未來氣候情景下河南烤煙潛在種植分布 氣候適宜性分析

劉曉迎 吳璐

（1 河南省氣象服務中心，鄭州 450003；2 河南省氣候中心，鄭州 450003）

0 引言

氣候系統的變化毋庸置疑，根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告，進一步確認氣候變化對海洋和陸地的人類和自然系統已經產生了廣泛影響[1]。氣候條件與作物的生產關系密切相關，氣候要素的改變必然導致作物種植格局的變化。物種分布模型是基于物種分布信息及周邊環境信息模擬物種分布的主要方法[2]。近年來，物種分布模型逐漸發展并成為研究氣候變化背景下作物分布和氣候之間關系的重要工具[3]。比如最大熵（MaxEnt）模型、GARP模型、ANN模型、GAM模型、Domain模型和Bioclim模型已用于物種當前與未來氣候條件下分布區研究[4-6]，其中，由Phillips等[7-8]提出的MaxEnt模型，在模擬的精度方面優于其他生態位模型[9]，且只需要較小樣本的物種分布數據即可得到較好的模擬效果，已在中國水稻[10-12]、玉米[13-16]、冬小麥[17-18]、黑沙蒿[2]、黃頂菊[6]、寒蘭[19]、木梨[20]、油松[21]、蒙古黃芪[22]、獼猴桃[23]、胡楊[24]、薄皮山核桃[25]、云杉[26]、山毛櫸[27]、富士蘋果[28-29]等植物的氣候適宜性分布及評價中得到應用。

中國是世界煙葉生產第一大國，每年種植煙草140多萬hm2，煙葉年產量達170多萬t。煙草是我國重要的經濟作物，也是主要的稅收來源。我國歷史上已經進行了3次全國性的煙草區劃，第1次是在20世紀60年代，第2次是在20世紀80年代初期到中期，第3次是在21世紀初[30]。河南烤煙種植歷史悠久，自1913年在許昌襄城引種以來，至今已有百年烤煙種植歷史[30]。統計資料顯示，2018年河南省烤煙種植面積達9.5萬hm2，總產量為25.3萬t，占全國烤煙總產量的11.3%[31]。目前，不少學者研究者采用不同的氣候指標組合，開展了河南[32-33]或部分地區[34-35]烤煙種植的氣候適宜性區劃研究。但大多研究中氣候指標選擇及權重確定大多依賴專家經驗而導致區劃結果的誤差。同時，針對未來氣候變化對河南烤煙種植氣候適宜性的影響研究較少。

本研究試圖利用由國家氣候中心提供的使用區域氣候模式RegCM4在全球模式BCC_CSM1.1驅動下，給出的RCP4.5和RCP8.5[36-38]排放情景下2041—2060年（2050年代）和2061—2080年（2060年代）的氣候預估資料以及基準時段（1981—2010年）的氣候資料，結合最大熵模型（MaxEnt）和ArcGIS平臺，構建河南烤煙種植分布與氣候因子的關系模型，確定影響河南烤煙種植的主導氣候因子，探討河南烤煙種植氣候適宜性的區域劃分及其對未來氣候變化的響應，以期為河南烤煙應對氣候變化和種植布局調整提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源及分析

本研究使用的數據主要包括河南烤煙種植區的地理分布數據和氣候數據。其中，河南烤煙種植點的地理分布數據來自中國數字植物標本館、河南省煙草志和實地調查數據等，共587個（圖1）。研究所用的耕地數據來源于中科院地理所，其空間分辨率為1 km×1 km，利用ArcGIS軟件重采樣得到分辨率0.8 km×0.8 km柵格數據。

圖1 河南省氣象站（a）和烤煙種植點的地理分布（b） Fig. 1 Distribution of meteorological stations (a) and flue-cured tobacco planting sites (b) in Henan

氣候數據取自于河南省氣象局1961—2010年111個氣象站的逐日數據，包括：站點經緯度、降雨量（mm）、平均氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、日照時數（h）、相對濕度（%）等。太陽總輻射（Ra，MJ/m2）利用日照時數推算得到[39]。采用截斷高斯濾波算子空間插值算法，與數字地面高程（DEM）數據結合，將逐日的氣候數據插值成0.8 km×0.8 km分辨率的空間柵格數據。氣象站點的空間分布見圖1。

未來氣候變化預估數據是由中國氣象局國家氣候中心提供的使用區域氣候模式RegCM4在全球模式BCC_CSM1.1驅動下的模擬結果，站點為111個，數據序列為2020—2099年。氣候變化情景為IPCC第5次評估報告（AR5）融入政策因素的代表性濃度路徑RCP4.5和RCP8.5情景[36-38]，未來河南省年平均氣溫和降雨量均呈現增加趨勢（表1）。

表1 2種排放情景下河南省20世紀50年代和70年代年平均氣溫和降雨量的變化 Table 1 Changes of average temperature and precipitation in 2050s and 2070s under two emission scenarios in flue-cured tobacco-growing areas in Henan

由于河南各地氣候條件具有差異，因而烤煙在各地的生長發育期起止日期略有差異。本研究將洛陽和三門峽兩個地市烤煙大田生長期定為5月10日—9月20日，其中，5月10日—6月20日為伸根期，6月21日—8月10日為旺長期，8月11日—9月20日為成熟期；其余地市大田期定為5月1日—8月31日，其中，5月1日—6月10日為伸根期，6月11日—7月20日為旺長期，7月21日—8月31日為成熟期；同時假定未來氣候變化下各地烤煙生育期時段的劃分不變。以1961—1970年表示20世紀60年代，記作1960s；類似地，以1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年分別表示20世紀70年代、80年代、90年代和21世紀的前10年，分別記作1970s、1980s、1990s和2000s。未來氣候變化情景下，以2041—2060年表示2050年代，記作2050s；以2061—2080年表示2070年代，記作2070s。

1.2 研究方法

1.2.1 潛在氣候因子篩選

通過文獻調研，綜合考慮光溫水三個要素，結合烤煙生產區域的氣候特征，篩選出以下6個具有明確生物學意義的可能影響烤煙種植分布的潛在氣候因子，其中，溫熱因素包括≥10 ℃活動積溫（AT10，日平均氣溫≥10 ℃的和，℃?d）、≥20 ℃平均氣溫日數（N20，日平均氣溫≥20 ℃的日數和，d）、氣溫差（DTR，℃，通過最高氣溫（Tmax，℃）和最低氣溫（Tmin，℃）之差獲得）；水濕因素包括降雨量（Pre，mm）和相對濕度（RH，%）；光照因素為太陽總輻射（Ra，MJ/m2）。并基于生育期尺度，分別計算了伸根期、旺長期、成熟期和大田期的指標，獲得累計24個指標（表2）。

表2 基于生育期尺度篩選的影響烤煙種植分布的潛在氣候因子 Table 2 Climate factors affecting potential distribution of flue-cured tobacco planting regions in Henan based on the growth period scale

1.2.2 最大熵模型原理

最大熵模型是基于有限的已知信息對未知分布進行無偏推斷的一種數學方法，烤煙種植的適宜區預測采用的最大熵模型是Phillips等[7]建立的模擬物種分布的MaxEnt模型，使用的版本是3.3.3k。該模型在物種保護區規劃、入侵物種的潛在分布預測以及物種的空間分布對氣候變化的響應等研究方面被廣泛應用[3]，通過建立物種潛在分布的最大熵模型，輸出預測地區物種分布的概率，根據存在概率的大小及一定的閾值，可以判斷在某個區域物種存在的可能性大小[8]。

1.2.3 最大熵模型應用

基于最大熵模型和ArcGIS空間分析功能等技術的具體研究方法如下：

1）模型輸入資料的格式轉換

利用ArcGIS，將影響烤煙潛在分布的24個因子平均值轉換為ASCII文件，格點大小為0.8 km×0.8 km，作為最大熵模型的環境變量層輸入；將烤煙587個地理分布信息按經度和緯度順序整理成CSV格式，作為最大熵模型的樣本輸入數據。

2）初始模型的構建

選中Create response curves選項，其他選項采用模型的默認設置，構建烤煙潛在分布的最大熵模型，并采用受試者工作特征曲線（Receiver operating characteristic curve，ROC曲線）的曲線下面積（Area under curve，AUC）值對建立的最大熵模型模擬結果精度進行評價。

3）主導氣候因子的選取

以1981—2010年一個氣候標準年的基礎數據作為模型訓練的基準氣候數據，以587個具有地理信息（經緯度）記錄的烤煙種植點作為樣本站點，其中75%作為訓練數據，25%作為驗證數據，隨機采樣10次求平均值，根據Jackknife模塊給出的各潛在氣候因子對烤煙分布影響貢獻率的大小，提出影響烤煙分布的主導氣候因子。在此基礎上，再重建烤煙分布的最大熵模型，并進行模擬結果精度評價。基于篩選出的影響烤煙分布的8個主導氣候因子，構建基于主導氣候因子的烤煙種植分布－氣候模型，再次進行最大熵模型模擬，結合烤煙氣候適宜性等級劃分標準，給出了烤煙潛在分布（低適宜區以上等級分布區）及其氣候適宜分區。

4）烤煙氣候適宜等級分區

利用ArcGIS的格式轉換工具Conversion Tools將預測結果的ASCII轉化為Raster格式；最大熵模型預測結果給出的是烤煙在待預測地區的存在概率p，取值范圍在0～1。為得到烤煙的氣候適宜等級分區，利用Spatial Analysis Tools的Reclassify功能選擇合適的閾值進行氣候適宜等級分區。根據統計學原理，參考政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第4次評估報告[42]關于評估可能性的劃分方法，結合烤煙實際情況，設定河南烤煙潛在種植分布區的氣候適宜性等級：p<0.05為不適宜區；0.05≤p<0.33為次適宜區；0.33≤p<0.66為適宜區；p≥0.66為最適宜區。

5）量化分析烤煙潛在分布與各氣候適宜區氣候因子的閾值

利用ArcGIS軟件中的空間分析模塊，將主導氣候因子柵格數據與烤煙潛在分布區及各氣候適宜區的數據疊加，提取烤煙潛在分布區與各氣候適宜區的氣候因子值，并統計分析這些氣候因子范圍內的烤煙柵格數，繪制折線圖，進而分析烤煙各氣候適宜性分區的氣候因子閾值及其氣候特征。以烤煙種植區各氣候適宜性分區潛在分布面積的95%代表該適宜性分區，量化分析烤煙種植區各氣候適宜性分區氣候因子的閾值。

6）潛在種植分布的年代際動態變化

利用基于1981—2010年氣候資料建立的烤煙潛在種植分布－氣候關系預測模型，結合1961—2010年每10年平均以及2050年代和2060年代的主導氣候因子值，模擬歷史和未來河南烤煙潛在種植分布的年代際動態變化。氣候適宜區的劃分方法同上。

1.2.4 模型適用性檢驗

最大熵模型的精度檢驗采用受試者工作特征曲線（ROC）與橫坐標圍成的面積（即AUC值）來評價模型預測結果的精準度。ROC曲線是以預測結果的每一個值作為可能的判斷閾值，由此計算得到相應的靈敏度和特異度。以假陽性率即（1-特異度）為橫坐標，以真陽性率即靈敏度（1-遺漏率）為縱坐標繪制ROC曲線，其AUC值的大小作為模型預測準確度的衡量指標，其取值范圍為[0，1]，值越大表示模型判斷力越強。由于AUC不受診斷閾值的影響，且對物種發生率不敏感，因此目前被公認為是最佳的評價指標，其評估標準為：0.50～0.60（失敗，fail）、0.60～0.70（較差，poor）、0.70～0.80（一般，fair）、0.80～0.90（好，good）、0.90～1.0（非常好，excellent）。

2 結果

2.1 模型模擬的準確性評價

為檢驗最大熵模型在預測烤煙種植分布區的適用性，以1981—2010年的氣候數據為基礎，隨機選取75%的烤煙分布點數據用于構建模型，剩下25%的烤煙分布點用于模型的驗證（圖2）。隨機采樣10次求平均值，通過最大熵模型和氣候因子構建的烤煙種植分布－氣候關系模型，基于潛在氣候因子的平均AUC值達0.801，表明所構建模型的預測精度達到“好”和“預測較準確”的標準，可以用于預測烤煙種植區范圍。

圖2 河南烤煙潛在分布模型模擬的AUC值 Fig. 2 AUC values of maximum entropy model of fluecured tobacco potential distribution in Henan

2.2 主導氣候因子篩選及其與存在概率關系

基于最大熵模型中Jackknife模塊給出的各潛在氣候因子對烤煙種植分布影響的重要性排序以及累積貢獻百分率大小，篩選出影響河南烤煙種植分布的主導氣候因子（表3，圖3）。表3給出了影響河南烤煙分布的8個主要氣候因子貢獻百分率和累計貢獻百分率。按照貢獻百分率由大到小排序依次為：伸根期≥10 ℃活動積溫（23.0%）、伸根期降雨量（16.7%）、大田期降雨量（9.1%）、旺長期降雨量（9.0%）、成熟期≥10 ℃活動積溫（8.4%）、大田期相對濕度（7.5%）、成熟期日較差（6.7%）和旺長期≥10 ℃活動積溫（5.0%），累積貢獻率超過85%。段居琦等[12]指出，一般認為，累積貢獻率超過85%，且其后某一因子的貢獻率低于5%時不再累積，累積因子反映了主導因子。因此，可以認為這8個氣候因子是影響烤煙分布的主導氣候因子。其中，對烤煙種植分布影響最大的是大田期降雨量，其次為伸根期≥10 ℃活動積溫。

表3 影響河南烤煙分布的主導氣候因子貢獻百分率和累積 貢獻百分率 Table 3 Contribution rate of dominant climate factors affecting flue-cured tobacco distribution in Henan

圖3 基于Jackknife的影響河南烤煙種植分布的主導氣候 因子貢獻 Fig. 3 Contribution of the dominant climatic factors to the cultivation distribution of flue-cured tobacco in Henan based on Jackknife

2.3 不同種植分布區的氣候特征分析

在自然氣候條件下，河南烤煙種植區存在概率較高的地區，需要適宜的主導氣候因子條件，其值過高或過低，都不利于發展烤煙種植（圖4，表4）。由于烤煙的適應性強、分布廣泛，河南省各地歷史上多有種植；但受氣候條件和農業規劃限制，烤煙種植區當前主要集中在我省許昌、平頂山、洛陽等地，可種植區占全省面積的57.7%，各氣候適宜區的氣候特征存在一定差異。

表4 1981—2010年河南煙區烤煙潛在種植區8個主導氣候要素對應的閾值 Table 4 The threshold values of the dominant climatic factors affecting the cultivation distribution of flue-cured tobacco in Henan from 1981 to 2010

圖4 1981—2010年河南烤煙潛在種植分布及其氣候適宜性分區 Fig. 4 Potential distribution of flue-cured tobacco planting regions and its climatic suitability divisions in Henan from 1981 to 2010

1）最適宜區：主要分布在三門峽、洛陽、平頂山、許昌、南陽等地局部。本區成熟期≥10 ℃活動積溫774.9～1117.9 ℃·d、成熟期日較差7.9～9.9 ℃、大田期降雨量4 0 0.7～6 1 8.1 m m、大田期相對濕度6 4.9%～7 6.8%、伸根期≥1 0 ℃活動積溫885.8～973.0 ℃·d、伸根期降雨量83.7～141.7 mm、旺長期≥10 ℃活動積溫1054.2～1342.7 ℃·d、旺長期降雨量157.0～245.5 mm。該地區的熱量和水分條件充足，最適宜烤煙種植區面積占全省面積的3.4%，產量和質量水平最高。

2）適宜區：主要分布在三門峽、洛陽、南陽、漯河、許昌、平頂山等地大部以及駐馬店、信陽、鄭州、開封、焦作、濟源等地局部。本區成熟期≥10 ℃活動積溫741.4～1137.9 ℃·d、成熟期日較差7.6～9.9 ℃、大田期降雨量348.7～662.1 mm、大田期相對濕度63.7%～80.4%、伸根期≥10 ℃活動積溫864.8～984 ℃·d、伸根期降雨量63.5～163.1 mm、旺長期≥10 ℃活動積溫1053.5～1369 ℃·d和旺長期降雨量134.0～273.9 mm。該地區的熱量和水分條件次之，烤煙種植適宜區面積占全省面積的18.0%，產量和質量水平次之。

3）次適宜區：主要分布在鄭州、焦作、開封、周口、商丘、駐馬店、新鄉、鶴壁、安陽、濮陽等地大部和南陽、信陽等地局部，該烤煙次適宜種植區面積占全省面積的36.3%。本區成熟期≥10 ℃活動積溫708.6～1141.1 ℃·d、成熟期日較差7.4～9.8 ℃、大田期降雨量348.4～730.6 mm、大田期相對濕度61.7%～80.6%、伸根期≥10 ℃活動積溫839.8～985.9 ℃·d、伸根期降雨量63.5～175.3 mm、旺長期≥10 ℃活動積溫1053～1370.8 ℃·d和旺長期降雨量133.6～310.4 mm。考慮地區產業布局政策，該區域主要以調整農業產業結構為主。

4）不適宜區：主要集中分布在豫西、豫南和豫北的高海拔地區，該烤煙不適宜種植區面積占全省面積的42.3%。本區成熟期≥10 ℃活動積溫502.3～1141.7 ℃·d、成熟期日較差7.3～9.9 ℃、大田期降雨量3 4 9.0～7 8 7.1 m m、大田期相對濕度5 1.0%～8 0.5%、伸根期≥1 0 ℃活動積溫799.9～986.5 ℃·d、伸根期降雨量63.5～184.5 mm、旺長期≥10 ℃活動積溫1052.9～1374.7 ℃·d和旺長期降雨量134.1～339.7 mm。該區域海拔較高，種植烤煙經濟價值較低，可調整為當地其他優勢作物。

2.4 潛在種植分布的年代際變化

根據烤煙種植分布－氣候關系模型可以給出1961—2010年河南烤煙潛在種植分布的年代際變化（圖5，表5）。結果表明，近50年來，烤煙可種植面積比例（p≥0.05的范圍）以20世紀60年代最大，70年代最小，80年代以后均在58%以上。其中，烤煙最適宜種植面積呈波動式變化，20世紀90年代比70年代最適宜種植面積比例增加8%，近10年最適宜種植面積達3.0%。

圖5 1961—2010年河南烤煙潛在最適宜區和可種植區面積百分比的年代際變化 Fig. 5 Decadal dynamics of potential and most suitable flue-cured tobacco cultivation distribution in Henan from 1961 to 2010

表5 河南烤煙潛在種植面積百分比的年代際變化 Table 5 Decadal dynamics of potential flue-cured tobacco cultivation distribution in Henan

2.5 潛在種植分布對未來氣候變化的響應

分析顯示（表6），未來氣候變化下，活動積溫增加、日較差增大，降雨量總體呈增加，相對濕度呈下降。在這些主導氣候要素變化的綜合影響下，河南煙區烤煙可種植面積增加，增幅在1.4%～2.3%；適宜區和不適宜區面積縮小，最適宜區面積呈小幅波動變化，次適宜區面積擴大較多，增幅在1.9%～4.1%；兩種情景下，以RCP4.5情景對潛在種植面積的影響較大；2個年代之間，以2050年代的變化幅度較大；三門峽、洛陽、平頂山、許昌、南陽等地仍然是河南烤煙潛在種植適宜區和最適宜區（圖6，圖7，表7）。

表7 2050年代和2070年代河南煙區烤煙潛在種植區面積比例的年代際變化 Table 7 Decadal dynamics of percentage of potential flue-cured tobacco cultivation distribution in Henan in 2050s and 2070s

圖6 2050年代和2070年代河南烤煙潛在種植區氣候適宜性 Fig. 6 Changes of potential flue-cured tobacco cultivation areas in Henan in 2050s and 2070s

圖7 2050年代和2070年代河南烤煙潛在最適宜區和可種植區面積百分比的年代際變化 Fig. 7 Decadal dynamics of potential and most suitable flue-cured tobacco cultivation distribution in Henan in 2050s and 2070s

表6 2050年代和2070年代河南烤煙潛在種植分布的主導氣候因子年代際變化 Table 6 Decadal dynamics of the dominant climatic factors affecting the cultivation distribution of flue-cured tobacco in Henan in 2050s and 2070s

3 結論與討論

本研究基于河南烤煙種植地理分布信息，利用最大熵模型和ArcGIS空間分析技術，從生育期尺度篩選出了影響烤煙潛在種植分布的主導氣候因子，構建了烤煙種植分布－氣候關系模型，分析了1961—2010年以及未來氣候變化情景（RCP4.5和RCP8.5）下2050年代（2041—2060年）和2070年代（2061—2080年）河南烤煙潛在種植分布氣候適宜性的年代際變化規律。

研究表明，最大熵模型適于模擬河南烤煙的潛在種植分布，基于最大熵模型構建的河南烤煙潛在種植分布與氣候因子關系模型的準確性達到“好”的標準（AUC值為0.821）。影響河南烤煙潛在種植分布的主導氣候因子有8個：伸根期≥10 ℃活動積溫（23.0%）、伸根期降雨量（16.7%）、大田期降雨量（9.1%）、旺長期降雨量（9.0%）、成熟期≥10 ℃活動積溫（8.4%）、大田期相對濕度（7.5%）、成熟期日較差（6.7%）和旺長期≥10 ℃活動積溫（5.0%），累積貢獻率達到85.4%。根據河南烤煙的存在概率，可將河南烤煙潛在種植區劃分成4個等級：不適宜區（占全省面積的42.3%）、次適宜區（36.3%）、適宜區（18.0 %） 和最適宜區（3.4 %）。河南烤煙的可種植區（包括氣候次適宜區、適宜區和最適宜區） 占全省面積的57.7%，大于當前烤煙的種植范圍。這是因為本研究主要考慮該氣候條件下烤煙是否能夠存在，并未考慮諸如農業規劃等因素。另外，年代際變化顯示，20世紀70年代后，河南烤煙潛在可種植區總體呈增加趨勢，進一步表明，河南烤煙生產還有較大的發展空間。

RCP4.5和RCP8.5情景下，2050年代和2070年代河南烤煙的總氣候適宜區面積（次適宜、適宜、最適宜）較1981—2010年種植適宜面積有所增加，主要原因在于RCP情景下2050年代和2070年代的氣候預估與1981—2010年數據相比，RCP情景下預估的8個主導氣候要素在空間上存在差異，導致可種植區在空間分布上與1981—2010年河南烤煙氣候適宜區發生變化。總體而言，在未來氣候情景下，烤煙潛在可種植區面積呈增加趨勢，最適宜區和次適宜區的面積均有增加趨勢，而適宜區面積呈減少趨勢。

以往關于河南烤煙區劃[32-35]都是基于多個限制因子的閾值來逐步確定其分布區。由于影響烤煙生長因子的多樣性及相互間關系的復雜性，特別是限制因子閾值的選擇存在一定誤差，這種累積誤差可能導致最后確定的分布區與實際分布差異較大。為減小這一誤差，本研究選取作物在待預測地區的存在概率這一綜合指標來劃分作物的潛在種植分布區。該方法考慮了所有主導因子的綜合影響，有助于更加準確地進行河南烤煙區劃或分區，從而可為準確評估烤煙對氣候變化的適應性與脆弱性，制定應對氣候變化的科學策略提供依據。根據河南省煙草氣候適宜性評價圖（圖8）[33]，對比分析1981—2010年河南烤煙種植的氣候適宜區劃分，可以發現利用最大熵模型獲取的結果與已有結果具有較好的一致性，從一定程度上說明該方法是可行的。

圖8 河南省煙草氣候適宜性評價分區 Fig. 8 Evaluation map of climate suitability for tobacco planting in Henan

需要注意的是，本研究給出的是河南烤煙的潛在種植區分布，現實中河南烤煙種植實際分布不僅取決于平均的氣候條件，還受到極端天氣氣候事件、農業氣象災害以及社會經濟結構、土壤類型、品種的差異、生產技術水平、農業規劃等影響。因此，在實際應用時需要根據具體情況作進一步的深入研究。

研究中使用的RCP4.5和RCP8.5數據是區域氣候模式輸出的對未來氣候變化情景的模擬，雖然相比全球氣候模式，區域氣候模式對區域氣候模擬表現出明顯的優勢，并且已較過去有較大程度的完善，但其對類似本文研究的局地尺度上的數據預估仍存在不確定性，同時這也是IPCC在全球氣候變化預測中被廣泛認可的數據集，但仍具有一定的不確定性[43-44]。