全球气候变暖对中国种植制度可能影响ⅩⅢ. 东北三省春玉米熟型调整的降水限制及其对产量的可能影响

李娥，赵锦✉，叶清，高继卿，杨晓光

1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2江西农业大学林学院，南昌 330045

0 引言

【研究意义】全球气候正在经历以温度升高、极端气候事件增多为特征的显著变化[1-2]。全球气候变化背景下，中国的气候特征也发生了重大变化。研究表明，1960—2018年间我国的平均增温速率为0.28℃·(10a)-1，且增温幅度在北方地区尤为突出[3-5]。东北地区是我国重要的商品粮基地，其玉米产量占全国产量的30%以上[6]。作为气候变化的敏感区[7-8]，东北地区农业气候资源也发生了显著的变化。农业生产对气候条件的依赖程度高，区域内农业气候资源的变化势必会引起作物种植界限、种植制度及种植结构的改变[9-10]。因此，科学调整作物的种植制度，才能合理利用当地变化的农业气候资源，对保障粮食安全、提高经济效益具有重要的意义[11-12]。【前人研究进展】前人研究表明1961—2007年间，东北三省的增温幅度为0.38℃·(10a)-1，温度生长期内≥10℃积温增加，且积温带变化出现北移东扩的变化特征；温度生长期内降水量呈现减少趋势；温度生长期内日照时数也明显减少[13-17]。气候变化背景下作物种植界限也发生了显著变化。前人以热量资源为指标，发现东北地区≥10℃积温带的北移东扩，引起春玉米种植界限出现显著的北移东扩趋势[18-21]。与此同时，1986—2015年间，东北三省的干旱呈逐年加重的趋势，低温冷害呈现先增加后减小的趋势。已有对东北三省农业气象灾害影响的评估中表明，东北地区是我国受旱灾影响最严重的地区之一，在影响东北地区的农业气象灾害中干旱所占权重最大，且干旱对玉米农业气象灾害的贡献率随时间呈现增加趋势[22-26]。【本研究切入点】目前对于气候变化对东北春玉米种植界限影响的研究中大多只考虑热量指标，考虑降水条件对品种熟型调整敏感区域影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】本文在已有热量资源对东北三省玉米种植界限影响和春玉米种植品种熟型调整敏感区域研究的基础上[27-28]，进一步探讨气候变化背景下降水资源变化对东北春玉米种植区域的可能影响。通过分析比较春玉米品种熟型调整敏感区域内过去50多年降水资源时空变化特征，明确降水资源变化对春玉米种植区域品种熟型调整的可能影响，为东北春玉米种植布局调整提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文的研究区域为已有研究中[28]气候变化引起东北地区春玉米品种熟型调整的敏感区域，其中，敏感区域是指春玉米品种熟型由于气候变化而发生变化的区域。本文根据品种熟型调整的特征将研究区域分为5个区域，具体如表1所示，区域内包括黑龙江、吉林和辽宁三省的24个地面气象观测站点，站点气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网 1961—2017年的气象数据，包括日平均气温、日最高温度、日最低温度、平均相对湿度、风速、降水量、日照时数、气压等气象要素。春玉米生育期数据来自中国气象局1981—2007年16个农业气象试验站的资料。研究区域及气象站点分布见图1。

1.2 研究指标计算方法

1.2.1 参考作物蒸散量(ET0) 参考作物蒸散量（ET0）的计算采用 FAO（1998）推荐的 Penman-Monteith公式（FAO-PM）计算。FAO-PM 计算 ET0可由下式表示（FAO-PM，1998）：

式中，ET0为参考作物蒸散量（mm），Δ为水汽压-温度曲线的斜率（kPa·℃-1），ΔRn为作物表面的净辐射（MJ·m-2），Tmean为2 m高度处日平均温度（℃），U2为 2 m 高度处风速（m·s-1），es为饱和水汽压（kPa），ea为实际水汽压（kPa），γ为干湿球常数（kPa·℃-1）。

1.2.2 作物生育期拟合与推算 气候变化下作物的生育期呈现显著的线性变化特征[29]，因此，本文基于已有年份的生育期数据，采用已有对于物候期随时间变化趋势研究的方法——趋势分析法[30-31]，对缺少生育期记录的年份进行插补，估算得到播种期、拔节期、抽雄吐丝期和成熟期，对缺少生育期记录的站点，参考临近站点的生育期来代替。各气象站点所用农业气象观测试验站生育期数据、年限及区域划分如表1所示。

表1 所用气象站点区域分布及生育期站点和生育期数据年限Table 1 Regional distribution of meteorological stations and growth period stations and growth period data years

1.2.3 作物需水量（ETC） 作物需水量是指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育,获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和，表示作物完成其生育周期所需要消耗的水量总和。其计算采用FAO推荐的公式[32]：

利用气象站点的春玉米生育期数据和春玉米需水规律，把生育期划分为前、中、后3个时期，其中播种到拔节为前期，拔节到吐丝（开花）为中期，吐丝（开花）到成熟为后期，参考文献[32]，确定作物的生育时期及相对应的Kc值，如表2所示。

表2 不同生育时期的划分及作物系数Table 2 Division of different growth periods and crop coefficient

1.2.4 有效降水量（Pe） 有效降水量为总降水量与径流量、蒸发量和深层渗漏量的差，表示降水中能被作物直接利用供其生长发育的总水量。计算方式参考文献[33]，其计算公式为：

1.2.5 有效降水量满足率（K） 用各个生育时期内的有效降水量与作物需水量做比值，得到各个生育时期内有效降水量满足率K，其计算式为：

1.2.6 春玉米生产潜力 采用逐级订正的方法，计算春玉米生长季内的生产潜力[34-36]，其计算式为：

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式中，YW为气候生产潜力（kg·hm-2），YQ为光合生产潜力（kg·hm-2），YT 为光温生产潜力（kg·hm-2），0.219为黄秉维系数，C为作物经济系数[37-38]，Rs为逐日太阳辐射（KJ·cm-2），f(w)和f(t)分别为水分订正函数与温度订正函数，计算式为：

式中，t为平均温度，tmax、ts、tmin为作物三基点温度，参考文献[39-40]。

1.2.7 站次比 站次比指某一区域内某一事件的发生站点数占该区域内全部站点数的比例，用于评价某一事件影响范围的大小[41]，即

式中，M为某区域内某一事件发生的站点数，m为该区域内全部站点数。

1.2.8 数据处理与分析 采用 Matlab 2019软件和Microsoft Excel 2016进行数据处理与统计分析。

采用 ArcMap 10.6软件的反距离加权插值方法（IDW）对气象数据进行插值，设定cell size参数为0.02，生成空间栅格数据，之后采用Origin2018共同完成数据时空分布特征的表达和分析。

2 结果

2.1 1961—2017年间玉米主要生育期的变化特征

根据农业气象观测试验站已有的春玉米实际生育期数据，通过趋势分析法，确定1981—2007年间敏感区域春玉米实际生育期变化特征（图2），估算1961—2017年间缺失的生育期数据。由图2中可以看出，在研究区域的24个站点中，播种期呈现提前趋势，平均提前速率为2.83d·(10a)-1，拔节期、吐丝期和成熟期呈现推迟趋势，成熟期推迟趋势最明显，推迟速率最大，为3.28d·(10a)-1，生长季延长。

2.2 1961-2017年间玉米生育时期作物需水量的变化特征

根据每个站点已有的地面气象观测数据，计算得到不同生育时期内的作物需水量，确定每个站点不同生育时期内作物需水量的变化特征（图3）。从空间分布来看，前期作物需水量增加的站点主要集中在区域1、区域4和区域5，中期作物需水量减少的站点主要集中在区域1、区域4和区域5，后期作物需水量增加的站点主要集中在区域1、区域2、区域4和区域5。在研究区域的24个站点中，与春玉米品种熟型调整前对比，生育前期作物需水量黑河、孙吴等站点增加，平均增加速率为0.70 mm·(10a)-1，克山、海伦等站点减少，平均减少速率为0.30 mm·(10a)-1；中期安达、哈尔滨等站点增加，平均增加速率为1.35 mm·(10a)-1，长岭、乾安等站点减少，平均减少速率为0.73 mm·(10a)-1；后期宽甸、哈尔滨等站点增加，平均增加速率为1.04 mm·(10a)-1，齐齐哈尔、通榆等站点减少，平均减少速率为0.32 mm·(10a)-1。从总体来看，品种熟型调整后春玉米生育前期和后期作物需水量呈现增加趋势，中期作物需水量呈现减少趋势。

2.3 1961—2017年间玉米生育时期有效降水量的变化特征

2.4 有效降水量满足率的变化特征

根据每个站点在春玉米生育时期内的有效降水量和作物需水量数据，确定1961—1985和1986—2017这2个时段内有效降水量满足率在不同生育时期的分布状况（图5）。

由图 5-c1、5-c2、5-c3，前、中、后 3个生育时期内有效降水量满足率对比发现，2个时段内的前期满足率最高，后期满足率次之，中期满足率最低；不同时段对比，前期时段Ⅱ有效降水量平均满足率为0.90，时段Ⅰ有效降水量平均满足率为 0.82，时段Ⅱ满足率呈现增大趋势；中期时段Ⅰ有效降水量平均满足率为0.39，时段Ⅱ有效降水量平均满足率为0.37，时段Ⅱ满足率呈现减小趋势；后期时段Ⅰ有效降水量平均满足率为0.70，时段Ⅱ有效降水量平均满足率为0.64，时段Ⅱ满足率呈现减小趋势。

由图5-a1、5-b1可知，时段Ⅱ与时段Ⅰ相比，品种熟型调整后，春玉米生育前期区域1内黑河和孙吴站点西北部K值减小；区域2内明水站点区域K值增大，海伦站点减小；区域3内桦甸站点东南部K值增大；区域4内安达站点北部和东部、哈尔滨西部和南部、三岔河周边区域、通化站点和桦甸站点区域K值增大；区域5内四平西部和北部、通榆和乾安站点区域K值增大。

由图5-a2、5-b2可知，时段Ⅱ与时段Ⅰ相比，品种熟型调整后，春玉米生育中期区域1内黑河西北部和孙吴北部K值增大；区域2内明水和克山西部区域K值增大；区域3内虎林站点东北部和西南部、尚志站点区域K值增大；区域4内三岔河周边区域K值减小，桦甸西部和通化北部K值增大； 区域5内通榆、乾安、前郭尔罗斯、双辽、四平东南部和宽甸北部K值增大。

由图5-a3、5-b3可知，时段Ⅱ与时段Ⅰ相比，品种熟型调整后，春玉米生育后期区域1内黑河和孙吴站点区域K值增大；区域2内除克山西部少部分地区K值不变外，其他区域K值均增大；区域3内尚志站点和尚志南部K值增大；区域4内齐齐哈尔站点北部和西部、安达北部、西部和南部、桦甸西部和通化北部区域K值增大；区域5内四平东部和南部、宽甸东北部区域K值增大。

2.5 生产潜力变化特征及与有效降水量满足率相关性分析

根据之前计算所得每个站点 1961—2017年间的气候生产潜力（YW），确定1961—1985和1986—2017 2个时段内气候生产潜力、产量潜力稳定性、增减幅度和变化趋势分布特征（图6）。

由图6-a、6-b、6-c可知，在研究区域的24个站点中，时段Ⅱ与时段Ⅰ相比，品种熟型调整后，宽甸、三岔河、临江和明水站点平均气候生产潜力减小，其余站点平均气候生产潜力均出现不同程度的增加。减少站点中宽甸站点的减少量最大为920.48 kg·hm-2，临江站点次之，减少量为372.97 kg·hm-2；增加站点中虎林站点气候生产潜力增加最大为1 943.71 kg·hm-2。图6-d为生产潜力变化趋势，由此可以看出，研究区域春玉米气候生产潜力的变化趋势为-920—1 944 kg·hm-2，研究区域的东北部变化趋势较高；图6-e为生产潜力变异系数，发现研究区域春玉米气候生产潜力变异系数为0.07—0.19，研究区域的西部的齐齐哈尔和通榆、东部的虎林和南部的宽甸站点区域气候生产潜力变异系数较大，东南部桦甸、通化、临江和集安站点变异系数较小。

根据生育前、中、后3个时期有效降水量满足率与气候生产潜力的相关关系可知（图6-f），有效降水量满足率与气候生产潜力的相关性中期最高（0.26），后期次之（0.24），前期最低（0.11）。

3 讨论

在全球气候变化的背景下，我国东北地区作物生长季内气候呈现暖干化趋势[15]。温度升高使得地区温度生长期内的积温增加，这为中晚熟玉米品种的种植提供了热量条件。品种熟型调整在延长作物生育期的同时，增加了生育期内的作物需水量，而随着降水量减少，作物的减产风险会加大。因此在作物品种熟型调整的敏感区域，需要综合考虑热量和降水的共同影响来科学调整品种，从而为区域应对气候变化提供科学参考。

本研究结果表明，随着热量资源的不断增加，东北三省春玉米品种熟型调整敏感区域内大部分站点春玉米的播种期提前，拔节期、吐丝期和成熟期推迟，生长季有延长的趋势，这与李正国等[29,31]研究的气候变化背景下东北三省主要作物典型物候期变化趋势分析结果基本一致。研究区域内大部分站点作物需水量在生育前期和后期均有增加，站次比分别为 54.2%和 70.8%，大部分站点作物需水量在生育中期减少，站次比为 70.8%。大部分站点有效降水量在作物生育前期增加，站次比为 70.8%，大部分站点有效降水量在生育中期和后期均减少，站次比分别为79.2%和58.3%。大部分站点有效降水量满足率在作物生育前期增加，站次比为70.8%，大部分站点有效降水量满足率在生育中期和后期均减少，站次比分别为66.7%和95.8%。大部分站点气候生产潜力（YW）增加，站次比为83.3%，这一结论与前人结果一致[34,42]。气候生产潜力与有效降水量满足率相关性中期最高，后期次之，前期最低，这与董朝阳等[43]发现的中期的有效降水量满足率对产量影响最大，后期次之，前期最小的研究结果一致。本研究中玉米气候生产潜力减小的宽甸、临江、三岔河和明水4个站点中，宽甸站点的有效降水量满足率在前中后3个时期均出现不同程度的减小，其生产潜力减小幅度最大；临江和三岔河站点有效降水量满足率在生育中期和后期出现了不同程度的减小，尽管有效降水量满足率在生育前期有所增加，但春玉米气候生产潜力下降，且下降幅度仅次于宽甸站点；明水站点的有效降水量满足率在前期和中期呈增加趋势，后期呈减小趋势，生产潜力的降低幅度最小。

东北地区玉米主要为雨养种植，除东部年降水量大于600 mm的地区外，水分是玉米产量形成的主要限制因子[44]。尽管气候变暖导致玉米的生长季延长，但品种熟型调整使生育期内作物需水量增加。本研究发现，气候变化背景下东北三省的降水量呈现减少的趋势，特别是有效降水量满足率在水分关键生育期（中期和后期）不断降低，这都不利于玉米产量形成。因此，在实际生产中春玉米品种熟型的调整除考虑热量满足程度外，还应该充分考虑关键生育期的降水满足状况和当地的水分管理条件，确保区域粮食丰产。

实际生产中作物最终产量除受气候条件影响以外，还受其他社会因素的影响。本研究仅从降水资源的角度，分析气候变化对东北三省春玉米品种熟型调整敏感区域内春玉米气候生产潜力的可能影响，未综合考虑该区域内作物实际产量的变化情况，还需在后续的研究过程中，获取地区春玉米实际产量资料，与现有的研究成果进行比较，为当地春玉米种植品种熟型选取、气候资源合理高效利用提供进一步科学依据。

4 结论

1961—2017年，玉米需水量在生育前期和后期增加，中期减少，有效降水量在前期增加，中期和后期减少，有效降水量满足率在前期增加，中期和后期减小，作物生产潜力在研究区域北部和东部地区增大，西部和南部减小，生产潜力变异系数在东部、西部和南部地区较大。因此，敏感区域的东部、西部和南部地区仍要进一步关注品种熟型的选取，确保充分利用地区光热水资源，在春玉米有效降水量满足率低的生育中后期，要及时进行灌溉补充水分，保证春玉米产量。