1981—2020年沈阳地区春玉米生长季水热资源时空特征

姜珊 张海旭 张菁 宋晓巍 李石 于璐 王新秀

（1.沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳市苏家屯区气象局，辽宁 沈阳 110101）

引言

辽宁省作为中国玉米主要种植基地之一，作物生长以雨养方式为主［1-2］，温度及降水是关系玉米产量安全的关键因素。随着全球气候变暖的持续发展，中国农业气候资源也相应出现了变化［3-5］。农业气候资源能够为作物提供光、热、水、土、空气等，农业气候资源的变化将对作物的生长发育产生显著影响［6-8］，尤其在作物生长季内的水热条件对其影响最为明显［9］。因此，研究沈阳市春玉米生长季水热资源特征，对于指导当地农业生产、种植结构布局、生产潜力发展、保障粮食产量安全等具有重要意义。

东北地区是中国受气候变化影响最为明显的地区之一［1］，作物生长发育、产量和耗水量随着热量、降水、蒸散量等的变化而产生影响［10-12］。国外学者利用极端高温对玉米产量的影响进行的研究较多。Lobell等［13］研究发现，在非洲地区，当日最高气温高于30℃的积温每增加1℃，玉米产量将减产1.7%；Butler和Huybers［14］对美国玉米的极端高温适应性进行研究表明，极端气温越高玉米适应性越差。国内学者更侧重于利用作物生长模型以及统计学方法对气候变量的时空特征进行研究［15-17］。由于不同区域、不同作物、不同时间尺度、不同生育期内的气候因子特征存在差异，因此，需要对气候因子和统计方法不断进行改进，来分析不同区域，不同作物的气候特征。邱美娟等［18］利用彭曼方程对吉林省玉米发育期的降水量、需水量和作物水分亏缺指数进行了计算，得出玉米生长的前期和后期易发生干旱，生长关键期干旱频率较小。李喜平［19］研究表明，河南省夏玉米各生育阶段需水量下降明显。有研究发现［20-21］，中国华北平原玉米生长季热量呈增加趋势，玉米不同发育阶段对水分需求和耐旱性有明显差异。张淑杰等［22］得出中国东北地区玉米生长季干旱区域性明显，在苗期生长阶段干旱频率最高。张宝林等［23］研究表明，内蒙古玉米主产区的气温和积温均呈增加趋势。以往气候资源研究大多基于积温的特征分析，而针对作物生育期内的极端气温研究较少，且单纯针对作物发育期的热量或者水分供需的研究较多，而水热资源特征结合生长季的协同研究鲜有报道，以至于难以明确区域水热协同变异过程对作物生长发育的影响。为此，根据1980—2020年沈阳市7个气象站玉米生长季气候资料，利用生长度日（Grow ing degree days，GDD）和高温度日（Heat degree days，HDD）指标，分析玉米生长季不同阶段温度和降水资源的时空变化趋势，以期了解沈阳市春玉米生长发育期热量资源和水分亏缺情况的时空分布演变，为充分利用自然资源、优化产业结构以及防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源及处理

气象数据来源于辽宁省气象信息中心1981—2020年沈阳市7个气象观测站（浑南、苏家屯、沈北、辽中、新民、康平、法库）逐日气象资料，包括逐日平均气温、最高气温及降水量。研究区域观测站点分布见图1。数据分析利用M icrosoft Excel 2010和SPSS软件统计处理，并进行显著性检验。空间分析参考王占彪等［24］研究方法，利用ArcGIS 10.7软件的反距离差值方法对气象数据进行插值，按掩膜提取得到对应空间分布图。

1.2 研究方法

1.2.1沈阳市春玉米生育期划分

根据《辽宁省气象局农业气象服务指标集》，将春玉米生育期分为播种期、苗期、拔节期、抽雄期、成熟期等阶段（表1）。

图1 研究区域气象站点分布Fig.1 Distribution ofmeteorological stations in the study area

表1 沈阳市春玉米全育期划分Table 1 Division of grow th period of spring maize in Shenyang

1.2.2界限温度及活动积温的确定

计算农业界限温度的初、终日期采用“五日滑动平均法”，春玉米为喜温作物，以10℃为界限温度，即在春玉米生长时期第一次出现高于或低于10℃之日起，依序计算每连续五日的日平均气温的平均值。将界限温度持续期内的日平均气温累加起来，得到的气温总和即为活动积温。

1.2.3热量指标的选取

生长度日为作物成长期内所累积的有效积温值，是基于温度的一个指数，代表作物生长期积累的热量。本文以日平均气温≥10℃作为有效积温。高温度日是指高于作物生长上线温度的累积热量，本研究以日最高气温大于30℃作为热量积累。计算公式为

式（1）—式（4）中，Ta为日平均气温；Tb为春玉米生长期下限温度；Tm为日最高温度；To为春玉米生长期上限温度。

1.2.4气候倾向率

气候倾向率是指气候要素随着时间变化的趋势，采用最小二乘法计算气候样本yi与时间ti的一元线性关系。

式（5）中，y为气象要素值；a为回归常数；b为回归系数；i为时间序列；b的10倍作为要素的气候倾斜率。

1.2.5临界指标的确定

根据郭建平等［25］、慕臣英等［26］研究和辽宁农业气象服务定量指标汇编以及沈阳地区春玉米生长发育特点，确定该区域春玉米各生育期的临界温度、降水指标（表2），其中适宜温度为日平均温度范围，最高温度为日最高气温。

式中：γsr为系统对外散热损失比例，取0.5%；Qp为给水泵加入系统的能量，kJ/h；hBFP,in、hBFP,out分别为给水泵进、出口给水的焓，kJ/kg。

2 结果分析

2.1 沈阳地区春玉米生育期水热分布

1981—2020年沈阳市7个县市区春玉米各生育期GDD、HDD和降水量平均值（表3）。春玉米全育期GDD为1611.2—1791.3℃·d，除苏家屯外，各地间差异未达到显著水平（P＜0.05）；在播种期、苗期、拔节期、抽雄期、成熟期各地GDD均有一定的差异，各时期苏家屯GDD均高于其他地区，与浑南的差异不显著，春玉米在抽雄期和成熟期GDD值最高，播种期GDD最低；近40 a沈阳地区春玉米全育期HDD为16.0—30.4℃·d，抽雄期HDD值最高，除苗期外，播种期、拔节期、抽雄期、成熟期、全育期HDD苏家屯均高于其他地区。沈阳地区春玉米全育期降水量为453.2—555.3 mm，在抽雄期降水量最多，各生育期降水量康平均低于其他地区，除抽雄期外，各生育期降水量浑南区均高于其他地区。

表2 沈阳地区春玉米各生育阶段临界温度、降水指标Table 2 Temperature and precipitation indexes of spring maize in different grow th periods in Shenyang

2.2 沈阳地区春玉米生育期水热气候倾向率分布

表3 1981—2020年沈阳地区春玉米生长季水热平均值Table 3 Average tem perature and precipitation during the sp ring corn grow ing season in Shenyang from 1981 to 2020

1981—2020年沈阳市7个县市区春玉米各生育期GDD、HDD和降水量的气候倾向率差异明显，如表4所示。沈阳地区春玉米全育期GDD气候倾向率的平均值为53.94℃·d/10 a，表明沈阳地区春玉米全育期生长热量持续增多，除浑南区在成熟期呈下降趋势外，其他县市区在春玉米各生育期GDD气候倾向率均呈增长趋势。春玉米各生育期GDD倾向率苏家屯区显著高于其他地区。沈阳地区春玉米全育期HDD气候倾向率均呈上升趋势，平均值为6.64℃·d/10 a，各地在抽雄期增长速率最高。除康平在成熟期HDD气候倾向率为降低趋势，其他各地生育期HDD气候倾向率均为正值。春玉米全生育期，沈阳市各地降水量均呈减少趋势，均值为-15.0 mm/10 a，各生育期各地降水量趋势不同， 在播种期，浑南降水量呈增加趋势，其他各地呈减少趋势，在苗期，各地降水均呈增加趋势，拔节期各地降水均呈减少趋势，抽雄期的新民降雨量呈增加趋势，其他各地呈减少趋势，成熟期的法库降水量呈增加趋势，其他各地呈减少趋势。

表4 1981—2020年沈阳地区春玉米生长季水热气候倾向率Table 4 Climatic tendency rates of temperature and precipitation during the grow ing season of spring maize in Shenyang from 1981 to 2020

2.3 沈阳地区春玉米生育期生长度日的空间分布

沈阳地区春玉米各生育期GDD的空间分布见图2所示。1981—2020年沈阳地区春玉米在各生育期GDD空间分布差异不太显著，总体上呈现由北向南递增趋势，GDD高值区范围主要分布在沈阳南部，低值范围主要分布在沈阳北部地区。在各生育时期，苏家屯、浑南区GDD均较高，除苗期以外，其他各生育期康平及法库大部分地区GDD均最低，在拔节期，新民、辽中GDD较低，沈北部分地区GDD较低。在抽雄期、成熟期及全育期各地区GDD分布较为相似，均呈由北向南递增趋势。

2.4 沈阳地区春玉米生育期高温度日的空间分布

1981—2020年沈阳地区春玉米在播种期、苗期、拔节期HDD呈西北—东南走向的递增趋势（图3），低值分布在新民和辽中一带，高值分布在浑南、苏家屯一带，在抽雄期、成熟期和全育期HDD呈北—南走向的递增趋势，低值分布在康平、法库一带，高值分布在浑南、苏家屯一带。不同生育期HDD范围不同，全育期HDD范围为16.0—30.4℃·d，其中抽雄期HDD范围最大。沈阳地区春玉米不同生育期的HDD变化趋势基本呈增加趋势，HDD的增长表明春玉米全育期内热量的增加，也表明了蒸发的增加，作物生育期水分亏缺指数的增加，高温干旱风险也随之加大［23］。总体来说，近40 a沈阳地区HDD呈增长趋势，在空间上与生长度日分布趋势大致相同。

2.5 沈阳地区春玉米生育期降水量的空间分布

1981—2020年沈阳地区春玉米在各生育期平均降水量空间分布见图4。由图4可知，近40 a沈阳地区春玉米各生育期降水量在空间上基本一致，均呈东南—西北递减趋势，全育期降水量为453.2—555.3 mm，其中低值分布在康平、法库、新民地区，高值分布在沈北、苏家屯、浑南等沈阳市区。总体而言，近40 a沈阳地区春玉米生育期降水量空间分布差异不明显，与沈阳地区春玉米生长期GDD和 HDD的空间分布基本一致。

图2 1981—2020年沈阳地区春玉米播种期（a）、苗期（b）、拔节期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）生长度日空间分布Fig.2 Spatial distributions of accumulated grow ing degree-days（GDD）at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），and the whole grow ing（f）periods of spring maize from 1981 to 2020 in Shenyang

图3 1981—2020年沈阳地区春玉米播种期（a）、苗期（b）、拔节期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）高温度日空间分布Fig.3 Spatial distributions of accumulated heat degree-days（HDD）at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），whole breeding（f）periods of spring maize from 1981 to 2020 in Shenyang

图4 1981—2020年沈阳地区春玉米播种期（a）、苗期（b）、拔节期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）降水量空间分布Fig.4 Spatial distributions of accumulated rainfall at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），and the whole grow ing（f）periods of springmaize from 1981 to 2020 in Shenyang

2.6 沈阳地区春玉米水热条件相对于适宜指标的变化

1981—2020年沈阳地区春玉米不同生育期的年均GDD如图5所示。整体来看，沈阳地区春玉米各生育阶段GDD均呈现增长趋势，在成熟期增长速率最高，其次为苗期，其中，2011—2020年春玉米各时期GDD增长趋势明显大于其他阶段，表明随着气候变暖，积温增多，春玉米的播种期将有所提前，生长期有所延长。各生育期年均GDD大部分在适宜范围内，超出适宜GDD范围的年份为3—10 a，其中成熟期GDD超出适宜范围年份最多，成熟期GDD的增加可加速春玉米的成熟。从空间分布来看，南部地区增幅大于北部地区，法库地区年均GDD值最低，低于适宜范围的年份最多，在播种期最易出现低于适宜GDD情况；苏家屯区春玉米各时期GDD高于适宜范围年份最多，其中在成熟期GDD高于适宜范围的年份占65%。有研究表明GDD的增加对玉米增产有利，但应注意玉米生育期极端高温或干热复合效应对产量的影响。

图5 1981—2020年沈阳地区春玉米不同生育阶段年均GDD变化Fig.5 Variation of average annual GDD of spring maize at different grow ing stages in Shenyang from 1981 to 2020

图6 1981—2020年沈阳地区春玉米不同生育阶段最高气温指标差Fig.6 Variation ofmaximum temperature index difference during different grow th periods in different areas of Shenyang from 1981 to 2020

不同生育期年均最高气温指标差日数在0.6—4.5 d（图6），其中拔节期最高气温指标差最小，成熟期最大，其中苏家屯区在成熟期年均最高温指标差为6.5 d，表明春玉米在拔节期气温较为稳定，有利于玉米生长，在抽雄和成熟期易出现极端高温天气，春玉米发育后期的高温天气将加速玉米生长发育，提前进入成熟期，易造成玉米减产。因此，各地应根据春玉米成熟情况及时收割，保证产量。

图7 1981—2020年沈阳地区春玉米不同生育阶段降水量指标差Fig.7 Variation of precipitation difference index during different grow th periods in different areas of Shenyang from 1981 to 2020

3 结论与讨论

（1）1981—2020年沈阳地区春玉米全育期GDD为1611.2—1791.3℃·d，其 气 候 倾 向 率 为53.94℃·d/10 a，在播种期、苗期、拔节期、抽雄期、成熟期各地GDD均有一定的差异；各生育期GDD空间分布差异不太显著，总体上呈由北向南递增趋势，高值区集中在沈阳南部，低值区在沈阳北部地区。较好的热量条件对于玉米产量的增加和品质的提升有利。

（2）1981—2020年沈阳地区春玉米全育期HDD以6.64℃·d/10 a的速度递增，抽雄期HDD占全育期HDD的主要部分，除康平在成熟期HDD气候倾向率为负值，其他各地生育期HDD气候倾向率均为正值；空间分布上呈西北—东南走向的递增趋势，低值集中在新民和辽中地区，高值集中在浑南、苏家屯地区。HDD的增长将对春玉米的生长带来不利影响，增加干旱发生概率。

（3）1981—2020年沈阳地区春玉米全育期降水量气候倾向率均值以-15.0 mm/10 a的趋势递减，降水集中在抽雄期，康平降水量在各生育期均低于其他地区，空间上呈由东南向西北递减，低值区集中在沈阳北部地区，高值集中在沈阳市区。

（4）1981—2020年沈阳地区春玉米全育期GDD、HDD呈增加趋势，高值区多集中在沈阳南部地区，但整体降水量呈减少趋势，且北部地区降水量偏少，这就增加了北部地区春玉米干旱的风险，应采取适当抗高温品种与配套栽培措施，并适当发展水利设施。在相对干旱地区，可通过增加水浇面积来防御干旱风险，降低干旱影响。

（5）1981—2020年沈阳地区春玉米生育期热量资源呈增加趋势，南部地区增幅大于北部地区，各生育阶段中成熟期GDD增加速率最快，在抽雄和成熟期易出现极端高温天气。整体来看，有效积温增多有利于光合产物的积累，虽然降水呈减少趋势，但也能满足春玉米生长发育需求，因此沈阳地区近40 a水热资源时空的变化对春玉米产量和品质整体影响利大于弊。