河南省夏玉米花期高温热害风险分析*

徐延红，刘天学，方文松，李树岩**

（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.洛阳市气象局，洛阳 471000；3.河南农业大学，郑州 450003；4.河南省气象科学研究所，郑州 450003）

随着地球表面平均温度上升，大部分陆地高温极端事件的频率增高，热浪可能更频繁，强度变强，持续时间更长[1-3]。夏玉米花期是对高温最为敏感的时期，异常高温影响花粉结构和功能，致使籽粒发育不良，出现异常果穗而减产[4-8]。徐翠莲等[9]研究揭示，若温度高于35℃甚至32℃时，花粉很快丧失活力，不能授粉结实。徐美玲[10]指出玉米雌花生活力与温度相关，气温越高寿命越短，气温34.3～37.8℃时，花丝寿命只有72h。陈朝辉等[11]研究表明，正在三分期的玉米雄穗在38℃高温胁迫3d 后散粉会完全停止。河南省是全国玉米的主产区之一，2019年种植面积就达到380.1 万hm2，总产2247 万t，全省玉米播种面积与总产均占全国的1/10[12]，更是花期高温热害易发区和重灾区。掌握河南省夏玉米花期高温热害的发生规律和风险分布，对河南省夏玉米的生产管理和热害防御具有重要意义。

近年来，对夏玉米高温热害的指标、发生规律、分布特征等开展了相关研究。李德等[13]根据极端最高气温、日最高气温≥35℃的日数和日最高气温高于35℃的积害量及期间的平均最小相对湿度构建了淮北平原夏玉米高温热害综合气候指标。陈怀亮等[14]以花期最高气温≥32℃和≥35℃作为轻度和重度高温灾害发生阈值，对未来气候变暖背景下夏玉米花期高温灾害风险进行区划。和骅芸等[15]以日最高气温≥35℃持续3、4、5d 且相对湿度≤70%分别作为夏玉米花期轻、中、重度高温热害指标，分析了华北平原夏玉米花期高温热害特征。前人的研究成果为本研究开展提供了技术支撑。

伴随全球气候变化，黄淮海夏玉米区高温热害的发生强度和频率呈显著增加趋势[16]，严重影响夏玉米的产量和品质[17]，对河南省夏玉米花期高温热害的气候风险分析十分必要。本研究以河南省夏玉米为研究对象，借鉴前人的研究成果，选取夏玉米花期≥32℃或≥35℃高温日数、发生频率、高温积热表征夏玉米高温热害的风险评估指标，开展河南省夏玉米花期高温热害风险分析和区划，以期为提高夏玉米防灾减灾的能力，趋利避害，保障夏玉米的高产稳产提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 区域概况

河南省位于黄河中下游，为亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候。全省年平均气温一般在12.3～15.8℃，气温年较差、日较差均较大，全年无霜期 196～246d，年降水量在516.6～1294.1mm，全年降水的54%集中在夏季，年均日照时数 1733～2368h，年均相对湿度在59.6%～77.9%[18-19]。研究区域为河南省夏玉米主要种植区，其中信阳以水稻种植为主，不作为研究区域。

1.2 数据来源

利用河南省域内110 个国家地面气象观测站1970-2019年逐日最高气温（℃）分析夏玉米花期高温热害特征，利用19 个夏玉米农业气象观测站记录完整的1988-2017年资料确定各区域夏玉米发育期。气象资料、玉米观测资料来源于河南省气象科学研究所。研究区及站点分布见图1。

图1 河南夏玉米主栽区、玉米观测站以及地面气象观测站点分布Fig.1 Map of summer maize production area and distribu- tion of agro-meteorological stations and meteorological stations in Henan province

1.3 夏玉米花期确定

《中国玉米栽培学》[20]中指出，夏播玉米开花后2～5d 占单株开花总数的77.7%～84.5%，以3～4d最集中，全穗开花通常历时7～10d。因此以抽雄普遍期作为花期的开始日期，抽雄普遍期向后连续7d为花期，以此7d 作为夏玉米花期的统计时段。根据19 个夏玉米农业气象观测站1988-2017年30a 的观测资料，计算夏玉米花期开始和结束日期的多年平均值，即花期常年值。根据距离相近原则，将花期起止日期常年值插值到河南省110 个国家地面气象观测站点数据上。夏玉米花期开始日期的常年值如图2 所示。由图中可见，整个研究区玉米花期开始日期集中在7月下旬-8月初，从南往北逐渐推迟，豫南（包括南阳市、驻马店）南部夏玉米花期最早，抽雄日集中在7月23日前后，至豫中（包括郑州市、平顶山市、许昌市、漯河市）、豫东（包括开封、商丘、周口）地区抽雄期推迟到7月30日之后，豫西（包括三门峡、洛阳）、豫北（包括安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁、济源）热量资源相对不足，夏玉米开花最晚，抽雄期在8月2日之后。

图2 研究区夏玉米花期开始日期（月-日）多年平均值的分布Fig.2 Spatial distribution of mean date (mm-dd) of summer maize booting in Henan province

1.4 夏玉米花期高温热害指标

降志兵等[21]研究表明，温度达到32℃且持续60min，玉米小花受精率和总结实率显著低于对照；当温度高于35℃时小花受精率和总结实率显著低于32℃处理。因此，将≥32℃和≥35℃作为夏玉米两个不同程度高温热害的致灾阈值，即≥32℃为轻度受害，≥35℃为重度受害。综合考虑夏玉米花期高温热害发生的频率和强度，结合前人研究成果[10-11,22-23]，确定≥32℃和≥35℃的“高温日数”和“高温积热”作为评价花期高温影响的两个指标。

（1）高温日数。在夏玉米花期7d 内，当日最高气温≥32℃时统计为1 个轻度高温日，日最高气温≥35℃时统计为1 个重度高温日，并分别统计每年轻、重高温热害发生的总日数。

（2）高温积热。高温积热是指作物受高温危害过程中，高于临界温度的有害温度累积值。高温积热综合考虑了作物所受热害持续时间和热害强度。以花期最高气温≥32℃或≥35℃的高温累积值（℃·d），来表征高温热害发生的严重程度。计算式为

式中，TH32表示某站点夏玉米花期≥32℃的高温积热累加值（℃·d）；TH35表示某站点夏玉米花期≥35℃的高温积热累加值（℃·d）；i 为日数；Th32,i为第i日≥32℃的高温积热值（℃·d）；Th35,i为第i日≥35℃的高温积热值（℃·d）；Tmax,i为第i日的日最高气温（℃）。

1.5 夏玉米花期高温热害发生频率

统计1970-2019年夏玉米花期高温日数除以花期总日数，可计算高温热害发生的频率，即

式中，j 为夏玉米花期高温灾害致灾阈值，取值32℃或35℃；Pj为夏玉米花期≥32℃或35℃高温发生的频率，可以表示为P32或P35；nj为≥32℃或35℃高温日数，N 为花期总日数。

1.6 夏玉米花期高温风险综合指数及风险等级划分

气候风险指数可用概率乘以强度来表示，夏玉米花期高温风险综合指数计算为

式中，I 为夏玉米花期高温风险综合指数，ω1和ω2分别为不同程度高温影响的权重系数，P32和P35分别为≥32℃或≥35℃的高温发生频率，TH32和TH35分别为对应等级的高温积害值。

ω1和ω2确定方法：已有研究结果显示高温处理1h 后，≥32℃或≥35℃处理受精结实率均与对照呈显著差异，较对照分别降低49 个百分点和65 个百分点[21]，因此权重系数取值为二者损失率的相对比例，计算方法为

将夏玉米花期高温发生风险指数划分为轻、中、重三级，分级的阈值计算式为

式中，Ia为分级的阈值，Imax为全区域最高高温风险综合指数，a 为分级系数，根据专家打分法，当夏玉米花期高温风险综合指数＜0.4·Imax时为轻度高温风险，≥0.7·Imax时为重度高温风险，中间过渡值为中度高温风险，其分级系数为[0.4, 0.7)。

1.7 数据处理

利用 Microsoft Excel 统计软件进行数据统计，选用1970-2019年110 个气象站点数据平均值进行趋势分析。将整个分析期分为5 个年代：1970s（1970-1979年）、1980s（1980-1989年）、1990s（1990-1999年）、2000s（2000-2009年）和2010s（2010-2019年）。采用ArcGIS 10.0 软件制作空间分布图，用克里金插值方法（Kriging Interpolation）对各站点要素数据进行空间插值，生成空间栅格数据，并对要素值进行分类，得到相应的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 夏玉米花期高温日数及发生频率时空变化

2.1.1 时间变化

由图3a1 和图3b1 可见，夏玉米花期≥32℃高温日数在0.2～6.2d 范围变化，多年平均为3.7d，呈先减小后增加的趋势。从年代际变化来看，1980s、2000s高温日数最少，平均为3.1d；2010s 夏玉米花期高温日数最多，平均为4.5d。高温热害比较严重的年份有1985年、1992年、1994年、2013年、2018年，高温日数均在5.8d 以上，其中2013年最长，达6.2d。夏玉米花期≥35℃高温日数在0～3.7d 范围变化，多年平均为1.2d，时间变化趋势与≥32℃高温日数一致，1980s 夏玉米花期高温日数最少为0.6d，2010s夏玉米花期≥35℃高温热害天数最多，平均达2.1d。1978年、1994年、2013年≥35℃的高温日数在3d以上，热害较为严重，其中1978年最长，达3.7d。

由图3a2 和图3b2 可见，≥32℃和≥35℃发生频率多年平均值为53.1%和16.8%，不同等级高温热害发生频率呈现先减小再增加的趋势。1980s 高温热害发生风险概率降至最低，不同等级高温热害频率为44.3%（≥32℃）和9.2%（≥35℃）；1990s 后风险概率增加，21 世纪后高温热害发生频次明显增大，至2010s 高温热害发生频次达到最大值，≥32℃和≥35℃高温热害发生频率分别为64.9%和29.7%，较1980s 增加了20.6 个百分点（≥32℃）和20.5 个百分点（≥35℃）。

图3 研究区夏玉米花期高温日数和高温热害发生频率平均值的年际变化（1970-2019）Fig.3 Changes of mean days and mean occurrence probability of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in summer maize production area in Henan province（1970-2019）

2.1.2 空间分布

研究区夏玉米花期≥32℃高温日数在 1.8～4.5d，高温发生频率在24.3%～64.3%，基本呈现南多北少、平原高于丘陵山区的空间分布（图4a1、4a2）。南阳南部、驻马店、周口、漯河以及许昌东部为全省高温热害日数最大、频率最高的地区，≥32℃高温日数达4.1d 以上，发生频率超55.0%。安阳、洛阳西南部、三门峡高温热害风险概率较低，高温日数在3.0d 以内，发生频率低于40.0%。其他大部地区高温日数在3.1～4.0d 范围内，发生频率40.1%～55.0%。

夏玉米花期≥35℃高温日数及热害发生频率空间分布如图4b1、4b2 所示，与轻度高温热害分布特征一致，南阳南部、驻马店、漯河、周口为全省玉米花期重度高温热害风险概率最高的区域，该区域高温日数以及发生频率相对较高，高温日数在0～1.5d，发生频率在20.1%以上，其他大部区域高温日数在1.6～3.0d，发生频率在0～20.0%。

2.2 夏玉米花期高温积热计算值时空变化

2.2.1 时间变化

夏玉米花期≥32℃高温积热年际变化如图5a所示。由图可见，近50a，≥32℃高温积热在7.3～217.2℃·d变化，多年平均为127.2℃·d，其中1970-1990年高温积热呈减小趋势，1990s 后积热也随之增加，2010s高温积热量较1980s 增加了52.8℃·d。1992年、1994年、2013年、2018年轻度高温热害强度较强，其中2013年最严重，高温积热达217.2℃·d，该结论与前人研究2013年河南省平顶山等地夏播玉米散粉期高温热害严重结论一致[24]。

夏玉米花期≥35℃高温积热年际变化如图5b 所示。由图可见，1970-2019年，≥35℃高温积热在0.9～136.4℃·d，多年平均为42.5℃·d。年际变化幅度较大，呈现出先减弱再增强的趋势。1970s-1980s，重度高温积热的强度下降，1980s 高温积热强度最弱，积热最低为23.0℃·d；1990s 高温积热强度有所增加，2010s 高温积热最高，平均为75.5℃·d，较1980s积热增加了2.3 倍。

图5 研究区夏玉米花期≥32℃和≥35℃积热平均值的年际变化Fig.5 Change of mean accumulation of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in summer maize production area in Henan province

2.2.2 空间分布

夏玉米花期≥32℃积热空间分布如图6a 所示。由图可见，轻度高温热害积热在56.7～156.4℃·d，呈现东南偏高、豫西及豫北北部偏低的空间分布特征。其中，热害强度较强区域集中分布在周口、驻马店、漯河东部及南阳南部，高温积热在135.1℃·d 以上；安阳、济源西部、三门峡、洛阳西部为全省高温危害致灾强度最低的区域，高温积热50.1～100℃·d； 大范围高温积热集中在100.1～135.0℃·d。

图6 河南省夏玉米花期≥32℃和≥35℃积热1970-2019年平均值的空间分布Fig.6 The spatial distribution of mean accumulation of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in Henan province during 1970-2019

夏玉米花期≥35℃积热空间分布如图6b 所示。由图可见，全省在15.9～79.1℃·d 范围，与≥32℃高温积热特征一致，周口、漯河东部、南阳南部、驻马店热害强度最强，积热达50.1℃·d 以上；其他区域热害强度相对较弱，积热在15.9～50.0℃·d。

2.3 夏玉米花期遭遇高温的综合风险分析

综合夏玉米花期高温发生频率和积热强度，计算综合风险指数。据统计，研究区域高温综合风险指数最高为55.0，出现在周口淮阳地区，高温综合风险指数最低值为6.0，出现在洛阳栾川地区。根据风险等级划分，定义指标Ia∈[6，22]为低风险区，指标Ia∈（22，38.5]为中风险区，指标Ia∈（38.5，55.0]为高风险区。

夏玉米花期高温综合风险区划如图7 所示，全省高温热害风险总体表现为南高北低、东部平原高于西部丘陵山区的分布格局。高风险区主要集中分布在南阳南部、漯河、许昌东部、周口、驻马店地区，约占全省夏玉米主栽区面积的28.5%，主要因为盛夏季节河南省受副热带高压控制，豫东南地区纬度低，太阳辐射强烈，天气酷热，高温热害也更易发生。中风险区有濮阳、新乡、焦作、郑州、开封、商丘、许昌、平顶山、洛阳东部和南阳北部，约占夏玉米主栽区面积的56.2%。低风险区有豫西三门峡、洛阳西部、济源西部和安阳地区，约占夏玉米主栽区面积的15.3%，其中豫北北部由于所处纬度高，盛夏受副高影响较豫中、豫南地区小，豫西多连绵的丘陵山区，受海拔和地形起伏的影响，气温相对偏低，这些地区热量条件一般，高温热害相对少发。3 种风险等级的高温热害发生区域面积比较结果为中风险区＞高风险区＞低风险区。

图7 河南省夏玉米花期高温综合风险区划Fig.7 The distribution of high temperature comprehensive risk during summer maize flowering in Henan province

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1970-2019年，河南省夏玉米花期高温日数、发生频率以及强度均呈现先减小后增加的趋势，尤其是进入2010s 之后，夏玉米花期高温发生更为频繁，高温天数增加，强度更强。空间上呈现南部和东部高温热害发生频率高、强度大，北部和西部丘陵山区高温热害发生频率低、强度弱的分布格局。

（2）夏玉米花期高温热害综合风险指数空间分布呈现自南向北逐渐递减的趋势特征，将河南省夏玉米区划成高、中、低3 个风险区，高值区主要集中在南阳南部、漯河、许昌东部、周口、驻马店；低风险区包括三门峡、洛阳西部、济源西部以及安阳。

3.2 讨论

本研究在了解河南省夏玉米花期高温灾害发生特征的基础上，进行高温热害风险区划，为趋利避害，保障夏玉米的高产稳产提供理论依据。利用高温热害的发生频率和强度作为致灾危险性指标，构建危险指数，完成夏玉米花期高温综合风险区划图，和骅芸等[15]对华北平原夏玉米花期高温热害特征分析，认为河南省南部地区高温热害较易发生，焦建丽等[25]对河南省气温分析，呈南高北低、东部平原高于西部丘陵山区的特征，王秀萍等[26]对夏玉米花期高温热害分析，认为豫南高温日数最多，豫北高温日数最少，与本研究结果相吻合。

夏玉米花期高温强度越大，持续时间越长，对夏玉米的影响与危害越重。本研究仅使用32℃和35℃作为夏玉米花期高温致灾阈值，分析夏玉米花期高温热害特征，研究尚未涉及极端高温如38℃以上的情形。研究表明38℃是玉米多数生理指标发生显著变化的拐点，雄穗在38℃高温胁迫3d 后便会完全停止散粉[27]，近年来极端高温发生概率增加，玉米生产将面临更严重的绝收风险。且相同的温度条件下，不同的胁迫时长对夏玉米授粉影响不同[21]，本研究仅基于日最高气温数据，没有考虑日高温出现的时长。

根据大多数品种的生长特性，将7d 作为夏玉米花期平均状况。但受遗传特性、气象条件、栽培措施等因素影响，玉米雌雄间隔期会延长或缩短，花期高温的危害反应也有较大差异。夏玉米花期高温热害的致灾程度，还受植物本身生物学特征如品种抗逆性能、基因类型及其栽培措施等影响；花期受水分胁迫也会影响到花粉的活力和花丝受精能力。由于资料的限制，本风险区划只得出一个初步结果，随着资料获取途径的拓展和监测能力提升，下一步应结合热害风险的暴露性和作物的抗灾性等多个方面[28-29]，全面评估高温热害发生风险及影响。

随着气候变暖，2010s 后夏玉米花期高温发生日数更多、程度更重，这对保障玉米安全生产提出了更严峻的挑战。因此，要多措并举加强热害防御，如在品种选育和布局上，应优化作物布局，增加耐热作物种植面积，选择耐高温的优良品种。在栽培管理上，可采取人工辅助授粉或喷洒药剂措施减轻危害[13]；或通过优化种植制度，调整玉米播期，使玉米花期错过高温热害严重时期，从而减轻或规避热害风险[15]；或适当增施有机肥、微量元素锌肥和后期补充钾肥，有效缓解根系衰老，改善玉米叶片气孔调节能力，提高叶片水分含量，增加玉米耐热性；在有条件的地区合理灌溉可以降低田间温度，加强蒸腾作用，使冠层温度降低，从而有效降低高温风险[30]。