锦州地区春玉米物候变化趋势及其与水热条件的关系

赵先丽 蔡福 丁抗抗 王赛頔 王笑影 张慧 贾庆宇 温日红 吴航

（1．中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110166；2.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳 110166；3.辽宁省气象服务中心，辽宁沈阳 110166；4.锦州市生态与农业气象中心，辽宁锦州 121001）

引言

IPCC第六次评估报告表明，1850—1900年全球地表平均温度已上升约1.00℃，2011—2020年平均温升相比工业化前（1850—1900年）增高了1.09℃，到21世纪中期全球平均温度预计将升高达到或超过1.50℃，温度剧烈升高导致世界各地气候变化加剧［1］。气候变暖背景下，气候变化对农业生产的影响更加显著，特别是作物生长季内气候条件的变化。东北地区是中国增温最显著且受气候变化影响最敏感的地区之一，作为以雨养农业为主的粮食主产区，气候变化对作物的影响更大［2-5］。1960—2019年东北地区年平均气温增加率为0.28℃／10 a，≥0℃积温增加率为61.16℃／10 a，≥10℃积温增加率为57.09℃／10 a［6］；1960—2010年东北地区平均气温增加率为0.34℃／10 a，其中20世纪80年代末增温显著，日最低气温增加率为0.48℃／10 a，日最高气温增加率为0.24℃／10 a，≥0℃积温增加率为60.13℃／10 a，≥10℃积温增加率为62.79℃／10 a，而年降水量（-6.82 mm／10 a）呈减少的趋势且波动较大，特别是1981—2010年降水波动幅度更大［7-10］。玉米是东北地区重要的粮食作物，2019年东北地区玉米种植面积已达1.28×107hm2，产量达8.87×107t，约占全国玉米总产量的30.9%，占东北粮食总产量的64.2%［11-12］，可见玉米生产在粮食安全和农业生产中具有举足轻重的作用。

玉米是喜温作物，生长发育各阶段都需要适宜的气候条件才能完成，生长季农业气候资源是玉米生长和发育过程的决定因子。因此，探讨气候变暖背景下东北地区春玉米水热资源的变化及其潜在的影响，具有重要的意义。研究表明［13-15］，近年来东北地区热量资源增加，降水资源减少或变化不明显。关于东北地区春玉米物候的相关研究较多，但由于选取的观测站点及农业管理措施、施肥、品种等不同，物候期的变化也不同。研究表明［16-19］，东北地区玉米41.5%的站点出苗期显著提前，17.0%的站点显著推迟；41.5%的站点抽雄期显著提前，13.2%的站点显著推迟；43.4%的站点成熟期显著推迟。对于生育阶段，43.4%的站点营养生长阶段长度缩短，56.6%的站点延长；22.6%的站点生殖生长阶段长度缩短，77.4%的站点延长；33.9%的站点全生育期长度显著延长［16，20-23］。

玉米不同生育期对水热因子的敏感性不同，研究春玉米不同生育期水热因子的变化特征非常重要。因此，利用辽宁省锦州地区春玉米物侯和气象观测资料，分析气候变化背景下春玉米生育期的变化特征及其与水热条件的关系，探讨影响春玉米生育期的水热因子，以期为应对未来气候变化措施提供参考，为合理的开发利用农业气候资源提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

锦州农业气象试验站（121°10′E，41°09′N）位于辽宁省西南部地区，海拔高度为25 m，属于中国七大玉米带中的东北玉米带，典型的温带季风气候区，年平均气温为9.50℃，1月平均气温为-8.00℃，7月平均气温为24.40℃，年降水量为540～640 mm。玉米生育期为5—9月，土壤为典型棕壤。

1.2 资料来源

所用资料来源于锦州市生态与农业气象中心，包括1980—1984年和2004—2020年春玉米资料和气象观测资料，春玉米观测资料为发育期日期（包括播种、出苗、三叶、七叶、拔节、抽雄、乳熟和成熟日期），主要为丹玉6号、丹玉39、丹玉42、丹玉47、丹玉405、农大95、中科10号、锦玉118、海禾69、先玉335、沈海69等中晚熟品种（生育期长度为120～140 d）。气象资料包括日平均气温、日最高气温、日最低气温和日降水量。

1.3 研究方法

采用相关分析法、通径分析法、趋势系数和线性倾向率法［23-25］分析春玉米发育期的变化特征及其与水（降水量、有效降水、累积降水和累积有效降水）热（日最高气温、日最低气温、日平均气温、≥10℃活动积温和生长度日）条件的关系；其中，苗期是指播种日期—出苗普遍期，三叶期是指出苗普遍期—三叶普遍期，七叶期是指三叶普遍期—七叶普遍期，拔节期是指七叶普遍期—拔节普遍期，抽雄期是指拔节普遍期—抽雄普遍期，乳熟期是指抽雄普遍期—乳熟普遍期，成熟期是指乳熟普遍期—成熟普遍期，营养生长期是指播种日期—抽雄普遍期，生殖生长期是指抽雄普遍期—成熟普遍期，全生育期是指播种日期—成熟普遍期。

1.3.1 通径分析

通径分析是分析多个自变量和因变量之间线性关系的一种重要统计方法。根据通径分析，可以获得每个自变量对因变量影响的直接作用和间接作用，具有直观、精确的优点，可以全面反映每个自变量对因变量的作用效应，揭示每个变量对研究结果的相对重要性。

对于多个自变量和因变量相互关联的系统，n个自变量x（i＝1，2，…，n）和1个因变量y之间的回归方程为

直接通径系数（Pi）表示自变量xi对因变量y的直接作用，公式为

式（2）中，bxi为自变量的回归系数；σxi为自变量的标准差；σy为因变量标准差。

间接通径系数Pij，如xj对y的间接通径系数公式为

式（3）中，Pij为自变量xi通过自变量xj对因变量y的间接作用；rij为两个性状间的相关系数；Pjy为xj对y的直接通径系数。相关系数的平方即为决定系数，在多元回归分析中，通径系数的平方即为决定系数，变量间相关的密切程度通过决定系数大小决定，某个自变量x对因变量y的决定系数为

式（4）中，Pi为自变量xi对因变量y的通径系数。

两个不同自变量对因变量的决定系数dyij为

式（5）中，Pyi、Pyj分别表示自变量xi和xj与因变量y的直接通径系数；rij为自变量xi与xj的相关系数［25］。

1.3.2 ≥10℃活动积温（DT10）

活动温度指高于或等于生物学下限温度的日平均温度，≥10℃活动积温（DT10，℃·d）是玉米生长的重要热量指标之一，用玉米生长季内日平均气温≥10℃持续期间日平均气温之和表示［26］，即

式（6）中，a、b分别为玉米生长季内逐日平均气温≥10℃的起始日期和终止日期，采用5日滑动平均法确定；Ti为日平均气温≥10℃持续期间日平均气温（℃）。

1.3.3 生长度日（GDD）

生长度日（Growing Degree Days，GDD）是分析作物生长的整个热量指标，主要是指在某一特定环境因子影响下，植物能够完成整个生育阶段所积累的有效积温，能够较好地表征作物生育期的热量资源。GDD公式为

式（7）中，Tmax为日最高气温；Tmin为日最低气温；Tb为玉米生长季生物学下限温度10℃，玉米生长的温度范围为10～30℃。本文采用两种计算方法，第一种（GDD1），（Tmax＋Tmin）／2＝Tave，Tave为日平均气温，当Tave＜10℃时，记为10℃，当Tave＞30℃时，记为30℃；第二种（GDD2），当Tmin和Tmax＜10℃时，记为10℃，当Tmin和Tmax＞30℃时，记为30℃［13，27-28］。

1.3.4 有效降水（Pe）

有效降水（Effective Precipitation，Pe）指干旱地区满足作物蒸发消耗的降水量，能够渗到地下，被植物根系所吸收的降水。本文采用有效降水［29-30］经验公式为

式（8）中，Pe为有效降水量（mm）；a为有效降水系数；P为日降水量（mm）。通常认为5 mm以下降水为无效降水，因此a的取值采用以下经验系数

1.3.5 累积降水和累积有效降水

累积降水指某一生育阶段日降水量的累积求和；累积有效降水指某一生育阶段日有效降水的累积求和。

2 结果分析

2.1 春玉米生育期变化趋势

2.1.1 播种日期和成熟日期变化

锦州地区春玉米播种日期变化较大（图1a），距平变化为-13.00～19.00 d，整体呈推后的趋势，倾向率为0.92 d·a-1；春玉米成熟日期整体呈推后的趋势，倾向率为0.90 d·a-1，其中1980—1983年均为提前趋势，距平变化为-23.00～-13.00 d，2004年后基本为正距平（图1b），距平变化为-4.00～13.00 d，2004年以后成熟日期呈微弱的提前趋势，倾向率为-0.10 d·a-1。

图1 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米播种日期（a）和成熟日期（b）距平变化Fig.1 Variation of an anomaly of sowing date（a）and maturity date（b）of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

2.1.2 生育期长度变化

锦州地区春玉米出苗期长度总体呈显著（P＜0.05，下同）缩短的趋势（表1），距平变化为-4.82～4.18 d，倾向率为-0.28 d·a-1（图2a）；三叶期长度总体呈缩短的趋势，距平变化为-3.14～3.86 d，倾向率为-0.18 d·a-1（图2b）；七叶期长度总体呈缩短的趋势，距平变化为-7.68～7.32 d，倾向率为-0.35 d·a-1（图2c）；拔节期长度总体呈极显著（P＜0.01，下同）缩短的趋势，距平变化为-5.95～9.05，倾向率为-0.26 d·a-1（图2d）；抽雄期长度总体呈显著延长的趋势，距平变化为-5.59～7.41 d，倾向率为0.33 d·a-1（图2e）；乳熟期长度总体呈弱的缩短趋势，距平变化为-8.00～8.00 d，倾向率为-0.08 d·a-1（图2f）；成熟期长度总体呈极显著延长的趋势，距平变化为-20.27～12.73 d，倾向率为0.80 d·a-1（图2g）。

图2 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米出苗期（a）、三叶期（b）、七叶期（c）、拔节期（d）、抽雄期（e）、乳熟期（f）和成熟期（g）长度距平变化Fig.2 Variation of length anomaly of seedling（a），three-leaf（b），seven-leaf（C），jointing（d），tasseling（e），milk maturity（F），and maturity（g）of spring maize in Jinzhou from 1980-1984 and 2004-2020

表1 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米生育期长度变化趋势Table 1 Changing trend of growth period length of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

锦州地区春玉米营养生长期长度总体呈极显著缩短的趋势（表1），距平变化为-13.18～10.82 d，倾向率为-0.74 d·a-1（图3a）；生殖生长期长度总体呈极显著延长的趋势，距平变化为-17.27～11.73 d，倾向率为0.72 d·a-1（图3b）；全生育期长度总体呈弱的延长趋势，距平变化为-14.45～20.55 d，倾向率为-0.02 d·a-1（图3c）。

图3 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米营养生长期（a）、生殖生长期（b）和全生育期（c）长度距平变化Fig.3 Variation of length anomaly of the vegetative period（a），reproductive period（b），and whole growth period（c）of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and from 2004 to 2020

2.2 水热条件变化趋势

1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米各生育期水热条件的变化趋势不同，其中热量条件变化显著，而水分条件变化不显著。对于热量条件，春玉米多数生育期气温、GDD和DT10呈增加趋势，其中出苗期的日平气温、日最高气温和日最低气温均极显著增加，抽雄期、乳熟期、营养生长期、全生育期的日平均气温和日最低气温均极显著增加；拔节期的GDD2和DT10均极显著减少；抽雄期、成熟期及生殖生长期、全生育期的GDD1、GDD2和DT10均极显著增加。对于水分条件，成熟期的累积降水量和累积有效降水显著增加（表2）。

表2 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米生育期水热条件变化趋势Table 2 Changing trend of hydrothermal conditions during the growth period of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and from 2004 to 2020

2.3 水热条件与生育期长度关系

2.3.1 相关分析

玉米生育期的影响因子中，品种影响约占1／4，而气象条件的影响则占3／4，可见玉米生育期长度的关键影响因子是气候条件［18］。锦州地区春玉米各生育期长度基本与DT10和GDD呈极显著正相关，相关系数在0.60以上；出苗期和营养生长期长度与日平均气温、日最高气温、日最低气温均呈极显著负相关；成熟期和全生育期长度与累积降水和累积有效降水呈极显著正相关，其次为出苗期，再次为三叶期、七叶期和营养生长期、生殖生长期（表3）。

表3 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米生育期水热条件与生育期长度的相关分析Table 3 Correlation analysis between hydrothermal conditions and growth period length of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

2.3.2 通径分析

为进一步确定水热条件对春玉米生育期长度的影响效应，对其进行通径分析。DT10对春玉米各生育期长度的直接作用最大，直接通径系数为0.80以上；其次为GDD，直接通径系数为0.50以上；而水分条件对春玉米生育期长度的影响较小，主要对全生育期长度影响稍大（表4）。

表4 1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米生育期水热条件与生育期长度的通径系数Table 4 Path analysis between hydrothermal conditions and growth period length of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

间接作用中（表略），对于出苗期、三叶期、七叶期、拔节期、抽雄期、乳熟期、成熟期及营养生长期、生殖生长期，GDD和DT10通过互相影响进而影响各生育期长度；对于全生育期，日平均降水和累积降水通过互相影响对其长度贡献较大，其次为日平均降水和累积降水通过对DT10影响对其长度贡献其次。

3 结论与讨论

（1）1980—1984年和2004—2020年锦州地区春玉米播种日期呈延后的趋势，受人为因素和气候因素影响，波动变化较大，成熟日期2004年以后波动变化相对较小。播种日期的主观决定因素较多，播种时间不仅受当时的温度降水和土壤墒情等环境因素影响，还受到耕作方式、主观意愿和个人经验等因素的影响，而成熟日期受播种日期和水热条件影响相对较大。春玉米各生育期长度变化趋势不同，除抽雄期、成熟期和生殖生长期，其他生育期长度均呈缩短的趋势，其中出苗期长度显著缩短，拔节期和营养生长期长度极显著缩短，抽雄期长度显著延长，成熟期和生殖生长期长度极显著延长，与李正国等［17］、秦雅等［18］和崔耀平等［31］研究结论一致。综上可见，由于营养生长期长度呈极显著缩短的趋势，而生殖生长期长度呈极显著延长的趋势，造成整个生育期长度变化不明显。

（2）春玉米各生育期水热条件变化趋势不同，热量条件变化显著，而水分条件变化不显著；GDD和DT10多数生育期呈增加的趋势，与部分学者［13，18，23，32］的研究结果一致，其中抽雄期、成熟期和生殖生长期、全生育期的GDD和DT10极显著增加；出苗期的日平气温、日最高气温和日最低气温均极显著增加，抽雄期、乳熟期、营养生长期和全生育期的日平均气温和日最低气温极显著增加；拔节期的GDD和DT10极显著减少；抽雄期、成熟期及生殖生长期、全生育期的GDD和DT10极显著增加，成熟期的累积降水量和累积有效降水显著增加。综上可见，锦州地区热量条件对春玉米的生长发育速度影响较大，进而影响发育期长度。

（3）通过对锦州地区春玉米水热条件与生育期长度的相关分析和通径分析表明，对春玉米生育期长度影响较大的因素为DT10和GDD，水分条件影响较小，其中出苗期、成熟期及全生育期长度受水分条件影响稍大，水热因子之间相互制约、相互影响，共同影响作物的整个生育期。基于日平均气温计算的生长度日GDD1对锦州地区春玉米生育期长度负向效应较大，表明随着日平均气温升高，生育期长度将缩短，可见基于两种算法计算的GDD对生育期影响也不同。

本文仅研究了水热条件对锦州地区春玉米生育期长度影响及其与生育期长度的关系，未考虑品种、栽培措施和人为主观因素等其他因素对生育期长度的影响。作物的生育期是对整个水热条件变化的一个适应过程，除了水热条件变化的不确定性和波动性，还有人为的调整和控制。未来东北地区气候变化将更大，极端天气也将更频繁出现，复合型灾害天气也将频繁出现，进而造成水热条件波动变化也将变大，对春玉米生产的影响更大，需采用新方法和新技术进行光、温、水等气候条件及农艺措施、灾害和人为因素等方面的深入研究，合理利用作物自然资源，提升玉米对气候极端变化的适应性，确保辽宁地区春玉米的稳产和高产。