基于积温产量模型确定山东夏玉米拔节前后的极端高温阈值*

张 琪，唐 婕，冯一淳，张艺璇，蔡成良



基于积温产量模型确定山东夏玉米拔节前后的极端高温阈值*

张 琪1,2，唐 婕1，冯一淳1，张艺璇1，蔡成良1

（1．南京信息工程大学应用气象学院，南京 210024；2．江苏省农业气象重点实验室，南京 210024）

参考已有的积温-产量模型方法，利用山东省10个气象站点1983-2012年逐日最高气温、最低气温数据模拟其间逐小时温度，分拔节前和拔节后两个时段确定山东省夏玉米的极端高温阈值，并对研究区极端高温事件的时空分布特征进行分析。结果表明：夏玉米生育期温度主要分布在17～35℃区间，拔节后不同温度持续时长较大；有效积温转化为实际产量的比例系数有随时间增大的趋势；山东省夏玉米拔节前、后两个阶段极端高温阈值分别为35.2℃和34.5℃；基于此阈值统计的极端高温发生日数由西部平原地区向东部沿海半岛地区减少，拔节后较拔节前频发，研究期内极端高温发生日数有随时间增多的趋势。

极端高温阈值；积温产量模型；夏玉米；拔节

在以变暖为主要特征的全球气候变化背景下，各类极端天气事件尤以极端高温，呈现增多增强的趋势，这种趋势在未来一段时间很可能继续延续[1-3]。而极端高温除直接影响农作物生长发育外，持续高温还会诱发或加剧干旱进而影响农业生产。近年来，持续高温造成的农业损失越来越突出，如2016年华北、西北7-8月连续≥35℃的高温对玉米开花灌浆造成不利影响，降低了结实率，导致减产[4]。相对于其它农业气象灾害，极端高温是一个重要但较少被关注的领域[5]，其相关研究亟待加强。

阈值确定是研究极端高温影响的前提和关键，以往研究多采用百分位法确定极端事件阈值[6-8]，该方法从数据本身结构出发并未考虑承载体的特征，然而不同的承载体对灾害敏感程度不同，高温阈值也有差异。目前极端高温对农业影响的研究中，多参考大田试验或以往经验确定阈值[9-11]，通常认为在营养生长阶段一般36℃以上会对玉米产量带来影响，生殖生长阶段日最高温度超过32～35℃玉米生长会受到影响；尹小刚等[12]参考Lobell等[13]研究美国玉米生产时确定了30℃作为阈值，研究东北地区春玉米各生育阶段极端高温发生的时间变化特征。但由于不同地区玉米品种、气候以及下垫面情况的不同，借鉴其它地区的阈值进行研究将给结果带来一定偏差。

针对以往极端高温灾害研究报道较少且阈值确定忽略承载体特征等问题，本研究以夏玉米主产区同时也是高温灾害频发区的山东省为例，拟通过积温产量模型的方法确定该地区夏玉米不同生育阶段极端高温灾害的阈值，并分析极端高温灾害的时空变化特征，以期为极端事件阈值确定开拓新思路，促进气候变化背景下极端事件对农业影响的研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以华北平原的山东省为研究区，该区为主要夏玉米产区（图1），暖温带大陆性气候，降水主要集中在6-9月，雨热同期，利于夏玉米的生长。但降水分布不均匀、高温频发导致夏玉米产量波动较大。本研究以拔节为界将玉米整个生育期分为两个阶段：拔节前，玉米主要进行营养生长；拔节后，开始有生殖生长活动。山东地区夏玉米拔节主要发生在7月下旬，生育期平均长度98d左右，拔节前持续38d，拔节后60d左右。全球变暖影响下，研究区夏玉米播种日期有推迟的趋势，导致拔节前的天数有减少趋势。

图1 研究区及站点分布

1.2 资料来源

研究区10个农业气象站点1983-2012年逐年玉米发育期观测资料，主要包括播种、拔节、成熟日期，来源于国家气象信息中心；1983-2012年逐日最高气温、最低气温数据为10个农业气象站对应的气象台站观测数据，以该数据为基础模拟其间逐小时温度。

1.3 积温产量模型

研究气温对作物产量的影响时，一般认为温度对产量的影响是一个非线性的逐渐累积的过程，产量与整个生育阶段有效积温成比例关系。基于这一思路并参考Schlenker等研究气温对美国玉米产量影响时建立的回归方程，用非线性函数表示实际产量与生育期温度之间的关系[14]，即在站点i第t年的夏玉米实际产量yit为

Hawks等[15]将8℃和32℃作为玉米有效积温的上下限，由式（2）计算。例如10℃，其贡献了2℃·h的有效积温，若生育期内10℃持续时长为3h，则该温度在生育期内贡献了6℃的有效积温。

由一日内最高气温和最低气温构建正弦曲线，模拟气温日变化以获取逐小时气温[16]，即

2 结果与分析

2.2 比例系数k的统计分析

k为积温产量模型中有效积温转化为实际产量的比例系数，通过式（1）得到历年各站点拔节前和拔节后两个时段有效积温转化为产量的比例系数k，并计算历年山东省10个站点的平均值，结果见图3。由图中可以看出，夏玉米全生育期、拔节前和拔节后的k值均随着时间呈增大趋势，上升趋势达到P＜0.01的极显著水平。整体上，1993年之前k值变化不明显，之后有较为明显的升高趋势，即同样的有效积温转化成的实际产量增多，说明这期间农业投入的增加等使夏玉米对温度的利用效率提高。

图2 1983-2012年山东省夏玉米拔节前（a）、后（b）不同温度持续时长

注：每个温度对应的矩形盒内部横线代表所有站点研究期内该温度持续时长的中位数，矩形盒的顶线和底线分别代表上、下四分位，上部标记短线为最大值，下部标记短线为最小值

Note: In the box-plot of each temperature, the horizontal line inside the box shows the median duration exposure to this temperature among all stations and years, the top and bottom of the box show the upper quartile and lower quartile. The upper short lines are the maximum values, and the bottom short lines are the minimum values

图3 1983-2012年山东省夏玉米产量与有效积温比例系数（k）的年际变化

2.3 极端高温阈值的确定

分夏玉米拔节前和拔节后两个时段确定。图4中灰色曲线为所有站点各年份利用式（1）的积分函数得到的曲线，黑色点线为所有曲线的平均。曲线与横轴围成的面积为当年的实际产量，纵坐标为各温度贡献的产量，生育期内所有温度贡献的产量和即为当年的实际产量。由图可以看出，温度贡献的产量随着温度的升高而升高，达到产量峰值后，随着温度的继续升高其带来的产量贡献逐渐下降。拔节前、拔节后和全生育期分别在35.2℃、34.5℃、35.3℃时温度带来的产量贡献为0。此后随着温度的继续升高，温度带来的产量贡献为负值，可以认为气温对作物生长和产量形成产生负效应。因此，将该产量贡献值为0时所对应的温度作为玉米各发育阶段极端高温的阈值。采用该方法识别出拔节后的极端高温事件的阈值较拔节前要低，说明夏玉米拔节后对高温更为敏感。

图4 玉米不同发育阶段温度-产量积分函数图像

2.4 极端高温日数的分布

将研究期（1983-2012年）分成1983-1992、1993-2002和2003-2012年3个时期，分夏玉米拔节前和拔节后两个时段统计山东省极端高温发生日数的空间分布，结果见图5。由图中可见，在各个时期、各生长阶段极端高温的空间分布均呈现出沿海半岛地区年均极端高温日数较少，向西部平原地区逐渐增多，菏泽、济阳、济宁为极端高温高发地区，胶州、莱阳发生较少。在时期2和时期3，全省夏玉米拔节后极端高温发生日数普遍高于拔节前；在时期1，东部地区拔节后极端高温日数也较拔节前多。不同时期之间比较可以发现，时期3的极端高温日数较多的站点面积最大，时期1面积最小，多数站点极端高温日数有随时间增加的趋势。

图5 不同时期山东省夏玉米不同发育阶段年均极端高温日数的分布

3 结论与讨论

（1）基于积温产量模型方法确定了山东省夏玉米拔节前、后两个阶段的极端高温阈值分别为35.2℃和34.5℃，拔节后极端高温阈值较低，可见该阶段对高温更为敏感，容易造成损失。与从玉米生理特征角度看，拔节后的开花灌浆期对高温最为敏感的研究结论相一致[17]。Schlenker等[14]基于积温产量模型方法研究时，将贡献的产量开始下降时的温度定义为极端高温阈值（温度-产量积分函数曲线的顶点），但超过该值的温度贡献的产量仍为正数，即温度对产量形成仍是有益的。而本研究将贡献的产量开始为零时的温度定义为极端高温阈值，则更为合理。

（2）山东省夏玉米生长季极端高温日数呈现出西部内陆地区较高，自西向东逐渐降低的趋势；研究期内，极端高温日数随时间呈增多的趋势；夏玉米拔节后极端高温发生较拔节前更为频繁。说明山东省中西部内陆地区面临更严重高温灾害威胁，且在气候变暖背景下有加重的趋势，拔节后更为严重。同时，拔节后也是玉米受极端高温影响的敏感时期，极端高温给玉米生产带来更严重的威胁。

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Determination of Extreme High Temperature Thresholds before and after SummerCorn Jointing Stage in Shandong Based on Accumulated Temperature-Yield Model

ZHANG Qi1, 2, TANG Jie1, FENG Yi-chun1, ZHANG Yi-xuan1, CAI Cheng-liang1

(1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210024, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing 210024)

By using accumulated temperature-yield model, the hourly temperature was simulated based on daily temperature from 10 meteorological stations in Shandong province from 1983 to 2012. Then the extreme high temperature thresholds both before and after summer corn jointing stage were determined, and the spatial and temporal distribution of extreme high temperature events was analyzed. The results showed that temperature were in 17-35℃ during summer corn growing season, and the duration of each temperature after jointing was larger than that of before jointing. The proportional coefficient of effective accumulated temperature converting into actual yield increased during 1983-2012. The threshold of extreme high temperature before and after summer corn jointing stage was 35.2℃ and 34.5℃ respectively. The regional extreme high temperature days decreased from western to eastern in Shandong province, which was higher after jointing stage than that of before jointing stage. The extreme high temperature days increased gradually during the research period.

Extreme high temperature threshold; Accumulated temperature-yield model; Summer corn; Jointing stage

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.006

张琪,唐婕,冯一淳,等.基于积温产量模型确定山东夏玉米拔节前后的极端高温阈值[J].中国农业气象,2017,38(12):795-800

2017-06-04

江苏省基础研究计划（自然科学基金）青年基金项目（BK20150898）；公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506001-06）；国家自然科学基金项目（41501553；41571491）；公益性行业（气象）科研专项储备项目（2015001）

张琪（1986-），女，博士，研究方向为农业气象灾害风险评估。E-mail：zhangq861206@126.com