河南省优质小麦适宜种植区及未来变化趋势

余卫东 杨君健

(1.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003；2.商丘市气象局，河南 商丘 476000)

小麦是我国主要粮食作物，常年播种面积维持在0.24亿hm2以上。近年来我国小麦总产量连续超过1.3亿t[1]，基本满足国内市场需求，但随着经济发展和人们生活水平的提高，我国对优质强筋和优质弱筋专用小麦的需求逐年上升。每年优质专用小麦消费量在1 000万t左右，其中约300万t需要依赖进口[2-3]。

小麦品质是一个由多因素构成的复杂的综合性概念。在一定栽培措施条件下，小麦生育期内光、温、水等气象条件是影响籽粒品质形成的主要因素[4-7]。同一小麦品种的品质存在明显的地域差异，且品质的地域间差异大于品种间差异[8]。我国北方冬麦区小麦籽粒的蛋白质数量和质量整体优于南方冬麦区和春播麦区[9-10]。蛋白质含量与纬度呈极显著正相关，并在北纬33°附近有一明显分界线[11]。受全球气候变暖影响，我国冬小麦种植区热量资源明显增加，光照减少，降水量变化趋势不明显，但部分地区参考作物蒸散量增加，水资源短缺加剧[12-14]，气候波动性增加，对小麦生育进程、产量和品质都产生一定影响[15-19]。

河南省位于华北平原南部，地处北纬31°23′～36°22′。小麦是河南农业的优势农产业之一，2018年全省种植面积占全国小麦总面积的23.7%，产量占27.4%[1]。优质强筋、中筋和弱筋小麦在河南省都有适宜的种植区域[20-21]。近年来围绕“建设优质专用小麦为主的全国重要的优质粮生产和加工基地”目标，以小麦优质化种植推进农业结构调整，重点发展优质强筋小麦和弱筋小麦，至2020年河南省优质专用小麦种植面积已发展到900×103hm2。拓展小麦种植进一步发展的空间，需要分析优质专用小麦农业气候资源。现有研究多集中在气候变化和未来气候条件对小麦种植界限、生长发育和产量的影响，针对优质小麦种植区域的影响较少涉及。因此，为分析气候条件与优质小麦种植的关系，本研究拟以河南省优质小麦为研究对象，利用小麦品质形成关键期农业气象条件量化赋值的方式，确定河南省优质专用小麦适宜种植农业气候指标，研究未来气候条件对河南省优质小麦种植区域的影响，为合理规划河南省优质小麦种植布局、培育优质小麦品种和研发适应未来气候情景的栽培技术提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 研究数据

本研究数据包括气象观测数据和气候情景模拟数据。结合河南省台站资料的完整性与可用性，地面观测数据时间序列为1971—2000年，由河南省气象数据中心提供河南省113 个气象观测站的逐日日照时数(h)、平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)和降水量(mm)。气候情景模拟数据为区域气候模式数据RegCM4.0，嵌套BCC_CSM1.1全球气候系统模式的输出结果[22-23]，包括1971—2000年的历史模拟值和RCP 4.5、RCP 8.5情景下气候预估数据(2001—2050年)，空间分辨率为0.5°×0.5°。统计分析的RCP情景要素种类主要包括逐日2 m处平均气温(K)、最高气温(K)、最低气温(K)、降水量(mm)和太阳辐射量(W/m2)，应用时将气温数据统一转换为℃。

根据河南省行政区域经纬度范围，本研究选取的经度范围为110.0° E～117.0° E，15 个格点；纬度范围31.0° N～37.0° N，13个格点，共195个格点。RCP情景数据空间格点及河南省113 个气象观测站分布见图1。

图1 河南省RCP情景数据格点及113 个气象观测站点分布图Fig.1 Distribution points of RCP grid and 113 weather stations in Henan Province

1.2 研究方法

1.2.1河南省优质专用小麦区划指标

参考小麦品质与气象条件关系研究结果和已有河南省优质小麦农业气候区划指标[21]，结合RCP情景输出的数据类型，确定适用于RCP4.5和RCP8.5未来气候情景数据的河南省优质专用小麦区划指标体系(表1)，并对强筋、中筋和弱筋适宜区分别赋值3分、2分和1分。

1.2.2区划指标统计分析

按照表1中的区划指标，分别统计基准时段(1971—2000年)、2030年、2040年和2050年8个区划指标的多年平均值。本研究用气候情景输出结果中1971—2000年的平均值代表基准时段，分别用2001—2030年、2011—2040年和2021—2050年气候指标的多年平均值代表2030年、2040年和2050年的农业气候资源平均状况，由此得到覆盖河南省195 个格点4 个时段的统计结果。

表1 基于RCP气候情景数据的河南省优质小麦区划指标Table 1 Regionalization index of high-quality wheat in Henan Province based on RCP data

1.2.3统计结果偏差校正

区域气候模式模拟结果不可避免地会存在一定偏差，在实际应用之前，通常要根据实测资料对输出结果进行偏差校正[24-25]。由于本研究关注的是农业气候区划要素的变化情况，一般统计分析气候要素的30年平均值，因此采用Delta法[26]对模型输出结果的统计量进行校正，而不是直接校正模型输出结果。

首先根据河南省1971—2000年的地面观测站逐日资料，分别统计113 个站8 个区划指标的30年平均值；其次利用Bessel插值法[27]将相同时段195 个格点的气候模式模拟数据统计结果内插到113 个站点上；然后利用Delta法分别确定113 个站点逐个区划指标的校正系数；最后基于各站逐指标的校正系数，分别对2030年、2040年和2050年区划指标统计值进行偏差校正。

在使用Delta法确定区划指标的校正系数时，对降水类(降水量、雨日)和辐射数据采取比值法，而对温度类数据(积温、日较差、日最高气温≥32 ℃的天数)采用差值法。

降水类或辐射数据校正公式为：

Pf=P0×(PGf/PG0)

(1)

式中：Pf为校正后的降水或辐射数据；PGf为RCP未来情景的模拟值；PG0为RCP输出的基准时段(1971—2000年)的平均值；P0为对应的基准时段的实测值。由于缺少1971—2000年的辐射实测数据，本研究利用经验公式将日照时数转换为辐射后再进行校正。转换公式为：

Rs=(a+b×n/N)×Ra

(2)

式中：Rs为太阳辐射，MJ/(m2·d)；a和b为回归系数，分别取0.146和0.595；n为实际日照时数，h；N可照时数，h；Ra为每天的地球外辐射，MJ/(m2·d)。由于未来情景数据中辐射的单位为W/m2，因此还需要把计算结果转换为相同量纲数据，转化方法如下：

R′s=Rs×106/(24×60×60)

(3)

温度类数据校正公式为：

Tf=T0+(TGf-TG0)

(4)

式中：Tf为校正后的温度类数据；TGf为RCP未来情景的模拟值；TG0为RCP输出的基准时段的平均值；T0为基准时段的观测值。

1.2.4区划要素空间插值

利用河南省113 个气象站的实际观测资料及对应站点的经度、纬度、海拔高度数据，将经度、纬度和海拔高度作为自变量，区划指标作为因变量，建立气候要素网格推算多元回归方程(表2)。

表2 河南省农业气候要素地理推算模型Table 2 Geographical model of agro-climatic regionalization index in Henan Province

根据表2中各区划指标地理推算方程的回归系数和1∶100 万河南省基础地理背景数据，利用梯度距离反比法[28]，分别对基准时段、校正后的RCP4.5和RCP8.5情景下2030年、2040年和2050年各气候指标进行空间插值，得到1 km×1 km区划指标空间分布结果。

1.2.5农业气候区划制作

基于上述千米网格的河南省优质专用小麦农业气候区划指标，按照强筋、中筋和弱筋适宜区的不同分值，采取打分法进行分级打分，然后对每个区划指标的分值进行求和得到8 个指标的总分数，最后根据总分数的大小，将河南省优质专用小麦种植区划分为5 种类型：当总分≥22为强筋小麦适宜区；[17，22)为强筋中筋小麦过渡区；[14，17)为中筋小麦适宜种植区；[11，14]时为中筋弱筋小麦过渡区；<11为弱筋小麦适宜种植区。在Surfer 9中为不同种植区赋予不同的颜色，制作出河南省优质专用小麦农业气候区划图，并进一步分析未来气候条件下，优质小麦种植区域和种植面积比例的变化情况。

2 结果与分析

2.1 基准时段河南省优质小麦种植分布

基准时段1971—2000年河南省优质小麦农业气候分区结果见图2。可知各类优质小麦适宜区的分布基本上呈纬向分布。从北向南依次分布着强筋小麦适宜区、强筋中筋小麦过渡区、中筋小麦适宜区、中筋弱筋小麦过渡区和弱筋小麦适宜区。

图2 基准时段1971—2000年河南省优质小麦种植适宜区分布Fig.2 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 1971 to 2000

强筋小麦适宜区主要分布在河南省内34°N以北。该区光温条件较好，冬小麦生长期内≥0 ℃积温2 000～2 300 ℃.d，降水量200～260 mm，日照时数1 400～1 600 h。冬季温度适宜，光照充足，有利于培育冬前壮苗和安全越冬；拔节期干旱和倒春寒几率较高，影响小麦产量和品质。多数年份小麦生长受到一定的水分胁迫，但灌浆期光照条件好、降水少且气温日较差大，适合优质强筋小麦种植。

中筋小麦适宜区主要分布在33～34°N的驻马店、漯河、南阳等地。该区域冬小麦全生育期≥0 ℃积温2 300～2 500 ℃.d，降水量300～400 mm，日照时数1 200～1 350 h。正常年份降水量可以满足需求，但春季雨日较多，光照不足，气温偏低。灌浆期降水量70～90 mm且气温日较差较小，对小麦灌浆攻籽，粒重提高影响较大。

弱筋小麦适宜区主要分布在32.5°N以南的信阳南部。这一地区气候属于北亚热带，小麦生育期≥0 ℃积温多于2 500 ℃.d，降水量450～600 mm，日照时数1 150～1 250 h。冬前气温高，播种较晚，麦苗偏弱。春季多雨，3—4月雨日≥18 d，对小麦穗形成不利。灌浆期高温、多雨、5月气温日较差平均值<11.0 ℃，不利于籽粒蛋白质和面筋的形成，面团强度较低，适合发展优质弱筋小麦。

2.2 未来气候情景下河南省优质小麦分布

利用相同的方法分别绘制出RCP4.5和RCP8.5情景下，2030年、2040年和2050年河南省优质小麦农业气候分区结果(图3)，根据分区结果统计得到基准时段和2030—2050年各适宜种植区的面积比例(表3)。

表3 基准时段1971—2000年及RCP未来情景下河南省优质小麦各适宜种植区比例Table 3 Proportion of suitable area for different high quality wheat inHenan Province under historical period and RCP scenarios %

图3 不同RCP情景下2030—2050年河南省优质小麦种植适宜区分布Fig.3 Distribution of suitable region for different high quality wheat in Henan Province from 2030 to 2050 under different RCP scenarios

与基准时段1971—2000年相比，2030年RCP4.5和RCP8.5情景下强筋适宜区面积比例均出现了减少的趋势，而强筋中筋过渡区则出现了增加的趋势。其中强筋适宜区面积比例分别减少了14.8和10.6 个百分点，强筋中筋过渡区面积比例则分别增加了15.3和7.3 个百分点。主要是郑州西部、洛阳和三门峡等地的强筋适宜区变成了强筋中筋过渡区。弱筋适宜区面积比例有所增加，与基准时段相比， RCP4.5和RCP8.5情景下弱筋小麦适宜面积比例分别增加了6.1和5.3 个百分点。中筋适宜区面积比例RCP4.5情景下减少了3.7 个百分点，而RCP8.5情景下则增加了2.4 个百分点。

2040年RCP4.5和RCP8.5情景下强筋适宜区面积比例均出现了明显的减少趋势，面积比例分别减少了26.0和17.4 个百分点；强筋中筋过渡区面积比例大幅度增加，2 种情景下分别增加了22.7和15.3 个百分点。弱筋适宜区面积比例比也进一步增加，与基准时段相比，2040年RCP4.5和RCP8.5情景下比例分别增加了6.5和5.4 个百分点。中筋适宜区面积比例变化不一致，RCP4.5情景下减少了2.1 个百分点，而RCP8.5情景下增加了0.1 个百分点。

2050年RCP4.5和RCP8.5情景下强筋适宜区面积比例均进一步减少，适宜面积比例分别减少到10.4%和12.9%。与基准时段相比，分别减少了26.8和24.3 个百分点。与2040年类似，RCP4.5和RCP8.5情景下强筋中筋过渡区面积比例分别增加了22.6和23.2 个百分点。弱筋适宜区面积比例则分别稳定在12.4%和11.6%；中筋适宜区面积比例变化不大，与基准时段相比，2 种情景下变化幅度均在1 个百分点左右。

3 讨 论

本研究基于河南省气象观测站历史观测资料、同时段RCP情景模拟数据以及未来气候情景(RCP4.5和RCP8.5)的模拟结果，选取与冬小麦品质形成相关的8 个气候要素，确定了河南省优质小麦区划指标，分别统计分析了2030年、2040年和2050年河南省强筋、中筋和弱筋优质小麦种植面积比例变化趋势。其中，基准时段河南省优质小麦种植布局与已有研究结果和生产实际基本一致[20-21,29]，总体上都是强筋小麦主要分布在豫西和豫北，豫中、豫东南是强筋小麦次适宜区和中筋适宜区，豫南是弱筋小麦适宜区，在一定程度上说明了本研究优质小麦区划指标的可用性以及未来气候情景区划结果的可信度。

已有研究表明干燥、少雨及光照充足的气候条件有利于蛋白质和面筋含量的提高[30-31]。籽粒开花至成熟期间，尤其是成熟前15～20 d的气象条件，对小麦产量和品质有重要影响。强筋小麦适于种植在光热资源充足，晴天多、降水较少，土壤肥沃的地区[30]。在现有耕作制度下，气候变暖将导致河南省冬小麦全生育期≥0 ℃积温和降水量增加，拔节—抽穗期辐射量减少而降水天数增加，豫北地区5 月份气温日较差下降、日最高气温≥32 ℃天数增加(>5 d)，这些因素都影响了强筋小麦种植。虽然5 月份辐射增加、降水量减少在一定程度上抵消了对强筋小麦种植的不利影响，但总体上河南省强筋小麦适宜种植面积比例仍然呈现明显减少趋势。

优质专用小麦的生产需要在优良基因型的基础上，选择适宜的生态环境，采取相应的栽培措施[30]。为适应和缓解气候变化对农业的影响，许多研究探索了调整农业种植制度和布局、选育优良农作物品种、加强农业气候灾害防控等对策和措施[32-35]。本研究中虽然未来气候情景下河南省强筋优质小麦适宜区面积比例减少，但它与强筋中筋过渡区面积比例之和变化不大，和基准时段相比，减少量不超过4.2个百分点。因此，在实际生产中，可选择适当的栽培措施和小麦品种来缓解气候变化的影响。例如通过推迟播期以减少全生育期积温和降水量；培育适应灌浆期耐32 ℃以上高温的优质强筋小麦新品种等。这些应对措施的效果还需要在今后的工作中进一步量化评价。另外，未来气候变化还存在一定的不确定性[36-38]，不同的全球或区域气候模式输出结果之间存在差异，气温、降水和太阳辐射等气象要素的不确定性程度也不相同。

4 结 论

在现有种植制度和品种属性不变的情况下， 2030—2050年河南省优质强筋小麦适宜区面积比例呈现减少趋势，与基准时段(1971—2000年)相比，在RCP4.5和RCP8.5的气候情景下分别减少14.8～26.8和10.6～24.3个百分点，但是强筋适宜区与强筋中筋过渡区面积比例之和变化不明显；2种气候情景下优质中筋适宜区面积比例变化不大，而优质弱筋小麦适宜种植区面积比例将分别增加6.1～6.5和5.3～5.5 个百分点。

致谢

感谢国家气候中心提供未来气候变化情景数据。