全球氣候變暖對中國種植制度可能影響ⅩⅢ. 東北三省春玉米熟型調整的降水限制及其對產量的可能影響

李娥，趙錦?，葉清，高繼卿，楊曉光

1中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2江西農業大學林學院，南昌 330045

0 引言

【研究意義】全球氣候正在經歷以溫度升高、極端氣候事件增多為特征的顯著變化[1-2]。全球氣候變化背景下，中國的氣候特征也發生了重大變化。研究表明，1960—2018年間我國的平均增溫速率為0.28℃·(10a)-1，且增溫幅度在北方地區尤為突出[3-5]。東北地區是我國重要的商品糧基地，其玉米產量占全國產量的30%以上[6]。作為氣候變化的敏感區[7-8]，東北地區農業氣候資源也發生了顯著的變化。農業生產對氣候條件的依賴程度高，區域內農業氣候資源的變化勢必會引起作物種植界限、種植制度及種植結構的改變[9-10]。因此，科學調整作物的種植制度，才能合理利用當地變化的農業氣候資源，對保障糧食安全、提高經濟效益具有重要的意義[11-12]?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明1961—2007年間，東北三省的增溫幅度為0.38℃·(10a)-1，溫度生長期內≥10℃積溫增加，且積溫帶變化出現北移東擴的變化特征；溫度生長期內降水量呈現減少趨勢；溫度生長期內日照時數也明顯減少[13-17]。氣候變化背景下作物種植界限也發生了顯著變化。前人以熱量資源為指標，發現東北地區≥10℃積溫帶的北移東擴，引起春玉米種植界限出現顯著的北移東擴趨勢[18-21]。與此同時，1986—2015年間，東北三省的干旱呈逐年加重的趨勢，低溫冷害呈現先增加后減小的趨勢。已有對東北三省農業氣象災害影響的評估中表明，東北地區是我國受旱災影響最嚴重的地區之一，在影響東北地區的農業氣象災害中干旱所占權重最大，且干旱對玉米農業氣象災害的貢獻率隨時間呈現增加趨勢[22-26]?！颈狙芯壳腥朦c】目前對于氣候變化對東北春玉米種植界限影響的研究中大多只考慮熱量指標，考慮降水條件對品種熟型調整敏感區域影響的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本文在已有熱量資源對東北三省玉米種植界限影響和春玉米種植品種熟型調整敏感區域研究的基礎上[27-28]，進一步探討氣候變化背景下降水資源變化對東北春玉米種植區域的可能影響。通過分析比較春玉米品種熟型調整敏感區域內過去50多年降水資源時空變化特征，明確降水資源變化對春玉米種植區域品種熟型調整的可能影響，為東北春玉米種植布局調整提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文的研究區域為已有研究中[28]氣候變化引起東北地區春玉米品種熟型調整的敏感區域，其中，敏感區域是指春玉米品種熟型由于氣候變化而發生變化的區域。本文根據品種熟型調整的特征將研究區域分為5個區域，具體如表1所示，區域內包括黑龍江、吉林和遼寧三省的24個地面氣象觀測站點，站點氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網 1961—2017年的氣象數據，包括日平均氣溫、日最高溫度、日最低溫度、平均相對濕度、風速、降水量、日照時數、氣壓等氣象要素。春玉米生育期數據來自中國氣象局1981—2007年16個農業氣象試驗站的資料。研究區域及氣象站點分布見圖1。

1.2 研究指標計算方法

1.2.1 參考作物蒸散量(ET0) 參考作物蒸散量（ET0）的計算采用 FAO（1998）推薦的 Penman-Monteith公式（FAO-PM）計算。FAO-PM 計算 ET0可由下式表示（FAO-PM，1998）：

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm），Δ為水汽壓-溫度曲線的斜率（kPa·℃-1），ΔRn為作物表面的凈輻射（MJ·m-2），Tmean為2 m高度處日平均溫度（℃），U2為 2 m 高度處風速（m·s-1），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實際水汽壓（kPa），γ為干濕球常數（kPa·℃-1）。

1.2.2 作物生育期擬合與推算 氣候變化下作物的生育期呈現顯著的線性變化特征[29]，因此，本文基于已有年份的生育期數據，采用已有對于物候期隨時間變化趨勢研究的方法——趨勢分析法[30-31]，對缺少生育期記錄的年份進行插補，估算得到播種期、拔節期、抽雄吐絲期和成熟期，對缺少生育期記錄的站點，參考臨近站點的生育期來代替。各氣象站點所用農業氣象觀測試驗站生育期數據、年限及區域劃分如表1所示。

表1 所用氣象站點區域分布及生育期站點和生育期數據年限Table 1 Regional distribution of meteorological stations and growth period stations and growth period data years

1.2.3 作物需水量（ETC） 作物需水量是指作物在適宜的土壤水分和肥力水平下，經過正常生長發育,獲得高產時的植株蒸騰、棵間蒸發以及構成植株體的水量之和，表示作物完成其生育周期所需要消耗的水量總和。其計算采用FAO推薦的公式[32]：

利用氣象站點的春玉米生育期數據和春玉米需水規律，把生育期劃分為前、中、后3個時期，其中播種到拔節為前期，拔節到吐絲（開花）為中期，吐絲（開花）到成熟為后期，參考文獻[32]，確定作物的生育時期及相對應的Kc值，如表2所示。

表2 不同生育時期的劃分及作物系數Table 2 Division of different growth periods and crop coefficient

1.2.4 有效降水量（Pe） 有效降水量為總降水量與徑流量、蒸發量和深層滲漏量的差，表示降水中能被作物直接利用供其生長發育的總水量。計算方式參考文獻[33]，其計算公式為：

1.2.5 有效降水量滿足率（K） 用各個生育時期內的有效降水量與作物需水量做比值，得到各個生育時期內有效降水量滿足率K，其計算式為：

1.2.6 春玉米生產潛力 采用逐級訂正的方法，計算春玉米生長季內的生產潛力[34-36]，其計算式為：

前景化概念對詩歌的解析具有重要的作用，可以從變異和過分規則化兩個角度入手，找出其語音、語相、詞匯、句法以及語篇等各個層次上的變異和過分規則化，更好地理解作者的選擇，欣賞前景化所帶給詩歌的美感，從而為詩歌解釋提供有力的依據。

式中，YW為氣候生產潛力（kg·hm-2），YQ為光合生產潛力（kg·hm-2），YT 為光溫生產潛力（kg·hm-2），0.219為黃秉維系數，C為作物經濟系數[37-38]，Rs為逐日太陽輻射（KJ·cm-2），f(w)和f(t)分別為水分訂正函數與溫度訂正函數，計算式為：

式中，t為平均溫度，tmax、ts、tmin為作物三基點溫度，參考文獻[39-40]。

1.2.7 站次比 站次比指某一區域內某一事件的發生站點數占該區域內全部站點數的比例，用于評價某一事件影響范圍的大小[41]，即

式中，M為某區域內某一事件發生的站點數，m為該區域內全部站點數。

1.2.8 數據處理與分析 采用 Matlab 2019軟件和Microsoft Excel 2016進行數據處理與統計分析。

采用 ArcMap 10.6軟件的反距離加權插值方法（IDW）對氣象數據進行插值，設定cell size參數為0.02，生成空間柵格數據，之后采用Origin2018共同完成數據時空分布特征的表達和分析。

2 結果

2.1 1961—2017年間玉米主要生育期的變化特征

根據農業氣象觀測試驗站已有的春玉米實際生育期數據，通過趨勢分析法，確定1981—2007年間敏感區域春玉米實際生育期變化特征（圖2），估算1961—2017年間缺失的生育期數據。由圖2中可以看出，在研究區域的24個站點中，播種期呈現提前趨勢，平均提前速率為2.83d·(10a)-1，拔節期、吐絲期和成熟期呈現推遲趨勢，成熟期推遲趨勢最明顯，推遲速率最大，為3.28d·(10a)-1，生長季延長。

2.2 1961-2017年間玉米生育時期作物需水量的變化特征

根據每個站點已有的地面氣象觀測數據，計算得到不同生育時期內的作物需水量，確定每個站點不同生育時期內作物需水量的變化特征（圖3）。從空間分布來看，前期作物需水量增加的站點主要集中在區域1、區域4和區域5，中期作物需水量減少的站點主要集中在區域1、區域4和區域5，后期作物需水量增加的站點主要集中在區域1、區域2、區域4和區域5。在研究區域的24個站點中，與春玉米品種熟型調整前對比，生育前期作物需水量黑河、孫吳等站點增加，平均增加速率為0.70 mm·(10a)-1，克山、海倫等站點減少，平均減少速率為0.30 mm·(10a)-1；中期安達、哈爾濱等站點增加，平均增加速率為1.35 mm·(10a)-1，長嶺、乾安等站點減少，平均減少速率為0.73 mm·(10a)-1；后期寬甸、哈爾濱等站點增加，平均增加速率為1.04 mm·(10a)-1，齊齊哈爾、通榆等站點減少，平均減少速率為0.32 mm·(10a)-1。從總體來看，品種熟型調整后春玉米生育前期和后期作物需水量呈現增加趨勢，中期作物需水量呈現減少趨勢。

2.3 1961—2017年間玉米生育時期有效降水量的變化特征

2.4 有效降水量滿足率的變化特征

根據每個站點在春玉米生育時期內的有效降水量和作物需水量數據，確定1961—1985和1986—2017這2個時段內有效降水量滿足率在不同生育時期的分布狀況（圖5）。

由圖 5-c1、5-c2、5-c3，前、中、后 3個生育時期內有效降水量滿足率對比發現，2個時段內的前期滿足率最高，后期滿足率次之，中期滿足率最低；不同時段對比，前期時段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.90，時段Ⅰ有效降水量平均滿足率為 0.82，時段Ⅱ滿足率呈現增大趨勢；中期時段Ⅰ有效降水量平均滿足率為0.39，時段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.37，時段Ⅱ滿足率呈現減小趨勢；后期時段Ⅰ有效降水量平均滿足率為0.70，時段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.64，時段Ⅱ滿足率呈現減小趨勢。

由圖5-a1、5-b1可知，時段Ⅱ與時段Ⅰ相比，品種熟型調整后，春玉米生育前期區域1內黑河和孫吳站點西北部K值減??；區域2內明水站點區域K值增大，海倫站點減??；區域3內樺甸站點東南部K值增大；區域4內安達站點北部和東部、哈爾濱西部和南部、三岔河周邊區域、通化站點和樺甸站點區域K值增大；區域5內四平西部和北部、通榆和乾安站點區域K值增大。

由圖5-a2、5-b2可知，時段Ⅱ與時段Ⅰ相比，品種熟型調整后，春玉米生育中期區域1內黑河西北部和孫吳北部K值增大；區域2內明水和克山西部區域K值增大；區域3內虎林站點東北部和西南部、尚志站點區域K值增大；區域4內三岔河周邊區域K值減小，樺甸西部和通化北部K值增大； 區域5內通榆、乾安、前郭爾羅斯、雙遼、四平東南部和寬甸北部K值增大。

由圖5-a3、5-b3可知，時段Ⅱ與時段Ⅰ相比，品種熟型調整后，春玉米生育后期區域1內黑河和孫吳站點區域K值增大；區域2內除克山西部少部分地區K值不變外，其他區域K值均增大；區域3內尚志站點和尚志南部K值增大；區域4內齊齊哈爾站點北部和西部、安達北部、西部和南部、樺甸西部和通化北部區域K值增大；區域5內四平東部和南部、寬甸東北部區域K值增大。

2.5 生產潛力變化特征及與有效降水量滿足率相關性分析

根據之前計算所得每個站點 1961—2017年間的氣候生產潛力（YW），確定1961—1985和1986—2017 2個時段內氣候生產潛力、產量潛力穩定性、增減幅度和變化趨勢分布特征（圖6）。

由圖6-a、6-b、6-c可知，在研究區域的24個站點中，時段Ⅱ與時段Ⅰ相比，品種熟型調整后，寬甸、三岔河、臨江和明水站點平均氣候生產潛力減小，其余站點平均氣候生產潛力均出現不同程度的增加。減少站點中寬甸站點的減少量最大為920.48 kg·hm-2，臨江站點次之，減少量為372.97 kg·hm-2；增加站點中虎林站點氣候生產潛力增加最大為1 943.71 kg·hm-2。圖6-d為生產潛力變化趨勢，由此可以看出，研究區域春玉米氣候生產潛力的變化趨勢為-920—1 944 kg·hm-2，研究區域的東北部變化趨勢較高；圖6-e為生產潛力變異系數，發現研究區域春玉米氣候生產潛力變異系數為0.07—0.19，研究區域的西部的齊齊哈爾和通榆、東部的虎林和南部的寬甸站點區域氣候生產潛力變異系數較大，東南部樺甸、通化、臨江和集安站點變異系數較小。

根據生育前、中、后3個時期有效降水量滿足率與氣候生產潛力的相關關系可知（圖6-f），有效降水量滿足率與氣候生產潛力的相關性中期最高（0.26），后期次之（0.24），前期最低（0.11）。

3 討論

在全球氣候變化的背景下，我國東北地區作物生長季內氣候呈現暖干化趨勢[15]。溫度升高使得地區溫度生長期內的積溫增加，這為中晚熟玉米品種的種植提供了熱量條件。品種熟型調整在延長作物生育期的同時，增加了生育期內的作物需水量，而隨著降水量減少，作物的減產風險會加大。因此在作物品種熟型調整的敏感區域，需要綜合考慮熱量和降水的共同影響來科學調整品種，從而為區域應對氣候變化提供科學參考。

本研究結果表明，隨著熱量資源的不斷增加，東北三省春玉米品種熟型調整敏感區域內大部分站點春玉米的播種期提前，拔節期、吐絲期和成熟期推遲，生長季有延長的趨勢，這與李正國等[29,31]研究的氣候變化背景下東北三省主要作物典型物候期變化趨勢分析結果基本一致。研究區域內大部分站點作物需水量在生育前期和后期均有增加，站次比分別為 54.2%和 70.8%，大部分站點作物需水量在生育中期減少，站次比為 70.8%。大部分站點有效降水量在作物生育前期增加，站次比為 70.8%，大部分站點有效降水量在生育中期和后期均減少，站次比分別為79.2%和58.3%。大部分站點有效降水量滿足率在作物生育前期增加，站次比為70.8%，大部分站點有效降水量滿足率在生育中期和后期均減少，站次比分別為66.7%和95.8%。大部分站點氣候生產潛力（YW）增加，站次比為83.3%，這一結論與前人結果一致[34,42]。氣候生產潛力與有效降水量滿足率相關性中期最高，后期次之，前期最低，這與董朝陽等[43]發現的中期的有效降水量滿足率對產量影響最大，后期次之，前期最小的研究結果一致。本研究中玉米氣候生產潛力減小的寬甸、臨江、三岔河和明水4個站點中，寬甸站點的有效降水量滿足率在前中后3個時期均出現不同程度的減小，其生產潛力減小幅度最大；臨江和三岔河站點有效降水量滿足率在生育中期和后期出現了不同程度的減小，盡管有效降水量滿足率在生育前期有所增加，但春玉米氣候生產潛力下降，且下降幅度僅次于寬甸站點；明水站點的有效降水量滿足率在前期和中期呈增加趨勢，后期呈減小趨勢，生產潛力的降低幅度最小。

東北地區玉米主要為雨養種植，除東部年降水量大于600 mm的地區外，水分是玉米產量形成的主要限制因子[44]。盡管氣候變暖導致玉米的生長季延長，但品種熟型調整使生育期內作物需水量增加。本研究發現，氣候變化背景下東北三省的降水量呈現減少的趨勢，特別是有效降水量滿足率在水分關鍵生育期（中期和后期）不斷降低，這都不利于玉米產量形成。因此，在實際生產中春玉米品種熟型的調整除考慮熱量滿足程度外，還應該充分考慮關鍵生育期的降水滿足狀況和當地的水分管理條件，確保區域糧食豐產。

實際生產中作物最終產量除受氣候條件影響以外，還受其他社會因素的影響。本研究僅從降水資源的角度，分析氣候變化對東北三省春玉米品種熟型調整敏感區域內春玉米氣候生產潛力的可能影響，未綜合考慮該區域內作物實際產量的變化情況，還需在后續的研究過程中，獲取地區春玉米實際產量資料，與現有的研究成果進行比較，為當地春玉米種植品種熟型選取、氣候資源合理高效利用提供進一步科學依據。

4 結論

1961—2017年，玉米需水量在生育前期和后期增加，中期減少，有效降水量在前期增加，中期和后期減少，有效降水量滿足率在前期增加，中期和后期減小，作物生產潛力在研究區域北部和東部地區增大，西部和南部減小，生產潛力變異系數在東部、西部和南部地區較大。因此，敏感區域的東部、西部和南部地區仍要進一步關注品種熟型的選取，確保充分利用地區光熱水資源，在春玉米有效降水量滿足率低的生育中后期，要及時進行灌溉補充水分，保證春玉米產量。