李柯欣 鄭飛 高學(xué)杰 , 4

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京100029

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

3 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

4 中國科學(xué)院大氣物理研究所氣候變化研究中心，北京100029

1 引言

冬小麥在我國糧食生產(chǎn)中占有重要地位，其在2018年的播種面積和產(chǎn)量分別占中國糧食作物播種總面積和總產(chǎn)量的18.6%和18.0%（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2019/indexch.htm[2020-04-01]），其種植條件與適宜性的變化對我國糧食安全尤為重要。

作物種植氣候適宜分區(qū)指的是某地區(qū)作物的種植環(huán)境與作物生長所需環(huán)境條件的符合程度（韓湘玲和曲曼麗, 1991）。作為農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的一種，進行種植氣候適宜分區(qū)工作可以為充分利用氣候資源和作物的合理布局進行指導(dǎo)。

國內(nèi)外對于冬小麥的適宜性分區(qū)研究從20世紀(jì)已經(jīng)開始，并且在近年來不斷深入，研究方法也在不斷更新，包括數(shù)理統(tǒng)計分析分區(qū)法、專家分類器法、模糊數(shù)學(xué)法、遙感與GIS法和作物模型法等。如魏瑞江等（2007）利用模糊數(shù)學(xué)理論建立了河北省冬小麥適宜度模型，發(fā)現(xiàn)冬小麥的氣候適宜度在各個發(fā)育期有所不同，且降水是河北省冬小麥產(chǎn)量受到約束的重要條件。Tuan et al.（2011）基于GIS的多準(zhǔn)則分析程序，對中國黃淮海地區(qū)冬小麥和夏玉米種植系統(tǒng)每個生長階段所需灌溉量進行定量分析，并對不同區(qū)域、不同生育期的灌溉需水量給出建議。同時，Wang et al.（2011）采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法和遙感、GIS技術(shù)建立了冬小麥種植適宜區(qū)域空間模型，繪制出具有較高真實性的土地分布圖，改進了傳統(tǒng)統(tǒng)計方法進行適宜分區(qū)的精確性。李昊宇（2012）在使用逐日氣候要素資料基礎(chǔ)上增加考慮了土壤水分和降水在不同生長發(fā)育階段的影響差異，構(gòu)建了區(qū)域冬小麥氣候適宜度評價模型。王琦等（2013）則利用WOFOST作物生長模型和適宜度算法，對華北地區(qū)的代表站點冬小麥進行了生長模擬，驗證了作物模型方法對冬小麥氣候適宜度估算的有效性。

但是，目前發(fā)生的全球性氣溫升高、低溫極端事件減少、高溫極端事件增多以及區(qū)域降水分配不均勻性增強等天氣氣候異常事件，均對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著巨大的影響，主要表現(xiàn)在溫度、CO2濃度、水分和極端氣候事件及其交互作用等方面，如增加災(zāi)害發(fā)生頻率、影響產(chǎn)量等關(guān)鍵參數(shù)（Olmstead and Rhode, 2011; Gross, 2013; 周廣勝, 2015），世界多地甚至已經(jīng)出現(xiàn)產(chǎn)量停滯現(xiàn)象（Grassini et al.,2013）。更值得注意的是，自20世紀(jì)以來，中國氣候的增暖趨勢相較全球更明顯，多種氣象要素 （如日照時數(shù)、降水量、蒸發(fā)量等）發(fā)生了高信度的變化（丁一匯等, 2006），使得中國主要農(nóng)區(qū)水資源和熱量資源的時空分布格局產(chǎn)生改變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性明顯升高（林而達等, 2006; 覃志豪等,2013）。受到氣候變化影響，近30年來中國不同冬春性品種的冬小麥種植界限均發(fā)生明顯北移（李克南等, 2013），冬小麥的光溫潛在產(chǎn)量高產(chǎn)區(qū)面積增加，但最穩(wěn)產(chǎn)性下降，適宜種植區(qū)面積縮小 （孫爽等, 2015），多地冬小麥綜合氣候適宜性變差（蒲金涌等, 2011; 朱新玉等, 2012）。

而在IPCC給定的未來4種溫室氣體的排放情景（GG、GS、A2、B2）中，中國地表氣溫均呈增加趨勢，且增幅大于全球和東亞地區(qū)，降水變化復(fù)雜但大部分模擬都呈現(xiàn)增加的趨勢，同時各個分區(qū)在不同時段氣候要素變化幅度不一（《氣候變化國家評估報告》編寫委員會, 2007）。已有研究表明，未來中國冬小麥可能出現(xiàn)生育期縮短（崔耀平等, 2018）、降水適宜度降低（申雙和等, 2015）、溫度適宜度在南部下降（褚榮浩, 2016）以及單作種植面積縮小、兩熟種植面積可能被三熟種植模式所取代（Zhao and Guo, 2013）等情況，均給未來冬小麥的種植帶來很大程度的不確定性，因此對未來中國冬小麥種植氣候適宜性可能變化的評估工作迫在眉睫。

然而，中國整體冬小麥在未來氣候變化的可能情景中的種植條件和適宜性的定量評估仍然較少被涉及，尤其是在以溫室效應(yīng)最為明顯的21世紀(jì)末期。這一研究階段既是氣候變化預(yù)估時段的末期，可以更好地考察氣候系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對溫室氣體排放的響應(yīng)，又關(guān)系到未來人類和子孫的長期福祉，是國內(nèi)外氣候變化研究中的重要方面。因此，本研究將對未來中、高溫室氣體排放情景下2069～2098年的冬小麥種植條件和氣候適宜種植分區(qū)進行對比分析，能夠為將來農(nóng)業(yè)布局調(diào)整、避免或減輕不利氣象條件的影響、提前應(yīng)對糧食危機提供理論支持，而且可以通過確定氣候和冬小麥產(chǎn)量變化之間的關(guān)聯(lián)，為國家大尺度氣候型態(tài)的周期性和可預(yù)測的自然屬性提供改進（劉彥隨等, 2010; Najafi et al., 2019）。

本文利用RegCM4模式模擬所得20世紀(jì)氣候模擬試驗數(shù)據(jù)和預(yù)估所得的RCP4.5和RCP8.5兩種情景下的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)，對比分析了中國RCP4.5、RCP8.5情景下2069～2098年和基準(zhǔn)期之間熱量資源、冬小麥種植界限、理論適宜生育期和氣候適宜種植分區(qū)的空間分布特征，重點比較了兩種未來氣候情景下我國冬小麥種植條件與氣候適宜性的差異，并探討了未來氣候變化對我國冬小麥種植條件和適宜性的可能影響。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用研究數(shù)據(jù)來源于使用由國際理論物理中心（International Centre for Theoretical Physics，ICTP）區(qū)域氣候模式RegCM4在東亞地區(qū)所開展的多模擬集合氣候變化預(yù)估試驗（Gao et al., 2018），其模型物理和參數(shù)配置參見Gao et al.（2016, 2017）。預(yù)估試驗在RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）中等溫室氣體排放情景和RCP8.5 （Representative Concentration Pathway 8.5）高溫室氣體排放情景下，由第五次耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5）中的4個全球氣候模式（CSIRO-Mk3.6.0, EC-EARTH,HadGEM2-ES和MPI-ESM-MR）結(jié)果分別驅(qū)動下進行。預(yù)估結(jié)果的分辨率為0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度），本研究將其插值為1°（緯度）×1°（經(jīng)度）分辨率進行分析，所使用的氣候變量包括逐日平均氣溫、最低氣溫、降水、地表輻射等。本研究將采用1981～2005年作為基準(zhǔn)期，2069～2098年作為21世紀(jì)末的預(yù)估結(jié)果進行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 農(nóng)業(yè)熱量資源的定義

初霜日、終霜日分別定義為一年中最低溫度大于0°C的起始和終止日期，無霜期為一個自然年中終、初霜日間隔的天數(shù)（寧曉菊等, 2015）。積溫 （Growing Degree Day, GDD）也稱為熱時，與無霜期均為農(nóng)業(yè)氣候分析的常見熱指標(biāo)之一。由于冬小麥?zhǔn)窍矝鲎魑?，其生物學(xué)下限溫度為0°C，因此本研究計算≥0°C積溫（記為GDD0，單位：°C d）用以判斷中國熱量資源分布情況，其定義為全年大于0°C的有效溫度總和（Heikkinen et al., 2020），公式如下：

其中，r為所計算年份中某一天的日序，r=1時為所計算年份的1月1日，r=m時為所計算年份的12月31日；Tr表示第r天的平均溫度；m表示所計算年份包含的總?cè)諗?shù)。

2.2.2 冬小麥種植界限、可種植區(qū)與理論適宜生育期的界定

冬小麥種植界限分為南、北兩條，北界位于同時滿足歷年絕對極端最低氣溫—24°C（馬倩倩等,2018）、最冷月月平均氣溫—8°C（錢錦霞等, 2014）和極端最低溫多年平均值—20°C（金善寶, 1996）這三種溫度條件區(qū)域的最北端，南界則位于最冷月平均氣溫小于20°C條件區(qū)域的最南端（王培娟等,2012）。在冬小麥種植南界與北界之間所包含的地區(qū)為冬小麥可種植區(qū)，其他區(qū)域則為不可種植區(qū)。

本文所用理論適宜播種期指標(biāo)針對不同地區(qū)有所不同：為適應(yīng)預(yù)估數(shù)據(jù)點的分布，本研究針對我國27°N以南、100°E以東地區(qū)（基本涵蓋華南地區(qū)）的理論適宜播種期標(biāo)準(zhǔn)為五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過18°C ，對于27°N以北或100°E以西地區(qū)則為五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過15°C（王斌等,2012; 李祎君等, 2013）。由于冬小麥從播種到收獲所需大于0°C積溫為2200°C d（馬倩倩等, 2018），因此定義理論成熟期為從理論適宜播種期起所累積的正積溫達到2200°C d以上的日期。潛在生長季長度為理論適宜播種期至理論成熟期的天數(shù)，即滿足

其中，l表示所計算年份冬小麥的潛在生長季長度；i為潛在生長季內(nèi)的某一天，i=1時為適宜播種期，i=l時為理論成熟期；Ti表示第i天的平均溫度。

2.2.3 冬小麥氣候適宜種植分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

在2.2.2所定義的可種植區(qū)內(nèi)，考慮到影響冬小麥種植的主要氣候因子為溫度、降水和光照，因此本研究以溫度適宜性、降水適宜性和生產(chǎn)潛力適宜性為指標(biāo)進行氣候適宜種植分區(qū)劃分的依據(jù)。

溫度方面，由于凍害是冬小麥生長過程中可能發(fā)生的主要災(zāi)害之一，與溫度的驟然降低或持續(xù)較低有關(guān)，當(dāng)某年最冷月最低氣溫低于—15°C（崔讀昌, 1978）或小于0°C負(fù)積溫低于—500°C d（鄧振鏞等, 2007）即為發(fā)生凍害。且農(nóng)業(yè)上確定作物可否種植至少要保證80% 以上年份有比較可靠收成，因此認(rèn)為只有當(dāng)研究時段內(nèi)無凍害保證率b達到80%及以上時該地區(qū)的溫度才適合種植冬小麥，計算公式如下：

其中，f為研究時段（1981～2005年或2069～2098年）內(nèi)沒有凍害發(fā)生的總年數(shù)，t為研究時段

總年數(shù)，w為溫度適宜度系數(shù)。

降水方面，由于冬小麥全生育期內(nèi)需水量約為500 mm（鄧振鏞等, 2000），若自然降水無法滿足該生長條件則需要人為灌溉補充以保證冬小麥的正常生長，因此降水量多少是判斷某地農(nóng)業(yè)用水能否滿足種植冬小麥的重要指標(biāo)之一。本文定義研究時段內(nèi)降水適宜系數(shù)為判斷當(dāng)?shù)亟邓欠駷檫m宜種植冬小麥的指標(biāo)：

其中，p為某冬小麥潛在生長季內(nèi)的降水適宜系數(shù)，h為某冬小麥潛在生長季內(nèi)的降水總量，當(dāng)h≥500 mm時無需額外農(nóng)業(yè)用水灌溉，即僅依靠降水即可滿足當(dāng)年冬小麥的需水量；k與研究時段總年數(shù)a相差1，即k=a-1，這是由于冬小麥潛在生長季跨越兩個年份，因此潛在生長季數(shù)量比總年數(shù)少1；j表示研究時段內(nèi)某一冬小麥潛在生長季，j=1時為研究時段開始第一年（如1981年或2069年），j=k時為最后一個潛在生長季開始的年份，即研究時段倒數(shù)第二年（如2004年或2097年）。

光照對冬小麥的影響主要體現(xiàn)在光合生產(chǎn)潛力上，而光溫生產(chǎn)潛力在光合生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上增加了溫度的影響，能反映某地區(qū)生長季內(nèi)光照和溫度對冬小麥的共同作用，因此選用光溫生產(chǎn)潛力作為生產(chǎn)潛力適宜性判斷指標(biāo)。其中，光合生產(chǎn)潛力的計算公式采用高素華和郭建平（1999）提出的“作物生長動態(tài)統(tǒng)計”模型法，光溫生產(chǎn)潛力的計算運用“潛力衰減法”（張玉芳等, 2014），公式如下：

其中，YT為光溫潛在產(chǎn)量（單位：kg hm-2），YQ為光合生產(chǎn)潛力（單位：kg hm-2）；f(t)為溫度訂正函數(shù)，其他參數(shù)見表1，表中數(shù)據(jù)均來源于前人研究和試驗結(jié)果（劉建華, 2009）。

表1 光合生產(chǎn)潛力計算公式參數(shù)物理意義及冬小麥對應(yīng)的參數(shù)取值Table 1 Physical meaning and corresponding numerical value of winter wheat in the formula of photosynthetic potential yield

光溫生產(chǎn)潛力的等級劃分采用累積頻率法 （Cumulative Frequency Distribution, CFD，記為CFD） （孫爽, 2018），公式如下：

其中，n為需要劃分的等級個數(shù)，本研究中取n= 9；x、y均為所劃分等級中的某一個等級，當(dāng)x（或y）=1時為最低值所在等級，x（或y）=n時為最高值所在等級。fx指第x個等級內(nèi)變量出現(xiàn)的次數(shù) （即頻數(shù)），F(xiàn)x（或Fy）為變量在不小于第x（或y）個等級內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)。Fy為變量在不小于第y個等級內(nèi)出現(xiàn)的頻數(shù)，CFDy為不大于某等級y包含變量的累計頻率，CFDn= 100%。

為方便分析，本文選用基準(zhǔn)期內(nèi)光溫生產(chǎn)潛力CFD= 50% 時等級為6，F(xiàn)6對應(yīng)的光溫生產(chǎn)潛力26000 kg hm-2作為判斷某地區(qū)的光照和溫度綜合因子是否適宜種植冬小麥的標(biāo)準(zhǔn)之一，光溫生產(chǎn)潛力適宜系數(shù)tr計算方法如下：

其中YT為利用公式（8）計算所得到的光溫潛在產(chǎn)量（單位：kg hm-2）。

綜合以上內(nèi)容，氣候適宜種植分區(qū)由冬小麥的種植氣候適宜度c確定。其中c為溫度適宜度系數(shù)w與降水適宜系數(shù)和光溫生產(chǎn)潛力適宜系數(shù)tr的乘積，即：

在可種植區(qū)內(nèi)，c=0代表該地區(qū)為種植風(fēng)險區(qū)，0＜c＜0.5代表該地區(qū)為低適宜種植區(qū)，0.5≤c＜1代表該地區(qū)為適宜種植區(qū)，c=1代表該地區(qū)為最優(yōu)種植區(qū)，可種植區(qū)以外地區(qū)為不可種植區(qū)。

3 冬小麥種植條件對比分析

3.1 熱量資源比較

熱量資源評估是進行農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃分析的重要前提工作之一，本節(jié)基于前述格點氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，選取終霜日、初霜日、無霜期和積溫4個熱量資源指標(biāo)進行相關(guān)計算，得到基準(zhǔn)期和RCP4.5、RCP8.5兩種情景下21世紀(jì)末2069～2098年我國熱量資源的空間分布特征（結(jié)果見圖1）。

從圖1 a-1h可以看出RCP4.5和RCP8.5兩種情景下2069～2098年，我國無霜期以及初、終霜日的空間分布與基準(zhǔn)期有明顯差別，且兩種未來氣候變化情景之間也有較大差異?；鶞?zhǔn)期和未來情景下各地終霜日均出現(xiàn)在7月之前，初霜日出現(xiàn)在8月之后，無霜期長度自一個月至近一年不等。

在基準(zhǔn)期和未來兩情景下，我國終霜日的出現(xiàn)均隨緯度和海拔的增加而推遲。但未來終霜日除在華南南部基本不變以外，其他大部分地區(qū)均提前10 d及以上，且在RCP8.5情景下提前幅度更大 （圖1a-1c）。對于RCP4.5情景下2069～2098年，華南和西南地區(qū)南部為終霜日出現(xiàn)最早的區(qū)域，其次分別為華中、華東、華北、西北、東北地區(qū)，其中，浙江—福建丘陵區(qū)為華東地區(qū)終霜日出現(xiàn)的晚值區(qū)，四川盆地和塔里木盆地地區(qū)為同緯度終霜日出現(xiàn)的早值區(qū)，而青藏高原地區(qū)則是最晚進入無霜期的區(qū)域。通過對比圖1b、1c可以發(fā)現(xiàn)，與RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下2069～2098年我國除廣東南部地區(qū)以外的多數(shù)區(qū)域終霜日提前，1月終霜日出現(xiàn)的區(qū)域向北擴展至華東，3月及之前出現(xiàn)終霜日的地區(qū)則分別向西延伸至內(nèi)蒙古西部、向北延伸至吉林省西部。長江中下游地區(qū)和青藏高原東南部終霜日提前最為明顯，可達10～25 d。西北部分區(qū)域在RCP8.5情景下的終霜日比RCP4.5情景下出現(xiàn)時間提早10～14 d。

圖1 基準(zhǔn)期（第1列）與2069～2098年RCP4.5（第2列）、RCP8.5（第3列）情景下中國平均熱量資源空間分布，1～4行分別代表終霜日、初霜日、無霜期天數(shù)和大于0°C積溫Fig. 1 Spatial distributions of China's mean thermal resources in the base period (column 1) and in 2069-2098 under RCP4.5 (column 2) and RCP8.5(column 3). Rows 1-4 represent days of final frost, first frost, frost-free period, and accumulated temperature greater than 0°C, respectively

與基準(zhǔn)期相比，在未來我國初霜日變化趨勢與終霜日情況相反，即全國大部分地區(qū)初霜日均發(fā)生推遲，且在RCP8.5情景下推遲幅度更大，多數(shù)地區(qū)可達20 d以上（圖1 d-1f）。具體來看，在RCP4.5情景下2069～2098年，我國初霜日的分布在青藏高原以外區(qū)域呈現(xiàn)東北—西南型帶狀分布，自高原向盆地、自北向南推遲。其中，華北地區(qū)初霜日出現(xiàn)在10月下旬至12月上旬，華北以南區(qū)域的初霜日在12月出現(xiàn)，以北區(qū)域的初霜日則多出現(xiàn)在9～10月。塔里木盆地區(qū)域初霜日出現(xiàn)相對較晚，為11月中下旬，而其南部的青藏高原地區(qū)則早在8月就進入了霜期。RCP8.5情景下2069～2098年我國初霜日除在云南南部、華南南部和臺灣地區(qū)初霜日相較于RCP4.5情景下略微提前或不變外，其他區(qū)域均發(fā)生推遲，且差異比終霜日更加明顯?；春右阅蠀^(qū)域的初霜日幾乎全部晚于12月15日出現(xiàn)，以北區(qū)域初霜日出現(xiàn)時間早于10月15日的地區(qū)僅剩內(nèi)蒙古北部、黑龍江西部和新疆的東北部與西部邊緣區(qū)域。而相比于RCP4.5情景，華北、長江中下游大部分地區(qū)初霜日推遲約6～10 d，東北、西北地區(qū)則為6～15 d。此外，初霜日在青藏高原地區(qū)推遲幅度最大，在增暖條件下大部分區(qū)域推遲約16～30 d才能進入霜期。根據(jù)初霜日空間分布隨溫室氣體排放路徑的變化可以推測，增暖對寒冷地區(qū)熱量資源的影響可能更大，我國高寒地區(qū)如青藏高原、東北對氣候變化的敏感性相較于南方溫暖地區(qū)更強。

圖1 g-1i分別為基準(zhǔn)期和2069～2098年我國無霜期天數(shù)在不同溫室氣體排放情景下的空間分布特征。由初終霜日共同決定的無霜期長度反映出地形和與地理位置對熱量資源的影響：在中、東部地區(qū)基本呈自南向北、自東向西的遞減，在東北的經(jīng)向分布和西部地區(qū)的環(huán)狀分布則明顯與地形相關(guān)。相比于基準(zhǔn)期，在未來氣候變化情景下無霜期均出現(xiàn)明顯延長，更長無霜期的區(qū)域向西、向北擴展。RCP4.5情景下，云南與華南地區(qū)無霜期長達330 d以上，表明這些區(qū)域具有很好的熱量資源。除了浙江—福建丘陵區(qū)無霜期僅為241～270 d外，長江中下游及川渝地區(qū)無霜期天數(shù)均在270 d以上至330 d。東北和西北地區(qū)無霜期天數(shù)為120～240 d，短于華北的180～300 d。青藏高原地區(qū)無霜期短于180 d，且大部分區(qū)域無霜期天數(shù)僅為30～60 d。RCP8.5情景下，多數(shù)區(qū)域無霜期相較RCP4.5情景下明顯延長，而華南多數(shù)地區(qū)與云南南部無霜期基本不變。華北地區(qū)無霜期約延長11～20 d，長江中下游區(qū)、東北地區(qū)以及西北地區(qū)（除青海）平均增加20 d左右的無霜期。而四川西部和青藏高原地區(qū)無霜期變化最顯著，增幅最高可達40 d以上。

GDD0的空間分布與無霜期分布類似（圖1j-1l），由高到低、由北向南遞增。且相比于基準(zhǔn)期，在未來氣候變化情景下GDD0增幅明顯，全國絕大部分區(qū)域在全年內(nèi)可獲得更多的積溫。其中，RCP4.5情景下，華南與云南南部地區(qū)GDD0可達7500°C d以上，長江中下游地區(qū)是積溫次高區(qū)域為4500～7500°C d，華北地區(qū)為2500～6500°C d。東北地區(qū)GDD0呈經(jīng)向分布，自東向西先增后減，閾值約為1500～4500°C d。四川盆地、塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地地區(qū)為相對高值區(qū)，青藏高原地區(qū)則為明顯的積溫低值區(qū)，東部GDD0為1500～2500°C d，向西遞減，至500°C d以下。RCP8.5情景下，2069～2098年我國GDD0的空間分布與RCP4.5情景下類似，但所有區(qū)域積均有所升高，如黑龍江南部區(qū)域從3500～4500°C d增加至4500～5500°C d。與無霜期天數(shù)不同，GDD0的增幅由寒冷區(qū)至溫暖區(qū)逐漸增加。在青藏高原地區(qū)大部分GDD0增幅為100～600°C d，東北地區(qū)增幅為400～700°C d，華北、西北地區(qū)平均增加500～800°C d。長江中下游區(qū)GDD0增幅大于華南地區(qū)，為700～900°C d。

上述結(jié)果表明，2069～2098年我國絕大部分區(qū)域在RCP8.5情景下終霜日提前、初霜日推遲、無霜期延長、GDD0升高，總體熱量資源明顯優(yōu)于RCP4.5情景，更優(yōu)于基準(zhǔn)期。且在寒冷地區(qū)霜期的改變幅度大于溫暖地區(qū)，但積溫的變化幅度卻小于溫暖地區(qū)，可能是由于溫暖地區(qū)平均溫度較高、一年中處于溫暖日子的天數(shù)較多，地表溫度的升高對其寒、暖期影響很小，而是更多地體現(xiàn)在增加其平均溫度上，導(dǎo)致積溫的大幅增加。但寒冷地區(qū)平均氣溫較低，較小的溫升也可能帶來由寒期至暖期的變化，從而對其霜期產(chǎn)生更大的影響。然而，冬小麥?zhǔn)窍矝鲎魑铮瑢Ω邷孛{迫異常敏感。有研究表明，越冬前積溫的增加會顯著提高冬小麥莖葉的生長和分蘗速度，容易造成冬前徒長，降低群體透光性和光能利用率，不利于生長后期產(chǎn)量的形成（李強, 2016）。從生理方面來看，高溫對小麥的呼吸作用的促進大于光合作用，不利于籽粒的形成和光合作用產(chǎn)物的積累（王丹, 2016），可能降低冬小麥的千粒重、穗粒數(shù)，進而使冬小麥減產(chǎn)。同時，熱量資源增加帶來的土壤蒸發(fā)加快可能導(dǎo)致土壤水分含量下降，抑制土壤中微生物活動，不利于冬小麥植株的生理代謝，最終影響到產(chǎn)量和種植適宜性。也就是說，雖然RCP8.5情景下熱量資源優(yōu)于RCP4.5，但不一定有利于冬小麥種植與產(chǎn)量形成。

3.2 冬小麥種植界限比較

為確定2069～2098年我國冬小麥理論上的可種植區(qū)域，本文根據(jù)研究方法中的冬小麥種植界限指標(biāo)，計算并提取了基準(zhǔn)期以及不同溫室氣體排放情景下歷年極端最低氣溫-24°C、極端最低氣溫多年平均值-20°C和最冷月平均氣溫-8°C、20°C等值線進行交集合并，得到兩種溫室氣體排放情景下冬小麥種植南北界限的空間分布（圖2）。

從圖2a可看出，RCP4.5情景下2069～2098年我國冬小麥的種植北界分為東西兩段（綠線），其中東段處于“丹東—遼陽—承德—北京—保定—陽泉—邯鄲—晉城—臨汾—渭南—咸陽—慶陽—平?jīng)觥焖]南—綿陽—成都—西昌—林芝—山南—日喀則”一線，相比于基準(zhǔn)期向北移動約45 km；而西段位于新疆塔里木盆地周圍及北疆準(zhǔn)格爾盆地地區(qū)，相比于基準(zhǔn)期向西北方向移動，且在準(zhǔn)格爾盆地處新增了可種植區(qū)。RCP8.5情景下2069～2098年冬小麥種植北界（黃線）東段為 “丹東—遼陽—承德—北京—保定—晉中—臨汾—延安—銅川—咸陽—慶陽—平?jīng)觥獙氹u—西安—安康—漢中—綿陽—阿壩—甘孜—昌都—林芝—山南—日喀則”一線，除陜西—甘肅地區(qū)有波動性南移外，其他區(qū)域相較于基準(zhǔn)期和RCP4.5情景均有所北移（不同時期、不同情景下有差異的區(qū)域稱為北移敏感區(qū)），分別為100 km和55 km；西段仍位于新疆，其中塔里木盆地附近的冬小麥種植北界相比于基準(zhǔn)期擴大約38 km，相比于RCP4.5情景則明顯向東推移約32 km，最大處可達150 km，且在準(zhǔn)格爾盆地處略向西北縮進，另外在吐魯番盆地處也有冬小麥可種植區(qū)出現(xiàn)。

而RCP4.5情景下冬小麥種植南界（圖2b，藍線）位于“臺東—高雄—臺南—中山—湛江—北?！币痪€，比基準(zhǔn)期南界（棕綠色線）北移約249 km。RCP8.5情景下冬小麥種植南界（紅線）相比于RCP4.5情景下北移約36 km，基本沿“汕尾—惠州—東莞—廣州—佛山—江門—陽江—茂名—湛江—玉林—欽州—防城港—崇左”一線，臺灣省部分已無南界，即整個臺灣省在未來均可能受到高溫影響而變得不適合種植冬小麥。

圖2 （a）基準(zhǔn)期與2069～2098年RCP4.5、RCP8.5情景下中國冬小麥種植界限空間分布及（b）種植南界放大情況Fig. 2 (a) Spatial distribution of winter wheat planting boundary in the base period and in 2069-2098 under RCP4.5 and RCP8.5 in China and (b)amplification of southern boundary

種植南界與種植北界東段之間、種植北界西段所包圍部分為冬小麥可種植區(qū)?；鶞?zhǔn)期內(nèi)冬小麥可種植區(qū)面積約為311.1×104km2。由前述結(jié)果可以看出，在RCP4.5和RCP8.5情景下，雖然冬小麥種植南北界均發(fā)生北移，但北界北移和擴張幅度更大，因此可種植區(qū)面積分別增加至329.5×104km2和347.5×104km2。且RCP8.5情景下冬小麥種植北界和南界在大部分地區(qū)相對于RCP4.5情景下均發(fā)生更明顯的北移，北方地區(qū)冬小麥可種植面積擴大，而在南方地區(qū)不可種植區(qū)面積增加。

3.3 冬小麥理論適宜生育期比較

基于前述結(jié)果以及2.2.2中的冬小麥理論生育期劃分指標(biāo)，進行了基準(zhǔn)期和兩未來情景下2069～2098年的冬小麥理論適宜播種期、理論成熟期和潛在生長季長度的計算及插值，得到基準(zhǔn)期與RCP4.5、RCP8.5情景下中國2069～2098年平均理論適宜生育期空間分布（圖3）。

對比圖3a-3c可以看出，我國未來冬小麥的理論適宜播種期的空間分布相比于基準(zhǔn)期有明顯變化，在可種植區(qū)內(nèi)多數(shù)地區(qū)的理論適宜播種期推遲可達15 d及以上，且RCP8.5情景下推遲更加劇烈。在RCP4.5情景下2069～2098年，我國冬小麥可種植區(qū)內(nèi)理論適宜播種期在東部地區(qū)呈帶狀分布、在新疆地區(qū)呈環(huán)狀分布，由低緯至高緯、低海拔至高海拔逐漸提早。華南地區(qū)，理論適宜播種期與緯線基本平行，適宜于10月下旬至12月播種。新疆、四川盆地、華北南部以及長江中下游地區(qū)則稍早，平均適合在10月中旬至11月中旬播種。在冬小麥種植北界附近區(qū)域和西南地區(qū)大部分區(qū)域，理論適宜播種期為9月上旬至10月上旬，而青藏高原南部一些地區(qū)理論適宜播種期更早，可至8月。

在RCP8.5情景下（圖3c）我國2069～2098年冬小麥理論適宜播種期的空間分布特征與RCP4.5情景下相似，陜西以東的冬小麥北界北移敏感區(qū)理論適宜播種期為10月上旬。西藏東南部和四川西部仍為最早理論適播期出現(xiàn)的區(qū)域，但其東部的理論適宜播種期為9月中旬至10月下旬，相比RCP4.5情景下平均推遲1旬左右。在長江中下游和華北地區(qū)理論適宜播種期約提前1旬，其余地區(qū)則推遲，如西南地區(qū)推遲約11～20 d、華南地區(qū)推遲約21～30 d，而在新疆大部分地區(qū)僅推遲1～10 d。由于本文利用溫度指標(biāo)來界定我國冬小麥理論適宜播種期，因此其空間分布與近地面溫度密切相關(guān)。由于冬小麥為喜涼作物，其播種需要一定的低溫條件才能進行，而RCP8.5情景比RCP4.5情景下地表溫度升高幅度大，因此多數(shù)區(qū)域理論適宜播種期推遲。華北和長江下游部分地區(qū)理論適播期的提前可能與未來氣候變化情景下這些地區(qū)極端溫度的出現(xiàn)有關(guān)（王安乾等, 2017）。

根據(jù)上述理論適宜播種期和冬小麥全生育期所需積溫得到我國基準(zhǔn)期與兩種氣候預(yù)估情景下2069～2098年冬小麥理論成熟期空間分布特征 （圖3d-3f）。我國冬小麥可種植區(qū)內(nèi)理論成熟期呈明顯的緯向分布，即自南向北推遲。RCP4.5情景下，可種植區(qū)內(nèi)多數(shù)地區(qū)的理論成熟期相比于基準(zhǔn)期出現(xiàn)提前趨勢，其中理論冬小麥最早成熟的區(qū)域位于云南省東部（3月前即可成熟）。而在華南和西南地區(qū)南部，理論成熟期為3月下旬至4月中旬。西藏南部則有較大波動，某些格點處理論成熟期達6月之后，可能是由于高原地區(qū)的氣候預(yù)估數(shù)據(jù)存在較大不確定性而導(dǎo)致（胡芩等, 2015）。華東、華中和四川盆地地區(qū)理論成熟期稍晚于華南，基本處于4月中旬至5月下旬。華北與陜西、遼寧地區(qū)則更晚，均在5月下旬至6月下旬達到理論成熟期。新疆冬麥區(qū)冬小麥理論成熟期較晚，但仍早于遼寧地區(qū)，為5月下旬至6月中旬。與RCP4.5相比，RCP8.5情景下北移敏感區(qū)（包括四川中西部和陜西南部）理論成熟期較晚，為6月上旬至6月下旬。華南地區(qū)理論成熟期推遲1～2旬，云南冬小麥理論成熟期推遲1～10 d，華南以北大部分地區(qū)的理論成熟期則出現(xiàn)不同程度的提前。其中，湖北北部至山西南部以及江蘇等地提前幅度最明顯，可達20～29 d；華北其余地區(qū)理論成熟期提前11～19 d，四川盆地地區(qū)提前1～9 d，新疆冬麥區(qū)則平均提前約1旬進入理論成熟期。3月前成熟的區(qū)域也從RCP4.5情景下的云南東部擴展至云南中東部地區(qū)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是由于RCP8.5升溫更明顯，在品種不發(fā)生變化即冬小麥生長所需積溫一定的情況下，更高的日平均氣溫會使冬小麥達到成熟所需積溫的天數(shù)變少，從而導(dǎo)致大部分區(qū)域理論成熟期提前。

圖3 基準(zhǔn)期（第1列）與2069～2098年RCP4.5（第2列）、RCP8.5（第3列）情景下中國冬小麥平均理論生育期空間分布，1～3行分別代表理論適宜播種期、理論成熟期和潛在生長季長度Fig. 3 Spatial distribution of mean winter wheat theoretical growth in the base period (column 1) and in 2069-2098 under RCP4.5 (column 2) and RCP8.5 (column 3). Rows 1-3 represent theoretically suitable sowing date, theoretical maturity date, and potential growing season, respectively

圖3g-3i為基準(zhǔn)期和兩未來氣候變化情景下我國2069～2098年冬小麥潛在生長季長度的空間分布，從圖中可以看出我國冬小麥潛在生長季長度范圍為101～338 d，基本呈帶狀分布，隨緯度和高度增加而延長，在低緯地區(qū)與緯線平行，中緯地區(qū)等生長季長度線逐漸向東北抬升。未來可種植區(qū)內(nèi)多數(shù)地區(qū)的潛在生長季長度在北移敏感區(qū)（如四川省西部地區(qū)）以外相比于基準(zhǔn)期明顯延長。在RCP4.5情景下冬小麥種植北界沿線潛在生長季最長，平均約251～275 d，西藏地區(qū)個別格點可達300 d以上。華北大部分地區(qū)冬小麥潛在生長季長度為176～250 d，新疆地區(qū)則為201～250 d。長江中下游和四川盆地地區(qū)潛在生長季長151～225 d，但湖北西部地區(qū)稍長，可達226～250 d。華南南部潛在生長季最短，僅長101～125 d，華南其余地區(qū)及云南的冬小麥潛在生長季長度則為126～175 d。結(jié)合圖3 h、3i可知，RCP8.5情景下，我國21世紀(jì)末北移敏感區(qū)內(nèi)潛在生長季長度較長，可達326～338 d，新疆冬麥區(qū)冬小麥在201～225 d內(nèi)基本可以全部成熟。與RCP4.5情景相比，除青藏高原南部以外，大部分地區(qū)冬小麥潛在生長季長度均縮短，且縮短幅度由南向北、由東向西增加，在寒冷地區(qū) （如華北）的潛在生長季長度等值線北移幅度大于溫暖地區(qū)（如華南）。前述現(xiàn)象表明，溫度對冬小麥的理論生育期影響較大：由于RCP8.5升溫幅度大于RCP4.5情景，在品種不發(fā)生變化即冬小麥生長下限溫度和所需積溫一定的情況下，更高的氣溫會使喜涼的冬小麥更晚進入適宜生長期、達到成熟所需積溫的天數(shù)變少，所以RCP8.5情景下大部分區(qū)域潛在生長季縮短。

總體來說，相較于RCP4.5情景，RCP8.5情景下我國多數(shù)地區(qū)2069～2098年冬小麥理論適宜播種期推遲、理論成熟期提前、潛在生長季長度顯著縮短。上述結(jié)果表明，增加的輻射強迫、更大的升溫幅度對冬小麥的理論適宜生育期產(chǎn)生更大影響。若不改變冬小麥品種，理論適宜播種期的推遲和理論成熟期的提前預(yù)示著麥前生長季長度的延長，對于多熟地區(qū)可以有更長時期種植其他作物，如華北小麥—玉米輪作區(qū)可種植晚熟玉米、長江中下游水稻—小麥輪作區(qū)可種植超晚熟水稻或種植雙季稻等以充分利用太陽輻射和水分資源、增加土地產(chǎn)量。而在種植晚熟作物時也應(yīng)考慮秋季農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，如水稻的障礙型冷害。

但氣候變化帶來潛在有利影響的同時，也會對冬小麥的生長發(fā)育造成很大的負(fù)面作用。有研究發(fā)現(xiàn)雖然在氣候變暖的背景下冬小麥生長季縮短，但開花期可能出現(xiàn)推遲（劉文茹, 2017），若升溫導(dǎo)致成熟期提前，則開花期到成熟期的生殖生長天數(shù)會明顯縮短，勢必造成冬小麥干物質(zhì)積累變少、產(chǎn)量下降，抵消溫度和輻射量增加帶來的正向作用。而開花期的增暖可能導(dǎo)致植株體內(nèi)過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性下降，加速根系與地上部分組織衰老（裴紅賓等, 2006），不利于冬小麥礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收，即不利于其正常生長。另外，冬小麥屬于喜涼作物，其生育后期正值春夏之交，在RCP8.5情景下更多的高溫天氣會增加高溫逼熟的可能性和籽粒空殼率，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。同時，暖冬也對病毒、害蟲的越冬有利（蒲金涌等, 2007;Piao et al., 2010），可能會對冬小麥幼苗、葉片生長及籽粒成熟不利，從而影響其產(chǎn)量形成。因此，冬小麥的理論適宜播種期延后、理論成熟期提前和潛在生長季延長可能對冬小麥的生產(chǎn)帶來一定的不利影響。

4 冬小麥氣候適宜種植條件對比分析

結(jié)合第3小節(jié)所得冬小麥理論生育期和研究方法中的潛力衰減法、累積頻率法以及冬小麥全生育期內(nèi)需水量，通過計算得到基準(zhǔn)期以及RCP4.5、RCP8.5情景下我國2069～2098年平均氣候適宜種植分區(qū)指標(biāo)空間分布及差異（圖4），綜合冬小麥可種植區(qū)光溫生產(chǎn)潛力的高低、凍害發(fā)生情況和潛在生長季內(nèi)降水量空間分布，可以對不同情景下冬小麥種植的氣候適宜性進行對比分析。

圖5和表2分別為基準(zhǔn)期以及RCP4.5、RCP8.5情景下2069～2098年我國冬小麥氣候適宜種植分區(qū)的空間分布特征和各區(qū)面積統(tǒng)計，從其中可以看出：在未來兩情景下我國冬小麥的種植氣候適宜度均有所上升，其中RCP4.5情景以種植風(fēng)險區(qū)面積顯著縮小、適宜種植區(qū)增加為主要特征，而RCP8.5情景下則以最優(yōu)種植區(qū)明顯增加為主要特征。需要注意的是，雖然兩個未來情景下冬小麥可種植面積比基準(zhǔn)期分別增加了5.9%和11.7%，整體的氣候適宜性也有所增加，但北移敏感區(qū)多處于種植風(fēng)險區(qū)，南方的低適宜種植區(qū)也向北擴展，冬小麥的生產(chǎn)仍面臨較大的不確定性。

結(jié)合圖4、圖5和表2可知：由于各地區(qū)光、溫、水資源在冬小麥潛在生長季內(nèi)配置不同，因此在不同情景下期種植的氣候適宜性出現(xiàn)差異。RCP4.5情景下2069～2098年，我國冬小麥理論氣候最優(yōu)種植區(qū)總面積僅為0.3×104km2，相比于基準(zhǔn)期減少2.9×104km2，其余多數(shù)地區(qū)處于氣候適宜種植區(qū)，面積約為198.5×104km2。在氣候適宜種植區(qū)中，長江中下游地區(qū)在潛在生長季內(nèi)降水量可以滿足500 mm的冬小麥需水量，且溫度適宜性較好，但光溫生產(chǎn)潛力相對較低；而華北地區(qū)光溫生產(chǎn)潛力較高，但生長季內(nèi)的降水量不足，因而這些區(qū)域冬小麥的氣候適宜性無法達到最優(yōu)。廣東、廣西、云南南部、貴州南部以及種植北界東段附近部分地區(qū)處于氣候低適宜種植區(qū)，總面積約為87.9×104km2。其中南方地區(qū)可能是由于冬小麥的潛在生長季長度較短（圖3 h）導(dǎo)致生長季內(nèi)降水量和冬小麥接受的光合有效輻射較少、光溫生產(chǎn)潛力相對較低（圖4 b、4e），從而使其氣候適宜性降低。而遼寧和河北則處于季風(fēng)區(qū)，降水多集中在夏季6～8月（楊森等, 2011），但其理論成熟期在6月中旬，冬小麥生育期內(nèi)降水無法滿足500 mm的條件，同時因緯度較高、春冬季節(jié)得到的地表輻射總量偏少，光溫生產(chǎn)潛力較低，所以遼寧和河北地區(qū)冬小麥雖然潛在生長季長度較長，但氣候適宜性仍然較低。新疆地區(qū)光照條件好，光溫生產(chǎn)潛力可達22000 kg hm-2以上，但由于在2069～2098年仍面臨較大的凍害和干旱脅迫，因此處于種植風(fēng)險區(qū)。

圖4 基準(zhǔn)期（第1列）與2069～2098年RCP4.5（第2列）、RCP8.5（第3列）情景下中國冬小麥平均氣候適宜種植分區(qū)指標(biāo)空間分布，1～3行分別代表光溫生產(chǎn)潛力、無凍害保證率和潛在生長季內(nèi)降水量Fig. 4 Spatial distributions of mean winter wheat climatically suitable region indexes in the base period (column 1) and in 2069-2098 under RCP4.5(column 2) and RCP8.5 (column 3). Rows 1-3 represent radiation-temperature potential yield, no-frozen damage assurance rate, and precipitation during potential growing season, respectively

結(jié)合圖5c與表2可知，RCP8.5情景下2069～2098年我國冬小麥氣候種植風(fēng)險區(qū)降低為RCP4.5情景下的69%至29.4×104km2，低適宜種植區(qū)和適宜種植區(qū)均增加月1%，最優(yōu)種植區(qū)則增加為RCP4.5情景下的49倍至14.7×104km2。因此總體來說，在RCP8.5情景下我國冬小麥種植的氣候適宜性有小幅提升。對于不同地區(qū)，RCP8.5情景下適宜性變化來源于不同適宜度指標(biāo)：最優(yōu)種植區(qū)的增加主要來源于RCP4.5情景下適宜種植區(qū)內(nèi)生產(chǎn)潛力適宜性和降水適宜性的提高（圖4b、4c與圖4h、4i），表明這些地區(qū)在高排放情景下的水分、熱量和輻射資源在冬小麥潛在生長季內(nèi)配置更加良好。如云南北部和四川南部地處高原，輻射條件好，光溫生產(chǎn)潛力本身較高，因此冬小麥種植的氣候適宜性提升的主要影響因素并非光溫生產(chǎn)潛力的變化，該地區(qū)最優(yōu)種植區(qū)的出現(xiàn)可能是由于潛在生長季內(nèi)降水量從RCP4.5情景下的400～500 mm增加到RCP8.5情景下的500～800 mm，完全可以滿足冬小麥生長所需要的水量。而處于長江中下游的湖北、浙江等地區(qū)降水量比RCP4.5情景下有所減少但均處于500 mm以上，但光溫生產(chǎn)潛力增加了近4000 kg hm-2，是其從適宜種植區(qū)提升為最優(yōu)種植區(qū)的主要因素。光溫生產(chǎn)潛力的增加可能是由于RCP8.5情景下輻射強迫較高，增加了地表輻射，冬小麥得到的光合有效輻射更多、產(chǎn)量更高。同時，新疆塔里木盆地地區(qū)冬小麥的氣候適宜度提升，從種植風(fēng)險區(qū)改善為低適宜種植區(qū)，可能是由于RCP8.5情景下增溫幅度大于RCP4.5情景，即地表溫度升高，因此凍害發(fā)生頻率降低（圖4e、4f）所導(dǎo)致。

圖5 （a）基準(zhǔn)期與2069～2098年（b）RCP4.5、（c）RCP8.5情景下中國冬小麥氣候適宜種植分區(qū)Fig. 5 Spatial distributions of winter wheat climatically suitable region in (a) the base period and in 2069-2098 under (b) RCP4.5 and (c) RCP8.5 in China

表2 基準(zhǔn)期以及RCP4.5和RCP8.5情景下2069～2098年中國冬小麥氣候適宜種植分區(qū)面積統(tǒng)計及其差異對比Table 2 Cultivation climatically suitable region in the base period and in 2069-2098 under RCP4.5 and RCP8.5 and their differences in China

綜上所述，在高溫室氣體排放情景下，我國2069～2098年由于熱量資源、輻射資源更加豐富，光溫生產(chǎn)潛力提高、凍害發(fā)生頻率降低、更多地區(qū)生長季內(nèi)降水可滿足冬小麥需水量，總體種植氣候適宜性有小幅提升。而潛在生長季內(nèi)降水量增加不僅可以在一定程度上緩解干旱的發(fā)生（張力等,2019），有利于冬小麥生長發(fā)育，且由于灌溉需水量與有效降水量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（胡瑋等,2014），RCP8.5情景下冬小麥灌溉需水量也比RCP4.5情景有所下降，也可以在一定程度上減少農(nóng)業(yè)灌溉用水、緩解部分地區(qū)水資源短缺的情況。

但更加值得注意的一點是，氣候變化除平均態(tài)的變化如日平均溫度增加外，也會造成極端天氣氣候的不均勻性變化，如20世紀(jì)末我國可能出現(xiàn)趨勢暖性極端天氣氣候事件（如熱浪和暖夜）增加 （南方地區(qū)尤其明顯）、冷性極端天氣氣候事件減少、極端降水強度增強的同時干旱加重等現(xiàn)象（江志紅等, 2007; 趙彥茜等, 2019），且高輻射強迫情景下極端強降水占降水總量比例增加在的變化幅度明顯大于中等輻射強迫情景，也意味著RCP8.5情景下洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險可能加大（陳活潑,2013）。這些極端氣候因子的變化可能會對冬小麥種植和適宜性產(chǎn)生不利影響，因此兩種溫室氣體排放情景下冬小麥的氣候適宜性仍需進一步討論。其次，本研究僅考慮了越冬期凍害，而未引入其他農(nóng)業(yè)災(zāi)害對冬小麥產(chǎn)量和生長條件的影響。如在RCP8.5情景下，更高的積溫可能導(dǎo)致冬小麥冬前分蘗數(shù)增多、麥苗旺長、株高偏高、冬前抗旱鍛煉不足（權(quán)暢, 2013），更容易遭受霜凍和其他低溫災(zāi)害。另外，本文僅考慮了生長季內(nèi)的總降水量，并未區(qū)分降水強度、時期，忽視了降雨量分配不均勻的特性。在RCP8.5情景下，我國21世紀(jì)末冬小麥可種植區(qū)內(nèi)多數(shù)區(qū)域降水量多于RCP4.5情景，可能帶來更多的洪澇災(zāi)害，而升溫導(dǎo)致可能蒸散量增加，雖然降水增多但土壤可利用水分并不一定能夠滿足冬小麥需水量（王丹, 2016）。同時，冬小麥?zhǔn)情L日照植物，與多降水相伴的連陰雨天氣會導(dǎo)致日照時數(shù)縮短，容易造成冬小麥開花延后，從而降低其實際產(chǎn)量（劉文茹, 2017）。高溫會抑制冬小麥灌漿速率（權(quán)暢, 2013），且會使土壤蒸發(fā)量加大、進而導(dǎo)致土壤含水量降低，因此更強的增暖綜合作用可能使冬小麥在RCP8.5情景下更容易遭受干旱、干熱風(fēng)和高溫逼熟的影響，不利于冬小麥生產(chǎn)。研究表明，未來氣候變化中的不對稱性增溫可能對冬小麥生產(chǎn)有更不利的影響，如夜間增溫會顯著縮短灌漿進程、增加無效分蘗數(shù)，減產(chǎn)可達26%（李強, 2016）。最后，輻射強迫的增加會帶來紫外線的增強，而UV-B增多可能使冬小麥矮化、葉面積縮小，提高花粉敗育率、損傷植物結(jié)構(gòu)、影響光合作用中電子傳遞等（鐘楚等, 2009），升溫也可導(dǎo)致冬小麥的光化學(xué)效率和光能轉(zhuǎn)化效率下降，從而對冬小麥生產(chǎn)造成極大的負(fù)面作用。因此，雖然在RCP8.5情景下冬小麥種植氣候適宜性有所提高，但考慮氣候因子對生理生態(tài)等過程的影響后的種植適宜性很可能會下降。

5 結(jié)論和討論

本文使用RegCM4模式模擬得到的東亞地區(qū)氣候預(yù)估數(shù)據(jù)，對比分析了基準(zhǔn)期與RCP4.5、RCP8.5情景下2069～2098年中國的熱量資源空間分布特征及其差異，并根據(jù)溫度指標(biāo)計算得到冬小麥可種植區(qū)域及可種植區(qū)內(nèi)的理論適宜播種期、理論成熟期、潛在生長季長度以及潛在生長季內(nèi)的無凍害保證率、降水量和地表短波輻射總量，運用潛力衰減法計算各地區(qū)冬小麥可能達到的光溫生產(chǎn)潛力，最后依據(jù)光照、溫度和降水的配置關(guān)系確定了冬小麥種植氣候適宜度，并重點探究了中低排放 （RCP4.5）和高排放（RCP8.5）情景下21世紀(jì)末30年內(nèi)我國冬小麥氣候適宜種植分區(qū)的差異。發(fā)現(xiàn)與基準(zhǔn)期相比，2069～2098年兩未來氣候變化情景下我國熱量資源、冬小麥種植條件與氣候適宜性差異顯著，且與RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下：

（1）我國熱量資源得到提升。多數(shù)地區(qū)終霜日提前、初霜日推遲、無霜期延長、積溫升高，熱量資源更加豐富，但由于冬小麥為喜涼作物，熱量資源的增加可能對其生產(chǎn)形成不利影響。同時，冬小麥種植界限明顯北移，其中北界東段北移55 km、西段東移55 km，南界則北移36 km，可種植區(qū)面積增加18×104km2。

（2）理論生育期變化明顯。其中，冬小麥理論適宜播種期在除華北和長江中下游以外的區(qū)域提前，理論成熟期在長江流域及其以北地區(qū)提前，潛在生長季長度在北移敏感區(qū)以外地區(qū)均明顯縮短。表明冬小麥的理論生育期對未來氣候變化響應(yīng)較大，而這種變化很可能導(dǎo)致冬小麥的正常生長受到負(fù)面影響。

（3）氣候適宜性提高。氣候種植風(fēng)險區(qū)面積降低，低適宜種植區(qū)、適宜種植區(qū)和最優(yōu)種植區(qū)均增加，共有約150×104km2面積的區(qū)域冬小麥種植的氣候適宜等級提高。但除輻射量、降水和氣溫變化之外，氣候變化帶來的其他負(fù)面影響很可能抵消前述氣候適宜性的有利變化，冬小麥在未來的種植適宜性變化仍有很大不確定性。

本研究發(fā)現(xiàn)在RCP8.5情景下我國2069～2098年冬小麥的種植條件和氣候適宜性相對于RCP4.5情景會發(fā)生顯著的變化。但是受到數(shù)據(jù)資料和試驗條件的限制，研究中仍存在許多不足。首先，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)氣候變化可能導(dǎo)致冬小麥越冬前生育期推遲、返青后生育期提前、生長季縮短 （Wang et al., 2012；王春娟, 2018），另有學(xué)者認(rèn)為冬小麥生殖生長期延長、營養(yǎng)生長期縮短，而全生育期長度變化較?。ㄍ跽急? 2015），出現(xiàn)研究結(jié)論不一致的原因可能是由于冬小麥的適宜播期及其他各生育階段還受到其他條件（如日照時數(shù)、降水、管理措施、土壤條件）的影響。其次，不同敏感型的冬小麥品種對溫度的響應(yīng)不同（呂麗華等,2017），且研究區(qū)域不同、作物生理活動過程復(fù)雜，因此還應(yīng)對生育期進行更細(xì)致的劃分。第三，在選取氣候適宜種植分區(qū)指標(biāo)的過程中，本文僅考慮了光照、溫度和水分條件，而未考慮積雪對地溫的保持效應(yīng)（王培娟等, 2012）、夜間溫度等因子對冬小麥生長發(fā)育的影響（Fang et al., 2012）等，因此未來研究中還應(yīng)制定更加綜合全面的指標(biāo)，使模擬結(jié)果與實際情況更符合。

同時，未來氣候變化導(dǎo)致地表短波輻射量增加的同時也會使紫外輻射增加，在實際生產(chǎn)中可能導(dǎo)致冬小麥的株高變矮、生理活動受到阻礙，從而降低產(chǎn)量（鄭有飛等, 1997）。另外，氣溫升高不僅利于作物越冬，也利于病蟲害越冬，從而增加冬小麥病蟲害發(fā)生風(fēng)險，并可能使得抗寒鍛煉不足或返青過早，進而導(dǎo)致春季低溫災(zāi)害多發(fā)（佟金鶴,2016）。但本研究中只討論了光合有效輻射的變化和越冬期凍害，仍需增加對其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害如霜害、連陰雨、干熱風(fēng)、高溫逼熟和干旱等影響的研究。最后，在RCP8.5情景下冬小麥理論適宜播種期推遲、成熟期提前的情況下，在兩熟地區(qū)如華北，可以結(jié)合“兩晚技術(shù)”，即適當(dāng)推遲冬小麥播期、適當(dāng)晚收夏玉米（王娜等, 2015），以利用喜溫作物玉米在增暖條件下生產(chǎn)潛力的增加彌補氣候變化對冬小麥可能帶來的不利影響。