氣候變化背景下玉米品種更替對新疆光熱資源利用效率的影響*

王 勇，張鎮濤，張方亮，郭世博，楊曉光

（1.新疆生態氣象與衛星遙感中心，烏魯木齊 830011；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

工業革命以來，全球正在經歷最顯著的氣候變化過程，截至2012年，過去的130a 全球升溫0.85℃[1]。中國是全球氣候變化敏感區之一，陸地升溫幅度高于全球平均水平[2]。新疆屬于干旱半干旱地區，降水稀少、水資源缺乏、生態環境脆弱，對氣候變化影響十分敏感[3-4]。1956-2005年以來新疆增溫速率為0.28℃·10a-1，與全國的變化較為一致，同時氣候變暖背景下年降水量總體呈上升趨勢[5-6]。

中國玉米種植面積和產量均占糧食作物的三分之一左右，在糧食安全中占有重要地位[7-8]。西北玉米區在中國玉米生產中雖比重較其它主產區小，但因其特殊光溫條件，該區域在玉米生產中極為重要。新疆輻射強，氣溫日較差大，加之冰川融水資源增加，近年來屢創中國玉米高產記錄，為玉米研究的熱點區域之一[9-10]。

前人在氣候變化對玉米影響方面開展了大量研究，結果表明，氣溫升高背景下，全國約80%站點玉米抽穗期和成熟期提前，全生育期呈縮短趨勢[11]，但生殖生長階段的延長，利于玉米產量提升[12]。Lobell 等采用統計分析方法研究發現氣候變化導致全球玉米產量下降3.8%[13]，且產量變異性增加[14]。與田間試驗周期長和統計方法不考慮作物生理過程相比，作物模型因其具有考慮作物生長動態，且可重復性高的特點[15]，已經成為氣候變化對作物影響評估的有效方法[16]。Liu 等采用APSIM 模型研究發現，氣候變化導致中國東北春玉米潛在產量下降22%～26%[17]；趙俊芳等基于APSIM 模型研究發現，西北內陸區春玉米產量對溫度和潛在蒸散響應明顯[18]；李闊等采用DSSAT 模型評估結果表明，未來升溫情景下全國玉米產量整體呈降低趨勢，且區域間存在差異[19]；張建平等采用WOFOST 模型，分析了溫度對東北三省玉米產量波動的影響程度[20]。綜上現有研究表明，氣候變化背景下作物生育期縮短，產量降低，但通過更替品種可減緩氣候變化負面影響，提升玉米產量潛力[21-24]。氣候資源利用效率是衡量作物生長季資源有效性的指標之一，明確一個區域氣候資源利用效率，對于充分利用當地氣候資源，具有重要的指導意義[25]。

目前針對氣候變化對新疆玉米影響程度以及品種更替對資源利用效率的影響仍缺乏系統性研究，由于新疆地區為灌溉農業，因此本研究重點分析熱量和輻射資源利用效率。選取新疆典型站點，基于1981-2019 歷史氣象數據和農業氣象試驗站玉米觀測資料，結合APSIM 模型，研究明確氣候變化對玉米生育期、產量和資源利用效率的影響程度，闡明玉米品種更替對氣候變化適應效應，以期為科學評估氣候變化對新疆玉米影響，以及玉米生產適應氣候變化提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

新疆維吾爾族自治區溫帶大陸性氣候特征顯著，溫度日較差大，日照充足，降水量少，氣候干燥[26]。該地區多為灌溉農業，是玉米種植密度和產量潛力最大區域[9]。選擇新疆維吾爾族自治區的烏蘭烏蘇（44°26′N，84°40′E，478.7m）、哈密（42°49′N，93°31′E，737.2m）、庫爾勒（41°45′N，86°08′E，931.5m）和喀什（39°29′N，75°45′E，1385.6m）為典型站點，分析氣候變化背景下當地在品種更替和不更替條件下春玉米和夏玉米生育期、產量及熱量資源利用效率的可能變化，其中烏蘭烏蘇站和哈密站種植春玉米，庫爾勒站和喀什站種植夏玉米。

1.2 數據來源

氣象數據包括1981-2019年4 個代表性站點的逐日氣象資料。主要有平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫、日照時數和降水量等。作物數據選取4 個研究站點的農業氣象試驗站資料，包括玉米的品種、關鍵生育期、產量及田間管理措施（水肥施用量及其日期），以上數據來自于新疆氣象局。土壤數據來自中國科學院南京土壤研究所，包括容重、pH、全氮含量、有機質含量、田間持水量和凋萎系數等。

1.3 研究方法

1.3.1 APSIM 模型有效性評價

采用農業生產系統模型（Agricultural Production System SIMulator，APSIM）模擬玉米的生長發育及產量形成。該模型由澳大利亞聯邦科學工業組織和昆士蘭州政府聯合開發，可用于模擬農業系統中各主要組分的機理過程，該模型在中國應用廣泛[27]。根據氣候、土壤以及玉米生育期、產量和栽培管理措施等資料，對APSIM-Maize 模型進行調參和驗證，選擇國際上常用的決定系數（R2）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）、平均絕對誤差（MAE）和D 指標[28]，對模型在研究站點的適用性進行評價，各指標計算式為

式中，Si為模擬值，Oi為實測值，O 為實測平均值，n 為樣本數。R2和D 值反應模擬值與實測值的一致性，數值越接近1 模擬效果越好；RMSE、NRMSE 和MAE 反應模擬值與實測值的誤差大小，數值越小說明模擬結果越好。

1.3.2 模型模擬情景設置

利用調參驗證后的模型，模擬4 個典型站點的玉米光溫潛在產量。在模型中設置水肥不受限制，即充分灌溉和施肥。播期為該站點實際播期的歷年平均值，其中烏蘭烏蘇站春玉米為5月9日，哈密站為5月16日；庫爾勒站夏玉米為7月11日，喀什為7月2日。設置品種更替（各典型站點采用各年代實際種植的品種）和品種不更替（各典型站點采用1980S 種植品種）兩種情景。土壤數據采用該地區實際土壤數據。

1.3.3 農業光熱氣候資源

采用累積有效熱時數（Accumulated effective thermal time，AcTT）、累積有效輻射（Accumulated photosynthesis active radiation，AcPAR）表征玉米生長季光熱氣候資源。

使用APSIM-Maize 模型中熱時數計算玉米生長季逐日有效熱時數（TTi），繼而通過逐日累加計算得到累計有效熱時數（AcTT），相關計算式為[29]

式中，AcTT 為累計有效熱時數（d·℃ ），TTi為第i 天的有效熱時數（ d·℃ ），t 為日平均溫度（℃），為日最高溫度與最低溫度的平均值，n 為生育期長度（d）。

采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式，利用實測日照時數計算逐日輻射[30]，進而計算輻射中能被光合作用直接利用的部分（400-700nm）即光合有效輻射，其計算式為[29]

式中，AcPAR 為累計光合有效輻射（MJ·m-2），PARi為第i 天的光合有效輻射（MJ ·m-2），Rsi為第i 天的短波輻射（MJ ·m-2），n 為生育期長度（d）。

采用線性回歸方程的回歸系數來表征各要素變化趨勢。計算式為

式中，Xt為樣本，t 為時間（年份），a 為回歸系數，b 為截距，a 和b 通過最小二乘法進行估計。以10a 作為該要素的氣候傾向率或變化率。

1.3.4 資源利用效率計算

熱量資源利用效率（HUE）計算式為[31]

式中，HUE 為熱量資源利用效率[kg ·hm-2(℃· d)-1]，Y 為單位面積玉米產量（kg ·hm-2），AcTT為玉米生長季內累計有效熱時數。

輻射資源利用效率（RUE）計算式為[32]

式中，RUE 為輻射利用率（g· MJ-1）；Y 為單位面積玉米產量（kg ·hm-2），由APSIM-Maize 模型輸出；AcPAR 為玉米生長季內累計太陽光合有效輻射（MJ ·m-2）。

2 結果與分析

2.1 玉米生長季光熱氣候資源及品種更替變化

2.1.1 光熱氣候資源變化

由圖1 和表1 可見，烏蘭烏蘇和哈密站春玉米生長季內熱量和輻射資源變化不顯著，但營養生長和生殖生長階段有所不同。兩個站點表現為營養生長階段內有效熱時數和有效輻射大致呈減少趨勢，特別是烏蘭烏蘇站有效熱時數減少趨勢顯著，為-45.77℃·d·10a-1（P＜0.01）。而生殖生長階段增加趨勢顯著，其中有效熱時數烏蘭烏蘇站增加趨勢為47.68℃·d·10a-1（P＜0.01），哈密為72.00℃·d·10a-1（P＜0.01），有效輻射哈密增加趨勢為48.04℃·d·10a-1（P＜0.01）。夏玉米生長季、營養階段和生殖階段的熱量與輻射資源大都呈增加趨勢，且庫爾勒站的增加趨勢最為顯著，全生長季和營養生長階段的有效熱時數增加趨勢分別為67.22℃·d·10a-1（P＜0.01）和49.33℃·d·10a-1（P＜0.01），有效輻射增加趨勢分別為36.06MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）和 28.27MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）。除部分站點變化趨勢不顯著外，總體而言，玉米生長季內熱量資源和輻射資源呈增加趨勢，其中春玉米以生殖生長階段增加為主，而夏玉米以營養生長階段增加為主。

圖1 1981-2019年歷年玉米生長季、營養生長和生殖生長階段農業光熱資源（1 為有效熱時數，2 為有效輻射）變化過程Fig.1 Variation course of the agro-climatic resources (1-AcTT, 2-AcPAR) of maize during WGP, VGP and RGP in study sites

表1 1981-2019年玉米生長季、營養生長和生殖生長階段農業光熱氣候資源變化傾向率Table 1 Trend rate of agro-climatic resources during VGP and RGP of maize in study sites

2.1.2 玉米品種更替情況

由表2 可見，春玉米SC-704 品種在1981-2018年各年代內均為主栽品種，在2010年之前，其種植站次占比均過半，特別是在20 世紀90年代（1990S）達到了100%。而21 世紀10年代（2010S），隨著Zhengdan958 的推廣，其占比有所降低，但仍為占比最大品種。夏玉米品種更替較春玉米更為頻繁，在1980S 和1990S（20 世紀80 和90年代），Qilike 均為主栽品種，但其占比隨年代推進而降低。2000S 和2010S（21 世紀），Xinyu9 為主栽品種，且占比較大。

表2 玉米各年代品種占比及更替特征Table 2 The proportion and replacement of maize cultivars in different decade

2.2 氣候變化背景下品種更替對玉米生長發育和產量的影響

2.2.1 玉米品種參數的調試和驗證

為分析品種更替對氣候變化的適應，將1981-2019年分為1980年代（1980S），1990年代（1990S），2000年代（2000S）和2010年代（2010S）4 個年代。以種植年份較長的主栽玉米品種作為該年代的代表性品種，結果見表3。為了體現每個年代的品種特色，即使是相同品種，在不同年代亦采用不同序號表示，且模型中的遺傳參數也隨年代有差異。

利用APSIM-Maize 模型，以表2 中各農業氣象試驗站實測資料數據為基礎，采用試錯法，對各年代的代表性玉米品種參數進行調參和驗證。玉米生育期、產量的實測值與模擬值的比較結果如圖2 和表4 所示，其中決定系數（R2）均在0.7 以上，D 指標均在0.85 以上；歸一化均方根誤差（NRMSE）在評價生育期時均在4.5%以內，產量均在13%以內；平均絕對誤差（MAE）在評價出苗-開花期天數時均在2d 以內，出苗-成熟期天數均在3d 以內，產量MAE 均在600kg·hm-2。由此可見，APSIM-Maize 模型在研究區域具有較好的適用性，可用于玉米生育期和產量模擬。

表3 玉米各年代調參和驗證所用品種及數據來源Table 3 Maize varieties and data sources for APSIM calibration and validation

圖2 玉米（1 為春玉米，2 為夏玉米）出苗-開花期、出苗-成熟期和產量的模擬值與實測值的驗證結果Fig.2 Validation results between simulated and observed value for days from emergence to flowering, days from emergence to maturity and yield of maize (1-spring maize,2-summer maize) at study sites

表4 APSIM-Maize 模型驗證結果評價Table 4 Validation of APSIM-Maize model for spring maize and summer maize

2.2.2 品種更替對玉米生長發育的影響

利用調參驗證后的APSIM-Maize 模型，分別模擬品種不更替和品種更替條件下玉米生長發育過程，得到各站點歷年玉米營養生長階段（VGP）、生殖生長階段（RGP）和生長季（WGP）天數的線性變化傾向率，結果如表5。由表可見，研究時段內，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀80年代的品種，氣候變化背景下，哈密站春玉米和喀什站夏玉米營養生長階段和生殖生長階段期均呈極顯著縮短趨勢，全生長季也呈極顯著縮短趨勢；烏蘭烏蘇春玉米生殖階段以及全生長季也呈顯著縮短趨勢，其它站玉米生育期的變化趨勢不顯著。

若玉米品種在各年代更替，則各站點玉米生育階段也隨之改變。哈密站春玉米和喀什站夏玉米營養生長、生殖生長階段以及全生長季縮短的趨勢得到緩解；喀什站夏玉米全生長季縮短趨勢明顯減緩，由原來的3.8d·10a-1減緩為1.8d·10a-1，哈密站和烏蘭烏蘇站春玉米全生長季甚至出現極顯著延長趨勢，庫爾勒站夏玉米全生長季無明顯變化趨勢。開花-成熟期即生殖生長階段的長度及該階段在全生育期所占比例，直接影響干物質向籽粒轉移和最終產量，經統計（圖3），品種更替條件下烏蘭烏蘇和哈密站春玉米生殖生長階段在全生長季的占比均明顯增加，夏玉米的變化趨勢不顯著。

可見，在氣候變化背景下，品種更替使典型站點玉米生育期的變化趨勢發生了明顯有利的改變。春玉米表現為生育期延長，且生殖階段占比提高，而夏玉米表現為生育期縮短趨勢的減小。

表5 品種不更替和更替條件下玉米營養生長、生殖生長階段和全生長季天數變化趨勢(d·10a-1)Table 5 Trend rate of days during VGP, RGP, and WGP under the scenarios of varieties replacement or not(d·10y-1)

圖3 各站品種更替/不更替情景下模擬的玉米生殖生長階段占生長季的比例Fig.3 The proportion of simulated maize RGP in WGP under the scenarios of variety replacement or not

2.2.3 品種更替對玉米產量的影響

由圖4 和表6 可見，研究期內，假如玉米品種不更替即一直沿用20 世紀80年代的品種，在氣候變化背景下，哈密站的春玉米產量會顯著下降，下降速率達938.28kg·hm-2·10a-1（P＜0.01）；其它站點不管是春玉米還是夏玉米產量變化趨勢均不顯著。如果各站點品種隨氣候變化發生更替，則各站點玉米產量的變化趨勢也會隨之改變，具體表現為：哈密站春玉米產量下降趨勢被遏制，變為不顯著；其它原來變化趨勢不顯著站點的產量會發生不同程度的改變，烏蘭烏蘇站的春玉米和喀什站夏玉米產量均極顯著增加，變化趨勢分別可達672.42kg·hm-2·10a-1和587.34kg·hm-2·10a-1；僅庫爾勒站夏玉米產量仍然無明顯的變化趨勢。可見，總體上看，在氣候變化背景下，品種更替給典型站點玉米產量的變化趨勢帶來了明顯有利的改變。

圖4 各站品種更替/不更替情景下模擬的玉米產量逐年變化過程Fig.4 Variation course of the simulated maize yield under the scenarios of variety replacement or not

表6 品種更替/不更替情景下玉米產量變化傾向率Table 6 Trend rate of simulated maize yield under the scenarios of varieties replacement or not

2.3 氣候變化背景下品種更替對光熱資源利用效率的影響

2.3.1 熱量利用效率

基于玉米生長季有效積溫以及逐年產量，利用式（11）得到玉米熱量利用效率，如圖5 和表7 所示。由圖表可見，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀80年代的品種，氣候變化背景下，僅哈密站春玉米熱量資源利用效率呈極顯著降低（P＜0.01），平均為0.53kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1，其它站點雖有減少，但變化趨勢均不顯著。若各站點品種隨年代更替，烏蘭烏蘇站春玉米和喀什站夏玉米的熱量利用效率則均呈極顯著增加趨勢（P＜0.01），分別為0.18kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1和0.33kg·hm-2·(℃· d)-1·10a-1。可見品種更替顯著提高了玉米熱量利用效率。其中烏蘭烏蘇站從4.32kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.53kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.96%，哈密站從4.36kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.79kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了9.92%；庫爾勒站從5.10kg·hm-2·(℃·d)-1提高到5.28kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了3.53%，喀什站從6.68kg·hm-2·(℃·d)-1提高到7.00kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.76%。表明氣候變化背景下，品種更替對玉米熱量利用效率有顯著的提升。

圖5 1981-2019年品種更替/不更替條件下熱量利用效率變化Fig.5 Variation course in the heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表7 品種更替/不更替條件下玉米熱量利用效率變化趨勢Table 7 Trend of heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

2.3.2 輻射利用效率

利用式（12）得到輻射利用率變化如圖6 和表8。由圖表可見，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀80年代的品種，氣候變化背景下僅哈密站春玉米輻射利用效率呈極顯著減少的趨勢，平均為0.064g·MJ-1·10a-1（P＜0.01）。與熱量利用效率不同的是，庫爾勒和喀什站夏玉米在品種不更替情形下，輻射利用率表現為增加，但變化趨勢不顯著。品種更替后，哈密站春玉米輻射利用率仍呈極顯著減少趨勢，平均為0.016g·MJ-1·10a-1（P＜0.01），較品種更替之前，減少了0.048g·MJ-1·10a-1。其它站點在品種更替提條件下，輻射利用率均表現為增加，但變化趨勢不顯著。比較其平均值，烏蘭烏蘇站從0.63g·MJ-1提高到0.68g·MJ-1，提高了7.86%，哈密站從0.62g·MJ-1提高到0.67g·MJ-1，提高了8.60%；庫爾勒站從0.82g·MJ-1提高到0.85g·MJ-1，提高了4.35%，喀什站從0.92g·MJ-1提高到0.97g·MJ-1，提高了4.90%。可見，在氣候變化背景下，品種更替對玉米的熱量利用效率有顯著的提升。綜合熱量利用效率的變化可知，品種更替對玉米高效利用生長季的農業氣候資源起了積極作用。

圖6 1981-2019年品種更替/品種不更替條件下輻射利用率變化Fig.6 Variation course in the radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表8 品種更替/不更替情景下玉米輻射利用率變化率Table 8 Trend of radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

3 討論與結論

3.1 討論

全球氣候變化背景下，新疆地區光溫氣候資源發生了顯著變化。前人研究發現，北疆大部分地區≥10℃積溫呈增加趨勢[33]，但全年輻射呈減少趨勢[34]。本研究中玉米生長季內熱量資源變化與前人研究結果相似，但輻射資源總體呈增加趨勢，主要原因是新疆地區輻射主要是在冬季減少[34]，而本文研究時段是玉米的生長季以及不同生育階段。

品種更替是作物適應氣候變化重要途徑之一。前人研究表明，品種更替延長玉米生育期，進而提高產量[35]，同時玉米氣候資源利用率也得到提高[36]。為進一步探究品種更替對新疆玉米光溫利用效率的影響，本研究結合APSIM 模型，分析了1981-2019年新疆4 個典型站點玉米生育階段及光溫潛在產量演變，發現品種更替延長了玉米的生育期，但春玉米和夏玉米有所差異，品種更替使春玉米生育期由縮短變為延長，而夏玉米雖仍為縮短趨勢，但趨勢減小。這可能是由于品種更替未能完全抵消氣候變化對夏玉米的負面影響。前人研究表明，1960-2005年新疆春、夏和秋季分別增溫0.74℃、0.94℃和1.97℃[37]，溫度增加導致玉米生長發育加快[38]，而夏秋季節的增溫顯著高于春季，導致夏玉米受到增溫效應大于春玉米，從而氣候變化背景下生育期縮短程度較春玉米更大。分析玉米生殖生長階段占全生育期比例發現，品種更替顯著提高玉米生殖生長階段占全生育期比例。而生殖生長階段是物質向籽粒中轉移的關鍵時期[39]，該時期的延長，有利于玉米籽粒干物質積累和產量提升[38]。這與前人研究玉米的品種更替，生殖生長比例增加結果較一致[35]。本研究中，雖然夏玉米的生育期在品種更替之后仍然表現為縮短的趨勢，但其產量卻呈增加趨勢。這可能是由于品種更替，玉米光合效率有所提高[40]，使干物質積累增加。而品種更替條件下春玉米和夏玉米熱量和輻射利用效率均有所提高，這與其產量提高密切相關。

本研究也存在一些不足，需今后進一步深入。首先，農業氣象試驗站玉米產量低于當地高產試驗，利用農業氣象試驗站數據進行調參驗證后的APSIM模型，模擬的玉米光溫潛在產量偏低，導致其光熱資源利用效率偏低。其次，僅對玉米發育期和產量進行調參，而未考慮生物量和葉面積動態變化，可能會導致模擬結果有一定偏差。同時，在考慮氣候要素變化影響時，沒有考慮CO2的肥效作用，這也是產量模擬值偏低原因之一。最后，新疆氣候存在區域差異性，而本研究僅選擇4 個典型站點，今后需選取更多站點代表不同區域氣候，系統研究氣候變化對新疆玉米影響。

3.2 結論

（1）調參驗證后的APSIM-Maize 模型在新疆地區有較好的適用性，在生育期和產量模擬方面誤差均在允許范圍內。

（2）整體來說，1981-2019年新疆玉米生長季內熱量資源和輻射資源呈增加趨勢，其中春玉米以生殖生長階段增加為主，夏玉米以營養生長階段的增加為主。

（3）氣候變化導致春玉米和夏玉米生育期縮短、產量降低。品種更替條件下玉米生育期的變化趨勢發生了明顯有利的改變，其中春玉米表現為生育期延長，而夏玉米表現為縮短趨勢的減小。同時，品種更替顯著增加了春玉米花后生育階段的比例，夏玉米變化趨勢不顯著。

（4）品種更替在提高玉米產量同時，熱量利用效率和輻射利用率均得到提高。烏蘭烏蘇站和哈密站春玉米熱量利用效率分別提高4.96%和9.92%，庫爾勒站和喀什站夏玉米分別提高3.53%和4.76%；烏蘭烏蘇站和哈密站春玉米輻射利用效率分別提高7.86%和8.60%，庫爾勒站和喀什站夏玉米分別提高4.35%和4.90%。