IPCC最新发布的《气候变化与土地》特别报告(SRCCL)指出, 目前观测到的气候变化已经对全球粮食安全产生了影响, 其中亚洲、非洲、南美洲及地中海干旱地区尤为明显; 预计未来气候变化将持续加剧影响粮食安全, 将有约1.8亿人面临饥饿的风险^[1]。目前, 气候变化影响与气候变化适应之间的差距主要表现在气候服务、作物和牲畜的遗传特征、气候影响模型、对极端事件的恢复力等^[2], 因此评估气候变化及其影响, 尤其是气候变化对农业的影响仍需重点关注。水稻(Oryza sativa)作为中国三大粮食作物之一, 其总产量占世界水稻总产量的30%^[3], 包括双季早稻、双季晚稻和一季稻。根据国家统计局水稻生产数据统计, 1986年以来全国一季稻种植面积、产量分别占稻谷总种植面积、产量的51.4%、57.1%, 且近年来呈逐步增加的态势。充分利用有效的气候资源, 确保水稻稳产、高产、高品质以应对气候变化, 关系粮食安全和社会经济稳定。

气候变化会引起水稻气候资源变化, 尤其是导致热量资源的质量和年际特点发生变化。伴随着气候变化引起的水稻热量资源的变化, 决定了水稻生长布局和结构^[4-7], 其分布特征、种植布局、种植方式和品种已经出现了相应的变化^[8-12]。在评价热量资源时, 多选用农业界限温度、积温、生长季长度等指标^[13-14], 也有考虑水稻不同生长阶段生育特性的温度适宜度指数, 上述要素在气候变化背景下已经表现出不同的时空变化特点^[15-18]。已有气候变化对水稻生产造成的影响已经被广泛认可, 而未来气候变化对水稻生产的风险将可能增大^[19-20]。目前的研究多着眼于不同温室气体排放情景, 预估未来气候变化对不同典型区域水稻热量资源、气候资源和产量等产生的可能影响^[21-25], 而从全国不同产区尺度的热量资源评估较少, 针对不同产区本身的特点及其区域差异的特点分析尚有欠缺。当然, 未来气候变化对地区水稻热量资源影响的预测存在不可避免的不确定性。在应对未来气候变化对水稻热量资源的影响研究中, 重要的一项工作就是减小气候变化影响评估的不确定性, 迫切需要减小未来温室气体排放情景的不确定性、改进影响评估方法^[20]; 其中采用最新的温室气体排放情景、高分辨率的气候情景、多模式预测数据的集合是减小不确定性的一些主要手段。因此, 本文着眼于全国一季稻产区, 基于20个经过统计降尺度的高分辨率气候模式预估数据, 考虑两种温室气体排放情景(RCP4.5和RCP8.5), 以平均气温、≥10 ℃积温和温度适宜度作为一季稻热量资源指数, 分析全国一季稻热量资源未来动态变化特征, 以期为制定区域区别化的应对策略、进一步挖掘水稻生产潜力提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 数据来源

本文研究区针对全国主要一季稻主产区, 包括东北、西北地区东北部、长江中下游和西南地区。所用的气候情景资料来源于耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)的20个全球气候模式(global climate models, GCMs), 具体信息见表 1。GCM数据包括1961—2005年以及RCP4.5和RCP8.5情景下2006—2100年的逐日温度。

由表 1可以看出, 不同GCM的分辨率差异较大且普遍在1.0°×1.0°以上, 较粗分辨率的数据不足以满足本研究的精细化需求。因此, 利用统计降尺度方法Bias Correction Spatial Disaggregation (BCSD)对GCMs的温度数据进行降尺度, 以观测的格点数据集(CN05)为参照数据, 通过去除趋势、mapping quantile偏差订正和空间聚散3个步骤, 最后得到高分辨率(0.25°×0.25°)的逐日温度数据。通过前期工作开展的对比订正前后的20个GCMs的温度模拟值与观测值, 可以看出降尺度后的模式温度数据精度较高^[26], 能够满足研究需求。同时, 为了减小模式间的不确定性, 在对全国一季稻产区热量资源分析时采用20个GCMs集合平均的方式^{[25, 27-28]}开展分析。

1.2 热量资源评价指标

在一季稻主要生长季(5—9月), 以平均气温评估其平均态热量资源; ≥10 ℃积温可以反映和区分一季稻品种特性^[21], 亦可作为热量资源的评价指标。

光、热、水资源是农业气候资源中3个最基本的要素, 它们为作物提供生长必需的物质和能量。各农业气候资源要素对作物的生长都存在一定的适宜范围, 可以采用模糊数学的方法, 将资源要素对作物生长发育的适宜程度定义到[0, 1], 继而可以用统一的量化指标来表示气候资源要素对作物生长的适宜度。因而, 温度对一季稻生长的适宜水平可以通过构建温度适宜度模型来评价:

$ S(T) = \frac{{({T_i} - {T_l}){{({T_h} - {T_i})}^b}}}{{({T_o} - {T_l}){{({T_h} - {T_o})}^b}}} $

(1)

式中: S(T)为温度适宜度, T_i为某阶段平均气温, T_h、T_l和T_o分别为一季稻某生长阶段适宜生长的最高温度、最低温度和最适温度, 不同地区针对地区特点厘定不同的温度临界值^{[9, 29-30]}, 具体取值见表 2。其中东北和西北地区5—9月一季稻分别处于播种育秧—移栽、返青—分蘖、分蘖—孕穗、抽穗—乳熟、成熟期, 西南处于播期育秧、分蘖、孕穗—抽穗、乳熟、成熟期, 长江中下游处于播期育秧、移栽返青、分蘖、孕穗—抽穗、乳熟—成熟期; b为温度反映系数。

$ b = \frac{{{T_h} - {T_o}}}{{{T_o} - {T_l}}} $

(2)

1.3 未来温室气体排放情景下潜在热量资源评价

本文以1986—2005年作为基准时段, 将未来时段划分为2021—2040年、2041—2060年、2061—2080年、2081—2100年共4个时段, 考虑RCP4.5(中等排放)和RCP8.5(高排放)两种温室气体排放情景, 分析全国一季稻潜在热量资源的时空动态变化特征。

2 结果与分析 2.1 平均气温变化特征

1986—2005年, 一季稻主要生长季内东北和宁夏地区平均气温大部为15.0~20.0 ℃, 西南地区南部和辽宁西部为20.0~22.5 ℃, 四川盆地、长江中下游地区普遍在22.5 ℃以上, 江西、湖南东部、湖北东部等地达25.0~27.5 ℃(图 1)。

RCP4.5情景下, 从1986—2005年到2021—2040年、2041—2060年和2061—2080年时段, 大部地区平均气温呈升高趋势; 2081—2100年和2061—2080年较为接近。2081—2100年, 东北、宁夏大部普遍为17.5~25.0 ℃, 西南地区南部为20.0~25.0 ℃, 四川盆地和长江中下游地区为25.0~30.0 ℃。与RCP4.5情景相比, RCP8.5情景下不同时段平均气温的增幅更为明显; 2081—2100年, 东北和宁夏地区为20.0~27.5 ℃, 西南地区南部为22.5~27.5 ℃, 四川盆地和长江中下游地区在25.0 ℃以上, 其中江西、湖南东部、湖北中东部、安徽中部等地在30.0 ℃以上。可见, 未来气候情景下, 一季稻生长季内热量将增多。

2.2 ≥10 ℃积温变化特征

一季稻主要生长季内, ≥10 ℃积温区域特征明显。1986—2005年, 东北和宁夏地区积温为2 000~ 3 500 ℃·d, 西南地区中南部为2 500~3 500 ℃·d, 四川盆地和长江中下游地区为3 500~4 000 ℃·d(图 2)。

RCP4.5情景下, 不同时段≥10 ℃积温呈明显增加趋势(图 2); 至2081—2100年, 东北和宁夏地区为2 500~4 000 ℃·d, 西南地区中南部为3 000~ 4 000 ℃·d, 四川盆地和长江中下游地区达4 000~ 4 500 ℃·d。RCP8.5情景下, ≥10 ℃积温的增幅更加明显, 2081—2100年东北、宁夏和西南地区中南部为3 000~4 000 ℃·d, 四川盆地和长江中下游地区在4 000 ℃·d甚至4 500 ℃·d以上。积温的增加总体将利于一季稻品种由早中熟向中晚熟调整。

2.3 温度适宜度变化特征

一季稻主要生长季内, 不同区域温度适宜度差异明显。1986—2005年, 东北地区温度适宜度呈现从南往北减小的分布形式, 辽宁西部和南部为0.80~0.90, 黑龙江西北部为0.50~0.60;宁夏从南往北增加, 从0.50~0.65增加到0.75~0.85;西南地区南部和东南部为0.70~0.85, 四川盆地和长江中下游地区在0.95以上(图 3)。RCP4.5情景下, 温度适宜度在不同时段呈现不同的变化趋势; 东北、宁夏、西南地区南部和东南部呈增大趋势, 而四川盆地和长江中下游地区呈减小趋势(图 3); 至2081—2100年, 东北、宁夏温度适宜度为0.65~0.90, 四川盆地和长江中下游地区为0.50~0.85, 西南地区南部和东南部在0.85以上。与RCP4.5情景相比, RCP8.5情景下温度适宜度在东北、宁夏、西南地区南部和东南部的增大趋势以及在四川盆地和长江中下游地区的减小趋势更为显著; 2081—2100年, 东北、宁夏温度适宜度为0.80~0.90, 四川盆地和长江中下游地区为0.50~0.85, 西南地区南部为0.90以上。

1986—2005年, 大部地区温度适宜度呈增加趋势, 其中东北、宁夏、云南、贵州等地增加速率为0.01~0.05·(10a)^-1, 长江中下游地区大部以-0.01~0 ·(10a)^-1的速率下降(图 4)。RCP4.5情景下, 东北、宁夏、云南和贵州温度适宜度以0~0.03 ·(10a)^-1的速率增加, 在长江中下游和四川盆地以-0.03~0 ·(10a)^-1的速率下降; RCP8.5情景下, 温度适宜度的趋势特征更为明显, 东北、宁夏、云南和贵州以0~0.05 ·(10a)^-1的速率增加, 在长江中下游和四川盆地以-0.11~-0.03 ·(10a)^-1的速率下降。

以黑龙江、湖北、云南作为不同区域的代表(图 5), 进一步分析一季稻生长季各月的温度适宜度变化特征。1986—2005年, 黑龙江以6月的温度适宜度最高(0.91), 其次是7月、8月、5月和9月; 与1986—2005年相比, 在未来气候情景下, 6月份的温度适宜度呈一定的减小趋势, 而其余月份呈增加趋势, 且RCP8.5较RCP4.5更为明显, 到2081—2100时段不同月份的适宜度均在0.5以上。云南不同月份温度适宜度的变化特征与黑龙江相似, 6月温度适宜度呈减小趋势、而其余月份呈增加趋势; 与黑龙江相比, 云南温度适宜度略偏低, 但6月的减小幅度偏小、其余月份的增加幅度偏大。湖北温度适宜度变化特征与黑龙江和云南差异明显, 6月温度适宜度呈增加趋势、其余月份呈减小趋势, 总体上6月温度适宜度在较高水平(0.73~0.94), 但其增加幅度明显小于其余月份的减小幅度, 因而导致温度适宜度总体呈减小趋势。

上述分析表明在未来气候情景下, 东北、宁夏、西南地区南部和东南部等地温度适宜度增大, 将利于一季稻生长, 其原因主要归因于平均气温和积温的增加利于一季稻生长发育。然而, 四川盆地和长江中下游地区温度适宜度呈现减小趋势, 可见温度升高并没有利于一季稻的生长。进一步分析长江中下游和四川盆地平均高温(最高温度≥35 ℃)日数变化(表 3)可以看出: 1986—2005年平均高温日数为5.29~7.64 d; 未来气候情景下, 高温日数明显增加, RCP4.5和RCP8.5情景下2081—2100年平均高温日数分别为24.89~34.08 d、55.92~68.62 d, 分别达1986—2005年的4倍和9倍以上, 显然高温日数的增加抑制了一季稻的生长, 从而导致温度适宜度的降低, 尤其是高温出现在水稻生长的中后期, 适宜度明显减小。

3 讨论与结论

基于统计降尺度后的高分辨率GCMs的温度模拟数据, 本文着眼于未来时段, 分析了两种不同温室气体排放情景下全国不同一季稻产区平均气温、≥10 ℃积温和温度适宜度等热量资源特性的时空变化特征。总体上, RCP4.5和RCP8.5情景下, 未来平均气温、≥10 ℃积温呈增加的趋势, 这一结果与已有的部分区域的结论一致:如SRES(special report on emission scenarios)A2和B2情景下, 21世纪末四川省一季稻生育期内≥10 ℃积温呈增加的趋势^[22]; RCP4.5和RCP8.5情景下, 21世纪中期长江中下游地区一季稻生育期内≥10 ℃积温呈明显增加^[23]; RCP4.5情景下, 21世纪中期、后期东北地区≥10 ℃积温呈显著增加趋势^[31]。由于不同地区气候特点的差异, 平均气温、≥10 ℃积温的增加幅度有所差异, 但一致性增加的趋势意味着未来将有更多的热量资源用以满足一季稻生长; 为了更好地利用增加的热量资源, 可以采用生育期更长的品种。当然, 平均温度和≥10 ℃积温的增加并不是说明热量资源就都利于一季稻的生长, 由于一季稻在生长过程中有其自身的温度需求, 温度过高、过低都会抑制生长发育^[32-33], 未来情景下温度升高, 将减轻低温的影响, 但是部分区域可能遭受的高温胁迫将增加; 因此, 考虑一季稻生长适宜温度需求范围的温度适宜度作为另一个指标用来评估热量资源变化动态。在基准时段内, 适宜度总体呈增加的趋势, 这与已有的区域一季稻温度适宜度的空间分布特征及时间趋势较为一致^{[18, 29]}; 温度适宜度的增加表明已有的气候变化利于一季稻生长。尽管总体趋势一致, 但是温度适宜度在区域间的差异较大, 其中四川盆地和长江中下游地区目前温度适宜度处于较高水平、但呈弱增加甚至减小的趋势, 而其他地区适宜度仍处于增加趋势中。未来气候情景下, 四川盆地和长江中下游地区温度适宜度呈减小趋势, 可见未来变暖的条件对一季稻的适宜性在减弱, 其主要原因是未来一季稻生长将面临的高温热害风险将增加^[28]。温度适宜度的这种变化趋势与已有针对区域的研究有差异, 如SRES A2情景下淮河流域一季稻温度适宜度呈现增加的趋势^[15], 与本文得出的减小趋势不同; 两者不同之处在于气候情景和气候模式的选取上, 由于温室气体排放情景和模式本身的不确定, 不同模式的模拟效果及准确性区别较大, 区域上的差异更大, 因此有必要开展模式的模拟效果评估及偏差订正以选择模拟效果较好的模式^[26], 以获取精度更好的结果。

通过选取经过偏差订正的高分辨率模式数据, 一季稻热量资源的动态变化特征主要表现为:与1986—2005年相比, RCP4.5和RCP8.5情景下, 未来时段大部地区平均气温、≥10 ℃积温和温度适宜度呈增加的趋势, 且RCP8.5较RCP4.5增幅更为明显; 东北、宁夏、西南地区南部和东南部等地未来热量资源增加, 将有利于一季稻生长; 而四川盆地和长江中下游地区尽管平均气温、≥10 ℃积温呈增加趋势, 但是温度适宜度呈减小趋势, 将对一季稻生长不利。考虑到不同区域的一季稻对气候变化的敏感性差异^[34], 依据本文的结果可以为调整水稻生产提供因地制宜的指导作用, 如东北等地可以进一步采取生育期更长的中晚熟品种、长江中下游地区需要采取措施避开高温胁迫增加的影响, 以期更好地利用热量资源、提高一季稻产量。此外, 影响一季稻生长的因素除温度外, 还有降水、辐射等气象要素, 并非单一气候资源的增加速率越大越好, 而是多个气候资源相互有效协调^[23], 因而多种资源的综合分析有待下一步深入分析, 以提高气候生产潜力、确保粮食安全。