東北地區(qū)氣候變化對玉米生產(chǎn)的影響與對策

龔德平，龔文柳

（1荊州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北荊州 434000；2昆士蘭大學(xué)，澳大利亞布里斯班QLD4067）

0 引言

氣候變暖對人類、生態(tài)、農(nóng)業(yè)和水資源的潛在影響是各國政府、學(xué)術(shù)界和公眾的主要關(guān)注點(diǎn)。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報(bào)告指出，在過去的100 年中，全球地表溫度增長了0.74℃，在北半球的高緯度地區(qū)，總體溫度增長最為明顯[1]。在全球變暖的背景下，中國地表年平均溫度在過去的100 年中有了顯著的增長，增長幅度在0.5℃～0.8℃之間，在過去的50年中，中國北方的年平均溫度上升幅度最大。對21 世紀(jì)氣候變化趨勢的預(yù)測表明，21 世紀(jì)，中國的氣候?qū)⒗^續(xù)明顯變暖，尤其是在北部冬季[2]。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是明顯而廣泛的，這將增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，增加種植結(jié)構(gòu)和布局的變化，加劇一些地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[3]。

東北是中國緯度最高的地區(qū)，主要生產(chǎn)玉米、大豆、春小麥、水稻、高粱等農(nóng)作物，是中國最大的商品糧基地[4]。目前玉米種植面積超過600 萬hm2，產(chǎn)量近4000 萬t，約占全國的30%[5]，是中國重要玉米生產(chǎn)基地，在國家糧食安全保障戰(zhàn)略中占有重要地位[6]。東北三省也是受全球氣候變化影響最大的地區(qū)之一[7]。雖然改善溫度條件有利于糧食生產(chǎn)，但伴隨氣候變暖和氣候變異性加大，顯著增加了干旱和洪水的發(fā)生。隨著低溫、冷害等惡劣天氣頻發(fā)，東北地區(qū)已成為中國糧食單產(chǎn)波動最大的地區(qū)之一[8]。

陳群等[9]發(fā)現(xiàn)黑龍江省、吉林省以及遼寧省各試驗(yàn)站春玉米平均成熟日期變化趨勢分別每年推遲0.39、0.35和0.55天，平均生育期天數(shù)變化趨勢分別每年增加0.49、0.17 和0.34 天。張建平等[10]通過氣候模型BBC-T63 模擬顯示未來60 年，玉米生育期將縮短，玉米產(chǎn)量相應(yīng)下降。Liu 等[11]通過解析氣溫和降水對東北春玉米產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，日最高氣溫升高1～3℃春玉米潛在產(chǎn)量和潛在產(chǎn)量將減產(chǎn)約7%～54%和2%～26%，日最低氣溫升高1～3℃，春玉米潛在產(chǎn)量將減產(chǎn)約2%～24%；降水量減少10%～30%，潛在產(chǎn)量將減少0～70%。

因此，了解氣候變化對東北地區(qū)的影響及氣候變化對東北地區(qū)玉米產(chǎn)量和生長的影響，分析氣候變化背景下東北地區(qū)玉米生產(chǎn)的適應(yīng)機(jī)制，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 東北地區(qū)氣候變異性的量化

1.1 東北地區(qū)近50年降水量變化

近年來，中國東北地區(qū)降水已成為作物生長的重要水源。降水量的變化將直接影響作物的生產(chǎn)。1960—2010年該地區(qū)年平均降水量為598.58 mm，2010年降水量最大，1999年降水量最少為475.32 mm。年降水量逐漸減少，降水的年際分布不均勻，特別是最近30年來。同時，降水量的年際變化較大，年際變化幅度也大于前期。

1.2 近50年東北地區(qū)日照時數(shù)變化

陽光是作物進(jìn)行光合作用的主要能量來源。太陽輻射的變化在一定程度上影響作物的光合作用，從而影響作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成。1960—2010年，東北地區(qū)日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，年平均日照時數(shù)為2565.93 h，年平均日照率為58.38%，年平均日照時數(shù)為5324.47 mJ/m2。同時，這些變化具有階段性。1980年以前年日照時數(shù)呈上升趨勢，1980年之后年日照時數(shù)呈下降趨勢。

1.3 近50年東北地區(qū)氣溫變化

近50年來，東北地區(qū)年均氣溫呈上升趨勢。與前兩個時期相比，1980—2010年該地區(qū)的年平均氣溫明顯高于前兩個時期。1960—2010 年年均氣溫4.68℃，80 年代之前平均氣溫3.81℃，80 年代平均氣溫上升到4.71℃，90年代前平均氣溫下降，90年代后氣溫呈明顯上升趨勢，最高出現(xiàn)在2007 年為6.31℃。全年平均溫升為0.34℃。

近50年來東北地區(qū)氣象資料分析結(jié)果表明，東北地區(qū)的氣象要素在氣候變化背景下發(fā)生了顯著變化?？傮w表現(xiàn)為氣溫升高，熱量資源豐富，降水量減少，太陽輻射減少。這一系列與玉米生產(chǎn)密切相關(guān)的氣象因素的變化必然會影響東北地區(qū)的玉米生產(chǎn)。

2 對玉米生產(chǎn)力的潛在影響

前人研究了氣候變化對東北地區(qū)玉米生產(chǎn)水平的影響。在不考慮品種變異性和栽培管理措施改進(jìn)的情況下，氣候變化對春玉米產(chǎn)量潛力和各產(chǎn)量因素都有負(fù)面影響[11-12]。Chen等[8]基于作物生長模型，模擬了氣候變化模型下東北春玉米的產(chǎn)量潛力。結(jié)果表明，與20世紀(jì)70年代相比，2000年之后的氣候變化使不同春玉米品種的產(chǎn)量潛力降低了7%～18%。Liu 等[11]進(jìn)一步分析了溫度和降水對東北春玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)日最高氣溫升高1℃～3℃時，春玉米的潛在產(chǎn)量分別下降7%～54%和2%～26%，當(dāng)日最低氣溫升高1℃～3℃時，潛在產(chǎn)量下降約2%～24%；降水量下降10%～30%時，潛在產(chǎn)量下降約2%～24%。Lobell 等[13]的研究表明，自1980年以來的氣候變化導(dǎo)致中國玉米產(chǎn)量減少了約7%。

2.1 溫度對玉米產(chǎn)量的影響

高溫條件的增加促進(jìn)了東北地區(qū)作物春季物候期和秋季物候期的提前，大田作物的播種期和收獲期相應(yīng)提前。東北大部分地區(qū)玉米生長天數(shù)增加約10天，北方部分地區(qū)適宜生長期增加10～20天。適宜玉米種植區(qū)的適宜播種時間一般提前2～10天，東北地區(qū)玉米適宜播種時間提前4天左右。

氣溫升高通過土壤微生物活性影響有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的分解速率，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤肥力下降。由于土壤肥力下降，化肥投入將增加。氣候變化對農(nóng)業(yè)害蟲也有重要影響。氣候變暖有利于玉米面積的擴(kuò)大，增加了寄主植物的來源，有利于病蟲害的越冬繁殖。農(nóng)業(yè)病蟲害也發(fā)生了一些變化：越冬蟲卵死亡率下降，病蟲數(shù)量增加、范圍擴(kuò)大。此外，氣候變化也可能導(dǎo)致新的病蟲害類型，由病蟲害造成的農(nóng)業(yè)損失更為嚴(yán)重[14]。

此外，當(dāng)年有效積溫值升高時，害蟲的發(fā)育開始時間提前，害蟲越冬期縮短，害蟲的繁殖世代增多。即使有效積溫值不足以防止害蟲下一代發(fā)生，也會使害蟲在田間的時間延長。隨著危害程度的增加，對玉米造成多重?fù)p害的可能性增加，導(dǎo)致作物損失增加[15]。由于氣候變暖而導(dǎo)致的生長季節(jié)的變暖和延長，將導(dǎo)致許多害蟲繁殖1～3代，害蟲的數(shù)量的增加，將使作物損失更大，對害蟲的控制也更加困難[16]。

病蟲害發(fā)生頻率和危害的增加以及雜草的生長導(dǎo)致殺蟲劑和除草劑的使用增加，加大了生產(chǎn)和管理成本。近幾十年來，由于降水量減少、氣溫升高、地下水開采量增加等因素，東北地區(qū)水資源逐漸減少，不僅加劇了華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水緊張，而且制約了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.2 干旱對玉米產(chǎn)量的影響

在玉米的生長過程中，水作為一個重要的條件，對玉米的生長發(fā)育起著決定性的作用。玉米通過與周圍環(huán)境的水分交換，保持體內(nèi)外水分循環(huán)，滿足生長發(fā)育用水的需要。玉米的正常生理活動只能在一定的細(xì)胞含水量條件下進(jìn)行。玉米生產(chǎn)對水資源利用的依賴性往往超過任何其他環(huán)境條件。影響玉米的干旱脅迫程度取決于干旱程度、持續(xù)時間和生育時期。玉米早期干旱脅迫會顯著延緩玉米的生長進(jìn)程。嚴(yán)重的干旱脅迫會使抽雄吐絲期推遲4 天左右，同時也會導(dǎo)致成熟期延遲[17]。

在東北干旱條件下，玉米百粒重下降，每穗粒數(shù)下降，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著下降。在玉米水分虧缺不同階段的研究中，發(fā)現(xiàn)土壤干旱在任何生長階段都會導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的下降。在抽雄吐絲期，水分脅迫最為重要，水分虧缺導(dǎo)致授粉和特殊籽粒的形成[18]。劉帆等[19]發(fā)現(xiàn)干旱改變了光合速率和蒸騰速率的日變化規(guī)律，拔節(jié)期對光合作用的抑制小于成熟期。雖然抽雄吐絲期到成熟期是玉米的臨界水分期，但植物對水分的需求量最大，通過灌溉等措施可以減輕水分。在苗期，如果發(fā)生嚴(yán)重干旱，會造成不均勻出苗和低出苗率等不可彌補(bǔ)的損失[20]。

2.3 日照時間對玉米產(chǎn)量的影響

地表太陽輻射的減少對玉米造成了一系列的損害。日照時間的減少導(dǎo)致玉米的光合有效輻射減少，從而影響產(chǎn)量構(gòu)成。太陽輻射有利于株高增長、葉面積指數(shù)增加、生長加快、出苗率高，促進(jìn)植物對硫S、銅、鐵、鎂等元素的吸收。但光照不足會導(dǎo)致降低葉綠素含量、降低物質(zhì)傳輸能力、氣孔開度降低、自由基和各種生物酶活性受到影響[21]，開花減少，開花率降低[22]，減少作物生物量和產(chǎn)量[23]，植物干物質(zhì)積累率下降，氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收率下降[24]。玉米響應(yīng)模型表明，根據(jù)光能生產(chǎn)潛力計(jì)算結(jié)果，每降低一個單位的總太陽輻射，玉米生長期總太陽輻射減少1 kJ/cm2，相當(dāng)于玉米生物產(chǎn)量減少337.5 kg/hm2。可見，太陽輻射的減弱對玉米的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成有著重要的影響。

3 應(yīng)對措施

3.1 適期播種

通過提前安排玉米播種期，使玉米產(chǎn)量相應(yīng)增加，減少產(chǎn)量損失。由于未來的全球變暖，東北部氣候變暖的時間提前，玉米生長的時間提前。隨著播種期的提前，播種至拔節(jié)期逐漸延長，整個生育期也隨之延長，從而使玉米的光合時間延長，提前播種有利于玉米的生長，產(chǎn)量相對增加。

提前播種的情況下，葉綠素含量高、干物質(zhì)積累量也高。由于氣象因素的影響，植株的粒鮮和百粒重均較高。熱量、光照時間和水分的充足也有效地避免了春旱的危害，從而提高了玉米產(chǎn)量。同時，早播玉米秸稈比正常播玉米秸稈粗0.5～1.5 mm，抗倒伏能力較強(qiáng)。早播玉米穗長、穗粗高于中、晚播玉米穗長、穗粗。

3.2 肥料運(yùn)籌

適當(dāng)增加化肥和微量元素肥料的投入，充分發(fā)揮增產(chǎn)潛力。在中國東北部，大約三分之二的玉米肥料用于施氮，磷肥少，鉀肥少。玉米施肥量應(yīng)增加到12 kg以上的純氮和適量的磷鉀肥料[25]。

微量元素肥料對促進(jìn)玉米植株生長發(fā)育具有重要作用。在拔節(jié)期施用微量元素肥料S95、Si、Mn、B、Cu、Mo對玉米株高、葉數(shù)和葉面積指數(shù)有明顯的促進(jìn)作用，促進(jìn)了玉米的生長發(fā)育。此外，微量元素肥料還可以提高水分利用效率，顯著提高產(chǎn)量[26]。

3.3 品種選擇

金之慶等[27]將耐高溫、生長期長的品種GARST 8808、PB8 和Dekalb XL45 分別引進(jìn)種植區(qū)，在相同條件下，模擬產(chǎn)量分別比原品種高132%和127%。與現(xiàn)有產(chǎn)量相比，還可提高產(chǎn)量24%和21%，表明培育或引進(jìn)耐高溫抗旱的適宜品種是適應(yīng)氣候變化的有效途徑。通過擴(kuò)大雜交玉米種植面積，充分發(fā)掘當(dāng)?shù)氐姆N質(zhì)資源，根據(jù)生態(tài)區(qū)劃選擇單交、雙交、三交和群體變換，增加品種的多樣性。

4 展望

氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響是多元性的。近50年來，中國東北地區(qū)經(jīng)歷了氣溫升高、降水量減少、日照時數(shù)減少等氣候變化。玉米生產(chǎn)面臨著產(chǎn)量下降、生育期延長、品質(zhì)下降、病蟲害和雜草增多等不利影響。因此，為了應(yīng)對氣候變化對玉米生產(chǎn)的不利影響，有必要積極改進(jìn)管理措施：（1）提前安排玉米播種日期，適時提前播種，延長玉米營養(yǎng)生長時間，有效提高玉米產(chǎn)量。（2）增加化肥和微量元素的投入，充分發(fā)揮玉米增產(chǎn)潛力。（3）選擇耐高溫抗旱品種，增加品種的多樣性，減輕高溫干旱天氣對玉米的影響。