气候变化背景下中国玉米产区开花期高温时空分布特征

2023-08-14付真真祝光欣刘志娟郭世博李娥杨晓光

中国农业科学 2023年14期

付真真，祝光欣，刘志娟，郭世博，李娥，杨晓光

付真真，祝光欣，刘志娟，郭世博，李娥，杨晓光

中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

【目的】全球气候变暖背景下，极端高温频发将会对农作物生产造成潜在威胁，因此，基于多种高温指标综合评估作物生长季高温时空分布特征对制定有效的灾害风险管理和适应措施至关重要。【方法】以我国玉米潜在种植区为研究区域，基于第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）中2个共享社会经济情景（Shared Socioeconomic Pathways，SSP1-2.6和SSP5-8.5）下1981—2060年的逐日最高气温资料和玉米生育期资料，分析了基准时段（1981—2014年）和未来（2015—2060年）玉米开花期高温强度（HSI）、高温持续时间（AHSD）和累积高温度日（HDD）的时空变化特征。【结果】1981—2014年玉米开花期HSI、AHSD、HDD在黄淮海夏玉米区和西北灌溉玉米区最大（区域均值分别为32.3和33.8℃、8.4和9.8 d、22.9和40.3 ℃·d）。受气候变暖影响，未来气候情景下，特别是在SSP5-8.5气候情景下，我国玉米开花期高温发生范围扩大、强度增加，HSI和AHSD增加最大的区域为北方春播玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，HSI的增加趋势分别为0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趋势分别为0.73和1.11 d·(10a)-1。全区HDD增加最大的区域为黄淮海夏玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趋势分别为2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。【结论】未来我国玉米开花期高温发生范围将扩大、强度将增加；且应重点关注黄淮海夏玉米区和北方春播玉米区的开花期高温，前者主要由于基础温度高，后者主要由于增温幅度较大。可通过选用抗高温品种、调整播种窗口、采用水肥及化学调控等综合措施降低高温威胁。

玉米；开花期；高温强度；高温持续时间；累积高温度日

0 引言

【研究意义】联合国政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告指出，2001—2020年，全球平均气温比1850—1990年间高0.84—1.10 ℃[1]。1981年以来，全球极端高温天气的发生范围和持续时间不断上升，未来很可能会以更高的频率和更长的持续时间出现，这使得热胁迫成为最普遍的非生物胁迫之一，极大地限制了世界各地的农业生产[2-3]。中国是受气候变化影响较大的地区之一，1960—2018年，中国年平均气温每10年升高约0.28 ℃，上升速率远高于全球平均水平[4]，高温对我国各主粮作物种植区的影响会逐步显现。2012年我国玉米产量超过稻谷，成为我国第一大粮食作物，同时我国是世界第二大玉米生产国和主要的消费国。2014年以来，全国玉米种植面积超过4 000万hm2，占世界玉米种植面积的20.1%；其总产量超过2.4亿t，占世界玉米总产量的20.8%[5]，在解决未来粮食安全问题中扮演着重要角色。此外，玉米作为对热胁迫敏感的作物之一，其生育过程容易受到高温胁迫的影响，其中以开花期最为敏感[6-9]。张吉旺[10]基于田间生长箱增温试验的研究结果表明，在山东地区，玉米大喇叭口到成熟期增温3 ℃可使玉米籽粒产量降低超过45%；抽雄吐丝期极端高温会导致玉米花粉活性降低，花丝伸长困难，造成雌雄蕊花期不遇而导致授粉率下降，秃尖长度增加，最终导致产量降低[11]。因此明确气候变暖背景下玉米开花期高温时空分布规律，对我国玉米适应气候变化以及保证粮食安全具有重要的理论与实践意义。【前人研究进展】高温胁迫是指环境温度超过植物生长发育的上限温度，进而对植物生长发育和产量形成造成的损害。不同地区和不同玉米品种的高温阈值存在差异，全球尺度下的研究表明，玉米高温阈值主要集中在32—35 ℃，美国玉米的高温阈值为29—30 ℃[12]。中国气象行业标准——主要农作物高温危害温度指标（GB/T 21985- 2008）中，分别以日最高气温达30 ℃和35 ℃作为玉米开花期高温阈值[13]。前人已采用不同指标针对不同区域玉米生育期内极端高温发生的时空规律开展了大量研究。例如，王秀萍等[14]以日最高气温达35 ℃为高温阈值，从高温日数角度分析了河南省1970—2018年夏玉米开花期高温日数时空特征；尹小刚等[15]利用日最高温度大于30 ℃的日数和积温研究了1961—2010年东北农作区玉米生育期内极端高温的时空变化特征。陈怀亮等[16]以日最高气温大于32 ℃的日数以及积害量分析并预估了河南省1951—2050年夏玉米花期高温灾害风险；商蒙非等[17]以日最高温度32 ℃为高温阈值，从高温度日及气候倾向率角度分析了1961—2020年我国玉米全生育期高温度日的时空分布特征。【本研究切入点】前人针对玉米高温时空特征开展了大量的研究，但是受研究区域、研究时段、阈值指标以及生育期不同的限制，导致我国不同地区的结果缺乏可比性。部分研究选择的指标较为单一，不能充分反映不同地区玉米高温时空分布特征。目前，基于最新的气候变化情景模式（shared socioeconomic pathways，SSP）综合分析我国不同产区玉米开花期高温规律的研究还鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究以我国玉米潜在种植区为研究区域，采用高温强度、高温持续时间和累积高温度日3个高温指标，分析基准时段（1981—2014年）和未来（2015—2060年）不同气候情景下我国玉米不同产区开花期高温的空间分布特征和时间变化趋势，揭示不同玉米产区间高温的时空差异性，为我国玉米生产应对气候变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

以我国玉米潜在种植区为研究区域，即1981—2014年≥10 ℃的活动积温在80%保证率下达到2 100 ℃·d作为种植北界[18-19]。由于青藏高原地区海拔较高，黑龙江省和内蒙古自治区北部纬度较高，热量资源相对匮乏，难以广泛种植玉米；此外，有研究表明，上述3个地区温度相对较低，高温热害发生的概率相对较低[20-22]，故不作为本文研究区域。

我国玉米潜在种植区范围广，气候资源和种植制度差异大，为详细解析不同地区玉米开花期高温的时空特征，本研究参照前人对我国玉米种植区划的研究结果[23]，将研究区域划分为黄淮海夏玉米区（Huang- Huai-Hai，HHH）、北方春播玉米区（Northern China，NC）、西北灌溉玉米区（Northwest China，NWC）、南方丘陵玉米区（Southern China，SC）和西南山地玉米区（Southwest China，SWC），如图1所示。

审图号：GS京（2023）1240号。下同 Map content approval number: GSJING (2023)1240. The same as below

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）提供了新的未来气候变化情景即共享社会经济情景（shared socioeconomic pathways，SSP），该情景将包括减缓和适应气候变化活动在内的广泛研究联系了起来[24]。因此，本研究采用了最新的SSP情景数据。使用全球气候模型中SSP情景的未来数据时须要进行降尺度和偏差矫正，即对气候数据的统计量进行订正使其更接近历史时期气候观测数据。跨领域影响评估模型比较计划（the inter-sectoral impact model intercomparison project，ISIMIP3b）发布了偏差矫正和降尺度后的全球网格（0.5°×0.5°）逐日气象数据集。本研究选取了数据集中代表性模式（GFDL-ESM4）下的2个代表性情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5）下的气象数据。其中SSP1-2.6气候情景为低减缓压力和低辐射强迫影响下的未来气候情景，至2100年辐射强迫稳定在2.6 W·m-2，在该情景下，相对于工业化革命前多模式集合平均的全球平均气温升温结果将显著低于2 ℃，也称之为可持续发展情景；而SSP5-8.5代表高辐射强迫下的未来气候情景，至2100年辐射强迫达到8.5 W·m-2。本研究使用的数据为日最高气温。

1.2.2 玉米生育期数据玉米抽雄期数据来源于中国气象局280个农业气象观测站（图1）。为与未来气候情景数据的格点数据相匹配，本文基于反距离权重法，将各农业气象观测站的生育期数据进行插值得到各格点的生育期数据。

1.3 研究方法

1.3.1 高温指标基于多年实测生育期资料可知，玉米抽雄吐丝间隔一般为4 d，且研究表明在自然条件下，没有接收到花粉的花丝活力在吐丝6 d后开始下降，12 d后停止生长且逐渐枯萎[25-26]，因此本研究将各格点开花期确定为抽雄至抽雄后16 d。

1.3.1.1 高温强度本文引进高温强度（heat stress intensity，HSI）作为开花期高温评价指标之一，将高温强度定义为玉米开花期内，日最高气温超过其温度阈值时的日最高气温平均值，计算公式如下：

式中，为高温强度（℃）；max_i为第日最高气温（℃）；T为玉米开花期高温阈值，本文根据中国气象行业标准——主要农作物高温危害温度指标（GB/T 21985-2008），将T取值为30 ℃；为玉米开花期天数（d）；当玉米开花期日最高温度max_i≥30 ℃时，T=max_i，当max_i＜30 ℃时，T= 0。

1.3.1.2 高温持续时间本文采用高温持续时间（accumulated heat stress days，AHSD）作为开花期高温评价指标之一，将高温持续时间定义为玉米开花期内，日最高气温超过其温度阈值时的天数，计算公式如下：

式中，为高温持续时间（d）；max_i为第日最高气温（℃）；T为玉米开花期高温阈值，本文取30 ℃；为日最高气温≥30 ℃的天数（d），当玉米开花期日最高温度max_i≥30 ℃时，= 1，当max_i＜30 ℃时，= 0。

1.3.1.3 累积高温度日本文将高温强度和高温持续时间相结合，引进累积高温度日（heat degree-days，HDD）作为开花期高温评价综合指标，将累积高温度日定义为玉米开花期内高于温度阈值的热时数，计算公式如下：

式中，为累积高温度日（℃·d），max_i为第日最高气温（℃），T为玉米开花期高温阈值，本文取30 ℃。

1.3.2 气候倾向率气候倾向率是表征气象要素多年变化趋势的指标，通常以气候要素时间序列回归系数的10倍表示，根据最小二乘法建立气候变量与时间的回归方程：

x=+×t（4）

式中，x为气候要素，为截距，为回归系数，t为时间序列的年份，以的10倍作为该要素的气候倾向率，其值大于0表示该要素随时间变化呈增加趋势，反之呈减少趋势。采用检验对农业气候资源的年际变化趋势进行显著性检验，结果通过=0.05的显著性检验，为变化趋势显著；通过=0.01的显著性检验，为变化趋势极显著。

1.4 数据处理和空间分析

使用SPSS和R-4.0.2对数据进行处理分析和作图。

2 结果

2.1 玉米开花期高温强度时空分布特征

为更好地解析未来不同时段玉米开花期高温的时空分布特征，将未来时段进一步划分为2030s（2015— 2040年）和2050s（2041—2060年）。由图2可知，1981—2060年我国玉米开花期高温强度（HSI）总体呈现出西北内陆地区最长，东南沿海地区次之，东北-西南条带较短的特征。HSI高值区主要位于西北灌溉玉米区南部，低值区主要位于北方春播玉米区的东部和中部以及西南山地玉米区的南部等地区。

1981—2014年研究区域玉米开花期HSI为（31.6±1.5）℃，变化范围为30.2—39.7 ℃；黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区的HSI分别为（32.3±0.9）℃、（30.4±0.9）℃、（33.8±1.6）℃、（31.9±0.7）℃和（30.5±0.7）℃。

SSP1-2.6情景下，未来2个时段（2030s和2050s）研究区域HSI分别为（32.9±1.8）℃和（33.8±1.7）℃，与基准时段（1981—2014年）相比，分别增加了1.3和2.2 ℃；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s分别增加了1.7和2.6 ℃、2.6和3.7 ℃、1.9和2.8 ℃、0.8和1.0 ℃、1.1和1.7 ℃（图3）。SSP5-8.5情景下未来2个时段研究区域HSI分别为（33.2±1.7）℃和（34.8±1.9）℃（图2），与基准时段相比，分别增加了1.6和3.2 ℃；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s分别增加1.8和3.4 ℃、2.9和4.3 ℃、1.5和3.5 ℃、0.6和1.4 ℃、1.4和2.3 ℃（图3）。

图2 1981—2060年我国玉米开花期高温强度平均值

由图4可知，1981—2014年我国玉米开花期HSI总体呈增加趋势，平均每10年增加0.21 ℃，但区域差异明显；虽然黄淮海夏玉米区HSI较大，但北部地区近34年呈明显降低趋势，大部分降低超过0.50 ℃·(10a)-1；北方春播玉米区HSI倾向率的变异性最大，高值区集中在东北地区，大部分格点增幅超过1.00 ℃·(10a)-1，低值出现在内蒙古，减幅大于1.00 ℃·(10a)-1；西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区HSI主要呈增加趋势，但幅度较小，主要集中在0.10—0.50 ℃·(10a)-1；西南山地玉米区南部增幅大于1.00 ℃·(10a)-1，北部则小于0.50 ℃·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下研究区域玉米开花期HSI均呈增加趋势，平均每10年分别增加0.49和0.82 ℃，均高于基准时段，其中增幅最大的为北方春播玉米区，SSP1- 2.6和SSP5-8.5气候情景下区域平均分别为0.97和1.16 ℃·(10a)-1。

2.2 玉米开花期高温持续时间时空分布特征

由图5可知，1981—2060年我国玉米开花期高温持续时间（AHSD）总体呈现出西北内陆地区和东南沿海地区较长，东北-西南条带较短的特征。AHSD高值区主要位于西北灌溉玉米区中部和南部，低值区位于北方春播玉米区东部以及西南山地玉米区南部等地区。

1981—2014年研究区域玉米开花期AHSD为（6.9±4.1） d，变化范围为0.1—13.1 d；黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区的AHSD分别为（8.4±3.4） d、（4.3±3.4） d、（9.8±4.9） d、（8.8±2.6） d、（3.9±3.1） d。

SSP1-2.6情景下，未来2个时段（2030s和2050s），研究区域AHSD分别为（9.1±3.6） d和（9.9±4.0）d，与基准时段（1981—2014年）相比，分别增加2.2和3.0 d；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s AHSD分别增加了2.6和3.8 d、2.6和3.9 d、1.8和1.9 d、1.8和2.5d、2.3和3.0 d（图3）。SSP5-8.5情景下未来2个时段研究区域AHSD分别为（8.5±4.3） d和（10.5±3.9） d（图5），与基准时段相比，分别增加1.6和3.6 d；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s AHSD分别增加2.0和4.1 d、1.7和4.4 d、1.2和2.6 d、1.2和2.9 d、2.2和4.5 d（图3）。

ER整个研究区域；HHH黄淮海夏播玉米区；NC北方春播玉米区；NWC西北灌溉玉米区；SC南方丘陵玉米区；SWC西南山地玉米区。下同

图5 1981—2060年我国玉米开花期高温持续时间平均值

由图6可知，1981—2014年我国玉米开花期AHSD总体呈增加趋势，平均每10年增加0.16 d，但变化趋势呈现出明显的区域特征，其中黄淮海夏玉米区AHSD较长，但北部和西部大部分格点呈减少趋势，平均每10年减少0.54 d，而南部地区呈增加趋势，增长率超过1.00 d·(10a)-1；北方春播玉米区AHSD倾向率的变异性也较大，区域平均值为0.02 d·(10a)-1，高值区集中在东北地区，增加幅度为1.00—2.00 d·(10a)-1，低值出现在陕西省和山西省，减小幅度大于2.00 d·(10a)-1；西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区的AHSD主要呈增加趋势，但幅度较小，主要集中在0.10—0.80 d·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下研究区域玉米开花期AHSD均呈增加趋势，平均每10年分别增加0.52和0.91 d，且增加速率均高于基准时段，其中增幅最大的为北方春播玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下区域平均分别为0.73 d·(10a)-1和1.11 d·(10a)-1。

图6 1981—2060年我国玉米开花期高温持续时间的气候倾向率

2.3 玉米开花期累积高温度日时空分布特征

由图7可知，1981—2060年我国玉米开花期累积高温度日（HDD）总体呈现出西北内陆地区最长，东南沿海地区次之，东北-西南条带较短的特征。HDD高值区主要位于西北灌溉玉米区中部和南部，低值区位于北方春播玉米区东部和西南山地玉米区中部等地区。

1981—2014年研究区域玉米开花期HDD为（20.3±18.6）℃·d；黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区的HDD分别为（22.9±12.0）℃·d、（9.3±4.1）℃·d、（40.3±25.9）℃·d、（19.5±9.4）℃·d、（6.5±4.3）℃·d。

SSP1-2.6情景下，未来2个时段（2030s和2050s），研究区域HDD分别为（31.4±19.6）℃·d和（35.7±20.2）℃·d，与基准时段（1981—2014年）相比，分别增加11.1和15.4 ℃·d；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s分别增加了13.2和20.5 ℃·d、8.6和13.2 ℃·d、18.0和21.5 ℃·d、7.8和12.6 ℃·d、5.9和8.8 ℃·d（图3）。SSP5-8.5情景下未来两个时段研究区域HDD分别为（27.7± 16.6）℃·d和（41.5±23.2）℃·d（图7），与基准时段相比，分别增加7.4和21.2 ℃·d；其中黄淮海夏玉米区、北方春播玉米区、西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区在2030s和2050s分别增加8.6和26.9 ℃·d、5.3和16.6 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d、7.0和16.8 ℃·d、5.5和15.1 ℃·d（图3）。

图7 1981—2060年我国玉米开花期累积高温度日平均值

由图8可知，1981—2014年我国玉米开花期HDD总体呈增加趋势，平均每10年增加0.77 ℃·d，但区域差异明显；黄淮海夏玉米区HDD变化趋势呈较大空间变异性，北部和西部部分格点呈明显的减少趋势，减少超过2.00 ℃·d·(10a)-1，东部地区部分格点则呈增加趋势，增加超过2.00 ℃·d·(10a)-1；北方春播玉米区HDD倾向率主要集中在-0.80— 1.00 ℃·d·(10a)-1，东北地区主要呈增加趋势，低值出现在中部地区，山西省和陕西省大部分格点呈现出大于4.00 ℃·d·(10a)-1的变化幅度；西北灌溉玉米区、南方丘陵玉米区和西南山地玉米区的HDD呈增加趋势，但幅度较小。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下研究区域HDD均呈增加趋势，平均每10年增加2.55和5.01 ℃·d，均高于基准时段，其中增幅最大区域为黄淮海夏玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下区域平均分别为2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。

总体上，1981—2060年，研究区域内玉米开花期HSI、AHSD和HDD较高的区域为黄淮海夏玉米区、南方丘陵玉米区和西北灌溉玉米区（图9）。受气候变暖的影响，全区HSI和AHSD增加最大的区域为北方春播玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下HSI的增加趋势分别为0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趋势为0.73和1.11 d·(10a)-1。全区HDD增加最大的区域为黄淮海夏玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趋势分别为2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，未来应重点关注黄淮海夏玉米区和北方春播玉米区的高温风险。

图8 1981—2060年我国玉米开花期累积高温度日的气候倾向率

图9 1981—2060年我国玉米产区区域尺度开花期高温强度（HSI）、高温持续时间（AHSD）和累积高温度日（HDD）的时间变化趋势

3 讨论

受全球气候变化的影响，我国大部分地区增温显著，作物生长季内热量资源增加，为中高纬度地区农业生产带来有利影响，但同时也面临着更大的挑战[27-28]，其中高温胁迫已然成为影响作物生长发育的主要非生物胁迫之一[29-30]。因此，本文研究了1981—2060年我国玉米潜在种植区玉米开花期高温强度、持续时间和累积高温度日的时空分布特征，可为我国制定合理的玉米防灾减灾对策、保障玉米高产稳产提供理论依据。

3.1 玉米开花期高温及其对玉米生产的影响

开花期是玉米的温度敏感期，期间温度超过理论温度阈值将会降低花粉活性导致穗粒数减少以及增加呼吸消耗等对作物产量造成影响。本研究以玉米开花期日最高温度≥30 ℃作为高温阈值，选取高温强度（HSI）、高温持续时间（AHSD）和累积高温度日（HDD）3个指标，分析了全国玉米主要产区开花期高温的时空变化趋势。其中HSI和AHSD表征了温度超过理论温度阈值的强度以及持续时间，HDD将高温强度和持续时间结合起来，3个指标可综合反映玉米开花期遭受的高温热害风险[31]。研究结果表明，1981—2060年我国玉米开花期高温时空分布特征主要体现为黄淮海夏玉米区和西北灌溉玉米区高温胁迫较南方丘陵玉米区、北方春播玉米区和西南山地玉米区强度大、持续时间长；SSP1-2.6和SSP5-8.5气候情景下未来两个时段（2030s和2050s）高温胁迫较基准时段（1981—2014年）更严重，且SSP5-8.5情景高于SSP1-2.6情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未来两个时段整个研究区域HDD较基准时段分别增加11.1和15.4 ℃·d、7.4和21.2 ℃·d），其中增幅最大的是西北灌溉玉米区，与1981—2014年相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未来2个时段（2030s和2050s）HDD分别增加18.0和21.5 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d；这与中高纬度升温幅度较高的全球气候变化特征是一致的[32]。现有研究表明极端高温已对作物产量造成较大的影响，IPCC第六次评估报告表明，1961—2017年，极端高温已经对玉米产量产生了强烈的负面影响[1]，研究表明，高于30 ℃以上温度增加会导致玉米产量下降25%[33]。Rising等[34]研究结果表明，HDD每增加一个标准差，美国的玉米产量将会下降10%以上。在我国西北灌溉玉米区、黄淮海夏玉米区和北方春播玉米区降水量偏少且年际波动大，因此高温和干旱常相伴发生[35]，因此，在未来气候变化下，应更关注这些地区的高温干旱胁迫，加强灾害的预警与防范。

3.2 降低高温不利影响的农业技术措施

目前认为培育耐热性强的品种是降低玉米开花期高温影响的最有效的方法之一[36]，研究表明，耐热型玉米能够适应高温环境并在该环境下也具有较强的光合能力，降低高温对玉米的损伤[37]。气候变暖增加了作物生长季节的热资源，扩大了玉米的可调节播期范围，因此，可以适当提前播种，使得玉米开花期避开高温时段，早播配合地膜培育壮苗减小高温对玉米生产的不利影响[38-39]。植物激素作为高效的调节剂，能够增强植物的抗逆性[40]；增施有机肥能够减缓植株根系衰老，增施钾肥能够提高植株叶片的含水量，气象年景预测配合合理施肥对玉米抵御高温胁迫非常重要[41-42]；同时合理灌溉可以降低田间温度，增强植株蒸腾作用[15]；因此在田间管理方面可以采取喷施外源激素或调控水肥等措施，来缓解高温对玉米生长的抑制作用，从而有效降低高温带来的不利影响。同时，高温和干旱往往协同发生，喷施叶面抑蒸保湿剂以及土壤化学抑蒸剂可以减少叶面和土壤无效蒸发，是农业化学节水增产的新途径[43-44]。此外，还要加强高温灾害监测和预警，提高农业气象服务水平，引导农民及时防患于未然。

3.3 本研究不足及未来研究展望

本研究仅以日最高气温作为高温热害的评估依据，未综合考虑降水，相对湿度等其他气象要素的影响，前人研究表明，空气湿度和氮肥施用量亦会对作物的高温受害程度造成一定影响[45-48]，因此在空气湿度较大的南方和东部沿海地区仅使用单一要素评估高温的影响，可能高估了玉米开花期的高温热害强度和范围，相反则可能低估了雨养地区和内陆干旱地区的高温热害强度和范围。此外玉米开花期的高温胁迫受品种抗逆性、基因型、栽培措施、土壤环境等植物自身和环境特性的影响，不同的品种和栽培措施影响下存在地区差异[45]。随着气候变化和品种更替，有必要进一步探索各区域不同品种的高温阈值。

4 结论

1981—2014年，玉米开花期高温强度（HSI）的高值区位于黄淮海夏玉米区（（32.3±0.9）℃）和西北灌溉玉米区（（33.8±1.6）℃），在未来气候变化情景下（SSP1-2.6和SSP5-8.5），增幅最大的区域为北方春播玉米区，在上述2个情景下气候倾向率分别为0.97和1.16 ℃·(10a)-1，且与基准时段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未来2个时段（2030s和2050s）分别增加2.6和3.7 ℃、2.9和4.3 ℃；1981—2014年，玉米开花期高温持续时间（AHSD）的高值区为西北灌溉玉米区（（9.8±4.9）d）和南方丘陵玉米区（（8.8±2.6）d），未来气候变化下增幅最大的区域为北方春播玉米区，与基准时段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未来两个时段分别增加2.6和3.9 d、1.7和4.4 d；1981—2014年，玉米开花期累积高温度日（HDD）的高值区位于西北灌溉玉米区（（40.3±25.9）℃·d）和黄淮海夏玉米区（（22.9± 12.0）℃·d），在未来气候变化下全区HDD增加最大的区域为黄淮海夏玉米区，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趋势分别为2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，随着全球气候变暖，我国玉米潜在种植区玉米开花期高温强度（HSI）、高温持续时间（AHSD）和累积高温度日（HDD）将呈升高趋势，应特别关注黄淮海夏玉米区和北方春播玉米区高温对玉米生产的影响，通过选用抗高温品种、调整播种窗口、采用水肥及化学调控等措施，有效规避高温风险、降低高温损失。

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Spatial-Temporal Variations of High Temperature During Flowering Period in Maize-Producing Areas of China Under Climate Change

FU ZhenZhen, ZHU GuangXin, LIU ZhiJuan, GUO ShiBo, LI E, YANG XiaoGuang

College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193

【Objective】Under the background of global warming, the frequent occurrence of extreme high temperature would threaten crop production greatly. Therefore, the spatial-temporal variations of high temperature during crop growth period based on several heat stress index were cleared, which was crucial for developing effective disaster risk management and adaptation measures. 【Method】In this study, the maize potential planting area was focused on. Based on the daily maximum temperature data from 1981 to 2060 in two Shared Socioeconomic Pathways scenarios (SSP1-2.6 and SSP5-8.5) of Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) and maize phenology data, we analyzed the spatial distribution and temporal trend of the heat stress intensity (HSI), accumulated heat stress days (AHSD), and heat degree-days (HDD) during flowering period of maize in the baseline period (1981-2014) and future period (2015-2060).【Result】From 1981 to 2014, the HSI, AHSD and HDD during the flowering period of maize were the largest in Huang-Huai-Hai (HHH) and Northwest China (NWC), with the average value of 32.3 and 33.8 ℃, 8.4 and 9.8 d, 22.9 and 40.3 ℃·d, respectively. Due to climate warming, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range under the two climate scenarios, especially in SSP5-8.5. The largest temporal trend of HSI and AHSD occurred in Northern China (NC), under SSP1-2.6 and SSP5-8.5. The increasing trend of HSI were 0.97 and 1.16 ℃·(10a)-1, and the increasing trend of AHSD were 0.73 and 1.11 d·(10a)-1. The largest temporal trend of HDD occurred in HHH, under SSP1-2.6 and SSP5-8.5, with the increasing trend of 2.68 and 5.26 ℃·d·(10a)-1. 【Conclusion】In the future, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range, especially for HHH and NC. The former was mainly due to the high base temperature, and the latter was due to the large warming trend. The loss caused by high temperature could be reduced by selecting high temperature resistant varieties, adjusting the sowing window, adopting water, fertilizer, and chemical management measures.

maize; flowering period; heat stress intensity; accumulated heat stress days; heat degree-days