基于積溫產量模型確定山東夏玉米拔節前后的極端高溫閾值*

張 琪，唐 婕，馮一淳，張藝璇，蔡成良

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基于積溫產量模型確定山東夏玉米拔節前后的極端高溫閾值*

張 琪1,2，唐 婕1，馮一淳1，張藝璇1，蔡成良1

（1．南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210024；2．江蘇省農業氣象重點實驗室，南京 210024）

參考已有的積溫-產量模型方法，利用山東省10個氣象站點1983-2012年逐日最高氣溫、最低氣溫數據模擬其間逐小時溫度，分拔節前和拔節后兩個時段確定山東省夏玉米的極端高溫閾值，并對研究區極端高溫事件的時空分布特征進行分析。結果表明：夏玉米生育期溫度主要分布在17～35℃區間，拔節后不同溫度持續時長較大；有效積溫轉化為實際產量的比例系數有隨時間增大的趨勢；山東省夏玉米拔節前、后兩個階段極端高溫閾值分別為35.2℃和34.5℃；基于此閾值統計的極端高溫發生日數由西部平原地區向東部沿海半島地區減少，拔節后較拔節前頻發，研究期內極端高溫發生日數有隨時間增多的趨勢。

極端高溫閾值；積溫產量模型；夏玉米；拔節

在以變暖為主要特征的全球氣候變化背景下，各類極端天氣事件尤以極端高溫，呈現增多增強的趨勢，這種趨勢在未來一段時間很可能繼續延續[1-3]。而極端高溫除直接影響農作物生長發育外，持續高溫還會誘發或加劇干旱進而影響農業生產。近年來，持續高溫造成的農業損失越來越突出，如2016年華北、西北7-8月連續≥35℃的高溫對玉米開花灌漿造成不利影響，降低了結實率，導致減產[4]。相對于其它農業氣象災害，極端高溫是一個重要但較少被關注的領域[5]，其相關研究亟待加強。

閾值確定是研究極端高溫影響的前提和關鍵，以往研究多采用百分位法確定極端事件閾值[6-8]，該方法從數據本身結構出發并未考慮承載體的特征，然而不同的承載體對災害敏感程度不同，高溫閾值也有差異。目前極端高溫對農業影響的研究中，多參考大田試驗或以往經驗確定閾值[9-11]，通常認為在營養生長階段一般36℃以上會對玉米產量帶來影響，生殖生長階段日最高溫度超過32～35℃玉米生長會受到影響；尹小剛等[12]參考Lobell等[13]研究美國玉米生產時確定了30℃作為閾值，研究東北地區春玉米各生育階段極端高溫發生的時間變化特征。但由于不同地區玉米品種、氣候以及下墊面情況的不同，借鑒其它地區的閾值進行研究將給結果帶來一定偏差。

針對以往極端高溫災害研究報道較少且閾值確定忽略承載體特征等問題，本研究以夏玉米主產區同時也是高溫災害頻發區的山東省為例，擬通過積溫產量模型的方法確定該地區夏玉米不同生育階段極端高溫災害的閾值，并分析極端高溫災害的時空變化特征，以期為極端事件閾值確定開拓新思路，促進氣候變化背景下極端事件對農業影響的研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以華北平原的山東省為研究區，該區為主要夏玉米產區（圖1），暖溫帶大陸性氣候，降水主要集中在6-9月，雨熱同期，利于夏玉米的生長。但降水分布不均勻、高溫頻發導致夏玉米產量波動較大。本研究以拔節為界將玉米整個生育期分為兩個階段：拔節前，玉米主要進行營養生長；拔節后，開始有生殖生長活動。山東地區夏玉米拔節主要發生在7月下旬，生育期平均長度98d左右，拔節前持續38d，拔節后60d左右。全球變暖影響下，研究區夏玉米播種日期有推遲的趨勢，導致拔節前的天數有減少趨勢。

圖1 研究區及站點分布

1.2 資料來源

研究區10個農業氣象站點1983-2012年逐年玉米發育期觀測資料，主要包括播種、拔節、成熟日期，來源于國家氣象信息中心；1983-2012年逐日最高氣溫、最低氣溫數據為10個農業氣象站對應的氣象臺站觀測數據，以該數據為基礎模擬其間逐小時溫度。

1.3 積溫產量模型

研究氣溫對作物產量的影響時，一般認為溫度對產量的影響是一個非線性的逐漸累積的過程，產量與整個生育階段有效積溫成比例關系。基于這一思路并參考Schlenker等研究氣溫對美國玉米產量影響時建立的回歸方程，用非線性函數表示實際產量與生育期溫度之間的關系[14]，即在站點i第t年的夏玉米實際產量yit為

Hawks等[15]將8℃和32℃作為玉米有效積溫的上下限，由式（2）計算。例如10℃，其貢獻了2℃·h的有效積溫，若生育期內10℃持續時長為3h，則該溫度在生育期內貢獻了6℃的有效積溫。

由一日內最高氣溫和最低氣溫構建正弦曲線，模擬氣溫日變化以獲取逐小時氣溫[16]，即

2 結果與分析

2.2 比例系數k的統計分析

k為積溫產量模型中有效積溫轉化為實際產量的比例系數，通過式（1）得到歷年各站點拔節前和拔節后兩個時段有效積溫轉化為產量的比例系數k，并計算歷年山東省10個站點的平均值，結果見圖3。由圖中可以看出，夏玉米全生育期、拔節前和拔節后的k值均隨著時間呈增大趨勢，上升趨勢達到P＜0.01的極顯著水平。整體上，1993年之前k值變化不明顯，之后有較為明顯的升高趨勢，即同樣的有效積溫轉化成的實際產量增多，說明這期間農業投入的增加等使夏玉米對溫度的利用效率提高。

圖2 1983-2012年山東省夏玉米拔節前（a）、后（b）不同溫度持續時長

注：每個溫度對應的矩形盒內部橫線代表所有站點研究期內該溫度持續時長的中位數，矩形盒的頂線和底線分別代表上、下四分位，上部標記短線為最大值，下部標記短線為最小值

Note: In the box-plot of each temperature, the horizontal line inside the box shows the median duration exposure to this temperature among all stations and years, the top and bottom of the box show the upper quartile and lower quartile. The upper short lines are the maximum values, and the bottom short lines are the minimum values

圖3 1983-2012年山東省夏玉米產量與有效積溫比例系數（k）的年際變化

2.3 極端高溫閾值的確定

分夏玉米拔節前和拔節后兩個時段確定。圖4中灰色曲線為所有站點各年份利用式（1）的積分函數得到的曲線，黑色點線為所有曲線的平均。曲線與橫軸圍成的面積為當年的實際產量，縱坐標為各溫度貢獻的產量，生育期內所有溫度貢獻的產量和即為當年的實際產量。由圖可以看出，溫度貢獻的產量隨著溫度的升高而升高，達到產量峰值后，隨著溫度的繼續升高其帶來的產量貢獻逐漸下降。拔節前、拔節后和全生育期分別在35.2℃、34.5℃、35.3℃時溫度帶來的產量貢獻為0。此后隨著溫度的繼續升高，溫度帶來的產量貢獻為負值，可以認為氣溫對作物生長和產量形成產生負效應。因此，將該產量貢獻值為0時所對應的溫度作為玉米各發育階段極端高溫的閾值。采用該方法識別出拔節后的極端高溫事件的閾值較拔節前要低，說明夏玉米拔節后對高溫更為敏感。

圖4 玉米不同發育階段溫度-產量積分函數圖像

2.4 極端高溫日數的分布

將研究期（1983-2012年）分成1983-1992、1993-2002和2003-2012年3個時期，分夏玉米拔節前和拔節后兩個時段統計山東省極端高溫發生日數的空間分布，結果見圖5。由圖中可見，在各個時期、各生長階段極端高溫的空間分布均呈現出沿海半島地區年均極端高溫日數較少，向西部平原地區逐漸增多，菏澤、濟陽、濟寧為極端高溫高發地區，膠州、萊陽發生較少。在時期2和時期3，全省夏玉米拔節后極端高溫發生日數普遍高于拔節前；在時期1，東部地區拔節后極端高溫日數也較拔節前多。不同時期之間比較可以發現，時期3的極端高溫日數較多的站點面積最大，時期1面積最小，多數站點極端高溫日數有隨時間增加的趨勢。

圖5 不同時期山東省夏玉米不同發育階段年均極端高溫日數的分布

3 結論與討論

（1）基于積溫產量模型方法確定了山東省夏玉米拔節前、后兩個階段的極端高溫閾值分別為35.2℃和34.5℃，拔節后極端高溫閾值較低，可見該階段對高溫更為敏感，容易造成損失。與從玉米生理特征角度看，拔節后的開花灌漿期對高溫最為敏感的研究結論相一致[17]。Schlenker等[14]基于積溫產量模型方法研究時，將貢獻的產量開始下降時的溫度定義為極端高溫閾值（溫度-產量積分函數曲線的頂點），但超過該值的溫度貢獻的產量仍為正數，即溫度對產量形成仍是有益的。而本研究將貢獻的產量開始為零時的溫度定義為極端高溫閾值，則更為合理。

（2）山東省夏玉米生長季極端高溫日數呈現出西部內陸地區較高，自西向東逐漸降低的趨勢；研究期內，極端高溫日數隨時間呈增多的趨勢；夏玉米拔節后極端高溫發生較拔節前更為頻繁。說明山東省中西部內陸地區面臨更嚴重高溫災害威脅，且在氣候變暖背景下有加重的趨勢，拔節后更為嚴重。同時，拔節后也是玉米受極端高溫影響的敏感時期，極端高溫給玉米生產帶來更嚴重的威脅。

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Determination of Extreme High Temperature Thresholds before and after SummerCorn Jointing Stage in Shandong Based on Accumulated Temperature-Yield Model

ZHANG Qi1, 2, TANG Jie1, FENG Yi-chun1, ZHANG Yi-xuan1, CAI Cheng-liang1

(1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210024, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing 210024)

By using accumulated temperature-yield model, the hourly temperature was simulated based on daily temperature from 10 meteorological stations in Shandong province from 1983 to 2012. Then the extreme high temperature thresholds both before and after summer corn jointing stage were determined, and the spatial and temporal distribution of extreme high temperature events was analyzed. The results showed that temperature were in 17-35℃ during summer corn growing season, and the duration of each temperature after jointing was larger than that of before jointing. The proportional coefficient of effective accumulated temperature converting into actual yield increased during 1983-2012. The threshold of extreme high temperature before and after summer corn jointing stage was 35.2℃ and 34.5℃ respectively. The regional extreme high temperature days decreased from western to eastern in Shandong province, which was higher after jointing stage than that of before jointing stage. The extreme high temperature days increased gradually during the research period.

Extreme high temperature threshold; Accumulated temperature-yield model; Summer corn; Jointing stage

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.006

張琪,唐婕,馮一淳,等.基于積溫產量模型確定山東夏玉米拔節前后的極端高溫閾值[J].中國農業氣象,2017,38(12):795-800

2017-06-04

江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）青年基金項目（BK20150898）；公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201506001-06）；國家自然科學基金項目（41501553；41571491）；公益性行業（氣象）科研專項儲備項目（2015001）

張琪（1986-），女，博士，研究方向為農業氣象災害風險評估。E-mail：zhangq861206@126.com