RCP 情景下未来气候变化对河南省大豆生育期和产量的影响分析

2020-12-18李彤霄

湖北农业科学 2020年22期

刘佳，李聪，李彤霄，刘燕

（1.中国气象局·河南气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2.郑州市气象局，郑州 450000；3.河南省气象科学研究所，郑州 450000；4.安阳市气象局，河南安阳 455000）

近些年来，气候变化越来越受到人们的广泛关注，其对农作物的影响和评估成为研究重点，在小麦、玉米、水稻、棉花等方面进行了大量研究，取得了丰硕的成果［1-7］。但气候变化对大豆的影响研究目前国内相对较少，对黄淮地区的研究较为鲜见。大豆是中国主要的油料作物之一。华北、黄淮地区是中国夏大豆主产区，种植面积占比较大，总产量近些年来虽有下降，但也维持在一定的水平。其中，河南省大豆产量常年稳居80 万t 以上。因此，研究气候变化对河南省大豆产量的影响有重要的意义。

1 资料与方法

1.1 研究区气候概况和样点选择

河南省位于中国中部偏东、黄河中下游，介于31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E，地形呈西高东低地势，中、东部为黄淮海平原；气候处在自南向北由亚热带向暖温带的过渡带，具有四季分明、雨热同期、复杂多样、气象灾害频繁的基本特点。根据河南省气候的特点，分别从河南省南部、中部和北部地区选取正阳县、黄泛区农场和林州市作为代表站，分析未来气候变化对河南省大豆产量的影响。

1.2 未来气候情景的选取

采用IPCC 第五次报告中所采用的典型浓度路径RCP4.5 和RCP8.5 新情景来模拟未来的气候变化情景。选用意大利国际理论物理中心ICTP（Abdus salam international centre for theoretical physics）发展的区域气候模式RegCM 4.0，生成RCP 4.5 和RCP 8.5 新情景下的2015—2099 年的情景文件，进而提取3 个代表站点的多年逐日气象数据，代入模型，分析未来21 世纪前期（2020—2040 年）、21 世纪中期（2041—2070 年）和21 世纪后期（2071—2099年）气候变化的影响。

RCP 8.5 为CO2排放的高端路径，其辐射强迫将持续上涨，2100 年达8.5 W/m2，其相当浓度约为1 300 CO2-eq；RCP 4.5 为中间稳定路径，其路径形式均没有超过目标水平达到稳定，2100 年后为4. 5 W/m2，其相当浓度约为650 CO2-eq。

1.3 品种选择

河南省大豆品种资源丰富，但为了便于对比全省的大豆生长发育和产量情况，选取中熟品种为研究对象，进而分析河南省气候变化对大豆生产的影响。正阳县选取的大豆品种为89B，黄泛区农场选取的大豆品种主要以豫豆29 号为主，林州市选取的大豆品种为豫州6 号。

1.4 模型的选择和调试

选取国际上得到广泛验证的DSSAT v4.5 软件中有关豆科作物的子模块CROPGRO-Soybean 模型对河南省大豆品种进行本地化调试。CROPGROSoybean 模型有2 个日长敏感性参数［CSDL（临界短日长）、PPSEN（光周期斜率）］、5 个生育阶段［（EMFL（出苗-初花期）、FL-SH（初花-初荚期）、SD-PM（鼓粒-初熟期）、FL-LF（初花-展叶结束）、LFMAX（最大叶片光合作用速率，定义为30 ℃、687.5 mg/m3CO2和高光强条件下最大叶片光合作用速率）］、3 个营养阶段特性［SLAVR（在标准生长条件下，品种的比叶面积）、SIZELF（整个复叶的最大叶面积）、XFRT（每日生长中分配给种子和外壳的最大比例）］及4 个生殖阶段特性［WTPSD（单粒种子的最大重量）、SFDUR（标准生长条件下，所有荚内子粒灌浆持续天数）、SDPDV（标准生长条件下，每荚平均粒数）、PODUR（最佳生长条件下，到结荚期的持续天数）］及THRSH（脱粒率）等15 个参数。

对模型模拟的主要发育期和产量进行验证，选择模拟值与观测值的均方根误差（SE）、归一化均方根误差（NRMSE）和相关系数（R2）作为模型的验证指标。

2 结果与分析

2.1 各区大豆遗传参数的调试结果

选取林州市2008—2017 年，黄泛区农场2006—2017 年和正阳县2000—2008 年的气象和观测数据进行调试和验证。其中，选取林州市2008—2012年，黄泛区农场2006—2012 年和正阳县2000—2005 年的数据进行调参，选取林州市2013—2017年，黄泛区农场2013—2017 年和正阳县2006—2008 年的数据进行验证。

2.1.1 各地区大豆的生育期模拟结果在CROPGRO-Soybean 模型参数确定的基础上，利用实测出苗期为模拟初始日期，以对应代表站点的逐日气象数据驱动CROPGRO-Soybean 模型模拟大豆生长发育过程，与实际观测数据进行对比分析，以检验模型的适应性。

1）各地区大豆的开花期模拟结果。从表1 可以看出，各处理模拟生育期与实测生育期间的RMSE均较小，波动范围也较小。R2反映了模拟生育期与实测生育期数据的拟合情况，北部和中部地区生育期模拟与实测结果拟合程度较好，南部地区略差。NRMSE 的波动范围为1.9%～5.7%，说明模拟结果与实测结果差异较小。标准差在1.000～3.215 d。从图1 可以看出，大豆的开花期主要在播种后40～55 d，北部地区稍短，南部地区稍长。各地区的散点大部分落在1∶1 线周围，表明模拟效果较好。

表1 各地区大豆的开花期调参值模拟结果的统计评价

图1 各地区大豆开花期（播种后天数）验证值模拟结果比较

2）各地区大豆的始粒期模拟结果。从表2 可以看出，各处理模拟生育期与实测生育期间的RMSE均较小，波动范围也较小。R2显示南部和中部地区生育期模拟与实测结果拟合程度较好，北部地区略差。NRMSE 波动范围在0～5.0%，说明模拟结果与实测结果差异较小。标准差在0～4.726 d。从图2可以看出，大豆的始粒期主要在播后78～90 d，北部地区稍短，南部地区稍长。各地区的散点大部分落在1∶1 线周围，表明模拟效果表现为中部＞北部＞南部。

表2 各地区大豆的始粒期调参值模拟结果的统计评价

图2 各地区大豆始粒期（播种后天数）验证值模拟结果比较

3）各地区大豆的成熟期模拟结果。从表3 可以看出，各处理模拟生育期与实测生育期间的RMSE均较小，波动范围也较小。R2显示南部和北部地区生育期模拟与实测结果拟合程度较好，中部地区略差。NRMSE 波动范围为2.3%～4.7%，说明模拟结果与实测结果差异较小。标准差在1.000～2.310 d。从图3 可以看出，大豆的成熟期主要在播后102～125 d，中部地区稍长。各地区的散点大部分落在1∶1 线周围，表明模拟效果较好。

表3 各地区大豆的成熟期调参值模拟结果的统计评价

图3 各地区大豆成熟期（播种后天数）验证值模拟结果比较

2.1.2 各地区大豆的产量模拟结果从表4 可以看出，各处理模拟产量与实测产量之间的RMSE 相差不大。R2显示南部地区生育期模拟与实测结果拟合程度较好，中部地区略差，北部地区最差。NRMSE 显示为中部＞南部＞北部，北部地区的效果最差。SD 在218～333 kg/hm2。从图4 可以看出，大豆的产量各区差异很大，中部地区较高。各地区的散点大部分落在1∶1 线周围，表明模拟效果中部地区较好，南部地区和北部地区误差较大。

通过以上分析发现，3 个地区的生育期和最终产量的模拟值与实测值一致性较好，模型能较为准确地模拟河南省各地区大豆的生长过程和产量情况。总体上，CROPGRO-Soybean 模型具有较好的模拟精度及较强的适应性，能够用于河南省大豆生产，可为进一步应用模型展开资源利用分析、生产管理支持及气候变化影响研究提供依据。由于农业系统内在的复杂性和作物模型自身算法偏差，CROPGRO-Soybean 模型尚不能完全反映所有的过程与关系，模拟与实测结果仍有一定偏差，因而，作物模型本身有待进一步的改进与完善。

表4 各地区大豆的产量调参值模拟结果的统计评价

图4 各区大豆产量验证值模拟结果比较

2.2 不同情景下气候变化对大豆生育期和产量的影响

2.2.1 对大豆开花期的影响从表5 可以看出，在不改变当前种植模式、品种和其他环境因子的条件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的开花期呈延长的趋势。 RCP4.5 情景下延长2.4～7.2 d，RCP8.5 情景下延长2.3～9.8 d，且随着未来时间的推移，延长日数逐渐增加。从全省平均来看，RCP4.5情景下在21 世纪前期、中期、后期平均延长3.6、4.1、4.5 d，平均为4.1 d；RCP8.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期平均延长3.6、4.6、5.8 d，平均为4.7 d。总体而言，未来RCP8.5 情景下比RCP4.5 情景下温室气体浓度增加，大豆开花期延长的趋势更加明显，特别是在21 世纪中期以后。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的开花期都呈从南部到北部延长的趋势。RCP4.5 情景下大豆开花期延长的趋势略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地区延长2.4～2.7 d，中部地区延长5.3～7.2 d，北部地区延长3.0～3.5 d，中部地区延长趋势明显；RCP8.5 情景下南部地区延长2.3～2.8 d，中部地区延长5.6～9.8 d，北部地区延长3.0～4.9 d，中部地区整体上延长趋势明显。总体而言，未来RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下，温室气体浓度的增加对大豆开花期的影响均表现为北部地区大于南部地区。

2.2.2 对大豆始粒期的影响从表6 可以看出，在不改变当前种植模式、品种和其他环境因子的条件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期呈延长的趋势。 RCP4.5 情景下延长1.9～11.3 d，RCP8.5 情景下延长1.8～14.5 d，且随着未来时间的推移，延长日数逐渐增加。从全省平均来看，RCP4.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期平均分别延长6.2、7.0、7.6 d，平均为6.9 d；RCP8.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期平均分别延长6.2、8.0、9.7 d，平均为8.0 d。总体而言，未来RCP8.5 情景下与RCP4.5 情景下相比，随着温室气体浓度增加，大豆的始粒期延长的趋势更加明显。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期都呈从南部到北部延长的趋势。RCP4.5 情景下大豆始粒期延长的趋势略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地区延长8.1～9.3 d，中部地区延长8.7～11.3 d，北部地区延长1.9～2.2 d，北部地区整体上延长趋势更明显；RCP8.5 情景下南部地区延长8.2～10.9 d，中部地区延长8.6～14.5 d，北部地区延长1.8～3.8 d，中部地区整体上延长趋势最明显，北部次之。总体而言，未来RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下温室气体浓度的增加对大豆始粒期的影响均表现为中部＞南部＞北部。

表5 未来情景模式下各地区大豆开花期延长情况（单位：d）

表6 未来情景模式下各地区大豆始粒期延长情况（单位：d）

2.2.3 对大豆成熟期的影响从表7 可以看出，在不改变当前种植模式、品种和其他环境因子的条件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世纪中期以前呈延长的趋势，在21 世纪后期呈缩短的趋势。从全省平均来看，RCP4.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期平均分别延长7.2、15.0、-3.0 d，平均延长6.4 d；RCP8.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期平均分别延长7.9、16.2、-2.8 d，平均延长7.1 d。总体而言，未来RCP4.5 情景和RCP8.5情景下随着温室气体浓度的增加，大豆成熟期整体上呈延长的趋势。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世纪前期、中期和后期从南到北整体上平均都呈延长的趋势。RCP4.5 情景下大豆成熟期延长的趋势略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地区平均延长6.0 d，中部地区平均延长6.3 d，北部地区平均延长6.9 d，北部地区延长明显；RCP8.5 情景下南部地区平均延长5.8 d，中部地区平均延长7.0 d，北部地区平均延长8.6 d，北部地区整体上延长趋势明显。总体而言，未来RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下温室气体浓度的增加对大豆成熟期的影响表现为北部＞中部＞南部。

2.2.4 对大豆产量的影响对大豆产量的模拟研究发现，在未来RCP 情景下，大豆的产量整体上呈减少的趋势，以在21 世纪后期减少较为明显，21 世纪中期减少的趋势有所减缓。从全省平均来看，RCP4.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期产量平均分别减少 24.92%、15.89%、26.56%，平均减少22.46%；RCP8.5 情景下在21 世纪前期、中期、后期产量平均分别减少31.42%、19.15%、27.26%，平均减少25.94%。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆产量都呈从南部向北部地区减少的趋势。RCP4.5 情景下大豆产量减少的趋势略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5情景下南部地区平均减少17.18%，中部地区平均减少23.68%，北部地区平均减少26.52%，北部地区减产较明显；RCP8.5 情景下南部地区平均减少18.18%，中部地区平均减少27.12%，北部地区平均减少32.54%，北部地区减少趋势较为明显。总体而言，未来RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下温室气体浓度的增加对大豆产量的影响表现为北部＞中部＞南部。在未来气候情景下，大豆的产量呈减少的趋势，随着温室气体的增加，减少的趋势更加明显。

3 小结与讨论

本研究选取林州市2008—2017 年，黄泛区农场2006—2017 年和正阳县2000—2008 年大豆生育资料数据和同期气候资料对CROPGRO-Soybean 模型进行调参和验证，得到适合河南省南部、中部和北部地区的大豆模型参数。

通过引入未来典型浓度路径RCP4.5 和RCP8.5气候情景数据，分析了未来气候变化情景下，大豆的生育期和产量对气候变化的响应情况。

研究表明，在未来典型浓度路径RCP4.5 和RCP8.5 气候情景下，河南省大豆开花期和始粒期呈延长的趋势，且RCP8.5 气候情景下的延长趋势较RCP4.5 更明显。河南省大豆开花期延长的趋势表现为中部＞北部＞南部，河南省大豆和始粒期延长的趋势表现为中部＞南部＞北部。河南省大豆成熟期在未来典型浓度路径RCP4.5 和RCP8.5 气候情景下与成熟期相似，即大豆成熟期延长的趋势表现为北部＞中部＞南部。