錦州地區(qū)春玉米物候變化趨勢及其與水熱條件的關(guān)系

趙先麗 蔡福 丁抗抗 王賽頔 王笑影 張慧 賈慶宇 溫日紅 吳航

（1．中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧沈陽 110166；2.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；3.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧沈陽 110166；4.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧錦州 121001）

引言

IPCC第六次評估報告表明，1850—1900年全球地表平均溫度已上升約1.00℃，2011—2020年平均溫升相比工業(yè)化前（1850—1900年）增高了1.09℃，到21世紀(jì)中期全球平均溫度預(yù)計將升高達(dá)到或超過1.50℃，溫度劇烈升高導(dǎo)致世界各地氣候變化加?。?］。氣候變暖背景下，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響更加顯著，特別是作物生長季內(nèi)氣候條件的變化。東北地區(qū)是中國增溫最顯著且受氣候變化影響最敏感的地區(qū)之一，作為以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的糧食主產(chǎn)區(qū)，氣候變化對作物的影響更大［2-5］。1960—2019年東北地區(qū)年平均氣溫增加率為0.28℃／10 a，≥0℃積溫增加率為61.16℃／10 a，≥10℃積溫增加率為57.09℃／10 a［6］；1960—2010年東北地區(qū)平均氣溫增加率為0.34℃／10 a，其中20世紀(jì)80年代末增溫顯著，日最低氣溫增加率為0.48℃／10 a，日最高氣溫增加率為0.24℃／10 a，≥0℃積溫增加率為60.13℃／10 a，≥10℃積溫增加率為62.79℃／10 a，而年降水量（-6.82 mm／10 a）呈減少的趨勢且波動較大，特別是1981—2010年降水波動幅度更大［7-10］。玉米是東北地區(qū)重要的糧食作物，2019年東北地區(qū)玉米種植面積已達(dá)1.28×107hm2，產(chǎn)量達(dá)8.87×107t，約占全國玉米總產(chǎn)量的30.9%，占東北糧食總產(chǎn)量的64.2%［11-12］，可見玉米生產(chǎn)在糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。

玉米是喜溫作物，生長發(fā)育各階段都需要適宜的氣候條件才能完成，生長季農(nóng)業(yè)氣候資源是玉米生長和發(fā)育過程的決定因子。因此，探討氣候變暖背景下東北地區(qū)春玉米水熱資源的變化及其潛在的影響，具有重要的意義。研究表明［13-15］，近年來東北地區(qū)熱量資源增加，降水資源減少或變化不明顯。關(guān)于東北地區(qū)春玉米物候的相關(guān)研究較多，但由于選取的觀測站點及農(nóng)業(yè)管理措施、施肥、品種等不同，物候期的變化也不同。研究表明［16-19］，東北地區(qū)玉米41.5%的站點出苗期顯著提前，17.0%的站點顯著推遲；41.5%的站點抽雄期顯著提前，13.2%的站點顯著推遲；43.4%的站點成熟期顯著推遲。對于生育階段，43.4%的站點營養(yǎng)生長階段長度縮短，56.6%的站點延長；22.6%的站點生殖生長階段長度縮短，77.4%的站點延長；33.9%的站點全生育期長度顯著延長［16，20-23］。

玉米不同生育期對水熱因子的敏感性不同，研究春玉米不同生育期水熱因子的變化特征非常重要。因此，利用遼寧省錦州地區(qū)春玉米物侯和氣象觀測資料，分析氣候變化背景下春玉米生育期的變化特征及其與水熱條件的關(guān)系，探討影響春玉米生育期的水熱因子，以期為應(yīng)對未來氣候變化措施提供參考，為合理的開發(fā)利用農(nóng)業(yè)氣候資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錦州農(nóng)業(yè)氣象試驗站（121°10′E，41°09′N）位于遼寧省西南部地區(qū)，海拔高度為25 m，屬于中國七大玉米帶中的東北玉米帶，典型的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為9.50℃，1月平均氣溫為-8.00℃，7月平均氣溫為24.40℃，年降水量為540～640 mm。玉米生育期為5—9月，土壤為典型棕壤。

1.2 資料來源

所用資料來源于錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，包括1980—1984年和2004—2020年春玉米資料和氣象觀測資料，春玉米觀測資料為發(fā)育期日期（包括播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟和成熟日期），主要為丹玉6號、丹玉39、丹玉42、丹玉47、丹玉405、農(nóng)大95、中科10號、錦玉118、海禾69、先玉335、沈海69等中晚熟品種（生育期長度為120～140 d）。氣象資料包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量。

1.3 研究方法

采用相關(guān)分析法、通徑分析法、趨勢系數(shù)和線性傾向率法［23-25］分析春玉米發(fā)育期的變化特征及其與水（降水量、有效降水、累積降水和累積有效降水）熱（日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、≥10℃活動積溫和生長度日）條件的關(guān)系；其中，苗期是指播種日期—出苗普遍期，三葉期是指出苗普遍期—三葉普遍期，七葉期是指三葉普遍期—七葉普遍期，拔節(jié)期是指七葉普遍期—拔節(jié)普遍期，抽雄期是指拔節(jié)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，營養(yǎng)生長期是指播種日期—抽雄普遍期，生殖生長期是指抽雄普遍期—成熟普遍期，全生育期是指播種日期—成熟普遍期。

1.3.1 通徑分析

通徑分析是分析多個自變量和因變量之間線性關(guān)系的一種重要統(tǒng)計方法。根據(jù)通徑分析，可以獲得每個自變量對因變量影響的直接作用和間接作用，具有直觀、精確的優(yōu)點，可以全面反映每個自變量對因變量的作用效應(yīng)，揭示每個變量對研究結(jié)果的相對重要性。

對于多個自變量和因變量相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，n個自變量x（i＝1，2，…，n）和1個因變量y之間的回歸方程為

直接通徑系數(shù)（Pi）表示自變量xi對因變量y的直接作用，公式為

式（2）中，bxi為自變量的回歸系數(shù)；σxi為自變量的標(biāo)準(zhǔn)差；σy為因變量標(biāo)準(zhǔn)差。

間接通徑系數(shù)Pij，如xj對y的間接通徑系數(shù)公式為

式（3）中，Pij為自變量xi通過自變量xj對因變量y的間接作用；rij為兩個性狀間的相關(guān)系數(shù)；Pjy為xj對y的直接通徑系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的平方即為決定系數(shù)，在多元回歸分析中，通徑系數(shù)的平方即為決定系數(shù)，變量間相關(guān)的密切程度通過決定系數(shù)大小決定，某個自變量x對因變量y的決定系數(shù)為

式（4）中，Pi為自變量xi對因變量y的通徑系數(shù)。

兩個不同自變量對因變量的決定系數(shù)dyij為

式（5）中，Pyi、Pyj分別表示自變量xi和xj與因變量y的直接通徑系數(shù)；rij為自變量xi與xj的相關(guān)系數(shù)［25］。

1.3.2 ≥10℃活動積溫（DT10）

活動溫度指高于或等于生物學(xué)下限溫度的日平均溫度，≥10℃活動積溫（DT10，℃·d）是玉米生長的重要熱量指標(biāo)之一，用玉米生長季內(nèi)日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫之和表示［26］，即

式（6）中，a、b分別為玉米生長季內(nèi)逐日平均氣溫≥10℃的起始日期和終止日期，采用5日滑動平均法確定；Ti為日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫（℃）。

1.3.3 生長度日（GDD）

生長度日（Growing Degree Days，GDD）是分析作物生長的整個熱量指標(biāo)，主要是指在某一特定環(huán)境因子影響下，植物能夠完成整個生育階段所積累的有效積溫，能夠較好地表征作物生育期的熱量資源。GDD公式為

式（7）中，Tmax為日最高氣溫；Tmin為日最低氣溫；Tb為玉米生長季生物學(xué)下限溫度10℃，玉米生長的溫度范圍為10～30℃。本文采用兩種計算方法，第一種（GDD1），（Tmax＋Tmin）／2＝Tave，Tave為日平均氣溫，當(dāng)Tave＜10℃時，記為10℃，當(dāng)Tave＞30℃時，記為30℃；第二種（GDD2），當(dāng)Tmin和Tmax＜10℃時，記為10℃，當(dāng)Tmin和Tmax＞30℃時，記為30℃［13，27-28］。

1.3.4 有效降水（Pe）

有效降水（Effective Precipitation，Pe）指干旱地區(qū)滿足作物蒸發(fā)消耗的降水量，能夠滲到地下，被植物根系所吸收的降水。本文采用有效降水［29-30］經(jīng)驗公式為

式（8）中，Pe為有效降水量（mm）；a為有效降水系數(shù)；P為日降水量（mm）。通常認(rèn)為5 mm以下降水為無效降水，因此a的取值采用以下經(jīng)驗系數(shù)

1.3.5 累積降水和累積有效降水

累積降水指某一生育階段日降水量的累積求和；累積有效降水指某一生育階段日有效降水的累積求和。

2 結(jié)果分析

2.1 春玉米生育期變化趨勢

2.1.1 播種日期和成熟日期變化

錦州地區(qū)春玉米播種日期變化較大（圖1a），距平變化為-13.00～19.00 d，整體呈推后的趨勢，傾向率為0.92 d·a-1；春玉米成熟日期整體呈推后的趨勢，傾向率為0.90 d·a-1，其中1980—1983年均為提前趨勢，距平變化為-23.00～-13.00 d，2004年后基本為正距平（圖1b），距平變化為-4.00～13.00 d，2004年以后成熟日期呈微弱的提前趨勢，傾向率為-0.10 d·a-1。

圖1 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米播種日期（a）和成熟日期（b）距平變化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 生育期長度變化

錦州地區(qū)春玉米出苗期長度總體呈顯著（P＜0.05，下同）縮短的趨勢（表1），距平變化為-4.82～4.18 d，傾向率為-0.28 d·a-1（圖2a）；三葉期長度總體呈縮短的趨勢，距平變化為-3.14～3.86 d，傾向率為-0.18 d·a-1（圖2b）；七葉期長度總體呈縮短的趨勢，距平變化為-7.68～7.32 d，傾向率為-0.35 d·a-1（圖2c）；拔節(jié)期長度總體呈極顯著（P＜0.01，下同）縮短的趨勢，距平變化為-5.95～9.05，傾向率為-0.26 d·a-1（圖2d）；抽雄期長度總體呈顯著延長的趨勢，距平變化為-5.59～7.41 d，傾向率為0.33 d·a-1（圖2e）；乳熟期長度總體呈弱的縮短趨勢，距平變化為-8.00～8.00 d，傾向率為-0.08 d·a-1（圖2f）；成熟期長度總體呈極顯著延長的趨勢，距平變化為-20.27～12.73 d，傾向率為0.80 d·a-1（圖2g）。

圖2 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米出苗期（a）、三葉期（b）、七葉期（c）、拔節(jié)期（d）、抽雄期（e）、乳熟期（f）和成熟期（g）長度距平變化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年錦州地區(qū)春玉米生育期長度變化趨勢Table 1 Changing trend of growth period length of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

錦州地區(qū)春玉米營養(yǎng)生長期長度總體呈極顯著縮短的趨勢（表1），距平變化為-13.18～10.82 d，傾向率為-0.74 d·a-1（圖3a）；生殖生長期長度總體呈極顯著延長的趨勢，距平變化為-17.27～11.73 d，傾向率為0.72 d·a-1（圖3b）；全生育期長度總體呈弱的延長趨勢，距平變化為-14.45～20.55 d，傾向率為-0.02 d·a-1（圖3c）。

圖3 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米營養(yǎng)生長期（a）、生殖生長期（b）和全生育期（c）長度距平變化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 水熱條件變化趨勢

1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米各生育期水熱條件的變化趨勢不同，其中熱量條件變化顯著，而水分條件變化不顯著。對于熱量條件，春玉米多數(shù)生育期氣溫、GDD和DT10呈增加趨勢，其中出苗期的日平氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫均極顯著增加，抽雄期、乳熟期、營養(yǎng)生長期、全生育期的日平均氣溫和日最低氣溫均極顯著增加；拔節(jié)期的GDD2和DT10均極顯著減少；抽雄期、成熟期及生殖生長期、全生育期的GDD1、GDD2和DT10均極顯著增加。對于水分條件，成熟期的累積降水量和累積有效降水顯著增加（表2）。

表2 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米生育期水熱條件變化趨勢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 水熱條件與生育期長度關(guān)系

2.3.1 相關(guān)分析

玉米生育期的影響因子中，品種影響約占1／4，而氣象條件的影響則占3／4，可見玉米生育期長度的關(guān)鍵影響因子是氣候條件［18］。錦州地區(qū)春玉米各生育期長度基本與DT10和GDD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.60以上；出苗期和營養(yǎng)生長期長度與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)；成熟期和全生育期長度與累積降水和累積有效降水呈極顯著正相關(guān)，其次為出苗期，再次為三葉期、七葉期和營養(yǎng)生長期、生殖生長期（表3）。

表3 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米生育期水熱條件與生育期長度的相關(guān)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 通徑分析

為進(jìn)一步確定水熱條件對春玉米生育期長度的影響效應(yīng)，對其進(jìn)行通徑分析。DT10對春玉米各生育期長度的直接作用最大，直接通徑系數(shù)為0.80以上；其次為GDD，直接通徑系數(shù)為0.50以上；而水分條件對春玉米生育期長度的影響較小，主要對全生育期長度影響稍大（表4）。

表4 1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米生育期水熱條件與生育期長度的通徑系數(shù)Table 4 Path analysis between hydrothermal conditions and growth period length of spring maize in Jinzhou from 1980 to 1984 and 2004 to 2020

間接作用中（表略），對于出苗期、三葉期、七葉期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期、成熟期及營養(yǎng)生長期、生殖生長期，GDD和DT10通過互相影響進(jìn)而影響各生育期長度；對于全生育期，日平均降水和累積降水通過互相影響對其長度貢獻(xiàn)較大，其次為日平均降水和累積降水通過對DT10影響對其長度貢獻(xiàn)其次。

3 結(jié)論與討論

（1）1980—1984年和2004—2020年錦州地區(qū)春玉米播種日期呈延后的趨勢，受人為因素和氣候因素影響，波動變化較大，成熟日期2004年以后波動變化相對較小。播種日期的主觀決定因素較多，播種時間不僅受當(dāng)時的溫度降水和土壤墑情等環(huán)境因素影響，還受到耕作方式、主觀意愿和個人經(jīng)驗等因素的影響，而成熟日期受播種日期和水熱條件影響相對較大。春玉米各生育期長度變化趨勢不同，除抽雄期、成熟期和生殖生長期，其他生育期長度均呈縮短的趨勢，其中出苗期長度顯著縮短，拔節(jié)期和營養(yǎng)生長期長度極顯著縮短，抽雄期長度顯著延長，成熟期和生殖生長期長度極顯著延長，與李正國等［17］、秦雅等［18］和崔耀平等［31］研究結(jié)論一致。綜上可見，由于營養(yǎng)生長期長度呈極顯著縮短的趨勢，而生殖生長期長度呈極顯著延長的趨勢，造成整個生育期長度變化不明顯。

（2）春玉米各生育期水熱條件變化趨勢不同，熱量條件變化顯著，而水分條件變化不顯著；GDD和DT10多數(shù)生育期呈增加的趨勢，與部分學(xué)者［13，18，23，32］的研究結(jié)果一致，其中抽雄期、成熟期和生殖生長期、全生育期的GDD和DT10極顯著增加；出苗期的日平氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫均極顯著增加，抽雄期、乳熟期、營養(yǎng)生長期和全生育期的日平均氣溫和日最低氣溫極顯著增加；拔節(jié)期的GDD和DT10極顯著減少；抽雄期、成熟期及生殖生長期、全生育期的GDD和DT10極顯著增加，成熟期的累積降水量和累積有效降水顯著增加。綜上可見，錦州地區(qū)熱量條件對春玉米的生長發(fā)育速度影響較大，進(jìn)而影響發(fā)育期長度。

（3）通過對錦州地區(qū)春玉米水熱條件與生育期長度的相關(guān)分析和通徑分析表明，對春玉米生育期長度影響較大的因素為DT10和GDD，水分條件影響較小，其中出苗期、成熟期及全生育期長度受水分條件影響稍大，水熱因子之間相互制約、相互影響，共同影響作物的整個生育期?；谌掌骄鶜鉁赜嬎愕纳L度日GDD1對錦州地區(qū)春玉米生育期長度負(fù)向效應(yīng)較大，表明隨著日平均氣溫升高，生育期長度將縮短，可見基于兩種算法計算的GDD對生育期影響也不同。

本文僅研究了水熱條件對錦州地區(qū)春玉米生育期長度影響及其與生育期長度的關(guān)系，未考慮品種、栽培措施和人為主觀因素等其他因素對生育期長度的影響。作物的生育期是對整個水熱條件變化的一個適應(yīng)過程，除了水熱條件變化的不確定性和波動性，還有人為的調(diào)整和控制。未來東北地區(qū)氣候變化將更大，極端天氣也將更頻繁出現(xiàn)，復(fù)合型災(zāi)害天氣也將頻繁出現(xiàn)，進(jìn)而造成水熱條件波動變化也將變大，對春玉米生產(chǎn)的影響更大，需采用新方法和新技術(shù)進(jìn)行光、溫、水等氣候條件及農(nóng)藝措施、災(zāi)害和人為因素等方面的深入研究，合理利用作物自然資源，提升玉米對氣候極端變化的適應(yīng)性，確保遼寧地區(qū)春玉米的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。