气候变化背景下玉米品种更替对新疆光热资源利用效率的影响*

王 勇，张镇涛，张方亮，郭世博，杨晓光

（1.新疆生态气象与卫星遥感中心，乌鲁木齐 830011；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

工业革命以来，全球正在经历最显著的气候变化过程，截至2012年，过去的130a 全球升温0.85℃[1]。中国是全球气候变化敏感区之一，陆地升温幅度高于全球平均水平[2]。新疆属于干旱半干旱地区，降水稀少、水资源缺乏、生态环境脆弱，对气候变化影响十分敏感[3-4]。1956-2005年以来新疆增温速率为0.28℃·10a-1，与全国的变化较为一致，同时气候变暖背景下年降水量总体呈上升趋势[5-6]。

中国玉米种植面积和产量均占粮食作物的三分之一左右，在粮食安全中占有重要地位[7-8]。西北玉米区在中国玉米生产中虽比重较其它主产区小，但因其特殊光温条件，该区域在玉米生产中极为重要。新疆辐射强，气温日较差大，加之冰川融水资源增加，近年来屡创中国玉米高产记录，为玉米研究的热点区域之一[9-10]。

前人在气候变化对玉米影响方面开展了大量研究，结果表明，气温升高背景下，全国约80%站点玉米抽穗期和成熟期提前，全生育期呈缩短趋势[11]，但生殖生长阶段的延长，利于玉米产量提升[12]。Lobell 等采用统计分析方法研究发现气候变化导致全球玉米产量下降3.8%[13]，且产量变异性增加[14]。与田间试验周期长和统计方法不考虑作物生理过程相比，作物模型因其具有考虑作物生长动态，且可重复性高的特点[15]，已经成为气候变化对作物影响评估的有效方法[16]。Liu 等采用APSIM 模型研究发现，气候变化导致中国东北春玉米潜在产量下降22%～26%[17]；赵俊芳等基于APSIM 模型研究发现，西北内陆区春玉米产量对温度和潜在蒸散响应明显[18]；李阔等采用DSSAT 模型评估结果表明，未来升温情景下全国玉米产量整体呈降低趋势，且区域间存在差异[19]；张建平等采用WOFOST 模型，分析了温度对东北三省玉米产量波动的影响程度[20]。综上现有研究表明，气候变化背景下作物生育期缩短，产量降低，但通过更替品种可减缓气候变化负面影响，提升玉米产量潜力[21-24]。气候资源利用效率是衡量作物生长季资源有效性的指标之一，明确一个区域气候资源利用效率，对于充分利用当地气候资源，具有重要的指导意义[25]。

目前针对气候变化对新疆玉米影响程度以及品种更替对资源利用效率的影响仍缺乏系统性研究，由于新疆地区为灌溉农业，因此本研究重点分析热量和辐射资源利用效率。选取新疆典型站点，基于1981-2019 历史气象数据和农业气象试验站玉米观测资料，结合APSIM 模型，研究明确气候变化对玉米生育期、产量和资源利用效率的影响程度，阐明玉米品种更替对气候变化适应效应，以期为科学评估气候变化对新疆玉米影响，以及玉米生产适应气候变化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

新疆维吾尔族自治区温带大陆性气候特征显著，温度日较差大，日照充足，降水量少，气候干燥[26]。该地区多为灌溉农业，是玉米种植密度和产量潜力最大区域[9]。选择新疆维吾尔族自治区的乌兰乌苏（44°26′N，84°40′E，478.7m）、哈密（42°49′N，93°31′E，737.2m）、库尔勒（41°45′N，86°08′E，931.5m）和喀什（39°29′N，75°45′E，1385.6m）为典型站点，分析气候变化背景下当地在品种更替和不更替条件下春玉米和夏玉米生育期、产量及热量资源利用效率的可能变化，其中乌兰乌苏站和哈密站种植春玉米，库尔勒站和喀什站种植夏玉米。

1.2 数据来源

气象数据包括1981-2019年4 个代表性站点的逐日气象资料。主要有平均气温、最高气温和最低气温、日照时数和降水量等。作物数据选取4 个研究站点的农业气象试验站资料，包括玉米的品种、关键生育期、产量及田间管理措施（水肥施用量及其日期），以上数据来自于新疆气象局。土壤数据来自中国科学院南京土壤研究所，包括容重、pH、全氮含量、有机质含量、田间持水量和凋萎系数等。

1.3 研究方法

1.3.1 APSIM 模型有效性评价

采用农业生产系统模型（Agricultural Production System SIMulator，APSIM）模拟玉米的生长发育及产量形成。该模型由澳大利亚联邦科学工业组织和昆士兰州政府联合开发，可用于模拟农业系统中各主要组分的机理过程，该模型在中国应用广泛[27]。根据气候、土壤以及玉米生育期、产量和栽培管理措施等资料，对APSIM-Maize 模型进行调参和验证，选择国际上常用的决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）、平均绝对误差（MAE）和D 指标[28]，对模型在研究站点的适用性进行评价，各指标计算式为

式中，Si为模拟值，Oi为实测值，O 为实测平均值，n 为样本数。R2和D 值反应模拟值与实测值的一致性，数值越接近1 模拟效果越好；RMSE、NRMSE 和MAE 反应模拟值与实测值的误差大小，数值越小说明模拟结果越好。

1.3.2 模型模拟情景设置

利用调参验证后的模型，模拟4 个典型站点的玉米光温潜在产量。在模型中设置水肥不受限制，即充分灌溉和施肥。播期为该站点实际播期的历年平均值，其中乌兰乌苏站春玉米为5月9日，哈密站为5月16日；库尔勒站夏玉米为7月11日，喀什为7月2日。设置品种更替（各典型站点采用各年代实际种植的品种）和品种不更替（各典型站点采用1980S 种植品种）两种情景。土壤数据采用该地区实际土壤数据。

1.3.3 农业光热气候资源

采用累积有效热时数（Accumulated effective thermal time，AcTT）、累积有效辐射（Accumulated photosynthesis active radiation，AcPAR）表征玉米生长季光热气候资源。

使用APSIM-Maize 模型中热时数计算玉米生长季逐日有效热时数（TTi），继而通过逐日累加计算得到累计有效热时数（AcTT），相关计算式为[29]

式中，AcTT 为累计有效热时数（d·℃ ），TTi为第i 天的有效热时数（ d·℃ ），t 为日平均温度（℃），为日最高温度与最低温度的平均值，n 为生育期长度（d）。

采用FAO 推荐的Penman-Monteith 公式，利用实测日照时数计算逐日辐射[30]，进而计算辐射中能被光合作用直接利用的部分（400-700nm）即光合有效辐射，其计算式为[29]

式中，AcPAR 为累计光合有效辐射（MJ·m-2），PARi为第i 天的光合有效辐射（MJ ·m-2），Rsi为第i 天的短波辐射（MJ ·m-2），n 为生育期长度（d）。

采用线性回归方程的回归系数来表征各要素变化趋势。计算式为

式中，Xt为样本，t 为时间（年份），a 为回归系数，b 为截距，a 和b 通过最小二乘法进行估计。以10a 作为该要素的气候倾向率或变化率。

1.3.4 资源利用效率计算

热量资源利用效率（HUE）计算式为[31]

式中，HUE 为热量资源利用效率[kg ·hm-2(℃· d)-1]，Y 为单位面积玉米产量（kg ·hm-2），AcTT为玉米生长季内累计有效热时数。

辐射资源利用效率（RUE）计算式为[32]

式中，RUE 为辐射利用率（g· MJ-1）；Y 为单位面积玉米产量（kg ·hm-2），由APSIM-Maize 模型输出；AcPAR 为玉米生长季内累计太阳光合有效辐射（MJ ·m-2）。

2 结果与分析

2.1 玉米生长季光热气候资源及品种更替变化

2.1.1 光热气候资源变化

由图1 和表1 可见，乌兰乌苏和哈密站春玉米生长季内热量和辐射资源变化不显著，但营养生长和生殖生长阶段有所不同。两个站点表现为营养生长阶段内有效热时数和有效辐射大致呈减少趋势，特别是乌兰乌苏站有效热时数减少趋势显著，为-45.77℃·d·10a-1（P＜0.01）。而生殖生长阶段增加趋势显著，其中有效热时数乌兰乌苏站增加趋势为47.68℃·d·10a-1（P＜0.01），哈密为72.00℃·d·10a-1（P＜0.01），有效辐射哈密增加趋势为48.04℃·d·10a-1（P＜0.01）。夏玉米生长季、营养阶段和生殖阶段的热量与辐射资源大都呈增加趋势，且库尔勒站的增加趋势最为显著，全生长季和营养生长阶段的有效热时数增加趋势分别为67.22℃·d·10a-1（P＜0.01）和49.33℃·d·10a-1（P＜0.01），有效辐射增加趋势分别为36.06MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）和 28.27MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）。除部分站点变化趋势不显著外，总体而言，玉米生长季内热量资源和辐射资源呈增加趋势，其中春玉米以生殖生长阶段增加为主，而夏玉米以营养生长阶段增加为主。

图1 1981-2019年历年玉米生长季、营养生长和生殖生长阶段农业光热资源（1 为有效热时数，2 为有效辐射）变化过程Fig.1 Variation course of the agro-climatic resources (1-AcTT, 2-AcPAR) of maize during WGP, VGP and RGP in study sites

表1 1981-2019年玉米生长季、营养生长和生殖生长阶段农业光热气候资源变化倾向率Table 1 Trend rate of agro-climatic resources during VGP and RGP of maize in study sites

2.1.2 玉米品种更替情况

由表2 可见，春玉米SC-704 品种在1981-2018年各年代内均为主栽品种，在2010年之前，其种植站次占比均过半，特别是在20 世纪90年代（1990S）达到了100%。而21 世纪10年代（2010S），随着Zhengdan958 的推广，其占比有所降低，但仍为占比最大品种。夏玉米品种更替较春玉米更为频繁，在1980S 和1990S（20 世纪80 和90年代），Qilike 均为主栽品种，但其占比随年代推进而降低。2000S 和2010S（21 世纪），Xinyu9 为主栽品种，且占比较大。

表2 玉米各年代品种占比及更替特征Table 2 The proportion and replacement of maize cultivars in different decade

2.2 气候变化背景下品种更替对玉米生长发育和产量的影响

2.2.1 玉米品种参数的调试和验证

为分析品种更替对气候变化的适应，将1981-2019年分为1980年代（1980S），1990年代（1990S），2000年代（2000S）和2010年代（2010S）4 个年代。以种植年份较长的主栽玉米品种作为该年代的代表性品种，结果见表3。为了体现每个年代的品种特色，即使是相同品种，在不同年代亦采用不同序号表示，且模型中的遗传参数也随年代有差异。

利用APSIM-Maize 模型，以表2 中各农业气象试验站实测资料数据为基础，采用试错法，对各年代的代表性玉米品种参数进行调参和验证。玉米生育期、产量的实测值与模拟值的比较结果如图2 和表4 所示，其中决定系数（R2）均在0.7 以上，D 指标均在0.85 以上；归一化均方根误差（NRMSE）在评价生育期时均在4.5%以内，产量均在13%以内；平均绝对误差（MAE）在评价出苗-开花期天数时均在2d 以内，出苗-成熟期天数均在3d 以内，产量MAE 均在600kg·hm-2。由此可见，APSIM-Maize 模型在研究区域具有较好的适用性，可用于玉米生育期和产量模拟。

表3 玉米各年代调参和验证所用品种及数据来源Table 3 Maize varieties and data sources for APSIM calibration and validation

图2 玉米（1 为春玉米，2 为夏玉米）出苗-开花期、出苗-成熟期和产量的模拟值与实测值的验证结果Fig.2 Validation results between simulated and observed value for days from emergence to flowering, days from emergence to maturity and yield of maize (1-spring maize,2-summer maize) at study sites

表4 APSIM-Maize 模型验证结果评价Table 4 Validation of APSIM-Maize model for spring maize and summer maize

2.2.2 品种更替对玉米生长发育的影响

利用调参验证后的APSIM-Maize 模型，分别模拟品种不更替和品种更替条件下玉米生长发育过程，得到各站点历年玉米营养生长阶段（VGP）、生殖生长阶段（RGP）和生长季（WGP）天数的线性变化倾向率，结果如表5。由表可见，研究时段内，若玉米品种不更替即一直沿用20 世纪80年代的品种，气候变化背景下，哈密站春玉米和喀什站夏玉米营养生长阶段和生殖生长阶段期均呈极显著缩短趋势，全生长季也呈极显著缩短趋势；乌兰乌苏春玉米生殖阶段以及全生长季也呈显著缩短趋势，其它站玉米生育期的变化趋势不显著。

若玉米品种在各年代更替，则各站点玉米生育阶段也随之改变。哈密站春玉米和喀什站夏玉米营养生长、生殖生长阶段以及全生长季缩短的趋势得到缓解；喀什站夏玉米全生长季缩短趋势明显减缓，由原来的3.8d·10a-1减缓为1.8d·10a-1，哈密站和乌兰乌苏站春玉米全生长季甚至出现极显著延长趋势，库尔勒站夏玉米全生长季无明显变化趋势。开花-成熟期即生殖生长阶段的长度及该阶段在全生育期所占比例，直接影响干物质向籽粒转移和最终产量，经统计（图3），品种更替条件下乌兰乌苏和哈密站春玉米生殖生长阶段在全生长季的占比均明显增加，夏玉米的变化趋势不显著。

可见，在气候变化背景下，品种更替使典型站点玉米生育期的变化趋势发生了明显有利的改变。春玉米表现为生育期延长，且生殖阶段占比提高，而夏玉米表现为生育期缩短趋势的减小。

表5 品种不更替和更替条件下玉米营养生长、生殖生长阶段和全生长季天数变化趋势(d·10a-1)Table 5 Trend rate of days during VGP, RGP, and WGP under the scenarios of varieties replacement or not(d·10y-1)

图3 各站品种更替/不更替情景下模拟的玉米生殖生长阶段占生长季的比例Fig.3 The proportion of simulated maize RGP in WGP under the scenarios of variety replacement or not

2.2.3 品种更替对玉米产量的影响

由图4 和表6 可见，研究期内，假如玉米品种不更替即一直沿用20 世纪80年代的品种，在气候变化背景下，哈密站的春玉米产量会显著下降，下降速率达938.28kg·hm-2·10a-1（P＜0.01）；其它站点不管是春玉米还是夏玉米产量变化趋势均不显著。如果各站点品种随气候变化发生更替，则各站点玉米产量的变化趋势也会随之改变，具体表现为：哈密站春玉米产量下降趋势被遏制，变为不显著；其它原来变化趋势不显著站点的产量会发生不同程度的改变，乌兰乌苏站的春玉米和喀什站夏玉米产量均极显著增加，变化趋势分别可达672.42kg·hm-2·10a-1和587.34kg·hm-2·10a-1；仅库尔勒站夏玉米产量仍然无明显的变化趋势。可见，总体上看，在气候变化背景下，品种更替给典型站点玉米产量的变化趋势带来了明显有利的改变。

图4 各站品种更替/不更替情景下模拟的玉米产量逐年变化过程Fig.4 Variation course of the simulated maize yield under the scenarios of variety replacement or not

表6 品种更替/不更替情景下玉米产量变化倾向率Table 6 Trend rate of simulated maize yield under the scenarios of varieties replacement or not

2.3 气候变化背景下品种更替对光热资源利用效率的影响

2.3.1 热量利用效率

基于玉米生长季有效积温以及逐年产量，利用式（11）得到玉米热量利用效率，如图5 和表7 所示。由图表可见，若玉米品种不更替即一直沿用20 世纪80年代的品种，气候变化背景下，仅哈密站春玉米热量资源利用效率呈极显著降低（P＜0.01），平均为0.53kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1，其它站点虽有减少，但变化趋势均不显著。若各站点品种随年代更替，乌兰乌苏站春玉米和喀什站夏玉米的热量利用效率则均呈极显著增加趋势（P＜0.01），分别为0.18kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1和0.33kg·hm-2·(℃· d)-1·10a-1。可见品种更替显著提高了玉米热量利用效率。其中乌兰乌苏站从4.32kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.53kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.96%，哈密站从4.36kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.79kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了9.92%；库尔勒站从5.10kg·hm-2·(℃·d)-1提高到5.28kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了3.53%，喀什站从6.68kg·hm-2·(℃·d)-1提高到7.00kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.76%。表明气候变化背景下，品种更替对玉米热量利用效率有显著的提升。

图5 1981-2019年品种更替/不更替条件下热量利用效率变化Fig.5 Variation course in the heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表7 品种更替/不更替条件下玉米热量利用效率变化趋势Table 7 Trend of heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

2.3.2 辐射利用效率

利用式（12）得到辐射利用率变化如图6 和表8。由图表可见，若玉米品种不更替即一直沿用20 世纪80年代的品种，气候变化背景下仅哈密站春玉米辐射利用效率呈极显著减少的趋势，平均为0.064g·MJ-1·10a-1（P＜0.01）。与热量利用效率不同的是，库尔勒和喀什站夏玉米在品种不更替情形下，辐射利用率表现为增加，但变化趋势不显著。品种更替后，哈密站春玉米辐射利用率仍呈极显著减少趋势，平均为0.016g·MJ-1·10a-1（P＜0.01），较品种更替之前，减少了0.048g·MJ-1·10a-1。其它站点在品种更替提条件下，辐射利用率均表现为增加，但变化趋势不显著。比较其平均值，乌兰乌苏站从0.63g·MJ-1提高到0.68g·MJ-1，提高了7.86%，哈密站从0.62g·MJ-1提高到0.67g·MJ-1，提高了8.60%；库尔勒站从0.82g·MJ-1提高到0.85g·MJ-1，提高了4.35%，喀什站从0.92g·MJ-1提高到0.97g·MJ-1，提高了4.90%。可见，在气候变化背景下，品种更替对玉米的热量利用效率有显著的提升。综合热量利用效率的变化可知，品种更替对玉米高效利用生长季的农业气候资源起了积极作用。

图6 1981-2019年品种更替/品种不更替条件下辐射利用率变化Fig.6 Variation course in the radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表8 品种更替/不更替情景下玉米辐射利用率变化率Table 8 Trend of radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

3 讨论与结论

3.1 讨论

全球气候变化背景下，新疆地区光温气候资源发生了显著变化。前人研究发现，北疆大部分地区≥10℃积温呈增加趋势[33]，但全年辐射呈减少趋势[34]。本研究中玉米生长季内热量资源变化与前人研究结果相似，但辐射资源总体呈增加趋势，主要原因是新疆地区辐射主要是在冬季减少[34]，而本文研究时段是玉米的生长季以及不同生育阶段。

品种更替是作物适应气候变化重要途径之一。前人研究表明，品种更替延长玉米生育期，进而提高产量[35]，同时玉米气候资源利用率也得到提高[36]。为进一步探究品种更替对新疆玉米光温利用效率的影响，本研究结合APSIM 模型，分析了1981-2019年新疆4 个典型站点玉米生育阶段及光温潜在产量演变，发现品种更替延长了玉米的生育期，但春玉米和夏玉米有所差异，品种更替使春玉米生育期由缩短变为延长，而夏玉米虽仍为缩短趋势，但趋势减小。这可能是由于品种更替未能完全抵消气候变化对夏玉米的负面影响。前人研究表明，1960-2005年新疆春、夏和秋季分别增温0.74℃、0.94℃和1.97℃[37]，温度增加导致玉米生长发育加快[38]，而夏秋季节的增温显著高于春季，导致夏玉米受到增温效应大于春玉米，从而气候变化背景下生育期缩短程度较春玉米更大。分析玉米生殖生长阶段占全生育期比例发现，品种更替显著提高玉米生殖生长阶段占全生育期比例。而生殖生长阶段是物质向籽粒中转移的关键时期[39]，该时期的延长，有利于玉米籽粒干物质积累和产量提升[38]。这与前人研究玉米的品种更替，生殖生长比例增加结果较一致[35]。本研究中，虽然夏玉米的生育期在品种更替之后仍然表现为缩短的趋势，但其产量却呈增加趋势。这可能是由于品种更替，玉米光合效率有所提高[40]，使干物质积累增加。而品种更替条件下春玉米和夏玉米热量和辐射利用效率均有所提高，这与其产量提高密切相关。

本研究也存在一些不足，需今后进一步深入。首先，农业气象试验站玉米产量低于当地高产试验，利用农业气象试验站数据进行调参验证后的APSIM模型，模拟的玉米光温潜在产量偏低，导致其光热资源利用效率偏低。其次，仅对玉米发育期和产量进行调参，而未考虑生物量和叶面积动态变化，可能会导致模拟结果有一定偏差。同时，在考虑气候要素变化影响时，没有考虑CO2的肥效作用，这也是产量模拟值偏低原因之一。最后，新疆气候存在区域差异性，而本研究仅选择4 个典型站点，今后需选取更多站点代表不同区域气候，系统研究气候变化对新疆玉米影响。

3.2 结论

（1）调参验证后的APSIM-Maize 模型在新疆地区有较好的适用性，在生育期和产量模拟方面误差均在允许范围内。

（2）整体来说，1981-2019年新疆玉米生长季内热量资源和辐射资源呈增加趋势，其中春玉米以生殖生长阶段增加为主，夏玉米以营养生长阶段的增加为主。

（3）气候变化导致春玉米和夏玉米生育期缩短、产量降低。品种更替条件下玉米生育期的变化趋势发生了明显有利的改变，其中春玉米表现为生育期延长，而夏玉米表现为缩短趋势的减小。同时，品种更替显著增加了春玉米花后生育阶段的比例，夏玉米变化趋势不显著。

（4）品种更替在提高玉米产量同时，热量利用效率和辐射利用率均得到提高。乌兰乌苏站和哈密站春玉米热量利用效率分别提高4.96%和9.92%，库尔勒站和喀什站夏玉米分别提高3.53%和4.76%；乌兰乌苏站和哈密站春玉米辐射利用效率分别提高7.86%和8.60%，库尔勒站和喀什站夏玉米分别提高4.35%和4.90%。