东北地区春玉米生育期内气候资源变化特征

淮贺举, 孙宁, 史磊刚, 李奇峰, 胡海棠, 陶欢, 李存军*

(1.中国农业大学农学院, 北京 100193; 2.北京农业信息技术研究中心, 北京 100097)

气候变暖已经成为一个不争的事实。2013年9月30日，在斯德哥尔摩发布了IPCC第五次气候变化评估报告，报告明确指出全球平均气温在过去30年升高了0.89 ℃[1]。农业作为一个受气候变化影响显著的领域，国内外学者围绕气候变化对农业生产条件与产量的影响、气候适宜性、气候灾害以及种植制度等领域做了大量的研究。气候资源作为农业生产的关键要素，研究作物生育期内气候资源的时空变化特征具有重要的现实意义[2-6]。

东北地区(包括辽宁、吉林、黑龙江)是我国气候变暖最显著的地区，对东北地区的气候资源进行研究，已成为国内外学者研究气候变化对农业影响的热点之一[7-12]。刘志娟等[13]基于1961—2007年中国东北三省72个气象台站的气象资料，分析了东北三省全年及温度生长期内的气温、降水、光照等农业气候资源的变化特征；贾建英等[14]研究发现，1980年后，东北地区发生了显著的增温过程，日最低温度增温速率为0.51 ℃·(10 a)-1，日最高温度增温速率为0.24 ℃·(10 a)-1；冶明珠等[15]利用RegCM3模式输出的东北三省日平均温度和最低温度，分析了1951—2010年热量资源以及玉米关键生育期温度适宜度的时空分布特征；张丽敏等[16]将东北三省1961—2015年逐日气象观测资料划分为1961—1980、1981—2000、2001—2015年三个阶段，对春玉米适宜生长期的热量资源、水分资源和光照资源进行了研究。但是这些研究多侧重于季尺度、年尺度，或者作物整个生育期内的气候资源，较少针对作物关键生育阶段的气候资源进行研究[5]。

在前人研究的基础上，本研究基于1981—2016年东北地区40个农业气象试验站点的物候期观测记录以及相应的气象站点平均温度、最高温度和降水量等逐日气象数据，系统对比分析了东北地区1981—1999、2000—2016年春玉米全生育期(whole growth period，WGP)以及营养生长期(vegetative growth period，VGP)、营养生长生殖生长并进期(vegetative and reproductive growth period，VRGP)、生殖生长期(reproductive growth period，RGP)三个不同生育阶段气候资源的时空变化特征，以期为研究气候变化对东北地区春玉米生产的影响及种植制度调整提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究中的东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江三省，位于北纬38.0°～54.0°，东经118.5°～135.0°，北、东、西三面环山，中部有广阔的三江平原、松嫩平原和辽河平原。东北地区属于寒温带、中温带湿润(半湿润)，冬季低温干燥，夏季较温暖湿润。1951—2014年年平均温度为4.95 ℃，1月为全年最冷月，年平均最低温-0.26 ℃，7月为全年最热月，年平均最高温11.07 ℃，年平均≥0 ℃积温3 273.26 ℃，年平均≥10 ℃积温2 929.16 ℃，年平均降水量582.47 mm，其中60%集中在7—9月，基本由东南向西北减少。无霜期153 d，由辽南及东南沿海向北逐渐减少。东北地区面积辽阔，地势平坦，土壤肥沃，耕地面积为26.44万km2，约占全国耕地总面积的16.5%，是中国玉米的最大产区，玉米产量占各类粮食总产量的40%左右。

1.2 数据来源

春玉米物候期观测资料源于中国气象数据网的中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集，根据1981—2016年期间农业气象站(图1)上报的农业气象旬月报报文资料整理而得。春玉米物候期数据包括40个农业气象试验站点播种、拔节、开花和成熟期的数据，气象数据包括逐日的最低气温、平均气温、最高气温、降雨量数据。

图1 东北地区农业气象站点空间分布Fig.1 Spatial distribution of agro-meteorological station in northeast China

1.3 研究方法

1.3.1生育期划分 本研究将春玉米生育阶段划分为营养生长期(播种到拔节)、营养生长与生殖生长并进期(拔节到开花，简称并进期)、生殖生长期(开花到成熟)3个阶段。

1.3.2生育期阶段气候资源计算步骤 基于农业气象站点春玉米物候期数据，计算1981—1999年和2000—2016年两个时间段的平均播种期、拔节期、开花期和成熟期(图2，图中各生育期是指每年的第几天，为儒历日，由农气站观测的播种、拔节、开花和成熟日期转换而成)，明确春玉米营养生长期、并进期、生殖生长期的起始日期，结合不同年份逐日气象数据计算1981—1999年和2000—2016年不同生育阶段的生长度日(growing degree days, GDD)、平均温度、平均降雨量、高温度日(heat degree days, HDD)。

1.3.3热量指标的确定 生长度日(GDD)用于分析春玉米生长季热量积累，指日均温大于10 ℃的有效积温。高温度日(HDD)用于分析春玉米生长季极端高温，是高于春玉米生长上限温度30 ℃的累积。其计算过程[14-19]如下。

(1)

(2)

式中，Tave表示日平均温度；Tmax表示日最高温度；Tbase表示玉米生物学下限温度(10 ℃)；Topt表示玉米生物学上限温度(30 ℃)。

图2 1981—1999年和2000—2016年春玉米生育期长度空间分布Fig.2 Mean length spatial distribution of spring maize in growing period during 1981—1999 and 2000—2016

1.3.4数据的统计分析和空间表达 采用EXCEL软件对相关数据进行分析处理，采用ArcGIS10.0软件对东北地区春玉米物候期的日期、生育期长度、倾向率进行空间表达。采用克里金插值方法对气象数据进行插值，生成空间栅格数据。

2 结果与分析

2.1 春玉米全生育期气候资源变化特征

图3显示，春玉米全生育期(WGP)的平均温度、生长度日(GDD)和高温度日(HDD)在空间上均呈现相同的自东北向西南逐渐增加的趋势，降雨量呈现自西北向东南增加的趋势，其中1981—1999年平均温度范围为16.5～21.7 ℃，GDD的范围为972～1 765 ℃·d，降雨范围为353～782 mm，HDD范围是0～46 ℃·d。2000—2016年平均温度范围为17.5～22.4 ℃，GDD的范围为1 077～1 836 ℃·d，降雨范围为255～672 mm，HDD范围是0～60 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年的春玉米全生育期平均温度与GDD在所有区域都呈现上升趋势，其中平均温度上升1 ℃左右，GDD增加100 ℃·d左右，一方面是由于气候变暖提升了全生育期内的平均温度，另一方面播种期提前和成熟期延迟增加了全生育期的长度，使得生育期内热量资源增加。热量资源的增加有利于不同熟型的玉米品种种植界限北移；降雨量在黑龙江省略有下降趋势，吉林省和辽宁省变化不明显；HDD在黑龙江省出现了略有上升趋势，吉林省和辽宁省变化不明显。

图3 1981—1999年和2000—2016年春玉米全生育期气候资源空间特征Fig.3 Spatial characteristics of climate resources in the whole growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.2 春玉米营养生长期气候资源变化特征

从图4可以看出，春玉米营养生长期(VGP)的平均温度、生长度日(GDD)和高温度日(HDD)在空间上均呈现相同的自东北向西南逐渐增加的趋势，降雨量呈现自西北向东南增加的趋势。其中，1981—1999年平均温度范围为13.8～20.5 ℃，GDD的范围为279～734 ℃·d，降雨范围为98～240 mm，HDD范围是0～21 ℃·d。2000—2016年平均温度范围为15.4～20.9 ℃，GDD的范围为269～739 ℃·d，降雨范围为75～264 mm，HDD范围是0～26 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年的春玉米营养生长期的平均温度与GDD在所有区域均呈现上升趋势，其中平均温度上升0.6 ℃左右，GDD增加50 ℃·d左右，营养生长期内的热量变化最大，这主要由于气候变暖致使播种期提前和拔节期的延迟，进而增加了营养生长期的长度及热量资源；降雨量在变化不明显；HDD在空间上有增加趋势，特别是西部地区高温风险频率有较大增加。

图4 1981—1999年和2000—2016年春玉米营养生长期气候资源空间特征Fig.4 Spatial characteristics of climate resources in the vegetative growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.3 春玉米并进期气候资源变化特征

从图5可以看出，春玉米并进期(VRGP)的平均温度、生长度日(GDD)在空间上均呈现相同的自东北向西南逐渐增加的趋势。其中，1981—1999年东北春玉米全生育期平均温度范围为19.9～24.9 ℃，GDD的范围为27～73 ℃·d，降雨范围为83～206 mm，HDD范围是0～14 ℃·d。2000—2016年东北春玉米全生育期平均温度范围为20～25 ℃，GDD的范围为187～459 ℃·d，降雨范围为49～159 mm，HDD范围是0～20 ℃·d。相比1981—1999年，由于并进期的生育期长度变化不明显，各项指标在不同区域呈现不同特征，2000—2016年黑龙江省平均温度上升明显，吉林省和辽宁省变化不明显；黑龙江省GDD略有减少，吉林省和辽宁省变化不明显；黑龙江省降雨量变化不明显，吉林省和辽宁省略有下降；HDD变化趋势不明显。

图5 1981—1999年和2000—2016年春玉米并进期气候资源空间特征Fig.5 Spatial characteristics of climate resources in the vegetative and reproductive growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.4 春玉米生殖生长期气候资源变化特征

从图6可以看出，春玉米生殖生长期的平均温度、生长度日在空间上均呈现相同的自东北向西南逐渐增加的趋势，降雨量呈现自西北向东南增加的趋势。1981—1999年生殖生长期平均温度范围为17.6～23.6 ℃，GDD的范围为410～763 ℃·d，降雨范围为118.6～343.3 mm，HDD范围是0～16 ℃·d。2000—2016年平均温度范围为18.2～23.8 ℃，GDD的范围为454～854 ℃·d，降雨范围为73～380 mm，HDD范围是0～25.8 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年春玉米生殖生长期的平均温度变化不明显；GDD在所有区域都呈现增加趋势；黑龙江省降雨量减少，吉林省和辽宁省不明显；HDD变化趋势不明显。

图6 1981—1999年和2000—2016年春玉米生殖生长期气候资源空间特征Fig.6 Spatial characteristics of climate resources in the reproductive growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

3 讨论

气候资源是农业生产的重要资源和基础条件，气候变化对东北地区玉米生产系统产生了重要影响，不同热量要素表现出不同程度的北移东扩趋势[20-21]已基本形成共识。气候因子是影响作物生长发育的主要因素，气候变化导致的热量资源变化改变了作物的物候期和生育期长度，Li等[22]研究发现，东北地区的41.5%站点玉米播期与抽穗期显著提前，43.4%的站点成熟期推迟；淮贺举等[23]研究认为，东北地区春玉米营养生长期、生殖生长期、全生育期均呈现延长的趋势，而营养生长与生殖生长并进期变化不明显。同时,作物也是通过调整生育期来适应生态环境的变化，物候期及生育阶段的变化导致作物在生长过程中光、温、水及其他营养物质等吸收和利用发生变化，最终对作物产量产生影响[24-25]。本研究系统对比分析了1981—1999年和2000—2016年东北地区春玉米全生育期及营养生长期、并进期和生殖生殖期内的气候资源特征，认为东北地区春玉米不同生育阶段的平均温度和GDD均有不同程度的增加，这与前人对春玉米全年、全生育期的气候资源变化特征研究结论一致[8,13,16,26]。为更好适应玉米不同生育阶段热量条件的变化，可以通过调整品种布局和改进栽培管理措施，进一步提供热量资源的利用效率，适当调整玉米中、晚熟品种种植界限向北移动，界限敏感区域内中、晚熟品种替代了早熟品种，生育期延长、干物质积累增加能够提高春玉米产量[13]。同时，要进一步加强适宜新品种的培育。一方面，加强极早熟玉米的培育，解决黑龙江北部地区热量不足的问题；另一方面，要加强中晚熟品种的培育，增长生育期长度，充分利用东北地区南部的热量中资源。本研究认为，不同生育阶段的降雨量和HDD变化不明显，但在品种布局时，应特别注意干旱和高温风险，气温升高增加了极端高温事件的发生概率，而极端高温缩短了春玉米的有效灌浆期，从而可能导致作物早熟，而减产、品质下降[27]。气候资源、品种及栽培管理措施共同决定作物布局及产量，如何通过改进作物栽培管理措施提高气候资源利用效率、发挥作物品种的潜能将是未来研究的重点。