中国玉米种植分布与气候关系研究

陈瑞佶，张 建，刘兴舟，付 华，庄晓林，李 猛

（1宿州市农业科学院，安徽宿州234000；2泗县农技推广中心，安徽宿州234000）

0 引言

玉米是世界上种植范围最广的作物之一，适应性很强。随着近年来人口的增长，畜牧业的发展以及玉米加工技术的进步，使得玉米的需求量也越来越大，从而带动了玉米种植产业的发展。据相关数据统计，截止到2016年，中国玉米产量达2.2亿t。从现实情况来看，中国的耕地资源比较紧缺，所以通过增加耕地面积来提高产量的可行性较低，只能依赖玉米单产的提高来增加玉米总产量。然而，当前的全球变暖也使得中国的气候条件发生了一系列的变化，同时对于农业生产也有种极大的影响。对于玉米产业来讲，气候变暖让不同属性的玉米品种界限发生了变化，明显出现了北移东扩的情况，并且在很多高纬度和高海拔的区域，玉米的种植面积有所扩大[1]。尤其在东北地区，之前不适宜种植的区域逐渐向适宜种植的条件发展。另外，全球变暖也使得玉米的生育期也开始逐渐发生变化，部分地区出现了极端天气情况，使得病害情况加重。在当前情况下，挖掘玉米生产潜力，将相关有利条件加以利用，并克服不利因素，以此来让玉米达到稳定高产的状态，是学者们当前亟待解决的问题[2]。

近年来全球气候逐渐恶化，导致中国当前的国内热量分布不均衡，各地区玉米的生育期均发生较大的变化。李宗等[3]发现，随着陇东地区积温增加、降水量减少，玉米生长发育加速，营养物质积累时间缩短，玉米品质降低；李祎君等[4]、李克南等[5]研究表明，东北地区在近50 年内都表现出初霜日推迟、生育期天数延长、有效积温增加、不同熟型玉米分布界线北移的趋势；Sacks等[6]利用美国1981—2005年玉米发育期和温度数据，玉米的播种期提前10天，生育期延长12天，积温提高14%；有学者就根据热量条件划分，发现在中国辽西地区，由于当地是大陆性温带季风气候，玉米品种主要为中晚熟，该品种理论上对与玉米整个生育期积温要求在1800～2800℃[7]。太阳辐射的光照强度和光照时间，影响着作物的光合作用速率，因此光照资源是作物生命活动最重要的物质基础，玉米是光效较高的C4作物[8]。说明温度是影响玉米生产产量的主要原因之一。

由此可以发现温度会影响玉米生长情况，不同地区玉米产量应与当地气候有关，但是关于气候与玉米种植分布关系的研究较少，大部分学者都直接讨论气温造成的影响。本研究选取相关的气候因子，对玉米分布的气候适宜性进行探讨，分析中国玉米种植分布与气候之间的关系，通过研究气候变暖对中国玉米产量影响情况，以期充分挖掘玉米产量潜力。

1 资料与方法

1.1 研究资料

1.1.1 文献资料 本研究主要在搜集相关文献研究资料、统计年鉴。对相关文献进行系统的划分，参考国内外最新研究成果，为论文写作奠定理论基础。

1.1.2 作物地理分布数据 主要通过国家气象信息中心数据了解玉米分布情况，包括366 个农业气象观测站（包括套种玉米），216 农业春玉米气象观测站和夏玉米188 个农业气象观测站，各站的地理分布如图1(a、b、c)所示。

1.1.3 气象数据 气象数据主要来源于1961—2015 年中国气象中心观测站的数据采集（见图2），主要包含以站点的经纬度以及日最高、最低、平均气温以及降水量。

1.2 研究方法

当前在物种分布的研究中已经有很多模型被证实可行，主要有动态模拟模型、广义线性模型、生态位模型、最大熵模型[9-13]等。其中，最为实用的模型是最大熵模型，由于其预测能力较强、精度较高，非常适合用在作物最优分布的研究中。本研究也是基于最大熵模型，主要研究方式是通过特定空间区域布局，寻找相关限制条件，并且构筑约束集合，基于此建立相互关系。

图2 中国气象台站地理分布

1.3 研究指标

农业气候资源以及作物种植分布的情况主要取决与光、温度、水分这些因素的配合。在这些条件中，水分属于必要条件，但是，积温、夏温和冬冷情况对于作物的产量、种植布局等都有一定的影响[14]。另外，还有学者提出农作物的分布情况跟地区的水源预计热源有着很大的关系。结合学者的研究本研究将农作物分布的3种因素归纳如下：首先是最低耐受温度；其次是所需生长季节的长度和供热；最后是雨棚的形成和维护供水[15]。

本研究主要基于当前的玉米气候区划，结合相关研究成果，基于全国性的层面来筛选出影响中国玉米种植分布的潜在气候因子，具体见表1 所示。在这些因子中，最冷月份的平均气温也就是玉米成长过程中最能忍受的气温。而像日平均气温、最热月份的气温、以及温度的年温度范围分别反映了来自热积累和强度的供热。利用年降水量和湿润指数评价该地区的供水状况，湿润指数越大，气候的湿润度对于地区的降水问题有着很好的解释[16-17]。

根据图3 可以看出，训练数据集的AUC 值为0.834，验证数据集的AUC 值为0.804，精度都比较高，以此说明了该模型对于玉米气候适宜性的分析非常可靠。

1.4 统计分析

采用ANUSPLIN对研究区内站点气候要素进行空间插值，为气候资源的时空变化格局分析和气候适宜性研究提供数据支撑[18]。

2 结果与分析

2.1 玉米气候适宜性模型验证

笔者在研究过程中主要将1980 年以来关于玉米气候区划、气候适宜性指标相关文献进行综合和分类方法的数据库。中国玉米种植区主要有地理分布资料和气候资料。数据主要包含了降水量、站点经纬度、气温等要素运行MaxEnt 模型。最后得出的玉米气候的适宜性模型entropy 是8.55，标准化线性预测常数为5.9，标准化密度常数为926.6，具体参数见表2所示：

表1 影响中国玉米种植分布的潜在气候因子

图3 玉米气候适宜性模型的ROC曲线图

通过图4中的玉米气候适宜性模型曲线图可以看出，训练数据集的AUC值是0.835，效果很好。验证数据集的AUC值是0.743，效果“一般”，总体情况来看模型精度较高，结果具有可信性。

2.2 影响玉米气候适宜性分布的主要因子

图5主要是基于刀切法来对玉米气候适应性的影响因素进行检验。根据图5 可以看出，以潜在生长期积温为基础的玉米气候适宜度模型的增益值是最高的（最长的是深蓝色的柱形图），这表明因子本身具有最有效的信息，不包括平均每日TE。玉米生育期的变化，以及玉米气候适宜度模型与其他气候因子的关系。最低值（最短的浅蓝色柱），表明潜在生长期的日平均温度是其他气候因素所不具备的最有效的信息[19]。

根据以上的数据验证集分析以及刀切法的验证结果情况，通过MaxEnt模型对影响中国玉米气候适宜性的因子贡献率进行分析，具体见表3所示。

基于相关学者的研究，本研究将累积贡献率设定为95%，因此可以筛选出4个主导因子，根据贡献率从小到大进行排列分别为：潜在生育期蒸散总量(1.7%)、潜在生育期降水总量(12.1%)、潜在生育期日平均气温(27.3%)以及潜在生育期积温(55.5%)，这几个因子的累积贡献率为96.6%。

表2 中国玉米气候适宜性模型参数

图4 玉米气候适宜性模型的ROC曲线图

图5 气候因子对玉米气候适宜性影响的刀切法检验

表3 影响中国玉米气候适宜性的气候因子贡献率 %

本研究通过绘制响应曲线图来对主导气候因子都玉米气候适应性问题进行分析，了解其影响情况，具体见图6 所示。其中横坐标代表气候因子的变化值，纵坐标代表了玉米生长情况。

由图6a可知，潜在生长期积温对玉米气候适宜性的影响是贡献率最高的主导气候因子[20]。从图中的曲线变化情况能够看出，玉米的适宜性呈现出增加的趋势，积温在2250～2521℃范围情况下，玉米发生的概率是在0.05～0.33 之间，处于次适宜气候，积温在2737～3536℃范围情况下，玉米存在概率是0.34～0.51，气候适宜，当积温在2737～3536℃范围情况下，玉米存在概率是0.52～0.8，呈现出最适宜情况。

从图6b可知，玉米的存在概率主要是随着生长期日平均气温的升高而增加[21]。平均气温在17℃以下时，属于不适宜，超过17℃的时候，玉米存在概率超过0.05，气候向次适宜情况发展，当平均气温超过18.2℃的时候，玉米存在概率向0.34发展，气候发展为适宜状态，当平均气温达到20.1℃的时候，玉米存在概率为0.68，达到最适宜的水平，随着日平均气温的再度增长，玉米存在概率保持在0.55之间。

从图6c可知，玉米存在概率随着降雨量的增长呈现出先增长后下降的趋势。当潜在生长期降水量低于210 mm时，玉米气候属于不适宜状态。当潜在生长期降水量在210～350 mm 区间，玉米的气候适宜性达到次适宜水平。随着降水总量的增加，玉米存在的概率保持在0.33以上，达到了适宜的水平。其中，当总降水量为615～680 mm时，玉米达到最适宜状态，但是降水量超过680 mm时，玉米存在概率呈现下降的趋势，保持在适宜状态。

从图6d 可知，随着蒸散总量的增长，玉米气候适宜性逐渐增长。当潜在生育期蒸散总量小于610 mm时，呈现出不适宜状态。当潜在生育期蒸散总量在610～790 mm时，适宜性呈现出次适宜的状态。当潜在生育期蒸散总量达到800 mm 的时候，呈现出适宜状态，当潜在生育期总蒸散量超过1200 mm，达到最适宜的状态。

图6 中国玉米气候适宜性对主导气候因子的响应曲线

2.3 玉米种植分布及气候适宜性划分

本研究对于影响玉米分布的气候因子主要是基于当前学者的研究进行的总结，这些潜在气候因子对中国玉米种植分布的贡献程度尚未从国家层面和年度尺度上进行定量评价，这对于变量选取的准确性有一定的影响，从而也会对本研究的模型构建问题存在一定的影响，所以需要对影响玉米种植分布潜在气候因子的贡献率进行分析，从而对主导因子进行筛选[22-23]。根据最大熵模型的刀切模型计算了潜在气候因子对玉米种植分布的贡献。如表4中所示，6个因素的累计贡献率达到93.3%。

根据以上6个主要因子的分析，继续运用MaxEnt模型分析中国玉米种植气候关系情况，得到了预测区玉米作物存在的概率。基于研究中的划分标准情况，p＜0.05 为不适宜种植玉米的区域，p≥0.05 的区域为玉米种植面积，然后进一步对种植面积进行分级，分级情况如下：0.05≤p＜0.33属于次适宜区域，0.33≤p＜0.66属于适宜区域；p≥0.66属于最适宜区域[24-25]。然后，基于ArcGIS 9.3 软件，对中国玉米潜在种植分布和气候适宜性进行分类，结果如图7所示：

表4 影响中国玉米种植分布潜在气候因子的贡献百分率%

3 结论与讨论

从前文模型得出的结果来看，总体来讲玉米分布非常的广泛，在中国各个区域都有所分布。但是从适宜度情况来看，由于气候条件带来的影响，玉米种植区域主要呈现出由东北—西南的狭长带分布。从适宜条件来讲，吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、河南、山东等玉米种植气候最适宜区，主要是因为这几个区域的气候类型是温带和寒温带气候，水热条件都非常符合玉米的生长需求。其次内蒙古、黑龙江、重庆、安徽、山东、湖北等地属于气候适宜区，主要是因为这些区域气候条件为暖温带半湿润气候，不管是气温条件还是灌溉条件都适合玉米种植。内蒙古西部、新疆、甘肃、江西、贵州、湖南、广西、广东、海南、浙江、福建、台湾等这些地区属于次适宜区域，这些地区的有的气温早晚温差大，并且自然降雨量较小，气候比较干燥，有的地区虽然降低量比较丰富，但是容易受到台风、热害条件的影响，没有办法发挥自身的资源效率。青海和西藏、新疆北部和南部、黑龙江北部和内蒙古东部等地区属于不适宜区域，大部分由于地区气候高寒、干旱、或无灌溉条件，不宜种植玉米，是玉米种植不利的地区。在相关影响因子中，水热条件的影响非常严重，但是也存在一定的特殊性，在一定的区域范围下，玉米的生长是随着热量水分的增长而更加有利，但是如果过多的热量和水分也会存在这一定的负面作用。因此，可以说水热的作用影响玉米种植分布，但是并不是单一的影响因素[26]。

本研究在前人的研究成果上，对玉米种植分布和气候适宜性条件，并且对气候适宜性进行划分，以期能够为中国玉米农业生产有所裨益。

图7 中国玉米潜在种植分布的气候适宜性划分图