氣候變化背景下華北平原夏玉米適宜播期分析

張鎮(zhèn)濤，楊曉光，高繼卿，王曉煜，白帆，孫爽，劉志娟，明博，謝瑞芝，王克如，李少昆

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

0 引言

【研究意義】玉米作為世界上種植最為廣泛的作物之一，不僅是重要的糧食作物，也是極其重要的工業(yè)原料和飼料[1]。統(tǒng)計(jì)資料顯示2016年我國(guó)玉米種植面積和總產(chǎn)量分別占全國(guó)糧食作物的32.5%和35.6%，華北平原玉米種植面積和產(chǎn)量分別占全國(guó)的 27.2%和26.1%[2]，在我國(guó)玉米生產(chǎn)中具有重要地位。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告顯示，截止2012年，過去的130年全球升溫 0.85℃[3]，全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，極端天氣事件發(fā)生頻率明顯增加[4-6]。適宜播種日期的確定能保證作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程與光溫同步，以充分利用當(dāng)?shù)毓?、溫、水等氣候資源[7]，提高作物產(chǎn)量的同時(shí)也降低了生長(zhǎng)發(fā)育階段遭受災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[8]。播期不同使玉米各生育階段內(nèi)的光、熱和水等氣候要素的配置發(fā)生改變，直接影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[9-10]。因此，研究氣候變化背景下，華北平原夏玉米適宜播期的變化，對(duì)于充分合理利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，應(yīng)對(duì)氣候變化，保障我國(guó)玉米生產(chǎn)及糧食安全具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人對(duì)適宜播期的研究方法主要是基于大田試驗(yàn)法和作物模型模擬。劉培利[11]、劉明[12]、李向嶺[13]以及付晉峰等[14]分別在山東、河北吳橋、河北廊坊和北京等地玉米分期播種試驗(yàn)研究結(jié)果表明，播期通過影響葉面積指數(shù)、光合作用、灌漿速率和生育期內(nèi)生態(tài)因子等，進(jìn)而影響生物量和產(chǎn)量。薛慶禹等[15]基于試驗(yàn)研究表明，華北地區(qū)夏玉米6月中旬以前播種對(duì)生產(chǎn)較為有利，且越早播種產(chǎn)量越高。劉戰(zhàn)東等[16]通過大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，河南開封地區(qū)隨播期的推遲，夏玉米生物產(chǎn)量增加，但晚于6月27日播種，生物產(chǎn)量明顯下降。鄧根云[17]利用光溫生產(chǎn)潛力模型，探討了玉米播期對(duì)產(chǎn)量的影響；米娜[18]、陳明[19]和戴明宏[20]等利用CERES-Maize模型，研究播期調(diào)整對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明遼寧錦州、吉林和華北平原等地在一定范圍內(nèi)推遲播期，可以不同程度提高玉米生產(chǎn)潛力；談美秀等[21]通過統(tǒng)計(jì)模型和 APSIM-Maize模型分析河南省夏玉米最適播期為5月30日至6月13日，且有南早北遲的趨勢(shì)。近年來，華北平原大力推廣“雙晚技術(shù)”，即冬小麥晚播和夏玉米晚收[22]。玉米晚收除了采用適宜品種之外，調(diào)整玉米播期也是一個(gè)重要途經(jīng)。WANG等[23]利用APSIM模型研究表明，雙晚技術(shù)可使周年作物產(chǎn)量提升4%—6%。【本研究切入點(diǎn)】前人在華北平原夏玉米適宜播期對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響方面，利用田間試驗(yàn)和作物模型方法做了大量研究，但由于氣候要素年際之間和年內(nèi)分配存在波動(dòng)性，針對(duì)充分灌溉和雨養(yǎng)條件，綜合考慮玉米的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性，確定華北平原夏玉米適宜播期方面的研究還比較缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文將華北平原劃分不同氣候亞區(qū)，利用調(diào)參驗(yàn)證后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)（APSIM-maize）模型，綜合考慮播種對(duì)產(chǎn)量的影響以及產(chǎn)量在年際之間穩(wěn)定性，明確充分灌溉和雨養(yǎng)條件下各氣候亞區(qū)適宜播期，為該地區(qū)夏玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域?yàn)槲覈?guó)華北平原，包括河北、河南和山東3省以及北京和天津2市，位于北緯32°—40°，東經(jīng)114°—121°[24]。華北平原屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，近幾十年氣候資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，年平均氣溫12.2℃，5—10月≥10℃活動(dòng)積溫為 3 821.2℃·d，降水量多年平均為656.1 mm，主要集中在6—8月[25]。除河北和北京北部地區(qū)年積溫小于4 200℃·d，種植制度為一年一熟外，大部分地區(qū)為冬小麥-夏玉米一年兩熟制[26]，本文研究區(qū)域?yàn)橐荒陜墒旆N植區(qū)，研究區(qū)域如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括研究區(qū)域內(nèi)38個(gè)氣象站點(diǎn) 1981—2015年的逐日氣象資料，主要包括平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、逐日降水量和平均本站氣壓等。

作物數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局在本研究區(qū)內(nèi)的 18個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，包括夏玉米品種、生育期、產(chǎn)量和構(gòu)成要素及田間栽培管理措施等，氣象站點(diǎn)和農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)分布如圖1。

土壤數(shù)據(jù)中各層土壤水分含量來自農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，其他數(shù)據(jù)來自中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，包括容重、質(zhì)地、pH、全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、田間持水量和凋萎系數(shù)等。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)介 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（agricultural production system simulator，APSIM）是由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組（APSRU）聯(lián)合開發(fā)的作物模擬系統(tǒng)[27-28]，可用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各主要組分的機(jī)理過程。APSIM模型具有模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，主要有4個(gè)部分構(gòu)成：模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中生物和物理過程的生物物理模塊（biophysical modules），發(fā)展用戶定義模擬過程的管理措施和控制模擬過程的管理模塊（management modules），各種調(diào)用模擬過程數(shù)據(jù)輸入輸出模塊（data input and output modules），并由中心引擎（simulation engine）來驅(qū)動(dòng)和控制[29]。該模型已經(jīng)應(yīng)用到了世界多個(gè)國(guó)家以及我國(guó)的不同區(qū)域，并取得了很好的效果[30-33]。

1.3.2 模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo) 本文利用氣候、土壤以及玉米生育期、產(chǎn)量和栽培管理措施等資料對(duì)APSIM-Maize模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證，選擇目前國(guó)際上常用擬合決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）[34]和 D 指標(biāo)[35]，評(píng)價(jià)APSIM-Maize模型模擬在華北的適用性，各指標(biāo)具體計(jì)算公式如下：

式中，Mi代表實(shí)測(cè)值，Si代表模擬值，表示實(shí)測(cè)值的平均值，n為模擬年份。R2反映了模型模擬值對(duì)于實(shí)測(cè)值的真正偏差，越接近于1，模擬結(jié)果越好；RMSE反映了模型模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差，而NRMSE和D指標(biāo)則反映了相對(duì)誤差，值越小表明模擬值和觀測(cè)值之間一致性越好。

1.3.3 模型情景設(shè)置 利用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM模型，模擬分析華北平原各氣候亞區(qū)典型站點(diǎn)夏玉米產(chǎn)量潛力對(duì)播期的響應(yīng)，情景設(shè)置如下：

（1）播期和播密設(shè)置。基于華北平原農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站玉米實(shí)際播期資料，在模型中，播期從6月1日到7月30日，每3 d設(shè)置一個(gè)播期，每年模擬21個(gè)播期，分別模擬各年不同播期產(chǎn)量，然后按照20世紀(jì) 80年代（1981—1990）、20世紀(jì) 90年代（1991—2000）和 21世紀(jì) 00年代（2001—2015）3個(gè)年代統(tǒng)計(jì)。種植品種是各氣候亞區(qū)經(jīng)過調(diào)參驗(yàn)證后的代表品種；播種密度為8株/m2。

（2）充分灌溉和雨養(yǎng)條件設(shè)置。分別模擬各氣候亞區(qū)代表性品種的潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力。潛在產(chǎn)量又稱光溫生產(chǎn)潛力，是指一個(gè)地區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中不受水分、養(yǎng)分和病蟲害等條件的限制，為當(dāng)?shù)剌椛浜蜏囟葪l件下，采用適宜作物品種所能達(dá)到的最高產(chǎn)量，可以代表一個(gè)地區(qū)充分灌溉條件下玉米所能達(dá)到的最高產(chǎn)量；氣候生產(chǎn)潛力又稱光溫降水生產(chǎn)潛力，是指作物在生長(zhǎng)過程中不受養(yǎng)分和病蟲害等條件的限制，在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下所能達(dá)到的最高產(chǎn)量[36-37]，可以代表一個(gè)地區(qū)雨養(yǎng)條件下產(chǎn)量。

本文在模擬潛在產(chǎn)量時(shí)，設(shè)定玉米生長(zhǎng)過程中水分充足和養(yǎng)分充足，保證玉米生長(zhǎng)過程中不受水肥的限制；在氣候生產(chǎn)潛力模擬時(shí)，模型設(shè)定為養(yǎng)分充足且沒有灌溉。

1.3.4 高穩(wěn)系數(shù) 本文選擇高穩(wěn)系數(shù)（high-stable coefficient，HSC）作為評(píng)價(jià)華北夏玉米不同播期下潛在適宜性的指標(biāo)[38]，該指標(biāo)綜合反映了夏玉米潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力的高低以及各年份之間產(chǎn)量的穩(wěn)定性。高穩(wěn)系數(shù)越高，表示夏玉米在該播期產(chǎn)量高且年際之間波動(dòng)性小。某站點(diǎn)研究時(shí)段內(nèi)的高穩(wěn)系數(shù)計(jì)算公式如下：式中，HSCi為某站點(diǎn)在播期為i時(shí)的高穩(wěn)系數(shù)；為播期為i時(shí)該站點(diǎn)某年代的平均產(chǎn)量；Si為播期為i時(shí)在該站點(diǎn)某年代的產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差；為研究區(qū)域在該年代各站點(diǎn)產(chǎn)量的平均值。

2 結(jié)果

2.1 氣候亞區(qū)劃分及APSIM-Maize模型有效性驗(yàn)證

圖1 研究區(qū)域及氣候分區(qū)Fig. 1 Study area and climate region

2.1.1 氣候亞區(qū)的劃分及玉米品種的選擇 為了細(xì)致分析華北平原不同區(qū)域夏玉米適宜播期，根據(jù)夏玉米潛在生長(zhǎng)季（6—9月）內(nèi)大于等于10℃的有效積溫和降水，將研究區(qū)域劃分為9個(gè)氣候亞區(qū)。各氣候亞區(qū)位置和劃分標(biāo)準(zhǔn)如圖1和表1。在應(yīng)用 APSIM-Maize模型進(jìn)行華北平原夏玉米播期與產(chǎn)量的模擬之前，需先進(jìn)行模型參數(shù)的本地化。在各氣候亞區(qū)內(nèi)，選擇種植年份較長(zhǎng)、面積大的區(qū)域主栽品種作為該氣候亞區(qū)的代表品種，基于該品種作物資料進(jìn)行模型調(diào)參和驗(yàn)證，作物數(shù)據(jù)用于調(diào)參及驗(yàn)證的年份見表2，APSIM-Maize模型對(duì)夏玉米品種控制主要參數(shù)如表3。

2.1.2 APSIM-Maize模型驗(yàn)證 本文采用試錯(cuò)法，以表2所列農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)各氣候亞區(qū)夏玉米代表性品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證。生育期主要調(diào)試的參數(shù)為出苗到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期結(jié)束、開花到灌漿和開花到成熟的熱時(shí)數(shù)；產(chǎn)量主要調(diào)試每穗最大籽粒數(shù)和潛在灌漿速率。各個(gè)氣候亞區(qū)代表品種實(shí)測(cè)值與模擬值的比較結(jié)果如圖2和圖3所示。表4為夏玉米各品種驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)，其中，決定系數(shù)（R2）均在0.75以上，D指標(biāo)均在0.80以上，歸一化均方根誤差（NRMSE）在評(píng)價(jià)生育期時(shí)均在3%以下，在評(píng)價(jià)產(chǎn)量時(shí)均在7%以下?？梢钥闯?，APSIM-Maize模型在研究區(qū)域有較好的適用性。

表1 研究區(qū)域氣候亞區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for the division of climatic region in NCP

表2 各氣候亞區(qū)調(diào)參和驗(yàn)證所用品種及數(shù)據(jù)來源Table 2 Maize cultivars and data sources for APSIM calibration and evaluation in this study

2.2 充分灌溉條件下各氣候亞區(qū)夏玉米適宜播期分析

利用調(diào)參驗(yàn)證后APSIM模型，按照模型設(shè)置，模擬各站點(diǎn)不同播期玉米產(chǎn)量。對(duì)各站點(diǎn)模擬產(chǎn)量針對(duì)各氣候亞區(qū)分年代進(jìn)行高穩(wěn)系數(shù)（HSC）分析，針對(duì)每個(gè)播期得到一個(gè)對(duì)應(yīng)高穩(wěn)系數(shù)，再將該站點(diǎn)所有播期的高穩(wěn)系數(shù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合，根據(jù)函數(shù)擬合結(jié)果，篩選得到二次函數(shù)最高值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的播期作為夏玉米的適宜播期。充分灌溉（潛在產(chǎn)量）條件下，依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)確定的不同氣候亞區(qū)各站點(diǎn)適宜播期如圖4。

圖2 華北平原夏玉米播種到開花（A）與播種到成熟（B）實(shí)測(cè)值和模擬值驗(yàn)證結(jié)果Fig. 2 Validation results between simulation and observe days from sowing to flowering (A) and sowing to maturity (B) of summer maize in NCP

表3 APSIM模型對(duì)夏玉米品種控制參數(shù)的描述Table 3 Description of genetic coefficients of summer maize in the APSIM model

圖3 華北平原夏玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值驗(yàn)證結(jié)果Fig. 3 Validation results between simulation and observe yield of summer maize in NCP

從圖 4可以看出，僅依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)，在充分灌溉條件下（潛在產(chǎn)量），1980s、1990s和2000s 3個(gè)年代的適宜播期是在逐年代推遲的，平均每個(gè)年代推遲3 d。20世紀(jì)80年代，山東大部分地區(qū)和河北大部分地區(qū)（第三 B、第四、第五、第六、第七氣候亞區(qū)），適宜播期為6月25日左右，河南大部分地區(qū)適宜播期在6月22日至6月25日（第二氣候亞區(qū)）。其中河南南部固始等地（第一氣候亞區(qū)）適宜播期最晚，為6月28日至7月1日；河南西部三門峽等地（第三A氣候亞區(qū)），適宜播期最早，為6月16日至6月19日。20世紀(jì)90年代，華北平原大部分地區(qū)適宜播期為6月25日，山東半島南部沿海地區(qū)（第五、第六氣候亞區(qū)）和河北中部地區(qū)（第七氣候亞區(qū)），適宜播期推遲到了6月25日至6月28日。21世紀(jì)00年代，大部分地區(qū)適宜播期都在6月28日至7月1日，山東日照適宜播期（第五氣候亞區(qū)）為7月7日左右。

由于研究區(qū)域?yàn)槎←?夏玉米一年兩熟，因此在確定夏玉米適宜播期時(shí)，除上面考慮不同播期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性之外，還要綜合考慮該適宜播期下夏玉米成熟期之后冬小麥的適宜播期。本文選擇積溫法推算冬小麥各生育期出現(xiàn)的時(shí)間。首先，基于氣象站點(diǎn)的逐日平均溫度，利用五日滑動(dòng)平均法，計(jì)算穩(wěn)定通過0℃終止日作為冬小麥越冬期的開始，然后以冬前大于0℃的有效積溫500℃·d作為冬小麥理論的適宜播期[39]。同時(shí)以平均 7 d作為夏玉米收獲冬小麥播種農(nóng)事活動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間，前推夏玉米的最晚收獲時(shí)間。

表4 APSIM-Maize模型驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)Table 4 Validation of APSIM-Maize model for summer maize in each climate region

根據(jù)模型模擬夏玉米收獲期的結(jié)果，分別計(jì)算 3個(gè)不同年代各站點(diǎn)夏玉米各播期80%通過率下的收獲期，將該收獲期定為該播期下的理論收獲期，并做出播期與理論收獲期的查算表。再根據(jù)冬小麥理論播期所推出的夏玉米收獲期，用該收獲期在查算表中找出對(duì)應(yīng)的播期，定為滿足冬小麥適宜播期的夏玉米播種期。將該播種期與依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)得到的適宜播期進(jìn)行比較，取兩者的最早的播期為該站點(diǎn)的考慮麥-玉兩熟體系（wheat-maize cropping system，WMCS）的適宜播期。各站點(diǎn)的適宜播期如圖4和表5。

圖4 充分灌溉條件下依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)（HSC）和考慮麥-玉兩熟體系（WMCS）的夏玉米適宜播期Fig. 4 Suitable sowing date of summer maize in NCP under full irrigation condition based on HSC and WMCS

從圖4和表5中可以發(fā)現(xiàn)，考慮冬小麥適宜播期及不考慮冬小麥適宜播期條件下，夏玉米的播期結(jié)果存在一定差異，主要是河北北部地區(qū)因考慮冬小麥播種而適當(dāng)提前了夏玉米適宜播期。氣候變化背景下，冬小麥-夏玉米兩熟體系下的夏玉米適宜播期空間特征表現(xiàn)為從南到北（第一氣候亞區(qū)到第八氣候亞區(qū)）逐漸提前。第一氣候亞區(qū)各站點(diǎn)各年代適宜播期變化不明顯，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期范圍分別為6月22日至7月1日、6月25日至6月28日和6月25日至7月1日；第二氣候亞區(qū)內(nèi)相同年代下各站點(diǎn)適宜播期變化不明顯，其中20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代的適宜播期分別為6月16日至19日、6月19日至25日和6月19日至28日；第三A氣候亞區(qū)，隨著年代的推移，適宜播期有推遲的趨勢(shì)，其中各站點(diǎn)20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月13日至6月22日、6月13日至6月25日和6月19日至—6月28日；第三B氣候亞區(qū)內(nèi)20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月19日至25日、6月19日至25日和6月22日至6月25日，濰坊站點(diǎn)較其他站點(diǎn)，適宜播期提前6 d左右；第四氣候亞區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)適宜播期變化不明顯，但年代間有明顯的推遲，其中20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月16日至6月22日、6月19日至6月25日和6月16日至6月28日；第五氣候亞區(qū)內(nèi)，沂源、莒縣和日照3個(gè)點(diǎn)隨著緯度降低呈明顯推遲特征，且隨著年代的推遲，適宜播期也有明顯的推遲，幅度為3 d，綜合各站點(diǎn)適宜播期，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代該氣候亞區(qū)適宜播期分別為6月13日至6月28日、6月16日至7月1日和6月19日至7月4日；第六氣候亞區(qū)適宜播期隨年代呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月10日至6月19日、6月16日至6月22日和6月19日至6月28日；第七氣候亞區(qū)內(nèi)隨著年代的推遲適宜播期呈推遲趨勢(shì)，幅度為3 d，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月10日至6月19日、6月10日至6月22日和6月13日至6月25日；第八氣候亞區(qū)，除了秦皇島21世紀(jì)00年代外，各站點(diǎn)適宜播期年代間呈推遲趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期為6月4日至6月10日、6月7日至6月16日和6月4日至6月19日。

表5 冬小麥-夏玉米兩熟體系充分灌溉條件下各氣候亞區(qū)夏玉米適宜播期Table 5 Suitable sowing date of summer maize in NCP under full irrigation condition based on HSC and WMCS

2.3 雨養(yǎng)條件下各氣候亞區(qū)夏玉米適宜播期分析

由于研究區(qū)域內(nèi)夏玉米生長(zhǎng)在雨季，除特殊干旱年份，大部分地區(qū)夏玉米不灌溉，因此本文除分析充分灌溉條件適宜播期外，還分析了雨養(yǎng)條件下夏玉米適宜播期。利用調(diào)參驗(yàn)證后 APSIM 模型，在模型中設(shè)置為沒有灌溉，模擬雨養(yǎng)條件下各站點(diǎn)不同播期玉米產(chǎn)量。根據(jù)高穩(wěn)系數(shù)確定雨養(yǎng)條件下夏玉米的適宜播期（圖5）。

圖5 雨養(yǎng)條件下依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)（HSC）和考慮麥-玉兩熟體系（WMCS）的夏玉米適宜播期Fig. 5 Suitable sowing date of summer maize in NCP under rain-fed condition based on HSC and WMCS

由圖5可以看出，僅依據(jù)高穩(wěn)系數(shù)，適宜播期整體隨著年代推遲呈推遲趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代山東大部分地區(qū)（第三B、第五、第六氣候亞區(qū)）適宜播期為6月19日以前，河北中西部地區(qū)和河南中部地區(qū)（第四、第三A氣候亞區(qū)）適宜播期為6月25日至6月28日，其中河南駐馬店等地（第一氣候亞區(qū)），適宜播期為7月1日至7月4日。20世紀(jì)90年代，華北平原大部分地區(qū)適宜播期都在6月28日以后，其中河南南部和山東半島（第一、第六氣候亞區(qū)）適宜播期為7月1日至7月7日，北京南部等地（第七氣候亞區(qū)），適宜播期在6月22日以前。21世紀(jì)00年代，研究區(qū)域適宜播期大都在6月28日以后，其中河南中部和北部地區(qū)（第二、第三A、第四氣候亞區(qū)）較20世紀(jì)90年代推遲，為7月1日至7月4日，但河南駐馬店等地（第一氣候亞區(qū)）提前到了 6月 28日至7月1日。

同理，考慮冬小麥-夏玉米兩熟條件下冬小麥播期及冬前積溫條件下的夏玉米適宜播期，分析思路同充分灌溉條件下夏玉米適宜播期分析，得出雨養(yǎng)條件下夏玉米各站點(diǎn)適宜播期（圖5，表6）。

表6 冬小麥-夏玉米兩熟體系雨養(yǎng)條件下各氣候亞區(qū)適宜播期Table 6 Suitable sowing date of summer maize in NCP under rain-fed condition based on HSC and WMCS

從圖5和表6中可以看出，雨養(yǎng)條件下考慮冬小麥適宜播期下的夏玉米適宜播期，其空間特征也表現(xiàn)為從南到北逐漸提前。第一氣候亞區(qū)各站點(diǎn)各年代的適宜播期，均在6月下旬和7月上旬，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月22日至7月4日、6月28日至7月7日和6月19日至7月4日。第二氣候亞區(qū)各站點(diǎn)各年代，適宜播期比較一致，且隨年代推遲3 d。20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月16日至22日、6月19日至6月28日和6月19日至7月1日。第三A氣候亞區(qū)，適宜播期隨年代推移有小幅度的推遲，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月16日至6月22日、6月19日至6月25日和6月19日至6月25日。第三B氣候亞區(qū)，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月7日至6月22日、6月10日至6月28日和6月13日至6月28日，各站點(diǎn)適宜播期差異較大，濰坊明顯早于濟(jì)南和兗州。第四氣候亞區(qū)，各站點(diǎn)適宜播期隨年代有3 d左右的推遲，20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月13日至6月22日、6月16日至6月25日和6月13日至6月28日。第五氣候亞區(qū)，適宜播期隨年代的推移，有3—6 d的推遲。20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月13日至6月28日、6月16日至6月28日和6月19日至7月4日。第六氣候亞區(qū)20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月10日至6月25日、6月16日至6月28日和6月19日至6月28日。第七氣候亞區(qū)，適宜播期時(shí)間較長(zhǎng)，總體隨年代推移而推遲的。20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期分別為6月7日至6月22日、6月16日至6月22日和6月13日至6月25日。第八氣候亞區(qū)，適宜播期較其他氣候亞區(qū)有較大幅度的提前，除秦皇島外其他站點(diǎn)適宜播期都隨年代推移而推遲。而秦皇島21世紀(jì)00年代適宜播期較其他年代出現(xiàn)提前，主要是因?yàn)?1世紀(jì)00年代平均溫度和日照時(shí)數(shù)較其他兩個(gè)年代有小幅度降低。20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)00年代適宜播期時(shí)間范圍分別為6月4日至6月10日、6月7日至6月16日和6月4日至6月19日。

2.4 適宜播期較實(shí)際播期的增產(chǎn)幅度

按日序數(shù)將研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的夏玉米實(shí)際播期進(jìn)行空間插值，得出各氣象站點(diǎn)的對(duì)應(yīng)實(shí)際播期。再分別將雨養(yǎng)和充分灌溉兩種條件實(shí)際播期和適宜播期對(duì)應(yīng)的模擬產(chǎn)量按氣候亞區(qū)進(jìn)行匯總分析，得出兩種條件下各氣候亞區(qū)各年代的增產(chǎn)幅度（圖6）。

由圖 6所示，與實(shí)際播期相比，在雨養(yǎng)和充分灌溉條件下，適宜播期在不同氣候亞區(qū)增產(chǎn)幅度如下：第一氣候亞區(qū) 20世紀(jì) 80年代、90年代和 21世紀(jì)00年代分別為8.26%和5.82%、7.64%和4.86%、7.97%和 7.68%；第二氣候亞區(qū)分別為 4.93%和6.13%、7.85%和5.37%、7.97%和6.69%；第三A氣候亞區(qū)分別為 5.32%和 2.16%、11.97%和 12.46%、9.77%和 9.01%；第三 B氣候亞區(qū)分別為 1.47%和2.88%、5.45%和4.72%、2.13和1.16%；第四氣候亞區(qū)分別為7.04%和6.56%、4.45%和7.00%、5.41%和7.77%；第五氣候亞區(qū)分別為4.01%和4.05%、6.14%和 8.30%、4.42%和 4.69%；第六氣候亞區(qū)分別為2.30%和2.03%、4.27%和5.70%、2.44%和3.61%；第七氣候亞區(qū)分別為 6.21%和 2.31%、2.68%和4.89%、3.76%和5.33%；第八氣候亞區(qū)分別為0.68%和1.85%、1.17%和1.01%、2.31%和2.18%?？梢娪牮B(yǎng)和充分灌溉條件下適宜播期較實(shí)際播期均不同程度增產(chǎn)，但兩種條件下增產(chǎn)幅度差異不明顯。增產(chǎn)幅度空間上由南向北呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，其中第一到第五氣候亞區(qū)，由于熱量資源和降水條件較好，增產(chǎn)幅度較大；而研究區(qū)域北部氣候亞區(qū)，由于冬小麥播期限制，實(shí)際播期和適宜播期差距不大，所以增產(chǎn)幅度較小。

3 討論

前人采用大田試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析以及作物模型的方法開展了夏玉米適宜播期研究[21]。其中，大田試驗(yàn)方法因人力物力、年代間氣候條件差異等問題，不能很好的反映區(qū)域和氣候年型對(duì)播期的影響；統(tǒng)計(jì)分析方法，主要是對(duì)前人經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生育期數(shù)據(jù)的總結(jié)，但缺少作物生物學(xué)和生理依據(jù)；而作物模型方法，較好解決了大田試驗(yàn)方法代表性差和統(tǒng)計(jì)分析方法缺少生物學(xué)基礎(chǔ)的缺點(diǎn)。本文采用 APSIM 模型模擬，綜合考慮高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性以及冬小麥-夏玉米兩熟體系下的周年播期協(xié)調(diào)性，分析了不同氣候亞區(qū)充分灌溉和雨養(yǎng)條件下的夏玉米適宜播期，可為華北平原夏玉米實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

本文綜合考慮夏玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性和冬小麥理論適宜播期兩個(gè)指標(biāo)確定夏玉米適宜播期?；诟叻€(wěn)系數(shù)分析確定適宜播期，河北地區(qū)適宜播期較晚，導(dǎo)致成熟期延后冬小麥不能按時(shí)播種，因此需要結(jié)合冬小麥理論播期來綜合確定夏玉米適宜播期。該地區(qū)夏玉米品種選擇時(shí)，需選擇生育期較為適宜的品種，以充分利用該地區(qū)的氣候資源。隨著年代的推移，研究區(qū)域夏玉米適宜播期呈推遲趨勢(shì)，主要是因?yàn)槿蜃兓尘跋?，華北平原熱量資源更加豐富，≥0℃和≥10℃的積溫均呈整體上升趨勢(shì)[40-41]，作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，明確夏玉米適宜播期可充分利用華北平原 9—10月份光照充足的特點(diǎn)，促進(jìn)玉米灌漿。

圖6 華北平原各氣候亞區(qū)適宜播期增產(chǎn)幅度Fig. 6 The increase of yield in the climate region of the North China Plain under suitable sowing date

李少昆等[42]通過對(duì)調(diào)研資料、各地專家經(jīng)驗(yàn)和常年實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，推薦的華北夏玉米適宜播期為南部地區(qū)6月5日至6月25日，中部地區(qū)6月10日至6月22日，北部地區(qū)為6月10日至6月20日。本研究結(jié)果與之相比，南部地區(qū)適宜播期開始日期推遲了 12 d左右，終止日期推遲了7 d左右；中部地區(qū)結(jié)果大致吻合，終止日期有3 d左右小幅度推遲；北部地區(qū)吻合度較高，但開始日期有3 d左右提前。但考慮到華北平原夏玉米播種實(shí)際情況，在適當(dāng)范圍內(nèi)提前播種，可適當(dāng)延長(zhǎng)夏玉米有效生長(zhǎng)期，避開高溫等不利條件，從而獲得較高的產(chǎn)量[43-44]；同時(shí)可使其灌漿和成熟期后期處于一個(gè)較高的溫度環(huán)境下，有利于籽粒的脫水[45-46]。

充分灌溉條件下和雨養(yǎng)條件下同一站點(diǎn)相同播期對(duì)應(yīng)的玉米成熟期差別不大，這主要是因?yàn)锳PSIM-Maize模型對(duì)于夏玉米生育期的模擬主要是受積溫控制，對(duì)水分脅迫不敏感，因此采用模型模擬時(shí)，灌溉與否對(duì)于夏玉米收獲期影響不大，這需要未來通過大量實(shí)證試驗(yàn)改進(jìn)模型參數(shù)，更好地反應(yīng)水分對(duì)作物生育進(jìn)程影響。本研究中，研究區(qū)域玉米調(diào)參驗(yàn)證過程受限于沒有作物生物量、葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及不同播期產(chǎn)量影響數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果有一定偏差。同時(shí)，模型模擬以20世紀(jì)90年代的品種為主，其他年代也采用了該品種，未考慮年代間品種的更替。而夏玉米品種較多，更新?lián)Q代較快，模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際品種有差異，另外也沒有考慮當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步對(duì)適宜播期的影響。這都是未來研究中需要全面考慮的內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文以華北平原為研究區(qū)域，以夏玉米為研究對(duì)象，利用1981—2015年間38個(gè)站點(diǎn)的氣候資料、18個(gè)農(nóng)氣站作物資料和土壤資料，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（APSIM）和統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì) APSIM-Maize模型在華北平原夏玉米模擬的適用性和華北平原夏玉米適宜播期進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)各氣候亞區(qū)內(nèi) APSIMMaize模型對(duì)播種—開花，播種—成熟的天數(shù)以及產(chǎn)量都有較好的模擬效果，表明APSIM-Maize模型可用于華北平原夏玉米生育期和產(chǎn)量的模擬研究。

夏玉米適宜播期隨著緯度的增加而提前，研究區(qū)域第一氣候亞區(qū)到第八氣候亞區(qū)，適宜播期從6月下旬提前到了6月上旬。其中，第一氣候亞區(qū)適宜播期主要集中在6月下旬和7月上旬；第二氣候亞區(qū)到第七氣候亞區(qū)，適宜播期的起始日期逐漸提前，但終止日期變化不大，適宜播期主要集中在6月中下旬；第八氣候亞區(qū)，適宜播期主要集中在6月中上旬。充分灌溉和雨養(yǎng)條件下，隨著年代的推移，夏玉米適宜播期呈推遲趨勢(shì)，一般逐年代推遲3 d左右。第一和第二氣候亞區(qū)雨養(yǎng)條件下適宜播期晚于充分灌溉條件下適宜播期，其他氣候亞區(qū)的播期則變化不大。各氣候亞區(qū)適宜播期產(chǎn)量較實(shí)際播期產(chǎn)量均有不同程度提高，但灌溉和雨養(yǎng)之間增產(chǎn)幅度沒有顯著差異，增產(chǎn)幅度在集中在2%—10%，增產(chǎn)幅度空間上呈由南到北減小趨勢(shì)。