气候变化背景下中国不同区域玉米生育期高温胁迫时空变化特征

商蒙非 石晓宇 赵炯超 李 硕 褚庆全

气候变化背景下中国不同区域玉米生育期高温胁迫时空变化特征

商蒙非 石晓宇 赵炯超 李 硕 褚庆全*

中国农业大学农学院, 北京 100193

研究气候变化背景下作物生长季高温热害的时空分布和变化特征, 对于制定适应气候变化的作物栽培管理技术有重要的参考意义。本研究利用我国558个气象站点的逐日气象数据和物候期数据, 分析了1961—2020年玉米不同生育阶段的高温度日(heat degree days, HDD)及其气候倾向率的时空变化特征。结果表明, 1961—2020年, 我国玉米全生育期及各生育阶段的HDD整体呈升高趋势, 不同农作区玉米全生育期HDD增加1.19～9.27℃ d (10a)–1, 四川盆地农作区、华南农林渔区和西北农牧区增幅较高, 分别显著增加8.79、9.27和5.81℃ d (10a)–1。不同生育阶段HDD变化趋势呈现明显区域差异, 北方农作区玉米HDD在生育前期增幅较大, 而南方农作区玉米HDD在生育后期增幅较大。播种–抽穗期, 北方农作区中西北农牧区和北部中低高原农牧区HDD分别显著增加2.67℃ d (10a)–1和2.00℃ d (10a)–1, 黄淮海平原农作区增加1.41℃ d (10a)–1, 都高于其他农作区。抽穗至乳熟期, 南方农作区的HDD增幅较大, 华南农林渔区和四川盆地农作区HDD分别显著增加3.68℃ d (10a)–1和2.11℃ d (10a)–1。乳熟至成熟期, 南方农作区HDD增幅为0.88～5.31℃ d (10a)–1, 大幅超过北方农作区的–0.01～0.59℃ d (10a)–1。因此, 为应对不断增加的玉米高温胁迫风险, 北方玉米产区应重点关注播种–乳熟期高温对玉米生产的影响, 南方玉米产区应重点关注抽穗后高温对玉米生产的影响。

玉米; 生育期; 高温胁迫; 时空变化; 农作区

随着全球气候变暖, 粮食安全成为21世纪人类面临的最重大挑战之一[1]。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次气候变化评估报告指出, 全球平均气温在过去130年里升高了0.85℃ (0.65～1.06℃)[2]。气候变暖对农业生产带来了多方面影响, 包括改变作物的物候期与气候资源、种植界限、生产潜力和水分需求等, 对作物生产造成正面或负面的效应[3-7]。此外, 气候变化使极端气候事件如高温、干旱和暴雨等发生频率增加, 也对农业生产造成了极大危害, 从而影响区域粮食生产甚至严重威胁一个国家的粮食安全[8]。高温胁迫是影响作物生产的主要气象灾害之一, 随着气候变暖的加剧, 其发生频率和对作物生产系统的影响不断加重[9-10], 因此有必要研究气候变化背景下作物高温胁迫发生规律和时空演变趋势, 使作物生产更好地适应气候变化, 并降低高温胁迫风险。

近年来, 气候变化对作物生产的影响一直是研究热点之一, 国内外学者对气候变暖对作物生产的影响开展了大量研究, 通过对历史数据的分析及结合未来情景数据, 旨在对未来气候变暖的可能影响作出应答[11-16]。我国玉米分布广, 气候变暖导致的高温热害影响复杂, 一些学者对气候变化背景下玉米高温胁迫的时空特征进行了分析。尹小刚等[17]利用最高温度大于30℃的积温和天数, 分析了东北地区1961—2010年春玉米高温时空变化特征, 发现东北地区玉米全生育期和不同生育时期高温累积和天数都明显增加。王丽君[18]以32℃为高温阈值, 利用高温累积度日和高温发生天数指标分析了黄淮海平原1985—2015年夏玉米不同生育阶段高温发生特征,发现夏玉米营养生长阶段高温出现频率较高, 各生育阶段高温累积度日都呈增加趋势。徐延红等[19]以日最高温大于32℃的高温积热和天数分析了河南省1970—2019年夏玉米花期高温风险, 发现河南省夏玉米花期高温发生频率和强度先减小后增强, 2010s高温日数和频率明显增加。这些研究表明, 随着气候变暖, 高温胁迫在东北和黄淮海玉米主产区发生的频率呈上升趋势。

玉米是我国第一大粮食作物, 2021年种植面积和产量分别达4332万公顷和27,255万吨(数据来自国家统计局网站, http://www.stats.gov.cn/tjsj/), 对保障我国粮食安全有重要作用。虽然气候变暖会增加玉米生育期积温, 但极端高温也给玉米带来花粉粒形态结构畸变, 受精结实率降低, 干物质积累和产量减少等不利影响[20-22], 并易导致玉米缺水干旱。我国不同玉米产区气候差异大, 气候变暖对不同玉米产区的影响也存在很大差异。现有对玉米高温胁迫的研究多针对东北和黄淮海玉米产区[17-25], 而且没有细分生育阶段, 对不同区域玉米生产应对高温胁迫的技术途径参考价值较低, 因此有必要系统梳理我国主要玉米产区及玉米各生育期内高温胁迫发生的规律以及时空演变趋势, 为我国玉米生产的防灾减灾提供科学依据。本研究利用全国558个标准气象站点1961—2020年气象数据, 分析气候变化背景下不同区域玉米各生育阶段高温胁迫的时空变化特征, 以期为我国玉米生产应对气候变化提供支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

本研究区域包含31个省、市和自治区(不含香港、澳门和台湾地区)。按照《中国农作制》[26]划分的农作制综合分区, 将我国划分为10个农作区, 包括东北平原山区半湿润温凉一熟农林区(简称东北农林区, DB)、北部低中高原半干旱凉温旱作兼放牧区(简称北部中低高原农牧区, BB)、西北干旱中温绿洲灌溉农作区兼荒漠放牧区(简称西北农牧区, XB)、黄淮海平原半湿润暖温灌溉集约农作区(简称黄淮海平原农作区, HHH)、四川盆地湿润中热麦稻二熟集约农区(简称四川盆地农作区, SC)、西南中高原山地湿热水旱二熟粗放农林区(简称西南中高原农林区, XN)、长江中下游沿海平原丘陵湿润中热水田集约农作区(简称长江中下游平原农作区, CZ)、江南丘陵山地湿润中热水田二三熟农林区(简称江南丘陵农林区, JN)、华南湿热双季稻与热作农林区(简称华南农林渔区, HN)、青藏高原干旱半干旱高寒牧区兼河谷一熟农作区(简称青藏高原农林区, QZ) (图1)。因青藏高原农林区的玉米播种面积、产量及比重非常低(约0.1%), 故本研究中暂不包含青藏高原农林区。东北农林区、北部中低高原农牧区和西北农牧区主要为一年一熟制种植春玉米, 黄淮海平原农作区主要为一年两熟制种植夏玉米, 这4个农作区为北方玉米区; 四川盆地农作区、西南中高原农林区、长江中下游平原农作区、江南丘陵农林区和华南农林渔区主要为一年多熟制种植春玉米, 为南方春玉米区。

图1 研究区域

农作区划分参照《中国农作制》[26]。DB, 东北平原山区半湿润温凉一熟农林区(简称东北农林区); BB, 北部低中高原半干旱凉温旱作兼放牧区(简称北部中低高原农牧区); XB, 西北干旱中温绿洲灌溉农作区兼荒漠放牧区(简称西北农牧区); HHH, 黄淮海平原半湿润暖温灌溉集约农作区(简称黄淮海平原农作区); SC, 四川盆地湿润中热麦稻二熟集约农区(简称四川盆地农作区); XN, 西南中高原山地湿热水旱二熟粗放农林区(简称西南中高原农林区); CZ, 长江中下游沿海平原丘陵湿润中热水田集约农作区(简称长江中下游平原农作区); JN, 江南丘陵山地湿润中热水田二三熟农林区(简称江南丘陵农林区); HN, 华南湿热双季稻与热作农林区(简称华南农林渔区); QZ, 青藏高原干旱半干旱高寒牧区兼河谷一熟农作区(简称青藏高原农林区)。

The farming regions cited[26]. DB: Northeast farming region; BB: North China farming region; XB: Northwest farming region; HHH: Huang‑Huai‑Hai farming region; SC: Sichuan Basin farming region; XN: Southwest farming region; CZ: Yangtze Plain farming region; JN: Jiangnan farming region; HN: South China farming region; QZ: Qinghai‑Tibet Plateau farming region.

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据 气象数据来自国家气象科学数据共享平台(中国气象数据网, http://data.cma.cn/)的“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”[27], 包括1961—2020年558个气象站点(图1)的逐日气象数据。

1.2.2 玉米生育期数据 玉米生育期数据来自崔读昌等[28]和梅旭荣等[29]主编的作物生育期资料以及国家气象科学数据共享平台的“中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集”[30]。

1.2.3 数字地图和耕地数据 全国省、市、自治区和土地利用数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/), 以土地利用类型中的耕地栅格作为本研究空间插值和制图的区域范围。

1.3 研究方法

1.3.1 玉米生育期划分和高温指标计算 本研究中, 将玉米生育期划分为播种–抽穗期、抽穗–乳熟期和乳熟–成熟期3个阶段, 以32℃作为各生育阶段玉米耐高温的上限温度[19,31], 采用高温度日(heat degree days, HDD)分析玉米生育期内极端高温的发生情况, HDD指高于玉米生长上限温度的累积[9], 其计算过程如下:

式中, HDDt, 玉米生育期内第日的高温度日值, ℃ d;max, 第日的最高温度, ℃;top, 玉米耐高温上限温度, 32℃; HDD, 玉米生育期内高温度日累积值, ℃ d;, 生育期天数。

1.3.2 气候倾向率计算 本研究中, 用气候倾向率表示气候要素的多年变化趋势, 采用最小二乘法计算气候倾向率[32], 计算过程如下:

式中,为气候要素;为常数项;为回归系数;t为时间序列的年份; 气候要素的气候倾向率等于回归系数b的10倍。

1.3.3 数据统计和空间分析 使用Microsoft Excel 2010和R-4.0.2对数据进行处理和分析, 并运用MK检验方法进行显著性检验[18]。使用ArcGIS10.2的反距离权重法(Inverse Distance Weighing, IDW)对气象数据进行空间插值, 将各站点数据插值为全国栅格数据, 以进行空间分析。

2 结果与分析

2.1 不同农作区玉米各生育期高温度日分布特征

分析结果显示, 1961—2020年我国不同区域玉米生育期内高温度日(HDD)均值有明显差异(表1)。我国地域辽阔, 气候类型复杂, 不同农作区气候条件和玉米生育进程存在差异, 导致不同区域玉米生育期内HDD差异较大。西北农牧区玉米生育期HDD最高, 全区各站点的平均值达94.4℃ d, 其西部站点HDD普遍超过100℃ d, 个别站点超过150℃ d (图2-d)。其次为黄淮海平原农作区、长江中下游平原农作区和四川盆地农作区, 玉米生育期内HDD分别为68.6、69.7和62.4℃ d。黄淮海平原农作区主要种植夏玉米, 生育期主要在夏季, 所以HDD较高。东北农林区和北部中低高原农牧区的玉米生育期内HDD较低, 分别为8.0℃ d和27.0℃ d。

从玉米各生育阶段看, 黄淮海平原农作区夏玉米和西北农牧区春玉米播种—抽穗期HDD较高, 各站点HDD平均值分别为53.8℃ d和42.5℃ d (表1), 多数区域的HDD在40℃ d以上(图2-a); 东北农林区、四川盆地农作区、长江中下游平原农作区和江南丘陵农林区播种—抽穗期HDD较低, 都低于10.0℃ d。抽穗—乳熟期, 西北农牧区的西部和北部HDD最高, 超过30℃ d, 其次为黄淮海平原农作区南部、长江中下游平原农作区和西南高原农林区东南部区域, HDD超过15℃ d (图2-b)。乳熟—成熟期, HDD高值区主要转移到南方春玉米区, 四川盆地农作区、长江中下游平原农作区和江南丘陵农林区HDD分别为34.8、38.4和32.8 ℃ d, 表明这3个农作区玉米受高温胁迫风险较大; 而北方的玉米产区, 尤其是东北农林区和北部中低高原农牧区的春玉米以及黄淮海平原农作区的夏玉米HDD值较低(图2-c)。

表1 1961–2020年不同农作区玉米生育期内高温度日

(图2)

2.2 1961—2020年玉米生育期高温度日时空变化特征

2.2.1 全生育期 分析1961—2020年玉米生育期HDD的变化趋势, 结果表明, 全国不同区域玉米全生育期内HDD均呈现不同程度的增加趋势。华南农林渔区、四川盆地农作区和西北农牧区玉米生育期内HDD增加最明显, HDD分别显著增加9.27、8.79和5.81℃ d (10a)–1。其次为北部中低高原农牧区和西南中高原农林区, HDD分别显著增加3.13℃ d (10a)-1和3.73℃ d (10a)–1。东北农林区、黄淮海平原农作区和长江中下游平原农作区的玉米生育期内HDD增幅较小, 分别不显著增加1.19、2.42和1.63℃ d (10a)-1(表2)。

2.2.2 播种—抽穗阶段 分析玉米各生育阶段HDD的变化情况, 在玉米播种—抽穗期, 除江南丘陵农林区HDD小幅降低外, 其他各农作区都呈增加趋势。西北农牧区和北部中低高原农牧区HDD增幅较大, 分别显著增加2.67℃ d (10a)–1和2.00℃ d (10a)–1, 其次为四川盆地农作区和西南中高原农林区(表2)。从站点层次分析, 玉米播种—抽穗期HDD增幅呈从西北向东南逐渐降低的趋势, 西北农牧区和北部中低高原农牧区52.89%站点播种—抽穗期HDD增幅超过2℃ d (10a)–1, 其他农作区多数站点增幅为0～1℃ d (10a)–1。黄淮海平原农作区西南部、长江中下游平原中南部和江南丘陵农林区中部站点玉米播种–抽穗期HDD不显著降低(图3)。

表2 1961–2020年玉米不同生育阶段高温度日倾向率

**表示0.01水平显著;*表示0.05水平显著。

**and*mean significantly difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

2.2.3 抽穗–乳熟阶段 抽穗—乳熟期阶段, 华南农林渔区、西北农牧区和四川盆地农作区HDD增幅较大, HDD分别显著增加3.68、2.55和2.11℃ d (10a)–1(表2)。而东北农林区、长江中下游平原农作区、江南丘陵农林区的春玉米和黄淮海农作区的夏玉米HDD增幅较小, 分别不显著增加0.45、0.15、0.77和0.79℃ d (10a)–1, 其中东北农林区北部、长江中下游平原农作区中部和江南丘陵农林区东北部的一些站点玉米抽穗–乳熟阶段的HDD呈现不显著降低趋势(图4)。

图3 1961–2020年我国不同区域玉米播种–抽穗阶段高温度日变化倾向率

图4 1961–2020年我国不同区域玉米抽穗–乳熟阶段高温度日变化倾向率

2.2.4 乳熟—成熟阶段 玉米乳熟—成熟阶段, 除东北农林区和北部中低高原农牧区的HDD没有明显变化外, 其他农作区HDD均表现为不同程度的增加。南方春玉米区HDD增幅高于北方玉米区, 其中四川盆地农作区、华南农林渔区和江南丘陵农林区的HDD增加明显, 分别显著增加5.31、4.36和2.11℃ d (10a)–1, 上述3个农作区中70.63%站点HDD增加超过2℃ d (10a)–1, 50.00%站点HDD显著增加超过4℃ d (10a)–1(表2和图5)。北方玉米区乳熟–成熟期HDD呈不显著增加或降低趋势, 变化幅度都低于0.60℃ d (10a)–1。从站点层次看, 也有一些区域的站点乳熟—成熟期HDD减少, 比如东北农林区中南部、北部中低高原农牧区中部、黄淮海平原农作区东南部和西部与长江中下游平原农作区中部的一些站点HDD不显著降低(图5)。

3 讨论

受到全球气候变化影响, 我国大部分地区都明显增温, 作物生育期内的热量资源增加, 可能对一些地区的作物生产带来了更多的可利用积温, 但也带来了高温胁迫事件的频发[22-23,33]。作为第一大粮食作物的玉米在我国广泛种植, 高温胁迫是其主要农业气象灾害之一[21-22,34-35], 此外, 高温胁迫不是一个独立的事件, 持续的高温加剧土壤水分的蒸发, 引发干旱造成玉米减产[18,36]。随着气候变暖的加剧, 高温热害对我国玉米生产的影响越来越大, 本文研究了我国9个玉米种植区高温热害时空变化规律, 可为我国玉米防灾减灾的耕作栽培技术调整提供参考。

本研究系统分析了1961—2020年我国9个农作区玉米全生育期及播种—抽穗期、抽穗—乳熟期、乳熟—成熟期高温胁迫的时空分布, 前人研究多针对个别玉米产区或某一生育阶段[19,21,23-25], 而针对全国玉米产区和各生育阶段高温胁迫时空特征的系统研究存在不足。与前人研究相比, 本研究覆盖了全国所有玉米生产区, 不局限于单一地区或省份, 有利于对比不同区域的玉米高温胁迫差异, 结论适用范围更广; 结合玉米的关键生育期, 分生育阶段探索高温胁迫的时空变化特征, 有利于分析不同区域玉米高温胁迫的发生特点, 并提出针对性的预防方案。根据本研究对于玉米不同生育期内高温胁迫时空变化特征的分析, 在全球变暖的持续影响下, 特别是随着20世纪90年代以后气温变化的加剧, 玉米各生育期内的高温胁迫增加, 因此, 要充分重视预防玉米生育期高温胁迫导致的气象灾害, 并在生产中采取相关措施。本研究发现北方玉米区在生育前期HDD较高且增加幅度较大, 例如西北农牧区、北部中低高原农牧区和黄淮海平原农作区播种–抽穗期HDD及其增幅都超过其他农作区, 这可能导致苗期高温干旱, 从而影响出苗和保苗, 不利于形成壮苗和齐苗, 这与王丽君和徐延红等的研究结论一致[18-19]; 而南方玉米区在生育后期HDD较高且增幅较大, 例如四川盆地农作区、华南农林渔区和江南丘陵农林区的玉米乳熟–成熟期HDD显著增加, 分别增加了5.31、4.36和2.11℃ d (10a)–1, 可能会导致玉米关键期遭受高温灾害, 因此要加强上述区域生育后期极端高温灾害的预警和防范。为降低高温胁迫对玉米生产的不利影响, 可选择具有耐热基因型的耐高温玉米品种, 以增加玉米对高温的适应能力[35], 也可以采用调整玉米播期来避开极端高温[23], 或调控水肥、喷施外源激素等田间管理措施[37]。

本研究采用高温度日(HDD)和界限温度(32℃)对全国各农作区玉米不同生育阶段的高温胁迫及其时间变化特征进行全面和多维度的分析。高温度日是广泛使用的分析高温胁迫的指标之一[9,17-19,24], 但不同学者采用的界限温度略有不同, 气象学中将35℃作为极端高温的界限温度[38-39], 但已有研究表明, 当气温大于32度时就会导致玉米花丝枯萎、散粉受阻、花粉失活和不能授粉, 最终使结实率大大下降, 玉米产量受到明显影响[40], 因此大部分研究采用32℃作为高温阈值温度[18-19,31,41-43]。由于缺乏各个气象站点的产量数据等, 本文未对HDD与玉米产量损失的定量关系开展研究, 且不同玉米种植区的玉米品种不同, 其耐高温能力也存在差异, 这也使得高温热害灾损的定量评估变得更为复杂, 相关研究工作有待进一步深入。

4 结论

随着气候变暖, 我国玉米各个产区全生育期及各生育阶段的HDD整体呈升高趋势, 玉米生产遭受高温胁迫的风险增加。玉米不同生育阶段HDD和变化趋势呈现明显南北差异, 北方农作区在玉米生育前期HDD较高且增幅较大, 而南方农作区在玉米生育后期HDD较高且增幅较大。播种—抽穗期, 北方玉米区中HDD高值区位于黄淮海平原农作区(53.8℃ d)和西北农牧区(42.5℃ d), 近60年HDD增速较高的农作区是西北农牧区和北部中低高原农牧区, HDD分别显著增加2.67℃ d (10a)–1和2.00℃ d (10a)–1。抽穗—乳熟期, HDD高值区主要位于南方春玉米区和西北农牧区, 近60年HDD增速较高的区域为华南农林渔区、四川盆地农作区和西北农牧区。乳熟—成熟期, 南方春玉米区HDD增幅(0.88～5.31℃ d (10a)–1)也大幅超过北方玉米区(–0.01～0.59℃ d (10a)–1)。因此, 北方玉米产区应重点关注播种—乳熟期高温对玉米生产的影响, 南方玉米产区应重点关注抽穗后高温对玉米生产的影响, 可采取调整播期、选用耐高温品种和增强田间管理等措施。

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Spatiotemporal variation of high temperature stress in different regions of China under climate change

SHANG Meng-Fei, SHI Xiao-Yu, ZHAO Jiong-Chao, LI Shuo, and CHU Qing-Quan*

College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Analysing the spatial-temporal distribution and the change of high temperature damage during crop growth period is of great significance for developing management techniques of crop cultivation under climate change. Based on the daily data of 558 meteorological stations and maize phenology period in China, we explored the spatiotemporal variation of heat degree days (HDD) and its trend of different maize growth periods from 1961 to 2020. The results showed that the HDD exhibited a general increased trend during the whole growth period and every growth stage of maize in China from 1961 to 2020, with HDD increased 1.19–9.27℃ d (10a)–1of different farming regions. The HDD increase range was higher in Sichuan Basin farming region, south China farming region and northwest farming region, and it increased significantly by 8.79, 9.27, and 5.81℃ d (10a)–1, respectively. The change trend of HDD at different growth stages had obvious variation in different regions. HDD increased greatly in the early growth period of northern farming regions, while HDD increased greatly in late growth period of southern farming regions. During maize sowing–tassel period, the HDD increased significantly by 2.67 and 2.00℃ d (10a)–1in northwest farming region and north China farming region, respectively, and it increased by 1.41℃ d (10a)–1in Huang-Huai-Hai farming region, both of them were higher than that in other farming regions. During tassel-milk period, the HDD of southern farming regions increased greatly, which increased significantly by 3.68 and 2.11℃ d (10a)–1in south China farming region and Sichuan Basin farming region, respectively. During milk–maturity period, the HDD of southern farming regions increased higher by 0.88–5.31℃ d (10a)–1than –0.01–0.59℃ d (10a)–1in northern farming regions. In conclusion, to cope with the increasing risk of high temperature stress of maize, northern farming regions should focus on the impact of high temperature during maize sowing–milk period, and southern farming regions should focus on the impact of high temperature after maize tasseled.

maize; growth stages; high temperature stress; temporal and spatial variation; farming region

10.3724/SP.J.1006.2023.23007

本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300201)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300201).

通信作者(Corresponding author):褚庆全, E-mail: cauchu@cau.edu.cn

E-mail: caushang@cau.edu.cn

2022-01-15;

2022-06-07;

2022-07-06.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220705.1916.006.html

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