付真真，祝光欣，劉志娟，郭世博，李娥，楊曉光

氣候變化背景下中國玉米產(chǎn)區(qū)開花期高溫時空分布特征

付真真，祝光欣，劉志娟，郭世博，李娥，楊曉光

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193

【目的】全球氣候變暖背景下，極端高溫頻發(fā)將會對農(nóng)作物生產(chǎn)造成潛在威脅，因此，基于多種高溫指標(biāo)綜合評估作物生長季高溫時空分布特征對制定有效的災(zāi)害風(fēng)險管理和適應(yīng)措施至關(guān)重要?！痉椒ā恳晕覈衩诐撛诜N植區(qū)為研究區(qū)域，基于第六次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）中2個共享社會經(jīng)濟(jì)情景（Shared Socioeconomic Pathways，SSP1-2.6和SSP5-8.5）下1981—2060年的逐日最高氣溫資料和玉米生育期資料，分析了基準(zhǔn)時段（1981—2014年）和未來（2015—2060年）玉米開花期高溫強(qiáng)度（HSI）、高溫持續(xù)時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）的時空變化特征。【結(jié)果】1981—2014年玉米開花期HSI、AHSD、HDD在黃淮海夏玉米區(qū)和西北灌溉玉米區(qū)最大（區(qū)域均值分別為32.3和33.8℃、8.4和9.8 d、22.9和40.3 ℃·d）。受氣候變暖影響，未來氣候情景下，特別是在SSP5-8.5氣候情景下，我國玉米開花期高溫發(fā)生范圍擴(kuò)大、強(qiáng)度增加，HSI和AHSD增加最大的區(qū)域為北方春播玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，HSI的增加趨勢分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趨勢分別為0.73和1.11 d·(10a)-1。全區(qū)HDD增加最大的區(qū)域為黃淮海夏玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1?！窘Y(jié)論】未來我國玉米開花期高溫發(fā)生范圍將擴(kuò)大、強(qiáng)度將增加；且應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注黃淮海夏玉米區(qū)和北方春播玉米區(qū)的開花期高溫，前者主要由于基礎(chǔ)溫度高，后者主要由于增溫幅度較大?？赏ㄟ^選用抗高溫品種、調(diào)整播種窗口、采用水肥及化學(xué)調(diào)控等綜合措施降低高溫威脅。

玉米；開花期；高溫強(qiáng)度；高溫持續(xù)時間；累積高溫度日

0 引言

【研究意義】聯(lián)合國政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告指出，2001—2020年，全球平均氣溫比1850—1990年間高0.84—1.10 ℃[1]。1981年以來，全球極端高溫天氣的發(fā)生范圍和持續(xù)時間不斷上升，未來很可能會以更高的頻率和更長的持續(xù)時間出現(xiàn)，這使得熱脅迫成為最普遍的非生物脅迫之一，極大地限制了世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2-3]。中國是受氣候變化影響較大的地區(qū)之一，1960—2018年，中國年平均氣溫每10年升高約0.28 ℃，上升速率遠(yuǎn)高于全球平均水平[4]，高溫對我國各主糧作物種植區(qū)的影響會逐步顯現(xiàn)。2012年我國玉米產(chǎn)量超過稻谷，成為我國第一大糧食作物，同時我國是世界第二大玉米生產(chǎn)國和主要的消費(fèi)國。2014年以來，全國玉米種植面積超過4 000萬hm2，占世界玉米種植面積的20.1%；其總產(chǎn)量超過2.4億t，占世界玉米總產(chǎn)量的20.8%[5]，在解決未來糧食安全問題中扮演著重要角色。此外，玉米作為對熱脅迫敏感的作物之一，其生育過程容易受到高溫脅迫的影響，其中以開花期最為敏感[6-9]。張吉旺[10]基于田間生長箱增溫試驗的研究結(jié)果表明，在山東地區(qū)，玉米大喇叭口到成熟期增溫3 ℃可使玉米籽粒產(chǎn)量降低超過45%；抽雄吐絲期極端高溫會導(dǎo)致玉米花粉活性降低，花絲伸長困難，造成雌雄蕊花期不遇而導(dǎo)致授粉率下降，禿尖長度增加，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[11]。因此明確氣候變暖背景下玉米開花期高溫時空分布規(guī)律，對我國玉米適應(yīng)氣候變化以及保證糧食安全具有重要的理論與實踐意義。【前人研究進(jìn)展】高溫脅迫是指環(huán)境溫度超過植物生長發(fā)育的上限溫度，進(jìn)而對植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成造成的損害。不同地區(qū)和不同玉米品種的高溫閾值存在差異，全球尺度下的研究表明，玉米高溫閾值主要集中在32—35 ℃，美國玉米的高溫閾值為29—30 ℃[12]。中國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——主要農(nóng)作物高溫危害溫度指標(biāo)（GB/T 21985- 2008）中，分別以日最高氣溫達(dá)30 ℃和35 ℃作為玉米開花期高溫閾值[13]。前人已采用不同指標(biāo)針對不同區(qū)域玉米生育期內(nèi)極端高溫發(fā)生的時空規(guī)律開展了大量研究。例如，王秀萍等[14]以日最高氣溫達(dá)35 ℃為高溫閾值，從高溫日數(shù)角度分析了河南省1970—2018年夏玉米開花期高溫日數(shù)時空特征；尹小剛等[15]利用日最高溫度大于30 ℃的日數(shù)和積溫研究了1961—2010年東北農(nóng)作區(qū)玉米生育期內(nèi)極端高溫的時空變化特征。陳懷亮等[16]以日最高氣溫大于32 ℃的日數(shù)以及積害量分析并預(yù)估了河南省1951—2050年夏玉米花期高溫災(zāi)害風(fēng)險；商蒙非等[17]以日最高溫度32 ℃為高溫閾值，從高溫度日及氣候傾向率角度分析了1961—2020年我國玉米全生育期高溫度日的時空分布特征?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人針對玉米高溫時空特征開展了大量的研究，但是受研究區(qū)域、研究時段、閾值指標(biāo)以及生育期不同的限制，導(dǎo)致我國不同地區(qū)的結(jié)果缺乏可比性。部分研究選擇的指標(biāo)較為單一，不能充分反映不同地區(qū)玉米高溫時空分布特征。目前，基于最新的氣候變化情景模式（shared socioeconomic pathways，SSP）綜合分析我國不同產(chǎn)區(qū)玉米開花期高溫規(guī)律的研究還鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以我國玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域，采用高溫強(qiáng)度、高溫持續(xù)時間和累積高溫度日3個高溫指標(biāo)，分析基準(zhǔn)時段（1981—2014年）和未來（2015—2060年）不同氣候情景下我國玉米不同產(chǎn)區(qū)開花期高溫的空間分布特征和時間變化趨勢，揭示不同玉米產(chǎn)區(qū)間高溫的時空差異性，為我國玉米生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

以我國玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域，即1981—2014年≥10 ℃的活動積溫在80%保證率下達(dá)到2 100 ℃·d作為種植北界[18-19]。由于青藏高原地區(qū)海拔較高，黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)北部緯度較高，熱量資源相對匱乏，難以廣泛種植玉米；此外，有研究表明，上述3個地區(qū)溫度相對較低，高溫?zé)岷Πl(fā)生的概率相對較低[20-22]，故不作為本文研究區(qū)域。

我國玉米潛在種植區(qū)范圍廣，氣候資源和種植制度差異大，為詳細(xì)解析不同地區(qū)玉米開花期高溫的時空特征，本研究參照前人對我國玉米種植區(qū)劃的研究結(jié)果[23]，將研究區(qū)域劃分為黃淮海夏玉米區(qū)（Huang- Huai-Hai，HHH）、北方春播玉米區(qū)（Northern China，NC）、西北灌溉玉米區(qū)（Northwest China，NWC）、南方丘陵玉米區(qū)（Southern China，SC）和西南山地玉米區(qū)（Southwest China，SWC），如圖1所示。

審圖號：GS京（2023）1240號。下同 Map content approval number: GSJING (2023)1240. The same as below

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 第六次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）提供了新的未來氣候變化情景即共享社會經(jīng)濟(jì)情景（shared socioeconomic pathways，SSP），該情景將包括減緩和適應(yīng)氣候變化活動在內(nèi)的廣泛研究聯(lián)系了起來[24]。因此，本研究采用了最新的SSP情景數(shù)據(jù)。使用全球氣候模型中SSP情景的未來數(shù)據(jù)時須要進(jìn)行降尺度和偏差矯正，即對氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量進(jìn)行訂正使其更接近歷史時期氣候觀測數(shù)據(jù)?？珙I(lǐng)域影響評估模型比較計劃（the inter-sectoral impact model intercomparison project，ISIMIP3b）發(fā)布了偏差矯正和降尺度后的全球網(wǎng)格（0.5°×0.5°）逐日氣象數(shù)據(jù)集。本研究選取了數(shù)據(jù)集中代表性模式（GFDL-ESM4）下的2個代表性情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5）下的氣象數(shù)據(jù)。其中SSP1-2.6氣候情景為低減緩壓力和低輻射強(qiáng)迫影響下的未來氣候情景，至2100年輻射強(qiáng)迫穩(wěn)定在2.6 W·m-2，在該情景下，相對于工業(yè)化革命前多模式集合平均的全球平均氣溫升溫結(jié)果將顯著低于2 ℃，也稱之為可持續(xù)發(fā)展情景；而SSP5-8.5代表高輻射強(qiáng)迫下的未來氣候情景，至2100年輻射強(qiáng)迫達(dá)到8.5 W·m-2。本研究使用的數(shù)據(jù)為日最高氣溫。

1.2.2 玉米生育期數(shù)據(jù) 玉米抽雄期數(shù)據(jù)來源于中國氣象局280個農(nóng)業(yè)氣象觀測站（圖1）。為與未來氣候情景數(shù)據(jù)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)相匹配，本文基于反距離權(quán)重法，將各農(nóng)業(yè)氣象觀測站的生育期數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到各格點(diǎn)的生育期數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫指標(biāo) 基于多年實測生育期資料可知，玉米抽雄吐絲間隔一般為4 d，且研究表明在自然條件下，沒有接收到花粉的花絲活力在吐絲6 d后開始下降，12 d后停止生長且逐漸枯萎[25-26]，因此本研究將各格點(diǎn)開花期確定為抽雄至抽雄后16 d。

1.3.1.1 高溫強(qiáng)度 本文引進(jìn)高溫強(qiáng)度（heat stress intensity，HSI）作為開花期高溫評價指標(biāo)之一，將高溫強(qiáng)度定義為玉米開花期內(nèi)，日最高氣溫超過其溫度閾值時的日最高氣溫平均值，計算公式如下：

式中，為高溫強(qiáng)度（℃）；max_i為第日最高氣溫（℃）；T為玉米開花期高溫閾值，本文根據(jù)中國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——主要農(nóng)作物高溫危害溫度指標(biāo)（GB/T 21985-2008），將T取值為30 ℃；為玉米開花期天數(shù)（d）；當(dāng)玉米開花期日最高溫度max_i≥30 ℃時，T=max_i，當(dāng)max_i＜30 ℃時，T= 0。

1.3.1.2 高溫持續(xù)時間 本文采用高溫持續(xù)時間（accumulated heat stress days，AHSD）作為開花期高溫評價指標(biāo)之一，將高溫持續(xù)時間定義為玉米開花期內(nèi)，日最高氣溫超過其溫度閾值時的天數(shù)，計算公式如下：

式中，為高溫持續(xù)時間（d）；max_i為第日最高氣溫（℃）；T為玉米開花期高溫閾值，本文取30 ℃；為日最高氣溫≥30 ℃的天數(shù)（d），當(dāng)玉米開花期日最高溫度max_i≥30 ℃時，= 1，當(dāng)max_i＜30 ℃時，= 0。

1.3.1.3 累積高溫度日 本文將高溫強(qiáng)度和高溫持續(xù)時間相結(jié)合，引進(jìn)累積高溫度日（heat degree-days，HDD）作為開花期高溫評價綜合指標(biāo)，將累積高溫度日定義為玉米開花期內(nèi)高于溫度閾值的熱時數(shù)，計算公式如下：

式中，為累積高溫度日（℃·d），max_i為第日最高氣溫（℃），T為玉米開花期高溫閾值，本文取30 ℃。

1.3.2 氣候傾向率 氣候傾向率是表征氣象要素多年變化趨勢的指標(biāo)，通常以氣候要素時間序列回歸系數(shù)的10倍表示，根據(jù)最小二乘法建立氣候變量與時間的回歸方程：

x=+×t（4）

式中，x為氣候要素，為截距，為回歸系數(shù)，t為時間序列的年份，以的10倍作為該要素的氣候傾向率，其值大于0表示該要素隨時間變化呈增加趨勢，反之呈減少趨勢。采用檢驗對農(nóng)業(yè)氣候資源的年際變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果通過=0.05的顯著性檢驗，為變化趨勢顯著；通過=0.01的顯著性檢驗，為變化趨勢極顯著。

1.4 數(shù)據(jù)處理和空間分析

使用SPSS和R-4.0.2對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和作圖。

2 結(jié)果

2.1 玉米開花期高溫強(qiáng)度時空分布特征

為更好地解析未來不同時段玉米開花期高溫的時空分布特征，將未來時段進(jìn)一步劃分為2030s（2015— 2040年）和2050s（2041—2060年）。由圖2可知，1981—2060年我國玉米開花期高溫強(qiáng)度（HSI）總體呈現(xiàn)出西北內(nèi)陸地區(qū)最長，東南沿海地區(qū)次之，東北-西南條帶較短的特征。HSI高值區(qū)主要位于西北灌溉玉米區(qū)南部，低值區(qū)主要位于北方春播玉米區(qū)的東部和中部以及西南山地玉米區(qū)的南部等地區(qū)。

1981—2014年研究區(qū)域玉米開花期HSI為（31.6±1.5）℃，變化范圍為30.2—39.7 ℃；黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)的HSI分別為（32.3±0.9）℃、（30.4±0.9）℃、（33.8±1.6）℃、（31.9±0.7）℃和（30.5±0.7）℃。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s）研究區(qū)域HSI分別為（32.9±1.8）℃和（33.8±1.7）℃，與基準(zhǔn)時段（1981—2014年）相比，分別增加了1.3和2.2 ℃；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s分別增加了1.7和2.6 ℃、2.6和3.7 ℃、1.9和2.8 ℃、0.8和1.0 ℃、1.1和1.7 ℃（圖3）。SSP5-8.5情景下未來2個時段研究區(qū)域HSI分別為（33.2±1.7）℃和（34.8±1.9）℃（圖2），與基準(zhǔn)時段相比，分別增加了1.6和3.2 ℃；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s分別增加1.8和3.4 ℃、2.9和4.3 ℃、1.5和3.5 ℃、0.6和1.4 ℃、1.4和2.3 ℃（圖3）。

圖2 1981—2060年我國玉米開花期高溫強(qiáng)度平均值

由圖4可知，1981—2014年我國玉米開花期HSI總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.21 ℃，但區(qū)域差異明顯；雖然黃淮海夏玉米區(qū)HSI較大，但北部地區(qū)近34年呈明顯降低趨勢，大部分降低超過0.50 ℃·(10a)-1；北方春播玉米區(qū)HSI傾向率的變異性最大，高值區(qū)集中在東北地區(qū)，大部分格點(diǎn)增幅超過1.00 ℃·(10a)-1，低值出現(xiàn)在內(nèi)蒙古，減幅大于1.00 ℃·(10a)-1；西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)HSI主要呈增加趨勢，但幅度較小，主要集中在0.10—0.50 ℃·(10a)-1；西南山地玉米區(qū)南部增幅大于1.00 ℃·(10a)-1，北部則小于0.50 ℃·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區(qū)域玉米開花期HSI均呈增加趨勢，平均每10年分別增加0.49和0.82 ℃，均高于基準(zhǔn)時段，其中增幅最大的為北方春播玉米區(qū)，SSP1- 2.6和SSP5-8.5氣候情景下區(qū)域平均分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1。

2.2 玉米開花期高溫持續(xù)時間時空分布特征

由圖5可知，1981—2060年我國玉米開花期高溫持續(xù)時間（AHSD）總體呈現(xiàn)出西北內(nèi)陸地區(qū)和東南沿海地區(qū)較長，東北-西南條帶較短的特征。AHSD高值區(qū)主要位于西北灌溉玉米區(qū)中部和南部，低值區(qū)位于北方春播玉米區(qū)東部以及西南山地玉米區(qū)南部等地區(qū)。

1981—2014年研究區(qū)域玉米開花期AHSD為（6.9±4.1） d，變化范圍為0.1—13.1 d；黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)的AHSD分別為（8.4±3.4） d、（4.3±3.4） d、（9.8±4.9） d、（8.8±2.6） d、（3.9±3.1） d。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s），研究區(qū)域AHSD分別為（9.1±3.6） d和（9.9±4.0）d，與基準(zhǔn)時段（1981—2014年）相比，分別增加2.2和3.0 d；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s AHSD分別增加了2.6和3.8 d、2.6和3.9 d、1.8和1.9 d、1.8和2.5d、2.3和3.0 d（圖3）。SSP5-8.5情景下未來2個時段研究區(qū)域AHSD分別為（8.5±4.3） d和（10.5±3.9） d（圖5），與基準(zhǔn)時段相比，分別增加1.6和3.6 d；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s AHSD分別增加2.0和4.1 d、1.7和4.4 d、1.2和2.6 d、1.2和2.9 d、2.2和4.5 d（圖3）。

ER整個研究區(qū)域；HHH黃淮海夏播玉米區(qū)；NC北方春播玉米區(qū)；NWC西北灌溉玉米區(qū)；SC南方丘陵玉米區(qū)；SWC西南山地玉米區(qū)。下同

圖5 1981—2060年我國玉米開花期高溫持續(xù)時間平均值

由圖6可知，1981—2014年我國玉米開花期AHSD總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.16 d，但變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征，其中黃淮海夏玉米區(qū)AHSD較長，但北部和西部大部分格點(diǎn)呈減少趨勢，平均每10年減少0.54 d，而南部地區(qū)呈增加趨勢，增長率超過1.00 d·(10a)-1；北方春播玉米區(qū)AHSD傾向率的變異性也較大，區(qū)域平均值為0.02 d·(10a)-1，高值區(qū)集中在東北地區(qū)，增加幅度為1.00—2.00 d·(10a)-1，低值出現(xiàn)在陜西省和山西省，減小幅度大于2.00 d·(10a)-1；西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)的AHSD主要呈增加趨勢，但幅度較小，主要集中在0.10—0.80 d·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區(qū)域玉米開花期AHSD均呈增加趨勢，平均每10年分別增加0.52和0.91 d，且增加速率均高于基準(zhǔn)時段，其中增幅最大的為北方春播玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下區(qū)域平均分別為0.73 d·(10a)-1和1.11 d·(10a)-1。

圖6 1981—2060年我國玉米開花期高溫持續(xù)時間的氣候傾向率

2.3 玉米開花期累積高溫度日時空分布特征

由圖7可知，1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日（HDD）總體呈現(xiàn)出西北內(nèi)陸地區(qū)最長，東南沿海地區(qū)次之，東北-西南條帶較短的特征。HDD高值區(qū)主要位于西北灌溉玉米區(qū)中部和南部，低值區(qū)位于北方春播玉米區(qū)東部和西南山地玉米區(qū)中部等地區(qū)。

1981—2014年研究區(qū)域玉米開花期HDD為（20.3±18.6）℃·d；黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)的HDD分別為（22.9±12.0）℃·d、（9.3±4.1）℃·d、（40.3±25.9）℃·d、（19.5±9.4）℃·d、（6.5±4.3）℃·d。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s），研究區(qū)域HDD分別為（31.4±19.6）℃·d和（35.7±20.2）℃·d，與基準(zhǔn)時段（1981—2014年）相比，分別增加11.1和15.4 ℃·d；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s分別增加了13.2和20.5 ℃·d、8.6和13.2 ℃·d、18.0和21.5 ℃·d、7.8和12.6 ℃·d、5.9和8.8 ℃·d（圖3）。SSP5-8.5情景下未來兩個時段研究區(qū)域HDD分別為（27.7± 16.6）℃·d和（41.5±23.2）℃·d（圖7），與基準(zhǔn)時段相比，分別增加7.4和21.2 ℃·d；其中黃淮海夏玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)在2030s和2050s分別增加8.6和26.9 ℃·d、5.3和16.6 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d、7.0和16.8 ℃·d、5.5和15.1 ℃·d（圖3）。

圖7 1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日平均值

由圖8可知，1981—2014年我國玉米開花期HDD總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.77 ℃·d，但區(qū)域差異明顯；黃淮海夏玉米區(qū)HDD變化趨勢呈較大空間變異性，北部和西部部分格點(diǎn)呈明顯的減少趨勢，減少超過2.00 ℃·d·(10a)-1，東部地區(qū)部分格點(diǎn)則呈增加趨勢，增加超過2.00 ℃·d·(10a)-1；北方春播玉米區(qū)HDD傾向率主要集中在-0.80— 1.00 ℃·d·(10a)-1，東北地區(qū)主要呈增加趨勢，低值出現(xiàn)在中部地區(qū)，山西省和陜西省大部分格點(diǎn)呈現(xiàn)出大于4.00 ℃·d·(10a)-1的變化幅度；西北灌溉玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)的HDD呈增加趨勢，但幅度較小。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區(qū)域HDD均呈增加趨勢，平均每10年增加2.55和5.01 ℃·d，均高于基準(zhǔn)時段，其中增幅最大區(qū)域為黃淮海夏玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下區(qū)域平均分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。

總體上，1981—2060年，研究區(qū)域內(nèi)玉米開花期HSI、AHSD和HDD較高的區(qū)域為黃淮海夏玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)和西北灌溉玉米區(qū)（圖9）。受氣候變暖的影響，全區(qū)HSI和AHSD增加最大的區(qū)域為北方春播玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下HSI的增加趨勢分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趨勢為0.73和1.11 d·(10a)-1。全區(qū)HDD增加最大的區(qū)域為黃淮海夏玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注黃淮海夏玉米區(qū)和北方春播玉米區(qū)的高溫風(fēng)險。

圖8 1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日的氣候傾向率

圖9 1981—2060年我國玉米產(chǎn)區(qū)區(qū)域尺度開花期高溫強(qiáng)度（HSI）、高溫持續(xù)時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）的時間變化趨勢

3 討論

受全球氣候變化的影響，我國大部分地區(qū)增溫顯著，作物生長季內(nèi)熱量資源增加，為中高緯度地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來有利影響，但同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)[27-28]，其中高溫脅迫已然成為影響作物生長發(fā)育的主要非生物脅迫之一[29-30]。因此，本文研究了1981—2060年我國玉米潛在種植區(qū)玉米開花期高溫強(qiáng)度、持續(xù)時間和累積高溫度日的時空分布特征，可為我國制定合理的玉米防災(zāi)減災(zāi)對策、保障玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

3.1 玉米開花期高溫及其對玉米生產(chǎn)的影響

開花期是玉米的溫度敏感期，期間溫度超過理論溫度閾值將會降低花粉活性導(dǎo)致穗粒數(shù)減少以及增加呼吸消耗等對作物產(chǎn)量造成影響。本研究以玉米開花期日最高溫度≥30 ℃作為高溫閾值，選取高溫強(qiáng)度（HSI）、高溫持續(xù)時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）3個指標(biāo)，分析了全國玉米主要產(chǎn)區(qū)開花期高溫的時空變化趨勢。其中HSI和AHSD表征了溫度超過理論溫度閾值的強(qiáng)度以及持續(xù)時間，HDD將高溫強(qiáng)度和持續(xù)時間結(jié)合起來，3個指標(biāo)可綜合反映玉米開花期遭受的高溫?zé)岷︼L(fēng)險[31]。研究結(jié)果表明，1981—2060年我國玉米開花期高溫時空分布特征主要體現(xiàn)為黃淮海夏玉米區(qū)和西北灌溉玉米區(qū)高溫脅迫較南方丘陵玉米區(qū)、北方春播玉米區(qū)和西南山地玉米區(qū)強(qiáng)度大、持續(xù)時間長；SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下未來兩個時段（2030s和2050s）高溫脅迫較基準(zhǔn)時段（1981—2014年）更嚴(yán)重，且SSP5-8.5情景高于SSP1-2.6情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來兩個時段整個研究區(qū)域HDD較基準(zhǔn)時段分別增加11.1和15.4 ℃·d、7.4和21.2 ℃·d），其中增幅最大的是西北灌溉玉米區(qū)，與1981—2014年相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來2個時段（2030s和2050s）HDD分別增加18.0和21.5 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d；這與中高緯度升溫幅度較高的全球氣候變化特征是一致的[32]?，F(xiàn)有研究表明極端高溫已對作物產(chǎn)量造成較大的影響，IPCC第六次評估報告表明，1961—2017年，極端高溫已經(jīng)對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生了強(qiáng)烈的負(fù)面影響[1]，研究表明，高于30 ℃以上溫度增加會導(dǎo)致玉米產(chǎn)量下降25%[33]。Rising等[34]研究結(jié)果表明，HDD每增加一個標(biāo)準(zhǔn)差，美國的玉米產(chǎn)量將會下降10%以上。在我國西北灌溉玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)和北方春播玉米區(qū)降水量偏少且年際波動大，因此高溫和干旱常相伴發(fā)生[35]，因此，在未來氣候變化下，應(yīng)更關(guān)注這些地區(qū)的高溫干旱脅迫，加強(qiáng)災(zāi)害的預(yù)警與防范。

3.2 降低高溫不利影響的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施

目前認(rèn)為培育耐熱性強(qiáng)的品種是降低玉米開花期高溫影響的最有效的方法之一[36]，研究表明，耐熱型玉米能夠適應(yīng)高溫環(huán)境并在該環(huán)境下也具有較強(qiáng)的光合能力，降低高溫對玉米的損傷[37]。氣候變暖增加了作物生長季節(jié)的熱資源，擴(kuò)大了玉米的可調(diào)節(jié)播期范圍，因此，可以適當(dāng)提前播種，使得玉米開花期避開高溫時段，早播配合地膜培育壯苗減小高溫對玉米生產(chǎn)的不利影響[38-39]。植物激素作為高效的調(diào)節(jié)劑，能夠增強(qiáng)植物的抗逆性[40]；增施有機(jī)肥能夠減緩植株根系衰老，增施鉀肥能夠提高植株葉片的含水量，氣象年景預(yù)測配合合理施肥對玉米抵御高溫脅迫非常重要[41-42]；同時合理灌溉可以降低田間溫度，增強(qiáng)植株蒸騰作用[15]；因此在田間管理方面可以采取噴施外源激素或調(diào)控水肥等措施，來緩解高溫對玉米生長的抑制作用，從而有效降低高溫帶來的不利影響。同時，高溫和干旱往往協(xié)同發(fā)生，噴施葉面抑蒸保濕劑以及土壤化學(xué)抑蒸劑可以減少葉面和土壤無效蒸發(fā)，是農(nóng)業(yè)化學(xué)節(jié)水增產(chǎn)的新途徑[43-44]。此外，還要加強(qiáng)高溫災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警，提高農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平，引導(dǎo)農(nóng)民及時防患于未然。

3.3 本研究不足及未來研究展望

本研究僅以日最高氣溫作為高溫?zé)岷Φ脑u估依據(jù)，未綜合考慮降水，相對濕度等其他氣象要素的影響，前人研究表明，空氣濕度和氮肥施用量亦會對作物的高溫受害程度造成一定影響[45-48]，因此在空氣濕度較大的南方和東部沿海地區(qū)僅使用單一要素評估高溫的影響，可能高估了玉米開花期的高溫?zé)岷?qiáng)度和范圍，相反則可能低估了雨養(yǎng)地區(qū)和內(nèi)陸干旱地區(qū)的高溫?zé)岷?qiáng)度和范圍。此外玉米開花期的高溫脅迫受品種抗逆性、基因型、栽培措施、土壤環(huán)境等植物自身和環(huán)境特性的影響，不同的品種和栽培措施影響下存在地區(qū)差異[45]。隨著氣候變化和品種更替，有必要進(jìn)一步探索各區(qū)域不同品種的高溫閾值。

4 結(jié)論

1981—2014年，玉米開花期高溫強(qiáng)度（HSI）的高值區(qū)位于黃淮海夏玉米區(qū)（（32.3±0.9）℃）和西北灌溉玉米區(qū)（（33.8±1.6）℃），在未來氣候變化情景下（SSP1-2.6和SSP5-8.5），增幅最大的區(qū)域為北方春播玉米區(qū)，在上述2個情景下氣候傾向率分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，且與基準(zhǔn)時段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來2個時段（2030s和2050s）分別增加2.6和3.7 ℃、2.9和4.3 ℃；1981—2014年，玉米開花期高溫持續(xù)時間（AHSD）的高值區(qū)為西北灌溉玉米區(qū)（（9.8±4.9）d）和南方丘陵玉米區(qū)（（8.8±2.6）d），未來氣候變化下增幅最大的區(qū)域為北方春播玉米區(qū)，與基準(zhǔn)時段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來兩個時段分別增加2.6和3.9 d、1.7和4.4 d；1981—2014年，玉米開花期累積高溫度日（HDD）的高值區(qū)位于西北灌溉玉米區(qū)（（40.3±25.9）℃·d）和黃淮海夏玉米區(qū)（（22.9± 12.0）℃·d），在未來氣候變化下全區(qū)HDD增加最大的區(qū)域為黃淮海夏玉米區(qū)，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，隨著全球氣候變暖，我國玉米潛在種植區(qū)玉米開花期高溫強(qiáng)度（HSI）、高溫持續(xù)時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）將呈升高趨勢，應(yīng)特別關(guān)注黃淮海夏玉米區(qū)和北方春播玉米區(qū)高溫對玉米生產(chǎn)的影響，通過選用抗高溫品種、調(diào)整播種窗口、采用水肥及化學(xué)調(diào)控等措施，有效規(guī)避高溫風(fēng)險、降低高溫?fù)p失。

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Spatial-Temporal Variations of High Temperature During Flowering Period in Maize-Producing Areas of China Under Climate Change

FU ZhenZhen, ZHU GuangXin, LIU ZhiJuan, GUO ShiBo, LI E, YANG XiaoGuang

College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193

【Objective】Under the background of global warming, the frequent occurrence of extreme high temperature would threaten crop production greatly. Therefore, the spatial-temporal variations of high temperature during crop growth period based on several heat stress index were cleared, which was crucial for developing effective disaster risk management and adaptation measures. 【Method】In this study, the maize potential planting area was focused on. Based on the daily maximum temperature data from 1981 to 2060 in two Shared Socioeconomic Pathways scenarios (SSP1-2.6 and SSP5-8.5) of Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) and maize phenology data, we analyzed the spatial distribution and temporal trend of the heat stress intensity (HSI), accumulated heat stress days (AHSD), and heat degree-days (HDD) during flowering period of maize in the baseline period (1981-2014) and future period (2015-2060).【Result】From 1981 to 2014, the HSI, AHSD and HDD during the flowering period of maize were the largest in Huang-Huai-Hai (HHH) and Northwest China (NWC), with the average value of 32.3 and 33.8 ℃, 8.4 and 9.8 d, 22.9 and 40.3 ℃·d, respectively. Due to climate warming, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range under the two climate scenarios, especially in SSP5-8.5. The largest temporal trend of HSI and AHSD occurred in Northern China (NC), under SSP1-2.6 and SSP5-8.5. The increasing trend of HSI were 0.97 and 1.16 ℃·(10a)-1, and the increasing trend of AHSD were 0.73 and 1.11 d·(10a)-1. The largest temporal trend of HDD occurred in HHH, under SSP1-2.6 and SSP5-8.5, with the increasing trend of 2.68 and 5.26 ℃·d·(10a)-1. 【Conclusion】In the future, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range, especially for HHH and NC. The former was mainly due to the high base temperature, and the latter was due to the large warming trend. The loss caused by high temperature could be reduced by selecting high temperature resistant varieties, adjusting the sowing window, adopting water, fertilizer, and chemical management measures.

maize; flowering period; heat stress intensity; accumulated heat stress days; heat degree-days

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.014.005

2022-08-25；

2022-12-05

國家自然科學(xué)基金面上項目（42175190）、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“2115人才工程”

付真真，E-mail：fuzhenzhen@cau.edu.cn。通信作者劉志娟，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩，李莉）