黑龍江玉米生育期預估模型研究

劉 丹,初 征, 張浙銘

（1.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150036；2.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044）

1 引言

以溫度升高為主要特征的氣候變化已是不爭的事實， 也是當今重要的自然科學和社會科學共同研究的熱點問題[1]。2018年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發布的《全球升溫1.5 ℃特別報告》指出，從工業革命至今，人類活動造成的升溫約為1 ℃[2]。 在未來氣候趨于變暖的背景下，農業受到潛在影響，進而探討農業生產趨利避害的適應氣候變化措施， 這是解決未來農業適應氣候變化這一亟待解決科學問題的重要依據[3]。 目前在氣候變化背景下，學者們提出了通過調整作物種植界限、品種布局、關鍵生育期等方式適應氣候資源的變化， 而隨著未來氣候變化的進一步加強， 已有農業措施必將為適應該變化而進一步調整[4]。 已有研究表明，在未來氣候變暖過程中，我國農業總產量將減少5%-10%[5]。

玉米是世界上最主要的糧食作物之一，與水稻、小麥并列為三大糧食作物， 種植面積雖然低于水稻和小麥， 但總產量最高[6]。 玉米是近百年來我國種植面積增加最快， 單位面積產量提高最快的大田作物[7]，作為未來社會需求最多，產量增加能力最強的作物，玉米在農業生產中具有不可代替的作用。 目前已有研究表明，氣溫升高將導致玉米減產，研究更是指出，未來氣候變化下，我國東北地區玉米產量可能減少9%[8]。 因此以保障未來糧食安全的重要糧食作物玉米為例，厘清未來氣候變化對玉米種植的影響，具有代表性和借鑒意義。

生長發育過程除了受到自身遺傳特性的影響外，還受到光、溫、水等氣象資源的制約。 氣象條件會通過影響作物的干物質累計速率、 籽粒灌漿等生育期進程最終影響產量[9]。 玉米的發育期是能客觀反應玉米生長過程中對外界氣候環境包括溫度、輻射、水分等的響應及適應性， 可具體表現為玉米生育期的提前、推遲以及生育期的延長、縮短等[10]。生育期的改變會導致氣象資源的重新分配， 可能會出現氣候資源過剩或不足的情況出現， 所以生育期是研究氣候變化對玉米的影響中不可缺失的指示標志。 氣候變暖通常會導致作物生長速度加快，生育期縮短，最終表現在產量上的結果為產量下降[11-12]。 因此準確預測生育期對了解農業生產具有重要意義。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

為了分析氣候變化對東北玉米的影響， 主要采用了兩部分數據： 黑龍江地區氣象觀測數據和玉米生育期資料。

（1）氣象觀測數據：數據來源于黑龍江省逐日氣象資料，該歷史觀測數據用于建立生育期模型。

（2）本研究在整理玉米生育期資料時，因要建立二次擬合方程， 所以選擇具有較長時間序列的站點進行研究，經過對站點進行篩選，得到1971-2018年的泰來、安達、哈爾濱、尚志、佳木斯具有相同的，時間序列較為完整的生育期資料，具體分布如圖1。

圖1 研究站點分布

2.2 研究方法

玉米生育期模型建立：根據王婧瑄等[13]的研究成果中選擇日平均溫度作為多積溫穩定性影響最為關鍵的氣象因子， 假設活動積溫與發育期平均的日均溫呈非線性二次曲線關系， 本研究提出訂正模型的公式（1）：β 為訂正模型積溫， F(T0)為發育期平均溫度為T0時二次擬合曲線對應的活動積溫，F()為發育期平均溫度為時二次擬合曲線對應的活動積溫，為發育期平均溫度，d 為發育期日數。

3 結果與分析

利用擬合模型和訂正模型對各站點1971-2018出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期擬合結果如圖2 和圖3，可以看出出苗-抽雄期擬合度最好的為尚志、 哈爾濱，R2均在0.4 以上，其次為佳木斯、安達、泰來，R2均＜0.2。 抽雄-成熟期擬合最好的為佳木斯，R2為0.36，其次分別為安達、泰來、尚志，哈爾濱擬合最差。

圖2 (a)泰來站（b）安達站(c)哈爾濱站(d)尚志站(e)佳木期站出苗-抽雄期生育期平均溫度與積溫的二次擬合曲線

圖3 (a)泰來站（b）安達站(c)哈爾濱站(d)尚志站(e)佳木期站抽雄-成熟期生育期平均溫度與積溫的二次擬合曲線

將黑龍江玉米出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期平均溫度與積溫進行二次擬合，結果如表（1）所示，平均活動積溫為1296.37 ℃·d， 訂正后積溫升高約為63℃·d；抽雄-成熟期有效積溫為1196.64 ℃·d，訂正后積溫升高約48 ℃·d。 但具體站點則有所不同，其中出苗-抽雄期，泰來、佳木斯地區訂正后積溫有所降低，降低最多為佳木斯地區，約為76 ℃·d，其它地區為升高，升高最多地區為哈爾濱，升高約為193 ℃·d。 抽雄-成熟期訂正后積溫均有升高，其中升高最多的為佳木斯地區，升高約77 ℃·d，升高最少地區為哈爾濱地區，升高約19 ℃·d.

表1 擬合模型與訂正模型積溫平均值（單位：℃·d）

原模型與訂正模型對生育期預報結果對比實際玉米生育期，如表2 所示。 各模型在不同的生育期表現有所不同，原模型在出苗-抽雄期表現最好，誤差均≤訂正后模型結果；在抽雄-成熟期訂正模型效果表現更好， 訂正模型誤差均＜原模型。 在出苗-抽雄期， 泰來和尚志地區的原模型和訂正模型誤差相對最小，誤差為2 d；哈爾濱地區相對誤差最大，為9 d。在抽雄-成熟期，佳木斯原模型和訂正模型相對誤差最小，誤差為1 d，尚志地區相對誤差最大，為3 d。

表2 擬合模型、訂正模型生育期與實際生育期日數（單位：d）

根據原模型和訂正模型的實際結果發現， 已有研究對黑龍江玉米生育期并不完全適用， 因此本研究將采用分段研究的方式對玉米生育期進行預估，即在玉米的出苗-抽雄期，直接采用積溫與生育期二次擬合的方式進行預估；而在抽雄-成熟期則采用生育期內的平均溫度作為影響黑龍江玉米抽雄-成熟期積溫穩定性氣候因子。 本項目采用了如上方法對未來黑龍江玉米生育期進行預估， 達到最接近未來玉米真實生長發育期。

4 結論

氣溫是影響玉米生育期的關鍵氣象因子， 利用平均氣溫和活動積溫建立玉米生育期模型， 并對擬合結果進行訂正，結果表明，采用分段式模型方法預估玉米生育期效果好，出苗-抽雄期擬合模型預估效果更好，抽雄-成熟期訂正模型預估效果更好。