氣候變化對(duì)中國(guó)北方玉米種植及物候的影響

肖薇薇

（1.安康學(xué)院，陜西 安康725000；2.中國(guó)科學(xué)院 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊050021；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

中國(guó)北方地區(qū)是受氣候變化影響最明顯的區(qū)域，未來(lái)氣候變化對(duì)該區(qū)的影響是不可忽視的。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響而言，氣候變化將引起作物生長(zhǎng)和發(fā)育外在條件變化，即光照、熱量和水分分配等因素變化，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量、種植制度及農(nóng)業(yè)布局的相應(yīng)改變［1－4］。作物物候期作為重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、田間管理、計(jì)劃決策等的重要依據(jù)，也是作物模擬模型的重要參數(shù)［5］。作物物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)的研究有其廣泛的實(shí)際意義，正在成為一個(gè)新的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)物候的影響主要體現(xiàn)為春季物候期提前，秋季物候期推遲，作物生長(zhǎng)季相對(duì)延長(zhǎng)，而作物生育期卻縮短［6］。以中國(guó)北方農(nóng)作物為例，1981年以來(lái)，伴隨溫度不斷變化，冬小麥種植北界不同程度北移西擴(kuò)［7］；東北地區(qū)玉米中、晚熟品種潛在界限不同程度北移［8］；而華北地區(qū)喜溫作物生育期延長(zhǎng)，種植面積逐漸擴(kuò)大［9］。這些物候變化一方面可以產(chǎn)生積極影響，提高單位面積糧食生產(chǎn)能力和增加農(nóng)作物種植面積的潛力，但從另一方面來(lái)看，干旱和冷害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)卻在顯著增加［10－11］。所以，準(zhǔn)確分析氣候變化條件下物候的變化趨勢(shì)，分析作物的適應(yīng)機(jī)制，對(duì)于合理的從氣候變化中獲益是非常重要的。本文將選用北方地區(qū)玉米生產(chǎn)典型區(qū)1992—2012年40個(gè)有長(zhǎng)時(shí)間序列記錄站點(diǎn)的物候信息與氣象數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)玉米物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)規(guī)律，闡明玉米品種空間分布與氣候變化的關(guān)系，為未來(lái)氣候條件下預(yù)估玉米物候、品種及種植結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選擇的研究區(qū)是中國(guó)玉米的主要播種區(qū)—北方 地 區(qū)，介 于 東 經(jīng) 73.4°—135.3°、北 緯33.24°—53.28°，涵蓋了西北、華北、東北三個(gè)區(qū)域。分析北方地區(qū)氣候變化對(duì)作物物候影響時(shí)把中國(guó)北方劃分為三個(gè)玉米生產(chǎn)典型區(qū)：西北地區(qū)（包括新疆和甘肅），東北地區(qū)（包括黑龍江、吉林和遼寧），華北地區(qū)（包括河北、山東、河南和北京）。在這三個(gè)區(qū)域，選取了40個(gè)有長(zhǎng)時(shí)間序列記錄的站點(diǎn)，獲取玉米1990—2012年的物候信息，包括播種日期、收獲日期，分析這20a來(lái)玉米生育期的時(shí)空變化特點(diǎn)。選取了六個(gè)典型站（夏玉米：庫(kù)爾勒、商丘和廊坊；春玉米：酒泉、瓦房店和富裕）代表三大區(qū)域的趨勢(shì)，這六個(gè)站點(diǎn)有以下特點(diǎn)：（1）位于各主要生產(chǎn)區(qū)，且滿足春、夏玉米各自的南北和東西最大跨度，（2）代表了中國(guó)典型的種植制度，（3）地理位置和氣候類型不同，（4）具有良好的天氣數(shù)據(jù)記錄，（5）具有完備的物候數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，物候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測(cè)站。其中，從1990到2012年的玉米物候資料和氣象資料均已進(jìn)行了初步質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 北方玉米物候期對(duì)熱量資源的響應(yīng)

通過(guò)對(duì)北方地區(qū)三個(gè)區(qū)域的年均溫、生育期內(nèi)平均溫度和生育期長(zhǎng)度之間的關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)適合夏玉米生長(zhǎng)的年均溫度為11～15℃，生長(zhǎng)期為89～109 d，主要分布在華北地區(qū)和西北部分地區(qū)；適合春玉米生長(zhǎng)的年平均氣溫為2～10℃，生長(zhǎng)期為127d～159 d，主要分布在東北和西北地區(qū)（圖1a）。從夏玉米和春玉米需要的年均溫度分布可以發(fā)現(xiàn)春夏玉米的分界閾值基本為11℃，這個(gè)溫度值可能是一年一作和一年兩作兩種種植方式的劃分基線。圖中可以看到東北春玉米播種臺(tái)站年均溫跨度從2～10℃，生育期跨度從127～159d，可以推測(cè)東北區(qū)春玉米未來(lái)的調(diào)整空間更大，如當(dāng)東北的瓦房店年均溫逐漸達(dá)到11℃時(shí)，種植模式可以變?yōu)橐荒陜勺?。在玉米生育期?nèi)，夏玉米的生長(zhǎng)平均溫度是24～26℃，而春玉米是18～24℃；春玉米生育期內(nèi)平均溫度高于18℃，而夏玉米則高于24℃（圖1b）。

圖1 研究站點(diǎn)不同溫度與生育期長(zhǎng)度的關(guān)系

圖2 研究站點(diǎn)生育期內(nèi)年均溫與≥10℃積溫、≥10℃有效積溫之間關(guān)系

根據(jù)圖2a顯示，適于春玉米≥10℃的積溫范圍是2 372℃～3 495℃，夏玉米是2 324～2 733℃，春玉米≥10℃的有效積溫范圍是1 213～1 724℃，夏玉米是1 296～1 626℃（圖2b）。值得注意的是除了敦化、烏蘇、哈密三地，雖然春玉米和夏玉米≥10℃的積溫不同，但≥10℃有效積溫是相似的，這說(shuō)明春玉米和夏玉米正常生長(zhǎng)所需≥10℃的有效積溫基本是相同的。玉米完成全生育期需要積溫產(chǎn)生較大差異主要是因?yàn)椴煌瑲夂驐l件導(dǎo)致的，從而引發(fā)了春玉米和夏玉米的生長(zhǎng)期長(zhǎng)短差異，但春玉米的≥10℃的有效積溫范圍更廣，這說(shuō)明了春玉米區(qū)域的品種可調(diào)節(jié)空間可能比夏玉米區(qū)域要更大一些。

圖3 研究站點(diǎn)生育期長(zhǎng)短分別與≥10℃積溫、≥10℃有效積溫之間關(guān)系

圖3a是生育期內(nèi)≥10℃積溫與生育期長(zhǎng)度之間的關(guān)系。由于春玉米生育期長(zhǎng)，所以春玉米≥10℃積溫比夏玉米多。圖3b顯示出的結(jié)果和圖2b非常相似，除了敦化、烏蘇、哈密三個(gè)地點(diǎn)，其他站點(diǎn)雖然生育期有很大不同，但夏玉米和春玉米≥10℃有效積溫是類似的。

2.2 時(shí)間序列上玉米物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

圖4是六個(gè)代表站（夏玉米：庫(kù)爾勒、商丘和廊坊；春玉米：酒泉、瓦房店和富裕）1992—2012年的年均溫度與生育期變化趨勢(shì)。除了華北區(qū)域商丘站，其余各站年均溫度均逐漸增加，增溫區(qū)域集中在春玉米區(qū)。六個(gè)典型站無(wú)論春玉米還是夏玉米，年均溫度和生育期長(zhǎng)短都有較好的相關(guān)關(guān)系。從代表站區(qū)域上來(lái)看，西北的庫(kù)爾勒和酒泉溫度和生育期的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)的最為明顯，東北地區(qū)的富裕和瓦房店次之，華北區(qū)的商丘和廊坊趨勢(shì)最小。東北地區(qū)和西北地區(qū)對(duì)氣候變化更加敏感，這也說(shuō)明了春玉米的適應(yīng)空間更大一些。

圖4 六個(gè)典型站1992－2011年生育期長(zhǎng)度和生育期內(nèi)平均溫度的關(guān)系

表1 六個(gè)代表站1992－2011年平均氣溫（x）和生育期（y）關(guān)系

表1是六個(gè)代表站1992—2012年平均氣溫（x）和生育期（y）關(guān)系，這六個(gè)站點(diǎn)都有顯著的負(fù)相關(guān)，也就是說(shuō)，在過(guò)去的20a中，每當(dāng)溫度升高1℃，玉米生育期就縮短3～5d。從站點(diǎn)分布地區(qū)來(lái)看，東北和西北地區(qū)的作物對(duì)氣候變化響應(yīng)大于華北地區(qū)，適應(yīng)性更強(qiáng)一些。

將所有夏玉米臺(tái)站逐年的年均溫、生育期、≥10℃有效積溫求平均得到時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)（圖5）。分析發(fā)現(xiàn)夏玉米地區(qū)的年均溫度是逐年升高的，生育期隨之縮短，但生育期內(nèi)≥10℃有效積溫卻是逐年增加的，≥10℃有效積溫波動(dòng)范圍是1 300～1 600℃。生育期隨年均溫上升而縮短，說(shuō)明夏玉米受氣候變化的影響較大，可能未產(chǎn)生自適應(yīng)力。通過(guò)分析≥10℃有效積溫的時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)，R2為0.1175，有略微的增加趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平，這說(shuō)明了夏玉米的適應(yīng)力較弱，未來(lái)氣候條件下可調(diào)節(jié)的范圍可能要小一些。

圖5 夏玉米臺(tái)站時(shí)間序列上年均溫度與生育期及≥10℃有效積溫變化趨勢(shì)

圖6 春玉米臺(tái)站時(shí)間序列上年均溫度與生育期及≥10℃有效積溫變化趨勢(shì)

將所有春玉米臺(tái)站逐年的年均溫、生育期、≥10℃有效積溫求平均得到出時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)（圖6）。分析發(fā)現(xiàn)春玉米地區(qū)的年均溫度小幅上升，生育期變化趨于平穩(wěn)，并未隨著溫度增加而縮短，說(shuō)明春玉米對(duì)氣候變化有一定的自適應(yīng)力。春玉米生育期內(nèi)≥10℃有效積溫逐年增加，R2為0.182 9，并達(dá)到顯著水平（p＜0.05），說(shuō)明春玉米在適應(yīng)氣候變化，在未來(lái)適應(yīng)氣候變化潛力方面可能具有更大調(diào)節(jié)空間。

將春玉米臺(tái)站按照種植區(qū)域分開(kāi)來(lái)計(jì)算不同區(qū)域逐年的年均溫、生育期、≥10℃有效積溫，求平均得出時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)（圖7）。分析發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)的春玉米臺(tái)站年均溫度沒(méi)有明顯增加趨勢(shì)，≥10℃有效積溫有略微逐年增加的趨勢(shì)，R2為0.125 7，但并未達(dá)到顯著水平，說(shuō)明從東北地區(qū)春玉米的時(shí)間序列的適應(yīng)趨勢(shì)上來(lái)看，目前還未對(duì)氣候變化做出大幅度的自適應(yīng)；西北地區(qū)的年均溫有明顯增加趨勢(shì)，≥10℃有效積溫逐年增加，R2為0.448 9，并達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），說(shuō)明在春玉米種植區(qū)域，西北地區(qū)的春玉米品種差異比東北區(qū)的要大，在適應(yīng)氣候變化時(shí)可能比東北地區(qū)的春玉米更敏感一些。

2.3 空間序列上玉米物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)

在這40個(gè)臺(tái)站中，其中32個(gè)站的生育期內(nèi)年平均氣溫有上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度在0.1～2.2℃，尤其在東北和西北地區(qū)表現(xiàn)明顯。另外8個(gè)站出現(xiàn)輕微的下降，這可能是由生長(zhǎng)季節(jié)發(fā)生變化造成的（圖8a）。生育期明顯縮短的有25個(gè)站，縮短幅度是1～13d（最短為長(zhǎng)嶺），延長(zhǎng)的有15個(gè)站，延長(zhǎng)幅度是1～9d（最長(zhǎng)為泰來(lái)）（圖8b）。在圖8c中，23個(gè)春玉米的站中有22個(gè)站≥10℃積溫有增加的趨勢(shì)，其中9個(gè)站增幅超過(guò)100℃，葉柏壽和哈密增幅超過(guò)200℃。夏玉米播種站中，11個(gè)站有增加的趨勢(shì)，其中6個(gè)增幅超過(guò)100℃。生育期內(nèi)≥10℃有效積溫在35個(gè)站中增加了1%～10%，5個(gè)站中減少了1%～15%。同樣，在23個(gè)春玉米站中22個(gè)站的≥10℃有效積溫增加，只有2個(gè)站≥10℃有效積溫增加超過(guò)100℃，9個(gè)站積溫增加超過(guò)50℃。夏玉米播種站中，12個(gè)站≥10℃有效積溫增加，其中只有5個(gè)站增加超過(guò)100℃，2個(gè)站積溫增加超過(guò)50℃（圖8e）。這也表明了北方區(qū)域在1992—2012年的整體升溫趨勢(shì)，其中東北和西北區(qū)域玉米的適應(yīng)潛力要大于華北地區(qū)。圖8d顯示了播種期的變化，其中18個(gè)站播種提前，提前幅度是1～11d，19個(gè)站播種期發(fā)生了延遲，延遲幅度為1～10d，3個(gè)站（白城，南陽(yáng)，黃驊）沒(méi)有變化。收獲日提前的有18個(gè)站，提前天數(shù)是2～21d，延遲的有22個(gè)站，延遲天數(shù)為1～9d（圖8f）。收獲和播種日期的變化，主要受到當(dāng)年溫度變化的影響，另外也受到20a間品種變更、降水變化以及人為因素的影響。

圖7 不同區(qū)域春玉米臺(tái)站時(shí)間序列上年均溫度與≥10℃有效積溫變化趨勢(shì)

圖8 1992－2012年玉米生育期內(nèi)年均溫、生育期、播種日期、收獲日期和生育期內(nèi)≥10℃積溫、≥10℃有效積溫時(shí)空變化趨勢(shì)

2.4 玉米物候及品種對(duì)氣候變化的時(shí)空響應(yīng)

通過(guò)分析北方地區(qū)40個(gè)站點(diǎn)1993年和2011年玉米品種的變化發(fā)現(xiàn)（圖9），春玉米23個(gè)臺(tái)站中，20a間有5個(gè)站點(diǎn)由早熟變?yōu)橹惺炱贩N，分別是海倫、佳木斯、樺甸、平?jīng)觥⑽鞣彐?zhèn)，集中分布在黑龍江中部、吉林省東部和甘肅省東部地區(qū)；有6個(gè)站點(diǎn)由中熟變?yōu)橥硎炱贩N，分別是泰來(lái)、白城、伊寧、長(zhǎng)嶺、瓦房店和莊河；甘肅省的酒泉站從早熟變?yōu)橥硎炱贩N；有11個(gè)站點(diǎn)品種熟制未發(fā)生變化，其中保持早熟品種的有敦化1個(gè)站點(diǎn)，保持中熟品種的有富裕、梅河口、豐寧、和集安4個(gè)站點(diǎn)，保持晚熟品種的有烏蘇、哈密、朝陽(yáng)、葉柏壽、新民和懷來(lái)6個(gè)站點(diǎn)。

夏玉米17個(gè)臺(tái)站中，20a間有2個(gè)站點(diǎn)由早熟變?yōu)橹惺炱贩N，分別是新疆的庫(kù)爾勒和喀什；有2個(gè)站由中熟變?yōu)橥硎炱贩N，分別是唐山和鄭州；有2個(gè)站由晚熟變?yōu)橹惺炱贩N，分別是巴楚和西峽，這可能是由于年際溫度差異造成的；有11個(gè)站點(diǎn)品種熟制未發(fā)生變化，其中保持中熟品種的有若羌、密云、盧氏和莒縣4個(gè)站點(diǎn)，保持晚熟品種的有新鄉(xiāng)、遵化、廊坊、黃驊、商丘、南陽(yáng)和駐馬店7個(gè)站點(diǎn)。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，在近20a間，玉米種植區(qū)中春玉米站點(diǎn)熟制發(fā)生變化的占52%，夏玉米的僅有35%，這說(shuō)明了春玉米地區(qū)對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度可能高于夏玉米種植區(qū)。玉米生產(chǎn)在近20a間，通過(guò)熟制的變化即從早熟品種調(diào)整為中熟品種、中熟品種調(diào)整為晚熟品種來(lái)適應(yīng)氣候變化，未發(fā)生變化的站點(diǎn)可能是因?yàn)闇囟饶觌H波動(dòng)較大造成的。

圖9 1993年和2011年北方地區(qū)玉米品種分布

3 結(jié)論與討論

隨著氣候不斷變暖，北方地區(qū)熱量資源發(fā)生了顯著變化，玉米作為喜溫作物隨著溫度的波動(dòng)生育期也發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)年均溫升高1℃，北方地區(qū)玉米生育期就縮短3～5d。肖風(fēng)勁等［7］指出，在全國(guó)范圍內(nèi)年均溫升高1℃，玉米生育期會(huì)縮短7d，而馬樹(shù)慶等［8］研究得出，東北地區(qū)在正常水分條件下，同樣升溫幅度玉米生育期會(huì)縮短9d左右。這些結(jié)果存在差異是因?yàn)檠芯繀^(qū)域不同造成的，但都得出了玉米生育期隨溫度上升而縮短的結(jié)論。

在本研究區(qū)域范圍內(nèi)，年均溫11℃可能為春、夏玉米的種植的分界閾值，也就是一年一作和一年兩作兩種種植方式的溫度劃分基線。前人的研究雖然多以積溫、作物生長(zhǎng)的極限低溫作為劃分作物種植方式的基線［9］，但未來(lái)年均溫11℃也許可以作為一個(gè)劃分種植方式的參考值在北方地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。本研究尚未考慮其他氣象要素的影響，在下一步研究中可能還需要更多的數(shù)據(jù)對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。雖然春玉米和夏玉米的≥10℃積溫不同，但≥10℃有效積溫相似，這意味著春玉米和夏玉米正常生長(zhǎng)所需的≥10℃有效積溫一般是相似的，說(shuō)明某一作物品種有效積溫是固定的，而活動(dòng)積溫是變化的。同一品種在不同地區(qū)、不同年份所需活動(dòng)積溫差異很大，所以有效積溫是作物品種鑒定時(shí)非常重要的指標(biāo)。如能標(biāo)定某品種有效積溫，那么它在不同地區(qū)、不同年份對(duì)有效積溫的需求相對(duì)穩(wěn)定。如果有效積溫發(fā)生了變化，則表示該作物品種具有一定的差異性，可進(jìn)行品種的適當(dāng)調(diào)整。

通過(guò)比較不同區(qū)域玉米對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度，發(fā)現(xiàn)東北和西北地區(qū)的作物對(duì)氣候變化響應(yīng)大于華北地區(qū)，也意味著春玉米的潛在適應(yīng)性可能比夏玉米的更強(qiáng)；而比較東北區(qū)和西北區(qū)的春玉米差異的話，西北區(qū)的玉米≥10℃有效積溫變化趨勢(shì)比東北區(qū)更明顯，這意味著西北區(qū)的玉米品種差異較大，應(yīng)對(duì)氣候變化上敏感性更大，潛在適應(yīng)性強(qiáng)一些。通過(guò)分析北方地區(qū)40個(gè)站點(diǎn)近20a間玉米品種的變化，可以看到各個(gè)區(qū)域的玉米生產(chǎn)可以通過(guò)熟制的變化來(lái)適應(yīng)氣候變化。未來(lái)氣候條件下，在選擇適應(yīng)氣候變化的玉米品種時(shí)，或許能以2011年的品種分布圖作為參考，選取與當(dāng)時(shí)氣候資源相適應(yīng)的玉米品種。

致謝：感謝楊永輝研究員、張佳華研究員和周新堯博士對(duì)本研究數(shù)據(jù)采集、分析及結(jié)果討論等關(guān)鍵步驟的傾力支持和點(diǎn)撥。

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