基于气候适宜度和风险评价的湖北省春玉米适播期分析

肖玮钰 张丽文 刘志雄 秦鹏程

摘要：为应对气候变化，充分利用当地气候资源，针对玉米生长发育特点确定适宜的播种日期，为湖北省春玉米高产稳产提供理论依据和科学参考，利用湖北省76个气象台站1981—2010年逐日气象数据和1990—2010年春玉米观测站生育期观测数据，构建多年平均气象要素栅格数据库并确定当地初播期。以7 d为步长，基于气象要素栅格数据对全省春玉米5个不同播期的气候适宜度进行空间计算，并统计各台站不同播种期春玉米主要气象灾害发生频率，确定春玉米不同播期遭受气象灾害综合风险。综合考虑春玉米气候适宜度和气象灾害风险评价结果，采用加权平均多指标法计算综合指数，选取综合指数最高的作为适宜播期。结果表明，江汉平原中部及北部、鄂东南大部、鄂东北东部局部地区最适宜的播期为3月5—10日。鄂东北的孝感市大部、黄冈市部分地区、江汉平原的荆门市东北部、鄂西南的宜都市、鄂东南南部局部地区最适宜的播期为3月11—20日。最适宜的播期在3月下旬的地區主要分布在江汉平原的荆门市西北部和荆州市的南部、鄂西北的襄阳市南部等地。鄂西地区及鄂东北的随州市最适宜播期主要集中在4月上中旬。最适宜播期在4月下旬及5月上旬的地区比较少，零散分布于鄂西地区。全省大部春玉米适宜播期主要集中在3月上旬至4月中旬，极少部分地区在4月下旬及5月上旬播种，结果与全省各地实际播期趋于一致。

关键词：春玉米;适宜度;适播期;风险评价;气象灾害;空间分布

中图分类号： S165+.23  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）17-0085-10

玉米是C4作物，光合效率高，生产潜力大，是世界上用途最广泛的粮食作物之一，也是当今世界上单位面积产量最高的农作物[1-2]。据统计资料显示，2016年我国玉米种植面积和总产量分别占全国粮食作物的32.5%和35.6%，2015年湖北省玉米种植面积为68.79万hm2，总产量为332.9万t，均突破历史最高值，在全国玉米生产中占有重要地位。湖北省地处长江中游，光温水资源丰富，有80%的土地适宜种植玉米[3-4]，春、夏、秋玉米均有种植。目前，湖北省玉米种植以春玉米为主，其种植面积约占全省玉米种植面积的70%[5]。但随着全球气候的变化，长江中游地区已出现气温升高、生长季节延长、旱涝频繁等趋势[6-7]，这对湖北省农业结构的适应性调整提出了严峻的挑战[4]，再加上湖北省春玉米种植模式传统低效、光热资源利用率不高，高温、干旱、连阴雨等灾害频发，导致湖北省春玉米单位面积产量较低。因此，应根据气候变化，针对玉米生长发育特点确定适宜播种日期（以下简称适播期），充分利用当地光温水资源，在提高作物产量的同时，降低生育期内灾害发生风险[8]，这对于趋利避害及合理利用气候资源，确保玉米高产稳产具有重要的理论和现实意义。国内外学者针对适播期的研究主要通过分期播种试验、作物模型模拟以及农作物指标法[9-10]等方法开展。李文科等通过田间试验研究发现，随着播种日期的延迟，春玉米生育期缩短、产量先升高后降低[11];张谋草等通过分期播种，分别对玉米、花生、强筋小麦最适宜播种期进行了研究[12-14];谈美秀等通过统计模型和APSIM-Maize过程模型得出，河南省夏玉米最适宜播种期为5月30日至6月13日[15];薛昌颖等利用作物模型ORYZA2000对北京地区旱稻适宜播种期进行了研究[10];严定春等运用知识工程原理和数学建模技术，分别建立了水稻、冬小麦和玉米适宜播期动态知识模型[16-18];崔彦生等用积温指标法对河北省中南部冬小麦适宜播期进行了分析[19]。田间试验法耗时费力，作物模型模拟和农作物指标法对作物生长期间灾害的响应不足，能同时从气候资源与气象灾害风险2个角度进行的适播期研究还比较缺乏。为定量分析湖北省热量、降水、光照资源对春玉米生长发育需求的满足程度，引入春玉米对温度、降水、日照的反应函数，基于前人研究的适宜度模型[20-22]，以7 d为步长计算从初播期到最晚播期各地春玉米气候适宜度，同时统计春玉米主要生育期气象灾害风险，结合气候适宜度及气象灾害风险评价结果，建立综合评价模型，得到全省春玉米最适宜播种期，以期为湖北省春玉米的高产稳产提供理论依据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

1.1.1 气象数据及生育期数据 研究所用气象数据、生育期数据来自湖北省气象局保障中心，包括76个国家站1981—2010年逐日平均气温、降水量、日照时数观测数据，1990—2010年春玉米观测站生育期观测数据。

1.1.2 地理信息资料 数字高程模型（DEM）所用数据为1 km×1 km格网的栅格数据，来源于中国科学院计算机网格信息中心科学数据中心。县级、省级行政区划数据来源于国家基础地理信息系统矢量数据集。

1.2 研究方法

1.2.1 春玉米适宜度模型构建

1.2.1.1 温度适宜度模型 玉米是喜温作物，在不同的生长发育期都需要较高的温度，一般在10 ℃下可正常发芽，出苗到开花期适宜温度为20～27 ℃，开花授粉期若温度高于32 ℃，花粉易干枯失去活力，高于 35 ℃ 雄花不开花，籽粒灌浆期适宜温度为22～24 ℃，低于16 ℃则影响营养物质的转运和积累[23]。因此，根据马树庆的研究[24]，结合湖北省春玉米种植实际状况，构建温度适宜度模型，具体为

式中：F（ti）为春玉米第i个发育时段的温度适宜度;ti为第i个发育时段的平均气温;tli、thi、t0i分别为春玉米第i个发育时段所需的平均最低气温、平均最高气温和平均适宜气温（表1）。

1.2.1.2 降水适宜度模型 水分是决定玉米生命活动的原生质重要成分。有了水，玉米叶片才能进行光合作用，制造各种有机物质;根系才能从土壤中吸收氮、磷、钾等矿质元素[23]。春玉米全生育期需水量为350～450 mm[25]，不同生育期对水分的需求不同，一般在抽雄前10 d至抽雄后20 d为需水临界期，水分不足将不能正常抽雄、散粉、吐丝[23]。根据文献[22]，构建降水适宜度模型，具体为

式中：F（ri）为春玉米第i个发育时段降水适宜度;ri为春玉米第i个发育时段的总降水量;ETci为春玉米第i个发育时段内的需水量。ETci由下式计算：

式中：kci为春玉米第i个发育时段作物系数，采用联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的单作物系数法[26]计算（取不同播期平均值）（表2）;ET0i为春玉米第i个发育时段参考作物蒸散量，用FAO推荐的P-M公式计算。

1.2.1.3 日照适宜度模型 玉米属短日照、高光效、C4作物，在短日照条件下发育较快，长日照条件下发育缓慢。玉米不同生育时期对光照时数的要求有一定差异，播种前到乳熟期为8～10 h，乳熟期至完熟期一般要大于9 h[23]，光照不足将导致玉米叶片光合作用减弱，生长缓慢。前人研究认为，日照时数达到可照时数的70%为临界点，日照时数在临界点以上时，作物对光照的反应达到适宜状态[27-28]。因此，構建的日照适宜度模型为

式中：F（Si）为春玉米第i个发育时段日照时数适宜度，以日照百分率达到70%为临界点;Si为春玉米第i个发育时段实际日照百分率;Si′为春玉米第i个发育时段总日照时数;S0′为春玉米第i个发育时段总可照时数;S0i为70%;b为经验系数。b的取值见表3。

1.2.1.4 综合适宜度模型 参考文献[28]得到春玉米全生育期的温度、降水、日照、综合气候适宜度指数模型，即

式中：bti、bri、bsi分别为春玉米第i个发育时段的温度、降水、日照适宜度的权重系数，通过层次分析法及专家打分法计算春玉米各个生育期温度、降水、日照适宜度权重系数（表4）;Fi（t）、Fi（r）、Fi（s）为春玉米各个发育时段的温度、降水、日照适宜度;F（t）、F（r）、F（s）、S分别为春玉米全生育期温度、降水、日照、综合气候适宜度。

1.2.2 春玉米生育期内各气象灾害指标定义

1.2.2.1 春玉米播种出苗期低温连阴雨评价指标 春季连阴雨是湖北省常见的气象灾害之一，连阴雨过程往往伴随着低温、日照过少、空气湿度过大甚至涝渍灾害的发生，对于喜光、喜温的玉米生长发育十分不利[29]，尤其是播种出苗期的春玉米耐涝性最弱，此时出现低温阴雨天气易造成玉米烂种、出苗率低甚至死苗现象[25]。根据湖北省农业生产过程的特点，并参考以往研究[30-31]中的指标，将低温连阴雨定义为春玉米播种出苗期间出现连续3 d以上日降水量p≥0.1 mm的降水过程且至少 3 d 日平均气温 t日≤10 ℃。

1.2.2.2 春玉米拔节-抽雄期干旱评价指标 玉米抽雄前10 d至抽雄后20 d是其对水分最为敏感的时期，如果该时期田间持水量不足就会造成“卡脖子旱”，不能正常抽雄、散粉、吐丝，进而造成严重减产[23]。本研究采用水分亏缺指数评价春玉米拔 节- 抽雄期干旱状况，计算方法详见文献[32]。

1.2.2.3 春玉米抽雄期高温热害评价指标 玉米生殖生长期内的高温天气，易影响淀粉酶活性，从而不利于干物质的运输与积累，严重时会明显影响产量。本研究将出现连续5 d日平均气温 t日≥28 ℃ 或者日最高气温t日max≥35 ℃作为湖北省春玉米抽雄开花期高温热害评价指标[33]。

1.2.3 春玉米灾害指标统计方法 本研究数据属于大样本（样本量≥30）时序数据，因此可采用历史发生频率反映灾害风险程度。某灾害发生频率等于某灾害发生的年次数与统计资料的总年数之比，公式如下：

式中：P为灾害发生频率;n为统计时段某灾害出现的总年数;N为统计时段年数。

1.2.4 春玉米主要生育期综合风险指数 利用专家打分法和层次分析法确定权重系数，将春玉米播种出苗期低温连阴雨发生频率、拔节期-抽雄开花期干旱发生频率和抽雄开花期高温热害发生频率加权计算春玉米生育期内主要气象灾害综合风险指数，公式如下：

式中：M春为春玉米生育期内主要气象灾害综合风险指数;P春lyy为春玉米播种出苗期低温连阴雨发生频率;P春gw为春玉米抽雄开花期高温热害发生频率;P春gh为春玉米拔节期-抽雄开花期干旱发生频率。

1.2.5 春玉米适播期确定方法 （1）选取1 km×1 km 格网的栅格数据，采用ArcGIS软件中的克里金插值法及反距离加权插值法，构建多年平均3—10月日平均气温、日降水量、日照时数、日蒸散量栅格数据库。

（2）春玉米的生物学起点温度是10 ℃，当温度达到10 ℃时即可顺利出苗;若温度<10 ℃，则可能出现烂种或死苗的现象。因此，以连续5 d平均日均温最小的日期为初始播期探测的起始日期，逐日计算5 d的日平均温度，选择>10 ℃的最早日期为当地初播期。根据湖北省春玉米多以一年两熟或以上的种植制度，确定以7 d为步长，用交互式数据语言（IDL）编程基于日气象数据栅格数据库对从初播期到最晚播期共5个播期的各地春玉米气候适宜度进行空间计算，并同时统计各台站观测到的不同播种期春玉米拔节期-抽雄开花期干旱、抽雄开花期高温热害频率，确定春玉米不同播期遭受气象灾害风险，并用ArcGIS克里金插值法实现空间化。综合湖北省春玉米历年生育期实际情况并参考高广金的研究成果[23]，对春玉米生育阶段长度的划分如表5所示。

（3）分别将春玉米气候适宜度和气象灾害风险评价结果，与春玉米相对气象产量作相关分析，并将相关系数作为权重系数，建立综合指数，选取综合指数最大值对应的播期作为适宜播期。综合指数公式如下：

式中：A春为春玉米适播期评价综合指数;S春为春玉米综合适宜度;M春为春玉米生育期内主要气象灾害综合风险指数。选取综合指数最大值对应的播期为该地区春玉米的适宜播期，同样用ArcGIS克里金插值法实现空间化。

2 结果分析

2.1 春玉米不同播期适宜度空间分布特征

2.1.1 温度适宜度空间变化 图1给出了湖北省春玉米不同播期温度适宜度空间变化，可以看出，第1个播期全省春玉米温度适宜度达到0.9以上的范围最少，也就是温度最适宜区的范围最少，只分布在鄂西北的十堰市和襄阳市部分区域、鄂西南宜昌市西部部分地区、恩施土家族苗族自治州（以下简称恩施州）零星地区。鄂东大部温度适宜度在0.7左右，江汉平原北部和西部、鄂西大部、鄂东北部分地区在0.8左右，属于温度适宜性比较好的地区。相较第1个播期，第2个播期温度适宜度为0.9及以上的地区范围有所扩大，增加地区位于鄂西北的十堰市、襄阳市，鄂西南的宜昌市、恩施州以及鄂东北和江汉平原局部地区。第3个播期的温度最适宜地区范围较前2个播期继续扩大，鄂西大部温度适宜度为0.9及以上，同时中东部温度适宜度为0.9及以上的地区也略微增加。鄂西北的襄阳市、江汉平原的荆门市及鄂东局部温度适宜度在0.7以上的范围减少，在0.8以上的范围有所增加。第4个播期，最适宜区范围同第3个播期差不多;而温度适宜度为0.8～0.9的范围有所减少，0.7～0.8的范围有所增加。第5个播期相较第4个播期，温度适宜度为0.6～0.7的地区明显增加，扩大地区主要分布于鄂东南;温度适宜度在0.7左右的范围也有所增加，增加区域主要位于鄂西及江汉平原北部。

2.1.2 降水适宜度空间变化 从图2可以看出，在第1个播期，降水适宜度高值区出现在鄂西北大部、鄂东北的随州市西北部、江汉平原的荆门市西北部，降水适宜度为0.9及以上，说明在第1个播期，这些地区的水分条件十分适宜春玉米生长;而降水适宜度的低值区出现在鄂西南的恩施州大部、宜昌市西南部、鄂东的咸宁市大部、黄冈市和黄石市部分地区，降水适宜度均在0.6以下。第2个播期，降水适宜度高值区范围略微减小，适宜度值在0.7～0.8范围内的地区有所减少，而在0.8～0.9范围内的地区有所增加，主要位于江汉平原的荆门市天门市和潜江市、鄂西南宜昌市等地;适宜度值在0.6～0.7范围内的地区有所增加，增加区域主要位于鄂东北地区。第3个播期，全省降水适宜度高值区较前 2 个播期继续减少， 减少区域主要位于鄂西北南部、江汉平原的荆门市和鄂东北的随州市。第4个播期，降水适宜度高值区范围明显减少，减少区域主要位于十堰市的南部、襄阳市的西南部;适宜度为0.6以下、0.6～0.7和 0.7～0.8的区域都有所增加。最后一个播期，降水适宜度的高值区范围继续减少，适宜度值为0.7～0.8的区域扩大明显，增加区域主要位于鄂西北的十堰市和襄阳市、江汉平原的荆门市东部、鄂东北的随州市等地。

2.1.3 日照适宜度空间变化 从日照适宜度空间分布图（图3）可以看出，在前2个播期时，湖北全省日照适宜度均在0.7以上，最适宜区主要位于鄂西北的十堰市、鄂东北的部分地区，低值区则主要位于鄂西南的恩施州西南部、宜昌市中部和鄂西北的神农架林区局部地区，其他大部的适宜度值均为0.8～0.9。第3个播期，日照适宜度也都在0.7以上，与前2个播期相比，最适宜区范围明显扩大，扩大范围位于中东部的仙桃市、荆州市、武汉市、孝感市和黄冈市等地;适宜度值在0.7～0.8范围内的区域有所减少，减少区域位于鄂西南的宜昌市和恩施州。第4个播期日照适宜度的高值区继续扩大，扩大范围同样主要位于中东部地区，江汉平原东部、鄂东北大部、鄂东南北部适宜度值均为0.9及以上，而十堰地区为0.9及以上的范围有所减少;适宜度值在0.7～0.8范围内的区域较第3个播期有所增加，增加区域位于鄂西南的宜昌市和恩施州、鄂西北的十堰市局部地区。在第5个播期，全省日照适宜度的高值区范围达到最大，扩大区域主要位于江汉平原及鄂东北部分地区，而十堰地区的高值区范围继续减少;适宜度值在0.7～0.8范围内的区域较第4个播期仍然有所增加，增加区域位于鄂西南的恩施州西部和鄂西北的神农架林区等地。

2.1.4 综合适宜度空间变化 从图4可以看出，第1个播期，全省春玉米综合适宜度高值区位于鄂西北的十堰市，适宜度值为0.9及以上，低值区位于神农架林区和鄂西南高山地区，次低值区位于鄂西南的恩施州;其他大部适宜度值为0.7～0.9，属于比较适宜的区域。第2个播期，高值区有所增加的，增加区域位于襄阳市、随州市和荆门市;适宜度值在0.8～0.9范围内的区域也同样有所增加，增加区域主要位于江汉平原的荆州市北部和鄂西南的宜昌市;而次低值区范围有所减小;其他区域基本保持不变。第3个播期，次低值区范围继续减小，高值区范围继续增加，十堰市的高值区范围有所增加。到了第4个播期，次低值区范围仅在鄂西零星分布，而高值区范围也有所减小，其他区域变化范围不大。第5个播期，不适宜区的范围较前4个播期略微增加，增加区域主要位于鄂西的神农架林区以及恩施州和宜昌市的高海拔地區;适宜度值为0.8～0.9的区域和为0.9及以上的区域都有所减小。

2.2 春玉米气象灾害综合风险空间分析

从图5可以看出，前4个播期中，春玉米气象灾害风险的高值区都分布在鄂西北北部地区，综合风险指数为0.3～0.5，也就是灾害发生频率为30%～50%，第5个播期，高值区范围明显扩大，中东部大部及鄂西北东北部灾害发生频率均为30%～50%。5个播期中，春玉米气象灾害风险的低值区大多分布在鄂西南中西部，风险值在0.1以下，也就是发生频率在10%以内;次低值区也同样大多分布在鄂西地区，前3个播期在鄂东部分地区也有分布，风险值在0.1～0.2范围内，也就是发生频率在10%～20%范围内。对于鄂西大部和江汉平原南部来说，就气象灾害风险角度来看，在第3个播期时灾害发生频率最低;对于鄂东南大部来说，在第1个播期时灾害发生频率最低;对于江汉平原中北部及鄂东北中西部来说，前4个播期风险值都在0.2～0.3之间，仅从灾害风险角度来看，播期可选范围较广，前4个播期均可;对于鄂东北东部来说，前3个播期风险频率都在10%～20%之间。

2.3 湖北省春玉米适播期分析

从图6可以看出，湖北全省各地春玉米适宜播期主要集中在3—4月，这与全省各地实际播期大体一致。全省春玉米适播期出现最早的地区主要分布在江汉平原中部及北部、鄂东南大部、鄂东北东部局部地区，包括天门市、潜江市、仙桃市、鄂州市、荆门市南部、荆州市的西北部和东北部、咸宁市大部、黄石市大部以及黄冈市的浠水县、蕲春县、武穴市、黄梅市和武汉市的蔡甸区、江夏区、新洲区等地，最适宜的播期为3月5—10日。鄂东北的孝感市大部、黄冈市的红安县、麻城市、罗田县和英山县的部分地区、江汉平原的荆门市东北部、鄂西南的宜都市、鄂东南南部局部地区最适宜的播期在3月11—20日期间。最适宜播期在3月下旬的地区主要分布在江汉平原的荆门市西北部和荆州市的南部、鄂西北的襄阳市南部地区、鄂东北局部地区。而鄂西地区及鄂东北的随州市最适宜播期主要集中在4月上中旬，鄂西北的襄阳市北部和鄂东北的随州市大部在4月上旬，十堰市大部、襄阳市西南部、恩施州大部、宜昌市局部在4月中旬，适播期在4月下旬及5月上旬的地区比较少，零散分布于鄂西地区的神农架林区、鄂西南高山地区这些高海拔地区。

3 讨论与结论

从全省范围来看，在第3个播期温度适宜度在0.8以上的范围最大，在0.9及以上的范围也同样最大，低值区的范围随着播期的推迟逐渐扩大，在第5个播期达到最大;全省范围的降水适宜度高值区主要位于鄂西北大部及江汉平原的荆门市，高值区范围随着播期推迟呈现逐渐减少的趋势，低值区范围在第4个播期时范围最大，在第5个播期时范围最小，适宜区和次适宜区范围总体上在不同播期之间变化不大，大致呈现北高南低的分布趋势;全省日照条件对于春玉米的生长都比较适宜，最适宜区的范围随着播期的推迟越来越大，特别是中东部地区，说明在一定时间范围内，中东部大部推迟播期有利于春玉米对于光照的吸收和利用;在5个播期中，综合适宜度的高值区大部均位于鄂西北的十堰地区，低值区均位于鄂西的高海拔地区，高值区范围随着播期推迟呈总体变小的趋势，恩施州的次低值区随着播期推迟也呈总体逐渐减小的趋势，说明从气候资源利用的角度来看，十堰地区春玉米较早播种更有利于其后期生长发育，而恩施地区春玉米推迟播种更有利于其后期生长发育。

前4个播期春玉米气象灾害风险的高值区都分布在鄂西北北部地区，第5个播期高值区范围明显扩大，在5个播期中，春玉米气象灾害风险的低值区大多分布在鄂西南中西部，次低值区也同样大多分布在鄂西地区。对于鄂西大部和江汉平原南部来说，就气象灾害风险角度来看，在第3个播期时灾害发生频率最低;对于鄂东南大部来说，在第1个播期时灾害发生频率最低;对于江汉平原中北部及鄂东北中西部来说，前4个播期风险值都在0.2～0.3之间，仅从灾害风险角度来看，播期可选范围较广，前4个播期均可。对于鄂东北东部来说，前3个播期风险频率都在10%～20%之间。

全省各地春玉米适宜播期主要集中在3—4月，这与全省各地实际播期趋于一致。全省春玉米适播期出现最早的地区主要分布在江汉平原中部及北部、鄂东南大部、鄂东北东部局部地区，最适宜的播期在3月5—10日;鄂东北的孝感市大部、黄冈市的红安县、麻城市、罗田县和英山县的部分地区、江汉平原的荆门市东北部、鄂西南的宜都市、鄂东南南部局部地区最适宜的播期在3月11—20日。最适宜的播期在3月下旬的地区主要集中在江汉平原的荆门市西北部和荆州市的南部、鄂西北的襄阳市南部地区、鄂东北局部地区。而鄂西地区及鄂东北的随州市最适宜播期主要集中在4月上中旬，适播期在4月下旬及5月上旬的地区比较少，零散分布于鄂西地区。

本研究从气候资源和气象灾害风险2个角度出发，分5个不同播期对湖北省春玉米最适宜播期进行了空间分析，结果相对比较客观、合理，对日降水量这一气象要素的插值精度有待提高，不能表达小地形起伏引起的气候条件空间变异特征，今后将作进一步优化。在气象风险评估中仅通过灾害发生频率进行评估不够全面，在今后的研究中还应综合考虑灾体脆弱性、致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和抗灾能力等，使结果更加全面、客观。同时本研究仅考虑一种熟制和品种因素对播期的影响，后期还应对多种熟制、品种进行分析研究。

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