 ℃[22,30-31]、越冬期负积温≥-450 ℃[22,25,30]以及全生育期积温≥1 700 ℃[22,30,32]。

1.4 冬小麦种植北界确定方法

根据所选黄淮海地区冬小麦种植北界气象指标，同时满足 5个指标的年份称其为可种植年份，该年份的可种植概率赋值为1，不满足任何一个指标的年份为不可种植年份，该年份的可种植概率赋值为0。

式中 PX为 X年份的可种植概率，X为实际 1961—2017年以及未来2种情景下2011—2100年；TA,X、TB,X、TC,X、TD,X、TE,X分别为X年的1月份平均气温、1月份极端最低气温、冬前积温、越冬期负积温、全生育期积温，℃。

为了更好地探究冬小麦可种植北界的时空动态变化过程，本研究将1961—2010年每10 a作为一个年代际进行划分，1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年，2011—2017年7 a作为一个年代际划分；基于农业种植制度变化的时间尺度，未来情境下2011—2100年每30 a作为一个年代际进行划分，分别为2011—2040年、2041—2070年、2071—2100年。采用王培娟等[12]提出的统计方法计算各个站点冬小麦可种植年代际概率，具体计算公式

式中PY,N为Y年份所在N年代际的冬小麦可种植概率，Y为每个年代际的开始年份，分别为1961、1971……2011、2041、2071，N为年代际年数，本研究为10、7和30。

基于各站点冬小麦可种植年代际概率，参照 80%的气候保证率比例，将年代际概率≥80%的地区称其为冬小麦可种植区[19-20]，年代际概率＜80%的地区称其为不可种植区，可种植区与不可种植区的分界线即为冬小麦种植北界。

2 结果与分析

2.1 黄淮海地区冬小麦种植北界偏移现状

基于确定的 5个北界指标阈值估算出的冬小麦可种植年代际概率，采用普通克里格法进行插值，绘制出1961—2017年各个年代际80%气候保证率下冬小麦种植北界，如图1所示。

图1 黄淮海地区各年代际冬小麦种植北界Fig.1 Northern limit of winter wheat in different decades in Huang-Huai-Hai Plain

从图1可以看出，1961—1970年黄淮海地区冬小麦种植北界主要分布在天津—河北霸州—保定—石家庄—邢台—山西临汾一线；1971—1980年北界北移，河北境内北移约65 km，到达北京、唐山附近，山西境内北移约40 km，到达隰县附近；与1971—1980年相比，1981—1990年北界变化很小，仅在河北唐山附近略南移、山西运城附近略北移；与1981—1990年相比，1991—2000年北界变化显著，尤以山西境内为甚，将原本的正弦线趋势压缩为平滑抛物线趋势，临汾附近南移，阳城附近北移，同时，北京附近南移，河北唐山附近北移，石家庄附近东移，邢台附近西移；2001—2010年冬小麦种植北界与1991—2000年相比，呈北移西扩趋势，北京附近北移约30 km，河北石家庄附近西扩约30 km，山西临汾附近北移约40 km，西扩约50 km；2011—2017年冬小麦种植北界与2001—2010年相比，呈南移西扩趋势，河北唐山附近南移约40 km，石家庄附近西扩约30 km，山西临汾附近南移约40 km。由统计年鉴知，相较于2001—2010年，2011—2017年河北省冬小麦种植面积减少 1.30%，冬小麦大部分种植在邯郸、邢台、石家庄、保定、沧州、衡水、廊坊、唐山附近，秦皇岛附近有小范围种植，但逐年减少，张家口、承德目前没有种植冬小麦[33]；与2001—2010年相比，2011—2017年山西省冬小麦种植面积减少3.88%，大部分种植在南部的运城、临汾、阳城，介休附近有小范围种植，中部隰县、榆社、河曲、五寨、原平、兴县、太原等附近几乎没有种植冬小麦，北部右玉、大同由于平均气温更低，更不适合冬小麦种植[34]，这与本研究结果一致。

2.2 RCP4.5情景下黄淮海地区冬小麦种植北界偏移状况

将RCP4.5情景下黄淮海地区94个站点3个年代际2011—2040年、2041—2070年、2071—2100年的冬小麦可种植概率进行插值并绘制 80%保证率下冬小麦种植北界，如图2所示。

从图2可以看出，未来RCP4.5情景下3个年代际黄淮海地区及周边冬小麦可种植概率的空间分布非常相似，均从东南方向向西北方向递减，且随着时间推移，不同年代际概率的分界线均逐渐向西北方向移动（图2a～2c）。冬小麦可种植年代际概率为＞0.2～0.8的区域主要分布在山西中部、山西与河北交界处以及北京北部。与 2011—2017年黄淮海地区北界的实际趋势相比，RCP4.5情景 80%保证率下 2011—2040年冬小麦种植北界整体趋势与之较一致，在河北乐亭—唐山—北京—河北保定—石家庄—邢台—山西榆社—临汾一线，但在河北唐山、乐亭附近，北界北移约45 km，在河北石家庄附近，北界东移约 40 km，在山西临汾附近，北界北移约35 km（图2d）。与2011—2040年相比，2041—2070年北界变化较大：河北唐山、乐亭附近北移至秦皇岛；山西临汾附近北移至介休，榆社附近形成一个面积约13 600 km2的椭圆，且为不可种植区域（图 2d）。相较于2041—2070年，2071—2100年北界在河北境内趋于稳定，在山西境内北移约60 km，到达太原北部，且榆社附近的不可种植区域消失。

图2 RCP4.5情景下黄淮海地区冬小麦可种植年代际概率及80%保证率下种植北界Fig.2 Probability of winter wheat planting and northern limit of winter wheat planting at 80% guarantee level under RCP4.5 in Huang-Huai-Hai Plain

2.3 RCP8.5情景下黄淮海地区冬小麦种植北界偏移状况

RCP8.5情景下黄淮海地区2011—2100年3个年代际的冬小麦可种植概率及80%保证率下种植北界如图3所示。

从图3可以看出，未来RCP8.5情景下3个年代际黄淮海地区及周边冬小麦可种植概率的空间分布差异较大，主要表现在不同年代际概率的分界线明显向西北方向移动，且呈“S”状。冬小麦可种植年代际概率为＞0.2～0.8的区域，2011—2040年主要分布在山西太原附近、山西与河北交界处以及北京附近（图3a），2041—2070年则分布在山西五寨附近、河北张家口与丰宁附近（图3b），2071—2100年北移至山西河曲附近、西扩至河北张北附近（图3c）。与2011—2017年黄淮海地区北界的实际趋势相比，RCP8.5情景80%保证率下2011—2040年冬小麦种植北界整体趋势与之较一致：主要分布在河北秦皇岛—唐山—北京—河北保定—石家庄—山西临汾一线。其中，在河北唐山与乐亭附近，北界北移约50 km，河北石家庄附近，北界东移约40 km，山西临汾附近，北界北移约35 km（图3d）。与2011—2040年相比，2041—2070年北界北移距离较大：河北境内北移至遵化、青龙附近，山西境内北移至兴县、太原附近。此外，榆社附近出现一个面积约4 800 km2的不可种植区域。2071—2100年北界呈“S”状，主要分布在河北承德—丰宁—张家口—怀来—保定—山西原平—五寨—河曲一线，与2041—2070年相比，河北境内北移约70 km，山西境内北移约75 km。

图3 RCP8.5情景下黄淮海地区冬小麦可种植年代际概率及80%保证率下种植北界Fig.3 Probability of winter wheat planting and northern limit of winter wheat planting at 80% guarantee level under RCP8.5 in Huang-Huai-Hai Plain

3 讨 论

黄淮海地区1971—2017年的5个年代际冬小麦种植北界，均与相邻前 1个年代际相比，有所变动。其中，1971—1980年北移距离最大，1981—1990年北移距离最小，1991—2000年整体变化幅度最大，2011—2017年则呈南移现象（图1）。北界的这种变化趋势与各个年代际冬季气温的变化情况紧密相关，北京、天津、河北省、山西省四省市冬季（12月、1月、2月）积温1971—1980年较1961—1970年平均每年增加61.36 ℃，1981—1990年较1971—1980年平均每年增加 9.40 ℃，1991—2000年较1981—1990年平均每年增加106.64 ℃，2011—2017年较2001—2010年平均每年降低 19.10 ℃。冬季气温骤然升高将导致北界大幅北移或整体变化幅度加剧，变化较小则表现为北界北移距离较小，温度降低则使北界南移，这与杨晓琳等[2-3,5]的结论一致。1961—1970年山西省的冬小麦种植北界，李祎君等[3]认为到达山西中北部，王培娟等[12]认为到达山西中部，钱锦霞等[20]认为在临汾、晋城附近，本研究则发现在临汾、阳城附近。前两者的结果与本研究结论差异较大，第三者的结果与本研究结论相近。出现上述现象的原因可能是所选气候指标的不同。前两者仅考虑了冬小麦的抗冻指标，第三者考虑了抗冻、耐冻指标，本研究则综合了冬小麦抗冻、耐冻、全生育期热量指标。基于2011—2017年河北省、山西省的统计年鉴资料[33-34]，河北省、山西省冬小麦的种植区域与本研究2011—2017年北界结果较一致，这在一定程度上说明所选指标的精确度较高。此外，所选区域的尺度大小以及站点的数量多少等都会对研究的结果产生一定影响。王连喜等[22]基于抗冻、耐冻、全生育期热量指标并结合栅格数和站点纬度信息，得到了京津冀地区冬小麦可种植北界的年代际回归方程，该方法对北界的变化趋势研究具有一定的价值，但不能直观的表现出各个地区北界的动态变化过程，因此，本研究选择普通克里格方法对各个年代际冬小麦可种植概率进行插值，以便更直接的观察到各个地区北界的动态变化过程。普通克里格方法通过对未知样点周围实测样点的平均权重系数对未知样点进行线性无偏最优估计[35]，但也存在着过度平滑问题[36]。如2001—2010年和2011—2017年，考虑到山西介休站点周围隰县、榆社、太原等站点的权重系数，在估值过程中对介休站点的原始数据产生压缩作用及平滑效应，从而使该站点由可种植区域变为不可种植区域，这与实际情况不符。因此，采用该方法对变化较剧烈的空间属性进行估计和预测时，需要进一步深入研究。

未来2种情景下，RCP4.5冬小麦种植北界变化趋势明显小于RCP8.5。RCP4.5情景下，与2041—2070年相比，2071—2100年北界在河北境内趋于稳定，在山西境内北移且距离较小（图 2d），RCP8.5情景下，与 2041—2070年相比，2071—2100年北界在河北和山西境内均北移且距离较大（图3d）。分析认为，2种情景下河北、山西 2省的不同表现，可能与不同情景下排放路径和两地区地理因素紧密相关：RCP4.5代表中浓度路径发展，辐射和温室气体浓度路径形状为不超过目标水平趋于稳定，而RCP8.5代表高浓度路径发展，辐射和温室气体排放持续上升[37]。RCP4.5情景下，随着温室气体排放量增加气温升高，但在河北境内受燕山山脉阻挡，热量资源向北传递速度较慢，因而北界北移速度较慢，在山西境内，由于山脉多为南北走向，热量资源向北传递速度较快，进而北界北移速度较快。RCP8.5情景下，气温增幅较快，燕山已无法阻挡热量资源向北传递的趋势，故河北境内北界的北移速度也较快。此外，未来2种情景下，2041—2070年山西境内均出现一个以榆社为中心的不可种植区域，这可能是因为榆社所处山地，海拔较高，气温较低，且四周为太原盆地、长治盆地、华北平原，极易形成四周为可种植区域，而中间为不可种植区域的现象，又由于 RCP8.5情景下气温增加较大，所以RCP8.5情景下不可种植区域面积较小。

尽管冬小麦北界有北移西扩趋势，且这种趋势正在逐渐加剧，但冬小麦合理规划扩种并不是如此简单，需要考虑诸多因素。其中，北移冬小麦品种的选择为首要因素，现有品种在北移区种植可能会引起生育期改变[38]，因此，强冬性小麦品种亟需研发。其次为田间管理制度。冬小麦分蘖节深度与越冬期死亡率关系密切，必须采取相应措施确保冬小麦安全越冬[10]。此外还应提高对气象灾害的预判力，考虑北移冬小麦种植的经济性。

4 结 论

本研究在前人研究的基础上选择最冷月平均温度≥-8 ℃、极端最低气温≥-24 ℃、冬前积温≥400 ℃、越冬期负积温≥-450 ℃、全生育期积温≥1 700 ℃作为冬小麦种植北界参数，系统地分析了黄淮海地区冬小麦种植北界的时间演变特点，并预测了不同情景下黄淮海地区冬小麦种植北界的未来变化趋势，得到主要结论如下：

1）1961—1970 年黄淮海地区冬小麦种植北界主要分布于天津—河北霸州—保定—石家庄—邢台—山西临汾一线；1971—1980年，该线在河北境内北移约65 km，在山西境内北移约40 km；与1971—1980年相比，1981—1990年北界变化较小，仅在河北唐山附近略南移，在山西运城附近略北移；与1981—1990年相比，1991—2000年北界变化较大，尤以山西地区为最，将原本的正弦线趋势压缩为平滑抛物线趋势，临汾附近南移，阳城附近北移；相较于1991—2000年，2001—2010年北界略北移；相较于2001—2010年，2011—2017年北界呈南移现象。

2）未来RCP4.5情景下，2011—2040年冬小麦种植北界主要分布在河北乐亭—唐山—北京—河北保定—石家庄—邢台—山西榆社—临汾一线；2041—2070年，该线在河北境内北移至秦皇岛，山西境内北移至介休；与2041—2070年相比，2071—2100年北界在河北境内趋于稳定，在山西境内北移至太原北部。

3）未来RCP8.5情景下，冬小麦种植北界变化较大：2011—2040年，北界位于河北秦皇岛—唐山—北京—河北保定—石家庄—山西临汾一线；2041—2070年，该线在河北境内北移至遵化、青龙附近，在山西境内北移至兴县、太原附近；2071—2100年，北界北移至承德—丰宁—张家口—怀来—保定—山西原平—五寨—河曲一带。