姜珊 張海旭 張菁 宋曉巍 李石 于璐 王新秀

（1.沈陽(yáng)市氣象局，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)氣象局，遼寧 沈陽(yáng) 110101）

引言

遼寧省作為中國(guó)玉米主要種植基地之一，作物生長(zhǎng)以雨養(yǎng)方式為主［1-2］，溫度及降水是關(guān)系玉米產(chǎn)量安全的關(guān)鍵因素。隨著全球氣候變暖的持續(xù)發(fā)展，中國(guó)農(nóng)業(yè)氣候資源也相應(yīng)出現(xiàn)了變化［3-5］。農(nóng)業(yè)氣候資源能夠?yàn)樽魑锾峁┕?、熱、水、土、空氣等，農(nóng)業(yè)氣候資源的變化將對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生顯著影響［6-8］，尤其在作物生長(zhǎng)季內(nèi)的水熱條件對(duì)其影響最為明顯［9］。因此，研究沈陽(yáng)市春玉米生長(zhǎng)季水熱資源特征，對(duì)于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植結(jié)構(gòu)布局、生產(chǎn)潛力發(fā)展、保障糧食產(chǎn)量安全等具有重要意義。

東北地區(qū)是中國(guó)受氣候變化影響最為明顯的地區(qū)之一［1］，作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和耗水量隨著熱量、降水、蒸散量等的變化而產(chǎn)生影響［10-12］。國(guó)外學(xué)者利用極端高溫對(duì)玉米產(chǎn)量的影響進(jìn)行的研究較多。Lobell等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在非洲地區(qū)，當(dāng)日最高氣溫高于30℃的積溫每增加1℃，玉米產(chǎn)量將減產(chǎn)1.7%；Butler和Huybers［14］對(duì)美國(guó)玉米的極端高溫適應(yīng)性進(jìn)行研究表明，極端氣溫越高玉米適應(yīng)性越差。國(guó)內(nèi)學(xué)者更側(cè)重于利用作物生長(zhǎng)模型以及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)氣候變量的時(shí)空特征進(jìn)行研究［15-17］。由于不同區(qū)域、不同作物、不同時(shí)間尺度、不同生育期內(nèi)的氣候因子特征存在差異，因此，需要對(duì)氣候因子和統(tǒng)計(jì)方法不斷進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)分析不同區(qū)域，不同作物的氣候特征。邱美娟等［18］利用彭曼方程對(duì)吉林省玉米發(fā)育期的降水量、需水量和作物水分虧缺指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得出玉米生長(zhǎng)的前期和后期易發(fā)生干旱，生長(zhǎng)關(guān)鍵期干旱頻率較小。李喜平［19］研究表明，河南省夏玉米各生育階段需水量下降明顯。有研究發(fā)現(xiàn)［20-21］，中國(guó)華北平原玉米生長(zhǎng)季熱量呈增加趨勢(shì)，玉米不同發(fā)育階段對(duì)水分需求和耐旱性有明顯差異。張淑杰等［22］得出中國(guó)東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)季干旱區(qū)域性明顯，在苗期生長(zhǎng)階段干旱頻率最高。張寶林等［23］研究表明，內(nèi)蒙古玉米主產(chǎn)區(qū)的氣溫和積溫均呈增加趨勢(shì)。以往氣候資源研究大多基于積溫的特征分析，而針對(duì)作物生育期內(nèi)的極端氣溫研究較少，且單純針對(duì)作物發(fā)育期的熱量或者水分供需的研究較多，而水熱資源特征結(jié)合生長(zhǎng)季的協(xié)同研究鮮有報(bào)道，以至于難以明確區(qū)域水熱協(xié)同變異過(guò)程對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。為此，根據(jù)1980—2020年沈陽(yáng)市7個(gè)氣象站玉米生長(zhǎng)季氣候資料，利用生長(zhǎng)度日（Grow ing degree days，GDD）和高溫度日（Heat degree days，HDD）指標(biāo)，分析玉米生長(zhǎng)季不同階段溫度和降水資源的時(shí)空變化趨勢(shì)，以期了解沈陽(yáng)市春玉米生長(zhǎng)發(fā)育期熱量資源和水分虧缺情況的時(shí)空分布演變，為充分利用自然資源、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源及處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省氣象信息中心1981—2020年沈陽(yáng)市7個(gè)氣象觀測(cè)站（渾南、蘇家屯、沈北、遼中、新民、康平、法庫(kù)）逐日氣象資料，包括逐日平均氣溫、最高氣溫及降水量。研究區(qū)域觀測(cè)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。數(shù)據(jù)分析利用M icrosoft Excel 2010和SPSS軟件統(tǒng)計(jì)處理，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)?？臻g分析參考王占彪等［24］研究方法，利用ArcGIS 10.7軟件的反距離差值方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，按掩膜提取得到對(duì)應(yīng)空間分布圖。

1.2 研究方法

1.2.1沈陽(yáng)市春玉米生育期劃分

根據(jù)《遼寧省氣象局農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)指標(biāo)集》，將春玉米生育期分為播種期、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期等階段（表1）。

圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution ofmeteorological stations in the study area

表1 沈陽(yáng)市春玉米全育期劃分Table 1 Division of grow th period of spring maize in Shenyang

1.2.2界限溫度及活動(dòng)積溫的確定

計(jì)算農(nóng)業(yè)界限溫度的初、終日期采用“五日滑動(dòng)平均法”，春玉米為喜溫作物，以10℃為界限溫度，即在春玉米生長(zhǎng)時(shí)期第一次出現(xiàn)高于或低于10℃之日起，依序計(jì)算每連續(xù)五日的日平均氣溫的平均值。將界限溫度持續(xù)期內(nèi)的日平均氣溫累加起來(lái)，得到的氣溫總和即為活動(dòng)積溫。

1.2.3熱量指標(biāo)的選取

生長(zhǎng)度日為作物成長(zhǎng)期內(nèi)所累積的有效積溫值，是基于溫度的一個(gè)指數(shù)，代表作物生長(zhǎng)期積累的熱量。本文以日平均氣溫≥10℃作為有效積溫。高溫度日是指高于作物生長(zhǎng)上線溫度的累積熱量，本研究以日最高氣溫大于30℃作為熱量積累。計(jì)算公式為

式（1）—式（4）中，Ta為日平均氣溫；Tb為春玉米生長(zhǎng)期下限溫度；Tm為日最高溫度；To為春玉米生長(zhǎng)期上限溫度。

1.2.4氣候傾向率

氣候傾向率是指氣候要素隨著時(shí)間變化的趨勢(shì)，采用最小二乘法計(jì)算氣候樣本yi與時(shí)間ti的一元線性關(guān)系。

式（5）中，y為氣象要素值；a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)；i為時(shí)間序列；b的10倍作為要素的氣候傾斜率。

1.2.5臨界指標(biāo)的確定

根據(jù)郭建平等［25］、慕臣英等［26］研究和遼寧農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)定量指標(biāo)匯編以及沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，確定該區(qū)域春玉米各生育期的臨界溫度、降水指標(biāo)（表2），其中適宜溫度為日平均溫度范圍，最高溫度為日最高氣溫。

式中：γsr為系統(tǒng)對(duì)外散熱損失比例，取0.5%；Qp為給水泵加入系統(tǒng)的能量，kJ/h；hBFP,in、hBFP,out分別為給水泵進(jìn)、出口給水的焓，kJ/kg。

2 結(jié)果分析

2.1 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期水熱分布

1981—2020年沈陽(yáng)市7個(gè)縣市區(qū)春玉米各生育期GDD、HDD和降水量平均值（表3）。春玉米全育期GDD為1611.2—1791.3℃·d，除蘇家屯外，各地間差異未達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；在播種期、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期各地GDD均有一定的差異，各時(shí)期蘇家屯GDD均高于其他地區(qū)，與渾南的差異不顯著，春玉米在抽雄期和成熟期GDD值最高，播種期GDD最低；近40 a沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期HDD為16.0—30.4℃·d，抽雄期HDD值最高，除苗期外，播種期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期、全育期HDD蘇家屯均高于其他地區(qū)。沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期降水量為453.2—555.3 mm，在抽雄期降水量最多，各生育期降水量康平均低于其他地區(qū)，除抽雄期外，各生育期降水量渾南區(qū)均高于其他地區(qū)。

表2 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米各生育階段臨界溫度、降水指標(biāo)Table 2 Temperature and precipitation indexes of spring maize in different grow th periods in Shenyang

2.2 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期水熱氣候傾向率分布

表3 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生長(zhǎng)季水熱平均值Table 3 Average tem perature and precipitation during the sp ring corn grow ing season in Shenyang from 1981 to 2020

1981—2020年沈陽(yáng)市7個(gè)縣市區(qū)春玉米各生育期GDD、HDD和降水量的氣候傾向率差異明顯，如表4所示。沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期GDD氣候傾向率的平均值為53.94℃·d/10 a，表明沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期生長(zhǎng)熱量持續(xù)增多，除渾南區(qū)在成熟期呈下降趨勢(shì)外，其他縣市區(qū)在春玉米各生育期GDD氣候傾向率均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。春玉米各生育期GDD傾向率蘇家屯區(qū)顯著高于其他地區(qū)。沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期HDD氣候傾向率均呈上升趨勢(shì)，平均值為6.64℃·d/10 a，各地在抽雄期增長(zhǎng)速率最高。除康平在成熟期HDD氣候傾向率為降低趨勢(shì)，其他各地生育期HDD氣候傾向率均為正值。春玉米全生育期，沈陽(yáng)市各地降水量均呈減少趨勢(shì)，均值為-15.0 mm/10 a，各生育期各地降水量趨勢(shì)不同， 在播種期，渾南降水量呈增加趨勢(shì)，其他各地呈減少趨勢(shì)，在苗期，各地降水均呈增加趨勢(shì)，拔節(jié)期各地降水均呈減少趨勢(shì)，抽雄期的新民降雨量呈增加趨勢(shì)，其他各地呈減少趨勢(shì)，成熟期的法庫(kù)降水量呈增加趨勢(shì)，其他各地呈減少趨勢(shì)。

表4 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生長(zhǎng)季水熱氣候傾向率Table 4 Climatic tendency rates of temperature and precipitation during the grow ing season of spring maize in Shenyang from 1981 to 2020

2.3 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期生長(zhǎng)度日的空間分布

沈陽(yáng)地區(qū)春玉米各生育期GDD的空間分布見(jiàn)圖2所示。1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米在各生育期GDD空間分布差異不太顯著，總體上呈現(xiàn)由北向南遞增趨勢(shì)，GDD高值區(qū)范圍主要分布在沈陽(yáng)南部，低值范圍主要分布在沈陽(yáng)北部地區(qū)。在各生育時(shí)期，蘇家屯、渾南區(qū)GDD均較高，除苗期以外，其他各生育期康平及法庫(kù)大部分地區(qū)GDD均最低，在拔節(jié)期，新民、遼中GDD較低，沈北部分地區(qū)GDD較低。在抽雄期、成熟期及全育期各地區(qū)GDD分布較為相似，均呈由北向南遞增趨勢(shì)。

2.4 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期高溫度日的空間分布

1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米在播種期、苗期、拔節(jié)期HDD呈西北—東南走向的遞增趨勢(shì)（圖3），低值分布在新民和遼中一帶，高值分布在渾南、蘇家屯一帶，在抽雄期、成熟期和全育期HDD呈北—南走向的遞增趨勢(shì)，低值分布在康平、法庫(kù)一帶，高值分布在渾南、蘇家屯一帶。不同生育期HDD范圍不同，全育期HDD范圍為16.0—30.4℃·d，其中抽雄期HDD范圍最大。沈陽(yáng)地區(qū)春玉米不同生育期的HDD變化趨勢(shì)基本呈增加趨勢(shì)，HDD的增長(zhǎng)表明春玉米全育期內(nèi)熱量的增加，也表明了蒸發(fā)的增加，作物生育期水分虧缺指數(shù)的增加，高溫干旱風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大［23］。總體來(lái)說(shuō)，近40 a沈陽(yáng)地區(qū)HDD呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在空間上與生長(zhǎng)度日分布趨勢(shì)大致相同。

2.5 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期降水量的空間分布

1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米在各生育期平均降水量空間分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，近40 a沈陽(yáng)地區(qū)春玉米各生育期降水量在空間上基本一致，均呈東南—西北遞減趨勢(shì)，全育期降水量為453.2—555.3 mm，其中低值分布在康平、法庫(kù)、新民地區(qū)，高值分布在沈北、蘇家屯、渾南等沈陽(yáng)市區(qū)?？傮w而言，近40 a沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期降水量空間分布差異不明顯，與沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生長(zhǎng)期GDD和 HDD的空間分布基本一致。

圖2 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米播種期（a）、苗期（b）、拔節(jié)期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）生長(zhǎng)度日空間分布Fig.2 Spatial distributions of accumulated grow ing degree-days（GDD）at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），and the whole grow ing（f）periods of spring maize from 1981 to 2020 in Shenyang

圖3 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米播種期（a）、苗期（b）、拔節(jié)期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）高溫度日空間分布Fig.3 Spatial distributions of accumulated heat degree-days（HDD）at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），whole breeding（f）periods of spring maize from 1981 to 2020 in Shenyang

圖4 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米播種期（a）、苗期（b）、拔節(jié)期（c）、抽雄期（d）、成熟期（e）、全育期（f）降水量空間分布Fig.4 Spatial distributions of accumulated rainfall at sow ing（a），seeding（b），elongation（c），heading（d），maturation（e），and the whole grow ing（f）periods of springmaize from 1981 to 2020 in Shenyang

2.6 沈陽(yáng)地區(qū)春玉米水熱條件相對(duì)于適宜指標(biāo)的變化

1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米不同生育期的年均GDD如圖5所示。整體來(lái)看，沈陽(yáng)地區(qū)春玉米各生育階段GDD均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在成熟期增長(zhǎng)速率最高，其次為苗期，其中，2011—2020年春玉米各時(shí)期GDD增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯大于其他階段，表明隨著氣候變暖，積溫增多，春玉米的播種期將有所提前，生長(zhǎng)期有所延長(zhǎng)。各生育期年均GDD大部分在適宜范圍內(nèi)，超出適宜GDD范圍的年份為3—10 a，其中成熟期GDD超出適宜范圍年份最多，成熟期GDD的增加可加速春玉米的成熟。從空間分布來(lái)看，南部地區(qū)增幅大于北部地區(qū)，法庫(kù)地區(qū)年均GDD值最低，低于適宜范圍的年份最多，在播種期最易出現(xiàn)低于適宜GDD情況；蘇家屯區(qū)春玉米各時(shí)期GDD高于適宜范圍年份最多，其中在成熟期GDD高于適宜范圍的年份占65%。有研究表明GDD的增加對(duì)玉米增產(chǎn)有利，但應(yīng)注意玉米生育期極端高溫或干熱復(fù)合效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響。

圖5 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米不同生育階段年均GDD變化Fig.5 Variation of average annual GDD of spring maize at different grow ing stages in Shenyang from 1981 to 2020

圖6 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米不同生育階段最高氣溫指標(biāo)差Fig.6 Variation ofmaximum temperature index difference during different grow th periods in different areas of Shenyang from 1981 to 2020

不同生育期年均最高氣溫指標(biāo)差日數(shù)在0.6—4.5 d（圖6），其中拔節(jié)期最高氣溫指標(biāo)差最小，成熟期最大，其中蘇家屯區(qū)在成熟期年均最高溫指標(biāo)差為6.5 d，表明春玉米在拔節(jié)期氣溫較為穩(wěn)定，有利于玉米生長(zhǎng)，在抽雄和成熟期易出現(xiàn)極端高溫天氣，春玉米發(fā)育后期的高溫天氣將加速玉米生長(zhǎng)發(fā)育，提前進(jìn)入成熟期，易造成玉米減產(chǎn)。因此，各地應(yīng)根據(jù)春玉米成熟情況及時(shí)收割，保證產(chǎn)量。

圖7 1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米不同生育階段降水量指標(biāo)差Fig.7 Variation of precipitation difference index during different grow th periods in different areas of Shenyang from 1981 to 2020

3 結(jié)論與討論

（1）1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期GDD為1611.2—1791.3℃·d，其 氣 候 傾 向 率 為53.94℃·d/10 a，在播種期、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期各地GDD均有一定的差異；各生育期GDD空間分布差異不太顯著，總體上呈由北向南遞增趨勢(shì)，高值區(qū)集中在沈陽(yáng)南部，低值區(qū)在沈陽(yáng)北部地區(qū)。較好的熱量條件對(duì)于玉米產(chǎn)量的增加和品質(zhì)的提升有利。

（2）1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期HDD以6.64℃·d/10 a的速度遞增，抽雄期HDD占全育期HDD的主要部分，除康平在成熟期HDD氣候傾向率為負(fù)值，其他各地生育期HDD氣候傾向率均為正值；空間分布上呈西北—東南走向的遞增趨勢(shì)，低值集中在新民和遼中地區(qū)，高值集中在渾南、蘇家屯地區(qū)。HDD的增長(zhǎng)將對(duì)春玉米的生長(zhǎng)帶來(lái)不利影響，增加干旱發(fā)生概率。

（3）1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期降水量氣候傾向率均值以-15.0 mm/10 a的趨勢(shì)遞減，降水集中在抽雄期，康平降水量在各生育期均低于其他地區(qū)，空間上呈由東南向西北遞減，低值區(qū)集中在沈陽(yáng)北部地區(qū)，高值集中在沈陽(yáng)市區(qū)。

（4）1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米全育期GDD、HDD呈增加趨勢(shì)，高值區(qū)多集中在沈陽(yáng)南部地區(qū)，但整體降水量呈減少趨勢(shì)，且北部地區(qū)降水量偏少，這就增加了北部地區(qū)春玉米干旱的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取適當(dāng)抗高溫品種與配套栽培措施，并適當(dāng)發(fā)展水利設(shè)施。在相對(duì)干旱地區(qū)，可通過(guò)增加水澆面積來(lái)防御干旱風(fēng)險(xiǎn)，降低干旱影響。

（5）1981—2020年沈陽(yáng)地區(qū)春玉米生育期熱量資源呈增加趨勢(shì)，南部地區(qū)增幅大于北部地區(qū)，各生育階段中成熟期GDD增加速率最快，在抽雄和成熟期易出現(xiàn)極端高溫天氣。整體來(lái)看，有效積溫增多有利于光合產(chǎn)物的積累，雖然降水呈減少趨勢(shì)，但也能滿足春玉米生長(zhǎng)發(fā)育需求，因此沈陽(yáng)地區(qū)近40 a水熱資源時(shí)空的變化對(duì)春玉米產(chǎn)量和品質(zhì)整體影響利大于弊。