河西地區(qū)高溫對春玉米生長的影響

楊 華，蔣菊芳，丁文魁，程 倩，張金丹，徐玉鳳

（1中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/干旱氣候變化與影響研究室，蘭州 730020；2甘肅省武威市氣象局，甘肅武威 733000）

0 引言

玉米作為重要的糧食、飼料和經(jīng)濟作物，在中國農業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟中占有重要地位。玉米起源于中美洲熱帶地區(qū)，是喜溫作物，只有生育期間所需的積溫滿足才能正常成熟[1]。在不同的生育階段，玉米有不同的最高、最適、最低溫度，即三基點溫度，溫度過高會造成生理障礙導致生長發(fā)育受阻[2]。全球變暖已成為不爭的事實，IPCC第四次科學評估報告顯示，近100年（1906—2005年）全球平均氣溫上升了0.74℃，隨著全球氣候變暖，晝夜溫差變大，發(fā)生極端高溫的頻率增加[3-4]，影響了全球糧食作物的安全和生產(chǎn)[5]。研究表明，1980—2008年的氣候變化導致全球玉米減產(chǎn)3.1%，其中，中國的玉米產(chǎn)量降低了7.0%[6-8]。氣候變暖使玉米生長發(fā)育加速，開花期提前，雌穗分化數(shù)量明顯減少，果穗變小[9-11]。當氣溫高于30℃后，玉米葉片光合速率下降的主要原因是Rubisco失活[12-14]。開花期前后的高溫脅迫對玉米的光合作用有明顯的影響，高溫導致玉米產(chǎn)量明顯降低，品質也受到了明顯的影響[15-17]。LOBELL等[18-20]研究表明，極端高溫對非洲玉米生產(chǎn)影響顯著，大于30℃日最高氣溫的積溫每增加1℃，將導致玉米減產(chǎn)1.7%。目前，國內對玉米的高溫脅迫機理研究較多，但對區(qū)域高溫風險及其玉米產(chǎn)量影響方面的相關研究比較缺乏。

武威市2021年春玉米種植面積為9.97×104hm2，是甘肅省主要的春玉米產(chǎn)區(qū)，也是受氣候變化影響較顯著的地區(qū)。21世紀以來，全國增溫速率達0.24℃/10a，為全球的2倍，氣候變暖趨勢明顯高于全球。而變暖最明顯的地區(qū)在西北，變暖強度高于全國平均值[21]，甘肅地區(qū)增溫速率達0.28℃/10a。河西地區(qū)升溫幅度最大，增溫速率達0.38℃/10a，升溫幅度是全球的3倍[22-23]。1993年以來，河西地區(qū)降水量平均增多9.9 mm/10a，累計增加了11.4%，極端降水強度增加[22]。近年來，河西春玉米種植面積逐年增加，與此同時，極端高溫發(fā)生頻率增加，河西春玉米生產(chǎn)高溫風險也明顯增加，分析河西地區(qū)極端高溫的變化特征及其對春玉米的影響對于該地區(qū)春玉米生產(chǎn)具有重要意義。鑒于此，本研究在國內外前人研究的基礎上，以河西地區(qū)春玉米主要產(chǎn)區(qū)——武威為例，研究極端高溫對春玉米不同生長階段的影響，為河西農作區(qū)春玉米生產(chǎn)適應氣候變化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

長期定位觀測試驗設在武威荒漠生態(tài)與農業(yè)氣象試驗站進行，此站位于甘肅省中部、河西走廊東端，屬典型的大陸性氣候區(qū)，海拔高度為1531.5 m。年平均氣溫9.2℃，年平均最高氣溫36.2℃，晝夜溫差大；年平均降水量177.3 mm，降水主要集中在夏季6—9月份，占年降水總量的70.2%，其他農作物生長季節(jié)3—5月降水量34.1 mm，10月降水量10.0 mm，雨熱同期；年平均日照時數(shù)2912.8 h，日照充足，蒸發(fā)強烈；年平均無霜期160天左右。

1.2 資料來源

1981—2021年連續(xù)41年春玉米發(fā)育期及產(chǎn)量資料為武威荒漠生態(tài)與農業(yè)氣象試驗站定點觀測，包括春玉米各個發(fā)育期以及產(chǎn)量的詳細記錄。河西地區(qū)典型春玉米種植區(qū)武威市及涼州區(qū)產(chǎn)量資料來自國家調查隊武威統(tǒng)計局。試驗區(qū)耕作方式和田間管理與當?shù)胤N植方式一致，春玉米全生育期使用水源井水灌溉，灌溉量每次大約為1000 m3/hm2，100%年年可灌。觀測方法按照中國氣象局編定的《農業(yè)氣象觀測規(guī)范》[24]進行。由于開花期是對高溫最敏感的時期[7]，因此本研究將春玉米全生育期劃分為第一生長階段（播種到開花前11天）、第二生長階段（花前花后20天）和第三生長階段（花后11天到成熟）3個階段。1952—2021年日最高氣溫是武威基本氣象觀測站地面觀測數(shù)據(jù)，春玉米種植區(qū)位于氣象觀測站附近200 m處。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候趨向率 采用一次線性方程來表示氣候要素多年變化的趨勢，用線性回歸斜率的10倍來表示氣候趨向率[25]。一次線性方程如式(1)所示。

式中：yi為樣本量為n的氣候變量，xi表示yi對應的時間，a為常數(shù)項；b為線性回歸斜率；i為時間序列的年份，氣候趨向率為斜率b的10倍。

1.3.2 極端高溫評價指標 ＞30℃日最高氣溫的積溫(AT)和＞30℃日最高氣溫的天數(shù)(AD)是評價春玉米生育期內高溫風險最常用的2個指標[19-20,26]，計算如公式(2)和(3)所示。

式中：AT是春玉米某個生育階段＞30℃日最高氣溫的積溫，ATt是每天＞30℃的氣溫，N為春玉米某個生育階段的天數(shù)，T為日最高氣溫。Topt是春玉米生長季節(jié)生物學上限溫度，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，春玉米適宜生長的范圍為10～30℃[27]，因此，本研究以30℃作為春玉米生長過程中最高氣溫的臨界值。

1.3.3 Mann-Kendall檢測 1945年Mann提出了Mann-Kendall檢測法（以下簡稱M-K檢測），當時僅用于檢測某一序列的變化趨勢，經(jīng)過Sneyers和Goossens等進一步完善，發(fā)展成為一種能夠檢測氣候突變的方法，它的特點是檢測范圍寬、定量化程度高。如今在溫度、降水及干旱等氣候變化的研究中Mann-Kendall檢測法被廣泛應用。Mann-Kendall檢測法的原理見參考文獻[28]。

1.3.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析 運用SPSS 13.0軟件檢驗極端高溫、春玉米發(fā)育期、產(chǎn)量及產(chǎn)量結構與年份之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 河西地區(qū)春玉米發(fā)育期變化特征

1981—2021年河西地區(qū)春玉米在4月4日—5月5日播種，7月18日—8月7日開花，9月14日—10月6日成熟。近41年的平均播種日期為4月16日，開花期為7月28日，成熟期為9月24日（表1）。從表1可以看出，1981—2021年，河西地區(qū)春玉米播種期和成熟期推遲，開花期提前。春玉米播種期推遲速率為4.6d/10a，推遲趨勢達到0.01極顯著水平。開花期提前速率為1.5d/10a，提前趨勢達到0.05顯著水平。成熟期略推遲，推遲速率為0.7d/10a。總體來看，全生育期和第一生長階段均提前，提前速率分別為3.8、6.1d/10a，提前趨勢達到0.01極顯著水平。第三生長階段推遲，推遲速率為2.2d/10a，推遲趨勢達到0.01極顯著水平。

表1 研究區(qū)春玉米發(fā)育期變化特征

2.2 河西地區(qū)春玉米生長季日最高氣溫變化特征

1952—2021年河西地區(qū)春玉米全生育期、第一生長階段、第二生長階段和第三生長階段的日平均最高氣溫分別為25.8、25.1、30.0、25.4℃（圖1）。近70年來春玉米全生育期內日最高氣溫波動幅度較大，日最高氣溫呈極顯著上升趨勢，氣候趨向率為0.17℃/10a（圖1a）；M-K檢測結果顯示，近70年河西地區(qū)春玉米全生育期內的日最高氣溫在2010年經(jīng)歷了極顯著的突變，2010年前日最高氣溫增加趨勢緩慢，2010年后日最高氣溫極顯著增加，這種增加趨勢通過了99%置信水平（圖2a）。近70年來春玉米第一生長階段日最高氣溫同樣呈極顯著上升趨勢，氣候趨向率為0.19℃/10a（圖1b）；第一生長階段的日最高氣溫在2003年有明顯的突變，2003年前日最高氣溫增加趨勢緩慢，2003年后日最高氣溫增加顯著，增加趨勢同樣通過了99%置信水平（圖2b）。

春玉米第二生長階段日最高氣溫在全生育期中最高，整體成上升趨勢但不顯著，年際間的起伏較大，氣候趨向率為0.19℃/10a（圖1c）；M-K檢測顯示，在2008年有突變趨勢，2008年后日最高氣溫顯著增加，增加趨勢通過了95%置信水平（圖2c）。在春玉米第三生長階段，近70年日最高氣溫增加趨勢并不顯著，氣候趨向率為0.10℃/10a（圖1d）；在2015年有突變趨勢，通過了95%置信水平（圖2d）。

圖1 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期日最高氣溫的變化

圖2 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期日最高氣溫突變檢測

2.3 河西地區(qū)春玉米生長季AT的變化特征

1952—2021年春玉米全生育期AT的平均值為74.9℃/d，近70年來AT呈極顯著升高趨勢，2016—2021年AT明顯高于多年平均值且大于100℃/d，其中2021年是近70年來的最高值，為167.7℃/d（圖3a）；春玉米全生育期AT的突變年為2011年，2011年后AT呈明顯的增加趨勢，增加趨勢通過了99%置信水平（圖4a）。春玉米第一生長階段AT的平均值為28.6℃/d，呈顯著增加趨勢，AT明顯大于平均值的年份有1952、1957、1960、2001、2008、2017、2018、2020和2021年，分別 為 63.8、54.1、54.1、60.7、60.5、77.0、86.0、66.6、57.6℃/d，均大于50℃/d（圖3b）；第一生長階段AT在2011年發(fā)生突變，2011年前AT波動較大，2011年后AT有增加趨勢，增加趨勢通過了95%置信水平（圖4b）。

圖3 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期AT的變化

春玉米第二生長階段AT平均值為31.5℃/d，2021年是春玉米第二生長階段AT近70年來最大值，為86.1℃/d，2010年次之，為78.7℃/d，近70年來第二生長階段AT呈極顯著升高趨勢（圖3c）；第二生長階段AT在2011年發(fā)生突變，2011年后AT有增加趨勢，增加趨勢通過了95%置信水平（圖4c）。春玉米第三生長階段AT平均值為14.8℃/d，1962年是春玉米第三生長階段AT近70年來最大值，為45.4℃/d，其余1957、1975、2011、2019和2020年AT均大于30℃/d，分別為37.2、39.7、37.3、36.7和32.8℃/d，春玉米第三生長階段AT呈不顯著增加趨勢（圖3d）；M-K檢測顯示，該階段AT無顯著的突變趨勢（圖4d）。

圖4 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期AT的突變檢測

2.4 河西地區(qū)春玉米生長季AD的變化特征

1952—2021年河西地區(qū)春玉米全生育期內AD平均值為33.7天；全生育期內AD呈極顯著增加趨勢，年際間起伏較大（圖5a）；M-K檢測結果顯示，春玉米全生育期AD在2017年發(fā)生突變，2017年后該階段AD明顯增加，增加趨勢通過了95%置信水平（圖6a）。近70年來春玉米第一生長階段AD平均值為14.8天，該階段AD波動較大，呈極顯著增加趨勢（圖5b），極端高溫天數(shù)較多的年份有 1952、1960、1997、2006、2007、2008、2017、2018和2020年，其極端高溫天數(shù)均≥25天；春玉米第一生長階段AD在2010年發(fā)生突變，2010年后該階段AD明顯增加，增加趨勢通過了95%置信水平（圖6b）。

1952—2021年河西地區(qū)春玉米第二生長階段內AD的平均值為11.5天，近70年來呈顯著增加趨勢（圖5c）；M-K檢測結果顯示，第二生長階段AD在2017年發(fā)生突變，但增加趨勢未通過95%置信水平（圖6c）。近70年河西地區(qū)春玉米第三生長階段AD的平均值為7.4天，呈不顯著增加趨勢（圖5d）；M-K檢測結果顯示，第三生長階段AD無明顯的突變（圖6d）。

圖5 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期AD的變化

圖6 1952—2021年河西地區(qū)春玉米各生育期AD的突變檢測

2.5 極端高溫對河西地區(qū)春玉米產(chǎn)量的影響

1981—2021年典型站點、涼州區(qū)和武威市春玉米每年產(chǎn)量平均增加速率分別為99.917 kg/hm2、167.46 kg/hm2和126.01 kg/hm2（圖7a～c），3個站點春玉米產(chǎn)量都呈極顯著增加趨勢；典型站點和涼州區(qū)產(chǎn)量起伏較大，武威市2003年以前產(chǎn)量平穩(wěn)增長，2003年以后產(chǎn)量有明顯的增加，近20年產(chǎn)量起伏明顯大于前20年，說明近20年氣候變化對春玉米產(chǎn)量影響更加顯著。

圖7 1981—2021年河西地區(qū)各站點春玉米產(chǎn)量的變化

從表2可知，1981—2021年河西地區(qū)春玉米全生育期內的AT、AD與典型站點的春玉米果穗長之間呈顯著負相關，與禿尖長和莖稈重之間均呈不顯著負相關，與百粒重呈不顯著正相關，與典型站點、涼州和武威單產(chǎn)之間呈極顯著正相關。春玉米第一生長階段與全生育期相同，該階段AT、AD與典型站點的春玉米果穗長之間呈顯著負相關，與禿尖長和莖稈重之間呈不顯著負相關，與百粒重呈不顯著正相關，與典型站點、涼州和武威單產(chǎn)之間呈極顯著正相關。表明高溫是影響春玉米產(chǎn)量的主要氣候因素之一，高溫脅迫使得果穗生長受到抑制，不利于春玉米干物質的積累；但是，全生育期和第一生長階段高溫對籽粒灌漿有利。在第二生長階段內的AT、AD與典型站點的果穗長、禿尖長和莖稈重之間呈不顯著負相關，與百粒重呈不顯著正相關，除與涼州單產(chǎn)呈顯著正相關外，與其他站點產(chǎn)量均呈不顯著正相關（表2）。表明花期高溫抑制果穗、禿尖和莖稈的生長，但對百粒重和產(chǎn)量形成沒有明顯的影響。說明花期的高溫還未達到抑制春玉米籽粒灌漿及產(chǎn)量形成的閾值。第三生長階段的AT、AD與典型站點的果穗長、莖稈重和百粒重之間呈不顯著負相關，與禿尖長及典型站點、涼州和武威單產(chǎn)之間呈不顯著正相關（表2）。說明第三生長階段高溫抑制果穗長、干物質的積累，對籽粒灌漿不利，使春玉米禿尖長度增加，對百粒重和產(chǎn)量形成沒有明顯的影響。

表2 AT、AD與典型站點春玉米產(chǎn)量因素及各站點單產(chǎn)之間的相關性分析

3 結論與討論

（1）1981—2021年河西地區(qū)春玉米播種大約在4月中下旬，開花在7月下旬，成熟在9月下旬。受高溫影響，近41年來河西地區(qū)春玉米播種期和成熟期顯著推遲，推遲速率分別為4.6d/10a和0.7d/10a；開花期顯著提前，提前速率為1.5天/10年。

（2）1952—2021年河西地區(qū)春玉米全生育期內日最高氣溫顯著增加，春玉米全生育期、第一生長階段、第二生長階段和第三生長階段日最高氣溫的上升速率分別為0.17、0.19、0.19、0.10℃/10a。受高溫影響，河西地區(qū)春玉米全生育期和第一生長階段均極顯著縮短，第三生長階段極顯著延長。

（3）1952—2021年河西地區(qū)春玉米全生育期內AT極顯著增加，春玉米第一生長階段和第二生長階段AT均呈顯著增加趨勢，但第三生長階段AT呈不顯著增加趨勢。春玉米全生育期和第一生長階段AD均呈極顯著增加趨勢，第二生長階段AD呈顯著增加趨勢，第三生長階段AD呈不顯著增加趨勢，不同生育期內AT和AD年際間起伏較大。

（4）1981—2021年河西地區(qū)春玉米產(chǎn)量呈極顯著增加趨勢，武威市每年的增產(chǎn)速率為126.01 kg/hm2，近20年春玉米產(chǎn)量受氣候變化的影響更加顯著。第一生長階段和第二生長階段內極端高溫抑制果穗和莖稈的生長，但有利于百粒重和單產(chǎn)的增加；第三生長階段高溫抑制果穗和莖稈的生長，同時對籽粒灌漿不利，使春玉米禿尖長度增加，但對產(chǎn)量影響不大；全生育期內高溫抑制果穗和莖稈的生長，但對產(chǎn)量增加有極顯著的正效應。

春玉米第二生長階段對高溫非常敏感，因為高溫對光合作用影響顯著，所以該階段的極端高溫影響到春玉米光合作用，同時影響籽粒灌漿和干物質積累。然而本研究發(fā)現(xiàn)，第二生長階段的高溫風險小于第一生長階段和第三生長階段，這可能是第二生長階段高溫還未達到影響該地區(qū)春玉米產(chǎn)量的閾值，也可能是河西地區(qū)雨熱同期且春玉米種植區(qū)大部分為灌溉農業(yè)區(qū)，極端高溫引起的土壤水分蒸發(fā)和植株冠層溫度升高通過降雨和灌溉被降低；此外，河西地區(qū)的春玉米品種對第二生長階段的長期高溫具有一定的抗逆性，從而減輕了高溫對春玉米生長的不利影響。