淮賀舉, 孫寧, 史磊剛, 李奇峰, 胡海棠, 陶歡, 李存軍*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193; 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心, 北京 100097)

氣候變暖已經(jīng)成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。2013年9月30日，在斯德哥爾摩發(fā)布了IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告，報(bào)告明確指出全球平均氣溫在過(guò)去30年升高了0.89 ℃[1]。農(nóng)業(yè)作為一個(gè)受氣候變化影響顯著的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件與產(chǎn)量的影響、氣候適宜性、氣候?yàn)?zāi)害以及種植制度等領(lǐng)域做了大量的研究。氣候資源作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵要素，研究作物生育期內(nèi)氣候資源的時(shí)空變化特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-6]。

東北地區(qū)(包括遼寧、吉林、黑龍江)是我國(guó)氣候變暖最顯著的地區(qū)，對(duì)東北地區(qū)的氣候資源進(jìn)行研究，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的熱點(diǎn)之一[7-12]。劉志娟等[13]基于1961—2007年中國(guó)東北三省72個(gè)氣象臺(tái)站的氣象資料，分析了東北三省全年及溫度生長(zhǎng)期內(nèi)的氣溫、降水、光照等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征；賈建英等[14]研究發(fā)現(xiàn)，1980年后，東北地區(qū)發(fā)生了顯著的增溫過(guò)程，日最低溫度增溫速率為0.51 ℃·(10 a)-1，日最高溫度增溫速率為0.24 ℃·(10 a)-1；冶明珠等[15]利用RegCM3模式輸出的東北三省日平均溫度和最低溫度，分析了1951—2010年熱量資源以及玉米關(guān)鍵生育期溫度適宜度的時(shí)空分布特征；張麗敏等[16]將東北三省1961—2015年逐日氣象觀測(cè)資料劃分為1961—1980、1981—2000、2001—2015年三個(gè)階段，對(duì)春玉米適宜生長(zhǎng)期的熱量資源、水分資源和光照資源進(jìn)行了研究。但是這些研究多側(cè)重于季尺度、年尺度，或者作物整個(gè)生育期內(nèi)的氣候資源，較少針對(duì)作物關(guān)鍵生育階段的氣候資源進(jìn)行研究[5]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究基于1981—2016年?yáng)|北地區(qū)40個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站點(diǎn)的物候期觀測(cè)記錄以及相應(yīng)的氣象站點(diǎn)平均溫度、最高溫度和降水量等逐日氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)比分析了東北地區(qū)1981—1999、2000—2016年春玉米全生育期(whole growth period，WGP)以及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(vegetative growth period，VGP)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)生殖生長(zhǎng)并進(jìn)期(vegetative and reproductive growth period，VRGP)、生殖生長(zhǎng)期(reproductive growth period，RGP)三個(gè)不同生育階段氣候資源的時(shí)空變化特征，以期為研究氣候變化對(duì)東北地區(qū)春玉米生產(chǎn)的影響及種植制度調(diào)整提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究中的東北地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江三省，位于北緯38.0°～54.0°，東經(jīng)118.5°～135.0°，北、東、西三面環(huán)山，中部有廣闊的三江平原、松嫩平原和遼河平原。東北地區(qū)屬于寒溫帶、中溫帶濕潤(rùn)(半濕潤(rùn))，冬季低溫干燥，夏季較溫暖濕潤(rùn)。1951—2014年年平均溫度為4.95 ℃，1月為全年最冷月，年平均最低溫-0.26 ℃，7月為全年最熱月，年平均最高溫11.07 ℃，年平均≥0 ℃積溫3 273.26 ℃，年平均≥10 ℃積溫2 929.16 ℃，年平均降水量582.47 mm，其中60%集中在7—9月，基本由東南向西北減少。無(wú)霜期153 d，由遼南及東南沿海向北逐漸減少。東北地區(qū)面積遼闊，地勢(shì)平坦，土壤肥沃，耕地面積為26.44萬(wàn)km2，約占全國(guó)耕地總面積的16.5%，是中國(guó)玉米的最大產(chǎn)區(qū)，玉米產(chǎn)量占各類(lèi)糧食總產(chǎn)量的40%左右。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

春玉米物候期觀測(cè)資料源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集，根據(jù)1981—2016年期間農(nóng)業(yè)氣象站(圖1)上報(bào)的農(nóng)業(yè)氣象旬月報(bào)報(bào)文資料整理而得。春玉米物候期數(shù)據(jù)包括40個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站點(diǎn)播種、拔節(jié)、開(kāi)花和成熟期的數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括逐日的最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫、降雨量數(shù)據(jù)。

圖1 東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of agro-meteorological station in northeast China

1.3 研究方法

1.3.1生育期劃分 本研究將春玉米生育階段劃分為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(播種到拔節(jié))、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)期(拔節(jié)到開(kāi)花，簡(jiǎn)稱并進(jìn)期)、生殖生長(zhǎng)期(開(kāi)花到成熟)3個(gè)階段。

1.3.2生育期階段氣候資源計(jì)算步驟 基于農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)春玉米物候期數(shù)據(jù)，計(jì)算1981—1999年和2000—2016年兩個(gè)時(shí)間段的平均播種期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期(圖2，圖中各生育期是指每年的第幾天，為儒歷日，由農(nóng)氣站觀測(cè)的播種、拔節(jié)、開(kāi)花和成熟日期轉(zhuǎn)換而成)，明確春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、并進(jìn)期、生殖生長(zhǎng)期的起始日期，結(jié)合不同年份逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算1981—1999年和2000—2016年不同生育階段的生長(zhǎng)度日(growing degree days, GDD)、平均溫度、平均降雨量、高溫度日(heat degree days, HDD)。

1.3.3熱量指標(biāo)的確定 生長(zhǎng)度日(GDD)用于分析春玉米生長(zhǎng)季熱量積累，指日均溫大于10 ℃的有效積溫。高溫度日(HDD)用于分析春玉米生長(zhǎng)季極端高溫，是高于春玉米生長(zhǎng)上限溫度30 ℃的累積。其計(jì)算過(guò)程[14-19]如下。

(1)

(2)

式中，Tave表示日平均溫度；Tmax表示日最高溫度；Tbase表示玉米生物學(xué)下限溫度(10 ℃)；Topt表示玉米生物學(xué)上限溫度(30 ℃)。

圖2 1981—1999年和2000—2016年春玉米生育期長(zhǎng)度空間分布Fig.2 Mean length spatial distribution of spring maize in growing period during 1981—1999 and 2000—2016

1.3.4數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和空間表達(dá) 采用EXCEL軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用ArcGIS10.0軟件對(duì)東北地區(qū)春玉米物候期的日期、生育期長(zhǎng)度、傾向率進(jìn)行空間表達(dá)。采用克里金插值方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米全生育期氣候資源變化特征

圖3顯示，春玉米全生育期(WGP)的平均溫度、生長(zhǎng)度日(GDD)和高溫度日(HDD)在空間上均呈現(xiàn)相同的自東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)，降雨量呈現(xiàn)自西北向東南增加的趨勢(shì)，其中1981—1999年平均溫度范圍為16.5～21.7 ℃，GDD的范圍為972～1 765 ℃·d，降雨范圍為353～782 mm，HDD范圍是0～46 ℃·d。2000—2016年平均溫度范圍為17.5～22.4 ℃，GDD的范圍為1 077～1 836 ℃·d，降雨范圍為255～672 mm，HDD范圍是0～60 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年的春玉米全生育期平均溫度與GDD在所有區(qū)域都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中平均溫度上升1 ℃左右，GDD增加100 ℃·d左右，一方面是由于氣候變暖提升了全生育期內(nèi)的平均溫度，另一方面播種期提前和成熟期延遲增加了全生育期的長(zhǎng)度，使得生育期內(nèi)熱量資源增加。熱量資源的增加有利于不同熟型的玉米品種種植界限北移；降雨量在黑龍江省略有下降趨勢(shì)，吉林省和遼寧省變化不明顯；HDD在黑龍江省出現(xiàn)了略有上升趨勢(shì)，吉林省和遼寧省變化不明顯。

圖3 1981—1999年和2000—2016年春玉米全生育期氣候資源空間特征Fig.3 Spatial characteristics of climate resources in the whole growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.2 春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期氣候資源變化特征

從圖4可以看出，春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(VGP)的平均溫度、生長(zhǎng)度日(GDD)和高溫度日(HDD)在空間上均呈現(xiàn)相同的自東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)，降雨量呈現(xiàn)自西北向東南增加的趨勢(shì)。其中，1981—1999年平均溫度范圍為13.8～20.5 ℃，GDD的范圍為279～734 ℃·d，降雨范圍為98～240 mm，HDD范圍是0～21 ℃·d。2000—2016年平均溫度范圍為15.4～20.9 ℃，GDD的范圍為269～739 ℃·d，降雨范圍為75～264 mm，HDD范圍是0～26 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年的春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的平均溫度與GDD在所有區(qū)域均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中平均溫度上升0.6 ℃左右，GDD增加50 ℃·d左右，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期內(nèi)的熱量變化最大，這主要由于氣候變暖致使播種期提前和拔節(jié)期的延遲，進(jìn)而增加了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度及熱量資源；降雨量在變化不明顯；HDD在空間上有增加趨勢(shì)，特別是西部地區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)頻率有較大增加。

圖4 1981—1999年和2000—2016年春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期氣候資源空間特征Fig.4 Spatial characteristics of climate resources in the vegetative growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.3 春玉米并進(jìn)期氣候資源變化特征

從圖5可以看出，春玉米并進(jìn)期(VRGP)的平均溫度、生長(zhǎng)度日(GDD)在空間上均呈現(xiàn)相同的自東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)。其中，1981—1999年?yáng)|北春玉米全生育期平均溫度范圍為19.9～24.9 ℃，GDD的范圍為27～73 ℃·d，降雨范圍為83～206 mm，HDD范圍是0～14 ℃·d。2000—2016年?yáng)|北春玉米全生育期平均溫度范圍為20～25 ℃，GDD的范圍為187～459 ℃·d，降雨范圍為49～159 mm，HDD范圍是0～20 ℃·d。相比1981—1999年，由于并進(jìn)期的生育期長(zhǎng)度變化不明顯，各項(xiàng)指標(biāo)在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同特征，2000—2016年黑龍江省平均溫度上升明顯，吉林省和遼寧省變化不明顯；黑龍江省GDD略有減少，吉林省和遼寧省變化不明顯；黑龍江省降雨量變化不明顯，吉林省和遼寧省略有下降；HDD變化趨勢(shì)不明顯。

圖5 1981—1999年和2000—2016年春玉米并進(jìn)期氣候資源空間特征Fig.5 Spatial characteristics of climate resources in the vegetative and reproductive growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

2.4 春玉米生殖生長(zhǎng)期氣候資源變化特征

從圖6可以看出，春玉米生殖生長(zhǎng)期的平均溫度、生長(zhǎng)度日在空間上均呈現(xiàn)相同的自東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)，降雨量呈現(xiàn)自西北向東南增加的趨勢(shì)。1981—1999年生殖生長(zhǎng)期平均溫度范圍為17.6～23.6 ℃，GDD的范圍為410～763 ℃·d，降雨范圍為118.6～343.3 mm，HDD范圍是0～16 ℃·d。2000—2016年平均溫度范圍為18.2～23.8 ℃，GDD的范圍為454～854 ℃·d，降雨范圍為73～380 mm，HDD范圍是0～25.8 ℃·d。相比1981—1999年，2000—2016年春玉米生殖生長(zhǎng)期的平均溫度變化不明顯；GDD在所有區(qū)域都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；黑龍江省降雨量減少，吉林省和遼寧省不明顯；HDD變化趨勢(shì)不明顯。

圖6 1981—1999年和2000—2016年春玉米生殖生長(zhǎng)期氣候資源空間特征Fig.6 Spatial characteristics of climate resources in the reproductive growth period of spring maize during 1981—1999 and 2000—2016

3 討論

氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源和基礎(chǔ)條件，氣候變化對(duì)東北地區(qū)玉米生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響，不同熱量要素表現(xiàn)出不同程度的北移東擴(kuò)趨勢(shì)[20-21]已基本形成共識(shí)。氣候因子是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素，氣候變化導(dǎo)致的熱量資源變化改變了作物的物候期和生育期長(zhǎng)度，Li等[22]研究發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)的41.5%站點(diǎn)玉米播期與抽穗期顯著提前，43.4%的站點(diǎn)成熟期推遲；淮賀舉等[23]研究認(rèn)為，東北地區(qū)春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期、全生育期均呈現(xiàn)延長(zhǎng)的趨勢(shì)，而營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)期變化不明顯。同時(shí),作物也是通過(guò)調(diào)整生育期來(lái)適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的變化，物候期及生育階段的變化導(dǎo)致作物在生長(zhǎng)過(guò)程中光、溫、水及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等吸收和利用發(fā)生變化，最終對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響[24-25]。本研究系統(tǒng)對(duì)比分析了1981—1999年和2000—2016年?yáng)|北地區(qū)春玉米全生育期及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、并進(jìn)期和生殖生殖期內(nèi)的氣候資源特征，認(rèn)為東北地區(qū)春玉米不同生育階段的平均溫度和GDD均有不同程度的增加，這與前人對(duì)春玉米全年、全生育期的氣候資源變化特征研究結(jié)論一致[8,13,16,26]。為更好適應(yīng)玉米不同生育階段熱量條件的變化，可以通過(guò)調(diào)整品種布局和改進(jìn)栽培管理措施，進(jìn)一步提供熱量資源的利用效率，適當(dāng)調(diào)整玉米中、晚熟品種種植界限向北移動(dòng)，界限敏感區(qū)域內(nèi)中、晚熟品種替代了早熟品種，生育期延長(zhǎng)、干物質(zhì)積累增加能夠提高春玉米產(chǎn)量[13]。同時(shí)，要進(jìn)一步加強(qiáng)適宜新品種的培育。一方面，加強(qiáng)極早熟玉米的培育，解決黑龍江北部地區(qū)熱量不足的問(wèn)題；另一方面，要加強(qiáng)中晚熟品種的培育，增長(zhǎng)生育期長(zhǎng)度，充分利用東北地區(qū)南部的熱量中資源。本研究認(rèn)為，不同生育階段的降雨量和HDD變化不明顯，但在品種布局時(shí)，應(yīng)特別注意干旱和高溫風(fēng)險(xiǎn)，氣溫升高增加了極端高溫事件的發(fā)生概率，而極端高溫縮短了春玉米的有效灌漿期，從而可能導(dǎo)致作物早熟，而減產(chǎn)、品質(zhì)下降[27]。氣候資源、品種及栽培管理措施共同決定作物布局及產(chǎn)量，如何通過(guò)改進(jìn)作物栽培管理措施提高氣候資源利用效率、發(fā)揮作物品種的潛能將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。