RCP情景下河南省夏玉米发育期变化及可调节热量资源估算

李树岩 潘学标 王 靖*

(1.中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，郑州 450003；3.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193)

在全球气候变暖的背景下，近50年来中国增暖明显，全国平均地表温度增加1.1 ℃[1]。农业是受全球气候变化影响最大和最直接的行业之一，气候变化背景下我国的粮食安全已受到严重威胁[2]。玉米是我国重要的粮食、饲料和经济作物。华北平原是我国夏玉米主要产区，河南省又是夏玉米种植大省，播种面积达到331.7 万hm2，总产1 752.1 万t[3]，该区夏玉米生产的稳定对保障粮食安全具有重要作用。

温度显著影响作物发育速率，气候变化情景下温度升高导致作物发育期普遍缩短，改变作物品种布局，影响作物生长过程及干物质积累与分配、产量和品质等[4-5]。前人对历史气候变化对作物发育期影响开展了较多研究[6-9]，如胡洵瑀等[7]分析了气候要素、品种及管理措施变化对河南省冬小麦和夏玉米生育期的影响。王培娟等[8]研究了春玉米关键发育期与对应界限温度的关系，结果表明不同熟性春玉米的种植北界逐渐北移东扩。穆佳等[9]定量评估了近30年东北地区玉米发育期、气象产量和种植品种对气候变化的响应。指出关键发育期呈显著的推后趋势，生长后期日数增加，全生育期延长。

近年来，根据联合国气候变化专门委员会(IPCC)构建的气候情景预测未来的气候变化，与作物生长模型相结合来探究对农业生产的影响，逐渐成为一种常规且有效的评价方法[10-13]。在与作物模型相结合的过程中，发育期模拟是基础，控制着作物生长模型在不同发育阶段的生长参数，是作物生长模型的核心模块[14-16]，因此首先要准确预估气候变化对玉米发育期的影响。赵俊芳等[17]利用APSIM模型，模拟了1961—2014年北方春玉米对气候变化的响应，表明气温和土壤温度的升高均会导致春玉米生育期(出苗、开花和成熟)日序提前，发育天数减少。袁东敏等[18]基于东北玉米生长模拟模型，模拟了SERES B2气候情景下东北玉米发育期及产量变化。李树岩等[19]根据未来增温情景，利用CERES-Maize模型模拟了气候变化对河南省夏玉米主栽品种发育期的影响。

河南省主要种植制度为冬小麦—夏玉米轮作，夏玉米成熟至下一茬作物小麦播种之间有一定时间间隔。现有研究表明，未来气候变化情景下热量资源增加，如当前玉米品种熟性不变，则玉米实际生育期势必缩短[10-13，19]，而小麦播种期没有显著提前且存在推迟趋势[20]，秋收秋种的间隔时间会加长。因此，在保证小麦整地备播的前提下，如能充分利用剩余热量资源，调整玉米为偏晚熟的品种，可以延长生育期，增加籽粒灌浆时间，提高夏玉米产量。

IPCC第五次评估报告(AR5)中采用了融入政策因素的代表性浓度路径(Representative Concentration Pathways, RCPs)情景预估未来气候变化。目前，以最新RCPs气候变化情景数据和作物模型为基础的气候变化对玉米生产影响研究多集中在北方春玉米种植区，且主要关注作物发育期长短及其产量变化，而对增暖背景下秋收秋种间可调节热量资源变化的研究较少。因此，本研究基于最新的RCPs气候变化情景数据,分析夏玉米生长季热量资源的变化。结合CERES-Maize作物模型评估未来气候变化对河南省夏玉米生育期变化的可能影响,并探讨气候变化背景下秋收秋种间夏玉米生长季可利用的热量条件，以期为该区气候资源的充分利用及夏玉米生产的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

河南省位于黄河中下游，属北亚热带向暖温带过渡地区，地势西高东低，四季分明，雨热同期，主要作物系统为冬小麦-夏玉米轮作，夏玉米6月上旬播种，9月下旬收获。夏玉米生长季太阳总辐射1 900～2 400 MJ/m2，降水量400～600 mm，≥10 ℃积温2 600～3 100 ℃·d。主要土壤类型为黄棕壤、黄褐土和棕壤等[21]。根据河南省地形和气候等特点和夏玉米品种布局将全省划分为5个区，分别为豫北Ⅰ区、豫西Ⅱ区、豫东Ⅲ区、豫西南Ⅳ区和豫南Ⅴ区(图1)。其中豫南Ⅴ区以水稻种植为主不作为研究区域。因夏玉米适播期变化趋势不显著[22]，各夏玉米主栽区采用农业气象观测站的夏玉米生长发育数据作为调参依据，夏玉米常年播种期确定为第153(Ⅰ区)、158(Ⅱ区)、158(Ⅲ区)和159天(Ⅳ区)。

Ⅰ～Ⅳ区为夏玉米主产区，Ⅴ区以水稻为主，不作为研究区域。 The zone Ⅰ-Ⅳ is main summer maize growing area and the zone Ⅴ is not in the scope of the study area because there mainly plants rice.
图1 河南省夏玉米主栽区分区
Fig.1 Agro-climatic zoning map of summer maize in Henan Province

1.2 RCP气候变化情景数据

本研究使用区域气候模式数据RegCM4.0，单向嵌套BCC_CSM 1.1(Beijing Climate Center_climate System Model version 1.1)全球气候系统模式输出结果，对中国地区进行中(RCP 4.5)和高(RCP 8.5)排放情景下1950—2099年的连续积分模拟。包括历史气候模拟(Historical)RCP rf数据和RCP 4.5、RCP 8.5这2种排放情景下未来气候变化预估数据。气候模式模拟的1961—2005年气温与观测值的偏差除青藏高原外大部分地区为 ±1 ℃，模拟的降水也与观测值有较一致的空间分布[23]。

模式中心点为35°N，105°E，东西方向格点数为160，南北方向为109，模式水平分辨率为50 km，范围覆盖整个中国及周边地区，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间尺度上RCP rf为1951—2005年；RCP 4.5和RCP 8.5情景选择年代为2006—2060年。河南全省行政区域为110°～117°E，14个格距；31.5°～36.5°N，10个格距，覆盖河南全省区域共165个格点。

1.3 CERES-Maize模型适应性评价

利用CERES-Maize作物模型模拟未来气候变化情景下夏玉米发育期的变化。CERES-Maize模型是以美国密歇根州立大学Ritchie教授为首的科学家团队研究开发，经过大量试验资料验证过的机理性模型[24-25]。CERES模型包括作物生长发育和土壤水分平衡等模块，用积温模拟发育时段，根据叶片数、叶面积增长、光的截获及其利用和干物质在各个器官中的分配等模拟作物生长[26]，已广泛应用于不同环境条件下的作物估产、作物品种选育、农业优化管理措施的决策、气候变化对农业的影响评价等[27-30]。前人应用CERES-Maize模型在华北平原进行了发育期和产量的模拟研究[31-33]，本研究建立在CERES-Maize模型在河南省适用性评价的基础上，模型调参验证所需的气象数据来自夏玉米主产区2003—2010年18个农业气象观测站，作物数据来源于相应农业气象观测站的农气观测资料，土壤数据来源于《河南土壤地理》和《河南土种志》。按照地理分布将18个农业气象观测站划分到4个夏玉米主栽区，分区进行参数的校准和验证，其中2003—2005年为模型参数校正年，2006—2010年为模型验证年。

1.4 夏玉米发育期模拟

以RCP rf基准数据驱动CERES-Maize模型，获取历史基准条件下夏玉米多年平均开花期和平均成熟期。以未来RCP 4.5和8.5这2种不同情景驱动CERES-Maize模型，模拟夏玉米开花期和成熟期，比较未来气候变化条件下夏玉米发育期变化，所有模拟输出结果与气候变化情景的分辨率相同。

1.5 可调节热量资源估算

可调节热量资源估算的重点在于确定夏玉米成熟期和小麦播种期，其中夏玉米成熟期为模型模拟结果。小麦适宜播种期确定方法为通过计算小麦越冬期，并根据各地区小麦生长所需冬前积温指标反推小麦适宜播种期，具体计算方法为：首先根据农业气象台站观测的小麦播种期和越冬期，计算各区域小麦生长冬前积温的多年平均值作为冬前积温指标(表1)。河南省小麦所需冬前积温约为500～600 ℃·d，北部多南部少。然后统计不同气候情景下小麦越冬期(连续5日平均气温<0 ℃)，结合冬前积温指标，向前反推小麦适宜播种期。

表1 河南省冬小麦适宜播期的冬前积温指标Table 1 Index of thermal time before overwintering for optimal sowing date of winter wheat

2 结果分析

2.1 CERES-Maize模型的校正和验证

如图2所示，夏玉米开花期和成熟期日序的模拟值与实测值较一致，二者基本在1∶1线和±5%的误差线附近，偏离度较小。开花期各区域模型校正与验证结果的RMSE均为2～4 d，成熟期模型参数校正结果各区域RMSE均<4 d，模型验证结果RMSE为3～7 d。校正和验证结果的NRMSE均在10%以内，表明CERES-Maize模型对河南省夏玉米发育期模拟效果较好。

图2 CERES-Maize模型发育期日序的校正(a)和验证(b)结果
Fig.2 Comparison between simulated and observed phenology of summer maize for calibration (a) and validation (b)

模型校正和验证后各区域模型参数取值见表2[34]。

2.2 RCP情景下夏玉米生长季热量资源变化

夏玉米生长季可利用的热量资源(活动积温)变化如图3所示。未来不同排放情景下夏玉米生长季热量资源均增加，其中，Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区热量资源较为接近，为3 044～3 311 (RCP 4.5)和3 003～3 958 ℃·d(RCP 8.5)，Ⅱ区热量资源较其他地区显著偏少，为2 818～3 025 (RCP 4.5)和2 769～3 081 ℃·d(RCP 8.5)。未来RCP情景下，夏玉米生长季积温变异增加，基准条件下各区变异系数为3.0%～4.5%，RCP 4.5情景下变异系数增加至3.3%～5.1%，RCP 8.5情景下变异系数为4.1%～5.3%，各情景下均是Ⅰ区的变异系数最高。

表2 各种植区夏玉米品种遗传参数Table 2 Genetic parameters of summer maize variety in each region

图3 不同气候变化情景下河南省夏玉米生长季积温变化
Fig.3 Variation of thermal time during summer maize growing season under different climate change scenarios in Henan Province

与基准条件相比未来不同排放情景下河南省夏玉米生长季热量资源变化如表3所示。气候变化情景下全省夏玉米生长季热量资源呈一致的增加趋势，生长季活动积温平均较基准条件下分别增加179 (RCP 4.5)和 235 ℃·d(RCP 8.5)，其中Ⅰ区增加幅度最大，分别较基准条件增加189 (RCP 4.5)和 252 ℃·d(RCP 8.5)，Ⅳ区增幅最小，较基准条件增加162 (RCP 4.5)和 214 ℃·d(RCP 8.5)。

表3 与基准条件相比未来气候变化情景下夏玉米生长季热量资源变化Table 3 Increase in heat resources during summer maize growing season under future RCP scenarios compared with baseline

2.3 RCP情景下夏玉米发育期变化

2.3.1RCP情景下夏玉米开花期变化

RCP情景下河南省夏玉米播种—开花期日数分布如图4所示。不同情景下播种至开花期日数均呈由西向东的减少趋势。基准条件下全省播种至开花期日数为50～65 d，洛阳、三门峡地区播种—开花期日数>55 d；RCP 4.5情景下播种—开花期日数为45～65 d，60 d以上的区域仅分布在三门峡西部，播种—开花期日数为50～55 d的区域也减少，驻马店等地在50 d以下；RCP 8.5情景下全省播种—开花期日数为45～60 d，中东部和东北部的大部分区域都为45～50 d。

图4 RCP情景下河南省夏玉米平均播种至开花期日数
Fig.4 Duration from sowing to flowering of summer maize under RCP scenarios in Henan Province

至2050s，RCP 4.5情景下全省播种—开花期平均缩短2.7 d，RCP 8.5情景下平均缩短3.4 d(表4)。其中，Ⅱ区较其他区域缩短日数更多，分别为3.6 (RCP 4.5)和4.7 d(RCP 8.5)，其他区域较为接近。

表4 与基准条件相比未来情景下不同年代河南省各种植区夏玉米播种—开花期日数变化Table 4 Change of duration from sowing to flowering of summer maize in different decades under RCP scenarios in each maize planting zone in Henan d

2.3.2RCP情景下夏玉米成熟期变化

RCP情景下夏玉米平均播种—成熟期日数如图5所示，总体上各情景下均呈自西向东减少的趋势。基准条件下除南阳地区外其他地区播种—成熟期日数为90～100 d，中东部地区为90～95 d。RCP 4.5情景下大部分地区播种—成熟期日数在85～95 d，仅洛阳以西及三门峡地区在95 d以上。RCP 8.5情景下，大部分地区播种—成熟期日数为80～95 d，其中85～90 d的区域较RCP 4.5情景下范围缩小，且南阳和驻马店地区均在85 d以下。

图5 RCP情景下河南省夏玉米平均播种至成熟期日数
Fig.5 Duration from sowing to maturing of summer maize under RCP scenarios in Henan Province

至2050s，RCP 4.5情景下全省播种至成熟期平均缩短9.4 d，RCP 8.5情景下平均缩短11.6 d(表5)。其中，豫西Ⅱ区成熟期日数缩短最多，分别为16.7 (RCP 4.5)和20.9 d(RCP 8.5)，其次是Ⅰ区。

表5 与基准值相比未来RCP情景下不同年代河南省各种植区夏玉米播种—成熟期日数变化Table 5 Change of duration from sowing to maturing of summer maize in different decades under RCP scenarios in each maize planting zone in Henan Province d

2.4 RCP情景下夏玉米可调节热量资源变化

2.4.1RCP情景下可调节热量资源空间变化

受地形和纬度的影响，不同气候变化情景下可调节的热量资源均由西向东南部逐渐增加，西部主要以山区为主，夏玉米成熟后至冬小麦播种间热量紧张，部分年份模拟的夏玉米成熟期甚至超过了推算的小麦适宜播种期，因此可供利用的热量资源较少。RCP rf条件下可调节热量资源比较丰沛的地区主要分布在南阳和驻马店地区，在800～1 000 ℃·d(图6)。未来RCP 4.5 和8.5情景下各区域可调节的热量资源较基准条件均增加，且RCP 8.5情景较RCP 4.5情景增加更多。RCP 4.5情景下可调节热量资源丰沛地区主要分布在许昌、周口、南阳和驻马店地区，在1 000～1 200 ℃·d。RCP 8.5情景下可调节热量资源丰沛地区主要分布在濮阳-郑州-南阳一线以东的大部分地区>1 000 ℃·d。

图6 RCP情景下河南省夏玉米可调节热量资源
Fig.6 The adjustable thermal resources of summer maize under RCP scenarios in Henan Province

2.4.2RCP情景下可调节热量资源及可生长日数变化

未来不同排放情景下可调节热量资源均成显著增加趋势，RCP 4.5情景下可调节热量资源为 564～1 240 ℃·d波动，平均852 ℃·d，变异系数为19.7%。RCP 8.5情景下可调节热量资源为607～1 431 ℃·d波动，平均904 ℃·d，变异系数为19.3%。与基准气候条件相比(表6)，可调节的热量资源在Ⅲ区增加最多，未来气候变化情景下分别增加244.6 (RCP 4.5)和296.8 ℃·d(RCP 8.5)，豫西Ⅱ区最少，分别增加152.3 (RCP 4.5)和215.8 ℃·d(RCP 8.5)。夏玉米可生长日数豫西南Ⅳ区增加最多，未来气候变化情景下分别增加9 (RCP 4.5)和11 d(RCP 8.5)，其他各区夏玉米可生长日数在RCP 4.5情景下分别增加8 (Ⅰ区)、6 (Ⅱ区)和8 d(Ⅲ区)，RCP 8.5情景下分别增加9 (Ⅰ区)、8 (Ⅱ区)和10 d(Ⅲ区)。

3 讨 论

不同排放情景下夏玉米生长季热量资源增幅存在显著差异，高浓度排放情景下夏玉米生育期缩短更为明显[35]。前期研究利用CERES-Maize模型模拟A2和B2情景下夏玉米发育期变化[19]，结果表明营养生长期平均缩短4.7 和3.1 d，全生育期平均

表6 河南省各区域较基准条件下可调节热量资源及可生长日数变化Table 6 Change of adjustable thermal resources and growth days of summer maize in different decades under RCP scenarios in each maize planting zone in Henan Province

缩短12.9 和8.6 d。而RCP 8.5和RCP 4.5情景大致与2000年SRES的 A2和B1情景相对应[23]，与本研究结果相比较，以高浓度排放情景为参照，A2情景下发育期缩短日数较RCP 8.5的略高，但不同的情景预估模式下夏玉米发育期变化趋势一致。

已有研究表明，如当前品种特性不变，未来气候变暖背景下玉米生育期缩短，产量下降[10-12,36]。因此，随着未来热量资源增加可进一步选种生育期更长的玉米品种，延长玉米的灌浆期，提高产量。本研究表明，未来气候变化情景下夏玉米成熟后-冬小麦播种前可调节热量资源均增加，除豫西Ⅱ区稍差外，其他地区夏玉米品种可延长生育期8～11 d，原有的中熟品种可改种中晚熟或晚熟品种，并尽可能缩短换茬时的农时耗期，以充分利用增加的热量资源实现增产。

未来气候变化条件下，为最大限度的利用气候资源，可根据不同农作物生长季节差异、生长特性和对气候要素的需求变化，进行间作套种，提高复种指数[37]。同时夏玉米可生长日数增加，可适当推迟玉米收获期，降低籽粒含水量，减少籽粒破损率利于机收，提高收获质量和产量。另外，研究应用与本地农业气候资源特点和规律相适应的配套农业技术，特别是水分高效利用的农作技术，也是提高玉米农业气候资源利用效率、促进农业可持续发展的重要手段[38]。加强农田灌溉、排涝等基础设施建设，发挥气候、土地和水等农业资源和现代栽培技术的综合作用，优化资源配置，提高整体效益。

不同熟型品种对气候变化的响应不完全一致，袁东敏等[18]研究表明，未来40年东北地区春玉米在B2情景下中早熟玉米生育期变化最明显，缩短3～6 d，偏晚熟品种则维持原有生育期长度。而本研究是假定当前品种特性和种植措施不变的基础上进行的，因此若考虑未来品种改良等气候适应性，气候变化对夏玉米发育期的影响程度将不同。

4 结 论

夏玉米生长季积温呈显著的上升趋势，较基准条件平均分别增加179 (RCP 4.5)和 235 ℃·d(RCP 8.5)。不同情景下播种—开花期和播种—成熟期日数分布均呈由西向东的减少趋势。RCP rf下播种—开花期日数大部分地区在50～65 d，未来情景下大部分地区在45～65 (RCP 4.5)和45～60 d(RCP 8.5)。播种—成熟期日数在RCP rf下除南阳地区外全省在90～100 d，未来情景下大部分地区在85～95 d(RCP 4.5)和80～95 d(RCP 8.5)。至2050s播种—开花期全省平均缩短2.7(RCP 4.5)和3.4 d(RCP 8.5)，播种—成熟期平均缩短9.4(RCP 4.5)和11.6 d(RCP 8.5)，豫西Ⅱ区缩短最多。未来气候变化情景下夏玉米成熟后至冬小麦播种前可调节热量资源均增加，豫东Ⅲ区增加最多，为 244.6(RCP 4.5)和296.8 ℃·d(RCP 8.5)，豫西Ⅱ区增加最少，为152.3(RCP 4.5)和215.8 ℃·d(RCP 8.5)。夏玉米可生长日数豫西南Ⅳ区增加最多，未来气候变化情景下分别增加9(RCP 4.5)和11 d(RCP 8.5)。其他各区夏玉米可生长日数分别增加6～8 d(RCP 4.5)和8～10 d(RCP 8.5)。

致谢

感谢国家气候中心提供的利用区域气候模式所进行的中国区域未来气候变化模拟结果。