未來氣候變化情景下東北地區(qū)中晚熟春玉米機械粒收氣候適宜區(qū)分析*

蘇正娥，劉志娟，楊婉蓉，祝光欣，史登宇，楊曉光

未來氣候變化情景下東北地區(qū)中晚熟春玉米機械粒收氣候適宜區(qū)分析*

蘇正娥，劉志娟**，楊婉蓉，祝光欣，史登宇，楊曉光

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

玉米生產(chǎn)全過程機械化是玉米生產(chǎn)的發(fā)展方向，當(dāng)前機械粒收是中國轉(zhuǎn)變玉米生產(chǎn)方式的重點。籽粒含水率是影響機械粒收的主要因素，其主要受玉米農(nóng)藝性狀、生育后期生態(tài)氣象因子以及栽培管理措施等因素影響。東北地區(qū)作為中國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，也是對氣候變化最敏感的區(qū)域之一，因此，明確未來氣候條件下該地區(qū)玉米機械粒收的氣候適宜性及適宜區(qū)，可為未來進(jìn)一步提高玉米生產(chǎn)的機械化水平，實現(xiàn)玉米生產(chǎn)全過程機械化提供科學(xué)依據(jù)。本文以RCP4.5和RCP8.5兩個溫室氣體濃度情景，分別代表中等排放情景和高排放情景，結(jié)合兩種情景下預(yù)估的2021?2060年氣候數(shù)據(jù)和春玉米生育期數(shù)據(jù)，利用籽粒含水率預(yù)測模型確定未來40a當(dāng)前廣泛種植的春玉米中晚熟品種機械粒收各等級氣候適宜區(qū)北界，并基于此得出基于多品種的機械粒收氣候適宜區(qū)。結(jié)果表明：未來40a不同品種的氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)表現(xiàn)為由西南向東北延伸的分布特征，不同品種間各級適宜區(qū)北界由西南向吉林省東南部山區(qū)的長白、東崗和松江一帶以及高緯度的黑龍江北部變動。RCP4.5（RCP8.5）氣候情景下，50%和80%春玉米中晚熟品種的最適宜區(qū)均位于遼寧省南部（遼寧省西部和南部），最北分別可達(dá)42.0°N和41.0°N（42.8°N和41.9°N），最東可達(dá)123.4°E和123.3°E（124.5°E和123.3°E），面積分別占研究區(qū)域面積的5.9%和1.8%（11.2%和5.9%）；適宜區(qū)分別位于遼寧省北部和中部（遼寧省北部和吉林省西南部），最北可至43.0°N和42.7°N（44.8°N和42.9°N），最東可至124.7°E和124.4°E（124.7°E和124.5°E），該區(qū)域面積占比分別為8.3%和8.9%（4.7%和6.6%）。未來40a，與RCP4.5氣候情景相比，RCP8.5氣候情景下春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜性更強，但兩個氣候情景下氣候最適宜區(qū)和適宜區(qū)范圍均較小。未來春玉米機械粒收氣候適宜區(qū)在品種間差異較大，未來可選育種植生育期更短、脫水速率更快的適宜機械粒收品種，以提高機械粒收的質(zhì)量和效率。

春玉米；籽粒脫水；機械粒收；氣候適宜區(qū)；氣候變化；東北地區(qū)

玉米是世界主要糧食作物之一，中國是世界第二大玉米生產(chǎn)國，近5a（2017-2021年）玉米播種面積維持在4100萬hm2以上，總產(chǎn)量穩(wěn)定在2.5億t以上，播種面積和產(chǎn)量均占中國糧食生產(chǎn)的35%以上[1]。當(dāng)前，生產(chǎn)全過程機械化是中國玉米生產(chǎn)的主要發(fā)展方向，其中利用機械進(jìn)行玉米籽粒收獲（簡稱機械粒收）是玉米機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。機械粒收不僅可大大節(jié)約勞動力成本，還可降低晾曬、脫粒過程中的籽粒霉?fàn)€與損失，是玉米機械收獲的發(fā)展方向和今后玉米生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的重點[2]。

相較于機械穗收和人工收獲，機械粒收每公頃分別可節(jié)約成本375～600元和1050～1650元，若以單產(chǎn)6t·hm?2計算，每生產(chǎn)1t玉米成本分別降低62.5～100.0元和175～275元[3]。美國、德國等國在20世紀(jì)50年代玉米收獲以機械穗收為主，到70年代則全面采用田間機械粒收，60-90年代集中開展了玉米機械粒收技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論及品種選育的研究，為機械粒收的全面推廣提供了支撐[2,4?6]。目前中國玉米收獲以人工收獲和機械穗收為主，而機械粒收仍處于起步階段，相關(guān)研究多集中于機械粒收質(zhì)量及其影響因素分析和適宜品種篩選[7?13]。機械粒收質(zhì)量主要指標(biāo)包括籽粒破碎率、雜質(zhì)率和損失率。其中破碎率主要受籽粒含水率和籽粒力學(xué)強度影響，雜質(zhì)主要成分為穗軸，雜質(zhì)率與穗軸含水率及力學(xué)強度密切相關(guān)[14]。研究發(fā)現(xiàn)，籽粒含水率是影響機械粒收的主要因素，與籽粒破碎率、損失率和雜質(zhì)率呈顯著相關(guān)，即籽粒含水率越高，籽粒破碎率和雜質(zhì)率越高，田間損失率越低[15?18]。由于收獲時籽粒含水率是籽粒破碎率的主要決定因素[19]，大量學(xué)者對玉米籽粒脫水及籽粒含水率的影響因素進(jìn)行了深入探究，認(rèn)為收獲時籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒脫水速率控制，而脫水速率主要受玉米農(nóng)藝性狀、生育后期生態(tài)氣象因子以及栽培管理措施等因素影響[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒含水率與授粉后積溫呈極顯著非線性關(guān)系[21]?；诓煌贩N的含水率預(yù)測模型，有學(xué)者進(jìn)一步估算了含水率降到機械粒收理想含水率時所需的活動積溫，確定了不同地區(qū)適宜機械粒收的時間[22?25]。因此通過選育脫水速率快、生理成熟期含水率低的品種和適當(dāng)推遲收獲時間可降低收獲時籽粒含水率，從而降低機械粒收籽粒破碎率，提高機械粒收質(zhì)量[12]。

當(dāng)前關(guān)于中國機械粒收的研究為國內(nèi)玉米機械粒收的推廣與應(yīng)用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，為提高機械粒收質(zhì)量提供了理論保障。但基于區(qū)域氣象條件，評估機械粒收生產(chǎn)技術(shù)適應(yīng)性及適宜區(qū)的研究還鮮見報道，特別是氣候變化背景下未來機械粒收氣候適宜性的研究還未見到。東北地區(qū)作為中國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，也是對氣候變化最敏感的區(qū)域之一，明確氣候變化背景下機械粒收在該地區(qū)的適宜性對未來進(jìn)一步提高玉米生產(chǎn)的機械化水平，實現(xiàn)玉米生產(chǎn)全程機械化至關(guān)重要。

本文基于2021?2060年氣象數(shù)據(jù)和春玉米生育期數(shù)據(jù)，利用籽粒含水率預(yù)測模型，預(yù)測初霜日前春玉米的籽粒含水率，確定未來40a不同春玉米品種機械粒收的各等級適宜區(qū)北界以及基于多品種的機械粒收氣候適宜區(qū)，以期為東北地區(qū)合理推廣與應(yīng)用春玉米機械粒收技術(shù)，提高春玉米生產(chǎn)效率提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

以東北三?。ê邶埥?、吉林和遼寧?。┐河衩诐撛诜N植區(qū)為研究區(qū)域。春玉米潛在種植區(qū)是根據(jù)80%保證率下≥10℃活動積溫高于2100℃·d確定的，包括黑龍江省中南部、吉林省和遼寧省。該地區(qū)地勢平坦、土壤肥沃，氣候為溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，光水資源優(yōu)越，唯熱量條件略顯不足，年均氣溫為?3.8～11.3℃，喜溫作物溫度生長期內(nèi)≥10℃活動積溫為1680～3850℃·d，日照時數(shù)806～1545h，降水量為298～880mm[26?27]。研究區(qū)域內(nèi)包含67個氣象觀測站點和45個農(nóng)業(yè)氣象觀測站點，分別用于收集研究區(qū)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)和作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)。研究區(qū)和所有觀測站點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域（東北三省春玉米潛在種植區(qū)）氣象站點和農(nóng)業(yè)氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)及其來源

潛在種植區(qū)內(nèi)春玉米實際種植面積提取自2000?2015年全國玉米收獲面積高精度（1km）遙感數(shù)據(jù)集[28]，利用ArcGIS10.6軟件對逐年全國玉米收獲面積進(jìn)行疊加并基于研究區(qū)域矢量圖層提取。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）為了對未來氣候進(jìn)行評估，以2100年輻射強迫水平達(dá)到4.5W·m?2和8.5W·m?2分別代表中等排放情景（RCP4.5）和高排放情景（RCP8.5）。采用的未來氣候情景數(shù)據(jù)來源于英國氣象局開發(fā)的區(qū)域氣候模擬系統(tǒng)PRECIS在RCP4.5和RCP8.5情景下模擬的未來時段（2021?2060年）逐日氣象數(shù)據(jù)，模式時間積分步長為5min，水平輸出分辨率在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的經(jīng)緯度各為0.44°。該數(shù)據(jù)集氣象要素包括日平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水量、太陽總輻射和平均風(fēng)速，對上述氣象要素輸出結(jié)果進(jìn)行訂正，并插值為空間分辨率0.5°×0.5°的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所提供，基于此數(shù)據(jù)集提取研究區(qū)域內(nèi)67個氣象站的未來氣候數(shù)據(jù)。

春玉米生育期數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)域內(nèi)45個農(nóng)業(yè)氣象觀測站，包括2010?2015年春玉米抽雄期和成熟期。利用反距離加權(quán)法插值獲得各氣象站點逐年生育期，并假設(shè)未來40a春玉米生育期不變，取2010?2015年各氣象站6a平均值作為未來40a春玉米的平均生育期。

1.3 機械粒收氣候適宜區(qū)的判別方法

1.3.1 計算籽粒含水率

玉米籽粒脫水過程不僅受生長發(fā)育控制，還與環(huán)境因素有關(guān)。因此，在玉米籽粒形成過程中籽粒含水率（MC，%）由生理控制的趨勢含水率（Trend_ MC，%）和由環(huán)境因素控制的氣象含水率（Climate_ MC，%）組成，三者關(guān)系為[29]

其中，趨勢含水率用Logistic Power含水率動態(tài)預(yù)測模型模擬[21]，即

式中，a、b、c為模型參數(shù)，a為籽粒初始含水率（%），設(shè)定為90；b和c為由品種特性決定的品種參數(shù)。采用東北地區(qū)主栽的多個中晚熟春玉米品種進(jìn)行機械粒收氣候適宜性分析，相較于單一品種，可降低品種差異對機械粒收氣候適宜性的影響，使結(jié)果更具有區(qū)域代表性。本文基于黃兆福等[25]確定的東北地區(qū)29個主栽中晚熟春玉米品種參數(shù)，模擬當(dāng)?shù)?9個春玉米主栽品種的趨勢含水率；TT為授粉? 計算籽粒含水率期間≥0℃積溫（℃·d）。

根據(jù)玉米籽粒脫水特征，春玉米脫水可分為兩個階段，第一階段為生理成熟前與灌漿相關(guān)的“生理脫水”，第二階段為生理成熟后籽粒水分的散失過程，兩個階段籽粒脫水的主要環(huán)境影響因子存在差異[30?31]。氣象含水率采用高尚等[29]基于田間試驗確定的回歸模型進(jìn)行模擬，分為生理成熟前（Climate_MC1）和生理成熟后（Climate_MC2），預(yù)測模型分別為

式中，x1、x2和x3分別為授粉?生理成熟期的日平均氣溫（℃）、平均風(fēng)速（m·s?1）和平均蒸發(fā)量（mm）；x4和x5分別為生理成熟期?測定含水率日期的日平均氣溫（℃）和平均空氣相對濕度，其中相對濕度采用小數(shù)形式。日蒸發(fā)量用參考作物蒸散量表示，采用Penman-Monteith公式計算[32]，即

式中，ET0為日參考作物蒸散量（mm）；Rn為到達(dá)作物表面的凈輻射（MJ·m?2·d?1）；G為土壤熱通量密度（MJ·m?2·d?1），取值為0；T為作物冠層2m高處的空氣溫度（℃）；U2為作物冠層2m高處的風(fēng)速（m·s?1）；ed為飽和水汽壓（kPa）；eα為實際水汽壓（kPa）；Δ為水汽壓對溫度的斜率（kPa·℃?1）；γ為干濕球常數(shù)。其中，Rn、G、Δ和U2通過氣象臺站觀測資料計算求得。

1.3.2 劃分機械粒收氣候適宜區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)

以秋季日最低氣溫低于0℃的第一天確定各氣象站未來40a（2021?2060年）逐年初霜日[33]，基于以上籽粒含水率計算方法，分別計算各年份29個中晚熟品種初霜日前一天的春玉米籽粒含水率。在某一站點，若某一品種某年初霜日前籽粒含水率可降至25%（即MC≤25），則認(rèn)為該地區(qū)在該年份對這一品種可進(jìn)行機械粒收[25]。在此基礎(chǔ)上考慮累積概率，進(jìn)行單一品種機械粒收適宜區(qū)的劃分，即將未來40a內(nèi)有0～20%、20%～50%、50%～80%和80%以上年份可進(jìn)行機械粒收的區(qū)域分別劃分為該品種的機械粒收氣候不適宜區(qū)、次適宜區(qū)、適宜區(qū)和最適宜區(qū)。

對于各個地區(qū)，如果29個品種均屬于同一等級適宜區(qū)，則定義該地區(qū)為春玉米中晚熟品種的機械粒收該等級適宜區(qū)，如某一站點，所有品種均為最適宜區(qū)，則該地區(qū)為春玉米中晚熟品種的機械粒收最適宜區(qū)。如果不同品種所屬適宜區(qū)等級不一致，則定義為敏感帶。最適宜區(qū)與適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶一，即該地區(qū)對于一部分品種屬于最適宜區(qū)，對于另一部分品種則屬于適宜區(qū)。類似地，最適宜區(qū)、適宜區(qū)與次適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶二，次適宜區(qū)與不適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶三。本文確定了50%與80%品種保證率的機械粒收氣候適宜區(qū)，即得出的機械粒收氣候適宜區(qū)分別對于50%與80%品種是滿足的，生產(chǎn)者可基于自身的風(fēng)險承擔(dān)程度選擇是否選用機械進(jìn)行春玉米中晚熟品種的籽粒收獲。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用R語言計算初霜日和籽粒含水率，采用ArcGIS 10.6制作氣候適宜區(qū)空間分布示意圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 未來氣候情景下單一品種機械粒收氣候適宜區(qū)分析

由圖2可見，RCP4.5氣候情景下，東北地區(qū)29個中晚熟春玉米品種機械粒收的氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)均表現(xiàn)出相同特點即依次由西南向東北延伸，適宜性整體較差，氣候最適宜區(qū)和適宜區(qū)主要位于遼寧省和吉林省。不同春玉米品種間，機械粒收氣候適宜區(qū)空間差異較大，其中迪卡159、ND865、澤玉501和東單507機械粒收氣候適宜性最差，僅大連最適宜機械粒收，適宜區(qū)位于遼寧省最南部。金珠58、德育919、澤玉8911和京農(nóng)科728等品種機械粒收氣候適宜性較高，氣候不適宜區(qū)主要位于海拔較高的吉林省東南部、黑龍江省東南部和緯度較高的黑龍江省北部地區(qū)，氣候最適宜區(qū)與適宜區(qū)位于遼寧省、吉林省西部和黑龍江省西南部。圖3顯示，RCP8.5氣候情景下機械粒收氣候適宜區(qū)空間分布特征與RCP4.5一致，但相較于RCP4.5，RCP8.5氣候情景下最適宜區(qū)與適宜區(qū)面積更大，機械粒收氣候適宜性更高。

2.2 未來氣候情景下機械粒收氣候適宜區(qū)北界及其敏感帶分析

圖4為RCP4.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區(qū)不同春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜區(qū)北界變動范圍及敏感帶分布。其中，圖4a、b和c分別為最適宜區(qū)、適宜區(qū)和次適宜區(qū)北界變動范圍。由圖可知，機械粒收氣候最適宜區(qū)北界范圍主要為遼寧省除清原、桓仁外的所有區(qū)域和吉林省西部，即黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、四平、遼寧省開原、章黨、本溪和寬甸一帶及其以西地區(qū)。機械粒收氣候適宜區(qū)北界變動范圍位于吉林省除南部外的所有區(qū)域和吉林省西部以及黑龍江省西南部和東部的富錦、寶清和虎林一帶，即適宜區(qū)變動范圍南界為遼寧省興城、錦州、營口和莊河一帶以北，北界為黑龍江省的齊齊哈爾、安達(dá)、哈爾濱、吉林省的三岔河、長春、清原和桓仁一帶。機械粒收氣候次適宜區(qū)北界變動范圍位于遼寧省東北部、吉林省除東南部外的所有區(qū)域和黑龍江省，變動范圍的南界位于遼寧省開原、章黨、本溪、寬甸一帶以南，最東可至吉林省東南部山地地區(qū)，即臨江、靖宇、敦化、牡丹江和延吉一帶。圖4d為RCP4.5氣候情景下機械粒收氣候適宜區(qū)北界變動范圍敏感帶。由圖可知，遼寧省興城、錦州、營口和莊河一帶以北，彰武、沈陽和丹東一帶及其以南為敏感帶一（最適宜區(qū)與適宜區(qū)敏感帶），即對部分品種該地區(qū)為最適宜區(qū)，對于部分為適宜區(qū)。黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、四平一帶及其以西和遼寧省的寬甸、本溪、章黨和開原一帶為敏感帶二（最適宜區(qū)、適宜區(qū)與次適宜區(qū)的敏感帶），即對于部分品種為最適宜區(qū)，部分為適宜區(qū)，部分為次適宜區(qū)。黑龍江省齊齊哈爾、安達(dá)、哈爾濱、吉林省三岔河、長春、遼寧省清原和桓仁一帶為敏感帶三（次適宜區(qū)與不適宜區(qū)的敏感帶），即對于部分品種該帶為次適宜區(qū)，另一部分為不適宜區(qū)。

圖5為RCP8.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區(qū)春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜區(qū)北界變動范圍及敏感帶分布。圖5a、b和c分別為最適宜區(qū)、適宜區(qū)和次適宜區(qū)北界變動范圍，圖5d為氣候適宜區(qū)北界變動范圍敏感帶。由圖可知，RCP8.5氣候情景下，不同品種最適宜區(qū)北界變動范圍為黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、長春、章黨和寬甸一帶及其以西地區(qū)。適宜區(qū)北界范圍為朝陽、阜新、沈陽、本溪和岫巖一帶及其以北，黑龍江齊齊哈爾、安達(dá)、綏化、哈爾濱、吉林省梅河口、遼寧省桓仁一帶及其以西地區(qū)以及黑龍江省佳木斯、富錦、寶清、虎林和綏芬河一帶。次適宜區(qū)北界變動范圍與RCP4.5氣候情景下一致。朝陽、阜新、彰武、沈陽和岫巖一帶為敏感帶一。敏感帶二與RCP4.5氣候情景下一致，敏感帶三相較于RCP4.5氣候情景增加了吉林省梅河口和黑龍江省佳木斯和綏芬河等地。

注：對任一品種，最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)分別指未來40a內(nèi)有80%以上、50%～80%、20%～50%和0～20%年份可進(jìn)行機械粒收的區(qū)域，該品種在某年可進(jìn)行機械粒收的判斷指標(biāo)為：該年初霜日前玉米籽粒含水率可降至25%（即MC≤25%）。下同。

Note: For each variety, the very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones refer to the regions where maize kernel can be harvested mechanically with more than 80%, 50%?80%, 20%?50% and 0?20% of the future 40 years . The judgment index for mechanical kernel harvesting of this variety in a certain year is that the grain moisture content can be reduced to 25% (i.e. MC≤25%) before the first frost day. The same as below.

圖3 RCP8.5氣候情景下未來（2021?2060年）中晚熟春玉米品種（29個）機械粒收氣候適宜區(qū)

2.3 未來氣候情景下基于多品種的機械粒收氣候適宜區(qū)綜合劃分

圖6為RCP4.5和RCP8.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區(qū)50%與80%中晚熟春玉米品種的機械粒收氣候適宜區(qū)分布及面積占比。表1為各氣候適宜區(qū)的經(jīng)緯度范圍和包含的實際春玉米種植面積及占比。結(jié)合圖6和表1可知，RCP4.5氣候情景下，50%春玉米品種的機械粒收氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積分別占研究區(qū)域面積的5.9%、8.3%、18.9%和66.8%。其中，最適宜區(qū)位于遼寧省南部，即綏中、興城、錦州、黑山、鞍山和莊河一帶及其以南，最北可達(dá)北緯42.0°，最東可達(dá)東經(jīng)123.4°。適宜區(qū)位于遼寧省北部與中部，即葉柏壽、朝陽、阜新、彰武、沈陽、本溪、岫巖和丹東一帶以及吉林省雙遼地區(qū)，最北可達(dá)北緯43.0°，最東可至東經(jīng)124.7°。次適宜區(qū)位于黑龍江省西南部和吉林省西北部以及遼寧省東部，即黑龍江省泰來、安達(dá)、哈爾濱、吉林省長春和四平一帶及其以西以及遼寧省的開原、章黨和寬甸一帶，最北可達(dá)北緯47.8°，最東可至東經(jīng)127.1°。不適宜區(qū)位于黑龍江省除西南部外的所有區(qū)域以及吉林省東部、南部和遼寧省清原、桓仁等地。80%春玉米品種機械粒收氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積占研究區(qū)域面積分別為1.8%、8.9%、10.9%和78.5%。最適宜區(qū)位于遼寧省南部的營口、熊岳、瓦房店和莊河一帶及其以南地區(qū)，最北可達(dá)北緯41.0°，最東可至東經(jīng)123.3°。適宜區(qū)位于遼寧省西部和中部，即阜新、黑山、沈陽、鞍山、丹東一帶及其以西地區(qū)，最北可達(dá)北緯42.7°，最東可至東經(jīng)124.4°。次適宜區(qū)位于吉林省西部、遼寧省中部地區(qū)，即吉林省白城、前郭爾羅斯、雙遼和四平一帶及其以西以及遼寧開原、彰武、本溪和岫巖一帶，最北可達(dá)北緯46.2°，最東可至東經(jīng)125.2°。不適宜區(qū)位于黑龍江省、吉林省除西北外的所有區(qū)域以及遼寧省東部地區(qū)。

圖4 RCP4.5氣候情景下未來（2021?2060年）東北地區(qū)中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區(qū)北界范圍及敏感帶分布

注：圖a、b和c分別為29個中晚熟春玉米品種氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)和次適宜區(qū)北界范圍，圖d顯示各適宜區(qū)的敏感帶，最適宜區(qū)與適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶一，即該地區(qū)對于一部分品種屬于最適宜區(qū)，對于另一部分品種則屬于適宜區(qū)。類似地，最適宜區(qū)、適宜區(qū)與次適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶二，次適宜區(qū)與不適宜區(qū)的敏感帶為敏感帶三。下同。

Note: Fig.a, Fig.b and Fig.c are respectively the ranges of northern boundaries of very suitable, suitable and moderately suitable zone for 29 middle-late maturing spring maize varieties, Fig.d shows the sensitive regions of suitable zones. The sensitive region of the very suitable and suitable zones is the sensitive region Ⅰ, that is, the region belongs to very suitable zone for some varieties and suitable zone for others. Similarly, the sensitive region of very suitable, suitable and moderately suitable zone is the sensitive zone II, and the sensitive region of moderately suitable zone and marginally suitable zone is the sensitive zone III. The same as below.

RCP8.5氣候情景下，50%品種機械粒收最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積分別占研究區(qū)域面積的11.2%、4.7%、18.0%和66.2%。最適宜區(qū)位于遼寧省中部、西部和南部，即彰武、沈陽、鞍山、莊河和丹東一帶及其以西以南地區(qū)，最北可達(dá)北緯42.8°，最東可至東經(jīng)124.5°。適宜區(qū)位于吉林省雙遼、四平、遼寧省本溪和岫巖一帶，最北可達(dá)北緯44.8°，最東可至東經(jīng)124.72°。次適宜區(qū)位于黑龍江省泰來、哈爾濱、吉林省三岔河、長春一帶及其以西地區(qū)以及遼寧省開原、章黨和寬甸一帶，最北可達(dá)北緯47.7°，最東可至東經(jīng)127.2°。不適宜區(qū)位于黑龍江省齊齊哈爾、安達(dá)、尚志、吉林省梅河口、遼寧省清原、桓仁一帶及其以東以北地區(qū)。80%春玉米品種機械粒收氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)面積分別占研究區(qū)域面積的5.9%、6.6%、12.8%和74.7%。最適宜區(qū)位于遼寧省南部的葉柏壽、錦州、黑山、鞍山和莊河一帶及其以南地區(qū)，最北可達(dá)41.9°，最東可至東經(jīng)123.3°。適宜區(qū)位于遼寧省朝陽、阜新、彰武、沈陽、岫巖和丹東一帶，最北可達(dá)北緯42.9°，最東可至東經(jīng)124.5°。次適宜區(qū)為黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、長春、四平一帶及其以西，以及遼寧省開原和本溪一帶，最北可達(dá)北緯46.7°，最東可至東經(jīng)125.3°。不適宜區(qū)位于遼寧省東北部、吉林省中部、東部和黑龍江省。

圖5 RCP8.5氣候情景下未來（2021?2060年）東北地區(qū)中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區(qū)北界范圍及敏感帶分布

圖6 RCP4.5(a)和RCP8.5(b)氣候情景下未來（2021?2060）東北地區(qū)50%(1)與80%(2)中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區(qū)劃分及其面積占比

注：餅狀圖為各級適宜區(qū)面積占研究區(qū)域即春玉米潛在種植區(qū)面積的比例。

Note:The pie chart shows the proportion of the suitable areas at all levels to the potential planting area of spring maize in the study area.

表1 多品種綜合機械粒收氣候適宜區(qū)的經(jīng)緯度范圍及其目前實際種植面積和占比

注：“面積”為各級適宜區(qū)內(nèi)包含的春玉米實際種植面積，“占比”為各級適宜區(qū)內(nèi)春玉米實際種植面積占整個研究區(qū)域內(nèi)春玉米實際總種植面積的比例。

Note: "Area" in the table refers to the actual planting area of spring maize included in the appropriate areas, and "Percentage" refers to the proportion of the actual planting area of spring maize in the appropriate areas to the actual total planting area of spring maize in the whole study area.

RCP4.5氣候情景下，50%春玉米中晚熟品種的機械粒收氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)分別占研究區(qū)域內(nèi)春玉米總種植面積的7.9%、11.2%、24.9%和55.9%，80%品種的各級氣候適宜區(qū)占比分別為2.2%、11.9%、13.7%和72.3%。RCP8.5氣候情景下，50%春玉米中晚熟品種的各級機械粒收氣候適宜區(qū)占比分別為15.3%、6.1%、24.1%和54.6%，80%春玉米品種各級適宜區(qū)占比分別為7.7%、8.8%、16.9%和66.6%。在RCP4.5氣候情景下，最適宜區(qū)與適宜區(qū)內(nèi)包含的春玉米種植面積占研究區(qū)域總種植面積的比例在50%與80%品種保證率下分別為19.1%和14.0%，RCP8.5氣候情景下分別為21.4%和16.6%，說明RCP8.5氣候情景下春玉米機械粒收氣候適宜性較RCP4.5情景強。在兩個氣候情景下，50%與80%品種保證率各級適宜區(qū)經(jīng)緯度范圍以及各區(qū)域面積占比存在較大差異，因此未來可選育種植生育期更短、脫水速率更快的適宜機械粒收品種，以提高機械粒收的質(zhì)量和效率。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

近50a東北地區(qū)呈現(xiàn)暖干化趨勢，年平均氣溫和春玉米生長季內(nèi)平均氣溫每10a分別升高0.38℃和0.14℃，降水量分別減少8.5mm和8.0mm[26, 34]。IPCC第六次評估報告指出，未來幾十年氣候?qū)⒊掷m(xù)變暖[35]。對于東北地區(qū)，未來氣候變暖使春玉米種植北界大范圍北移，中晚熟品種種植范圍北擴(kuò)至黑龍江省的最北部地區(qū)[36]。溫度和降水是影響玉米籽粒脫水最主要的因素，未來氣候持續(xù)變暖將進(jìn)一步影響東北地區(qū)春玉米機械粒收的氣候適宜性。因此，本研究基于未來氣候情景數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)刂髟灾型硎齑河衩灼贩N，分析未來氣候變化下機械粒收的氣候適宜區(qū)，可為當(dāng)?shù)匚磥砗侠硗茝V應(yīng)用機械粒收技術(shù)提供參考，同時，基于東北地區(qū)未來情景數(shù)據(jù)與春玉米生育期數(shù)據(jù)，通過預(yù)測不同春玉米品種初霜日前的籽粒含水率，確定了29個中晚熟春玉米品種2021-2060年機械粒收的氣候適宜區(qū)，結(jié)果表明，不同春玉米中晚熟品種的機械粒收氣候適宜區(qū)空間分布差異較大，說明在相同的脫水環(huán)境下，東北地區(qū)春玉米機械粒收適宜性受春玉米品種脫水特性影響較大，這與王克如等[20]的結(jié)論一致。基于當(dāng)前遼河流域地區(qū)的主栽品種，在兩個氣候情景下未來40a春玉米機械粒收最適宜區(qū)和適宜區(qū)北界均主要位于遼寧省，總體氣候適宜性較低，說明東北地區(qū)近年多選種生育期較長、收獲前可用于籽粒脫水的時間較短的春玉米品種，這與黃兆福等[25]的研究結(jié)果一致，當(dāng)前遼河流域主栽春玉米品種含水率降至適宜機械粒收的積溫需求高于國審適宜機械粒收品種，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)收獲期無法實現(xiàn)高質(zhì)量機械粒收[34, 37]。因此，未來可通過選育和種植脫水速率快、生育期相對較短的春玉米品種，尤其是對于各個敏感帶，選種合適的品種可提高機械粒收的適宜性，利于機械粒收的高質(zhì)量應(yīng)用。

玉米籽粒脫水速率在品種間存在由基因型控制的可遺傳差異，與苞葉薄厚和松緊、果穗大小和長短、穗軸粗細(xì)以及籽粒長度等植株性狀相關(guān)，同時受空氣濕度、溫度和降水量等氣象因素以及種植密度、水肥管理和播期等栽培措施的影響[20]。本文采用趨勢含水率與氣象含水率分離的方式，主要基于氣象條件估算初霜日前春玉米的籽粒含水率，從而確定東北地區(qū)機械粒收氣候適宜區(qū)，其中氣象含水率由前人在黃淮海地區(qū)確定的玉米籽粒含水率與氣象因子的回歸關(guān)系模型進(jìn)行初步計算，不同品種與氣象因子間相互作用的差異性以及栽培管理措施的影響可能導(dǎo)致估算的氣象含水率存在不確定性，因此，未來需融合更多的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定不同生態(tài)區(qū)春玉米與氣象條件的定量關(guān)系，進(jìn)行更準(zhǔn)確的氣象含水率計算。采用積溫?含水率預(yù)測模型（Logistic power模型）模擬玉米籽粒趨勢含水率，可對趨勢含水率進(jìn)行較好的預(yù)測。前人研究表明，通過調(diào)整播期、增大玉米種植密度和控制氮肥量等可以在熱量限制區(qū)域加快玉米干物質(zhì)累積速率，減小生理成熟時玉米籽粒含水率[38?40]。統(tǒng)計模型無法較好地反映不同管理措施下籽粒的脫水差異，未來可通過結(jié)合數(shù)理模型與作物生長模型模擬的方式，在確定玉米籽粒脫水生理過程的基礎(chǔ)上預(yù)測不同管理措施下的玉米籽粒含水率，進(jìn)一步探索機械粒收的適宜性。此外，重點分析東北地區(qū)中晚熟品種未來機械粒收氣候適宜性，對于東北地區(qū)中南部地區(qū)，采用當(dāng)前多個品種確定未來機械粒收適宜區(qū)具有較好的代表性，但對于黑龍江省等因未來氣候變暖、熱量增加而新增的中晚熟種植區(qū)，熱量條件不能滿足籽粒脫水的熱量要求，可能導(dǎo)致低估了這些區(qū)域的機械粒收適宜性。例如德美亞系列品種具有抗性強、適應(yīng)性廣、耐密植、脫水快、產(chǎn)量高、品質(zhì)好并適宜機械化收獲的特點，引進(jìn)后在黑龍江省、吉林省等地得到迅速推廣[41]。未來可通過在該地區(qū)開展系列試驗研究工作，明確其籽粒脫水速率與氣象因子的關(guān)系，進(jìn)一步明確黑龍江省等地的機械粒收氣候適宜性并進(jìn)行氣候適宜分區(qū)，為機械粒收在黑龍江省的推廣應(yīng)用提供參考。

3.2 結(jié)論

未來40a不同春玉米品種的氣候最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)均表現(xiàn)為由西南向東北延伸的空間分布特征，對于氣候適宜性較強的品種，不適宜區(qū)主要位于高海拔的吉林省東部山區(qū)（長白、東崗和松江一帶）和高緯度的黑龍江省北部地區(qū)。兩個氣候情景下，未來40a最適宜區(qū)北界范圍主要為遼寧省除清原、桓仁外的所有區(qū)域和吉林省西部；適宜區(qū)北界變動范圍位于吉林省除南部外的所有區(qū)域和吉林省西部以及黑龍江省西南部；次適宜區(qū)北界變動范圍位于遼寧省東北部、吉林省除東南部外的所有區(qū)域和黑龍江省。RCP4.5氣候情景下，50%和80%春玉米品種的最適宜區(qū)位于遼寧省南部，最北分別可達(dá)北緯42.0°和41.0°，最東可達(dá)東經(jīng)123.4°和123.3°，包含的春玉米種植面積分別占研究區(qū)域內(nèi)春玉米總種植面積的7.9%和2.2%；適宜區(qū)位于遼寧省北部與中部，最北可至北緯43.0°和42.7°，最東可至東經(jīng)124.7°和124.4°，包含的春玉米種植面積占比分別為11.2%和11.9%。RCP8.5氣候情景下，未來40a內(nèi)50%和80%品種的最適宜區(qū)遼寧省西部和南部，最北分別可達(dá)北緯42.8°和41.9°，最東可至東經(jīng)124.5°和123.3°，包含的春玉米種植面積占比分別為15.3%和7.7%；適宜區(qū)位于遼寧省北部和吉林省西南部，最北分別可達(dá)北緯44.8°和42.9°，最東可至東經(jīng)124.7°和124.5°，包含春玉米種植面積占比分別為6.1%和8.8%。兩個氣候情景下，氣候不適宜區(qū)和次適宜區(qū)位于黑龍江省和吉林省以及遼寧省東北部。

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Climate Suitable Zones for Mechanical Kernel Harvesting of Middle-late Maturing Spring Maize in Northeast China under Future Climate Scenarios

SU Zheng-e, LIU Zhi-juan, YANG Wan-rong, ZHU Guang-xin, SHI Deng-yu, YANG Xiao-guang

(College of Resources and Environment Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Fully mechanized maize production has been trending in China, and using agricultural machinery to harvest maize grains is the focus of the transformation of maize production methods. Grain moisture content is the main factor affecting mechanical kernel harvesting, which is mainly affected by the agronomic characteristics of maize, ecological meteorological factors at the late growth stage, cultivation and management practice and other factors. Northeast China (NEC) is one of the main maize production regions and is the most sensitive regions to climate change in China. Clarifying the climate suitability and suitable zones for mechanical maize kernel harvesting in NEC under future climate conditions can provide scientific basis for improving the mechanization level of maize production and realizing the fully mechanized maize production in the future. In this study, based on the predicted climate data of 2021?2060 under two greenhouse gas concentration scenarios of RCP4.5 and RCP8.5 (the radiation forcing levels will reach 4.5W·m?2and 8.5W·m?2by 2100, which representing medium and high emission scenario, respectively) and the growth period data of spring maize, the northern boundaries of climate suitable zones for mechanical kernel harvesting of currently widely planted 29 middle-late spring maize varieties were determined using the kernel moisture content prediction models, and further the multi-variety based climate suitable zones were analyzed for the future 40 years. The results showed that climate very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones for mechanical kernel harvesting will extend from southwest to northeast in NEC. And among different varieties, the northern boundaries of climate suitable zones fluctuate from the southwest to the southeastern mountainous areas of Jilin province (Changbai, Donggang and Songjiang areas) and the northern high latitude areas of Heilongjiang province. Under RCP4.5 (RCP8.5) climate scenario, the very suitable zones for 50% and 80% of middle-late maturing spring maize varieties located in the southern part of Liaoning province (the western and southern parts of Liaoning province). The northernmost can reach 42.0°N and 41.0°N (42.8°N and 41.9°N) latitude, and the easternmost can reach 123.4°E and 123.3°E (124.5°E and 123.3°E) longitude, respectively. The areas account for 5.9% and 1.8% (11.2% and 5.9%) of the potential growing area of spring maize in NEC, respectively. Suitable zones located in the northern and central parts of Liaoning province (the northern part of Liaoning province and southwestern part of Jilin province), with the northernmost reaching 43.0°N and 42.7°N (44.8°N and 42.9°N) latitude, the easternmost reaching 124.7°E and 124.4°E (124.7°E and 124.5°E) longitude, and the areas accounting for 8.3% and 8.9% (4.7% and 6.6%) of potential growing area of spring maize, respectively. In the future 40 years, compared with the RCP4.5 climate scenario, the middle-late maturing varieties of spring maize under RCP8.5 climate scenario have stronger climatic suitability for mechanical kernel harvesting, but the climate very suitable and suitable zones under the two climate scenarios are both small. The climate suitable zones for mechanical kernel harvesting will differ greatly between varieties, so varieties with short growth periods and fast dehydration rates which are suitable for mechanical kernel harvesting should be selected to improve the quality and efficiency of mechanical kernel harvesting in the future.

Spring maize; Kernel dehydration; Mechanical kernel harvesting; Climate suitable zones; Climate change; Northeast China

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.08.001

蘇正娥,劉志娟,楊婉蓉,等.未來氣候變化情景下東北地區(qū)中晚熟春玉米機械粒收氣候適宜區(qū)分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2023, 44(8):649-663

2022?09?23

國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFA0607402）

劉志娟，副教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事氣候變化對農(nóng)業(yè)影響與適應(yīng)研究，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

蘇正娥，E-mail：suzhenge_cau@163.com