黑龙江玉米生育期预估模型研究

刘 丹,初 征, 张浙铭

（1.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150036；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210044）

1 引言

以温度升高为主要特征的气候变化已是不争的事实， 也是当今重要的自然科学和社会科学共同研究的热点问题[1]。2018年政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《全球升温1.5 ℃特别报告》指出，从工业革命至今，人类活动造成的升温约为1 ℃[2]。 在未来气候趋于变暖的背景下，农业受到潜在影响，进而探讨农业生产趋利避害的适应气候变化措施， 这是解决未来农业适应气候变化这一亟待解决科学问题的重要依据[3]。 目前在气候变化背景下，学者们提出了通过调整作物种植界限、品种布局、关键生育期等方式适应气候资源的变化， 而随着未来气候变化的进一步加强， 已有农业措施必将为适应该变化而进一步调整[4]。 已有研究表明，在未来气候变暖过程中，我国农业总产量将减少5%-10%[5]。

玉米是世界上最主要的粮食作物之一，与水稻、小麦并列为三大粮食作物， 种植面积虽然低于水稻和小麦， 但总产量最高[6]。 玉米是近百年来我国种植面积增加最快， 单位面积产量提高最快的大田作物[7]，作为未来社会需求最多，产量增加能力最强的作物，玉米在农业生产中具有不可代替的作用。 目前已有研究表明，气温升高将导致玉米减产，研究更是指出，未来气候变化下，我国东北地区玉米产量可能减少9%[8]。 因此以保障未来粮食安全的重要粮食作物玉米为例，厘清未来气候变化对玉米种植的影响，具有代表性和借鉴意义。

生长发育过程除了受到自身遗传特性的影响外，还受到光、温、水等气象资源的制约。 气象条件会通过影响作物的干物质累计速率、 籽粒灌浆等生育期进程最终影响产量[9]。 玉米的发育期是能客观反应玉米生长过程中对外界气候环境包括温度、辐射、水分等的响应及适应性， 可具体表现为玉米生育期的提前、推迟以及生育期的延长、缩短等[10]。生育期的改变会导致气象资源的重新分配， 可能会出现气候资源过剩或不足的情况出现， 所以生育期是研究气候变化对玉米的影响中不可缺失的指示标志。 气候变暖通常会导致作物生长速度加快，生育期缩短，最终表现在产量上的结果为产量下降[11-12]。 因此准确预测生育期对了解农业生产具有重要意义。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

为了分析气候变化对东北玉米的影响， 主要采用了两部分数据： 黑龙江地区气象观测数据和玉米生育期资料。

（1）气象观测数据：数据来源于黑龙江省逐日气象资料，该历史观测数据用于建立生育期模型。

（2）本研究在整理玉米生育期资料时，因要建立二次拟合方程， 所以选择具有较长时间序列的站点进行研究，经过对站点进行筛选，得到1971-2018年的泰来、安达、哈尔滨、尚志、佳木斯具有相同的，时间序列较为完整的生育期资料，具体分布如图1。

图1 研究站点分布

2.2 研究方法

玉米生育期模型建立：根据王婧瑄等[13]的研究成果中选择日平均温度作为多积温稳定性影响最为关键的气象因子， 假设活动积温与发育期平均的日均温呈非线性二次曲线关系， 本研究提出订正模型的公式（1）：β 为订正模型积温， F(T0)为发育期平均温度为T0时二次拟合曲线对应的活动积温，F()为发育期平均温度为时二次拟合曲线对应的活动积温，为发育期平均温度，d 为发育期日数。

3 结果与分析

利用拟合模型和订正模型对各站点1971-2018出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期拟合结果如图2 和图3，可以看出出苗-抽雄期拟合度最好的为尚志、 哈尔滨，R2均在0.4 以上，其次为佳木斯、安达、泰来，R2均＜0.2。 抽雄-成熟期拟合最好的为佳木斯，R2为0.36，其次分别为安达、泰来、尚志，哈尔滨拟合最差。

图2 (a)泰来站（b）安达站(c)哈尔滨站(d)尚志站(e)佳木期站出苗-抽雄期生育期平均温度与积温的二次拟合曲线

图3 (a)泰来站（b）安达站(c)哈尔滨站(d)尚志站(e)佳木期站抽雄-成熟期生育期平均温度与积温的二次拟合曲线

将黑龙江玉米出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期平均温度与积温进行二次拟合，结果如表（1）所示，平均活动积温为1296.37 ℃·d， 订正后积温升高约为63℃·d；抽雄-成熟期有效积温为1196.64 ℃·d，订正后积温升高约48 ℃·d。 但具体站点则有所不同，其中出苗-抽雄期，泰来、佳木斯地区订正后积温有所降低，降低最多为佳木斯地区，约为76 ℃·d，其它地区为升高，升高最多地区为哈尔滨，升高约为193 ℃·d。 抽雄-成熟期订正后积温均有升高，其中升高最多的为佳木斯地区，升高约77 ℃·d，升高最少地区为哈尔滨地区，升高约19 ℃·d.

表1 拟合模型与订正模型积温平均值（单位：℃·d）

原模型与订正模型对生育期预报结果对比实际玉米生育期，如表2 所示。 各模型在不同的生育期表现有所不同，原模型在出苗-抽雄期表现最好，误差均≤订正后模型结果；在抽雄-成熟期订正模型效果表现更好， 订正模型误差均＜原模型。 在出苗-抽雄期， 泰来和尚志地区的原模型和订正模型误差相对最小，误差为2 d；哈尔滨地区相对误差最大，为9 d。在抽雄-成熟期，佳木斯原模型和订正模型相对误差最小，误差为1 d，尚志地区相对误差最大，为3 d。

表2 拟合模型、订正模型生育期与实际生育期日数（单位：d）

根据原模型和订正模型的实际结果发现， 已有研究对黑龙江玉米生育期并不完全适用， 因此本研究将采用分段研究的方式对玉米生育期进行预估，即在玉米的出苗-抽雄期，直接采用积温与生育期二次拟合的方式进行预估；而在抽雄-成熟期则采用生育期内的平均温度作为影响黑龙江玉米抽雄-成熟期积温稳定性气候因子。 本项目采用了如上方法对未来黑龙江玉米生育期进行预估， 达到最接近未来玉米真实生长发育期。

4 结论

气温是影响玉米生育期的关键气象因子， 利用平均气温和活动积温建立玉米生育期模型， 并对拟合结果进行订正，结果表明，采用分段式模型方法预估玉米生育期效果好，出苗-抽雄期拟合模型预估效果更好，抽雄-成熟期订正模型预估效果更好。