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中国玉米种植的气候适宜性区划

何奇瑾^1,2，周广胜^1,3

1中国气象科学研究院，北京，100081 2南京信息工程大学大气物理学院，南京，210044

3中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京100093

2011－6－27收稿，2011－9－9接受，2011－10－17发表

摘要：为规划我国玉米作物的生产和制定应对气候变化影响的对策提供科学支持，我们分析了中国玉米种植的气候适应性。分析基于影响了玉米种植的地理分布的国家年度气候指数，结合当前玉米种植地点的地理信息，利用最大熵模型，ArcGIS空间分析技术用于分析和预测玉米分布。结果表明最大熵模型可用于研究玉米种植的气候适宜性。八大关键气候因素影响有：玉米种植面积无霜期、年平均气温0℃、累积温度10℃、 温度连续天数、10℃积温、年降水量、月平均气温最高和湿度指数。我们使用最大熵模型确定活力，根据玉米种植的适用性对气候区进了分类。此外，根据主要气候因素与潜在玉米种植面积之间的关系，确定了潜在玉米种植区的气候阈值。结果表明，不同的玉米种类和成熟期主要气候控制的重要性和门槛不尽相同，应进一步研究气候适宜性，确定最佳栽培区。最大熵模型是有效的研究适应玉米的气候适应性的工具。研究结果可为我国玉米生产布局、气候区划及制定应对气候变化对策提供参考。

关键词：玉米；种植分布；主要气候因子；气候适应性；最大熵模型

引言

植被与气候的相互作用可以归结为植被对气候的适应性，以及植被对气候的反馈。通常，主要植被类型对主要气候类型有反应，每种气候类型或分类与一组相应的植被类型相关。因此，气候植被分类的研究越来越受到植物学家、生态学家、气候学家和地理学家的关注。对关于作物种植体系、种植面积分布和气候关系已经有大量研究，中国不同气候部门玉米的增长和玉米作物对气候变化的响应也引起了广泛的关注。然而，这些研究中的大多数都集中在了当地，很少有人在中国进行过全国层次的研究。所选资料的时间尺度不同，对作物生长的影响因子和阈值的选取也不同，也制约着全国层次的生产布局和作物应对气候变化政策的制定。

玉米是世界上种植面积最大的作物之一。据联合国粮农组织资料显示，2003年全球玉米种植面积达到1.426810⁸ hm²，产量达到6.380410⁸t。玉米的种植面积仅次于水稻和小麦，但总产量居于首位。是种植面积扩展最大，作物产量增幅最快的大田作物。中国是玉米种植最大的地区之一。从20世纪末开始，中国的玉米种植面积常年高达2453 10hm²,年产量达到1.2318 10⁸t，仅次于美国。玉米是食品，饲料，发酵产品和化学品生产的重要原料来源。它在全球粮食安全和国家经济发展中发挥关键作用。

气候是影响玉米生产的重要因素。当前，以气候变化为标志的全球变暖已经成为现实，并将持续到可预见的未来。气候变化已经导致在不同时期种植各种玉米品种的种植界限明显北移和东扩; 早熟品种逐渐被中、晚期品种所取代，中、晚期玉米品种的种植面积越来越大，西北地区的生长期延长。2000年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）在第三次评估报告（排放情景特别报告SRES）中公布了一系列情景，构建了SRES方案，以探索未来全球环境的发展，特别是生产温室气体和气溶胶前体排放。在这些情景中，A2故事线和情景家庭下，全球人口不断增加，区域性经济增长为主，21世纪末全球平均气温将升高3.5℃。B2故事情节和情景家庭下，经济，社会和环境可持续发展是重点，人口不断增加（但低于A2）和中等经济发展水平，该情景下 21 世纪末全球平均温度将升高2.0℃。结果显示，在A2和B2情景下，中国五大玉米生产地的玉米产量将下降。为了确保在气候变化条件下我国玉米的持续高产，迫切需要了解全球变化对玉米生产的影响，并确定适宜的玉米种植区。解决这个问题的关键科学问题是确定影响中国玉米种植区的主要气候因素，并进行我国玉米种植区分布的气候适宜性划分。本研究的目的是确定中国玉米种植区的主要气候因素及其阈值，并根据中国国家年度气候指标，对玉米种植区进行气候适宜性划分。

本研究根据中国国家年度气候指标，结合中国玉米种植区地理分布信息，利用最大熵模型和ArcGIS空间分析技术，来确定中国玉米种植区的主要气候因素及其阈值，为玉米种植提供气候适宜性分类。并为评估气候变化对不同玉米种植区的影响, 制定玉米种植应对气候变化策略提供依据。

1数据与方法

1.1数据来源

本研究使用的数据包括玉米种植区的地理分布数据和气候数据。地理分布数据由中国气象局提供，包括中国农业气象观测站366个农业气象观测站的统计数据（图1）。气候资料来自中国日常气候资料集（1971 － 2000年），由中国气象局国家气象信息中心提供。包括经纬度、纬度、日平均值、最大和最小气温以及降水。根据已有的方法和数字高程模型（DEM），将这些日常数据进行插值，以获得10 kmtimes;10 km分辨率的空间网格数据。

图 1 我国玉米农业气象观测站地理分布图

1.2潜在气候因子

对于每种作物，其分布取决于热水和水资源之间的相互作用。基于已有的气候指数和自然植被区划的年度气候指数，从国家层次和年尺度分析，选出10个具有相同生物学意义的潜在气候因子，以确定影响中国玉米种植分布的主要气候因素，包括年平均气温、0℃累积温度、10℃累积温度、10℃累积温度连续天数、无霜期、最冷月平均气温、最暖月平均气温、年、月平均气温、年降水量和湿度指数（表1）。

无霜期和10℃累积温度连续天数表示连续时段的热源。年平均气温、最冷月平均气温、最暖月平均气温、月平均气温年平均值表示热强度。热积累的程度由0℃累积温度和10℃累积温度反映。年降水和湿度指数用于评估干燥或潮湿条件的程度。水分指数越高，气候越湿。

1.3最大熵模型

近年来, 已有多种模型被用于物种潜在分布研究，包括生态模型（BIOCLIM，BLOMAPPER，DIVA和DOMAIN）、动态模拟模型（CLIMEX）、广义加法模型（GAM）、广义线性模型（GLM）、规则预测遗传算法（GARP）和最大熵等。其中最大熵模型具有最佳的预测能力和精度。首先，确定特定空间，即特定植物物种的已知分布域。接着，确定限制条件（环境因素）及其组合。最后，确定潜在分布与环境因素的关系。

2结果与分析

2.1最大熵模型的适用性

为了验证最大熵模型对中国玉米种植区预测的适用性，选择总数据的75%作为训练数据子集来训练模型，获取模型参数，构建适用于我国玉米种植区分布的最大熵模型。然后，使用总数据集的25％来评估构建的最大熵模型的适用性。 该模型需要两个数据集，一是所选植物物种的地理分布数据集，即从366个农业气象观测站获得的中国玉米种植地点的地理分布信息，二是国家环境数据集，即参考了影响玉米种植分布的从全国层次及年尺度筛选出10个气候因子（表1）。

受试者工作特征（ROC）曲线通常用于评估模型的仿真精度。 低于ROC曲线的区域，即曲线下面积（AUC）表示模型的预测精度。AUC的值范围为0.5和1，表明以下程度的预测精度：0.50－0.60（失败），0.60－0.70（差），0.70－0.80（一般），0.80－0.90（好）和0.90－1.0 （优秀）。当AUC值大于0.75时，构建模型适用。 AUC值越高，构建模型的预测越准确。基于影响玉米种植区分布的潜在气候因素，建立模型的AUC为0.818。该值表明，该模型具有“良好”预测精度，适用于预测中国玉米种植地理分布。

2.2影响中国玉米种植地理分布的主要气候因子分析

10个潜在的气候因素来自已有研究结果，然而，他们对玉米种植地理分布的贡献尚未得到评估。为了构建最大AUC的最大熵模型，在中国全国层次和年尺度评估了潜在气候因素对玉米种植地理分布的贡献，确定了主要气候因素对分布的定量贡献。图2显示了基于构建的最大熵模型、Jackknife模块的潜在气候因素与玉米种植地理分布的贡献率。 对分布的定量贡献，气候因素按照以下顺序排列：无霜期gt;年平均气温0℃累积温度10℃累积温度连续天10℃累积温度gt;年降水量最暖月平均气温湿度指数最冷月平均气温月均温度范围。根据其对中国玉米种植地理分布的贡献率，确定了8个主要气候因素。该比值是基于构建的最大熵模型从Jackknife模块计算的。八大气候因素为无霜期、年平均气温、0℃累积温度、10℃累积温度连续天数、10℃积温、年降水量、最暖月平均气温、湿度指数。 这八大气候因素的贡献大约是91.5%。

表格 1 影响我国玉米种植区分布的潜在气候因子

图 2 基于 Jackknife 的潜在气候因子对我国玉米种植区分布的贡献

2.3中国玉米种植适宜性气候区划分

根据最大熵模型的存在概率（p），对中国玉米种植适宜性进行了气候分类。最大熵模型由8个主要气候因素构成，最大熵模型的存在概率范围从0到1，基于统计原理，当存在概率小于0.05时，发生低概率事件。因此，存在概率小于0.05的区域不适合玉米种植。 连同气专委第四次评估报告的概率描述，气候适宜性分类的存在概率（p）的标准值为p lt;0.05为不适宜区，0.05le;plt;0.33为次适宜区，0.33plt;0.66为适宜区，p0.66为最适宜区。

图 3 我国玉米种植区分布的气候适宜性划分

图3显示了中国玉米种植区气候适宜性划分。其中玉米种植的气候最适宜分布区面积占我国陆地总面积的4%, 适宜区占25%, 次适宜区占40%, 不适宜区占31%. 三十一个省份对玉米种植表现出强烈的适应性。三十一个省份对玉米种植的适应性很强。然而，气候对玉米种植区的影响导致了东北—西南的狭窄带状分布（图3）。主要玉米生产地区分布在黑龙江、吉林、辽宁、河北、河南、山西、山东、陕西、湖北、四川、云南等省，不同的省份气候不同（表2）。处在玉米种植气候最适宜区的吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、河南等地区主要属于中温带和寒温带半干旱、半湿润气候， 热量条件适宜， 且没有高温危害，自然降水基本满足玉米生长需求。合适的地区包括黑龙江省、内蒙古自治区（简称内蒙古自治区）、青藏高原南部、山东、江苏、河南、安徽、湖北、四川、云南、重庆，这些地区属于暖温带湿地气候，具有适宜的温度和灌溉设施，对保证玉米生产具有重要作用。玉米种植气候次适宜区包括新疆维吾尔自治区（简称新疆）、内蒙古、甘肃省大部分地区、浙江、江西、贵州、湖南、广东、福建、海南、台湾省、广西壮族自治区（简称广西）。没有灌溉的玉米无法种植，新疆、内蒙古以及甘肃省大部分地区，阳光充足，昼夜温差大，但降水少，不太适宜玉米生长。另一较不适宜的地区降雨过大，气温极高。这里主要生产作物是水稻，其次是玉米。不合适的地区包括青海省、大部分西藏（西藏）自治区（简称西藏）、新疆北部和南部、黑龙江省北部、内蒙古北部、四川省西北部，这些地区气候寒冷，干燥，不宜种植玉米。本研究中提出的我国玉米种植区的最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区范围几乎符合已有的中国玉米气候分区的结果。但最适宜区的主体南移，包括了河南和山东两省的

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