中國玉米種植分布與氣候關系研究

陳瑞佶，張 建，劉興舟，付 華，莊曉林，李 猛

（1宿州市農業科學院，安徽宿州234000；2泗縣農技推廣中心，安徽宿州234000）

0 引言

玉米是世界上種植范圍最廣的作物之一，適應性很強。隨著近年來人口的增長，畜牧業的發展以及玉米加工技術的進步，使得玉米的需求量也越來越大，從而帶動了玉米種植產業的發展。據相關數據統計，截止到2016年，中國玉米產量達2.2億t。從現實情況來看，中國的耕地資源比較緊缺，所以通過增加耕地面積來提高產量的可行性較低，只能依賴玉米單產的提高來增加玉米總產量。然而，當前的全球變暖也使得中國的氣候條件發生了一系列的變化，同時對于農業生產也有種極大的影響。對于玉米產業來講，氣候變暖讓不同屬性的玉米品種界限發生了變化，明顯出現了北移東擴的情況，并且在很多高緯度和高海拔的區域，玉米的種植面積有所擴大[1]。尤其在東北地區，之前不適宜種植的區域逐漸向適宜種植的條件發展。另外，全球變暖也使得玉米的生育期也開始逐漸發生變化，部分地區出現了極端天氣情況，使得病害情況加重。在當前情況下，挖掘玉米生產潛力，將相關有利條件加以利用，并克服不利因素，以此來讓玉米達到穩定高產的狀態，是學者們當前亟待解決的問題[2]。

近年來全球氣候逐漸惡化，導致中國當前的國內熱量分布不均衡，各地區玉米的生育期均發生較大的變化。李宗等[3]發現，隨著隴東地區積溫增加、降水量減少，玉米生長發育加速，營養物質積累時間縮短，玉米品質降低；李祎君等[4]、李克南等[5]研究表明，東北地區在近50 年內都表現出初霜日推遲、生育期天數延長、有效積溫增加、不同熟型玉米分布界線北移的趨勢；Sacks等[6]利用美國1981—2005年玉米發育期和溫度數據，玉米的播種期提前10天，生育期延長12天，積溫提高14%；有學者就根據熱量條件劃分，發現在中國遼西地區，由于當地是大陸性溫帶季風氣候，玉米品種主要為中晚熟，該品種理論上對與玉米整個生育期積溫要求在1800～2800℃[7]。太陽輻射的光照強度和光照時間，影響著作物的光合作用速率，因此光照資源是作物生命活動最重要的物質基礎，玉米是光效較高的C4作物[8]。說明溫度是影響玉米生產產量的主要原因之一。

由此可以發現溫度會影響玉米生長情況，不同地區玉米產量應與當地氣候有關，但是關于氣候與玉米種植分布關系的研究較少，大部分學者都直接討論氣溫造成的影響。本研究選取相關的氣候因子，對玉米分布的氣候適宜性進行探討，分析中國玉米種植分布與氣候之間的關系，通過研究氣候變暖對中國玉米產量影響情況，以期充分挖掘玉米產量潛力。

1 資料與方法

1.1 研究資料

1.1.1 文獻資料 本研究主要在搜集相關文獻研究資料、統計年鑒。對相關文獻進行系統的劃分，參考國內外最新研究成果，為論文寫作奠定理論基礎。

1.1.2 作物地理分布數據 主要通過國家氣象信息中心數據了解玉米分布情況，包括366 個農業氣象觀測站（包括套種玉米），216 農業春玉米氣象觀測站和夏玉米188 個農業氣象觀測站，各站的地理分布如圖1(a、b、c)所示。

1.1.3 氣象數據 氣象數據主要來源于1961—2015 年中國氣象中心觀測站的數據采集（見圖2），主要包含以站點的經緯度以及日最高、最低、平均氣溫以及降水量。

1.2 研究方法

當前在物種分布的研究中已經有很多模型被證實可行，主要有動態模擬模型、廣義線性模型、生態位模型、最大熵模型[9-13]等。其中，最為實用的模型是最大熵模型，由于其預測能力較強、精度較高，非常適合用在作物最優分布的研究中。本研究也是基于最大熵模型，主要研究方式是通過特定空間區域布局，尋找相關限制條件，并且構筑約束集合，基于此建立相互關系。

圖2 中國氣象臺站地理分布

1.3 研究指標

農業氣候資源以及作物種植分布的情況主要取決與光、溫度、水分這些因素的配合。在這些條件中，水分屬于必要條件，但是，積溫、夏溫和冬冷情況對于作物的產量、種植布局等都有一定的影響[14]。另外，還有學者提出農作物的分布情況跟地區的水源預計熱源有著很大的關系。結合學者的研究本研究將農作物分布的3種因素歸納如下：首先是最低耐受溫度；其次是所需生長季節的長度和供熱；最后是雨棚的形成和維護供水[15]。

本研究主要基于當前的玉米氣候區劃，結合相關研究成果，基于全國性的層面來篩選出影響中國玉米種植分布的潛在氣候因子，具體見表1 所示。在這些因子中，最冷月份的平均氣溫也就是玉米成長過程中最能忍受的氣溫。而像日平均氣溫、最熱月份的氣溫、以及溫度的年溫度范圍分別反映了來自熱積累和強度的供熱。利用年降水量和濕潤指數評價該地區的供水狀況，濕潤指數越大，氣候的濕潤度對于地區的降水問題有著很好的解釋[16-17]。

根據圖3 可以看出，訓練數據集的AUC 值為0.834，驗證數據集的AUC 值為0.804，精度都比較高，以此說明了該模型對于玉米氣候適宜性的分析非常可靠。

1.4 統計分析

采用ANUSPLIN對研究區內站點氣候要素進行空間插值，為氣候資源的時空變化格局分析和氣候適宜性研究提供數據支撐[18]。

2 結果與分析

2.1 玉米氣候適宜性模型驗證

筆者在研究過程中主要將1980 年以來關于玉米氣候區劃、氣候適宜性指標相關文獻進行綜合和分類方法的數據庫。中國玉米種植區主要有地理分布資料和氣候資料。數據主要包含了降水量、站點經緯度、氣溫等要素運行MaxEnt 模型。最后得出的玉米氣候的適宜性模型entropy 是8.55，標準化線性預測常數為5.9，標準化密度常數為926.6，具體參數見表2所示：

表1 影響中國玉米種植分布的潛在氣候因子

圖3 玉米氣候適宜性模型的ROC曲線圖

通過圖4中的玉米氣候適宜性模型曲線圖可以看出，訓練數據集的AUC值是0.835，效果很好。驗證數據集的AUC值是0.743，效果“一般”，總體情況來看模型精度較高，結果具有可信性。

2.2 影響玉米氣候適宜性分布的主要因子

圖5主要是基于刀切法來對玉米氣候適應性的影響因素進行檢驗。根據圖5 可以看出，以潛在生長期積溫為基礎的玉米氣候適宜度模型的增益值是最高的（最長的是深藍色的柱形圖），這表明因子本身具有最有效的信息，不包括平均每日TE。玉米生育期的變化，以及玉米氣候適宜度模型與其他氣候因子的關系。最低值（最短的淺藍色柱），表明潛在生長期的日平均溫度是其他氣候因素所不具備的最有效的信息[19]。

根據以上的數據驗證集分析以及刀切法的驗證結果情況，通過MaxEnt模型對影響中國玉米氣候適宜性的因子貢獻率進行分析，具體見表3所示。

基于相關學者的研究，本研究將累積貢獻率設定為95%，因此可以篩選出4個主導因子，根據貢獻率從小到大進行排列分別為：潛在生育期蒸散總量(1.7%)、潛在生育期降水總量(12.1%)、潛在生育期日平均氣溫(27.3%)以及潛在生育期積溫(55.5%)，這幾個因子的累積貢獻率為96.6%。

表2 中國玉米氣候適宜性模型參數

圖4 玉米氣候適宜性模型的ROC曲線圖

圖5 氣候因子對玉米氣候適宜性影響的刀切法檢驗

表3 影響中國玉米氣候適宜性的氣候因子貢獻率 %

本研究通過繪制響應曲線圖來對主導氣候因子都玉米氣候適應性問題進行分析，了解其影響情況，具體見圖6 所示。其中橫坐標代表氣候因子的變化值，縱坐標代表了玉米生長情況。

由圖6a可知，潛在生長期積溫對玉米氣候適宜性的影響是貢獻率最高的主導氣候因子[20]。從圖中的曲線變化情況能夠看出，玉米的適宜性呈現出增加的趨勢，積溫在2250～2521℃范圍情況下，玉米發生的概率是在0.05～0.33 之間，處于次適宜氣候，積溫在2737～3536℃范圍情況下，玉米存在概率是0.34～0.51，氣候適宜，當積溫在2737～3536℃范圍情況下，玉米存在概率是0.52～0.8，呈現出最適宜情況。

從圖6b可知，玉米的存在概率主要是隨著生長期日平均氣溫的升高而增加[21]。平均氣溫在17℃以下時，屬于不適宜，超過17℃的時候，玉米存在概率超過0.05，氣候向次適宜情況發展，當平均氣溫超過18.2℃的時候，玉米存在概率向0.34發展，氣候發展為適宜狀態，當平均氣溫達到20.1℃的時候，玉米存在概率為0.68，達到最適宜的水平，隨著日平均氣溫的再度增長，玉米存在概率保持在0.55之間。

從圖6c可知，玉米存在概率隨著降雨量的增長呈現出先增長后下降的趨勢。當潛在生長期降水量低于210 mm時，玉米氣候屬于不適宜狀態。當潛在生長期降水量在210～350 mm 區間，玉米的氣候適宜性達到次適宜水平。隨著降水總量的增加，玉米存在的概率保持在0.33以上，達到了適宜的水平。其中，當總降水量為615～680 mm時，玉米達到最適宜狀態，但是降水量超過680 mm時，玉米存在概率呈現下降的趨勢，保持在適宜狀態。

從圖6d 可知，隨著蒸散總量的增長，玉米氣候適宜性逐漸增長。當潛在生育期蒸散總量小于610 mm時，呈現出不適宜狀態。當潛在生育期蒸散總量在610～790 mm時，適宜性呈現出次適宜的狀態。當潛在生育期蒸散總量達到800 mm 的時候，呈現出適宜狀態，當潛在生育期總蒸散量超過1200 mm，達到最適宜的狀態。

圖6 中國玉米氣候適宜性對主導氣候因子的響應曲線

2.3 玉米種植分布及氣候適宜性劃分

本研究對于影響玉米分布的氣候因子主要是基于當前學者的研究進行的總結，這些潛在氣候因子對中國玉米種植分布的貢獻程度尚未從國家層面和年度尺度上進行定量評價，這對于變量選取的準確性有一定的影響，從而也會對本研究的模型構建問題存在一定的影響，所以需要對影響玉米種植分布潛在氣候因子的貢獻率進行分析，從而對主導因子進行篩選[22-23]。根據最大熵模型的刀切模型計算了潛在氣候因子對玉米種植分布的貢獻。如表4中所示，6個因素的累計貢獻率達到93.3%。

根據以上6個主要因子的分析，繼續運用MaxEnt模型分析中國玉米種植氣候關系情況，得到了預測區玉米作物存在的概率。基于研究中的劃分標準情況，p＜0.05 為不適宜種植玉米的區域，p≥0.05 的區域為玉米種植面積，然后進一步對種植面積進行分級，分級情況如下：0.05≤p＜0.33屬于次適宜區域，0.33≤p＜0.66屬于適宜區域；p≥0.66屬于最適宜區域[24-25]。然后，基于ArcGIS 9.3 軟件，對中國玉米潛在種植分布和氣候適宜性進行分類，結果如圖7所示：

表4 影響中國玉米種植分布潛在氣候因子的貢獻百分率%

3 結論與討論

從前文模型得出的結果來看，總體來講玉米分布非常的廣泛，在中國各個區域都有所分布。但是從適宜度情況來看，由于氣候條件帶來的影響，玉米種植區域主要呈現出由東北—西南的狹長帶分布。從適宜條件來講，吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、河南、山東等玉米種植氣候最適宜區，主要是因為這幾個區域的氣候類型是溫帶和寒溫帶氣候，水熱條件都非常符合玉米的生長需求。其次內蒙古、黑龍江、重慶、安徽、山東、湖北等地屬于氣候適宜區，主要是因為這些區域氣候條件為暖溫帶半濕潤氣候，不管是氣溫條件還是灌溉條件都適合玉米種植。內蒙古西部、新疆、甘肅、江西、貴州、湖南、廣西、廣東、海南、浙江、福建、臺灣等這些地區屬于次適宜區域，這些地區的有的氣溫早晚溫差大，并且自然降雨量較小，氣候比較干燥，有的地區雖然降低量比較豐富，但是容易受到臺風、熱害條件的影響，沒有辦法發揮自身的資源效率。青海和西藏、新疆北部和南部、黑龍江北部和內蒙古東部等地區屬于不適宜區域，大部分由于地區氣候高寒、干旱、或無灌溉條件，不宜種植玉米，是玉米種植不利的地區。在相關影響因子中，水熱條件的影響非常嚴重，但是也存在一定的特殊性，在一定的區域范圍下，玉米的生長是隨著熱量水分的增長而更加有利，但是如果過多的熱量和水分也會存在這一定的負面作用。因此，可以說水熱的作用影響玉米種植分布，但是并不是單一的影響因素[26]。

本研究在前人的研究成果上，對玉米種植分布和氣候適宜性條件，并且對氣候適宜性進行劃分，以期能夠為中國玉米農業生產有所裨益。

圖7 中國玉米潛在種植分布的氣候適宜性劃分圖