李娥，趙錦?，葉清，高繼卿，楊曉光

1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南昌 330045

0 引言

【研究意義】全球氣候正在經(jīng)歷以溫度升高、極端氣候事件增多為特征的顯著變化[1-2]。全球氣候變化背景下，中國的氣候特征也發(fā)生了重大變化。研究表明，1960—2018年間我國的平均增溫速率為0.28℃·(10a)-1，且增溫幅度在北方地區(qū)尤為突出[3-5]。東北地區(qū)是我國重要的商品糧基地，其玉米產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的30%以上[6]。作為氣候變化的敏感區(qū)[7-8]，東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源也發(fā)生了顯著的變化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候條件的依賴程度高，區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候資源的變化勢必會(huì)引起作物種植界限、種植制度及種植結(jié)構(gòu)的改變[9-10]。因此，科學(xué)調(diào)整作物的種植制度，才能合理利用當(dāng)?shù)刈兓霓r(nóng)業(yè)氣候資源，對保障糧食安全、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義[11-12]。【前人研究進(jìn)展】前人研究表明1961—2007年間，東北三省的增溫幅度為0.38℃·(10a)-1，溫度生長期內(nèi)≥10℃積溫增加，且積溫帶變化出現(xiàn)北移東擴(kuò)的變化特征；溫度生長期內(nèi)降水量呈現(xiàn)減少趨勢；溫度生長期內(nèi)日照時(shí)數(shù)也明顯減少[13-17]。氣候變化背景下作物種植界限也發(fā)生了顯著變化。前人以熱量資源為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)≥10℃積溫帶的北移東擴(kuò)，引起春玉米種植界限出現(xiàn)顯著的北移東擴(kuò)趨勢[18-21]。與此同時(shí)，1986—2015年間，東北三省的干旱呈逐年加重的趨勢，低溫冷害呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。已有對東北三省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響的評估中表明，東北地區(qū)是我國受旱災(zāi)影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，在影響東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害中干旱所占權(quán)重最大，且干旱對玉米農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的貢獻(xiàn)率隨時(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢[22-26]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對于氣候變化對東北春玉米種植界限影響的研究中大多只考慮熱量指標(biāo)，考慮降水條件對品種熟型調(diào)整敏感區(qū)域影響的研究鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文在已有熱量資源對東北三省玉米種植界限影響和春玉米種植品種熟型調(diào)整敏感區(qū)域研究的基礎(chǔ)上[27-28]，進(jìn)一步探討氣候變化背景下降水資源變化對東北春玉米種植區(qū)域的可能影響。通過分析比較春玉米品種熟型調(diào)整敏感區(qū)域內(nèi)過去50多年降水資源時(shí)空變化特征，明確降水資源變化對春玉米種植區(qū)域品種熟型調(diào)整的可能影響，為東北春玉米種植布局調(diào)整提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的研究區(qū)域?yàn)橐延醒芯恐衃28]氣候變化引起東北地區(qū)春玉米品種熟型調(diào)整的敏感區(qū)域，其中，敏感區(qū)域是指春玉米品種熟型由于氣候變化而發(fā)生變化的區(qū)域。本文根據(jù)品種熟型調(diào)整的特征將研究區(qū)域分為5個(gè)區(qū)域，具體如表1所示，區(qū)域內(nèi)包括黑龍江、吉林和遼寧三省的24個(gè)地面氣象觀測站點(diǎn)，站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) 1961—2017年的氣象數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高溫度、日最低溫度、平均相對濕度、風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)、氣壓等氣象要素。春玉米生育期數(shù)據(jù)來自中國氣象局1981—2007年16個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的資料。研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布見圖1。

1.2 研究指標(biāo)計(jì)算方法

1.2.1 參考作物蒸散量(ET0) 參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)算采用 FAO（1998）推薦的 Penman-Monteith公式（FAO-PM）計(jì)算。FAO-PM 計(jì)算 ET0可由下式表示（FAO-PM，1998）：

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm），Δ為水汽壓-溫度曲線的斜率（kPa·℃-1），ΔRn為作物表面的凈輻射（MJ·m-2），Tmean為2 m高度處日平均溫度（℃），U2為 2 m 高度處風(fēng)速（m·s-1），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實(shí)際水汽壓（kPa），γ為干濕球常數(shù)（kPa·℃-1）。

1.2.2 作物生育期擬合與推算 氣候變化下作物的生育期呈現(xiàn)顯著的線性變化特征[29]，因此，本文基于已有年份的生育期數(shù)據(jù)，采用已有對于物候期隨時(shí)間變化趨勢研究的方法——趨勢分析法[30-31]，對缺少生育期記錄的年份進(jìn)行插補(bǔ)，估算得到播種期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期和成熟期，對缺少生育期記錄的站點(diǎn)，參考臨近站點(diǎn)的生育期來代替。各氣象站點(diǎn)所用農(nóng)業(yè)氣象觀測試驗(yàn)站生育期數(shù)據(jù)、年限及區(qū)域劃分如表1所示。

表1 所用氣象站點(diǎn)區(qū)域分布及生育期站點(diǎn)和生育期數(shù)據(jù)年限Table 1 Regional distribution of meteorological stations and growth period stations and growth period data years

1.2.3 作物需水量（ETC） 作物需水量是指作物在適宜的土壤水分和肥力水平下，經(jīng)過正常生長發(fā)育,獲得高產(chǎn)時(shí)的植株蒸騰、棵間蒸發(fā)以及構(gòu)成植株體的水量之和，表示作物完成其生育周期所需要消耗的水量總和。其計(jì)算采用FAO推薦的公式[32]：

利用氣象站點(diǎn)的春玉米生育期數(shù)據(jù)和春玉米需水規(guī)律，把生育期劃分為前、中、后3個(gè)時(shí)期，其中播種到拔節(jié)為前期，拔節(jié)到吐絲（開花）為中期，吐絲（開花）到成熟為后期，參考文獻(xiàn)[32]，確定作物的生育時(shí)期及相對應(yīng)的Kc值，如表2所示。

表2 不同生育時(shí)期的劃分及作物系數(shù)Table 2 Division of different growth periods and crop coefficient

1.2.4 有效降水量（Pe） 有效降水量為總降水量與徑流量、蒸發(fā)量和深層滲漏量的差，表示降水中能被作物直接利用供其生長發(fā)育的總水量。計(jì)算方式參考文獻(xiàn)[33]，其計(jì)算公式為：

1.2.5 有效降水量滿足率（K） 用各個(gè)生育時(shí)期內(nèi)的有效降水量與作物需水量做比值，得到各個(gè)生育時(shí)期內(nèi)有效降水量滿足率K，其計(jì)算式為：

1.2.6 春玉米生產(chǎn)潛力 采用逐級訂正的方法，計(jì)算春玉米生長季內(nèi)的生產(chǎn)潛力[34-36]，其計(jì)算式為：

前景化概念對詩歌的解析具有重要的作用，可以從變異和過分規(guī)則化兩個(gè)角度入手，找出其語音、語相、詞匯、句法以及語篇等各個(gè)層次上的變異和過分規(guī)則化，更好地理解作者的選擇，欣賞前景化所帶給詩歌的美感，從而為詩歌解釋提供有力的依據(jù)。

式中，YW為氣候生產(chǎn)潛力（kg·hm-2），YQ為光合生產(chǎn)潛力（kg·hm-2），YT 為光溫生產(chǎn)潛力（kg·hm-2），0.219為黃秉維系數(shù)，C為作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)[37-38]，Rs為逐日太陽輻射（KJ·cm-2），f(w)和f(t)分別為水分訂正函數(shù)與溫度訂正函數(shù)，計(jì)算式為：

式中，t為平均溫度，tmax、ts、tmin為作物三基點(diǎn)溫度，參考文獻(xiàn)[39-40]。

1.2.7 站次比 站次比指某一區(qū)域內(nèi)某一事件的發(fā)生站點(diǎn)數(shù)占該區(qū)域內(nèi)全部站點(diǎn)數(shù)的比例，用于評價(jià)某一事件影響范圍的大小[41]，即

式中，M為某區(qū)域內(nèi)某一事件發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)，m為該區(qū)域內(nèi)全部站點(diǎn)數(shù)。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理與分析 采用 Matlab 2019軟件和Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

采用 ArcMap 10.6軟件的反距離加權(quán)插值方法（IDW）對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，設(shè)定cell size參數(shù)為0.02，生成空間柵格數(shù)據(jù)，之后采用Origin2018共同完成數(shù)據(jù)時(shí)空分布特征的表達(dá)和分析。

2 結(jié)果

2.1 1961—2017年間玉米主要生育期的變化特征

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象觀測試驗(yàn)站已有的春玉米實(shí)際生育期數(shù)據(jù)，通過趨勢分析法，確定1981—2007年間敏感區(qū)域春玉米實(shí)際生育期變化特征（圖2），估算1961—2017年間缺失的生育期數(shù)據(jù)。由圖2中可以看出，在研究區(qū)域的24個(gè)站點(diǎn)中，播種期呈現(xiàn)提前趨勢，平均提前速率為2.83d·(10a)-1，拔節(jié)期、吐絲期和成熟期呈現(xiàn)推遲趨勢，成熟期推遲趨勢最明顯，推遲速率最大，為3.28d·(10a)-1，生長季延長。

2.2 1961-2017年間玉米生育時(shí)期作物需水量的變化特征

根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)已有的地面氣象觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同生育時(shí)期內(nèi)的作物需水量，確定每個(gè)站點(diǎn)不同生育時(shí)期內(nèi)作物需水量的變化特征（圖3）。從空間分布來看，前期作物需水量增加的站點(diǎn)主要集中在區(qū)域1、區(qū)域4和區(qū)域5，中期作物需水量減少的站點(diǎn)主要集中在區(qū)域1、區(qū)域4和區(qū)域5，后期作物需水量增加的站點(diǎn)主要集中在區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域4和區(qū)域5。在研究區(qū)域的24個(gè)站點(diǎn)中，與春玉米品種熟型調(diào)整前對比，生育前期作物需水量黑河、孫吳等站點(diǎn)增加，平均增加速率為0.70 mm·(10a)-1，克山、海倫等站點(diǎn)減少，平均減少速率為0.30 mm·(10a)-1；中期安達(dá)、哈爾濱等站點(diǎn)增加，平均增加速率為1.35 mm·(10a)-1，長嶺、乾安等站點(diǎn)減少，平均減少速率為0.73 mm·(10a)-1；后期寬甸、哈爾濱等站點(diǎn)增加，平均增加速率為1.04 mm·(10a)-1，齊齊哈爾、通榆等站點(diǎn)減少，平均減少速率為0.32 mm·(10a)-1。從總體來看，品種熟型調(diào)整后春玉米生育前期和后期作物需水量呈現(xiàn)增加趨勢，中期作物需水量呈現(xiàn)減少趨勢。

2.3 1961—2017年間玉米生育時(shí)期有效降水量的變化特征

2.4 有效降水量滿足率的變化特征

根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)在春玉米生育時(shí)期內(nèi)的有效降水量和作物需水量數(shù)據(jù)，確定1961—1985和1986—2017這2個(gè)時(shí)段內(nèi)有效降水量滿足率在不同生育時(shí)期的分布狀況（圖5）。

由圖 5-c1、5-c2、5-c3，前、中、后 3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)有效降水量滿足率對比發(fā)現(xiàn)，2個(gè)時(shí)段內(nèi)的前期滿足率最高，后期滿足率次之，中期滿足率最低；不同時(shí)段對比，前期時(shí)段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.90，時(shí)段Ⅰ有效降水量平均滿足率為 0.82，時(shí)段Ⅱ滿足率呈現(xiàn)增大趨勢；中期時(shí)段Ⅰ有效降水量平均滿足率為0.39，時(shí)段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.37，時(shí)段Ⅱ滿足率呈現(xiàn)減小趨勢；后期時(shí)段Ⅰ有效降水量平均滿足率為0.70，時(shí)段Ⅱ有效降水量平均滿足率為0.64，時(shí)段Ⅱ滿足率呈現(xiàn)減小趨勢。

由圖5-a1、5-b1可知，時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅰ相比，品種熟型調(diào)整后，春玉米生育前期區(qū)域1內(nèi)黑河和孫吳站點(diǎn)西北部K值減??；區(qū)域2內(nèi)明水站點(diǎn)區(qū)域K值增大，海倫站點(diǎn)減小；區(qū)域3內(nèi)樺甸站點(diǎn)東南部K值增大；區(qū)域4內(nèi)安達(dá)站點(diǎn)北部和東部、哈爾濱西部和南部、三岔河周邊區(qū)域、通化站點(diǎn)和樺甸站點(diǎn)區(qū)域K值增大；區(qū)域5內(nèi)四平西部和北部、通榆和乾安站點(diǎn)區(qū)域K值增大。

由圖5-a2、5-b2可知，時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅰ相比，品種熟型調(diào)整后，春玉米生育中期區(qū)域1內(nèi)黑河西北部和孫吳北部K值增大；區(qū)域2內(nèi)明水和克山西部區(qū)域K值增大；區(qū)域3內(nèi)虎林站點(diǎn)東北部和西南部、尚志站點(diǎn)區(qū)域K值增大；區(qū)域4內(nèi)三岔河周邊區(qū)域K值減小，樺甸西部和通化北部K值增大； 區(qū)域5內(nèi)通榆、乾安、前郭爾羅斯、雙遼、四平東南部和寬甸北部K值增大。

由圖5-a3、5-b3可知，時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅰ相比，品種熟型調(diào)整后，春玉米生育后期區(qū)域1內(nèi)黑河和孫吳站點(diǎn)區(qū)域K值增大；區(qū)域2內(nèi)除克山西部少部分地區(qū)K值不變外，其他區(qū)域K值均增大；區(qū)域3內(nèi)尚志站點(diǎn)和尚志南部K值增大；區(qū)域4內(nèi)齊齊哈爾站點(diǎn)北部和西部、安達(dá)北部、西部和南部、樺甸西部和通化北部區(qū)域K值增大；區(qū)域5內(nèi)四平東部和南部、寬甸東北部區(qū)域K值增大。

2.5 生產(chǎn)潛力變化特征及與有效降水量滿足率相關(guān)性分析

根據(jù)之前計(jì)算所得每個(gè)站點(diǎn) 1961—2017年間的氣候生產(chǎn)潛力（YW），確定1961—1985和1986—2017 2個(gè)時(shí)段內(nèi)氣候生產(chǎn)潛力、產(chǎn)量潛力穩(wěn)定性、增減幅度和變化趨勢分布特征（圖6）。

由圖6-a、6-b、6-c可知，在研究區(qū)域的24個(gè)站點(diǎn)中，時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅰ相比，品種熟型調(diào)整后，寬甸、三岔河、臨江和明水站點(diǎn)平均氣候生產(chǎn)潛力減小，其余站點(diǎn)平均氣候生產(chǎn)潛力均出現(xiàn)不同程度的增加。減少站點(diǎn)中寬甸站點(diǎn)的減少量最大為920.48 kg·hm-2，臨江站點(diǎn)次之，減少量為372.97 kg·hm-2；增加站點(diǎn)中虎林站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力增加最大為1 943.71 kg·hm-2。圖6-d為生產(chǎn)潛力變化趨勢，由此可以看出，研究區(qū)域春玉米氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢為-920—1 944 kg·hm-2，研究區(qū)域的東北部變化趨勢較高；圖6-e為生產(chǎn)潛力變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域春玉米氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)為0.07—0.19，研究區(qū)域的西部的齊齊哈爾和通榆、東部的虎林和南部的寬甸站點(diǎn)區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)較大，東南部樺甸、通化、臨江和集安站點(diǎn)變異系數(shù)較小。

根據(jù)生育前、中、后3個(gè)時(shí)期有效降水量滿足率與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)關(guān)系可知（圖6-f），有效降水量滿足率與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)性中期最高（0.26），后期次之（0.24），前期最低（0.11）。

3 討論

在全球氣候變化的背景下，我國東北地區(qū)作物生長季內(nèi)氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢[15]。溫度升高使得地區(qū)溫度生長期內(nèi)的積溫增加，這為中晚熟玉米品種的種植提供了熱量條件。品種熟型調(diào)整在延長作物生育期的同時(shí)，增加了生育期內(nèi)的作物需水量，而隨著降水量減少，作物的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加大。因此在作物品種熟型調(diào)整的敏感區(qū)域，需要綜合考慮熱量和降水的共同影響來科學(xué)調(diào)整品種，從而為區(qū)域應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)參考。

本研究結(jié)果表明，隨著熱量資源的不斷增加，東北三省春玉米品種熟型調(diào)整敏感區(qū)域內(nèi)大部分站點(diǎn)春玉米的播種期提前，拔節(jié)期、吐絲期和成熟期推遲，生長季有延長的趨勢，這與李正國等[29,31]研究的氣候變化背景下東北三省主要作物典型物候期變化趨勢分析結(jié)果基本一致。研究區(qū)域內(nèi)大部分站點(diǎn)作物需水量在生育前期和后期均有增加，站次比分別為 54.2%和 70.8%，大部分站點(diǎn)作物需水量在生育中期減少，站次比為 70.8%。大部分站點(diǎn)有效降水量在作物生育前期增加，站次比為 70.8%，大部分站點(diǎn)有效降水量在生育中期和后期均減少，站次比分別為79.2%和58.3%。大部分站點(diǎn)有效降水量滿足率在作物生育前期增加，站次比為70.8%，大部分站點(diǎn)有效降水量滿足率在生育中期和后期均減少，站次比分別為66.7%和95.8%。大部分站點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力（YW）增加，站次比為83.3%，這一結(jié)論與前人結(jié)果一致[34,42]。氣候生產(chǎn)潛力與有效降水量滿足率相關(guān)性中期最高，后期次之，前期最低，這與董朝陽等[43]發(fā)現(xiàn)的中期的有效降水量滿足率對產(chǎn)量影響最大，后期次之，前期最小的研究結(jié)果一致。本研究中玉米氣候生產(chǎn)潛力減小的寬甸、臨江、三岔河和明水4個(gè)站點(diǎn)中，寬甸站點(diǎn)的有效降水量滿足率在前中后3個(gè)時(shí)期均出現(xiàn)不同程度的減小，其生產(chǎn)潛力減小幅度最大；臨江和三岔河站點(diǎn)有效降水量滿足率在生育中期和后期出現(xiàn)了不同程度的減小，盡管有效降水量滿足率在生育前期有所增加，但春玉米氣候生產(chǎn)潛力下降，且下降幅度僅次于寬甸站點(diǎn)；明水站點(diǎn)的有效降水量滿足率在前期和中期呈增加趨勢，后期呈減小趨勢，生產(chǎn)潛力的降低幅度最小。

東北地區(qū)玉米主要為雨養(yǎng)種植，除東部年降水量大于600 mm的地區(qū)外，水分是玉米產(chǎn)量形成的主要限制因子[44]。盡管氣候變暖導(dǎo)致玉米的生長季延長，但品種熟型調(diào)整使生育期內(nèi)作物需水量增加。本研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化背景下東北三省的降水量呈現(xiàn)減少的趨勢，特別是有效降水量滿足率在水分關(guān)鍵生育期（中期和后期）不斷降低，這都不利于玉米產(chǎn)量形成。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中春玉米品種熟型的調(diào)整除考慮熱量滿足程度外，還應(yīng)該充分考慮關(guān)鍵生育期的降水滿足狀況和當(dāng)?shù)氐乃止芾項(xiàng)l件，確保區(qū)域糧食豐產(chǎn)。

實(shí)際生產(chǎn)中作物最終產(chǎn)量除受氣候條件影響以外，還受其他社會(huì)因素的影響。本研究僅從降水資源的角度，分析氣候變化對東北三省春玉米品種熟型調(diào)整敏感區(qū)域內(nèi)春玉米氣候生產(chǎn)潛力的可能影響，未綜合考慮該區(qū)域內(nèi)作物實(shí)際產(chǎn)量的變化情況，還需在后續(xù)的研究過程中，獲取地區(qū)春玉米實(shí)際產(chǎn)量資料，與現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行比較，為當(dāng)?shù)卮河衩追N植品種熟型選取、氣候資源合理高效利用提供進(jìn)一步科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1961—2017年，玉米需水量在生育前期和后期增加，中期減少，有效降水量在前期增加，中期和后期減少，有效降水量滿足率在前期增加，中期和后期減小，作物生產(chǎn)潛力在研究區(qū)域北部和東部地區(qū)增大，西部和南部減小，生產(chǎn)潛力變異系數(shù)在東部、西部和南部地區(qū)較大。因此，敏感區(qū)域的東部、西部和南部地區(qū)仍要進(jìn)一步關(guān)注品種熟型的選取，確保充分利用地區(qū)光熱水資源，在春玉米有效降水量滿足率低的生育中后期，要及時(shí)進(jìn)行灌溉補(bǔ)充水分，保證春玉米產(chǎn)量。