RCP 情景下未來氣候變化對河南省大豆生育期和產量的影響分析

劉 佳，李 聰，李彤霄，劉 燕

（1.中國氣象局·河南氣象局農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.鄭州市氣象局，鄭州 450000；3.河南省氣象科學研究所，鄭州 450000；4.安陽市氣象局，河南 安陽 455000）

近些年來，氣候變化越來越受到人們的廣泛關注，其對農作物的影響和評估成為研究重點，在小麥、玉米、水稻、棉花等方面進行了大量研究，取得了豐碩的成果［1-7］。但氣候變化對大豆的影響研究目前國內相對較少，對黃淮地區的研究較為鮮見。大豆是中國主要的油料作物之一。華北、黃淮地區是中國夏大豆主產區，種植面積占比較大，總產量近些年來雖有下降，但也維持在一定的水平。其中，河南省大豆產量常年穩居80 萬t 以上。因此，研究氣候變化對河南省大豆產量的影響有重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區氣候概況和樣點選擇

河南省位于中國中部偏東、黃河中下游，介于31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E，地形呈西高東低地勢，中、東部為黃淮海平原；氣候處在自南向北由亞熱帶向暖溫帶的過渡帶，具有四季分明、雨熱同期、復雜多樣、氣象災害頻繁的基本特點。根據河南省氣候的特點，分別從河南省南部、中部和北部地區選取正陽縣、黃泛區農場和林州市作為代表站，分析未來氣候變化對河南省大豆產量的影響。

1.2 未來氣候情景的選取

采用IPCC 第五次報告中所采用的典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 新情景來模擬未來的氣候變化情景。選用意大利國際理論物理中心ICTP（Abdus salam international centre for theoretical physics）發展的區域氣候模式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，進而提取3 個代表站點的多年逐日氣象數據，代入模型，分析未來21 世紀前期（2020—2040 年）、21 世紀中期（2041—2070 年）和21 世紀后期（2071—2099年）氣候變化的影響。

RCP 8.5 為CO2排放的高端路徑，其輻射強迫將持續上漲，2100 年達8.5 W/m2，其相當濃度約為1 300 CO2-eq；RCP 4.5 為中間穩定路徑，其路徑形式均沒有超過目標水平達到穩定，2100 年后為4. 5 W/m2，其相當濃度約為650 CO2-eq。

1.3 品種選擇

河南省大豆品種資源豐富，但為了便于對比全省的大豆生長發育和產量情況，選取中熟品種為研究對象，進而分析河南省氣候變化對大豆生產的影響。正陽縣選取的大豆品種為89B，黃泛區農場選取的大豆品種主要以豫豆29 號為主，林州市選取的大豆品種為豫州6 號。

1.4 模型的選擇和調試

選取國際上得到廣泛驗證的DSSAT v4.5 軟件中有關豆科作物的子模塊CROPGRO-Soybean 模型對河南省大豆品種進行本地化調試。CROPGROSoybean 模型有2 個日長敏感性參數［CSDL（臨界短日長）、PPSEN（光周期斜率）］、5 個生育階段［（EMFL（出苗-初花期）、FL-SH（初花-初莢期）、SD-PM（鼓粒-初熟期）、FL-LF（初花-展葉結束）、LFMAX（最大葉片光合作用速率，定義為30 ℃、687.5 mg/m3CO2和高光強條件下最大葉片光合作用速率）］、3 個營養階段特性［SLAVR（在標準生長條件下，品種的比葉面積）、SIZELF（整個復葉的最大葉面積）、XFRT（每日生長中分配給種子和外殼的最大比例）］及4 個生殖階段特性［WTPSD（單粒種子的最大重量）、SFDUR（標準生長條件下，所有莢內子粒灌漿持續天數）、SDPDV（標準生長條件下，每莢平均粒數）、PODUR（最佳生長條件下，到結莢期的持續天數）］及THRSH（脫粒率）等15 個參數。

對模型模擬的主要發育期和產量進行驗證，選擇模擬值與觀測值的均方根誤差（SE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）和相關系數（R2）作為模型的驗證指標。

2 結果與分析

2.1 各區大豆遺傳參數的調試結果

選取林州市2008—2017 年，黃泛區農場2006—2017 年和正陽縣2000—2008 年的氣象和觀測數據進行調試和驗證。其中，選取林州市2008—2012年，黃泛區農場2006—2012 年和正陽縣2000—2005 年的數據進行調參，選取林州市2013—2017年，黃泛區農場2013—2017 年和正陽縣2006—2008 年的數據進行驗證。

2.1.1 各地區大豆的生育期模擬結果 在CROPGRO-Soybean 模型參數確定的基礎上，利用實測出苗期為模擬初始日期，以對應代表站點的逐日氣象數據驅動CROPGRO-Soybean 模型模擬大豆生長發育過程，與實際觀測數據進行對比分析，以檢驗模型的適應性。

1）各地區大豆的開花期模擬結果。從表1 可以看出，各處理模擬生育期與實測生育期間的RMSE均較小，波動范圍也較小。R2反映了模擬生育期與實測生育期數據的擬合情況，北部和中部地區生育期模擬與實測結果擬合程度較好，南部地區略差。NRMSE 的波動范圍為1.9%～5.7%，說明模擬結果與實測結果差異較小。標準差在1.000～3.215 d。從圖1 可以看出，大豆的開花期主要在播種后40～55 d，北部地區稍短，南部地區稍長。各地區的散點大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果較好。

表1 各地區大豆的開花期調參值模擬結果的統計評價

圖1 各地區大豆開花期（播種后天數）驗證值模擬結果比較

2）各地區大豆的始粒期模擬結果。從表2 可以看出，各處理模擬生育期與實測生育期間的RMSE均較小，波動范圍也較小。R2顯示南部和中部地區生育期模擬與實測結果擬合程度較好，北部地區略差。NRMSE 波動范圍在0～5.0%，說明模擬結果與實測結果差異較小。標準差在0～4.726 d。從圖2可以看出，大豆的始粒期主要在播后78～90 d，北部地區稍短，南部地區稍長。各地區的散點大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果表現為中部＞北部＞南部。

表2 各地區大豆的始粒期調參值模擬結果的統計評價

圖2 各地區大豆始粒期（播種后天數）驗證值模擬結果比較

3）各地區大豆的成熟期模擬結果。從表3 可以看出，各處理模擬生育期與實測生育期間的RMSE均較小，波動范圍也較小。R2顯示南部和北部地區生育期模擬與實測結果擬合程度較好，中部地區略差。NRMSE 波動范圍為2.3%～4.7%，說明模擬結果與實測結果差異較小。標準差在1.000～2.310 d。從圖3 可以看出，大豆的成熟期主要在播后102～125 d，中部地區稍長。各地區的散點大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果較好。

表3 各地區大豆的成熟期調參值模擬結果的統計評價

圖3 各地區大豆成熟期（播種后天數）驗證值模擬結果比較

2.1.2 各地區大豆的產量模擬結果 從表4 可以看出，各處理模擬產量與實測產量之間的RMSE 相差不大。R2顯示南部地區生育期模擬與實測結果擬合程度較好，中部地區略差，北部地區最差。NRMSE 顯示為中部＞南部＞北部，北部地區的效果最差。SD 在218～333 kg/hm2。從圖4 可以看出，大豆的產量各區差異很大，中部地區較高。各地區的散點大部分落在1∶1 線周圍，表明模擬效果中部地區較好，南部地區和北部地區誤差較大。

通過以上分析發現，3 個地區的生育期和最終產量的模擬值與實測值一致性較好，模型能較為準確地模擬河南省各地區大豆的生長過程和產量情況。總體上，CROPGRO-Soybean 模型具有較好的模擬精度及較強的適應性，能夠用于河南省大豆生產，可為進一步應用模型展開資源利用分析、生產管理支持及氣候變化影響研究提供依據。由于農業系統內在的復雜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過程與關系，模擬與實測結果仍有一定偏差，因而，作物模型本身有待進一步的改進與完善。

表4 各地區大豆的產量調參值模擬結果的統計評價

圖4 各區大豆產量驗證值模擬結果比較

2.2 不同情景下氣候變化對大豆生育期和產量的影響

2.2.1 對大豆開花期的影響 從表5 可以看出，在不改變當前種植模式、品種和其他環境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的開花期呈延長的趨勢。 RCP4.5 情景下延長2.4～7.2 d，RCP8.5 情景下延長2.3～9.8 d，且隨著未來時間的推移，延長日數逐漸增加。從全省平均來看，RCP4.5情景下在21 世紀前期、中期、后期平均延長3.6、4.1、4.5 d，平均為4.1 d；RCP8.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期平均延長3.6、4.6、5.8 d，平均為4.7 d。總體而言，未來RCP8.5 情景下比RCP4.5 情景下溫室氣體濃度增加，大豆開花期延長的趨勢更加明顯，特別是在21 世紀中期以后。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的開花期都呈從南部到北部延長的趨勢。RCP4.5 情景下大豆開花期延長的趨勢略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區延長2.4～2.7 d，中部地區延長5.3～7.2 d，北部地區延長3.0～3.5 d，中部地區延長趨勢明顯；RCP8.5 情景下南部地區延長2.3～2.8 d，中部地區延長5.6～9.8 d，北部地區延長3.0～4.9 d，中部地區整體上延長趨勢明顯。總體而言，未來RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下，溫室氣體濃度的增加對大豆開花期的影響均表現為北部地區大于南部地區。

2.2.2 對大豆始粒期的影響 從表6 可以看出，在不改變當前種植模式、品種和其他環境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期呈延長的趨勢。 RCP4.5 情景下延長1.9～11.3 d，RCP8.5 情景下延長1.8～14.5 d，且隨著未來時間的推移，延長日數逐漸增加。 從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期平均分別延長6.2、7.0、7.6 d，平均為6.9 d；RCP8.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期平均分別延長6.2、8.0、9.7 d，平均為8.0 d。總體而言，未來RCP8.5 情景下與RCP4.5 情景下相比，隨著溫室氣體濃度增加，大豆的始粒期延長的趨勢更加明顯。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的始粒期都呈從南部到北部延長的趨勢。RCP4.5 情景下大豆始粒期延長的趨勢略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區延長8.1～9.3 d，中部地區延長8.7～11.3 d，北部地區延長1.9～2.2 d，北部地區整體上延長趨勢更明顯；RCP8.5 情景下南部地區延長8.2～10.9 d，中部地區延長8.6～14.5 d，北部地區延長1.8～3.8 d，中部地區整體上延長趨勢最明顯，北部次之。總體而言，未來RCP4.5 情景下和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對大豆始粒期的影響均表現為中部＞南部＞北部。

表5 未來情景模式下各地區大豆開花期延長情況 （單位：d）

表6 未來情景模式下各地區大豆始粒期延長情況 （單位：d）

2.2.3 對大豆成熟期的影響 從表7 可以看出，在不改變當前種植模式、品種和其他環境因子的條件下，在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世紀中期以前呈延長的趨勢，在21 世紀后期呈縮短的趨勢。從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期平均分別延長7.2、15.0、-3.0 d，平均延長6.4 d；RCP8.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期平均分別延長7.9、16.2、-2.8 d，平均延長7.1 d。總體而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5情景下隨著溫室氣體濃度的增加，大豆成熟期整體上呈延長的趨勢。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆的成熟期在21 世紀前期、中期和后期從南到北整體上平均都呈延長的趨勢。RCP4.5 情景下大豆成熟期延長的趨勢略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5 情景下南部地區平均延長6.0 d，中部地區平均延長6.3 d，北部地區平均延長6.9 d，北部地區延長明顯；RCP8.5 情景下南部地區平均延長5.8 d，中部地區平均延長7.0 d，北部地區平均延長8.6 d，北部地區整體上延長趨勢明顯。總體而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對大豆成熟期的影響表現為北部＞中部＞南部。

2.2.4 對大豆產量的影響 對大豆產量的模擬研究發現，在未來RCP 情景下，大豆的產量整體上呈減少的趨勢，以在21 世紀后期減少較為明顯，21 世紀中期減少的趨勢有所減緩。 從全省平均來看，RCP4.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期產量平均分 別 減 少 24.92%、15.89%、26.56%，平 均 減 少22.46%；RCP8.5 情景下在21 世紀前期、中期、后期產量平均分別減少31.42%、19.15%、27.26%，平均減少25.94%。

在RCP4.5 和RCP8.5 新情景下，大豆產量都呈從南部向北部地區減少的趨勢。RCP4.5 情景下大豆產量減少的趨勢略小于RCP8.5 情景下。RCP4.5情景下南部地區平均減少17.18%，中部地區平均減少23.68%，北部地區平均減少26.52%，北部地區減產較明顯；RCP8.5 情景下南部地區平均減少18.18%，中部地區平均減少27.12%，北部地區平均減少32.54%，北部地區減少趨勢較為明顯。總體而言，未來RCP4.5 情景和RCP8.5 情景下溫室氣體濃度的增加對大豆產量的影響表現為北部＞中部＞南部。在未來氣候情景下，大豆的產量呈減少的趨勢，隨著溫室氣體的增加，減少的趨勢更加明顯。

3 小結與討論

本研究選取林州市2008—2017 年，黃泛區農場2006—2017 年和正陽縣2000—2008 年大豆生育資料數據和同期氣候資料對CROPGRO-Soybean 模型進行調參和驗證，得到適合河南省南部、中部和北部地區的大豆模型參數。

通過引入未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5氣候情景數據，分析了未來氣候變化情景下，大豆的生育期和產量對氣候變化的響應情況。

研究表明，在未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 氣候情景下，河南省大豆開花期和始粒期呈延長的趨勢，且RCP8.5 氣候情景下的延長趨勢較RCP4.5 更明顯。河南省大豆開花期延長的趨勢表現為中部＞北部＞南部，河南省大豆和始粒期延長的趨勢表現為中部＞南部＞北部。河南省大豆成熟期在未來典型濃度路徑RCP4.5 和RCP8.5 氣候情景下與成熟期相似，即大豆成熟期延長的趨勢表現為北部＞中部＞南部。

表7 未來情景模式下各地區大豆成熟期增減情況 （單位：d）

表8 未來情景模式下各地區大豆產量增減情況 （單位：%）

河南省大豆產量在未來典型濃度路徑RCP4.5和RCP8.5 氣候情景下，呈減少的趨勢，且RCP8.5氣候情景下的減少程度較RCP4.5 更明顯。河南省大豆產量從南部地區到北部地區呈加速減少的趨勢，南部地區減少趨勢最小。