21世纪以来,全球气候变化已经成为人们关注的重要问题。全球气候变化能够带来作物种植布局改变、作物产量锐减、气象灾害频发等严重后果^[1]。赵俊芳等^[1]研究表明,气候变化已导致不同熟性玉米品种种植界线明显北移东扩,早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代,中、晚熟品种可种植面积不断扩大;贾超杰^[2]指出,全球气候变暖、降水量减少、干旱现象时有发生,导致原来气候不适宜的玉米种植区（如内蒙古地区）和气候最适宜的河南、山东等玉米种植区转变为适宜区和次适宜区;刘志娟等^[3]研究表明未来气候变化下我国重要的农作物生产区东北三省,将成为我国粮食单产波动最大的区域;气候变化还会使不同熟期春玉米种植界限北扩东移,且中晚熟品种种植面积扩大趋势最明显^[4]。联合国政府间气候变化专门委员会（Inter-Governmental Panel on Climate Change,IPCC）第5次评估报告指出,近130年来,全球平均地表温度升高了0.85℃^[5]。近52年来,冀西北地区平均气温与≥10℃积温显著增加,降水量和日照时数减少^[6]。2007年平均气温最高,达到了8.91℃,年内各月的平均气温明显上升,2月份的气温上升最为显著。降水量呈下降趋势且作物的关键生长时间段（7-8月）下降最为明显,无法满足青贮玉米对水分的需求,对作物产量造成消极影响;日照时数也在逐年下降,2000-2010年日照时数明显减少^[7]。

近些年,动态模拟模型、广义相加模型、广义线性模型、基于检验假设的分布预测模型以及最大熵模型等已被广泛应用到物种潜在分布的领域^{[8,9,10,11,12]}。最大熵模型是在符合条件的分布当中挑选最大的分布,首先确定物种的已知分布范围后寻找限制分布的条件,然后构建限制集合,最终使限制集合与物种相联系^[12]。ArcGIS 9.3技术的最大熵模型已被广泛应用到研究物种领域分布中,何奇瑾^[13]利用最大熵模型预测春玉米的潜在分布区域;陈禹衡等^[14]利用最大熵模型对针叶树种的适宜分布区进行预测;周扬等^[15]利用最大熵模型对水杨柳的潜在生境分布区进行预测。

随着“粮改饲”等一系列政策的实施以及我国人民消费水平的上升,青贮玉米作为冀西北地区主要的青贮原料,受到越来越多的关注。冀西北地区属于农牧交错区,该区域具有较好的种植青贮玉米的条件和基础。为确保气候变化背景下冀西北地区青贮玉米的稳产高产,迫切需要了解该区青贮玉米的潜在种植区域以及气候变化对其种植区域的影响,制定策略以应对未来气候变化。本研究拟结合冀西北地区近几年及未来30、50年的气候情景数据,利用ArcGIS 9.3技术的最大熵模型在现有种植制度下对冀西北地区青贮玉米潜在种植分布的气候适宜性进行研究,为评价未来气候变化对冀西北地区青贮玉米种植布局提供依据。

冀西北位于河北省西北部,下辖区县16个,由沽源、蔚县等10个县与宣化、崇礼等6个区组成。该地区海拔500~1 500m,位于东经113°50′~116°30′,北纬39°30′~42°10′,属于温带大陆性季风气候,日平均气温≥10℃积温1 300℃~3 650℃,无霜期为80~150d,全年降水量约400mm,年平均温度7.3℃^[16]。各县区降水分布不均匀,经常出现区域性干旱,热能资源较匮乏,各地无霜期差异大,尤其沽源、张北、尚义等坝上地区无霜期最短。

1986-2005年作为现阶段本底数据（简称“Bs”）,此历史气象观测数据来自张家口市16个基本、基准地面气象站点（国家气象信息中心提供）。1986-2005年、2021-2040年（针对每20年的总体情况进行预测,用每20年的中值来表示,2021-2040年简称“2030s”、2041-2060年简称“2050s”）的气候情景数据由区域气候模拟系统PRECIS嵌套全球气候模式HadGEM2-ES对RCP4.5情景^[17]下的模拟结果进行高分辨率动力降尺度产生,并利用CN05.1格点化历史观测数据^[18]对气候情景数据进行订正,获得水平分辨率为0.5°×0.5°的逐日气象要素,基于逐日平均气温、最高气温、降水量等要素,分析影响玉米种植的关键气候因子,根据多年的资料所述^[19,20],影响我国玉米潜在种植分布的主要气候因子有年平均温度、≥10℃积温、降水量等,并利用ANUSPLIN专业气象插值软件,结合DEM数据,对冀西北各气候因子以500m左右的水平分辨率进行插值,获得每个行政区域内的平均值,在此基础上对目前及未来青贮玉米种植区分布进行分析。

利用最大熵模型,结合选定的影响青贮玉米种植分布的主导气候因子,预测冀西北地区青贮玉米潜在种植分布的气候适宜性。最大熵模型的准确性用AUC值（ROC曲线下的面积）来评判,取值范围为0~1,AUC值越大代表越适合作物的生存。气候适宜性等级的划分,目前尚没有统一的方法,在此主要从两方面考虑,首先考察作物是否可在某一区域种植,其次根据统计学原理,当作物在某一格点的存在概率AUC<0.05时,为不适宜区;当AUC≥0.05时,为可种植区^[21]。

“可能性”指某些完备定义下的结果已发生或未来将要发生的概率评估。根据《IPCC第四次评估报告主要作者关于处理不确定性的指南说明》,IPCC制定了一套描述当前认知的不确定性的术语,其中对于“可能性”的表述为几乎确定（大于99%）,很可能（90%~99%）,可能（66%~90%）,一半可能（33%~66%）,不可能（10%~33%）,很不可能（1%~10%）,太不可能（小于1%）^[22]。

参考以上表述,对照冀西北地区将玉米的可种植区划分为4个等级（p代表可能性）:p<0.05为潜在或不适宜区;0.05≤p<0.33为次适宜区;0.33≤p<0.66为适宜区;p≥0.66为最适宜区。

由表1可知,从Bs到2050s冀西北各区县≥10℃积温和年平均温度都在持续升高,但年平均温度升高幅度不大。降水量也呈现出先上升后下降的趋势。

利用ArcGIS 9.3技术分析Bs冀西北地区青贮玉米种植区气候适宜性等级（1986-2005年）。由图1可见,冀西北绝大部分区域都适合种植青贮玉米,由东南部到北部逐步呈现为“不适宜区-次适宜区-适宜区-最适宜区”的分布格局。最适宜种植区主要分布在冀西北北部区域,包括康保南部、沽源南部、张北东部、崇礼北部、赤城西北部,怀安、阳原和蔚县也有部分分布。适宜区主要分布在冀西北地区中部和南部的绝大部分区域,包括尚义、万全、张家口、宣化、张北西南部、崇礼南部、赤城南部、怀安东部、阳原东部、蔚县东部和涿鹿西部等地,该区域范围分布较广。次适宜区与不适宜区主要分布在康保和沽源北部,以及涿鹿东部和怀来大部分区域。

由图2可知,2030s冀西北地区适合种植青贮玉米的面积明显下降,不适宜区大面积向西扩增,次适宜区向北移动至冀西北地区中部,适宜区移动到次适宜区北部,最适宜区向北移动,从南到北逐步呈现为“不适宜区-次适宜区-适宜区-最适宜区”的分布格局。与Bs相比,最适宜区约占冀西北地区总面积的22%,分布在坝上3县（张北北部、康保与沽源南部）。适宜区约占冀西北地区总面积的27%,主要分布在赤城、崇礼、尚义、张北等地区。不适宜种植青贮玉米的区域约占冀西北地区总面积的38%,其中南部坝下地区（怀安、宣化、张家口、怀来、涿鹿、阳原及蔚县中西部）整体不适宜种植青贮玉米。次适宜区约占冀西北地区总面积的13%,集中分布在冀西北地区中部的赤城、万全等地区。以市辖区为分界线,冀西北地区南部各区县的适应性等级均呈下降趋势,2030s气候对冀西北地区南部各区县对青贮玉米种植具有消极影响。

2050s冀西北地区不适宜种植青贮玉米的面积进一步扩大,都分布在冀西北南部,总面积超过50%。次适宜区面积比2030s增加,主要分布在尚义、崇礼、赤城、张北西部及南部,适宜区与最适宜区的面积减少（图3）。不适宜区逐步扩增,最适宜区再次出现,从南到北逐步呈现为不适宜区-次适宜区-最适宜区-适宜区的分布格局。康保适应性等级不变;沽源、张北由适宜区变为最适宜区,适应性等级提高;其余区县的适应性等级均呈下降趋势。2050s的气候变化对沽源、张北青贮玉米种植具有积极影响,对其他区县（康保除外）具有消极影响。

如图4所示,从Bs到2050s,青贮玉米最适宜区面积与适宜区面积持续下降,次适宜区和不适宜区的面积持续上升。Bs青贮玉米最适宜区种植面积为9 566.66km²,适宜区种植面积为19 611.24km²,次适宜区种植面积为3 277.76km²,不适宜区种植面积为1 518.29km²;2030s种植青贮玉米最适宜区面积为7 491.25km²,适宜区面积为9 301.21km²,不适宜区面积12 756.19km²,次适宜区面积为4 431.76km²;2050s种植青贮玉米不适宜区面积为17 408.12km²,次适宜区面积为 8 124.11km²,适宜区面积为6 260.25km²,最适宜区面积为2 183.19km²。Bs最适宜区和适宜区面积最大,分别为9 566.66和19 611.24km²,2050s次适宜区和不适宜区面积最大,分别为8 124.11和17 408.12km²。

气候变化影响作物的种植分布^[3,4]。本研究对冀西北地区Bs青贮玉米种植情况进行分析,对2030s和2050s青贮玉米潜在种植分布进行了预测。在目前气候条件下,适宜种植青贮玉米的区域主要分布在冀西北北部区域,包括坝上3县、崇礼、赤城、怀安、阳原、蔚县和涿鹿部分区域。主要由于这些地区具有日照长、昼夜温差较大且温度较低等优势,可满足青贮玉米的生长需求,抑制病虫害的发生,有利于促进干物质积累,适合青贮玉米生长^[6,16],但这些地区无霜期较短、水资源短缺,并不是所有类型青贮玉米都适合,适合种植曲辰9号、德美亚1号、德美亚2号、中原单2号等生育期短、耐旱、耐瘠薄的品种。次适宜区与不适宜区主要分布在康保和沽源北部以及涿鹿东部和怀来大部分区域。康保和沽源北部不适宜种植青贮玉米,主要是由于海拔高,气温寒冷,无霜期短,≥10℃积温不足,不能满足青贮玉米正常生长;涿鹿东部和怀来不适宜种植青贮玉米,该区域地处丘陵山区和官厅水库流域,土壤结构和水分是影响该区域种植青贮玉米的主要限制因子,建议以上地区适当调减青贮玉米的种植面积,种植适合当地气候的作物。

在未来气候情景变化下,冀西北地区青贮玉米潜在种植分布受到影响。2030s和2050s,该地区青贮玉米种植区从北部到南部的分布格局由“最适宜区-适宜区-次适宜区-不适宜区”变为“适宜区-最适宜区-次适宜区-不适宜区”。由于冀西北地区≥10℃积温以及年平均温度的持续上升,导致适宜区种植面积随着时间的推移呈现出显著减小的趋势,不适宜种植的区域呈现出从南向北扩展的趋势。因此,建议该地区结合青贮玉米生物特性及农业气候资源特点,合理调整次适宜区、不适宜区农业生产结构来应对未来气候变化,保证农业资源的充分利用。在调整青贮玉米种植布局时,应充分考虑各方面因素,将青贮玉米的生物学特性与当地环境气候条件相结合,从而推动农业以及环境资源的可持续发展。

目前,冀西北地区青贮玉米种植区从北到东南总体呈现“最适宜区-适宜区-次适宜区-不适宜区”的分布格局。其中最适宜区面积占28.16%,建议种植中早熟品种;适宜区面积占57.72%,适宜种植中晚熟品种;次适宜区面积占9.65%,不适宜区面积占4.46%,建议对次适宜区和不适宜区的种植模式进行调整并减少种植面积。在2050s,≥10℃积温与年平均温度持续上升,降水量下降,青贮玉米适宜区逐渐减少,不适宜区大幅扩增,约占冀西北地区的51.27%,万全、怀安、宣化、张家口、怀来、涿鹿、阳原、蔚县、赤城南部及尚义南部均为不适宜种植青贮玉米的区域,建议种植适合当地气候的作物,以促进当地农业发展。