《Journal of Cleaner Production》：Climate change reshapes rice geographical indications in China: Opportunities and challenges of rural revitalization
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地理标志（GI）农产品在乡村振兴中的作用及气候变化适应性研究。基于优化MaxEnt模型，分析影响中国水稻GI种植的主要环境因子（海拔、有效积温、降水、土壤有机质），模拟当前及未来气候情景下的适宜种植区变化。结果显示，单季稻适宜区面积占比从62.47%增至65.02%，但高适宜区占比下降；双季稻高适宜区增至50.29%。需调整播种期、品种创新及科学施肥应对气候变化风险，促进低碳农业与乡村振兴协同发展。
在当前全球气候变化和市场需求不断演变的背景下，地理标志（GI）农产品在推动农村振兴中扮演着至关重要的角色。地理标志农产品是指特定地理区域内的产品，这些产品由于独特的自然条件和人文因素，如气候、土壤成分和生产过程，而具有独特的品质和声誉。GI农产品不仅作为知识产权的一种形式，还是一种质量保障机制，有助于提升市场认知度和产品竞争力。
水稻作为全球最重要的粮食作物之一，为超过一半的人口提供日常所需的热量。中国是全球最大的水稻生产国和消费国，其水稻种植面积位居世界前列。随着经济的发展和生活水平的提高，消费者对水稻的需求已经从单纯追求产量转变为对高品质和生态可持续性的关注。在这种背景下，GI水稻产品因其独特的品质和地域特征，能够很好地满足消费者日益增长的高品质需求。与传统的作物分布研究相比，GI作物的分布更依赖于特定的气候条件、独特的土壤类型以及代代相传的传统生产方式。传统的水稻可以在多种地区种植，其品质因地区气候和土壤的不同而存在显著差异。相比之下，GI水稻如武昌稻和盘锦稻必须在特定区域种植，这些区域的自然条件与人文因素共同作用，形成了其卓越的品质和地域特征。
在近年来，由于碳排放增加和全球变暖，水热资源发生了显著变化。传统水稻适宜种植区面临种植条件变化带来的挑战，而极端气候事件的增加严重影响了水稻的正常生长、发育和产量。在各种温室气体排放情景下，气温预计将持续上升，气候系统的不稳定性也将增强。这种变化对高品质水稻生产提出了重大挑战。GI水稻往往依赖特定的气候和土壤条件来维持其独特的品质。因此，研究和预测种植季节期间环境因素对GI水稻分布的影响，以及在当前和未来气候变化情景下适宜种植区的变化，对于确保这些特定品种的粮食生产模式稳定至关重要。这不仅有助于维持GI水稻的品质和特征，还对实现国家粮食安全目标具有重要意义。
物种分布模型，尤其是最大熵（MaxEnt）模型，已成为预测各种作物，包括GI水稻潜在种植区的强大工具。MaxEnt模型基于发生数据和环境变量，利用最大熵原理来预测作物的潜在种植区，具有高度的客观性、准确性和地理一致性。该模型在多个评估指标中表现出色，成为广泛应用和认可的模型之一。尽管已有部分研究开始关注气候变化对作物潜在分布的影响，但关于绿色和有机GI农产品的研究仍然较为有限。此外，大多数现有研究主要集中在简单的生物气候变量，如温度和降水，而忽略了诸如太阳辐射、日照时数和土壤矿物含量等关键气象因素对GI产品分布的影响。特别是在水稻分布研究中，调查时间与气候时期的不匹配往往导致研究结果的准确性下降。本研究通过全面整合与GI水稻相关的气候、土壤和地形变量，确保对潜在适宜种植区的更精确评估。通过将采样数据与相应的气候时期对齐，我们提高了模型的准确性，并解决了时间不一致的问题。此外，我们还将气候变化对GI水稻适宜性的影响与农村振兴战略联系起来，为政策制定者提供了可行的见解，以维持GI产品的正宗性和经济利益。这些创新提高了预测的准确性，并突显了气候变化对GI水稻的经济社会影响。
目前，GI农产品在中国乃至全球范围内受到越来越多的关注。这些标志不仅为消费者提供了正宗的高品质产品，还有助于保护产品原产地的技能、传统和文化，特别是在农村地区，从而为农村振兴做出贡献。鉴于水稻在全球粮食安全中的关键作用，以及其对气候变化的高度敏感性，本研究特别关注GI水稻。通过使用ERA5和第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的数据，我们模拟了在当前和四种未来气候变化情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5）下GI水稻的分布情况。本研究的目标包括：（1）通过MaxEnt模型全面分析气候、土壤和地形对GI水稻分布的影响；（2）预测在不同气候变化情景下GI水稻的潜在适宜种植区；（3）研究GI水稻分布对农村振兴的影响，并为未来气候变化条件下的GI水稻合理分布提供科学依据。通过整合这些全面的环境因素并采用先进的建模技术，本研究旨在为中国GI水稻生产和农村振兴努力提供有价值的见解。
在本研究中，我们收集了2008年至2024年间在中国注册的154个水稻地理标志（GI）数据，这些数据来自中国国家农业地理标志查询系统（
http://www.anluyun.com/，2024年3月访问）。该数据集涵盖了自2008年建立农业地理标志系统以来所有注册为地理标志的水稻类谷物产品。每个注册的水稻GI都有一个独特的产品标识。通过这些数据，我们能够更全面地了解GI水稻的分布特征，并为模型的构建提供坚实的基础。
MaxEnt模型在多个评估指标中表现出色，能够有效预测单季和双季水稻GI的潜在适宜种植区。该模型在单季水稻GI上的AUC值达到0.904，在双季水稻GI上的AUC值达到0.932，均属于“优秀”表现等级（补充表1）。除了这些结果，TSS值进一步验证了模型的可靠性，单季水稻GI的TSS值为0.651，双季水稻GI的TSS值为0.636，均显示出较高的模型性能。这些评估结果表明，MaxEnt模型在预测GI水稻分布方面具有良好的适用性和准确性，能够为后续研究提供可靠的工具。
在影响水稻GI分布的关键环境变量中，海拔（图12k）对水稻GI的种植施加了严格的限制，适宜种植区通常需要平坦的地形（Cai et al., 2023; Chuma et al., 2020）。在这一条件下，坡度和坡向对水稻GI的生长影响较小。在气象因素方面，水分和热量共同制约了单季和双季水稻GI的分布（Nakamura et al., 2017; Sun et al., 2013）。对于单季水稻GI，主要的气候因素包括有效累积温度、降水、土壤有机质含量等。这些因素在水稻GI的分布中起着决定性作用，直接影响其生长条件和最终品质。通过综合分析这些关键环境变量，我们能够更准确地识别水稻GI的潜在适宜种植区，并为未来的种植适应策略提供科学依据。
本研究还揭示了当前和未来气候变化情景下水稻GI适宜种植区的潜在变化趋势。目前，单季水稻GI的适宜种植区主要集中在三江平原和长江流域，分别占适宜种植区的52.10%和54.85%。到21世纪末，单季水稻GI的适宜种植区预计会向东北方向扩展，适宜种植区的比例从62.47%增加到65.02%，在SSP1-2.6到SSP5-8.5的不同情景下均有不同程度的提升。然而，高适宜种植区的比例预计将显著下降，从25.92%减少到13.13%。相比之下，双季水稻GI的潜在适宜种植区变化相对较小，但高适宜种植区的比例显著上升，达到50.29%（在SSP3-7.0情景下）。总体来看，双季水稻GI的分布空间模式较为稳定，显示出较强的适应能力。然而，低和中等适宜种植区的比例波动可能对三江平原和华北平原的水稻种植构成潜在风险。
因此，未来应对气候变化对水稻种植适应的影响，应采取一系列适应性策略。这些策略包括播种时间的调整、品种创新以及合理的肥料使用。这些适应性措施不仅有助于推动中国低碳农业的发展，还对农村振兴战略的实施具有重要意义。通过这些措施，可以确保GI水稻的高品质特性，同时提升其市场竞争力和经济价值。此外，这些策略还能促进农业可持续发展与社会经济发展的协调进步，为实现国家粮食安全和双碳目标提供支持。
在数据获取方面，本研究使用了中国国家农业地理标志查询系统提供的水稻GI样本点。同时，我们利用R包“BioVars”计算了19个当前和未来生物气候变量，如有效累积温度、降水、太阳辐射、日照时数等。这些变量为模型的构建和优化提供了全面的数据支持。通过优化MaxEnt模型的正则化乘数（RM）和特征组合（FC），我们进一步提高了模型的预测能力。这些优化措施确保了模型在不同气候变化情景下的适用性，并提高了预测结果的准确性。
本研究的成果不仅有助于理解气候变化对水稻GI分布的影响，还为制定应对气候变化的农业适应策略提供了科学依据。通过识别关键环境变量和优化模型参数，我们能够更准确地预测未来适宜种植区的变化趋势。这些预测结果对于指导水稻GI的种植实践、保障其品质和特性具有重要意义。同时，这些成果也为政策制定者提供了重要的参考，帮助他们在气候变化背景下制定合理的农业和农村发展政策。
此外，本研究还强调了GI农产品在推动农村经济发展和保护传统文化中的重要作用。通过提高GI产品的市场价值和品牌影响力，GI农产品能够促进区域特色经济的发展，增强农村的经济竞争力。这种机制不仅有助于提升农民的收入，还为农村的可持续发展提供了新的动力。GI农产品的分布和生产需要考虑到气候、土壤和地形等多方面的因素，因此，建立科学的预测模型和合理的适应策略至关重要。
在应对气候变化带来的挑战时，需要综合考虑多种因素，包括气候条件的变化、土壤性质的演变以及地形的适应性。这些因素共同作用，决定了水稻GI的分布格局和生产潜力。因此，未来的研究应更加关注气候变化对GI农产品分布的影响，并探索有效的适应性措施。这些措施不仅有助于维持GI产品的高品质特性，还能促进农业的可持续发展和农村的振兴。
本研究的结论表明，地理标志农产品在农村振兴中具有不可替代的作用。通过系统的分析和预测，我们能够更好地理解水稻GI的分布特征，并为未来的种植适应提供科学支持。这些研究成果不仅有助于推动中国低碳农业的发展，还为实现农业可持续发展和农村振兴战略提供了理论依据和实践指导。未来，应进一步加强GI农产品的研究，探索其在气候变化背景下的适应潜力，并制定相应的政策和措施，以确保GI产品的稳定供应和经济价值的持续提升。
