氣候變化背景下玉米品種更替對(duì)新疆光熱資源利用效率的影響*

王 勇，張鎮(zhèn)濤，張方亮，郭世博，楊曉光

（1.新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

工業(yè)革命以來(lái)，全球正在經(jīng)歷最顯著的氣候變化過(guò)程，截至2012年，過(guò)去的130a 全球升溫0.85℃[1]。中國(guó)是全球氣候變化敏感區(qū)之一，陸地升溫幅度高于全球平均水平[2]。新疆屬于干旱半干旱地區(qū)，降水稀少、水資源缺乏、生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候變化影響十分敏感[3-4]。1956-2005年以來(lái)新疆增溫速率為0.28℃·10a-1，與全國(guó)的變化較為一致，同時(shí)氣候變暖背景下年降水量總體呈上升趨勢(shì)[5-6]。

中國(guó)玉米種植面積和產(chǎn)量均占糧食作物的三分之一左右，在糧食安全中占有重要地位[7-8]。西北玉米區(qū)在中國(guó)玉米生產(chǎn)中雖比重較其它主產(chǎn)區(qū)小，但因其特殊光溫條件，該區(qū)域在玉米生產(chǎn)中極為重要。新疆輻射強(qiáng)，氣溫日較差大，加之冰川融水資源增加，近年來(lái)屢創(chuàng)中國(guó)玉米高產(chǎn)記錄，為玉米研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一[9-10]。

前人在氣候變化對(duì)玉米影響方面開展了大量研究，結(jié)果表明，氣溫升高背景下，全國(guó)約80%站點(diǎn)玉米抽穗期和成熟期提前，全生育期呈縮短趨勢(shì)[11]，但生殖生長(zhǎng)階段的延長(zhǎng)，利于玉米產(chǎn)量提升[12]。Lobell 等采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究發(fā)現(xiàn)氣候變化導(dǎo)致全球玉米產(chǎn)量下降3.8%[13]，且產(chǎn)量變異性增加[14]。與田間試驗(yàn)周期長(zhǎng)和統(tǒng)計(jì)方法不考慮作物生理過(guò)程相比，作物模型因其具有考慮作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，且可重復(fù)性高的特點(diǎn)[15]，已經(jīng)成為氣候變化對(duì)作物影響評(píng)估的有效方法[16]。Liu 等采用APSIM 模型研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化導(dǎo)致中國(guó)東北春玉米潛在產(chǎn)量下降22%～26%[17]；趙俊芳等基于APSIM 模型研究發(fā)現(xiàn)，西北內(nèi)陸區(qū)春玉米產(chǎn)量對(duì)溫度和潛在蒸散響應(yīng)明顯[18]；李闊等采用DSSAT 模型評(píng)估結(jié)果表明，未來(lái)升溫情景下全國(guó)玉米產(chǎn)量整體呈降低趨勢(shì)，且區(qū)域間存在差異[19]；張建平等采用WOFOST 模型，分析了溫度對(duì)東北三省玉米產(chǎn)量波動(dòng)的影響程度[20]。綜上現(xiàn)有研究表明，氣候變化背景下作物生育期縮短，產(chǎn)量降低，但通過(guò)更替品種可減緩氣候變化負(fù)面影響，提升玉米產(chǎn)量潛力[21-24]。氣候資源利用效率是衡量作物生長(zhǎng)季資源有效性的指標(biāo)之一，明確一個(gè)區(qū)域氣候資源利用效率，對(duì)于充分利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，具有重要的指導(dǎo)意義[25]。

目前針對(duì)氣候變化對(duì)新疆玉米影響程度以及品種更替對(duì)資源利用效率的影響仍缺乏系統(tǒng)性研究，由于新疆地區(qū)為灌溉農(nóng)業(yè)，因此本研究重點(diǎn)分析熱量和輻射資源利用效率。選取新疆典型站點(diǎn)，基于1981-2019 歷史氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站玉米觀測(cè)資料，結(jié)合APSIM 模型，研究明確氣候變化對(duì)玉米生育期、產(chǎn)量和資源利用效率的影響程度，闡明玉米品種更替對(duì)氣候變化適應(yīng)效應(yīng)，以期為科學(xué)評(píng)估氣候變化對(duì)新疆玉米影響，以及玉米生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

新疆維吾爾族自治區(qū)溫帶大陸性氣候特征顯著，溫度日較差大，日照充足，降水量少，氣候干燥[26]。該地區(qū)多為灌溉農(nóng)業(yè)，是玉米種植密度和產(chǎn)量潛力最大區(qū)域[9]。選擇新疆維吾爾族自治區(qū)的烏蘭烏蘇（44°26′N，84°40′E，478.7m）、哈密（42°49′N，93°31′E，737.2m）、庫(kù)爾勒（41°45′N，86°08′E，931.5m）和喀什（39°29′N，75°45′E，1385.6m）為典型站點(diǎn)，分析氣候變化背景下當(dāng)?shù)卦谄贩N更替和不更替條件下春玉米和夏玉米生育期、產(chǎn)量及熱量資源利用效率的可能變化，其中烏蘭烏蘇站和哈密站種植春玉米，庫(kù)爾勒站和喀什站種植夏玉米。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)包括1981-2019年4 個(gè)代表性站點(diǎn)的逐日氣象資料。主要有平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量等。作物數(shù)據(jù)選取4 個(gè)研究站點(diǎn)的農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站資料，包括玉米的品種、關(guān)鍵生育期、產(chǎn)量及田間管理措施（水肥施用量及其日期），以上數(shù)據(jù)來(lái)自于新疆氣象局。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，包括容重、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 APSIM 模型有效性評(píng)價(jià)

采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（Agricultural Production System SIMulator，APSIM）模擬玉米的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成。該模型由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)組織和昆士蘭州政府聯(lián)合開發(fā)，可用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各主要組分的機(jī)理過(guò)程，該模型在中國(guó)應(yīng)用廣泛[27]。根據(jù)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，選擇國(guó)際上常用的決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）和D 指標(biāo)[28]，對(duì)模型在研究站點(diǎn)的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，各指標(biāo)計(jì)算式為

式中，Si為模擬值，Oi為實(shí)測(cè)值，O 為實(shí)測(cè)平均值，n 為樣本數(shù)。R2和D 值反應(yīng)模擬值與實(shí)測(cè)值的一致性，數(shù)值越接近1 模擬效果越好；RMSE、NRMSE 和MAE 反應(yīng)模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差大小，數(shù)值越小說(shuō)明模擬結(jié)果越好。

1.3.2 模型模擬情景設(shè)置

利用調(diào)參驗(yàn)證后的模型，模擬4 個(gè)典型站點(diǎn)的玉米光溫潛在產(chǎn)量。在模型中設(shè)置水肥不受限制，即充分灌溉和施肥。播期為該站點(diǎn)實(shí)際播期的歷年平均值，其中烏蘭烏蘇站春玉米為5月9日，哈密站為5月16日；庫(kù)爾勒站夏玉米為7月11日，喀什為7月2日。設(shè)置品種更替（各典型站點(diǎn)采用各年代實(shí)際種植的品種）和品種不更替（各典型站點(diǎn)采用1980S 種植品種）兩種情景。土壤數(shù)據(jù)采用該地區(qū)實(shí)際土壤數(shù)據(jù)。

1.3.3 農(nóng)業(yè)光熱氣候資源

采用累積有效熱時(shí)數(shù)（Accumulated effective thermal time，AcTT）、累積有效輻射（Accumulated photosynthesis active radiation，AcPAR）表征玉米生長(zhǎng)季光熱氣候資源。

使用APSIM-Maize 模型中熱時(shí)數(shù)計(jì)算玉米生長(zhǎng)季逐日有效熱時(shí)數(shù)（TTi），繼而通過(guò)逐日累加計(jì)算得到累計(jì)有效熱時(shí)數(shù)（AcTT），相關(guān)計(jì)算式為[29]

式中，AcTT 為累計(jì)有效熱時(shí)數(shù)（d·℃ ），TTi為第i 天的有效熱時(shí)數(shù)（ d·℃ ），t 為日平均溫度（℃），為日最高溫度與最低溫度的平均值，n 為生育期長(zhǎng)度（d）。

采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式，利用實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)計(jì)算逐日輻射[30]，進(jìn)而計(jì)算輻射中能被光合作用直接利用的部分（400-700nm）即光合有效輻射，其計(jì)算式為[29]

式中，AcPAR 為累計(jì)光合有效輻射（MJ·m-2），PARi為第i 天的光合有效輻射（MJ ·m-2），Rsi為第i 天的短波輻射（MJ ·m-2），n 為生育期長(zhǎng)度（d）。

采用線性回歸方程的回歸系數(shù)來(lái)表征各要素變化趨勢(shì)。計(jì)算式為

式中，Xt為樣本，t 為時(shí)間（年份），a 為回歸系數(shù)，b 為截距，a 和b 通過(guò)最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。以10a 作為該要素的氣候傾向率或變化率。

1.3.4 資源利用效率計(jì)算

熱量資源利用效率（HUE）計(jì)算式為[31]

式中，HUE 為熱量資源利用效率[kg ·hm-2(℃· d)-1]，Y 為單位面積玉米產(chǎn)量（kg ·hm-2），AcTT為玉米生長(zhǎng)季內(nèi)累計(jì)有效熱時(shí)數(shù)。

輻射資源利用效率（RUE）計(jì)算式為[32]

式中，RUE 為輻射利用率（g· MJ-1）；Y 為單位面積玉米產(chǎn)量（kg ·hm-2），由APSIM-Maize 模型輸出；AcPAR 為玉米生長(zhǎng)季內(nèi)累計(jì)太陽(yáng)光合有效輻射（MJ ·m-2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生長(zhǎng)季光熱氣候資源及品種更替變化

2.1.1 光熱氣候資源變化

由圖1 和表1 可見，烏蘭烏蘇和哈密站春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)熱量和輻射資源變化不顯著，但營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段有所不同。兩個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段內(nèi)有效熱時(shí)數(shù)和有效輻射大致呈減少趨勢(shì)，特別是烏蘭烏蘇站有效熱時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)顯著，為-45.77℃·d·10a-1（P＜0.01）。而生殖生長(zhǎng)階段增加趨勢(shì)顯著，其中有效熱時(shí)數(shù)烏蘭烏蘇站增加趨勢(shì)為47.68℃·d·10a-1（P＜0.01），哈密為72.00℃·d·10a-1（P＜0.01），有效輻射哈密增加趨勢(shì)為48.04℃·d·10a-1（P＜0.01）。夏玉米生長(zhǎng)季、營(yíng)養(yǎng)階段和生殖階段的熱量與輻射資源大都呈增加趨勢(shì)，且?guī)鞝柪照镜脑黾于厔?shì)最為顯著，全生長(zhǎng)季和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的有效熱時(shí)數(shù)增加趨勢(shì)分別為67.22℃·d·10a-1（P＜0.01）和49.33℃·d·10a-1（P＜0.01），有效輻射增加趨勢(shì)分別為36.06MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）和 28.27MJ·m-2·10a-1（P＜0.01）。除部分站點(diǎn)變化趨勢(shì)不顯著外，總體而言，玉米生長(zhǎng)季內(nèi)熱量資源和輻射資源呈增加趨勢(shì)，其中春玉米以生殖生長(zhǎng)階段增加為主，而夏玉米以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段增加為主。

圖1 1981-2019年歷年玉米生長(zhǎng)季、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段農(nóng)業(yè)光熱資源（1 為有效熱時(shí)數(shù)，2 為有效輻射）變化過(guò)程Fig.1 Variation course of the agro-climatic resources (1-AcTT, 2-AcPAR) of maize during WGP, VGP and RGP in study sites

表1 1981-2019年玉米生長(zhǎng)季、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段農(nóng)業(yè)光熱氣候資源變化傾向率Table 1 Trend rate of agro-climatic resources during VGP and RGP of maize in study sites

2.1.2 玉米品種更替情況

由表2 可見，春玉米SC-704 品種在1981-2018年各年代內(nèi)均為主栽品種，在2010年之前，其種植站次占比均過(guò)半，特別是在20 世紀(jì)90年代（1990S）達(dá)到了100%。而21 世紀(jì)10年代（2010S），隨著Zhengdan958 的推廣，其占比有所降低，但仍為占比最大品種。夏玉米品種更替較春玉米更為頻繁，在1980S 和1990S（20 世紀(jì)80 和90年代），Qilike 均為主栽品種，但其占比隨年代推進(jìn)而降低。2000S 和2010S（21 世紀(jì)），Xinyu9 為主栽品種，且占比較大。

表2 玉米各年代品種占比及更替特征Table 2 The proportion and replacement of maize cultivars in different decade

2.2 氣候變化背景下品種更替對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響

2.2.1 玉米品種參數(shù)的調(diào)試和驗(yàn)證

為分析品種更替對(duì)氣候變化的適應(yīng)，將1981-2019年分為1980年代（1980S），1990年代（1990S），2000年代（2000S）和2010年代（2010S）4 個(gè)年代。以種植年份較長(zhǎng)的主栽玉米品種作為該年代的代表性品種，結(jié)果見表3。為了體現(xiàn)每個(gè)年代的品種特色，即使是相同品種，在不同年代亦采用不同序號(hào)表示，且模型中的遺傳參數(shù)也隨年代有差異。

利用APSIM-Maize 模型，以表2 中各農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站實(shí)測(cè)資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用試錯(cuò)法，對(duì)各年代的代表性玉米品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證。玉米生育期、產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值與模擬值的比較結(jié)果如圖2 和表4 所示，其中決定系數(shù)（R2）均在0.7 以上，D 指標(biāo)均在0.85 以上；歸一化均方根誤差（NRMSE）在評(píng)價(jià)生育期時(shí)均在4.5%以內(nèi)，產(chǎn)量均在13%以內(nèi)；平均絕對(duì)誤差（MAE）在評(píng)價(jià)出苗-開花期天數(shù)時(shí)均在2d 以內(nèi)，出苗-成熟期天數(shù)均在3d 以內(nèi)，產(chǎn)量MAE 均在600kg·hm-2。由此可見，APSIM-Maize 模型在研究區(qū)域具有較好的適用性，可用于玉米生育期和產(chǎn)量模擬。

表3 玉米各年代調(diào)參和驗(yàn)證所用品種及數(shù)據(jù)來(lái)源Table 3 Maize varieties and data sources for APSIM calibration and validation

圖2 玉米（1 為春玉米，2 為夏玉米）出苗-開花期、出苗-成熟期和產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Validation results between simulated and observed value for days from emergence to flowering, days from emergence to maturity and yield of maize (1-spring maize,2-summer maize) at study sites

表4 APSIM-Maize 模型驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)Table 4 Validation of APSIM-Maize model for spring maize and summer maize

2.2.2 品種更替對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

利用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize 模型，分別模擬品種不更替和品種更替條件下玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，得到各站點(diǎn)歷年玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（VGP）、生殖生長(zhǎng)階段（RGP）和生長(zhǎng)季（WGP）天數(shù)的線性變化傾向率，結(jié)果如表5。由表可見，研究時(shí)段內(nèi)，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀(jì)80年代的品種，氣候變化背景下，哈密站春玉米和喀什站夏玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生殖生長(zhǎng)階段期均呈極顯著縮短趨勢(shì)，全生長(zhǎng)季也呈極顯著縮短趨勢(shì)；烏蘭烏蘇春玉米生殖階段以及全生長(zhǎng)季也呈顯著縮短趨勢(shì)，其它站玉米生育期的變化趨勢(shì)不顯著。

若玉米品種在各年代更替，則各站點(diǎn)玉米生育階段也隨之改變。哈密站春玉米和喀什站夏玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)階段以及全生長(zhǎng)季縮短的趨勢(shì)得到緩解；喀什站夏玉米全生長(zhǎng)季縮短趨勢(shì)明顯減緩，由原來(lái)的3.8d·10a-1減緩為1.8d·10a-1，哈密站和烏蘭烏蘇站春玉米全生長(zhǎng)季甚至出現(xiàn)極顯著延長(zhǎng)趨勢(shì)，庫(kù)爾勒站夏玉米全生長(zhǎng)季無(wú)明顯變化趨勢(shì)。開花-成熟期即生殖生長(zhǎng)階段的長(zhǎng)度及該階段在全生育期所占比例，直接影響干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移和最終產(chǎn)量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)（圖3），品種更替條件下烏蘭烏蘇和哈密站春玉米生殖生長(zhǎng)階段在全生長(zhǎng)季的占比均明顯增加，夏玉米的變化趨勢(shì)不顯著。

可見，在氣候變化背景下，品種更替使典型站點(diǎn)玉米生育期的變化趨勢(shì)發(fā)生了明顯有利的改變。春玉米表現(xiàn)為生育期延長(zhǎng)，且生殖階段占比提高，而夏玉米表現(xiàn)為生育期縮短趨勢(shì)的減小。

表5 品種不更替和更替條件下玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)階段和全生長(zhǎng)季天數(shù)變化趨勢(shì)(d·10a-1)Table 5 Trend rate of days during VGP, RGP, and WGP under the scenarios of varieties replacement or not(d·10y-1)

圖3 各站品種更替/不更替情景下模擬的玉米生殖生長(zhǎng)階段占生長(zhǎng)季的比例Fig.3 The proportion of simulated maize RGP in WGP under the scenarios of variety replacement or not

2.2.3 品種更替對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由圖4 和表6 可見，研究期內(nèi)，假如玉米品種不更替即一直沿用20 世紀(jì)80年代的品種，在氣候變化背景下，哈密站的春玉米產(chǎn)量會(huì)顯著下降，下降速率達(dá)938.28kg·hm-2·10a-1（P＜0.01）；其它站點(diǎn)不管是春玉米還是夏玉米產(chǎn)量變化趨勢(shì)均不顯著。如果各站點(diǎn)品種隨氣候變化發(fā)生更替，則各站點(diǎn)玉米產(chǎn)量的變化趨勢(shì)也會(huì)隨之改變，具體表現(xiàn)為：哈密站春玉米產(chǎn)量下降趨勢(shì)被遏制，變?yōu)椴伙@著；其它原來(lái)變化趨勢(shì)不顯著站點(diǎn)的產(chǎn)量會(huì)發(fā)生不同程度的改變，烏蘭烏蘇站的春玉米和喀什站夏玉米產(chǎn)量均極顯著增加，變化趨勢(shì)分別可達(dá)672.42kg·hm-2·10a-1和587.34kg·hm-2·10a-1；僅庫(kù)爾勒站夏玉米產(chǎn)量仍然無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。可見，總體上看，在氣候變化背景下，品種更替給典型站點(diǎn)玉米產(chǎn)量的變化趨勢(shì)帶來(lái)了明顯有利的改變。

圖4 各站品種更替/不更替情景下模擬的玉米產(chǎn)量逐年變化過(guò)程Fig.4 Variation course of the simulated maize yield under the scenarios of variety replacement or not

表6 品種更替/不更替情景下玉米產(chǎn)量變化傾向率Table 6 Trend rate of simulated maize yield under the scenarios of varieties replacement or not

2.3 氣候變化背景下品種更替對(duì)光熱資源利用效率的影響

2.3.1 熱量利用效率

基于玉米生長(zhǎng)季有效積溫以及逐年產(chǎn)量，利用式（11）得到玉米熱量利用效率，如圖5 和表7 所示。由圖表可見，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀(jì)80年代的品種，氣候變化背景下，僅哈密站春玉米熱量資源利用效率呈極顯著降低（P＜0.01），平均為0.53kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1，其它站點(diǎn)雖有減少，但變化趨勢(shì)均不顯著。若各站點(diǎn)品種隨年代更替，烏蘭烏蘇站春玉米和喀什站夏玉米的熱量利用效率則均呈極顯著增加趨勢(shì)（P＜0.01），分別為0.18kg·hm-2·(℃·d)-1·10a-1和0.33kg·hm-2·(℃· d)-1·10a-1?？梢娖贩N更替顯著提高了玉米熱量利用效率。其中烏蘭烏蘇站從4.32kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.53kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.96%，哈密站從4.36kg·hm-2·(℃·d)-1提高到4.79kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了9.92%；庫(kù)爾勒站從5.10kg·hm-2·(℃·d)-1提高到5.28kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了3.53%，喀什站從6.68kg·hm-2·(℃·d)-1提高到7.00kg·hm-2·(℃·d)-1，提高了4.76%。表明氣候變化背景下，品種更替對(duì)玉米熱量利用效率有顯著的提升。

圖5 1981-2019年品種更替/不更替條件下熱量利用效率變化Fig.5 Variation course in the heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表7 品種更替/不更替條件下玉米熱量利用效率變化趨勢(shì)Table 7 Trend of heat use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

2.3.2 輻射利用效率

利用式（12）得到輻射利用率變化如圖6 和表8。由圖表可見，若玉米品種不更替即一直沿用20 世紀(jì)80年代的品種，氣候變化背景下僅哈密站春玉米輻射利用效率呈極顯著減少的趨勢(shì)，平均為0.064g·MJ-1·10a-1（P＜0.01）。與熱量利用效率不同的是，庫(kù)爾勒和喀什站夏玉米在品種不更替情形下，輻射利用率表現(xiàn)為增加，但變化趨勢(shì)不顯著。品種更替后，哈密站春玉米輻射利用率仍呈極顯著減少趨勢(shì)，平均為0.016g·MJ-1·10a-1（P＜0.01），較品種更替之前，減少了0.048g·MJ-1·10a-1。其它站點(diǎn)在品種更替提條件下，輻射利用率均表現(xiàn)為增加，但變化趨勢(shì)不顯著。比較其平均值，烏蘭烏蘇站從0.63g·MJ-1提高到0.68g·MJ-1，提高了7.86%，哈密站從0.62g·MJ-1提高到0.67g·MJ-1，提高了8.60%；庫(kù)爾勒站從0.82g·MJ-1提高到0.85g·MJ-1，提高了4.35%，喀什站從0.92g·MJ-1提高到0.97g·MJ-1，提高了4.90%?？梢?，在氣候變化背景下，品種更替對(duì)玉米的熱量利用效率有顯著的提升。綜合熱量利用效率的變化可知，品種更替對(duì)玉米高效利用生長(zhǎng)季的農(nóng)業(yè)氣候資源起了積極作用。

圖6 1981-2019年品種更替/品種不更替條件下輻射利用率變化Fig.6 Variation course in the radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

表8 品種更替/不更替情景下玉米輻射利用率變化率Table 8 Trend of radiation use efficiency under the scenarios of varieties replacement or not

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

全球氣候變化背景下，新疆地區(qū)光溫氣候資源發(fā)生了顯著變化。前人研究發(fā)現(xiàn)，北疆大部分地區(qū)≥10℃積溫呈增加趨勢(shì)[33]，但全年輻射呈減少趨勢(shì)[34]。本研究中玉米生長(zhǎng)季內(nèi)熱量資源變化與前人研究結(jié)果相似，但輻射資源總體呈增加趨勢(shì)，主要原因是新疆地區(qū)輻射主要是在冬季減少[34]，而本文研究時(shí)段是玉米的生長(zhǎng)季以及不同生育階段。

品種更替是作物適應(yīng)氣候變化重要途徑之一。前人研究表明，品種更替延長(zhǎng)玉米生育期，進(jìn)而提高產(chǎn)量[35]，同時(shí)玉米氣候資源利用率也得到提高[36]。為進(jìn)一步探究品種更替對(duì)新疆玉米光溫利用效率的影響，本研究結(jié)合APSIM 模型，分析了1981-2019年新疆4 個(gè)典型站點(diǎn)玉米生育階段及光溫潛在產(chǎn)量演變，發(fā)現(xiàn)品種更替延長(zhǎng)了玉米的生育期，但春玉米和夏玉米有所差異，品種更替使春玉米生育期由縮短變?yōu)檠娱L(zhǎng)，而夏玉米雖仍為縮短趨勢(shì)，但趨勢(shì)減小。這可能是由于品種更替未能完全抵消氣候變化對(duì)夏玉米的負(fù)面影響。前人研究表明，1960-2005年新疆春、夏和秋季分別增溫0.74℃、0.94℃和1.97℃[37]，溫度增加導(dǎo)致玉米生長(zhǎng)發(fā)育加快[38]，而夏秋季節(jié)的增溫顯著高于春季，導(dǎo)致夏玉米受到增溫效應(yīng)大于春玉米，從而氣候變化背景下生育期縮短程度較春玉米更大。分析玉米生殖生長(zhǎng)階段占全生育期比例發(fā)現(xiàn)，品種更替顯著提高玉米生殖生長(zhǎng)階段占全生育期比例。而生殖生長(zhǎng)階段是物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時(shí)期[39]，該時(shí)期的延長(zhǎng)，有利于玉米籽粒干物質(zhì)積累和產(chǎn)量提升[38]。這與前人研究玉米的品種更替，生殖生長(zhǎng)比例增加結(jié)果較一致[35]。本研究中，雖然夏玉米的生育期在品種更替之后仍然表現(xiàn)為縮短的趨勢(shì)，但其產(chǎn)量卻呈增加趨勢(shì)。這可能是由于品種更替，玉米光合效率有所提高[40]，使干物質(zhì)積累增加。而品種更替條件下春玉米和夏玉米熱量和輻射利用效率均有所提高，這與其產(chǎn)量提高密切相關(guān)。

本研究也存在一些不足，需今后進(jìn)一步深入。首先，農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站玉米產(chǎn)量低于當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)試驗(yàn)，利用農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM模型，模擬的玉米光溫潛在產(chǎn)量偏低，導(dǎo)致其光熱資源利用效率偏低。其次，僅對(duì)玉米發(fā)育期和產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)參，而未考慮生物量和葉面積動(dòng)態(tài)變化，可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果有一定偏差。同時(shí)，在考慮氣候要素變化影響時(shí)，沒有考慮CO2的肥效作用，這也是產(chǎn)量模擬值偏低原因之一。最后，新疆氣候存在區(qū)域差異性，而本研究?jī)H選擇4 個(gè)典型站點(diǎn)，今后需選取更多站點(diǎn)代表不同區(qū)域氣候，系統(tǒng)研究氣候變化對(duì)新疆玉米影響。

3.2 結(jié)論

（1）調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize 模型在新疆地區(qū)有較好的適用性，在生育期和產(chǎn)量模擬方面誤差均在允許范圍內(nèi)。

（2）整體來(lái)說(shuō)，1981-2019年新疆玉米生長(zhǎng)季內(nèi)熱量資源和輻射資源呈增加趨勢(shì)，其中春玉米以生殖生長(zhǎng)階段增加為主，夏玉米以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的增加為主。

（3）氣候變化導(dǎo)致春玉米和夏玉米生育期縮短、產(chǎn)量降低。品種更替條件下玉米生育期的變化趨勢(shì)發(fā)生了明顯有利的改變，其中春玉米表現(xiàn)為生育期延長(zhǎng)，而夏玉米表現(xiàn)為縮短趨勢(shì)的減小。同時(shí)，品種更替顯著增加了春玉米花后生育階段的比例，夏玉米變化趨勢(shì)不顯著。

（4）品種更替在提高玉米產(chǎn)量同時(shí)，熱量利用效率和輻射利用率均得到提高。烏蘭烏蘇站和哈密站春玉米熱量利用效率分別提高4.96%和9.92%，庫(kù)爾勒站和喀什站夏玉米分別提高3.53%和4.76%；烏蘭烏蘇站和哈密站春玉米輻射利用效率分別提高7.86%和8.60%，庫(kù)爾勒站和喀什站夏玉米分別提高4.35%和4.90%。