东北地区玉米气候适宜评价指标的确定与验证

谭方颖，宋迎波，毛留喜，王建林

(1.国家气象中心， 北京 100081； 2.宁夏回族自治区气象局， 宁夏 银川 750002)



东北地区玉米气候适宜评价指标的确定与验证

谭方颖1，宋迎波1，毛留喜1，王建林2

(1.国家气象中心， 北京 100081； 2.宁夏回族自治区气象局， 宁夏 银川 750002)

为科学、定量地评价气象条件对玉米生长发育及产量形成的影响，以东北地区为例，利用模糊数学原理，在考虑了玉米生物学特性的基础上，结合农业气象业务服务指标，构建了东北区温度、水分、日照适宜度模型，采用几何平均法计算了玉米气候适宜度。考虑到不同发育期气候条件对玉米产量形成影响程度的客观差异，运用相关系数法设定玉米生育期内各旬对产量的权重，采用加权平均法构建了玉米播种至任意时段的气候适宜指数。利用各时段历史气候适宜指数最大值、平均值、最小值，确定了不同等级的气候适宜评价指标。基于该指标将1993—2011年玉米全生育期气候适宜指数划分为气候适宜、较适宜、较不适宜和不适宜4个等级，并将该指标进行验证。检验结果表明：东北地区玉米气候适宜等级与生育期内气象条件的优劣具有很好的一致性，播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟3个阶段的气候适宜等级与产量增减幅度的相关性十分显著(P≤0.05)，且越接近成熟期，相关性越明显；气候适宜等级能够较准确地反映出玉米生育期内气象条件的优劣变化及逐年、典型灾害年产量的实际情况。

玉米；气候适宜度；气候适宜指数；评价指标

气候适宜度是把温度、光照、降水等气候要素的数量变化，通过模糊数学中的隶属函数转化成对作物生长发育、产量形成的适宜程度[1]。随着农业气候适宜度的提出，国内不少学者对其进行了系统的分析探讨，纵观国内学者近20年来在该领域的研究,主要集中在气候适宜度在气候要素隶属函数的建立[2-7]、作物生育期气象条件评价[8-11]、气候变化影响评价[6，12-15]、作物产量预报[16-18]等方面。景毅刚等[19]利用气候适宜度模型对陕西关中地区1986年以来的冬小麦不同生育期和全生育期的气候适宜度进行计算和分析，得到冬小麦生长发育期间温度适宜度和光照适宜度最高，降水适宜度最小的结论；任玉玉等[20]分析了河南省1961—2000年全省及各站点适宜度的变化趋势，并对1981—2000年各站点适宜度的变化趋势根据变化的方向和强度进行分类，将河南省划分为适宜度强增长型、弱增长型、减弱型；姚树然等[21]对棉花各个发育期气候适宜度及其时空分布进行计算分析，划分出河北省棉花温度、降水、日照适宜度的高低值地区；赖纯佳等[22]基于淮河流域双季稻的温度、降水、日照和气候适宜度划分出水稻种植的最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区；李昊宇等[23]、李树岩等[24]、孙小龙等[25]、侯英雨等[26]以气候适宜度为基础，建立了冬小麦、玉米发育期预报模型；柳芳等[27]通过参数修订建立了适合天津地区的棉花各生育期温、光、水气候适宜度评价模型和适宜度指数，并建立了棉花不同生育期的产量动态预报模型。可见，以往对气候适宜度的研究主要集中在模型的建立与应用方面，而气候适宜度作为评价气候对作物生长发育定量化影响的主要途径之一，目前对气候适宜评价指标的研究[28-29]却甚少。

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米生产在国民经济中占有重要地位，因此，定量综合评价玉米生育期内光、温、水条件的优劣，对指导玉米生产具有十分重要的意义。东北地区是我国最大的玉米优势种植区，本研究以东北地区为例，开展玉米气候适宜程度评价指标研究，旨在为客观、定量评价气象条件对玉米生长发育及产量形成的影响提供一种方法，以期提升农业气象业务服务定量化水平，为政府及农业部门指导玉米生产提供科学参考。

1　资料与处理

1.1资料

本文所用气象资料包括东北玉米产区(黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东部)43个代表站1993—2011年逐日最高气温、最低气温、降水量、日照时数；土壤相对湿度资料为上述43个代表站(或邻近观测站)1993—2011年20 cm土壤相对湿度观测资料；鉴于发育期观测始自20世纪90年代初期，为充分使用其前期气象资料，本研究玉米发育期统一使用2002—2004年发育期平均值；各发育期(最高温度、最适温度和最低温度)温度和20 cm土壤相对湿度(以下简称土壤相对湿度)指标[30]见表1，以上资料来自国家气象信息中心。产量资料为黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古4个省1981—2011年的玉米平均单产资料，来自国家统计局。本文研究对象为东北地区，并将43个站点资料的算术平均值，作为相关研究资料。

表1　东北地区玉米各发育阶段温度、土壤相对湿度指标

1.2资料处理

1.2.1发育期资料本文规定，发育期在每月5、15、25日之前为上一旬，之后为当旬，东北地区玉米各发育阶段起止时间见表2。

1.2.2产量资料影响作物产量形成的因素很多,一般可划分为气象条件、农技措施和“随机 因子”三大类。其中农技措施反映了一定历史时期的社会生产发展水平,称为时间技术趋势产量，简称趋势产量，“随机因子”所占比例很小，在实际计算中常被忽略,因此其一般通式为：

Y=Yt+Yw

(1)

式中，Y为作物实际产量(单产)，Yt为趋势产量，Yw为气象产量。

表2　玉米各发育阶段起止时间

本研究根据东北区玉米历史单产变化特点，建立符合其变化趋势的回归模型，得到趋势产量值Yt，进而得到气象产量Yw，并用相对气象产量(Ywr)表示。

2　气候适宜度模型的建立

2.1温度适宜度

基于模糊数学原理，结合玉米各发育阶段最高温度、最适温度、最低温度，建立温度适宜度模型[31]，见式(2)。

(2)

式中，F(ti)为玉米各站点逐日温度适宜度，ti为逐日平均气温(℃)，tl、th、t0分别为玉米各发育阶段所需最低气温、最高气温和适宜气温。当ti>th和ti

本文玉米各发育期以旬来界定，因此，旬温度适宜度计算方法为：

(3)

式中，Fj(t)为逐旬温度适宜度，Fj(ti)为日温度适宜度，n为旬内天数，n=10或8、9、11。

2.2水分适宜度

2.2.1土壤水分适宜度土壤相对湿度的大小是最直接评判玉米水分供应条件好坏的因子，通过式(4)计算旬土壤水分适宜度[28]：

(4)

式中，Fj(w)为各站点旬土壤水分适宜度，wj为旬实际土壤相对湿度，W0j为旬适宜土壤相对湿度(表1)。

2.2.2降水适宜度在农业气象业务服务中，一般将降水距平百分率在-30%～30%之间定义为降水量接近于常年同期，能够适应该地区作物生长发育的需要，而降水偏少(降水距平百分率<-30%)和偏多(降水距平百分率>30%)都将影响玉米生长发育和产量形成[32-33]。因此，结合前人研究成果[28]，旬降水适宜度模型建立如下：

(5)

Δpj=(pj-Rj)/Rj×100%

式中，Fj(p)为各站点旬降水适宜度，pj为旬降水量，Rj为旬降水量多年(1981—2010年)平均值，Δpj为旬降水距平百分率。

在计算土壤水分适宜度和降水适宜度的基础上，按照以下原则确定玉米各发育阶段的水分适宜度，见式(6)。

(6)

2.3日照适宜度

由于玉米是短日照作物，适当的短日照有利于其生长发育，但日照不足也将导致玉米叶片光合作用减弱，生长缓慢[26]，影响产量形成，结合农业气象业务服务常用指标，旬日照适宜度模型见式(7)：

(7)

hj=〔(sj-Hj)/Hj〕×100%

式中，Fj(s)为各站点旬日照适宜度，j代表旬序列，sj为旬实际日照时数，hj为旬日照时数距平百分率，Hj为旬日照时数常年(1981—2010年)值。

东北地区玉米逐旬温度、水分、日照适宜度为43个站点的算术平均值。

2.4气候适宜度模型

为了综合反映温度、水分、日照三个因素对玉米生长发育和产量形成的影响，东北地区旬气候适宜度模型建立如下：

(8)

3　气候适宜评价指标的确定

3.1气候适宜指数

为客观反映不同时期气象条件对玉米产量的影响程度，玉米播种至任意发育阶段的气候适宜指数由各旬气候适宜度的加权平均求得，见式(9)。

(9)

式中，F(IC)为播种至任意发育期的气候适宜指数，Kj为气候适宜度对产量的逐旬影响系数，Rj为逐旬气候适宜度Fj(c)与气象产量Ywr的相关系数，n为玉米播种至任意发育期的旬数。

3.2气候适宜评价指标

根据上述方法，计算得到1993—2011年玉米播种～出苗、播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟4个时段的气候适宜指数，依据式(10)原则[28]，确定了各时段适宜、较适宜、较不适宜、不适宜4个级别气候适宜程度的评价指标F1，F2，F3，计算结果见表3。

(10)

式中，F(IC)为玉米播种至任意发育期的气候适宜指数，F(IC)max、F(IC)ave、F(IC)min分别为1993—2011年气候适宜指数中最大值、平均值和最小值。

表3　玉米播种至不同发育期不同级别气候适宜评价指标

4　气候适宜评价指标的验证及应用

利用表3气候适宜评价指标，基于式(11)原则，将播种～出苗、播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟4个时段气候适宜指数划分为适宜、较适宜、较不适宜和不适宜4个等级。

(11)

4.1整体相关性检验

气象条件适宜与否，最终都要通过产量高低来检验。将1993—2011年玉米播种～出苗、播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟4个时段气候适宜等级与逐年气象产量进行相关性分析，结果见表4。可见，玉米气象产量与4个时段气候适宜等级均呈负相关，说明气候适宜等级越大(气象条件越不适宜)，气象产量越低，气象条件对产量形成越不利。从发育阶段来看，除播种～出苗外的所有时段均通过了信度P≤0.05显著性相关检验，且从播种开始越接近成熟期，相关性越显著。

4.2典型灾害年检验

据文献和农业气象情报记录[34]，1997年、2000年和2007年东北地区均发生了严重的干旱，气候适宜等级评价结果显示，除1997年播种～出苗阶段气候适宜等级为2级外，其余时段均为3级或4级，其玉米单产分别为4 804.5 kg·hm-2、4 411.6 kg·hm-2和5 177.6 kg·hm-2，对应的气象产量为-13.8%、-22.6%和-9.5%，是歉产年，其中2007年8月中下旬东北地区大部旱情也得到缓解，气候适宜等级由4级转为3级(图1)，但仍无法扭转前期产量损失，与4.1节的结论一致。

表4　玉米气象产量与播种至不同发育阶段气候适宜等级相关分析结果

图1东北地区典型年玉米播种～成熟气候适宜等级与相应年气象产量

Fig.1Climatic suitability degree and meteorological yield of maize from sowing to maturity in northeast of China during typical years

4.3应用检验

当全生育期气象条件评价为适宜和较适宜(气候适宜等级为1和2)时，一般为增产年(气象产量≥0)。1993—2011年(共19年)中，玉米全生育期气候适宜等级为1和2的年份有11年，81.8%的年份气象产量>0，其中气候适宜等级为1时，66.7%的年份气象产量≥5%，气候适宜等级为2时，25.0%的年份气象产量在0～5%之间；当评价气象条件为较不适宜和不适宜(气候适宜等级为3和4)时，一般为减产年(气象产量<0)，1993—2011年共19年中，玉米全生育期气候适宜等级为3和4的年份有8年，87.5%的年份气象产量<0，其中气候适宜等级为3时，50.0%年份气象产量在-5%～0之间，气候适宜等级为4时(1997年，2000年)，100%的年份气象产量<-5%(图2)。

图21993—2011年东北区玉米全生育期气候适宜等级与气象产量

Fig.2Climatic suitability degree and meteorological yield of maize during the whole growth period from 1993 to 2011 in northeast of China

5　结果与讨论

1) 本文利用模糊数学原理，基于玉米生物学特性，结合农业气象业务服务指标，建立了东北区玉米温度、水分、日照及气候适宜度模型；计算了玉米播种～出苗、播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟4个时段的气候适宜指数，确定了东北区玉米发育期内各时段气候适宜、较适宜、较不适宜、不适宜4个等级的评价指标。

2) 基于气候适宜评价指标将播种～出苗、播种～拔节、播种～乳熟、播种～成熟4个时段气候适宜等级进行划分与应用，结果表明，气候适宜等级与玉米生育期内气象条件优劣具有很好的一致性，除播种～出苗阶段外，其余3个时段的气候适宜等级与气象产量的相关性均可通过信度P≤0.05显著性检验，且越接近成熟期，两者相关性越显著，与宫丽娟等[1]研究结论一致；也说明前期气象条件的优劣对最终产量的影响相对较小，即前期气象条件较差(好)，后期还有很大逆转空间，而后期气象条件偏差，对产量的影响则很难挽回。检验结果显示，气候适宜等级与气象产量增减幅度具有很好的对应关系，且能够准确的反映典型灾害年的实际情况，应用效果较好；当评价等级为2和3时，与气象产量在-5%～5%之间的对应关系略差，可能是由于在玉米大面积播种前或收获后，仍存在干旱、连阴雨等农业气象灾害，从而导致产量的减少，或者短时灾害性天气在建立各气象要素气候适宜度模型时被平滑掉所致。

3) 本文所用数据资料容易获得，方法简洁易操作，旨在提供一种客观、科学的作物气候适宜程度评价指标确定方法，因此可作为研究参考，在全国玉米种植区及其它作物中推广使用。

4) 本文研究区域为东北区，未针对区域内各代表站玉米气候适宜评价指标进行逐一计算，所用玉米各发育期气象和发育期指标未考虑气候变化的影响以及玉米品种对气候的不同要求；在建立降水和日照适宜度模型时，考虑到玉米在东北地区长期以来的适应性，以及与实际农业气象业务服务指标的一致性，将降水和日照距平百分率作为模型中的主要评价指标，玉米生物学指标考虑的略少。解决了上述因素后，玉米气候适宜评价指标则更能客观地反映出气象条件对玉米生长发育及产量形成的满足程度，更好地为农业部门开展农作物生长条件评价、预估玉米产量趋势及政府部门指导农业生产提供参考。

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Identification and validation of climatic suitability indicator of maize in Northeast China

TAN Fang-ying1, SONG Ying-bo1, MAO Liu-xi1, WANG Jian-lin2

(1.National Meteorological Center, Beijing 100081, China;2.NingxiaMeteorologicalService,Yinchuan,Ningxia750002,China)

In order to assess the effects of meteorological conditions on growth and yield of maize scientifically and quantifiably, Northeast China was taken as an example using fuzzy mathematics to establish suitability functions for temperature, moisture and sunshine, combined with the biological characteristics of maize and agricultural meteorological business services index. As a result, the climatic suitability of maize was calculated by geometric mean formula. Considering the objective differences in influence intensities on growth of maize by weather conditions, the correlation analysis was used to calculate the weight for each ten-day to every growth stage. Then the climate suitable index of maize from sowing to any stages of development in growth period was built by weighted average method. Through the uses of historical maximum, minimum and average climate suitable index, different grades climate suitable evaluation indexes were set up, by which the Climatic suitability indicators of every growth period were divided into four grades and the correlation between climatic suitability grades and yield of maize was analyzed from 1993 to 2011. The results showed good relations between climatic suitability grades and meteorological conditions during the growing season of maize in Northeast China. There was a significant correlation (P≤0.05) existing between climatic suitability grades of three developmental stages (seeding to jointing, seeding to milky maturity, and seeding to maturity) and the margin of increase or decrease in yield of maize. In addition, the more related between climatic suitability grades and yield, the closer to maturity it is. The climatic suitability grades can evaluate the change of climate condition during every developmental stage and reflect accurately the actual fluctuations of yield year by year and the typical years of poor harvest for maize. This method is advantageous for popularization and application.

maize; climate suitability; climate suitable index; evaluation indicators

1000-7601(2016)05-0234-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.36

2015-06-15

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206022)

谭方颖(1982—)，女，吉林东丰人，硕士，工程师，主要从事农业气象科研与服务业务工作。 E-mail：tanfangying0803@163.com。

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