氣候變化背景下播期對(duì)東北三省春玉米產(chǎn)量的影響*

白 帆, 楊曉光, 劉志娟, 孫 爽, 張鎮(zhèn)濤, 王曉煜,2, 高繼卿, 劉 濤

氣候變化背景下播期對(duì)東北三省春玉米產(chǎn)量的影響*

白 帆1,3, 楊曉光1**, 劉志娟1, 孫 爽1, 張鎮(zhèn)濤1, 王曉煜1,2, 高繼卿1, 劉 濤1

(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)氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心 北京 100081; 3. 北京市氣象服務(wù)中心 北京 100089)

為探究氣候變化背景下東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)春玉米適宜播期的變化程度, 本文以東北三省春玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域, 基于1981—2015年氣象資料, 1981—2012年農(nóng)業(yè)氣象觀(guān)測(cè)站玉米生育期、產(chǎn)量資料以及土壤資料, 分氣侯區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(APSIM)進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證, 建立適用于東北三省10個(gè)不同氣候區(qū)的模型相關(guān)參數(shù), 在各氣候區(qū)利用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型設(shè)置不同播期, 模擬各年代不同播期下春玉米潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力, 綜合高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)性指標(biāo), 明確了不同區(qū)域各年代不同條件下適宜播期范圍。研究結(jié)果表明, APSIM模型對(duì)于東北三省7個(gè)春玉米品種開(kāi)花和成熟兩個(gè)關(guān)鍵生育期以及產(chǎn)量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性, 表明APSIM模型能夠較好地模擬研究區(qū)域春玉米生育期和產(chǎn)量。充分灌溉條件下, 研究區(qū)域內(nèi)適宜播期范圍從4月16日至5月19日, 空間上呈緯向分布南早北遲的特征; 20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代玉米適宜播期較20世紀(jì)80年代有提前趨勢(shì), 其中20世紀(jì)90年代提前趨勢(shì)更明顯; 第1、第3、第5、第7和第9氣候區(qū)雨養(yǎng)條件下較充分灌溉條件下適宜播期有推遲趨勢(shì), 推遲天數(shù)為3~6 d。雨養(yǎng)條件下各年代不同氣候區(qū)理論上的適宜播期較目前生產(chǎn)中實(shí)際播期下的產(chǎn)量提高2.84%~9.96%。以上結(jié)果為進(jìn)行未來(lái)氣候變化對(duì)東北三省春玉米影響及其適宜播期等研究提供了技術(shù)支撐。

氣候變化; 東北三省; 春玉米; APSIM模型; 適宜播期; 產(chǎn)量

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告, 1880—2012年期間, 全球地表平均溫度上升了0.85 ℃[1]。全球變暖的背景下, 近百年來(lái)(1909—2011年)中國(guó)陸地區(qū)域平均增溫0.9~1.5 ℃,高于全球增溫平均水平, 近15年來(lái)氣溫上升的趨勢(shì)變緩, 但仍處于近百年來(lái)氣溫最高階段[2]。東北三省是中國(guó)高緯度地區(qū), 也是我國(guó)乃至全球氣候變暖最為顯著的地區(qū)之一[3]。中國(guó)是世界第二大玉米()生產(chǎn)國(guó), 2016年全國(guó)玉米總產(chǎn)量已達(dá)2.1億t, 而東北三省春玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的34%[4]。氣候變暖背景下, 如何通過(guò)調(diào)整播期, 充分利用熱量資源, 保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn), 對(duì)東北三省玉米生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

適宜的播期是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。在當(dāng)前全球氣候變化背景下, 充分利用當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件趨利避害, 使作物各生育期處于有利的氣象條件, 播期的選擇至關(guān)重要[5]。前人采用田間試驗(yàn)方法在東北地區(qū)開(kāi)展了大量的研究。趙先麗等[6]結(jié)合遼寧莊河地區(qū)開(kāi)展的播期試驗(yàn)數(shù)據(jù)及1981—2010年該地區(qū)的春玉米作物數(shù)據(jù), 探討了播期對(duì)該地區(qū)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)春玉米產(chǎn)量隨播期的推遲呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì); 馬樹(shù)慶等[7]利用東北地區(qū)玉米分期播種試驗(yàn), 結(jié)合逐日氣溫和降水等氣象資料, 分析了氣候變化對(duì)玉米生產(chǎn)的影響, 發(fā)現(xiàn)在水分適宜條件下, 氣候變化對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量呈正效應(yīng);李文科等[8]通過(guò)在吉林梨樹(shù)進(jìn)行播期試驗(yàn), 探討了播期對(duì)吉林春玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響, 得出吉林西南部春玉米適宜播期在5月中旬左右。在利用作物模型研究春玉米播期對(duì)產(chǎn)量影響方面, 戴明宏等[9]使用調(diào)參驗(yàn)證后的CERES-Maize模型對(duì)北京地區(qū)的春玉米進(jìn)行模擬,分析了播期推遲對(duì)該區(qū)域春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響, 發(fā)現(xiàn)在適宜水分條件下, 適當(dāng)推遲播期會(huì)有一定的增產(chǎn)效應(yīng); 米娜等[10]利用遼寧錦州的分期播種試驗(yàn)資料, 通過(guò)調(diào)參驗(yàn)證后的CERES-Maize模型模擬不同播期下各年代玉米產(chǎn)量, 利用最佳季節(jié)法分析了該地區(qū)玉米最佳播期, 得出遼寧大部分地區(qū)春玉米適宜播期在4月中下旬, 新疆春播中晚熟玉米的最適播期為4月20日—5月5日; 許紅根等[11]基于新疆地區(qū)2015—2017年實(shí)際播期試驗(yàn)數(shù)據(jù), 利用APSIM模型分析了不同播期下春玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性。目前, 前人研究主要基于田間試驗(yàn)分析播期對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響[12-13], 但田間試驗(yàn)有較大的局限性, 播期設(shè)置不能過(guò)密, 除播期外其他因素對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響無(wú)法剝離。而基于作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行的研究中大多局限于局部地區(qū), 且研究年份較短。綜合考慮水分限制對(duì)播期的影響, 利用作物模型對(duì)東北不同氣候區(qū)不同年代適宜播期進(jìn)行分析, 目前仍少見(jiàn)報(bào)道。本研究基于調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型, 分氣候區(qū)研究播期對(duì)東北三省春玉米產(chǎn)量的影響, 明確在水分不限制的灌溉模式下和非灌溉模式的雨養(yǎng)條件下各氣候區(qū)各年代春玉米的適宜播期, 為東北三省春玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文以我國(guó)東北三省春玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域, 包括黑龍江、吉林、遼寧3省。東北三省為溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 玉米生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫為19.0~22.0 ℃, 降水量為300~500 mm, 日照為800~1 000 h, 溫差大, 無(wú)高溫危害, 日照充足, 氣候條件適宜玉米的生長(zhǎng)發(fā)育[14]。東北三省主要種植制度是一年1熟, 該地區(qū)地處在“黃金玉米帶”, 土地肥沃, 光照資源豐富, 為玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn), 包括1961—2015年黑龍江省、吉林省和遼寧省57個(gè)氣象站逐日氣象資料, 氣象要素包括日平均氣溫、日最高和最低氣溫、日降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均本站氣壓等。

作物數(shù)據(jù)來(lái)自東北三省數(shù)據(jù)較全且品種單一、適宜進(jìn)行多年份調(diào)參驗(yàn)證的7個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀(guān)測(cè)站(佳木斯、哈爾濱、通化、白城、遼源、瓦房店、建平), 包括1981—2012年春玉米品種、播種日期、播種密度、播種深度、行距, 生育期(出苗期、開(kāi)花期和成熟期)、產(chǎn)量、施肥時(shí)間和施肥量以及灌溉時(shí)間和灌溉量, 數(shù)據(jù)完備。

土壤數(shù)據(jù)來(lái)自農(nóng)業(yè)氣象觀(guān)測(cè)站、《中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)》及《第二次土壤普查農(nóng)田肥力》, 包括0~2 m土層的土壤容重、田間持水量、萎蔫系數(shù)和土壤含水量等, 其中的土壤數(shù)據(jù)與年份均與作物數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng), 土壤數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間為開(kāi)花期, 數(shù)據(jù)完備。

1.3 研究方法

1.3.1 ≥10 ℃有效積溫的計(jì)算

≥10 ℃有效積溫利用1961—2015年氣象站點(diǎn)逐日氣象資料計(jì)算, 具體計(jì)算公式為[15]:

式中:T為第天的氣溫(℃);b為生物學(xué)下限溫度, 本文取10 ℃作為下限溫度;為計(jì)算≥10 ℃有效積溫的天數(shù)。

1.3.2 水分虧缺指數(shù)的計(jì)算

水分虧缺指數(shù)可反映一段時(shí)間內(nèi)作物水分供需狀況, 具體計(jì)算公式為[16]:

式中: ETc為作物需水量(mm);為作物降水量(mm); ET0為參考作物蒸散量(mm);c為作物系數(shù),<0說(shuō)明降水量可以滿(mǎn)足玉米生長(zhǎng)季內(nèi)需水,>0說(shuō)明降水量不能滿(mǎn)足玉米生長(zhǎng)季需水。其中參考作物蒸散量(ET0)的計(jì)算公式為[17]:

1.3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(agricultural production system simulator, APSIM)是從1991年開(kāi)始由澳大利亞聯(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)共同研制開(kāi)發(fā)的作物生產(chǎn)模擬系統(tǒng)。APSIM模型可模擬玉米、小麥()、棉花(Gossypium)、大麥()、甘蔗()、花生()、其他豆類(lèi)作物等多種作物。該模型具有模塊化的特點(diǎn), 通過(guò)中央引擎將各模塊結(jié)合在一起, 在進(jìn)行作物模擬時(shí)主要用到的模塊是氣象模塊、作物模塊、地表有機(jī)質(zhì)模塊、土壤模塊、管理模塊、施肥模塊、灌溉模塊和結(jié)果輸出模塊[18-19]。目前, APSIM模型已在世界多個(gè)國(guó)家及地區(qū)的氣候變化評(píng)估、農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理決策、水資源合理利用等方面得到較好的應(yīng)用[20-27]。

1.3.4 模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異性以及各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)APSIM模型模擬東北三省春玉米生育期和產(chǎn)量準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。本研究中, 采用以下統(tǒng)計(jì)量作為檢驗(yàn)APSIM模型的指標(biāo): 模擬值與實(shí)測(cè)值之間的決定系數(shù)(2)、均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根差(NRMSE)[28]、平均絕對(duì)誤差(MAE)和指標(biāo)[29]。2和可以反映出模擬值與實(shí)測(cè)值之間的一致性程度, 指標(biāo)值越接近1, 說(shuō)明模擬效果越好;RMSE為模擬值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差, 值越小,表明模擬值與實(shí)際觀(guān)測(cè)值的偏差越小; NRMSE為模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差, 控制在10%以?xún)?nèi)說(shuō)明模型的模擬有較高精度。

式中:S為模擬值,O為實(shí)測(cè)值,為實(shí)測(cè)平均值,為樣本數(shù)。

1.3.5 高穩(wěn)系數(shù)的計(jì)算

高穩(wěn)系數(shù)(HSC)是1994年由溫振民等[30]首先提出, 該系數(shù)可以綜合反映作物產(chǎn)量的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性, 系數(shù)越高, 表明作物高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性越好。本文通過(guò)高穩(wěn)系數(shù)法分析春玉米在不同播期下產(chǎn)量的高產(chǎn)性與穩(wěn)產(chǎn)性, 得到該地區(qū)春玉米的適宜播期。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北三省氣候區(qū)劃分

本文以1961—2010年80%保證率條件下的≥10 ℃有效積溫1 314 ℃?d作為玉米種植北界。由于東北三省積溫及降水條件空間差異較大, 為了精細(xì)分析研究區(qū)域適宜播期, 按照東北春玉米種植區(qū)域玉米生長(zhǎng)季內(nèi)有效積溫及作物水分虧缺指數(shù)將全區(qū)分為10個(gè)亞區(qū)[31], 如表1和圖1所示。

2.2 APSIM模型有效性驗(yàn)證及情景設(shè)置

2.2.1 模型有效性驗(yàn)證

在使用APSIM模型模擬之前, 需將模型參數(shù)本土化。每個(gè)氣候區(qū)因積溫、降水條件相近, 所以針對(duì)同一品種進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證。需要進(jìn)行本土化的參數(shù)包括玉米各品種從出苗到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期結(jié)束的積溫、開(kāi)花到灌漿的積溫、光周期斜率、每株最大籽粒數(shù)、灌漿速率等。

將各個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及作物數(shù)據(jù)輸入模型后, 對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證。本文采取“試錯(cuò)法”在區(qū)域尺度上對(duì)東北三省各春玉米品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證, 使模擬值與實(shí)測(cè)值盡可能的接近, 從而使APSIM模型本土化。生育期方面, 主要針對(duì)玉米的開(kāi)花期及成熟期進(jìn)行實(shí)測(cè)值和模擬值比對(duì); 產(chǎn)量方面, 主要對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。各氣候區(qū)內(nèi)代表性站點(diǎn)、品種及調(diào)參驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)年份如表2所示。

圖2和圖3為東北三省不同氣候區(qū)典型站點(diǎn)春玉米開(kāi)花期和成熟期模擬值和實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果。由圖可以看出APSIM模型對(duì)于7個(gè)品種的開(kāi)花期和成熟期兩個(gè)關(guān)鍵生育期的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性, 開(kāi)花期和成熟期的決定系數(shù)2均在0.7以上。從表3可以看出開(kāi)花期和成熟期的均方根誤差RMSE基本在3~5 d以?xún)?nèi), 開(kāi)花期和成熟期的歸一化均方根NRMSE誤差均在4%內(nèi), 開(kāi)花期和成熟期的平均絕對(duì)誤差MAE值均在3以?xún)?nèi), 開(kāi)花期和成熟期的指標(biāo)均在0.85以上。由此可知APSIM模型可以較好地模擬東北地區(qū)春玉米的生長(zhǎng)進(jìn)程。

表1 東北三省氣候區(qū)劃及劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 研究區(qū)域氣候區(qū)劃分及站點(diǎn)分布

表2 東北三省各氣候區(qū)春玉米APSIM模型調(diào)參和驗(yàn)證所用品種及數(shù)據(jù)來(lái)源

圖2 東北三省代表站點(diǎn)春玉米播種到開(kāi)花日數(shù)實(shí)測(cè)值及模擬值驗(yàn)證結(jié)果比較

圖3 東北三省代表站點(diǎn)春玉米播種到成熟日數(shù)實(shí)測(cè)值及模擬值驗(yàn)證結(jié)果比較

表3 東北三省不同氣候區(qū)春玉米開(kāi)花期、成熟期及產(chǎn)量APSIM模型驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)

圖4為東北三省春玉米產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值比較結(jié)果。從圖4和表3可以看出, APSIM模型對(duì)于7個(gè)玉米品種的產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)關(guān)系較好, 產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)2都在0.8以上。從表3可以看出產(chǎn)量的均方根誤差RMSE基本在1 500 kg×hm-2以?xún)?nèi), 歸一化均方根誤差NRMSE均在18%以?xún)?nèi),指標(biāo)0.80以上。由此可知APSIM模型可以較好地模擬東北三省春玉米產(chǎn)量。

圖4 東北三省代表站點(diǎn)春玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值及模擬值驗(yàn)證結(jié)果比較

2.2.2 模型的情景設(shè)置

根據(jù)東北三省春玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需積溫條件和生長(zhǎng)下限溫度, 結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際播期數(shù)據(jù), 將播期模擬范圍設(shè)置為4月10日至5月25日, 每3 d為1個(gè)播期, 各氣候區(qū)內(nèi)每年15個(gè)播期, 分別模擬每年不同播期的產(chǎn)量, 分別按照20世紀(jì)80年代(1981—1990年)、20世紀(jì)90年代(1991—2000年)和21世紀(jì)00年代(2001—2015年)3個(gè)年代進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

播期設(shè)置時(shí)采用已經(jīng)調(diào)參驗(yàn)證的7個(gè)品種, 播種深度為5 cm, 行距為0.6 m, 播種密度為80 000株?hm-2。

由于東北三省春玉米大多不灌溉(雨養(yǎng)), 為明確不同水分條件下各氣候區(qū)適宜播期, 分別設(shè)置兩個(gè)情景進(jìn)行模擬: 一種為充分灌溉條件下的潛在產(chǎn)量模擬(限制條件為當(dāng)?shù)毓鉁貤l件, 水分和氮肥均為適宜, 模型設(shè)置為自動(dòng)灌溉和施肥); 另一種情景為不灌溉條件下氣候生產(chǎn)潛力模擬(限制條件為當(dāng)?shù)毓鉁亟邓畻l件, 其他要素為最適宜條件, 模型設(shè)置自動(dòng)施肥)。

2.3 研究區(qū)春玉米適宜播期空間分布

2.3.1 充分灌溉條件下春玉米適宜播期

根據(jù)已有研究表明, 近35年(1981—2015年)東北三省熱量資源呈明顯增加趨勢(shì), 平均氣溫升溫趨勢(shì)明顯, 每10年升高0.22 ℃, 其中20世紀(jì)90年代升溫較為顯著, 21世紀(jì)00年代升溫趨勢(shì)趨緩; 降水方面, 近35年(1981—2015年)東北三省降水量呈減少趨勢(shì), 平均每10年減少11.1 mm, 其中21世紀(jì)00年代減少趨勢(shì)最為明顯。

在以上氣候變化背景下, 本文利用APSIM模型對(duì)充分灌溉條件下各氣候區(qū)各站點(diǎn)各年份不同播期下的春玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬, 計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)不同年代產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù), 高穩(wěn)系數(shù)最高值所對(duì)應(yīng)的播期區(qū)間即為該站點(diǎn)該年代的適宜播期。將各站點(diǎn)適宜播期通過(guò)Arcgis軟件插值得到圖5。各氣候區(qū)適宜播期即為氣候區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)適宜播期的并集。灌溉條件下東北三省各年代不同氣候區(qū)適宜播期時(shí)空分布如圖5a、5b、5c所示。可以看出在水分滿(mǎn)足條件下東北三省的適宜播期呈緯向分布, 從東北到西南逐漸提前。

20世紀(jì)80年代東北三省春玉米適宜播期分布為由北向南逐漸提前。適宜播期最晚區(qū)域?yàn)榈?、第2和第3氣候區(qū), 播期最早區(qū)域?yàn)闁|北三省西南部也就是第8、第9和第10氣候區(qū)內(nèi)。第1氣候區(qū)適宜播期范圍為5月10—16日, 第2氣候區(qū)適宜播期范圍為5月7—19日, 第3氣候區(qū)適宜播期范圍為5月7—16日, 第4氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月4—13日, 第5氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月1—13日, 第6氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月28日—5月7日, 第7氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月28日—5月1日, 第8氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月22日—5月1日, 第9氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月19—25日, 第10氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月22日—5月1日。

圖5 充分灌溉(a, b, c)和雨養(yǎng)(d, e, f)條件下20世紀(jì)80年代(a, d)、90年代(b, e)和21世紀(jì)00年代(c, f)東北三省不同氣候區(qū)春玉米適宜播期的時(shí)空分布

20世紀(jì)90年代東北三省春玉米適宜播期最晚區(qū)域?yàn)楹邶埥|北部和吉林省東南部, 即第1和第2氣候區(qū)內(nèi), 播期最早區(qū)域?yàn)闁|北西南部區(qū)域即第8、第9和第10氣候區(qū)。第1氣候區(qū)適宜播期為5月7—13日, 較20世紀(jì)80年代整體提前3 d; 第2氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月4—13日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—13日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較80年代整體提前3 d; 第5氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月10日, 較80年代整體提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月4日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月22—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月16—25日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d。總體來(lái)看, 20世紀(jì)90年代適宜播期與80年代相比有較大幅度的提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d。

21世紀(jì)00年代東北三省春玉米適宜播期最晚區(qū)域?yàn)闁|北三省北部的第1、第2和第3氣候區(qū), 播期最早區(qū)域?yàn)闁|北三省西南部第8、第9和第10氣候區(qū)。第1氣候區(qū)適宜播期為5月7—13日, 較20世紀(jì)90年代變化不大, 較80年代整體提前3 d; 第2氣候區(qū)適宜播期為5月7—16日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—13日, 較90年代變化不大, 部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代變化不大; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月7日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月16—25日, 較90年代變化不大, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d。

總體來(lái)看, 20世紀(jì)90年代東北三省春玉米適宜播期與80年代相比有較大幅度提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d; 而21世紀(jì)00年代大部分地區(qū)較20世紀(jì)80年代有0~3 d的提前趨勢(shì), 較90年代有0~3 d的推遲趨勢(shì)。

2.3.2 雨養(yǎng)條件下春玉米適宜播期

利用APSIM模型對(duì)雨養(yǎng)條件下各氣候區(qū)各站點(diǎn)逐年不同播期下的春玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬, 計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)不同年代產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù), 高穩(wěn)系數(shù)最高值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的播期區(qū)間即為該站點(diǎn)該年代的適宜播期。將各站點(diǎn)適宜播期通過(guò)Arcgis軟件插值得到圖5d、5e、5f。各氣候區(qū)適宜播期即為氣候區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)適宜播期的并集。

雨養(yǎng)條件下東北三省的適宜播期基本呈緯向分布, 從北到南逐漸提前。20世紀(jì)80年代第1和第2氣候區(qū)適宜播期均為5月10—16日, 第3氣候區(qū)適宜播期為5月7—19日, 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 第5氣候區(qū)適宜播期為5月4—16日, 第6氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月7日, 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月7日, 第8氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月1日, 第9氣候區(qū)適宜播期為4月22— 28日, 第10氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月1日。

20世紀(jì)90年代東北三省春玉米第1氣候區(qū)適宜播期范圍為5月10—16日, 較80年代整體變化不大; 第2氣候區(qū)適宜播期范圍5月7—13日, 較80年代整體提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1— 16日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d;第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—10日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月7日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d。總體來(lái)看, 20世紀(jì)90年代適宜播期與80年代相比有較大幅度的提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d。

21世紀(jì)00年代東北三省春玉米第1氣候區(qū)適宜播期為5月10—16日, 較20世紀(jì)80年代、90年代變化不大; 第2氣候區(qū)適宜播期為5月7—16日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代整體提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—16日, 較90年代變化不大, 較80年代整體提前3 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代變化不大; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月7日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月4日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月22—28日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月22—25日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d。

總體來(lái)看, 在雨養(yǎng)條件下, 20世紀(jì)90年代東北三省春玉米適宜播期與80年代相比有較大幅度提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 提前趨勢(shì)沒(méi)有充分灌溉條件下明顯; 而21世紀(jì)00年代大部分地區(qū)較20世紀(jì)80年代有0~3 d的提前趨勢(shì), 較90年代有0~3 d的推遲趨勢(shì)。

從表4可以看出, 各年代中, 雨養(yǎng)條件下東北三省春玉米適宜播期較充分灌溉條件有推遲的趨勢(shì)。其中第1、第3、第5、第7、第9氣候區(qū)推遲趨勢(shì)比較明顯, 大部分地區(qū)推遲3 d, 少部分地區(qū)推遲6 d; 而第2、第4、第6、第8、第10氣候區(qū)推遲趨勢(shì)并不明顯, 部分地區(qū)適宜播期推遲3 d左右, 大部分地區(qū)較充分灌溉模式下適宜播期變化不大。

2.4 雨養(yǎng)條件下適宜播期較實(shí)際播期增產(chǎn)幅度

由于東北三省大部分地區(qū)春玉米為雨養(yǎng)種植, 所以在其他情景保持不變的基礎(chǔ)上利用APSIM模型模擬雨養(yǎng)條件下各年代不同氣候區(qū)在實(shí)際播期下的產(chǎn)量, 將所得結(jié)果與雨養(yǎng)條件下適宜播期下產(chǎn)量進(jìn)行比較, 如表5所示。由表5可以看出, 20世紀(jì)80年代東北三省10個(gè)氣候區(qū)的增產(chǎn)幅度都在4%以上, 其中第3氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為4.58%; 第9氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為9.69%; 90年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代略有降低, 第3、第4氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代有所提高, 第4氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為6.62%, 第6氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為2.86%; 20世紀(jì)00年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較20世紀(jì)80年代略有降低, 第3、第4、第7氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代有所提高, 第7氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為8.08%, 第9氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為2.84%。

表4 充分灌溉和雨養(yǎng)條件下不同年代東北三省各氣候區(qū)春玉米的適宜播期

表5 雨養(yǎng)條件下東北三省各氣候區(qū)不同年代春玉米適宜播期與實(shí)際播期相比的增產(chǎn)幅度

3 討論與結(jié)論

相比較而言, 傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)方法研究播期對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量具有較大的局限性, 因影響因素較多,干擾性較大, 耗時(shí)長(zhǎng), 人力成本高, 由于年際之間氣象條件波動(dòng), 試驗(yàn)處理無(wú)法完成重復(fù), 而采用作物模型方法重復(fù)性強(qiáng), 省時(shí)省力可設(shè)置多播期模擬多個(gè)年代作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成。

本研究根據(jù)不同的積溫及降水條件, 將東北三省劃分為10個(gè)氣候區(qū), 基于1981—2015年氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及作物數(shù)據(jù), 對(duì)10個(gè)氣候區(qū)內(nèi)的7個(gè)作物品種進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證, 基于調(diào)參的結(jié)果對(duì)不同氣候區(qū)不同播期的潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行模擬, 根據(jù)計(jì)算后的高穩(wěn)系數(shù), 確定各氣候區(qū)在不同情境下的適宜播期范圍。在模型模擬中, 產(chǎn)量隨播期的變化呈先增加后減小的趨勢(shì), 與國(guó)內(nèi)東北春玉米分期播種試驗(yàn)結(jié)果基本一致[12-13]。根據(jù)李少昆等[32]多年試驗(yàn)考察, 總結(jié)出黑龍江省春玉米適宜播期范圍從4月20日—5月20日, 其中播種日期由東北到西南逐漸提前, 吉林省春玉米適宜播期范圍為4月25日—5月15日, 遼寧省春玉米適宜播期范圍為4月15日—5月10日, 其中遼寧省東北部及南部丘陵地區(qū)有適當(dāng)推遲。本研究結(jié)果與之相比, 黑龍江省西南部適宜播期推遲約6 d左右, 吉林省適宜播期在其范圍內(nèi), 遼寧省南部適宜播期有小幅度提前, 在3 d左右, 其余地區(qū)吻合度較高?？紤]到氣候變化的影響, 東北三省熱量資源逐漸增加, 玉米的潛在生長(zhǎng)季延長(zhǎng), 可適當(dāng)選用生育期時(shí)間更長(zhǎng)的品種替代現(xiàn)有品種, 并在一定范圍內(nèi)提前播種, 從而獲得較高的產(chǎn)量。本研究結(jié)果可在一定程度上反映氣候變化對(duì)東北春玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義, 同時(shí)也可以作為研究未來(lái)氣候變化對(duì)東北春玉米影響的基礎(chǔ)。

本研究在使用APSIM模型對(duì)東北地區(qū)進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證時(shí), 針對(duì)10個(gè)氣候區(qū)選擇了7個(gè)品種, 調(diào)參驗(yàn)證的過(guò)程中, 因?yàn)閭€(gè)別氣候區(qū)長(zhǎng)序列作物數(shù)據(jù)缺乏, 因此選用積溫條件相近的氣候區(qū)內(nèi)的品種進(jìn)行代替。在調(diào)參驗(yàn)證過(guò)程中, 未充分考慮品種的更替, 使用的作物數(shù)據(jù)多為20世紀(jì)90年代的生育期和產(chǎn)量數(shù)據(jù), 在模擬20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代時(shí), 會(huì)產(chǎn)生一定的差異, 應(yīng)每個(gè)年代有1套獨(dú)立的參數(shù)進(jìn)行模擬。以上不足有待在未來(lái)的工作中進(jìn)一步完善。今后可結(jié)合未來(lái)情景數(shù)據(jù)進(jìn)行未來(lái)氣候變化下春玉米適宜播期的研究, 進(jìn)而研究未來(lái)氣候變化下的適應(yīng)性管理措施。

本研究基于氣象資料、作物資料和土壤資料對(duì)APSIM模型進(jìn)行調(diào)參與驗(yàn)證, 表明APSIM模型可以較好地模擬東北三省春玉米的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程和產(chǎn)量。在全球氣候變暖背景下, 過(guò)去35年, 東北三省春玉米適宜播期呈提前的趨勢(shì)。充分灌溉條件下, 適宜播期范圍從4月16日—5月19日, 呈緯向分布、南早北遲的特征, 其中20世紀(jì)90年代較80年代適宜播期有較大提前趨勢(shì), 提前3~6 d; 21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)80年代也有提前趨勢(shì), 大部分地區(qū)提前0~3 d。雨養(yǎng)條件下, 適宜播期范圍與分布特征總體較灌溉條件下差異不大, 其中20世紀(jì)90年代較80年代適宜播期有較大提前趨勢(shì), 整體提前3 d; 21世紀(jì)00年代較21世紀(jì)80年代也有提前趨勢(shì), 大部分地區(qū)提前0~3 d。

雨養(yǎng)條件下東北三省各氣候區(qū)春玉米的適宜播期較充分灌溉條件下有一定的推遲趨勢(shì), 其中第1、第3、第5、第7和第9氣候區(qū)推遲趨勢(shì)較為明顯, 為3~6 d, 其余氣候區(qū)推遲趨勢(shì)并不明顯。

在雨養(yǎng)條件下各年代東北三省不同氣候區(qū)春玉米適宜播期下的模擬產(chǎn)量較實(shí)際播期下的模擬產(chǎn)量有一定幅度的提升, 其中20世紀(jì)80年代的增產(chǎn)幅度較大, 90年代、21世紀(jì)00年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較20世紀(jì)80年代有所減小。

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Effects of sowing dates on grain yield of spring maize in the Three-Province of the Northeast China under climate change*

BAI Fan1,3, YANG Xiaoguang1**, LIU Zhijuan1, SUN Shuang1, ZHANG Zhentao1, WANG Xiaoyu1,2, GAO Jiqing1, LIU Tao1

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Asset Operation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 3. Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100089, China)

Northeast China is the most sensitive area to climate change, where is also the important region of maiza production in China. It has both theoretical and practical significance to explore suitable sowing date of spring maize in three provinces of Northeast China (Heilongjiang Province, Jilin Province and Liaoning Province) under climate change.Meteorological data from 1981 to 2015 and agro-meteorological observations, including maize phenology data, yield data, and soil data from 1981 to 2012, were used to construct an APSIM-Maize model. The data were collected from the potential cultivation zones of spring maize in the three provinces of the Northeast China. The model was calibrated and validated in different climatic zones across the study area and related parameters were established accordingly. The potential yields and climatic potential yields of spring maize during different decades were then determined by setting different sowing dates based on the validated APSIM model. Combined with the indices of yield level and yield stability, the suitable range of sowing dates was determined under different conditions during different decades in each climatic zone. The results showed that the simulated values, including the days from sowing date to flowering date and maturity date, and the yield, were in agreement with the observed values for the seven spring maize varieties in the study area. This indicated that the APSIM model accurately simulated the phenological development and yield information of spring maize in the study area. Under the condition of sufficient irrigation, the suitable sowing date in the study area ranged from April 16 to May 19. A latitudinal distribution was exhibited for the suitable sowing date with the date moving earlier from south to north. The suitable sowing date of maize in the 1990s and 2000s was earlier than that in the 1980s, and this advanced trend was more significant in the 1990s than in the 2000s. However, under rainfed conditions, the suitable sowing period in the first, third, fifth, seventh, and ninth climatic zones displayed a delayed trend, with the delay ranging from 3 days to 6 days. Compared with the yield simulated using the sowing date applied in current production, the yield simulated using the theoretical suitable sowing date increased by 2.84%-9.96% in different climatic zones during different decades under rainfed conditions. This research supports the use of the APSIM model in Northeast China for applications such as the selection of suitable sowing dates under future climate scenarios.

Climate change; Three-Province of the Northeast China; Spring maize; APSIM model; Suitable sowing date; Yield

S513

10.13930/j.cnki.cjea.190585

白帆, 楊曉光, 劉志娟, 孫爽, 張鎮(zhèn)濤, 王曉煜, 高繼卿, 劉濤. 氣候變化背景下播期對(duì)東北三省春玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(4): 480-491

BAI F, YANG X G, LIU Z J, SUN S, ZHANG Z T, WANG X Y, GAO J Q, LIU T. Effects of sowing dates on grain yield of spring maize in the Three-Province of the Northeast China under climate change[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(4): 480-491

* 國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0300301)資助

楊曉光, 主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)作物的影響與適應(yīng)。E-mail: yangxg@cau.edu.cn

白帆, 主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)作物的影響與適應(yīng)。E-mail: baifan19950613@126.com

2019-08-06

2019-12-31

* The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0300301).

, E-mail: yangxg@cau.edu.cn

Dec. 31, 2019

Aug. 6, 2019;