基于积温带重新划分的东北玉米熟型分布研究*

王贺然，刘东明，陈鹏狮※，李迎春，韩 雪，郝兴宇

（1.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，沈阳 110166；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3.山西农业大学农学院，晋中 030801）

0 引言

东北地区是我国玉米主产区，玉米播种面积和产量均超过全国玉米播种面积和产量的30%[1]，人均玉米占有量全国最高[2]，玉米调出量和商品率高[3]，是重要的粮食产区和商品粮供应区[4]，具有重要的农业生产地位和保障国家粮食安全的战略地位[5,6]。东北地区属同一玉米生态区，受气候变暖影响，区域内外玉米引种频繁，越区种植问题突出[2,7]。

20 世纪80 年代以来，尤其是2000 年以后，东北地区玉米种植呈现出区域扩大、品种晚熟化的特点，种植区域和品种分布北移东扩、向高低海拔双向延伸[1,5,6,8-15]。吉林、黑龙江是东北地区玉米扩种和熟型调整最大的区域[12]，吉林玉米种植从中部松辽平原向西北部、东部半山区、山区扩张[13]，黑龙江玉米扩种面积最大[16]，第三至第五积温带尤为明显[14,15]；两省高寒地区开始种植早熟、极早熟品种[17]。除技术进步、早熟品种推广、临储政策实施等因素[13-15,18]，气候变暖带来的热量资源增加，尤其是高寒地区热量条件改善，是东北地区玉米种植发生变化的根本原因[1,5,6,9-12]。20 世纪60 年代以来，东北地区热量资源呈增加趋势[6,19,20]，平均气温增速高于全球和中国其他区域[19,21]，45°N 以北地区尤为明显[22]，2000 年以后，东北地区农业气候资源增加显著[9]，使得生长季长度增加、生长季内积温增加、作物生育期缩短、低温灾害减轻，为早种晚收、品种晚熟化调整、种植生育期更长的作物或品种提供基础条件[1,9-11,23]。以热量资源为重要指标，通过引种可实现熟型调整[5]，同一生态区内引种相对安全[24]，目前黑龙江玉米多为自育品种，但第一积温带种植了吉林、辽宁甚至黄淮海地区等省外品种，吉林中西部种植了辽宁等外省品种[18,25]，跨区引种风险不断增加。

热量资源的分布决定作物熟型的分布，积温每增加100℃·d，玉米多长出一片叶子[26]，可根据叶片数和积温的关系，确定不同熟型玉米的种植区域，这是玉米熟型分布与搭配、越区引种的理论依据。尽管根据有效积温和水分亏缺指数可将东北三省划分为10 个积温带[27]，但目前东北玉米生态区内的积温区划标准仍不统一[28,29]，玉米熟型分类笼统且交叉[9,18,30-36]、标准不统一、标注差别大[37]；2011—2020年是有完整气象观测记录以来全球最暖的10年[38]，但东北地区气候变暖及其对农业影响的研究多集中在2010年以前，且多在行政区内进行[1,9,10,20,39]，很少考虑生态区[19,40,41]，而内蒙古东部地区与东北三省属于同一玉米生态区[42]，近年来内蒙古玉米产业发展迅速[43]，东部四盟（市）主产区产量已超过辽宁[44,45]，未来内蒙古东部地区与东北三省属于同一气候变化敏感区[46]，农业风险等级基本相同[47]。

我国适应气候变化的理念逐渐完善，区域联动已被包含在有序适应气候变化的路线图中[48]，面对气候变暖导致的东北地区玉米种植区域和熟型快速变化的现实，可以农业生态系统为整体，形成区域联动，有必要在统一生态区内的积温区划、规范玉米熟型划分标准的基础上，制定农业适应气候变化措施。

文章以内蒙古东部四盟（市）与东北三省为研究区域，统一积温带划分标准，重新进行积温区划，根据前人建立的玉米叶片数和积温的关系模型，对不同熟型玉米的潜在分布区进行划分，以期了解东北地区热量资源和玉米熟型的分布和变化情况，为区域农业气候资源高效利用、种植业结构调整、农业生产布局和玉米品种选择提供参考，降低盲目误选种的风险，也为区域有序适应气候变化、减少玉米产量波动提供理论依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区域

以辽宁省、吉林省、黑龙江省、内蒙古自治区东部四盟（市）（赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市）为研究区域。区域内自然条件相似，耕作习惯、管理方式和水平接近。农业区主要分布在大兴安岭、小兴安岭和长白山三大生态屏障包围的平原和丘陵地区，种植作物主要为玉米、大豆、高粱、马铃薯、谷子和水稻。

1.2 数据来源

气象数据为研究区域内223 个国家级气象站（辽宁省51 个、吉林省51 个、黑龙江省73 个、内蒙古自治区东部四盟（市）（48 个）1981—2019 年逐日平均气温，数据来自于国家气象信息中心。研究区域和站点分布见图1。

图1 研究区域及气象站点分布

2 研究方法

以日平均气温≥10℃活动积温作为热量资源指标。玉米、水稻、大豆等喜温作物的生物学下限温度为10℃[49]，稳定通过≥10℃的初日和终日为喜温作物生长发育的起点和终点，期间的时段是有效生育长度[50]，表示潜在生育期[40]，≥10℃年活动积 温（AAT10： Annual Accumulated Temperature above 10℃）是可利用的热量资源，其分布表示作物潜在种植区或分布区。

采用五日滑动平均的方法[40]，逐年计算1981—2019 年各站≥10℃的初日、终日和年活动积温。根据世界气象组织要求，以30 年资料代表平均气候状况，1981—2010 年为该文研究的基准期，计算1981—2010 年、2011—2019 年2 个时段≥10℃活动积温，采用经验频率法按80%保证率取值[51]。

积温带的划分以应用最广泛的黑龙江省20 世纪90 年代制作的积温区划标准为基础，兼顾各省（区）积温区划的积温带值，以200℃·d 为级差，建立东北地区积温带划分标准（表1），可分为10个积温带（表1）。

表1 东北地区≥10℃积温带划分标准

玉米熟型的划分以文献[26]为基础，考虑黑龙江北部最早熟品种叶片数一般为14～15 片，辽宁南部一般为22片[26]，将2 300℃·d作为种植的下限积温，建立东北地区玉米熟型划分标准（表2）。

表2 东北地区玉米熟型划分标准[26]

3 结果与分析

3.1 积温区划

根据表1的划分标准和1981年以来各站积温值，对东北地区进行积温带划分，结果表明如下。

积温在大兴安岭以东地区呈西南—东北的马蹄形分布，积温值自西南向东北减少，在大兴安岭及以西地区呈山峰形分布，自东西两麓向中部减少。长白山区、大兴安岭、小兴安岭东部青黑山为积温低值区，辽宁西南至南部沿海为积温高值区（图2）。

与基准期相比，2011—2019 年积温带整体向东北方向移动或扩张，第一、四、六、七积温带扩张明显，第八至第十积温带向北收缩。其中，第一积温带中部扩张至医巫闾山以南，范围扩大；第二积温带北界基本维持稳定，南界因第一积温带北扩而收缩，范围减小；第三积温带北界西段东缩，范围缩小；第四积温带北界北扩至松嫩平原西南部，西界西扩，范围扩大；第五积温带北部覆盖整个松嫩平原，西界南缘向大兴安岭扩张，范围扩大；第六积温带北界向大小兴安岭扩张，东南部覆盖长白山区，范围明显扩大；第七积温带北移最明显，北部覆盖整个小兴安岭，长白山区第七积温带覆盖区域收缩至长白山东南部；第八积温带仍由两部分组成，大兴安岭西麓部分东扩，小兴安岭部分由整个小兴安岭东缩至青黑山；大兴安岭东西两麓的第九积温带连通，西界东缩；第十积温带南界北缩，仅覆盖大兴安岭北部（图2）。

与基准期相比，2011—2019年东北地区79.37%的站点≥10℃积温增加，其中辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古东部四盟（市）积温分别增加1.5～343.3℃·d、4.8～535℃·d、1.9～358.4℃·d、13.9～313.6℃·d，吉林增幅最大，4省（区）积温平均增加58.7℃·d、104.1℃·d、94.1℃·d、87.2℃·d，吉林增加最多；气候变暖对吉林热量条件的改善最明显，其次为黑龙江、内蒙古东部四盟（市）。目前，辽宁主要包括第一至第四积温带，吉林主要包括第四至第七积温带，黑龙江主要包括第五至第十积温带，内蒙古东部四盟（市）南部主要包括第三至第六积温带、北部主要包括第七至第十积温带。处于第一至第五积温带的辽宁、吉林中西部、黑龙江西南部、内蒙古东部四盟（市）东南部积温高于2700℃·d，玉米种植的热量资源较充裕（图2）。东北地区各县级行政区所处积温带见表3。

表3 2011—2019年东北地区≥10℃积温带的行政分布（80%保证率）

图2 1981—2010年（a）和2011—2019年（b）东北地区≥10℃积温分布（80%保证率）

3.2 不同熟型玉米种植区划

根据表2 的划分标准和1981 年以来各站的积温值，对东北地区不同熟型玉米进行区划。结果表明如下。

目前，大兴安岭以东地区，除青黑山外均为玉米潜在种植区，其中第一至第五积温带可种植极晚熟、晚熟、中晚熟品种，第六积温带可种植中熟、中早熟品种，第七积温带可种植早熟、极早熟品种，第八至第十积温带不能种植玉米。潜在种植区内，各熟型玉米带呈马蹄形分布，随纬度和海拔的升高，可种植品种趋于早熟。

与基准期相比，玉米带向东北方向移动或扩张，极晚熟、中熟、中早熟玉米带扩张明显，新增潜在种植区位于长白山区和小兴安岭中部，前者可种植中早熟、早熟、极早熟品种，后者可种植早熟、极早熟品种（图3）。

图3 1981—2010年（a）和2011—2019年（b）东北地区不同熟型的玉米分布（80%保证率）

目前，半数潜在种植区可种植中晚熟及更晚熟品种，包括辽宁、吉林中西部、黑龙江中西部、内蒙古东南部，这也是东北玉米主产区。辽宁大部可种植极晚熟、晚熟品种，省内热量资源最少的新宾县、建平县也可种植中晚熟品种；吉林以吉林市西部—辽源西部一线为界，以西地区可种植极晚熟、晚熟品种，以东地区大部可种植中晚熟、中熟、中早熟品种，其中白山和延边州交界的长白山区大部可种植早熟、极早熟品种；黑龙江齐齐哈尔东南部、大庆、绥化南部、哈尔滨西南部可种植极晚熟、晚熟品种，牡丹江东部、黑河中部、齐齐哈尔东北部、绥化东北部、鹤岗西部、佳木斯东北部、双鸭山东北部可种植早熟、极早熟品种，其他地区可种植中晚熟、中熟、中早熟品种；内蒙古赤峰东部、通辽大部、兴安盟东南部可种植极晚熟、晚熟品种，赤峰西部、通辽西北部、兴安盟中部、呼伦贝尔东南部可种植中晚熟、中熟、中早熟品种，兴安盟和呼伦贝尔的大兴安岭东麓可种植早熟、极早熟品种。吉林长白山核心区、黑龙江大兴安岭地区、黑河东西部、伊春北部、内蒙古呼伦贝尔和兴安盟北部的大兴安岭西麓等高寒地区不适宜种植玉米（表4）。

表4 2011—2019年东北地区玉米熟型的行政分布（80%保证率）

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 玉米潜在种植区域划定标准

该文划定的东北玉米潜在种植区比张丽敏等[1]、贾建英等[9]的范围小，主要体现在极早熟品种的分布区域，这是由于最低热量标准的不同而造成的。一般认为≥10℃活动积温高于1 900～2 200℃·d的地区能种植玉米[1,6,8,9,12,18,30-33,35,36]，以此作为种植北界，得出的种植区更近于东北玉米的理论分布区。2 200℃·d，甚至1 900℃·d 是玉米生长的最低热量标准，与生育期天数相比，积温和叶片数能够更稳定地表示作物熟型[24,37,52]，故该文根据热量条件和研究区域实际种植玉米的最小叶片数，为降低气象灾害风险，将2 300℃·d确定为东北玉米的安全种植的最低热量标准。以2 300℃·d 等温线作为东北玉米种植北界，得到的东北玉米潜在种植区范围与纪瑞鹏等[10]的研究结果基本相同。

确定极早熟、早熟品种的分布区域对于气候变化影响研究在生产中的指导作用尤为重要。热量条件改善，吉林、黑龙江原高寒地区种植玉米积温不足、无法成熟的风险降低[5]，长白山区、小兴安岭成为早熟、极早熟玉米的新种植区，黑龙江西南部可种植晚熟玉米，这与贾建英等[9]的研究结果相同，但袁彬等[11]根据叶片数和积温的关系研究表明，1981—2010 年长白山区大部、黑河北部可种植极早熟玉米，这与该文研究结果不同，可能因为其依据的最低热量标准≤2 200℃·d，实际种植情况是，两地主要为林区，积温不足[53]，玉米种植面积小且不稳定[5]，不具备玉米种植的区位优势[13]，1981—2010 年长白县—敦化市一线、汪清县北部基本未种植玉米[54]，整个长白山区玉米种植面积持续减少[12]，黑河北部小兴安岭北麓黑龙江沿岸逐渐零散种植玉米[17,54]，黑河南部小兴安岭南麓玉米种植区种植面积不稳定，先增后减[12]，后成为水稻种植的扩充区[8,17]。由此可见，将2 300℃·d等温线作为东北地区玉米种植北界得出的结果更符合实际，也与把≥10℃活动积温在1 900～2 300℃·d作为“镰刀弯”地区的判定标准不谋而合，利于种植结构调整的规划设计。

4.1.2 玉米种植熟型向晚熟化方向调整

该文表明，目前半数潜在种植区可种植中晚熟及更晚熟品种，即第一至第五积温带可种植18 片叶及以上的玉米品种，这与谭杰扬[12]、纪瑞鹏等[10]的研究结果基本相同，也与目前中晚熟品种在黑龙江中西部松嫩平原广泛种植[35]的实际情况相符合，张丽敏等[1]研究认为，中晚熟品种东扩最明显时段为2000 年以后。以近年来东北地区种植较广[14,18,20,25,55-59]的丹玉39（晚熟，最低活动积温约3 000℃·d）、郑单958（中晚熟，最低活动积温约2 900℃·d）、先玉335（中熟至中晚熟，最低活动积温约2 600℃·d）、吉单27（中早熟，最低活动积温约2 400℃·d）、德美亚1号（极早熟，最低活动积温约2 100℃·d）为例，依据该文的研究方法，目前种植北界分别能达到第四积温带中部、第四积温带、第六积温带中部、第七积温带中部、第八积温带。但钱春荣等[60]在哈尔滨种植的郑单958 和先玉335 玉米霜前尚不能成熟；史振声等[61]、陈亮等[62]认为，晚熟品种的产量优势不突出，安全性、稳定性、品质等不及中晚熟、中熟品种[63-65]，晚熟化调整不一定会利用增加的积温；白氏杰等[66]认为，通过密植可提高早中熟品种的群体产量，缩小与晚熟品种的产量差距。所以在实际生产中要慎重进行晚熟化种植，不宜采用积温满贯型品种[60]，保留安全积温[60]，尤其积温带发生变化的地区建议推后积温带选择品种[7]。

4.1.3 玉米种植调整仍面临诸多风险

目前东北地区适应气候变化的玉米晚熟化种植面临的气象灾害风险，主要包括积温不足或不稳定、干旱、雨涝、低温冷害等。吉林长白山区、黑龙江后期热量不足对玉米安全成熟不利[60]。辽宁西部、吉林西部、黑龙江松嫩平原、内蒙古东南部易发生干旱[15,41,67-69]，其中辽宁西部、吉林西部、黑龙江松嫩平原、内蒙古东南部易发生春旱[25,67]。辽宁东部、吉林东部、黑龙江西北部、北部、中部和南部易发生雨涝[41,69]，黑龙江三江平原、牡丹江半山区易发生春涝[58]。随着气候变暖，东北地区春季回暖早但不稳定[50]，尤其倒春寒会影响春播和苗期生长[24,60]；辽宁西北部、吉林西北部和东南部、黑龙江玉米生长中期易发生延迟型冷害[10,33]；初霜冻是生长后期影响东北玉米正常成熟的重要因素[10,14,18,25]。未来持续的气候变化可能促进上述风险向极端化方向发展[19]，甚至出现高温风险[11]。

2015 年以来，政府部门不断出台、调整种植利益补偿机制、生态补偿政策，利用经济手段优化种植结构、调减“镰刀弯”地区的玉米种植，支持优势产区发展、保护生态环境。从该文的研究结果看，第八、九积温带活动积温为1 900～2 300℃·d，属于“镰刀弯”地区且不能种植玉米，辽河平原以西、松嫩平原以西地区为半干旱气候，土壤贫瘠、生态环境脆弱[13]，吉林东部半山区、长白山区受地形影响不利于规模化、机械化生产[13]，黑龙江北部[70]热量资源略显不足、安全成熟风险高[60]，尽管目前热量资源能够满足玉米需求，但产量不高也不稳定。所以第八积温带、新增种植区、生态脆弱区应合理调控玉米种植。

4.2 结论

以200℃·d 为级差，对东北地区≥10℃年活动积温进行重新划分，可将东北地区分为10 个积温带。东北地区积温的分布和变化受地形影响较大，大致呈马蹄形分布，西北部积温以大兴安岭为低值中心向东西两麓增加。与基准期年相比，2011—2019 年东北地区积温以增加为主，积温带主要向东北方向移动或扩张，气候变暖对吉林热量条件的改善效果最为明显，利于其“黄金玉米带”的改扩种，其次为黑龙江、内蒙古东部四盟（市）。

年活动积温2 300℃·d 等温线可作为东北地区玉米安全种植的北界，第一至第七积温带可种植玉米，大兴安岭对东北地区的玉米分布起屏障作用，玉米熟型区划可作为东北地区玉米种植的最高熟型标准。东北地区整体热量条件改善，气候变暖对吉林、黑龙江玉米种植影响最大，其种植区域扩大和晚熟化种植最明显。辽宁、内蒙古东南部玉米熟型较稳定，吉林、黑龙江则不断变化，黑龙江北部由非玉米种植区转为早熟、极早熟玉米种植区，黑龙江东部由中早熟种植区转为中熟种植区，吉林东部由早熟、极早熟、非玉米种植区转为中早熟玉米种植区。目前，辽宁、吉林中部和西部、黑龙江中部和西南部、内蒙古东南部等东北玉米主产区均可种植中晚熟及更晚熟品种，而吉林长白山核心区、黑龙江大兴安岭地区、黑河东西部和伊春北部、内蒙古呼伦贝尔和兴安盟北部的大兴安岭西麓等高寒地区不适宜种植玉米。玉米选种过程中需要从生育天数的概念转变为更具理论意义的积温概念，在实际生产中，为方便起见，可根据产品说明中的积温、叶片数判断玉米熟型，选择种植品种，还要考虑水分条件、低温灾害等气候条件和不稳定的气象因素，生态保护、比较收益等环境和经济因素，作业方法等技术因素和产量因素，不能盲目扩种和晚熟化种植玉米。

热量资源对东北地区玉米种植的限制作用在减小，但气候变化研究的不确定性使得未来东北各地降水变化的研究结果差异较大[71]，未来10 年的预测结果或10 年内的气象条件评价结果对农业生产的参考价值更大[50]。该文仅考虑了积温对东北地区玉米布局的可能影响，在确定2 300℃·d 等温线可作为东北地区玉米安全种植北界的基础上，未来的研究需要考虑降水、霜冻、种植习惯等因素，以确定播种期、收获期，完善东北地区玉米布局的指标体系和适应气候变化的技术体系，减少气候变化带来的风险；另外该文仅利用了国家级气象站数据进行分析，未来的研究需要考虑地形因素，进行格点化、网格化分析，增强研究结果对玉米种植的指导作用；第三，从玉米产业链角度看，种植环节应该保障下游环节有充足的原料和稳定的品质，尽量减少运输成本，提供优质原料，容重是评价玉米商品性的指标[72]，所以未来的研究要与产业发展需求结合，增强产区意识，及时提供东北地区玉米产量、容重的年度分布，降低采收环节的盲目性。