东北地区气候变化对玉米生产的影响与对策

龚德平，龚文柳

（1荆州农业科学院，湖北荆州 434000；2昆士兰大学，澳大利亚布里斯班QLD4067）

0 引言

气候变暖对人类、生态、农业和水资源的潜在影响是各国政府、学术界和公众的主要关注点。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，在过去的100 年中，全球地表温度增长了0.74℃，在北半球的高纬度地区，总体温度增长最为明显[1]。在全球变暖的背景下，中国地表年平均温度在过去的100 年中有了显著的增长，增长幅度在0.5℃～0.8℃之间，在过去的50年中，中国北方的年平均温度上升幅度最大。对21 世纪气候变化趋势的预测表明，21 世纪，中国的气候将继续明显变暖，尤其是在北部冬季[2]。气候变化对农业生产的影响是明显而广泛的，这将增加农业生产的不稳定性，增加种植结构和布局的变化，加剧一些地区的农业气象灾害[3]。

东北是中国纬度最高的地区，主要生产玉米、大豆、春小麦、水稻、高粱等农作物，是中国最大的商品粮基地[4]。目前玉米种植面积超过600 万hm2，产量近4000 万t，约占全国的30%[5]，是中国重要玉米生产基地，在国家粮食安全保障战略中占有重要地位[6]。东北三省也是受全球气候变化影响最大的地区之一[7]。虽然改善温度条件有利于粮食生产，但伴随气候变暖和气候变异性加大，显著增加了干旱和洪水的发生。随着低温、冷害等恶劣天气频发，东北地区已成为中国粮食单产波动最大的地区之一[8]。

陈群等[9]发现黑龙江省、吉林省以及辽宁省各试验站春玉米平均成熟日期变化趋势分别每年推迟0.39、0.35和0.55天，平均生育期天数变化趋势分别每年增加0.49、0.17 和0.34 天。张建平等[10]通过气候模型BBC-T63 模拟显示未来60 年，玉米生育期将缩短，玉米产量相应下降。Liu 等[11]通过解析气温和降水对东北春玉米产量的影响发现，日最高气温升高1～3℃春玉米潜在产量和潜在产量将减产约7%～54%和2%～26%，日最低气温升高1～3℃，春玉米潜在产量将减产约2%～24%；降水量减少10%～30%，潜在产量将减少0～70%。

因此，了解气候变化对东北地区的影响及气候变化对东北地区玉米产量和生长的影响，分析气候变化背景下东北地区玉米生产的适应机制，具有重要的理论和实践意义。

1 东北地区气候变异性的量化

1.1 东北地区近50年降水量变化

近年来，中国东北地区降水已成为作物生长的重要水源。降水量的变化将直接影响作物的生产。1960—2010年该地区年平均降水量为598.58 mm，2010年降水量最大，1999年降水量最少为475.32 mm。年降水量逐渐减少，降水的年际分布不均匀，特别是最近30年来。同时，降水量的年际变化较大，年际变化幅度也大于前期。

1.2 近50年东北地区日照时数变化

阳光是作物进行光合作用的主要能量来源。太阳辐射的变化在一定程度上影响作物的光合作用，从而影响作物干物质积累和产量形成。1960—2010年，东北地区日照时数呈显著下降趋势，年平均日照时数为2565.93 h，年平均日照率为58.38%，年平均日照时数为5324.47 mJ/m2。同时，这些变化具有阶段性。1980年以前年日照时数呈上升趋势，1980年之后年日照时数呈下降趋势。

1.3 近50年东北地区气温变化

近50年来，东北地区年均气温呈上升趋势。与前两个时期相比，1980—2010年该地区的年平均气温明显高于前两个时期。1960—2010 年年均气温4.68℃，80 年代之前平均气温3.81℃，80 年代平均气温上升到4.71℃，90年代前平均气温下降，90年代后气温呈明显上升趋势，最高出现在2007 年为6.31℃。全年平均温升为0.34℃。

近50年来东北地区气象资料分析结果表明，东北地区的气象要素在气候变化背景下发生了显著变化。总体表现为气温升高，热量资源丰富，降水量减少，太阳辐射减少。这一系列与玉米生产密切相关的气象因素的变化必然会影响东北地区的玉米生产。

2 对玉米生产力的潜在影响

前人研究了气候变化对东北地区玉米生产水平的影响。在不考虑品种变异性和栽培管理措施改进的情况下，气候变化对春玉米产量潜力和各产量因素都有负面影响[11-12]。Chen等[8]基于作物生长模型，模拟了气候变化模型下东北春玉米的产量潜力。结果表明，与20世纪70年代相比，2000年之后的气候变化使不同春玉米品种的产量潜力降低了7%～18%。Liu 等[11]进一步分析了温度和降水对东北春玉米产量的影响。结果表明，当日最高气温升高1℃～3℃时，春玉米的潜在产量分别下降7%～54%和2%～26%，当日最低气温升高1℃～3℃时，潜在产量下降约2%～24%；降水量下降10%～30%时，潜在产量下降约2%～24%。Lobell 等[13]的研究表明，自1980年以来的气候变化导致中国玉米产量减少了约7%。

2.1 温度对玉米产量的影响

高温条件的增加促进了东北地区作物春季物候期和秋季物候期的提前，大田作物的播种期和收获期相应提前。东北大部分地区玉米生长天数增加约10天，北方部分地区适宜生长期增加10～20天。适宜玉米种植区的适宜播种时间一般提前2～10天，东北地区玉米适宜播种时间提前4天左右。

气温升高通过土壤微生物活性影响有机质和养分的分解速率，导致土壤有机质含量降低，土壤肥力下降。由于土壤肥力下降，化肥投入将增加。气候变化对农业害虫也有重要影响。气候变暖有利于玉米面积的扩大，增加了寄主植物的来源，有利于病虫害的越冬繁殖。农业病虫害也发生了一些变化：越冬虫卵死亡率下降，病虫数量增加、范围扩大。此外，气候变化也可能导致新的病虫害类型，由病虫害造成的农业损失更为严重[14]。

此外，当年有效积温值升高时，害虫的发育开始时间提前，害虫越冬期缩短，害虫的繁殖世代增多。即使有效积温值不足以防止害虫下一代发生，也会使害虫在田间的时间延长。随着危害程度的增加，对玉米造成多重损害的可能性增加，导致作物损失增加[15]。由于气候变暖而导致的生长季节的变暖和延长，将导致许多害虫繁殖1～3代，害虫的数量的增加，将使作物损失更大，对害虫的控制也更加困难[16]。

病虫害发生频率和危害的增加以及杂草的生长导致杀虫剂和除草剂的使用增加，加大了生产和管理成本。近几十年来，由于降水量减少、气温升高、地下水开采量增加等因素，东北地区水资源逐渐减少，不仅加剧了华北地区农业用水紧张，而且制约了该地区的经济发展。

2.2 干旱对玉米产量的影响

在玉米的生长过程中，水作为一个重要的条件，对玉米的生长发育起着决定性的作用。玉米通过与周围环境的水分交换，保持体内外水分循环，满足生长发育用水的需要。玉米的正常生理活动只能在一定的细胞含水量条件下进行。玉米生产对水资源利用的依赖性往往超过任何其他环境条件。影响玉米的干旱胁迫程度取决于干旱程度、持续时间和生育时期。玉米早期干旱胁迫会显著延缓玉米的生长进程。严重的干旱胁迫会使抽雄吐丝期推迟4 天左右，同时也会导致成熟期延迟[17]。

在东北干旱条件下，玉米百粒重下降，每穗粒数下降，经济产量显著下降。在玉米水分亏缺不同阶段的研究中，发现土壤干旱在任何生长阶段都会导致玉米产量的下降。在抽雄吐丝期，水分胁迫最为重要，水分亏缺导致授粉和特殊籽粒的形成[18]。刘帆等[19]发现干旱改变了光合速率和蒸腾速率的日变化规律，拔节期对光合作用的抑制小于成熟期。虽然抽雄吐丝期到成熟期是玉米的临界水分期，但植物对水分的需求量最大，通过灌溉等措施可以减轻水分。在苗期，如果发生严重干旱，会造成不均匀出苗和低出苗率等不可弥补的损失[20]。

2.3 日照时间对玉米产量的影响

地表太阳辐射的减少对玉米造成了一系列的损害。日照时间的减少导致玉米的光合有效辐射减少，从而影响产量构成。太阳辐射有利于株高增长、叶面积指数增加、生长加快、出苗率高，促进植物对硫S、铜、铁、镁等元素的吸收。但光照不足会导致降低叶绿素含量、降低物质传输能力、气孔开度降低、自由基和各种生物酶活性受到影响[21]，开花减少，开花率降低[22]，减少作物生物量和产量[23]，植物干物质积累率下降，氮、磷、钾养分吸收率下降[24]。玉米响应模型表明，根据光能生产潜力计算结果，每降低一个单位的总太阳辐射，玉米生长期总太阳辐射减少1 kJ/cm2，相当于玉米生物产量减少337.5 kg/hm2。可见，太阳辐射的减弱对玉米的生长发育和产量的形成有着重要的影响。

3 应对措施

3.1 适期播种

通过提前安排玉米播种期，使玉米产量相应增加，减少产量损失。由于未来的全球变暖，东北部气候变暖的时间提前，玉米生长的时间提前。随着播种期的提前，播种至拔节期逐渐延长，整个生育期也随之延长，从而使玉米的光合时间延长，提前播种有利于玉米的生长，产量相对增加。

提前播种的情况下，叶绿素含量高、干物质积累量也高。由于气象因素的影响，植株的粒鲜和百粒重均较高。热量、光照时间和水分的充足也有效地避免了春旱的危害，从而提高了玉米产量。同时，早播玉米秸秆比正常播玉米秸秆粗0.5～1.5 mm，抗倒伏能力较强。早播玉米穗长、穗粗高于中、晚播玉米穗长、穗粗。

3.2 肥料运筹

适当增加化肥和微量元素肥料的投入，充分发挥增产潜力。在中国东北部，大约三分之二的玉米肥料用于施氮，磷肥少，钾肥少。玉米施肥量应增加到12 kg以上的纯氮和适量的磷钾肥料[25]。

微量元素肥料对促进玉米植株生长发育具有重要作用。在拔节期施用微量元素肥料S95、Si、Mn、B、Cu、Mo对玉米株高、叶数和叶面积指数有明显的促进作用，促进了玉米的生长发育。此外，微量元素肥料还可以提高水分利用效率，显著提高产量[26]。

3.3 品种选择

金之庆等[27]将耐高温、生长期长的品种GARST 8808、PB8 和Dekalb XL45 分别引进种植区，在相同条件下，模拟产量分别比原品种高132%和127%。与现有产量相比，还可提高产量24%和21%，表明培育或引进耐高温抗旱的适宜品种是适应气候变化的有效途径。通过扩大杂交玉米种植面积，充分发掘当地的种质资源，根据生态区划选择单交、双交、三交和群体变换，增加品种的多样性。

4 展望

气候变化对农业的影响是多元性的。近50年来，中国东北地区经历了气温升高、降水量减少、日照时数减少等气候变化。玉米生产面临着产量下降、生育期延长、品质下降、病虫害和杂草增多等不利影响。因此，为了应对气候变化对玉米生产的不利影响，有必要积极改进管理措施：（1）提前安排玉米播种日期，适时提前播种，延长玉米营养生长时间，有效提高玉米产量。（2）增加化肥和微量元素的投入，充分发挥玉米增产潜力。（3）选择耐高温抗旱品种，增加品种的多样性，减轻高温干旱天气对玉米的影响。