未来气候变化情景下东北地区中晚熟春玉米机械粒收气候适宜区分析*

苏正娥，刘志娟，杨婉蓉，祝光欣，史登宇，杨晓光

未来气候变化情景下东北地区中晚熟春玉米机械粒收气候适宜区分析*

苏正娥，刘志娟**，杨婉蓉，祝光欣，史登宇，杨晓光

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

玉米生产全过程机械化是玉米生产的发展方向，当前机械粒收是中国转变玉米生产方式的重点。籽粒含水率是影响机械粒收的主要因素，其主要受玉米农艺性状、生育后期生态气象因子以及栽培管理措施等因素影响。东北地区作为中国玉米主产区之一，也是对气候变化最敏感的区域之一，因此，明确未来气候条件下该地区玉米机械粒收的气候适宜性及适宜区，可为未来进一步提高玉米生产的机械化水平，实现玉米生产全过程机械化提供科学依据。本文以RCP4.5和RCP8.5两个温室气体浓度情景，分别代表中等排放情景和高排放情景，结合两种情景下预估的2021−2060年气候数据和春玉米生育期数据，利用籽粒含水率预测模型确定未来40a当前广泛种植的春玉米中晚熟品种机械粒收各等级气候适宜区北界，并基于此得出基于多品种的机械粒收气候适宜区。结果表明：未来40a不同品种的气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区表现为由西南向东北延伸的分布特征，不同品种间各级适宜区北界由西南向吉林省东南部山区的长白、东岗和松江一带以及高纬度的黑龙江北部变动。RCP4.5（RCP8.5）气候情景下，50%和80%春玉米中晚熟品种的最适宜区均位于辽宁省南部（辽宁省西部和南部），最北分别可达42.0°N和41.0°N（42.8°N和41.9°N），最东可达123.4°E和123.3°E（124.5°E和123.3°E），面积分别占研究区域面积的5.9%和1.8%（11.2%和5.9%）；适宜区分别位于辽宁省北部和中部（辽宁省北部和吉林省西南部），最北可至43.0°N和42.7°N（44.8°N和42.9°N），最东可至124.7°E和124.4°E（124.7°E和124.5°E），该区域面积占比分别为8.3%和8.9%（4.7%和6.6%）。未来40a，与RCP4.5气候情景相比，RCP8.5气候情景下春玉米中晚熟品种机械粒收气候适宜性更强，但两个气候情景下气候最适宜区和适宜区范围均较小。未来春玉米机械粒收气候适宜区在品种间差异较大，未来可选育种植生育期更短、脱水速率更快的适宜机械粒收品种，以提高机械粒收的质量和效率。

春玉米；籽粒脱水；机械粒收；气候适宜区；气候变化；东北地区

玉米是世界主要粮食作物之一，中国是世界第二大玉米生产国，近5a（2017-2021年）玉米播种面积维持在4100万hm2以上，总产量稳定在2.5亿t以上，播种面积和产量均占中国粮食生产的35%以上[1]。当前，生产全过程机械化是中国玉米生产的主要发展方向，其中利用机械进行玉米籽粒收获（简称机械粒收）是玉米机械化生产的重要环节。机械粒收不仅可大大节约劳动力成本，还可降低晾晒、脱粒过程中的籽粒霉烂与损失，是玉米机械收获的发展方向和今后玉米生产方式转变的重点[2]。

相较于机械穗收和人工收获，机械粒收每公顷分别可节约成本375～600元和1050～1650元，若以单产6t·hm−2计算，每生产1t玉米成本分别降低62.5～100.0元和175～275元[3]。美国、德国等国在20世纪50年代玉米收获以机械穗收为主，到70年代则全面采用田间机械粒收，60-90年代集中开展了玉米机械粒收技术相关基础理论及品种选育的研究，为机械粒收的全面推广提供了支撑[2,4−6]。目前中国玉米收获以人工收获和机械穗收为主，而机械粒收仍处于起步阶段，相关研究多集中于机械粒收质量及其影响因素分析和适宜品种筛选[7−13]。机械粒收质量主要指标包括籽粒破碎率、杂质率和损失率。其中破碎率主要受籽粒含水率和籽粒力学强度影响，杂质主要成分为穗轴，杂质率与穗轴含水率及力学强度密切相关[14]。研究发现，籽粒含水率是影响机械粒收的主要因素，与籽粒破碎率、损失率和杂质率呈显著相关，即籽粒含水率越高，籽粒破碎率和杂质率越高，田间损失率越低[15−18]。由于收获时籽粒含水率是籽粒破碎率的主要决定因素[19]，大量学者对玉米籽粒脱水及籽粒含水率的影响因素进行了深入探究，认为收获时籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒脱水速率控制，而脱水速率主要受玉米农艺性状、生育后期生态气象因子以及栽培管理措施等因素影响[20]。此外，研究发现，玉米籽粒含水率与授粉后积温呈极显著非线性关系[21]。基于不同品种的含水率预测模型，有学者进一步估算了含水率降到机械粒收理想含水率时所需的活动积温，确定了不同地区适宜机械粒收的时间[22−25]。因此通过选育脱水速率快、生理成熟期含水率低的品种和适当推迟收获时间可降低收获时籽粒含水率，从而降低机械粒收籽粒破碎率，提高机械粒收质量[12]。

当前关于中国机械粒收的研究为国内玉米机械粒收的推广与应用奠定了科学基础，为提高机械粒收质量提供了理论保障。但基于区域气象条件，评估机械粒收生产技术适应性及适宜区的研究还鲜见报道，特别是气候变化背景下未来机械粒收气候适宜性的研究还未见到。东北地区作为中国玉米主产区之一，也是对气候变化最敏感的区域之一，明确气候变化背景下机械粒收在该地区的适宜性对未来进一步提高玉米生产的机械化水平，实现玉米生产全程机械化至关重要。

本文基于2021−2060年气象数据和春玉米生育期数据，利用籽粒含水率预测模型，预测初霜日前春玉米的籽粒含水率，确定未来40a不同春玉米品种机械粒收的各等级适宜区北界以及基于多品种的机械粒收气候适宜区，以期为东北地区合理推广与应用春玉米机械粒收技术，提高春玉米生产效率提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

以东北三省（黑龙江、吉林和辽宁省）春玉米潜在种植区为研究区域。春玉米潜在种植区是根据80%保证率下≥10℃活动积温高于2100℃·d确定的，包括黑龙江省中南部、吉林省和辽宁省。该地区地势平坦、土壤肥沃，气候为温带湿润半湿润大陆性季风气候，光水资源优越，唯热量条件略显不足，年均气温为−3.8～11.3℃，喜温作物温度生长期内≥10℃活动积温为1680～3850℃·d，日照时数806～1545h，降水量为298～880mm[26−27]。研究区域内包含67个气象观测站点和45个农业气象观测站点，分别用于收集研究区内的气象数据和作物生产数据。研究区和所有观测站点分布见图1。

图1 研究区域（东北三省春玉米潜在种植区）气象站点和农业气象站点分布

1.2 数据及其来源

潜在种植区内春玉米实际种植面积提取自2000−2015年全国玉米收获面积高精度（1km）遥感数据集[28]，利用ArcGIS10.6软件对逐年全国玉米收获面积进行叠加并基于研究区域矢量图层提取。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）为了对未来气候进行评估，以2100年辐射强迫水平达到4.5W·m−2和8.5W·m−2分别代表中等排放情景（RCP4.5）和高排放情景（RCP8.5）。采用的未来气候情景数据来源于英国气象局开发的区域气候模拟系统PRECIS在RCP4.5和RCP8.5情景下模拟的未来时段（2021−2060年）逐日气象数据，模式时间积分步长为5min，水平输出分辨率在旋转坐标下的经纬度各为0.44°。该数据集气象要素包括日平均温度、最高气温、最低气温、降水量、太阳总辐射和平均风速，对上述气象要素输出结果进行订正，并插值为空间分辨率0.5°×0.5°的网格数据，由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所提供，基于此数据集提取研究区域内67个气象站的未来气候数据。

春玉米生育期数据来源于研究区域内45个农业气象观测站，包括2010−2015年春玉米抽雄期和成熟期。利用反距离加权法插值获得各气象站点逐年生育期，并假设未来40a春玉米生育期不变，取2010−2015年各气象站6a平均值作为未来40a春玉米的平均生育期。

1.3 机械粒收气候适宜区的判别方法

1.3.1 计算籽粒含水率

玉米籽粒脱水过程不仅受生长发育控制，还与环境因素有关。因此，在玉米籽粒形成过程中籽粒含水率（MC，%）由生理控制的趋势含水率（Trend_ MC，%）和由环境因素控制的气象含水率（Climate_ MC，%）组成，三者关系为[29]

其中，趋势含水率用Logistic Power含水率动态预测模型模拟[21]，即

式中，a、b、c为模型参数，a为籽粒初始含水率（%），设定为90；b和c为由品种特性决定的品种参数。采用东北地区主栽的多个中晚熟春玉米品种进行机械粒收气候适宜性分析，相较于单一品种，可降低品种差异对机械粒收气候适宜性的影响，使结果更具有区域代表性。本文基于黄兆福等[25]确定的东北地区29个主栽中晚熟春玉米品种参数，模拟当地29个春玉米主栽品种的趋势含水率；TT为授粉− 计算籽粒含水率期间≥0℃积温（℃·d）。

根据玉米籽粒脱水特征，春玉米脱水可分为两个阶段，第一阶段为生理成熟前与灌浆相关的“生理脱水”，第二阶段为生理成熟后籽粒水分的散失过程，两个阶段籽粒脱水的主要环境影响因子存在差异[30−31]。气象含水率采用高尚等[29]基于田间试验确定的回归模型进行模拟，分为生理成熟前（Climate_MC1）和生理成熟后（Climate_MC2），预测模型分别为

式中，x1、x2和x3分别为授粉−生理成熟期的日平均气温（℃）、平均风速（m·s−1）和平均蒸发量（mm）；x4和x5分别为生理成熟期−测定含水率日期的日平均气温（℃）和平均空气相对湿度，其中相对湿度采用小数形式。日蒸发量用参考作物蒸散量表示，采用Penman-Monteith公式计算[32]，即

式中，ET0为日参考作物蒸散量（mm）；Rn为到达作物表面的净辐射（MJ·m−2·d−1）；G为土壤热通量密度（MJ·m−2·d−1），取值为0；T为作物冠层2m高处的空气温度（℃）；U2为作物冠层2m高处的风速（m·s−1）；ed为饱和水汽压（kPa）；eα为实际水汽压（kPa）；Δ为水汽压对温度的斜率（kPa·℃−1）；γ为干湿球常数。其中，Rn、G、Δ和U2通过气象台站观测资料计算求得。

1.3.2 划分机械粒收气候适宜区的标准

以秋季日最低气温低于0℃的第一天确定各气象站未来40a（2021−2060年）逐年初霜日[33]，基于以上籽粒含水率计算方法，分别计算各年份29个中晚熟品种初霜日前一天的春玉米籽粒含水率。在某一站点，若某一品种某年初霜日前籽粒含水率可降至25%（即MC≤25），则认为该地区在该年份对这一品种可进行机械粒收[25]。在此基础上考虑累积概率，进行单一品种机械粒收适宜区的划分，即将未来40a内有0～20%、20%～50%、50%～80%和80%以上年份可进行机械粒收的区域分别划分为该品种的机械粒收气候不适宜区、次适宜区、适宜区和最适宜区。

对于各个地区，如果29个品种均属于同一等级适宜区，则定义该地区为春玉米中晚熟品种的机械粒收该等级适宜区，如某一站点，所有品种均为最适宜区，则该地区为春玉米中晚熟品种的机械粒收最适宜区。如果不同品种所属适宜区等级不一致，则定义为敏感带。最适宜区与适宜区的敏感带为敏感带一，即该地区对于一部分品种属于最适宜区，对于另一部分品种则属于适宜区。类似地，最适宜区、适宜区与次适宜区的敏感带为敏感带二，次适宜区与不适宜区的敏感带为敏感带三。本文确定了50%与80%品种保证率的机械粒收气候适宜区，即得出的机械粒收气候适宜区分别对于50%与80%品种是满足的，生产者可基于自身的风险承担程度选择是否选用机械进行春玉米中晚熟品种的籽粒收获。

1.4 数据处理

采用R语言计算初霜日和籽粒含水率，采用ArcGIS 10.6制作气候适宜区空间分布示意图。

2 结果与分析

2.1 未来气候情景下单一品种机械粒收气候适宜区分析

由图2可见，RCP4.5气候情景下，东北地区29个中晚熟春玉米品种机械粒收的气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区均表现出相同特点即依次由西南向东北延伸，适宜性整体较差，气候最适宜区和适宜区主要位于辽宁省和吉林省。不同春玉米品种间，机械粒收气候适宜区空间差异较大，其中迪卡159、ND865、泽玉501和东单507机械粒收气候适宜性最差，仅大连最适宜机械粒收，适宜区位于辽宁省最南部。金珠58、德育919、泽玉8911和京农科728等品种机械粒收气候适宜性较高，气候不适宜区主要位于海拔较高的吉林省东南部、黑龙江省东南部和纬度较高的黑龙江省北部地区，气候最适宜区与适宜区位于辽宁省、吉林省西部和黑龙江省西南部。图3显示，RCP8.5气候情景下机械粒收气候适宜区空间分布特征与RCP4.5一致，但相较于RCP4.5，RCP8.5气候情景下最适宜区与适宜区面积更大，机械粒收气候适宜性更高。

2.2 未来气候情景下机械粒收气候适宜区北界及其敏感带分析

图4为RCP4.5气候情景下未来40a（2021−2060年）东北地区不同春玉米中晚熟品种机械粒收气候适宜区北界变动范围及敏感带分布。其中，图4a、b和c分别为最适宜区、适宜区和次适宜区北界变动范围。由图可知，机械粒收气候最适宜区北界范围主要为辽宁省除清原、桓仁外的所有区域和吉林省西部，即黑龙江省泰来、吉林省前郭尔罗斯、四平、辽宁省开原、章党、本溪和宽甸一带及其以西地区。机械粒收气候适宜区北界变动范围位于吉林省除南部外的所有区域和吉林省西部以及黑龙江省西南部和东部的富锦、宝清和虎林一带，即适宜区变动范围南界为辽宁省兴城、锦州、营口和庄河一带以北，北界为黑龙江省的齐齐哈尔、安达、哈尔滨、吉林省的三岔河、长春、清原和桓仁一带。机械粒收气候次适宜区北界变动范围位于辽宁省东北部、吉林省除东南部外的所有区域和黑龙江省，变动范围的南界位于辽宁省开原、章党、本溪、宽甸一带以南，最东可至吉林省东南部山地地区，即临江、靖宇、敦化、牡丹江和延吉一带。图4d为RCP4.5气候情景下机械粒收气候适宜区北界变动范围敏感带。由图可知，辽宁省兴城、锦州、营口和庄河一带以北，彰武、沈阳和丹东一带及其以南为敏感带一（最适宜区与适宜区敏感带），即对部分品种该地区为最适宜区，对于部分为适宜区。黑龙江省泰来、吉林省前郭尔罗斯、四平一带及其以西和辽宁省的宽甸、本溪、章党和开原一带为敏感带二（最适宜区、适宜区与次适宜区的敏感带），即对于部分品种为最适宜区，部分为适宜区，部分为次适宜区。黑龙江省齐齐哈尔、安达、哈尔滨、吉林省三岔河、长春、辽宁省清原和桓仁一带为敏感带三（次适宜区与不适宜区的敏感带），即对于部分品种该带为次适宜区，另一部分为不适宜区。

图5为RCP8.5气候情景下未来40a（2021−2060年）东北地区春玉米中晚熟品种机械粒收气候适宜区北界变动范围及敏感带分布。图5a、b和c分别为最适宜区、适宜区和次适宜区北界变动范围，图5d为气候适宜区北界变动范围敏感带。由图可知，RCP8.5气候情景下，不同品种最适宜区北界变动范围为黑龙江省泰来、吉林省前郭尔罗斯、长春、章党和宽甸一带及其以西地区。适宜区北界范围为朝阳、阜新、沈阳、本溪和岫岩一带及其以北，黑龙江齐齐哈尔、安达、绥化、哈尔滨、吉林省梅河口、辽宁省桓仁一带及其以西地区以及黑龙江省佳木斯、富锦、宝清、虎林和绥芬河一带。次适宜区北界变动范围与RCP4.5气候情景下一致。朝阳、阜新、彰武、沈阳和岫岩一带为敏感带一。敏感带二与RCP4.5气候情景下一致，敏感带三相较于RCP4.5气候情景增加了吉林省梅河口和黑龙江省佳木斯和绥芬河等地。

注：对任一品种，最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区分别指未来40a内有80%以上、50%～80%、20%～50%和0～20%年份可进行机械粒收的区域，该品种在某年可进行机械粒收的判断指标为：该年初霜日前玉米籽粒含水率可降至25%（即MC≤25%）。下同。

Note: For each variety, the very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones refer to the regions where maize kernel can be harvested mechanically with more than 80%, 50%−80%, 20%−50% and 0−20% of the future 40 years . The judgment index for mechanical kernel harvesting of this variety in a certain year is that the grain moisture content can be reduced to 25% (i.e. MC≤25%) before the first frost day. The same as below.

图3 RCP8.5气候情景下未来（2021−2060年）中晚熟春玉米品种（29个）机械粒收气候适宜区

2.3 未来气候情景下基于多品种的机械粒收气候适宜区综合划分

图6为RCP4.5和RCP8.5气候情景下未来40a（2021−2060年）东北地区50%与80%中晚熟春玉米品种的机械粒收气候适宜区分布及面积占比。表1为各气候适宜区的经纬度范围和包含的实际春玉米种植面积及占比。结合图6和表1可知，RCP4.5气候情景下，50%春玉米品种的机械粒收气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区面积分别占研究区域面积的5.9%、8.3%、18.9%和66.8%。其中，最适宜区位于辽宁省南部，即绥中、兴城、锦州、黑山、鞍山和庄河一带及其以南，最北可达北纬42.0°，最东可达东经123.4°。适宜区位于辽宁省北部与中部，即叶柏寿、朝阳、阜新、彰武、沈阳、本溪、岫岩和丹东一带以及吉林省双辽地区，最北可达北纬43.0°，最东可至东经124.7°。次适宜区位于黑龙江省西南部和吉林省西北部以及辽宁省东部，即黑龙江省泰来、安达、哈尔滨、吉林省长春和四平一带及其以西以及辽宁省的开原、章党和宽甸一带，最北可达北纬47.8°，最东可至东经127.1°。不适宜区位于黑龙江省除西南部外的所有区域以及吉林省东部、南部和辽宁省清原、桓仁等地。80%春玉米品种机械粒收气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区面积占研究区域面积分别为1.8%、8.9%、10.9%和78.5%。最适宜区位于辽宁省南部的营口、熊岳、瓦房店和庄河一带及其以南地区，最北可达北纬41.0°，最东可至东经123.3°。适宜区位于辽宁省西部和中部，即阜新、黑山、沈阳、鞍山、丹东一带及其以西地区，最北可达北纬42.7°，最东可至东经124.4°。次适宜区位于吉林省西部、辽宁省中部地区，即吉林省白城、前郭尔罗斯、双辽和四平一带及其以西以及辽宁开原、彰武、本溪和岫岩一带，最北可达北纬46.2°，最东可至东经125.2°。不适宜区位于黑龙江省、吉林省除西北外的所有区域以及辽宁省东部地区。

图4 RCP4.5气候情景下未来（2021−2060年）东北地区中晚熟春玉米品种机械粒收气候适宜区北界范围及敏感带分布

注：图a、b和c分别为29个中晚熟春玉米品种气候最适宜区、适宜区和次适宜区北界范围，图d显示各适宜区的敏感带，最适宜区与适宜区的敏感带为敏感带一，即该地区对于一部分品种属于最适宜区，对于另一部分品种则属于适宜区。类似地，最适宜区、适宜区与次适宜区的敏感带为敏感带二，次适宜区与不适宜区的敏感带为敏感带三。下同。

Note: Fig.a, Fig.b and Fig.c are respectively the ranges of northern boundaries of very suitable, suitable and moderately suitable zone for 29 middle-late maturing spring maize varieties, Fig.d shows the sensitive regions of suitable zones. The sensitive region of the very suitable and suitable zones is the sensitive region Ⅰ, that is, the region belongs to very suitable zone for some varieties and suitable zone for others. Similarly, the sensitive region of very suitable, suitable and moderately suitable zone is the sensitive zone II, and the sensitive region of moderately suitable zone and marginally suitable zone is the sensitive zone III. The same as below.

RCP8.5气候情景下，50%品种机械粒收最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区面积分别占研究区域面积的11.2%、4.7%、18.0%和66.2%。最适宜区位于辽宁省中部、西部和南部，即彰武、沈阳、鞍山、庄河和丹东一带及其以西以南地区，最北可达北纬42.8°，最东可至东经124.5°。适宜区位于吉林省双辽、四平、辽宁省本溪和岫岩一带，最北可达北纬44.8°，最东可至东经124.72°。次适宜区位于黑龙江省泰来、哈尔滨、吉林省三岔河、长春一带及其以西地区以及辽宁省开原、章党和宽甸一带，最北可达北纬47.7°，最东可至东经127.2°。不适宜区位于黑龙江省齐齐哈尔、安达、尚志、吉林省梅河口、辽宁省清原、桓仁一带及其以东以北地区。80%春玉米品种机械粒收气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区面积分别占研究区域面积的5.9%、6.6%、12.8%和74.7%。最适宜区位于辽宁省南部的叶柏寿、锦州、黑山、鞍山和庄河一带及其以南地区，最北可达41.9°，最东可至东经123.3°。适宜区位于辽宁省朝阳、阜新、彰武、沈阳、岫岩和丹东一带，最北可达北纬42.9°，最东可至东经124.5°。次适宜区为黑龙江省泰来、吉林省前郭尔罗斯、长春、四平一带及其以西，以及辽宁省开原和本溪一带，最北可达北纬46.7°，最东可至东经125.3°。不适宜区位于辽宁省东北部、吉林省中部、东部和黑龙江省。

图5 RCP8.5气候情景下未来（2021−2060年）东北地区中晚熟春玉米品种机械粒收气候适宜区北界范围及敏感带分布

图6 RCP4.5(a)和RCP8.5(b)气候情景下未来（2021−2060）东北地区50%(1)与80%(2)中晚熟春玉米品种机械粒收气候适宜区划分及其面积占比

注：饼状图为各级适宜区面积占研究区域即春玉米潜在种植区面积的比例。

Note:The pie chart shows the proportion of the suitable areas at all levels to the potential planting area of spring maize in the study area.

表1 多品种综合机械粒收气候适宜区的经纬度范围及其目前实际种植面积和占比

注：“面积”为各级适宜区内包含的春玉米实际种植面积，“占比”为各级适宜区内春玉米实际种植面积占整个研究区域内春玉米实际总种植面积的比例。

Note: "Area" in the table refers to the actual planting area of spring maize included in the appropriate areas, and "Percentage" refers to the proportion of the actual planting area of spring maize in the appropriate areas to the actual total planting area of spring maize in the whole study area.

RCP4.5气候情景下，50%春玉米中晚熟品种的机械粒收气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区分别占研究区域内春玉米总种植面积的7.9%、11.2%、24.9%和55.9%，80%品种的各级气候适宜区占比分别为2.2%、11.9%、13.7%和72.3%。RCP8.5气候情景下，50%春玉米中晚熟品种的各级机械粒收气候适宜区占比分别为15.3%、6.1%、24.1%和54.6%，80%春玉米品种各级适宜区占比分别为7.7%、8.8%、16.9%和66.6%。在RCP4.5气候情景下，最适宜区与适宜区内包含的春玉米种植面积占研究区域总种植面积的比例在50%与80%品种保证率下分别为19.1%和14.0%，RCP8.5气候情景下分别为21.4%和16.6%，说明RCP8.5气候情景下春玉米机械粒收气候适宜性较RCP4.5情景强。在两个气候情景下，50%与80%品种保证率各级适宜区经纬度范围以及各区域面积占比存在较大差异，因此未来可选育种植生育期更短、脱水速率更快的适宜机械粒收品种，以提高机械粒收的质量和效率。

3 结论与讨论

3.1 讨论

近50a东北地区呈现暖干化趋势，年平均气温和春玉米生长季内平均气温每10a分别升高0.38℃和0.14℃，降水量分别减少8.5mm和8.0mm[26, 34]。IPCC第六次评估报告指出，未来几十年气候将持续变暖[35]。对于东北地区，未来气候变暖使春玉米种植北界大范围北移，中晚熟品种种植范围北扩至黑龙江省的最北部地区[36]。温度和降水是影响玉米籽粒脱水最主要的因素，未来气候持续变暖将进一步影响东北地区春玉米机械粒收的气候适宜性。因此，本研究基于未来气候情景数据和当地主栽中晚熟春玉米品种，分析未来气候变化下机械粒收的气候适宜区，可为当地未来合理推广应用机械粒收技术提供参考，同时，基于东北地区未来情景数据与春玉米生育期数据，通过预测不同春玉米品种初霜日前的籽粒含水率，确定了29个中晚熟春玉米品种2021-2060年机械粒收的气候适宜区，结果表明，不同春玉米中晚熟品种的机械粒收气候适宜区空间分布差异较大，说明在相同的脱水环境下，东北地区春玉米机械粒收适宜性受春玉米品种脱水特性影响较大，这与王克如等[20]的结论一致。基于当前辽河流域地区的主栽品种，在两个气候情景下未来40a春玉米机械粒收最适宜区和适宜区北界均主要位于辽宁省，总体气候适宜性较低，说明东北地区近年多选种生育期较长、收获前可用于籽粒脱水的时间较短的春玉米品种，这与黄兆福等[25]的研究结果一致，当前辽河流域主栽春玉米品种含水率降至适宜机械粒收的积温需求高于国审适宜机械粒收品种，在当地常规收获期无法实现高质量机械粒收[34, 37]。因此，未来可通过选育和种植脱水速率快、生育期相对较短的春玉米品种，尤其是对于各个敏感带，选种合适的品种可提高机械粒收的适宜性，利于机械粒收的高质量应用。

玉米籽粒脱水速率在品种间存在由基因型控制的可遗传差异，与苞叶薄厚和松紧、果穗大小和长短、穗轴粗细以及籽粒长度等植株性状相关，同时受空气湿度、温度和降水量等气象因素以及种植密度、水肥管理和播期等栽培措施的影响[20]。本文采用趋势含水率与气象含水率分离的方式，主要基于气象条件估算初霜日前春玉米的籽粒含水率，从而确定东北地区机械粒收气候适宜区，其中气象含水率由前人在黄淮海地区确定的玉米籽粒含水率与气象因子的回归关系模型进行初步计算，不同品种与气象因子间相互作用的差异性以及栽培管理措施的影响可能导致估算的气象含水率存在不确定性，因此，未来需融合更多的试验数据进一步确定不同生态区春玉米与气象条件的定量关系，进行更准确的气象含水率计算。采用积温−含水率预测模型（Logistic power模型）模拟玉米籽粒趋势含水率，可对趋势含水率进行较好的预测。前人研究表明，通过调整播期、增大玉米种植密度和控制氮肥量等可以在热量限制区域加快玉米干物质累积速率，减小生理成熟时玉米籽粒含水率[38−40]。统计模型无法较好地反映不同管理措施下籽粒的脱水差异，未来可通过结合数理模型与作物生长模型模拟的方式，在确定玉米籽粒脱水生理过程的基础上预测不同管理措施下的玉米籽粒含水率，进一步探索机械粒收的适宜性。此外，重点分析东北地区中晚熟品种未来机械粒收气候适宜性，对于东北地区中南部地区，采用当前多个品种确定未来机械粒收适宜区具有较好的代表性，但对于黑龙江省等因未来气候变暖、热量增加而新增的中晚熟种植区，热量条件不能满足籽粒脱水的热量要求，可能导致低估了这些区域的机械粒收适宜性。例如德美亚系列品种具有抗性强、适应性广、耐密植、脱水快、产量高、品质好并适宜机械化收获的特点，引进后在黑龙江省、吉林省等地得到迅速推广[41]。未来可通过在该地区开展系列试验研究工作，明确其籽粒脱水速率与气象因子的关系，进一步明确黑龙江省等地的机械粒收气候适宜性并进行气候适宜分区，为机械粒收在黑龙江省的推广应用提供参考。

3.2 结论

未来40a不同春玉米品种的气候最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区均表现为由西南向东北延伸的空间分布特征，对于气候适宜性较强的品种，不适宜区主要位于高海拔的吉林省东部山区（长白、东岗和松江一带）和高纬度的黑龙江省北部地区。两个气候情景下，未来40a最适宜区北界范围主要为辽宁省除清原、桓仁外的所有区域和吉林省西部；适宜区北界变动范围位于吉林省除南部外的所有区域和吉林省西部以及黑龙江省西南部；次适宜区北界变动范围位于辽宁省东北部、吉林省除东南部外的所有区域和黑龙江省。RCP4.5气候情景下，50%和80%春玉米品种的最适宜区位于辽宁省南部，最北分别可达北纬42.0°和41.0°，最东可达东经123.4°和123.3°，包含的春玉米种植面积分别占研究区域内春玉米总种植面积的7.9%和2.2%；适宜区位于辽宁省北部与中部，最北可至北纬43.0°和42.7°，最东可至东经124.7°和124.4°，包含的春玉米种植面积占比分别为11.2%和11.9%。RCP8.5气候情景下，未来40a内50%和80%品种的最适宜区辽宁省西部和南部，最北分别可达北纬42.8°和41.9°，最东可至东经124.5°和123.3°，包含的春玉米种植面积占比分别为15.3%和7.7%；适宜区位于辽宁省北部和吉林省西南部，最北分别可达北纬44.8°和42.9°，最东可至东经124.7°和124.5°，包含春玉米种植面积占比分别为6.1%和8.8%。两个气候情景下，气候不适宜区和次适宜区位于黑龙江省和吉林省以及辽宁省东北部。

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Climate Suitable Zones for Mechanical Kernel Harvesting of Middle-late Maturing Spring Maize in Northeast China under Future Climate Scenarios

SU Zheng-e, LIU Zhi-juan, YANG Wan-rong, ZHU Guang-xin, SHI Deng-yu, YANG Xiao-guang

(College of Resources and Environment Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Fully mechanized maize production has been trending in China, and using agricultural machinery to harvest maize grains is the focus of the transformation of maize production methods. Grain moisture content is the main factor affecting mechanical kernel harvesting, which is mainly affected by the agronomic characteristics of maize, ecological meteorological factors at the late growth stage, cultivation and management practice and other factors. Northeast China (NEC) is one of the main maize production regions and is the most sensitive regions to climate change in China. Clarifying the climate suitability and suitable zones for mechanical maize kernel harvesting in NEC under future climate conditions can provide scientific basis for improving the mechanization level of maize production and realizing the fully mechanized maize production in the future. In this study, based on the predicted climate data of 2021−2060 under two greenhouse gas concentration scenarios of RCP4.5 and RCP8.5 (the radiation forcing levels will reach 4.5W·m−2and 8.5W·m−2by 2100, which representing medium and high emission scenario, respectively) and the growth period data of spring maize, the northern boundaries of climate suitable zones for mechanical kernel harvesting of currently widely planted 29 middle-late spring maize varieties were determined using the kernel moisture content prediction models, and further the multi-variety based climate suitable zones were analyzed for the future 40 years. The results showed that climate very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones for mechanical kernel harvesting will extend from southwest to northeast in NEC. And among different varieties, the northern boundaries of climate suitable zones fluctuate from the southwest to the southeastern mountainous areas of Jilin province (Changbai, Donggang and Songjiang areas) and the northern high latitude areas of Heilongjiang province. Under RCP4.5 (RCP8.5) climate scenario, the very suitable zones for 50% and 80% of middle-late maturing spring maize varieties located in the southern part of Liaoning province (the western and southern parts of Liaoning province). The northernmost can reach 42.0°N and 41.0°N (42.8°N and 41.9°N) latitude, and the easternmost can reach 123.4°E and 123.3°E (124.5°E and 123.3°E) longitude, respectively. The areas account for 5.9% and 1.8% (11.2% and 5.9%) of the potential growing area of spring maize in NEC, respectively. Suitable zones located in the northern and central parts of Liaoning province (the northern part of Liaoning province and southwestern part of Jilin province), with the northernmost reaching 43.0°N and 42.7°N (44.8°N and 42.9°N) latitude, the easternmost reaching 124.7°E and 124.4°E (124.7°E and 124.5°E) longitude, and the areas accounting for 8.3% and 8.9% (4.7% and 6.6%) of potential growing area of spring maize, respectively. In the future 40 years, compared with the RCP4.5 climate scenario, the middle-late maturing varieties of spring maize under RCP8.5 climate scenario have stronger climatic suitability for mechanical kernel harvesting, but the climate very suitable and suitable zones under the two climate scenarios are both small. The climate suitable zones for mechanical kernel harvesting will differ greatly between varieties, so varieties with short growth periods and fast dehydration rates which are suitable for mechanical kernel harvesting should be selected to improve the quality and efficiency of mechanical kernel harvesting in the future.

Spring maize; Kernel dehydration; Mechanical kernel harvesting; Climate suitable zones; Climate change; Northeast China

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.08.001

苏正娥,刘志娟,杨婉蓉,等.未来气候变化情景下东北地区中晚熟春玉米机械粒收气候适宜区分析[J].中国农业气象,2023, 44(8):649-663

2022−09−23

国家重点研发计划项目（2019YFA0607402）

刘志娟，副教授，博士，博士生导师，主要从事气候变化对农业影响与适应研究，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

苏正娥，E-mail：suzhenge_cau@163.com