气候变化背景下四川省玉米生育期农业气候资源变化趋势

张玉芳，吴冰洁，郭 斌

(1. 中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；2. 四川省农业气象中心，四川 成都 610072; 3. 雅安市气象局，四川 雅安 625000；4. 阿坝州气象局，四川 阿坝 624000)

【研究意义】四川是中国13个粮食主产省之一。玉米是四川省重要的粮食作物，在农业生产中占有重要的地位，2017年四川省玉米播种面积为139.9万hm2，占全省粮食播种面积22 %，玉米总产量793.2万t，占全省粮食产量23 %[1]。农业是对气候变化最敏感的领域之一，且研究表明：生态环境和气象条件、玉米品种与种子是当前继栽培管理技术之后影响中国玉米产量的第二和三大类因素[2]，故研究玉米农业气候资源对粮食安全和生产决策具有重要的指导意义。在气候变化的背景下，四川气候与农业气候资源已发生了明显变化[3-4]。西南地区总辐射显著降低，温度日较差减小[5]。通过对西南区域春玉米生长季的气候条件研究表明，1961-2010年整个生长阶段平均温度上升0.55 ℃[6]。2004-2007年从四川东北部连续4年遭受4次洪涝灾害和一次特大旱灾，2009-2012年四川部分区域已经连续4年发生严重干旱[7-8]。四川盆地玉米在拔节-乳熟期发生干旱频率较高，且发生面积最广[9]。【前人研究进展】我国学者对气候变化背景下区域气候资源演变特征做了大量研究工作，其中纪瑞鹏等[10]利用应用线性气候倾向率分析了辽宁地区全年和四季光热水等主要农业气候资源；刘志娟等[11]分析了东北三省全年及生长期内的温、光、水5个气象要素农业气候资源变化特征；李正国等[12]应用气候倾向率分析气候变化背景下东北三省主要作物类型典型物候期的变化趋势。但针对具体作物且分生育期分析其农业气候资源变化特征的相关研究较少。为此，【本研究切入点】本文利用四川省124个气象站1961-2017年逐日气象观测数据，同时结合四川省玉米的生育期资料，分析四川省玉米全生育期和分生育期的平均气温、气温日较差、总辐射量、参考作物蒸散量、缺水率5个要素的空间分布特征，研究四川省玉米生育期农业资源的时空规律。【拟解决的关键问题】旨在为四川省玉米生产趋利避害、合理利用当地农业气候资源、为相关部门在玉米种植等方面提供科学参考意见。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象资料来源于四川省气象局，主要包括四川省盆地、盆周山区及攀西农区1961-2017年共计124个气象站逐日平均温度、最高温度、最低温度、降水量、日照时数等。玉米生育期数据源于四川省盆地、盆周山区及攀西农区1981-2017年15个玉米农业气象观测站点的观测资料。

1.2 研究区域

四川省玉米主要种植在盆地、盆周山区及攀西农区，本文根据种植区域地理地貌类型和形成的现状，将其划分为7个玉米种植区及1个非种植区(图1)。结合大田生产调查资料和农业气象观测站的观测报表，得出各种植区玉米全生育期及不同生育阶段的起止时间(表1)。

图1 四川省玉米种植分区Fig.1 Maize planting zoning of Sichuan province

表1 四川省7大玉米种植区域玉米不同生育阶段的时间

1.3 研究方法

1.3.1 有效降水量 参考Smith M. CROPWAT[13-14]推荐的方法：

式中，Re为有效降水量(mm/d);R为总降水量(mm/d)。

1.3.2 需水量W=KcET0

W是玉米需水量[15](mm/d)；Kc是利用文献[16]中提及的方法进行修正后的值，ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith方法[17]。

1.3.3 缺水率

式中，Z为缺水率( %)，W为需水量(mm/d)，Re为有效降水量(mm)[18]。

1.3.4 总辐射量 本文采用Angstron方程由逐日日照时数推算总辐射量，具体计算公式见参考文献[19]。

1.3.5 气候倾向率 参考《气候变化背景下四川省气候资源变化趋势分析》[20]一文中的详细说明。

2 结果与分析

2.1 生育期热量资源的时空分布

2.1.1 平均温度 1961-2017年，四川省农区玉米全生育期区域内平均值为20.9 ℃，值相对高的区域集中在盆北及盆西部分区域。近50年来玉米全生育期平均温度的区域变化趋势平均值0.07 ℃/10a；盆北及盆南局部区域全生育期平均温度呈下降趋势，其余地区均呈升高的趋势。从图2-b～d可以看出，玉米各生育阶段的平均温度不同，其中乳熟-成熟平均温度最大，播种-拔节最小。

图2 1961-2017年玉米生育期平均温度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of maize average temperature during growth period from 1961 to 2017

近50年来玉米播种-拔节平均温度气候倾向率区域内平均值为0.08 ℃/10a，整体呈升高趋势，负值主要出现在攀西部分区域；1961-2017年研究区域内各生育阶段的平均温度总体均呈升高的趋势，在播种-拔节期升高速率最快(图3)。

图3 1961-2017年玉米生育期平均温度的气候倾向率空间分布Fig.3 Spatial distribution of maize average temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.1.2 气温日较差 1961-2017年，四川省农区玉米全生育期平均日较差为6.8～15 ℃，平均9.3 ℃，攀西农区大都在10～15 ℃之间，盆地7～10 ℃(图4-a)。近50年玉米全生育期平均日较差的变化趋势在-0.6～0.4 ℃/10a之间，平均值-0.01 ℃/10a；农区除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部区域呈现降低趋势，其余为升高趋势。

图4 1961-2017年玉米生育期日较差的空间分布Fig.4 Spatial distribution of maize diurnal temperature range during growth period from 1961 to 2017

从图4-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期平均日较差在播种-拔节期、拔节-乳熟期、乳熟-成熟分布特征都是攀西明显高于盆地，播种-拔节期平均日较差最大，为6.8～16.1 ℃，平均值9.8 ℃；拔节-乳熟期最小，为6.3～14.1 ℃，平均为8.7 ℃。

近50年平均日较差气候倾向率在攀西大部、盆北及盆南局部呈现减少趋势；拔节-乳熟在盆地西南部及攀西东北部部分区域呈升高趋势，其余大部呈现减少趋势；乳熟到成熟期平均日较差气候倾向率在区域平均值为-0.02 ℃/10a，正值主要为盆地北部及南部局部区域(图5)。

图5 1961-2017年玉米生育期日较差的气候倾向率空间分布Fig.5 Spatial distribution of maize diurnal temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.2 玉米生育期光资源的时空分布

1961-2017年，四川省农区玉米全生育期总辐射量为1418～2818 MJ/m2，平均1982 MJ/m2，盆地呈现从西北到东南逐步减小的趋势；攀西农区总辐射量为2100～2800 MJ/m2之间，呈现从南到北减小趋势(图6-a)。近50年来玉米全生育期总辐射量的变化趋势平均值-18 MJ/m2/10a；农区大部减少趋势。从图6-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期总辐射量的分布在播种-拔节期、拔节-乳熟期呈现攀西多，盆地少的特点，播种-拔节期总辐射量最大，为577～1614 MJ/m2，平均值1039 MJ/m2；乳熟-成熟期总辐射量最小，为229～498 MJ/m2，平均为373 MJ/m2。

图6 1961-2017年玉米生育期总辐射量的空间分布Fig.6 Spatial distribution of maize radiation during growth period from 1961 to 2017

近50年来玉米播种-拔节总辐射量气候倾向率平均值为-5 MJ/m2/10a，整体呈降低趋势，正值主要出现在攀西大部及盆中部分农区，1961-2017年研究区域内各生育阶段的总辐射量减小趋势(图7)。

图7 1961-2017年玉米生育期总辐射量的气候倾向率空间分布Fig.7 Spatial distribution of maize radiation trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3 玉米生育期水资源的时空分布

2.3.1 参考作物蒸散量 近50年四川省玉米全生育期参考蒸散量平均549 mm，攀西农区作物参考蒸散量最多，最少区域集中在盆南及盆东局部区域(图8-a)。近50年来玉米全生育期参考蒸散量的变化趋势在-40～25 mm/10a之间，平均值-2.7 mm/10a；盆地农区大部减少趋势；攀西除北部部分区域增加，其余呈现减少趋势。从图8-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期参考蒸散量的分布，播种-拔节期参考蒸散量最大，区域内平均值274 mm；乳熟-成熟期参考蒸散量最小，平均为97 mm。

近50年来玉米播种-拔节参考蒸散量气候倾向率平均值为-0.5 mm/10a，农区除盆中大部、盆南部分区域及攀西地区北部为增加趋势，其余下降趋势明显；拔节-乳熟平均值为-1.2 mm/10a，盆地大部呈现减少趋势，攀西北部区域升高趋势明显；乳熟到成熟期平均值-1.0 mm/10a，农区大部为负值。由此可见，1961-2017年研究区域内各生育阶段的参考蒸散量总体呈现下降趋势(图9)。

图8 1961-2017年玉米生育期参考作物蒸散量的空间分布Fig.8 Spatial distribution of maize reference crop evapotranspiration during growth period from 1961 to 2017

图9 1961-2017年玉米生育期参考作物蒸散量的气候倾向率空间分布Fig.9 Spatial distribution of wheat reference crop evapotranspiration trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3.2 缺水率 1961-2017年，四川省农区玉米全生育期缺水率平均为36.6 %，缺水率最大区域集中在攀西大部及盆中老旱区(图10-a)。近50年来玉米全生育期缺水率的变化趋势平均值0.02 %/10a；农区除盆北、盆东及攀西大部区域为负值，其余大部是正值。从图10(b～d)可以看出，1961-2017年玉米各生育期缺水率的分布：，播种-拔节期缺水率最大，乳熟-成熟期缺水率最小。

近50年来玉米播种-拔节缺水率气候倾向率平均值为-0.4 %/10a，农区除盆西、盆南及攀西东部部分区域为正值，其余为负值；拔节-乳熟缺水率气候倾向率平均值为1.1 %/10a，负值主要出现在盆地及攀西东北部部分区域；乳熟到成熟期缺水率气候倾向率平均值0.47 %/10a，正值主要分布在盆地南部、中部及攀西西部部分区域。由此可见，1961-2017年研究区域内各生育阶段的缺水率总体正常(图11)。

3 结 论

基于1961-2017年124个气象观测站资料及1981-2017年15个玉米农业气象观测站点的观测资料，分析了我省农区玉米种植区全生育期及不同生育阶段温、光、水等农业气候资源时空分布状况，具体结果如下。

从热量条件来看，玉米全生育期及各生育期热量资源整体呈升高趋势，在播种-拔节期升高最快。全生育期平均温度值相对高的区域集中在盆北及盆西部分区域，相对低值的区域在盆西北及攀西的北部部分区域；全生育期平均日较差的变化趋势农区除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部区域呈降低趋势，其余为升高趋势。平均日较差在各生育期分布特征都是攀西明显高于盆地。从光照条件来看，全生育期总辐射量盆地呈现从西北到东南逐步减小的趋势，攀西农区总辐射量呈现从南到北减小趋势。播种-拔节期总辐射量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期总辐射量农区大部为减少趋势，各生育阶段呈减小趋势。从水分条件来看，全生育期参考蒸散量攀西农区最多，最少区域集中在盆南及盆东局部区域。在播种-拔节期参考蒸散量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期参考蒸散量盆地农区大部减少趋势，攀西除北部部分区域增加，其余呈现减少趋势，各生育阶段的参考蒸散量总体呈现下降趋势；全生育期缺水率最大区域集中在攀西大部及盆中老旱区，播种-拔节期缺水率最大。全生育期缺水率的变化趋势农区除盆北、盆东及攀西大部区域为负值，其余大部是正值，各生育阶段的缺水率总体正常。

4 讨 论

气候变暖对玉米生育期、产量以及灌溉条件等都将产生重大影响，本研究分析了四川省玉米全生育期及各生育阶段温、光、水资源分布状况，可为相关部门制定农业生产措施提供科学依据，如盆东北、盆南、盆中及攀西部分农区参考蒸散量和缺水率较大，该区域应该避免季节性干旱的发生，根据雨季时间适时播种，同时提前采取措施减少乳熟-成熟期高温伏旱对该区玉米生产造成不良影响，选取抗旱品种，优化栽培措施，加强农田管理，确保玉米生产的健康发展。玉米生产不仅与生长季内的气象条件密切相关，还与玉米本身的品种和玉米种植地的土壤条件有关。本文仅分析了玉米生育期内农业气候资源的时空分布特征，今后将结合不同区域的玉米种植品种和种植区域的土壤特性开展更为深入的研究。