東北春玉米適宜生長期農業氣候資源變化及其影響分析

張麗敏，張淑杰，郭 海，王 萍，王冬妮，李 杰

東北三省是中國第一大玉米產區［1］，2015年春玉米播種面積占全國玉米播種總面積的31.6%，產量占全國玉米總產的34.5%，在全國糧食生產中占有舉足輕重的地位。隨著人口、資源、環境三者之間矛盾的日益加劇，氣候變化已成為全球十大環境問題之首，而農業氣候資源變化直接影響糧食生產，進而威脅國家糧食安全。因此，對東北三省春玉米適宜生長期農業氣候資源的研究十分必要且意義深遠。目前，國內許多學者對農業氣候資源的變化特征進行了大量的研究，楊曉光等［2］利用中國558個氣象臺站地面氣象觀測資料，得出了1961～2007年平均氣溫增幅最大的區域是東北地區以及喜溫作物生長期內東北地區為暖干趨勢等結論；郭建平［3］系統地介紹了氣候變化對中國農業生產的影響，包括氣候變化對農業氣候資源和種植制度的影響，認為氣候變化有利于喜溫和晚熟品種的種植，從而可以在一定程度上提高作物產量；周廣勝［4］綜述了氣候變化對中國農業生產影響研究的最新進展并指出了研究中的不足；胡琦等［5］采用氣候傾向率法和 GIS方法研究了1961～2010年全國尺度的熱量資源分布，結果表明1981～2010年較1961～1980年熱量資源有增加的趨勢；黃蕾等［6］分析和比較了 1961～1990年和 1991～2010年北方地區農業氣候資源的變化特征，得出北方的西部總體呈暖濕趨勢而東部呈暖干趨勢的結論。關于東北農業氣候資源的研究多側重于季尺度和年尺度、東北局部地區或某要素，趙秀蘭［7］闡述了 1961～2010年東北地區農業氣候資源的年度變化特征和農業氣象災害變化特征；方麗娟等［8－11］對東北地區某省份或某區域或某市的農業氣候資源進行了研究；周秀杰等［12－17］分析了東北地區的氣溫、熱量資源、蒸散及物候期等要素的變化趨勢；冶明珠等［18］利用RegCM3模式輸出的1951～2010年日平均溫度和最低溫度，分析了東北三省的熱量資源及玉米不同生育期溫度適宜度的時空分布特征；何永坤等［19］對農耕期（≥0℃）氣候資源進行了研究；臺秉洋等［20］分析了氣候生長季（≥5℃）起始日期、結束日期、長度和積溫的變化特征。劉志娟等［21］對東北三省農業氣候資源的研究相對較全面，但時間序列僅至2007年，氣象站點也僅為72個。2008年至今東北三省氣象要素波動幅度較大，歷史極值頻被打破，五十年一遇，甚至百年一遇的氣候事件頻現，但應用最新數據對東北三省春玉米適宜生長期農業氣候資源多要素的時空變化特征進行系統分析還鮮見報道。因此，本文基于1961～2015年東北三省逐日氣象觀測資料，對春玉米適宜生長期的熱量資源、水分資源和光照資源進行了研究，旨在揭示東北三省玉米適宜生長期的農業氣候資源時空變化特征；并將研究時段分為3段：1961～1980年（時段Ⅰ）、1981～2000年（時段Ⅱ）、2001～2015年（時段Ⅲ），根據春玉米生長發育所需氣象指標分析可種植界限及缺水率的變化，以期為合理開發利用區域農業氣候資源、應對氣候變化及科學防災減災提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東北三省（118°53′～135°05′E，38°43′～50°33′N）是指位于東北亞中央地位的遼寧、吉林、黑龍江三省的總稱，總面積約79萬km2，地形以平原和山地為主。研究區域大部分地區分布在中溫帶，屬溫帶季風氣候區，少部分分布在暖溫帶和寒溫帶。境內的長白山和大、小興安嶺是其生態系統重要的天然屏障，三江平原、松嫩平原和遼河平原土壤肥沃，土層深厚。東北三省農業資源豐富，耕地面積占全國耕地面積的16.8%，是中國糧食商品率最高的地區，主要農作物為玉米、稻谷和大豆。

1.2 資料來源

數據來源于東北三省氣象局，包括1961～2015年123個（遼寧51個、吉林43個、黑龍江29個）常規地面氣象臺站的逐日氣象觀測資料，氣象要素包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降水量、日照時數、平均風速、水汽壓等。研究區域及氣象站點分布見圖1。地理信息資料采用全國1∶250000的500 m×500 m DEM數據，借助GIS平臺生成經度、緯度、海拔高度地形因子數據集。

圖1 研究區域及氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 適宜生長期的確定 本文以穩定通過10℃的持續日數作為春玉米的適宜生長期［22］，即≥10℃的初日和終日以 DOY（Day of Year）為單位，終日與初日之間的天數即為適宜生長期。穩定通過界限溫度采用5 d滑動平均法計算［23］。

1.3.2 氣候傾向率 反映氣候要素的變化趨勢，采用最小二乘法計算樣本＾xi與時間ti的線性回歸系數（b），公式為：

1.3.3 參考作物的蒸散量 采用1998年聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman－Monteith模型計算參考蒸散量［15］，該模型定義了參考作物，其高度為0.12 m，阻抗為70 s／m，反射率為0.23，類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地。其計算公式為：

公式（2）中，Rn為冠層表面凈輻射［MJ／（m2·d）］；G 為土壤熱通量［MJ／（m2·d）］；ea為飽和水汽壓（kPa）；ed為實際水汽壓（kPa）；Δ 為飽和水汽壓－溫度曲線斜率（kPa／℃）；γ為干濕球常數（kpa／℃）；U2為2 m高處的風速（m／s）；T為平均氣溫（℃）。

1.3.4 缺水率 用來表征作物水分盈虧的指標，一般定義缺水率K為作物需水量與降水量之差與作物需水量的比值，K＞0表示水分虧缺，K＜0表示水分盈余，K值的大小表示虧缺或盈余的程度，計算公式為［24］：

公式（3）～（4）中，P為適宜生長期內的降水量（mm）；ETc為作物適宜生長期內的需水量；Kc為玉米的作物系數［25］，ET0采用公式（2）計算。

1.3.5 不同熟性春玉米積溫指標及種植界限的確定積溫是兼顧溫度強度和持續時間的熱量指標，積溫學說的3個基本論點之一為：生物完成某一階段的發育需要一定的積溫。東北三省春玉米為喜溫作物，≥10℃積溫可以用來表征其生長發育所需的熱量條件。不同熟性春玉米的積溫指標見表1，并據此確定其可種植界限［26］。

表1 東北三省不同熟性春玉米積溫指標 ℃·d

1.4 數據處理

首先剔除缺測值和資料不全的氣象站點，應用Visual Basic語言和MATLAB語言編寫程序計算東北三省春玉米≥10℃積溫、參考作物蒸散量，并進一步計算初日和終日之間的平均氣溫、降水量、日照時數及各要素的氣候傾向率等。最后基于ArcGis軟件的空間分析功能，采用反距離權重法（IDW）進行空間插值，生成柵格數據，輸出農業氣候資源的時空分布圖。

2 結果與分析

2.1 熱量資源變化特征

2.1.1 適宜生長期平均氣溫 圖2為1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期平均氣溫的時空變化情況。由圖2a可知，平均氣溫自西南向東北逐漸減少，其變化范圍為16.3～20.7℃，有兩個氣溫低值區：一個位于吉林省長白山脈以東敦化－琿春－靖宇－長白一帶，另一個位于黑龍江伊春地區；高值區主要位于吉林的和龍、龍井地區，可能是由當地的山脈和地形等小氣候條件引起的。

從時間變化上看（圖2b），近55 a東北三省春玉米適宜生長期平均氣溫均呈上升的趨勢，平均增幅為0.14℃／10 a，分布趨勢由南向北遞增；增幅較大地區分布在黑龍江北部，增幅較小地區分布在遼南和吉林長白山地區，大部分地區增幅為0.10～0.20℃／10 a。

圖2 1961～2015年東北春玉米適宜生長期平均氣溫（a）及其氣候傾向率（b）的變化特征

2.1.2 ≥10℃積溫 圖3為1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期≥10℃積溫的時空變化情況。由圖3a可見，≥10℃積溫的分布趨勢與平均氣溫基本一致，其變化范圍為1664～3750（℃·d）。大于3000（℃·d）的地區分布在遼寧大部和吉林西部，占全部樣本的50.4%；小于2400（℃·d）的地區分布在黑龍江北部和吉林長白山地區；吉林中部和黑龍江西南部地區為2700～3000（℃·d），其余地區為2400～2700（℃·d）。

從時間變化看（圖3b），近55 a東北三省春玉米適宜生長期≥10℃積溫整體呈增加趨勢，增幅為5～120（℃·d）／10 a。增幅較大區域分布在黑龍江北部和小興安嶺地區，在80（℃·d）／10 a以上；增幅較小地區分布在遼寧大部和吉林東部地區，為1～50（℃·d） ／10 a。

圖3 1961～2015年東北春玉米適宜生長期≥10℃積溫（a）及其氣候傾向率（b）的變化特征

2.2 光照資源變化特征

圖4 為1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期光照資源的時空變化情況。由圖4a可見，日照時數自西南向東北逐漸減少，其變化范圍為787～1524 h，各地差異較大。光照資源較豐富的地區分布在遼寧省大部和吉林省西部地區，日照時數為1279～1524 h；光照資源相對匱乏地區分布在黑龍江北部和吉林東部地區，日照時數小于1000 h。

從時間變化看（圖4b），近55 a東北三省春玉米適宜生長期日照時數整體呈減少趨勢，平均減幅為8 h／10 a，變幅為－59～57 h ／10 a，其中64.0%的氣象站點日照時數呈減少趨勢，減幅為1～59 h／10 a，平均減幅為21 h／10 a；34.0%的氣象站點日照時數呈增加趨勢，增幅為 1～57 h／10 a，平均增幅為 14 h／10 a；2.0%的氣象站點日照時數無明顯增減變化。日照時數減幅較大的地區主要分布在遼寧西部、中部和遼南，增幅較大地區主要分布在黑龍江東部。

圖4 1961～2015年東北春玉米適宜生長期日照時數（a）及其氣候傾向率（b）的變化特征

2.3 水分資源變化特征

2.3.1 適宜生長期降水量 圖5為1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期降水量的時空變化情況。由圖5a可見，降水量自西北向東南逐漸增加，其變化范圍為287～885 mm。降水資源較豐沛區域分布在遼寧大部和吉林東部；降水資源相對匱缺的區域分布在遼寧西部、吉林西部和黑龍江西部。

從時間變化看（圖5b），近55 a東北三省春玉米適宜生長期降水量整體呈減少趨勢，平均減幅為4.7 mm／10 a，變幅為－36～18 mm／10 a，其中 65.0%的站點呈減少趨勢，主要分布在遼寧、吉林大部和黑龍江東部地區，減幅為1～36 mm／10 a；23.0%的站點呈增加趨勢，分布在黑龍江西北部和吉林長白山地區，增幅為1～18 mm／10 a。各地增減趨勢不同，遼寧和吉林地區降水量呈減少的趨勢，減幅分別為9.0 mm／10 a和4.0 mm／10 a；黑龍江地區降水量呈略增加的趨勢，增幅為 2.0 mm／10 a。

2.3.2 適宜生長期參考作物蒸散量 圖6給出了1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期參考作物蒸散量的時空變化情況。由圖6a可見，參考作物蒸散量自西南向東北逐漸減少，其變化范圍為299～872 mm；參考作物蒸散量的高值區分布在遼寧大部和吉林西南部，在700 mm以上；低值區有兩個，分別位于黑龍江北部地區和吉林長白山地區，在500 mm以下。

圖5 1961～2015年東北春玉米適宜生長期降水量（a）及其氣候傾向率（b）的變化特征

從時間變化看（圖6b），東北三省春玉米適宜生長期參考作物蒸散量的增減趨勢不明顯，其中54.0%的氣象站點呈增加趨勢，分布在黑龍江大部和吉林東部地區，增幅為1～27 mm／10 a；41.0%的氣象站點呈減少趨勢，分布在遼寧大部、吉林西部和黑龍江西南部，減幅為1～27 mm／10 a。各地參考作物蒸散量的增減趨勢也不同，變化幅度較小：黑龍江和吉林參考作物蒸散量呈增加趨勢，增幅分別為3.0 mm／10 a和1.8 mm／10 a；遼寧參考作物蒸散量呈減少的趨勢，減幅為 4.0 mm／10 a。

圖6 1961～2015年東北春玉米適宜生長期參考作物蒸散量（a）及其氣候傾向率（b）的變化特征

2.4 農業氣候資源變化對玉米種植的影響

2.4.1 不同熟性玉米種植界限的變化 圖7為1961～2015年東北三省3個時段4種熟性春玉米種植界限的變化情況。1961～2015年東北三省3個時段≥10℃積溫的增加速率分別為53（℃·d）／10 a和74（℃·d）／10 a。據此表明，在研究時段內東北三省熱量資源的增速是逐漸加快的。由圖7可知，早熟（圖7a）春玉米的可種植界限向北部高緯度地區擴大，北擴最明顯的時段為Ⅱ段；中熟（圖7b）品種的種植界限向北推進的幅度時段Ⅲ比時段Ⅱ更大，東擴不明顯；中晚熟（圖7c）品種的種植界限時段Ⅱ變化幅度較小，時段Ⅲ則明顯北移東擴且東擴幅度較大，整個黑龍江東部都具備了種植中晚熟玉米的熱量條件；晚熟（圖7d）品種的種植界限時段Ⅱ和時段Ⅲ均表現為北移明顯，東擴不明顯。

2.4.2 缺水率的變化 圖8為1961～2015年東北三省3個時段春玉米缺水率的變化情況。由圖8a、8b、8c可知，缺水范圍時段Ⅱ較時段Ⅰ縮小，時段Ⅲ較時段Ⅱ明顯擴大，并超過了時段Ⅰ；3個時段缺水率大于20%的地區均分布在遼寧西部和南部、吉林西部和黑龍江西南部地區，其變化情況與缺水范圍的變化情況相似。由圖8d可見，與時段Ⅰ相比，時段Ⅱ東北三省大部分地區水分條件得到改善，遼寧西部、南部和東部地區變差；由圖8e可見，與時段Ⅰ相比，時段Ⅲ東北三省大部分地區水分條件惡化，干旱風險增大。

3 結論與討論

1961～2015年東北三省春玉米適宜生長期（≥10℃）熱量資源呈增加趨勢，光照和水資源呈減少趨勢，參考作物蒸散量增減趨勢不明顯。將研究時段分成3段后可以看出：熱量是逐步增加的且增速加快；中熟、中晚熟、晚熟玉米種植界限都在2001～2015年（時段Ⅲ）移動幅度最大；早熟和中熟品種以北移為主，中晚熟和晚熟品種既北移又東擴，其中中晚熟品種以東擴為主，晚熟品種以北移為主。缺水率研究結果顯示，時段Ⅱ較時段Ⅰ水分條件有所改善，而時段Ⅲ較時段Ⅱ缺水范圍明顯擴大，并超過了時段Ⅰ，說明2001～2015年（時段Ⅲ）缺水最為嚴重。3個時段缺水地區均分布在遼寧西部和南部、吉林西部以及黑龍江西南部。

圖7 東北三省不同時段不同熟性春玉米種植界限的變化

圖8 1961～2015年東北三省春玉米不同時段缺水率的變化情況

熱量條件增加使得4種熟性玉米可種植界限不同程度的北移東擴，玉米的可種植面積增加，特別是中晚熟品種北移東擴明顯，這對農業生產是非常有利的，但變暖的氣候將加劇水分蒸發，干旱與半干旱地區干旱脅迫程度可能會增大［27］。遼寧大部、吉林中西部、黑龍江西南部和東部地區都處于缺水狀態，水分條件不利于玉米種植范圍的北移東擴。從圖7c和圖7d可見，玉米中晚熟和晚熟品種的北移東擴主要出現在黑龍江西南部和吉林西部地區，而上述地區又是水分虧缺嚴重的地區，為種植界限北移帶來風險。

對作物生 長 季 氣 候 資 源 各 要 素 的 研 究［7，15，28－29］多集中于5～9月的劃分方法，關于春玉米適宜生長期（≥10℃）氣候要素的研究較少。本文得出的東北三省農業氣候資源變化趨勢的結論驗證了前人［13，21］的研究結果，但變化幅度、3個省份的變化趨勢以及氣候要素地區分布存在差異，可能是由年限和氣象臺站數不同導致的。本文更詳細地反映了東北春玉米可能生長階段農業氣候要素的分布和變化特征及其對可種植北界變化的影響。

本研究所使用的123個氣象站點并不能完全反映東北三省的氣候變化，尤其是黑龍江省氣象臺站數略顯稀疏，數據質量未考慮到遷站等因素的影響。對東北三省春玉米種植的影響還需考慮土壤狀況、經濟效益、品種特性及惠農政策等因素的影響。

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