东北春玉米全生育期气候适宜度评价

帅艳民，武梦瑾，吴 昊，王培娟，彭秀媛，谷玲霄，田艳君，邵聪颖，曲 歌，石 莹，穆 岑

(1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院中亚生态与环境研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；4.中国科学院大学，北京 100049；5.中国气象科学研究院，北京 100081；6.辽宁省农业科学院信息研究所，辽宁 沈阳 110161)

气候条件是决定农业种植结构、作物熟性、类型和品种的重要因素，而适宜的气候要素更是农作物健康生长和高产稳产的基本保障。温度、光照和降水作为农业气候资源中关键的气候要素为作物生长提供基本的物质和能量。在作物生长进程中，气候要素波动可促进或胁迫作物根、茎、叶、花等器官的发育，与农作物生长状况、农业投入产出比、粮食安全问题紧密相关。因此，适时捕获气候波动对农作物生产管理，特别是雨养农业的生产管理尤为重要，也关系着国家粮农安全和宏观战略调控。素有华夏粮仓美誉的东北地区是我国春播玉米的主要种植区，玉米总产量和播种面积分别占全国玉米总产量和播种面积的40%和33%以上，农田灌溉设施相对薄弱，基本以雨养农业为主[1]，每年气候波动对玉米产量的扰动态势是国家规避粮农风险并及时有效地采取宏观调控措施所需的重要信息[2]。因此，研究雨养农业区玉米气候适宜情况对提高气候资源利用率和玉米生产力具有重要意义。

农作物生育期内的气候适宜程度是农业发展、气候变化、作物产量和发育期预报等研究需要的主要信息之一[3]。自20世纪80年代以来，农业气候观测技术的提高促进了气候与作物相互关系的研究，而气候适宜度的提出则为分析气候因子对作物生长的影响提供了综合量度指标[4]。自此，气候适宜度模型逐渐被应用于农业气候研究。早期的气候适宜度模型主要体现农业生态的动态过程[5]，而相应的函数关系表达仍较模糊。随着气象、物候等资料的积累和开放，定量化气候适宜度模型有了发展基础。其中，为分析作物生长的气候适应性，利用气候因素对作物生产影响而建立的温度适宜度模型与日照时数适宜度模型得到广泛认可[6-7]，并被大量应用于作物气候适宜度研究。此外，由于不同作物的生长机理差异，仅对单一尺度、单一气候要素适宜性进行研究，难以准确表达气候适宜度的适用性。因此，应用于多尺度、多气候要素的适宜度研究开始倍受关注。如姚小英等[8]在相关文献基础上构建了逐日温度、逐日日照和逐旬降水适宜度模型，对玉米的气候适宜性变化进行分析。越昆等[9]则根据气候适宜度模型考察了春玉米不同生育期对气候变化的响应。不仅如此，用于作物发育期和产量预报的气候适宜度模型也有较大进展。如金林雪等[10]基于大豆气候适宜度模型，建立了大豆发育期预报模型和以旬为步长的产量预报模型，为多地区大豆发育期和产量预报研究提供了新方法。在盛产粮食的东北地区，利用气候适宜度模型探讨农作物不同生长阶段的气候适宜性也有相关研究。如侯英雨等[11]、宫丽娟等[12]利用模糊数学原理构建东北三省玉米气候适宜度模型，对玉米不同生育阶段各气候要素适宜度进行了分析。徐延红[13]依据气候适宜度评估结果探讨了东北农业气候资源利用率情况，为适应气候变化提出了相应措施。谭方颖等[14]基于东北玉米气候适宜度模型将气候适宜评价指数划分为适宜、较适宜、较不适宜、不适宜4个级别，为玉米气候适宜性评价提供了简单方法。随着气候适宜度模型在作物与气候变化间响应和反馈的深入研究，不少学者开始对气候适宜模型进行优化改进，尤其在水分适宜度方面改进最多。然而，在水分适宜度研究中，模型构建大多采用实际降水，而对作物生长有用的降水量是满足其蒸发蒸腾所需的那部分降水，即有效降水[15]。有效降水可更好地从作物生长发育内在机理角度反映气候对农作物生长的影响。再则，降水除了地表径流等非植株有效水，即使进入农作物植株的有效水在时效性上也具有滞后性。因此，准确表达有效降水对作物生长发育的影响成为提高气候适宜度评价的潜在途径。

有效降水研究目前多集中在农作物需水量进行对比分析，以辅助制定合理的灌溉计划[16-17]，而对其进行适宜度评价则相对缺乏。近年来，数据的有效积累和对作物生长机理认识的提高为气候适宜度模型的优化提供潜在机会。因此，本文以东北大田春玉米为研究对象，考察春玉米物候期基本生长需求，研究降水和作物有效降水区别，构建作物水分适宜度模型，并融合前人研究的温度和日照适宜度模型建立综合气候适宜度模型，以东北典型春玉米种植区为例，探讨多种气象要素对春玉米生长适宜性的综合度量，以期为农业生产发展和合理分配气候资源提供基础信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我国东北地区(图1)属温带季风气候，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥，1961—2019年≥10℃积温为2 400～3 200℃，年降水量为450～800 mm，且雨季主要集中在7—8月，呈现“雨热同季”的气候特征。该地区土壤肥沃，适合玉米、大豆、水稻等作物种植，种植制度以一年一熟制为主，其中春玉米是雨养为主的旱区作物，是全国春玉米最大的种植基地和产区。

图1 东北地区农业气象站点分布图

1.2 数据

1.2.1 数据来源 根据东北春玉米典型种植区特点和气候适宜度模型研究需求，本研究收集了1994—2013年25个东北农气站已有基础气象、物候、灾害和产量数据，其中春玉米生育期包括播种～出苗、出苗～三叶、三叶～七叶、七叶～拔节、拔节～抽雄、抽雄～乳熟和乳熟～成熟期7个阶段，数据来源于中国气象局官网(http://data.cma.cn)。考虑到玉米品种信息相对缺乏，为使构建的气候适宜度模型方便客观地反映温度的适宜性，本文依据春玉米不同生育期健康生长基准相关资料[11]确定了表1所示的东北地区春玉米各生育期的三基点温度，即：最适温度(t0)、最低温度(t1)和最高温度(t2)。此外，研究还收集了经过辐射定标和大气校正的2003—2010年500 m MCD43A4产品(美国宇航局https://search.earthdata.nasa.gov/search)、30 m有效Landsat地表反射开放标准数据产品(美国地质调查局https://earthexplorer.usgs.gov/)，结合同期开放的谷歌地球(Google Earth)高分辨率遥感影像，获取大田春玉米生育期时序特征。

表1 春玉米各生育期三基点温度/℃

1.2.2 数据预处理 根据研究需要，本文进行数据质量筛查和少量缺失数据插补。首先，依据地面数据说明和遥感标准数据质量评价等级，对筛查出的相对完整的高质量数据开展研究，而对于地面连续缺测数据较多的年份则直接剔除。其次，因气象或仪器问题导致的局部数据缺失(如温度)，则用前后两天平均数值代替，多天则采用近邻站点同期数据进行线性插补，而缺测的降水、日照、湿度和风速数据则根据局地常年各气候要素季节特点用历年同期估算值插补。再者，为确保遥感数据验证的客观中肯，根据“中国农业气象土壤水分数据集”(http://idata.cma/idata/)记载，泰来、海伦站在2003—2010年间玉米生长期内均无灌溉，春玉米生长主要受气候要素影响，故选取二者用于考察像元尺度雨养大田春玉米的生育期长势基本情况。此外，获取开放的Google Earth高分辨率遥感影像和Landsat数据，用于辅助确定大田位置、解译与判读大田作物类型，再匹配并定位至500 m MODIS像元。最后，利用观测角度归一化且无云污染的高质量MCD43A4全年时序数据估算归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)和增强型植被指数(Enhanced vegetation index，EVI)[18]用于春玉米全生育期内生长状况监测。

1.3 模型构建

1.3.1 有效降水估算 通过考察有效降水的定义和主流模型，本研究对比多个主流有效降水模型，最终采用联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United，FAO)推荐方法[19]进行估算。有效降水是指用于春玉米蒸发蒸腾所需的部分降水量，比实际降水更能体现春玉米利用降水量的程度。而降水虽然是春玉米生长所需水分的主要来源，但其并不完全用于春玉米生长，用其评估水分适宜性会有一定偏差。由此，本文引入有效降水。为确定合适的有效降水计算公式，本文分别使用美国农业部(United States Department of Agriculture，USDA)土壤保持局推荐法[20]、经验法[21]和FAO推荐法提出的有效降水计算公式，基于海伦站不同管理方式下黑土农田土壤含水量长期监测数据集[22]，以2005和2007年玉米为研究对象，根据玉米根系分布规律，选取0～50 cm土壤观测层次[23]，通过农田水量平衡方程[14]计算有效降水量，并与模拟值进行相关性验证。结果如表2所示，在不施肥、低量化肥、高量化肥与高量化肥+有机肥4种农田管理模式下，FAO推荐法模拟的有效降水与农田尺度计算值相关性均为最高。因此，选择FAO推荐的有效降水计算方法进行有效降水适宜度计算，见式(1)。

表2 不同管理模式下有效降水量模拟值与农田尺度计算值相关性

(1)

式中，Re和R分别为旬有效降水量(mm)和旬实际降水量(mm)；ETc为同期作物需水量(mm)。其中，ETc通过式(2)计算。作物系数(Kc)根据FAO-56[24]给出的标准作物系数(播种～七叶期Kc为0.30，七叶～抽雄期Kc从0.30线性增长到1.20，抽雄～乳熟期Kc为1.20，乳熟～成熟期Kc从1.20线性减少到0.60)与修正公式进行修订，如式(3)。ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算，如式(4)。

ETc=Kc·ET0

(2)

(3)

(4)

式中，Kci为第i天的作物系数；i为生育期内的天数；Kcprev为前一生育期末作物系数；Kcnext为后一生育期初作物系数；Lstage为第i天所在生育期的长度；Σ(Lprev)为前面所有生育期的总长度；ET0为参照腾发量(mm·d-1)；Rn为作物表面的净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)；T为2 m高度处的空气温度(℃)；U2为2 m高度处的风速(m·s-1)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；Δ为水汽压曲线斜率(kPa·℃-1)；γ为湿度计常数(kPa·℃-1)。

1.3.2 降水适宜度 东北地区降水在时间和空间上分布不均匀，土壤又有一定蓄水能力，且春玉米自身可对水分利用进行调节，故直接采用短期降水量等同玉米生长对水分的需求存在明显不足。因此，本文融合FAO推荐的有效降水估算方法，以生育期为尺度构建有效降水适宜度模型，如式(5)。

(5)

式中，当r为不同生育期有效降水总量(mm)，S(r)为相应生育期有效降水适宜度；当r为不同生育期实际降水总量(mm)，S(r)则为相应生育期实际降水适宜度。

1.3.3 温度和日照适宜度 温度和日照为春玉米生长提供必需的热量资源和辐射能量，其在一定程度上影响着春玉米产量的高低。根据相关研究[6,8,25]，采用式(6、7)分别评价温度和日照情况对春玉米生长的适宜性。

(6)

(7)

式中，S(t)为各生育期温度适宜度；t为不同生育期平均气温(℃)；S(s)为各生育期日照适宜度；s为不同生育期实际日照时数(h)；s0为日照百分率为70%的日照时数(h)；b取值参考相关文献[7]确定。

1.3.4 综合气候适宜度 不同生育期气候要素的波动对春玉米生长所带来的影响各有差异。本文以各生育期春玉米生长发育适宜所需的温、光和水量(Vti、Vsi、Vri)为基准，将其各自除以全生育期所需的总量，得出各生育期玉米生长所需的温、光和水的比重(Uti、Usi、Uri)，如式(8)。通过计算各个生育期温度、日照和降水适宜度与其相应比重乘积之和得出全生育期温度、日照和降水适宜度(Sz(t)、Sz(s)、Sz(r))，见式(9)。然后应用主成分分析[26]和指数和法构建综合气候适宜度评价模型，如式(10)。

(8)

(9)

(10)

式中，Si(t)、Si(s)和Si(r)为第i个生育期温度、日照和降水适宜度；i为生育期个数；Sj、Sj(t)、Sj(s)和Sj(r)分别为不同生育期综合气候适宜度和相应生育期的温度、日照、降水适宜度；j为7个生育期及全生育期；Cnt、Cns、Cnr分别为第n个主成分的温度、日照、降水适宜度载荷数；λn为第n个主成分特征值；n为主成分数；m为总主成分数。

1.4 模型检验

本文利用遥感植被指数对“基于有效降水的模型Ⅰ”和“基于实际降水的模型Ⅱ”在海伦、泰来站点测试的模型效果进行验证。首先，玉米生长快慢、繁茂稀疏和果实欠丰随品种和外在环境条件不同而波动，但作为独特的农作物类型，春玉米全生育期内的物候基本特征仍较为一致，像元尺度的时序植被指数可有效捕获其作物健康或胁迫生长的主要动态变化过程[18,27]。如图2所示，海伦和泰来站多年春玉米NDVI和EVI在全生育期内呈现出的“绿起～成熟～衰落”的总体变化趋势展示了春玉米从播种到成熟的生长时序节律。此外，年际间气候条件的差异或者同一年春玉米不同生育期温、光和水的胁迫可导致植被指数的波动[28]。故植被指数时序特征中的异常可有效反映春玉米生育期内的生长胁迫。

图2 2003—2010年海伦和泰来站春玉米NDVI、EVI时序变化

1.4.1 在年际尺度上的检验 将“基于有效降水的模型Ⅰ”和“基于实际降水的模型Ⅱ”估算的2003—2010年海伦、泰来站春玉米已有全生育期综合气候适宜度与植被指数进行相关性分析。结果如表3所示，模型Ⅰ与NDVI的相关系数为0.58，高于模型Ⅱ的0.52；模型Ⅰ与EVI的相关系数为0.29，高于模型Ⅱ的0.18，且相关系数均通过显著性检验(P<0.01)。表明模型Ⅰ较模型Ⅱ更能体现春玉米生长胁迫状况。

表3 模型Ⅰ与模型Ⅱ的气候适宜度与植被指数的相关系数

1.4.2 在玉米生长季尺度上的检验 本文选取特征差异明显的EVI与不同生育期的光、温和水适宜度进行定性检验。如图3所示，春玉米全生育期各气候要素适宜度整体较好时，其EVI峰值偏高，如海伦与泰来站2008年春玉米的气候适宜度与EVI曲线。海伦站2003年与2009年春玉米出苗～三叶期EVI曲线“绿起”迅速，呈现明显的阶梯状上升特征，这是出苗～三叶期降水适宜度高于播种～出苗期造成的。降水在春玉米营养生长前期较低时，易造成前期水分胁迫，导致细胞干物质积累减少，胚根吸水不足，影响胚芽发育，从而影响后期的生长。因此，海伦2009年与泰来站2003年和2009年前期降水适宜度接近于0，可能是前期营养生长阶段受限的主要原因。而营养生长的拔节期降水较低会造成严重水胁迫，生殖生长的吐丝期降水不足时会影响植株吐丝和授粉并诱发潜在的歉收，从而导致此时期的EVI偏低，这与泰来站2004年拔节～乳熟期发生的情况相似。此外，海伦站2003年春玉米拔节～抽雄期与抽雄～乳熟期的日照和温度适宜度差异不大，但抽雄～乳熟期的EVI下降速率明显较拔节～抽雄期减缓，表明抽雄～乳熟期水分影响比拔节～抽雄期小，这与抽雄～乳熟期的有效降水适宜度高于拔节～抽雄期相符，而与抽雄～乳熟期的实际降水适宜度低于拔节～抽雄期相悖。泰来站2004年与2005年七叶～拔节期的温度适宜度均在0.99以上，2004年此阶段的日照适宜度为0.64，高于2005年的0.41，而降水适宜度在0.45以下，低于2005年，且2005年此时期的EVI抬升明显比2004年快速，表明春玉米水分胁迫较日照胁迫显著。综上所述，气候适宜度可较好反映春玉米的生长特性，且有效降水适宜度比实际降水适宜度更能有效捕获春玉米水分胁迫现象。

注：P1—播种～出苗期；P2—出苗～三叶期；P3—三叶～七叶期；P4—七叶～拔节期；P5—拔节～抽雄期；P6—抽雄～乳熟期；P7—乳熟～成熟期。下同。

2 模型应用

鉴于模型Ⅰ检验效果良好，本文将“基于有效降水的气候适宜度模型Ⅰ”应用于东北地区典型春玉米种植区。由于每年已有站点春玉米生育期数据不统一，为方便对年际间气候适宜度模型应用结果进行分析，本文选取生育期数据最为齐全、且相同站点最多的2008年与2009年的东北春玉米进行不同生育期各气候要素适宜度估算。

2.1 全生育期气候适宜度

两年间东北地区春玉米全生育期内气候适宜度及适宜度变化不同。如图4a，4b所示，2008年日照适宜度为0.69，低于2009年的0.78，而有效降水适宜度为0.73，高于2009年的0.59。主要原因是2009年降水偏少，多地区发生了大面积干旱。两年间温度适宜度总体较高，均在0.85以上，2008年略高于2009年，主要是由于2009年东北地区中部发生冷害造成的。两年间日照、有效降水适宜度较之温度标准误差相对较高。春玉米生育期内日照和温度适宜度的变化量分别为0.09与0.08，而2009年有效降水适宜度则明显低于2008年的0.13。模型表明有效降水适宜度稳定性最差，是影响春玉米产量的关键因素。2008年综合气候适宜度为0.67，明显高于2009年的0.56。表明2008年气候条件较2009年利于春玉米生长。

两年间黑龙江、吉林和辽宁省的春玉米全生育期内气候适宜度及适宜度变化不同。如图4a，4b所示，2008年东北三省日照适宜度均低于2009年，其中辽宁变化最大，黑龙江变化最小，分别为0.18和0。2008年黑龙江、吉林和辽宁省的温度、有效降水与综合气候适宜度均高于2009年。其中，温度和有效降水适宜度分别集中在0.80和0.60以上，黑龙江温度适宜度变化最大，为0.16。辽宁和吉林的有效降水和综合气候适宜度变化较黑龙江大，分别在0.14和0.10以上。两年间气候变化对辽宁和吉林省春玉米生长影响较黑龙江省大。

图4 2008与2009年东北春玉米全生育期气候适宜度及适宜度变化

2.2 各生育期气候适宜度

两年间东北地区春玉米各生育期内气候适宜度及适宜度变化不同。如图5a，5b所示，首先，在整个生育期内，温度适宜度集中在0.80以上，普遍较高且稳定。而日照适宜度多大于0.60，尤其在抽雄～成熟期，最高可达0.90以上。有效降水适宜度则在玉米整个生长期间取值普遍偏低，基本在0.60以下，仅在拔节前后较高。综合气候适宜度与有效降水适宜度较为相似，均呈两侧偏低、中后期相对较高。其次，温度适宜度较之日照、有效降水标准误差相对较低，且三叶期前气候适宜度变化幅度最大。2008年日照适宜度除乳熟～成熟期外均低于2009年，其三叶期前变化量最高，在0.17以上。而2008年有效降水适宜度在各生育期均高于2009年，其中播种～三叶和拔节～乳熟期变化量最高，均大于0.14。2008年温度适宜度除三叶～七叶期外均高于2009年，出苗期前和乳熟期后变化量最高，在0.19以上。2008年综合气候适宜度除七叶～拔节期外均大于2009年，三叶期前和乳熟期后变化量最高。

两年间黑龙江、吉林和辽宁省春玉米各生育期气候适宜度及适宜度变化不同。如图5c～h所示，在整个生育期内，东北三省温度适宜度普遍高于日照和有效降水适宜度，有效降水适宜度多在0.40～0.60之间波动，且三叶～乳熟期的综合气候适宜度偏高于其余生育期。其中辽宁和吉林省温度适宜度总体较黑龙江高，而日照适宜度较黑龙江低。其次，各省有效降水适宜度标准误差均最高，温度适宜度标准误差均最低，气候适宜度变化幅度均在春玉米生长前期最大。辽宁、吉林与黑龙江省2008年日照适宜度分别在乳熟期前、三叶期前和拔节～乳熟期与三叶前和七叶期后低于2009年，有效降水适宜度分别在七叶期前和拔节～乳熟期、各生育期与三叶期前和七叶～抽雄期和乳熟期后高于2009年。而辽宁2008年温度适宜度除三叶～七叶期外均大于2009年，吉林与黑龙江省则在各生育期大于2009年。其中三省的日照和有效降水适宜度变化量集中在-0.40～0.40范围内，辽宁和黑龙江的日照和有效降水适宜度均在七叶期前变化量较大，而吉林在播种～三叶期和七叶～乳熟期变化量高。辽宁与吉林温度适宜度分别在出苗期前、七叶～拔节期和乳熟期后变化量最高。辽宁、吉林与黑龙江省2008年综合气候适宜度分别在三叶期前和抽雄期后、各生育期与七叶期前和拔节～抽雄期和乳熟期后高于2009年。且辽宁的综合气候适宜度在拔节期前变化幅度最大，而吉林、黑龙江则分别在三叶期前和乳熟期后、七叶期前和乳熟期后有较高的变化幅度。

图5 2008与2009年东北春玉米各生育期气候适宜度及适宜度变化

3 结论与讨论

本研究面向东北春玉米引入有效降水构建综合气候适宜度模型，对比“基于有效降水模型Ⅰ”和“基于实际降水模型Ⅱ”，利用海伦、泰来站点从定量和定性角度上进行模型测试检验，并将最适用模型用于估算东北2008—2009年春玉米气候适宜度。模型验证结果表明，“基于有效降水模型Ⅰ”较“基于实际降水模型Ⅱ”与相应NDVI、EVI相关性更好，可有效反映春玉米的气候适宜性，这为气候适宜度评价研究提供新思路。模型Ⅰ在2008—2009年东北春玉米应用结果显示，不同气候要素适宜度偏低或适宜度变化偏大时，相应气候灾害易出现，该模型对农业气象灾害具有良好的捕获能力。

本文利用模型Ⅰ估算东北2008—2009年春玉米不同生育期各气候要素适宜度及其变化发现，东北地区2008年气候条件较2009年更利于春玉米生长，这与2009年气候灾害较2008年严重及产量下降相一致。两年间东北春玉米不同气候要素适宜度表现为温度>日照>有效降水，温度适宜度在两年内变化较小，且多在0.80以上，其基本可以满足东北春玉米生长的热量需求。2008—2009年东北春玉米综合气候适宜度在中后期偏高，此时期气候条件比其余生育期适宜春玉米发育。两年间东北气候适宜度在三叶期前变化幅度最大，这是由于2008与2009年此时期气候差异较大造成的。对于不同省份来说，两年间辽宁和吉林省温度适宜度总体较黑龙江偏高，而日照适宜度较黑龙江偏低。这主要是因为东北地区西南部温度普遍高于东北部，而纬度位置高的东北部日照更强。辽宁和吉林省的日照和有效降水适宜度变化量高于黑龙江省，温度适宜度变化量低于黑龙江省，这与2009年辽宁的昌图、绥中和庄河及吉林的长岭、农安和辽源等地区发生的频繁重度干旱相吻合。吉林、黑龙江的日照和有效降水适宜度分别在播种～三叶期和七叶～乳熟期、七叶期前变化较大，是由于2009年此时期的干旱较2008年影响范围广且严重造成的。辽宁、吉林省温度适宜度分别在出苗期前、七叶～拔节期和乳熟期后变化量最大，主要原因是2009年辽宁的昌图与吉林的白城、长岭和辽源等地区在此阶段发生冷害。这可为东北地区春玉米生产管理决策提供基础信息服务。

本文构建的“基于有效降水的气候适宜度模型Ⅰ”在捕获春玉米生长态势上展露潜在优势，能较好地反映春玉米全生育期气候适宜性变化。此外，由于底墒、玉米品种和施肥等田间管理信息获取困难，难以作为输入变量，本文主要考虑了温度、光照和降水三个要素，忽略了品种更替等信息的影响，这部分工作待收集更多田间管理和其他因素信息后逐步完善。