未來黃淮海地區(qū)夏玉米光溫水資源適宜度及災害風險演變特征

趙秀蘭，徐玲玲，張艷紅，呂厚荃

摘要：為探索未來氣候變化對黃淮海地區(qū)農業(yè)氣候資源和夏玉米氣候適宜度及災害的影響，以黃淮海地區(qū)1981—2021年56個農業(yè)氣象觀測站夏玉米生育期觀測資料、84個氣象站逐日氣象要素觀測資料及中尺度區(qū)域氣候模式（Regional Climate Model Version 3，RegCM3）輸出的未來氣候情景（Intergovernmental Panel on Climate Change Special Report on Emissions Scenarios A1B，IPCC SRES A1B）下黃淮海2022—2100年0.25°×0.25°共897個格點逐日氣象資料為基礎，分析未來黃淮海地區(qū)光溫水等農業(yè)氣候資源演變特征，建立黃淮海夏玉米生長發(fā)育氣候適宜度模型及氣候適宜度災害指數模型，研究未來氣候變化對黃淮海夏玉米氣候適宜度的影響特征，預估夏玉米農業(yè)氣象災害發(fā)生風險及特點。結果表明：（1）2022—2100年黃淮海地區(qū)夏玉米生長季熱量資源呈明顯增加趨勢，降水資源總體為微弱上升趨勢且階段性變化明顯，光照資源變化趨勢不明顯。（2）2022—2100年夏玉米全生育期氣候適宜度呈總體平穩(wěn)略有下降波動趨勢，并具有一定階段特征和發(fā)育期差異。各生育期相比，播種出苗期氣候適宜度相對最差，成熟期最好。（3）全生育期溫度適宜度總體呈穩(wěn)定波動下降趨勢，說明未來氣候明顯變暖趨勢對夏玉米生長總體不利；水分適宜度和光照適宜度總體穩(wěn)定、變化趨勢不明顯，說明未來水分和光照資源對夏玉米的生長基本有利。（4）由各年代來看，2080年代、2090年代溫度適宜度最差，2020年代最好；2030年代水分適宜度最差，2080年代最好；2080年代、2090年代光照適宜度明顯偏差，2020年代、2030年代明顯偏好。綜合來看，2061—2100年期間夏玉米氣候適宜度總體偏差，2020年代最好。（5）抽雄吐絲期遭受高溫熱害風險最大，三葉至七葉期發(fā)生旱澇風險最大，播種出苗期發(fā)生寡照（連陰雨）風險最大，而成熟期發(fā)生各種農業(yè)氣象災害風險均最小。（6）2080—2098年期間夏玉米拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿至乳熟期遭受高溫熱害的風險大；2031—2035年、2046—2056年播種出苗至拔節(jié)期發(fā)生階段性嚴重旱澇災害風險等級高。2030年代和2040年代及2026年、2080—2093年播種出苗期出現寡照（連陰雨）的風險較大。

關鍵詞：氣候適宜度；夏玉米；黃淮海；氣候變化；生育期；氣候適宜度災害指數；農業(yè)氣象災害

中圖分類號： P467；S162.5文獻標志碼： A文章編號： 2096-3599（2023）03-0088-16

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.009

Evolution characteristics of future light， temperature， and

water suitability and disaster risk for summer maize

in Huang-Huai-Hai region英文作者姓一定大寫ZHAO Xiulan， XU Lingling， ZHANG Yanhong， L Houquan

（National Meteorological Center， Beijing 100081， China）

Abstract： In order to explore the effects of future climate change on agricultural climate resources and climate suitability of summer maize and its disasters in Huang-Huai-Hai region， based on the observation data of growth period of summer maize at 56 agricultural meteorological stations and daily observation data of meteorological elements at 84 meteorological stations in Huang-Huai-Hai region from 1981 to 2021， and daily meteorological data of 897 grid points （0.25°× 0.25°） under the future climate scenario （Intergovernmental Panel on Climate Change Special Report on Emissions Scenarios A1B， IPCC SRES A1B） output by the mesoscale Regional Climate Model Version 3 （RegCM3） in Huang-Huai-Hai region from 2022 to 2100， this paper analyzes the evolution characteristics of future agricultural climate resources such as light， temperature， and water， establishes a climate suitability index model and a disaster risk index model based on climate suitability for the growth and development of summer maize， studies the effects of future climate change on the climate suitability of summer maize， and estimates the risks and characteristics of agrometeorological disaster for summer maize in Huang-Huai-Hai region. The results are as follows. （1） During the whole growth period of summer maize in Huang-Huai-Hai region from 2022 to 2100， the thermal resources show an increasing trend， the precipitation resources show a slightly upward trend with obvious periodic changes， while the solar resources show no obvious changes. （2） From 2022 to 2100， the climate suitability of summer maize in the whole growth period in Huang-Huai-Hai region shows an overall stable trend with slightly downward fluctuation， and there are periodic characteristics and differences at different growth stages. The climate suitability is the worst at sowing and seeding stage and the best at mature stage. （3） The temperature suitability in the whole growth period shows a stably downward trend with fluctuations， indicating that the increase of thermal resources in the future is generally unfavorable to the growth of summer maize. The water suitability and light suitability are generally stable without obvious changes， indicating that the water and light resources are basically favorable to summer maize in the future. （4） The temperature suitability is the worst in the 2080s and the 2090s， and the best in the 2020s; the water suitability is the worst in the 2030s and the best in the 2080s; the light suitability is poor in the 2080s and 2090s and obviously higher in the 2020s and the 2030s. On the whole， the climate suitability of summer maize from 2061 to 2100 is generally poor but the best in the 2020s. （5） The highest disaster risk for summer maize is heat damage from high temperature at tasseling and silking stage， drought and flood at 3-7 leaves stage， and sparse sunlight from continuous rain at sowing and seedling stage， while the risk of agrometeorological disasters at mature stage is the lowest. （6） From 2080 to 2098， there is a high risk of heat damage from high temperature for summer maize at jointing stage， tasseling and silking stage， and filling-milk ripening stage; in the periods of 2031-2035 and 2046-2056， there is a high risk of serious drought and flood from sowing and seeding stage to jointing stage; in the 2030s， the 2040s， 2026， and the period of 2080-2093， there is a high risk of sparse sunlight with continuous rain in the seeding stage.

Keywords： climate suitability; summer maize; Huang-Huai-Hai region; climate change; growth stage; disaster risk index based on climate suitability; agrometeorological disaster

引言

黃淮海地區(qū)是我國重要糧食生產基地，也是夏玉米最大集中產地，夏玉米關鍵生長階段正值炎熱多雨季節(jié)，農業(yè)氣候資源較為豐富［1］。在全球氣候變化背景下，近幾十年我國呈現出區(qū)域性顯著氣候變暖以及極端降水和北方干旱多發(fā)等特征［2-3］，對農業(yè)氣候資源及糧食生產產生了不同的利弊影響［4-5］。其中，黃淮海地區(qū)是受氣候變化影響較為明顯的區(qū)域之一［6-9］。近幾十年，由于熱量資源增加和作物適宜生長期延長，部分作物的適宜種植區(qū)域有擴大趨勢；由水分條件來看，黃淮海地區(qū)夏季降水受多因素影響，發(fā)生明顯年代際變化，近些年部分地區(qū)降水出現階段性異常變化，使作物生長季階段性干旱有增加趨勢，對作物生長有不利影響。

近幾十年黃淮海地區(qū)夏玉米呈現出生長季延長、積溫增多、光照減少、降水變異大等特征［10-12］，并且伴隨著農業(yè)氣候資源的變化，夏玉米氣候適宜度也呈現不同變化特征。已有研究表明，夏玉米全生育期區(qū)域平均氣溫適宜度基本持平，降水適宜度波動較大、規(guī)律不明顯，日照適宜度呈明顯下降趨勢，其中幼苗和灌漿期氣候適宜度下降趨勢相對明顯［13-14］。針對黃淮海西部的研究表明，1981—2011年夏玉米生育期光熱資源較適宜，能滿足玉米生長所需，降水是影響夏玉米產量形成的主要限制因子，且降水適宜度年際變化幅度大于日照和溫度；綜合氣候適宜度年際波動以抽雄—乳熟期最大、穩(wěn)定性較差，出苗—抽雄期相對較小、穩(wěn)定性較好［15］。

氣候適宜度不僅限于夏玉米農業(yè)氣象條件的定量評價，還可用于發(fā)育期預報等。有研究利用氣候適宜度定量化夏玉米發(fā)育進程，建立了夏玉米發(fā)育期預報模型，將氣候適宜度應用到生育期預報中，拓展了作物發(fā)育期預報的方法［16］。但以往學者們的研究缺少近幾十年夏玉米氣候適宜度與夏玉米農業(yè)氣象災害的關聯性研究，氣候適宜度趨勢演變特征分析尚不夠系統(tǒng)，在光溫水適宜度模型生理指標和農業(yè)氣象指標的系統(tǒng)性和精細化方面仍需要進一步改進和完善，同時多數研究也存在研究區(qū)域范圍較小和觀測站點數量偏少等局限。盡管已有研究將研究區(qū)域拓展到全國產區(qū)并進行了區(qū)域的適宜性定量化評價和時空分析［17］，但針對年代趨勢變化僅局限于較少典型站點，而缺少使用全部觀測站點的整體趨勢演變分析。

伴隨全球氣候變化，未來幾十年全球升溫趨勢仍然明顯［18-20］，我國農業(yè)氣候特征尤其是黃淮海地區(qū)生長季和農業(yè)氣候資源仍將發(fā)生改變，對夏玉米生長發(fā)育和產量形成等將會產生一定影響［21-22］。研究表明，2031—2090年黃淮海地區(qū)北部呈顯著變暖趨勢，而年降水量和年輻射量變化不明顯，冬小麥有生育期縮短、成熟騰茬提早的趨勢，夏玉米則有提早播種及生長季延長的趨勢［23］。利用典型站點所做研究表明，1951—2100年黃淮海地區(qū)夏玉米氣候適宜度總體呈下降趨勢，其中2071—2100年更為明顯，夏玉米拔節(jié)至抽雄期、抽雄至成熟期降水和溫度適宜度的急劇下降較明顯［17］。以往學者們關于未來氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米不同生長發(fā)育階段氣候適宜度變化趨勢與演變特征等研究尚不夠系統(tǒng)和深入，尤其缺少基于未來夏玉米氣候適宜度的不同年份、不同生長階段的干旱、漬澇災害、連陰雨寡照、高溫熱害等農業(yè)氣象災害發(fā)生風險的分析預估。本文采用黃淮海地區(qū)歷史氣象資料、夏玉米生育期歷史觀測資料、區(qū)域氣候模式（Regional Climate Model Version 3，RegCM3）輸出的未來A1情景數據，分析2022—2100年黃淮海地區(qū)夏玉米生長季氣候資源要素變化特征、不同年代和不同生育階段氣候適宜度的變化特征及農業(yè)氣象災害發(fā)生風險，可為黃淮海地區(qū)農業(yè)氣候資源利用、防災減災、夏玉米生產管理及未來應對氣候變化提供科學依據。

1資料與方法

1.1研究區(qū)域和數據來源

黃淮海地區(qū)主要包括山東、河南、河北中南部、北京長城以南地區(qū)、天津、江蘇和安徽兩省淮河以北地區(qū)（111°10′～122°43′E，32°30′～40°30′N）。

黃淮海地區(qū)1981—2021年56個農業(yè)氣象觀測站夏玉米生育期觀測資料來自國家氣象中心，1981—2021年黃淮海地區(qū)84個氣象站點逐日氣象觀測資料來自國家氣象信息中心，包括逐日溫度、降水量、平均風速、平均相對濕度、輻射等資料。2022—2100年黃淮海地區(qū)897個格點（0.25°× 0.25°）逐日氣象資料采用國家氣候中心提供的中尺度區(qū)域氣候模式RegCM3在未來氣候情景（Intergovernmental Panel on Climate Change Special Report on Emissions Scenarios A1B，IPCC SRES A1B）下的輸出結果，包括逐日平均氣溫、最高和最低氣溫、降水量、輻射等格點資料，并已根據1981—2010年黃淮海地區(qū)84個氣象站點逐日氣象觀測資料、1981—2010年黃淮海地區(qū)897個格點模式輸出逐日氣象資料利用雙線性插值方法等完成了897個格點插值及誤差訂正［24］。

1.2方法

1.2.1夏玉米生育期的確定

假定未來（2022—2100年）氣候變化情況下黃淮海夏玉米生育期不發(fā)生變化，仍然保持2011—2020年的平均狀況，以黃淮海地區(qū)56個農業(yè)氣象觀測站2011—2020年夏玉米生育期觀測資料平均值作為其2022—2100年夏玉米生育期數據，以此為基準，通過空間插值方法［25-26］計算得到897個格點的2022—2100年平均夏玉米生育期格點數據。

1.2.2氣候適宜度計算方法

夏玉米光、溫、水要素適宜度以及氣候適宜度，是表征夏玉米生長發(fā)育階段過程或全生育期光、溫、水條件以及綜合氣候條件對夏玉米生長發(fā)育適宜性程度的定量化指標，包括溫度適宜度、水分適宜度、光照適宜度及氣候適宜度，數值范圍為0～100，數值越大表明適宜程度越高，數值越小表明適宜程度越低。本文計算了黃淮海地區(qū)897個格點的2022—2100年各個生育期的各適宜度數值。夏玉米全生育期溫度、水分、光照、氣候適宜度均由各生育期數值平均獲得；本文中黃淮海地區(qū)溫度、水分、光照、氣候適宜度均指黃淮海地區(qū)區(qū)域平均值，由897個格點的數值平均獲得。

1.2.2.1溫度適宜度模型

溫度對夏玉米等作物生長發(fā)育適宜程度可用函數表示，夏玉米溫度適宜度為公式（1）［27-28］：

Sti =（ti-tmin）×（tmax-ti）B（t0-tmin）×（tmax-t0）B×100，（1）

其中：B=（tmax-t0）/（t0-tmin）；Sti為夏玉米某一生育期溫度適宜度；ti為該生育期日平均氣溫的平均值，單位：℃；tmin、tmax、t0分別為該生育期所需的日最低溫度、最高溫度和最適溫度，單位：℃。各生育期取值依據已有的研究結果［17］。

1.2.2.2水分適宜度模型

水分對夏玉米等作物生長發(fā)育適宜程度可用函數表示，見公式（2）：

SRi =100， R0≤Ri≤150%R0

（Ri/R0）×100，Ri

（R0/Ri）×100，Ri＞150%R0 。（2）

公式（2）中：SRi為夏玉米某一生育期水分適宜度，以降水量作為判定夏玉米該生育期水分適宜程度的指標；Ri為該生育期累計降水量，單位：mm；R0為該生育期生理需水量，單位：mm，根據聯合國糧食及農業(yè)組織給出的作物系數，運用實時氣象資料根據彭曼公式計算而得［29］。當R0≤Ri≤150%R0時，認為水分可被夏玉米基本全部吸收利用或完全被土壤儲存，水分適宜度為100；當Ri

1.2.2.3光照適宜度模型

光照對夏玉米生長發(fā)育的適宜程度可用函數表示，見公式（3）：

SSi =100，Si≥S0

（Si /S0）×100，Si< S0? 。（3）

公式（3）中：SSi是夏玉米某一生育期光照適宜度；Si為夏玉米該生育期平均輻射值，單位：（MJ·m-2）·d-1［32］；S0為該生育期適宜輻射值，單位：（MJ·m-2）·d-1，即夏玉米達到適宜狀態(tài)的該生育期平均輻射值。假定2022—2100年夏玉米各生育期所需的輻射值不發(fā)生變化，仍然保持1991—2020年（30 a）期間的平均狀況，各生育期適宜輻射值S0可用30 a氣候平均值代替，即以未來氣候情景（IPCC SRES A1B）下黃淮海地區(qū)2022—2100年897個格點與氣象站點經緯度有交叉重合的氣象觀測站點各生育期30 a輻射值平均值為基準，通過插值獲取黃淮海地區(qū)897個格點夏玉米各生育期適宜輻射值S0［25-26］。

1.2.2.4氣候適宜度模型

為反映光溫水氣象要素對夏玉米生長發(fā)育適宜程度的綜合影響，夏玉米某一生育期或全生育期的綜合氣候適宜度可用下式計算：

SCi=aSti+bSRi+cSSi 。（4）

公式（4）中：SCi為某一生育期或全生育期的綜合氣候適宜度（以下簡稱“氣候適宜度”）；Sti、SRi、SSi分別為該生育期或全生育期的溫度、水分、光照適宜度；a、b、c分別為溫度、水分、光照適宜度的權重系數。鑒于黃淮海夏玉米產區(qū)農業(yè)氣候資源特征，水分是夏玉米產量形成的關鍵影響因子和限制因子［15］，結合農業(yè)生產實際，水分適宜度的權重系數b取值0.4，溫度和光照兩個要素適宜度權重系數a、c均取值0.3。

1.2.2.5氣候適宜度災害指數模型

基于夏玉米某一生育期或全生育期的溫度、水分、光照適宜度及氣候適宜度，計算氣候適宜度災害指數，以此判定未來夏玉米農業(yè)氣象災害發(fā)生風險?；跍囟取⑺?、光照以及氣候適宜度的災害指數可分別用公式（5）、（6）、（7）、（8）計算。

Iti =Sti -Sti Sti? ，（5）

IRi =SRi -SRi SRi? ，（6）

ISi =SSi -SSi SSi? ，（7）

ICi =SCi -SCi SCi 。（8）

式中：Sti、SRi、SSi、SCi分別為某一生育期或全生育期的溫度、水分、光照適宜度及氣候適宜度；Sti 、SRi 、SSi 、SCi 分別為某一生育期或全生育期的溫度、水分、光照適宜度及氣候適宜度1991—2020年平均值；Iti、IRi、ISi、ICi 分別為某一生育期或全生育期的基于溫度、水分、光照適宜度及氣候適宜度的災害指數，分別簡稱為溫度、水分、光照、氣候適宜度災害指數，數值范圍為-1～1，數值越高災害風險越低，數值越低災害風險越高。本文將數值在-1～0確定為較高到高風險等級，把2022—2100年災害指數數值按照從高到低排序，數值最低的5 a均確定為最高風險等級。

2結果與分析

2.1溫度適宜度及高溫熱害風險

以積溫t≥10 ℃為指標分析夏玉米生長季熱量資源變化，結果表明2022—2100年黃淮海地區(qū)夏玉米生長季熱量資源呈現出顯著的平穩(wěn)增加趨勢，積溫t≥10 ℃區(qū)域平均值從21世紀20年代的3 100 ℃·d波動上升至21世紀末的3 500 ℃·d，其中最大值將達3 722 ℃·d（2087年），比最低值2 950 ℃·d（2021年）增加了772 ℃·d，表明未來黃淮海地區(qū)夏玉米生長季氣候呈明顯變暖趨勢，熱量資源將更加充?；蜻^剩，熱量過剩會導致夏玉米生長發(fā)育遭受高溫熱害的風險增加。

以夏玉米溫度適宜度為指標分析夏玉米生長季溫度條件適宜性時間變化趨勢，結果表明2022—2100年黃淮海地區(qū)區(qū)域平均夏玉米全生育期溫度適宜度總體呈穩(wěn)定的明顯波動下降趨勢（圖1a），同時也具有一定階段性變化特點，其中2031—2040年有較明顯波動上升階段，其后70 a的時間尺度內多呈平穩(wěn)下降趨勢。2025—2040年、2050—2070年、2075—2100年期間波動相對偏大，而2022—2024年、2071—2074年期間波動較小，2045—2049年最??；決定系數R2相對較高，也反映了全生育期溫度適宜度年際差異相對較?。▓D1a）。溫度適宜度總體呈波動下降趨勢，說明未來氣候明顯變暖對夏玉米的生長總體是不利的。對于不同生育期而言，雖然均呈下降趨勢，但在下降幅度上存在差異。抽雄吐絲期和灌漿乳熟期等夏玉米生長關鍵期溫度適宜度波動下降趨勢明顯、變幅相對較大（圖1b、c），其中抽雄吐絲期最明顯；其次為拔節(jié)期和成熟期，播種出苗期（圖1d）、三葉至七葉期下降趨勢相對較平緩，變幅相對較小，說明未來氣候明顯變暖對夏玉米抽雄吐絲期和灌漿乳熟期的不利影響相對于其他生育期更明顯。

由各生育期溫度適宜度各年代平均值（表1）來看，結合溫度適宜度災害指數，2020年代溫度條件對玉米生長發(fā)育的適宜度最好，2071—2100年相對于前50 a明顯偏差，其中2080年代、2090年代最差。2080年代和2090年代遭受高溫熱害的風險最高，2020年代風險最低，2080年代抽雄吐絲期和灌漿乳熟期溫度適宜度災害指數分別為-0.06、-0.04，2090年代均為-0.05，2020年代分別為0.03、0.04，說明2020年代發(fā)生高溫熱害風險很低，但隨著未來溫度的上升，超過了夏玉米生長所需適宜的溫度指標，熱量資源是過剩的、負面的，因此未來熱量資源的增加對夏玉米生長總體不利，尤其是夏玉米開花灌漿階段出現持續(xù)日最高氣溫超過35 ℃高溫頻率明顯增大，更容易遭受高溫熱害影響，導致授粉結實率下降、灌漿期縮短等，從而影響產量形成。由2022—2100年溫度適宜度平均值及其災害指數平均值來看，不同生育期之間溫度適宜度存在一定差異。其中，成熟期平均值達到95.9，溫度適宜度災害指數平均值也相對最高，達到0.03，溫度條件為各生育期中最好；播種出苗期、三葉至七葉期次之；拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿乳熟期等玉米生長發(fā)育關鍵階段溫度適宜度相對偏低，抽雄吐絲期是所有生育期中最低的，溫度適宜度災害指數平均值也最低，說明未來熱量資源增加情況下夏玉米抽雄吐絲期遭受高溫熱害的風險增大，影響夏玉米產量形成。虛線—線性趨勢線；公式—線性擬合方程；R2—決定系數；下同。

由溫度適宜度和溫度適宜度災害指數年代極端值來看，在2050年代之前，全生育期溫度適宜度普遍偏好、災害風險普遍偏低；全生育期溫度適宜度最差、災害風險最高的5 a依次出現在2087年、2080年、2093年、2098年、2081年，溫度適宜度災害指數為-0.06～-0.04，說明全生育期平均來看2080—2098年遭受高溫熱害的風險高。由不同生育期來看，拔節(jié)期2087年、2080年溫度適宜度災害指數分別為-0.11、-0.09，抽雄吐絲期2080年、2093年、2059年、2068年、2083年、2087年災害指數為-0.14～-0.09（圖2），灌漿至乳熟期2081年、2091年、2093年、2098年災害指數為-0.10～-0.08，說明2080—2098年夏玉米拔節(jié)、抽雄吐絲、灌漿至乳熟期遭受高溫熱害風險高，上述各生育期內持續(xù)出現日最高氣溫超過35 ℃高溫的可能性極大，對產量形成帶來一定不利影響。

2.2水分適宜度及旱澇風險

采用區(qū)域氣候模式輸出的2022—2100年897個格點降水數據對黃淮海地區(qū)夏玉米生長季水分資源進行分析，發(fā)現夏玉米生長季區(qū)域平均降水量階段性變化明顯，總體為微弱的上升趨勢。其中2022—2031年，降水變化震蕩突出，存在快速上升又快速下降的特點，該時期也是降水量年際變幅較大時期，在此期間夏玉米生長季最大降水量達760 mm（2029年），最小降水量為298 mm（2031年），最小值也是2022—2100年最低值；2032—2100年呈現緩慢的波動上升趨勢，2098年達到2022—2100年的最大值802 mm。上述結果表明，未來黃淮海地區(qū)夏玉米生長季水分資源存在較大不穩(wěn)定性，發(fā)生旱澇災害風險較大。

以水分適宜度為指標分析夏玉米生長季水分條件適宜性時間變化趨勢，結果表明2022—2100年黃淮海地區(qū)區(qū)域平均夏玉米全生育期水分適宜度總體平穩(wěn)、變化趨勢不明顯，僅后期略有上升趨勢（圖3a），但也具有一定的階段特征，存在幾個小的波動。2022—2030年、2053—2058年、2085—2093年為波動下降階段，水分適宜度下降，說明發(fā)生旱澇風險上升；2031—2038年、2049—2053年、2058—2067年、2070—2085年為波動上升階段，其中2070—2085年的上升階段時間最長，達15 a，說明該時段發(fā)生旱澇風險明顯下降，水分條件對夏玉米生長發(fā)育明顯有利；決定系數R2較低，也反映了全生育期水分適宜度年際間差異相對較大。雖然各個生育期水分適宜度變化趨勢總體較平緩，但不同生育期也呈現一定差異，其中抽雄吐絲期、灌漿乳熟期無明顯趨勢，拔節(jié)期為平緩下降趨勢（圖3b），三葉至七葉期前期平緩后期略有上升趨勢（圖3c），成熟期為明顯的平穩(wěn)上升趨勢（圖3d），播種出苗期為前期平緩略有下降、后期平緩略有上升的趨勢。

由各生育期水分適宜度各年代平均值（表2）來看，2030年代水分條件對玉米生長發(fā)育的適宜度相對于其余70 a都是明顯偏差的，全生育期水分適宜度災害指數也最低，為-0.03，說明2030年代發(fā)生旱澇風險最高；除拔節(jié)期和抽雄吐絲期以外，其余4個生育期2080年代水分適宜度均為最高值或次高值，全生育期水分適宜度和水分適宜度災害指數最高值也出現在2080年代，表明2080年代水分條件相對于其余70 a是明顯最好的，發(fā)生旱澇風險最低。因此，由全生育期來看，2030年代水分條件對夏玉米生長發(fā)育適宜度是最差的，而2080年代是最好的。以水分適宜度2022—2100年平均值及其災害指數平均值來看，各生育期之間存在一定差異。其中成熟期水分適宜度平均值達到72.1，水分適宜度最好，水分適宜度災害指數也最高，平均值達到0.10，災害風險最低，其次為灌漿乳熟期；而播種出苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期水分適宜度較低，災害指數平均值為-0.03～-0.02，說明連陰雨、暴雨洪澇及干旱災害風險較大；三葉至七葉期平均水分適宜度及其災害指數均最低，災害指數平均值為-0.07（圖4），說明該期間夏玉米遭受到水分脅迫類災害的風險最大。結果表明，各個生育期相比，夏玉米成熟期發(fā)生旱澇災害風險相對最小，三葉至七葉期發(fā)生旱澇風險最大；抽雄吐絲期發(fā)生旱澇風險較大，由于該發(fā)育期是影響產量形成的最關鍵時期，抽雄吐絲期較大的旱澇風險也會帶來較大的產量損失風險。

由2022—2100年水分適宜度及其災害指數極值來看，2070年代至2090年代全生育期水分適宜度普遍偏好、災害風險普遍偏低；全生育期水分適宜度最差、災害風險最高的5 a依次出現在2031年、2035年、2049年、2046年、2030年，水分適宜度災害指數均為-0.13～-0.09，說明這5 a發(fā)生全生育期旱澇災害風險等級高。由各生育期來看，播種出苗期在2053年、2026年、2051年，三葉至七葉期在2046年、2043年、2078年（圖4），拔節(jié)期在2056年、2031年、2035年、2080年，抽雄吐絲期在2068年、2031年，水分適宜度災害指數均處于明顯低值范圍，數值為-0.24～-0.22，說明上述生育期的相應年份，尤其2031—2035年、2046—2051年播種出苗至拔節(jié)期發(fā)生階段性嚴重旱澇災害風險等級高，嚴重影響產量。灌漿至乳熟期及成熟期，水分適宜度數值和水分適宜度災害指數相對較高，說明水分條件總體利于夏玉米灌漿乳熟和成熟，發(fā)生連陰雨、暴雨洪澇及干旱災害風險明顯偏低。

2.3光照適宜度及寡照風險

采用區(qū)域氣候模式輸出的2022—2100年總太陽輻射格點數據，對黃淮海地區(qū)夏玉米生長季光照資源的時間變化趨勢進行分析，發(fā)現夏玉米生長季區(qū)域平均總太陽輻射總體變化趨勢不明顯，但仍存在一定的階段性年際變化，其年際變化大致可分為3個階段：2022—2031年為不穩(wěn)定期，年際間波動較大，最大年（2031年，2 942 （MJ·m-2）·d-1）與最小年（2022年，2 590 （MJ·m-2）·d-1）相差352 （MJ·m-2）·d-1；2032—2065年為緩慢上升階段，大部分年份總輻射在2 700 （MJ·m-2）·d-1以上，且變化幅度有所減?。?066—2100年為迅速下降階段，且年際波動增大。上述結果表明，黃淮海地區(qū)夏玉米生長季光照資源穩(wěn)定性較差，2070年代之后出現寡照的風險增加。

以光照適宜度為指標分析夏玉米生長季光照條件適宜性時間變化趨勢，2022—2100年黃淮海地區(qū)區(qū)域平均夏玉米全生育期光照適宜度總體穩(wěn)定，無明顯變化趨勢，期間雖也伴隨一些小的波動，但波動變幅較小，光照適宜度數值為88.8～91.8（圖5a）。由不同生育期來看，光照適宜度時間變化趨勢均較平緩、差異相對較小，其中拔節(jié)期、抽雄吐絲期（圖5b）、灌漿乳熟期等產量形成關鍵期在2022—2100年呈現前期略有下降總體相對平緩的趨勢，三葉至七葉期、成熟期則無明顯變化趨勢，播種出苗期呈現總體平穩(wěn)末期略有上升趨勢。但在變化幅度上各生育期存在較明顯差異，其中成熟期變幅最小，拔節(jié)期最大?？傮w來看，夏玉米生長初期和中期相比于后期光照適宜度變幅大，說明夏玉米生長后期相比于初期和中期光照條件更穩(wěn)定。

由不同生育期光照適宜度和光照適宜度災害指數各年代平均值來看，全生育期、抽雄吐絲期、灌漿乳熟期、成熟期各年代差異均不明顯；播種出苗期、三葉至七葉期、拔節(jié)期2080年代和2090年代最差，而2020年代、2030年代明顯最好，說明2080年代、2090年代發(fā)生寡照的風險較大，而2020年代、2030年代風險較小。以2022—2100年光照適宜度平均值及其災害指數平均值來看，不同生育期之間光照適宜性存在一定差異。其中成熟期光照適宜度最好，光照適宜度災害指數平均值也最高，為0.11，災害風險最低；其次為灌漿乳熟期、抽雄吐絲期；再次為三葉至七葉期、拔節(jié)期，災害指數平均值分別為-0.06、-0.07（圖6）；播種出苗期光照適宜度及其災害指數均最低，災害指數平均值為-0.12。上述結果說明，播種出苗期發(fā)生寡照的風險最高，因該生育期夏玉米播種出苗對光照需求較小，直接影響相對較小，但寡照往往伴隨著連陰雨天氣，陰雨天氣會明顯影響夏玉米順利播種和正常出苗；其次是三葉至七葉期、拔節(jié)期發(fā)生寡照的風險較高，雖然不及播種出苗期風險高，但對幼苗光合生長及壯苗的不利影響卻是較大的；夏玉米成熟期發(fā)生寡照（連陰雨）風險最低，往往多晴好天氣，利于夏玉米成熟收獲和晾曬歸倉。

由2022—2100年光照適宜度和光照適宜度災害指數極值來看，2052—2054年、2075—2079年、2094—2098年全生育期光照適宜度普遍較好，災害風險普遍偏小。全生育期光照適宜度最差以及災害風險最高的5 a依次為2026年、2031年、2087年、2080年、2059年，光照適宜度災害指數普遍為-0.02～-0.01，說明上述年份夏玉米生長季出現階段性寡照的風險最大。其中，播種出苗期光照適宜度最差的5 a依次為2051年、2026年、2030年、2039年、2049年，光照適宜度災害指數也最低，普遍為-0.16～-0.15；三葉至七葉期在2026年、2048年、2051年，拔節(jié)期在2059年、2031年、2036年、2037年、2039年、2044年、2056年、2074年、2088年，光照適宜度災害指數也明顯偏低，普遍為-0.12～-0.06（圖6），說明播種出苗至拔節(jié)期2030年代和2040年代及2026年、2080—2093年出現寡照（連陰雨）的風險較大。2022—2100年大部分年份抽雄吐絲期、灌漿至乳熟期、成熟期，光照適宜度和災害指數數值均普遍較高，發(fā)生寡照（連陰雨）風險低。

2.4氣候適宜度及農業(yè)氣象災害風險

2022—2100年，黃淮海地區(qū)區(qū)域平均夏玉米全生育期氣候適宜度呈現總體平穩(wěn)略有下降的時間波動趨勢，并具有一定的階段特征（圖7a），例如，2022—2035年為較明顯波動下降階段，2068—2088年為緩慢波動上升階段，變幅普遍也相對較大，其余時間波動相對平緩、變幅相對偏小。不同生育期的氣候適宜度時間變化趨勢呈現一定差異性，其中拔節(jié)期、抽雄吐絲期和灌漿乳熟期時間變化趨勢的一致性較好，均呈現波動下降趨勢，且變幅相對較大，拔節(jié)期變幅最大（圖7b、c、d）；成熟期、播種出苗期、三葉至七葉期時間變化趨勢均相對平緩，且相對前3個產量形成關鍵期變幅總體偏小，其中播種出苗期、三葉至七葉期呈現先略降后微升趨勢，成熟期總體呈略有上升趨勢。

由不同生育期氣候適宜度及其災害指數各年代平均值來看，播種出苗期、三葉至七葉期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿乳熟期和成熟期最低值分別出現在2060年代、2040年代、2080年代、2080年代、2090年代和2060年代，氣候適宜度災害指數也均為最低；全生育期氣候適宜度及其災害指數最高值均在2020年代，最低值均在2060年代、2070年代。這說明2061—2080年氣候條件對夏玉米生長發(fā)育適宜度總體偏差，2020年代最好。由2022—2100年平均值來看，不同生育期之間氣候適宜度存在一定差異。其中，成熟期平均氣候適宜度達到85.6，適宜度最好，災害指數平均值也最高，其次為灌漿乳熟期，再次為抽雄吐絲期，三葉至七葉期、拔節(jié)期再次之，播種出苗期適宜度相對最低，平均氣候適宜度為75.8，災害指數平均值也最低，為-0.04（圖8）。上述結果表明，在各個生育期中，夏玉米播種出苗期氣候條件適宜度相對最差，發(fā)生高溫熱害、旱澇或連陰雨寡照等農業(yè)氣象災害的風險最大，不利于前茬作物成熟收獲、騰茬整地和夏玉米播種出苗，不能適時播種的風險高；成熟期氣候條件的適宜度相對最好，農業(yè)氣象災害發(fā)生風險明顯偏小，利于夏玉米正常成熟和收獲晾曬。三葉至七葉期、拔節(jié)期雖然不及播種出苗期農業(yè)氣象災害風險高，但該期間發(fā)生高溫熱害、旱澇或連陰雨寡照等災害對作物幼苗生長及后期產量的影響是較大的。雖然由平均情況來看，抽雄吐絲期發(fā)生災害的風險明顯不如三葉至七葉期、拔節(jié)期、播種出苗期高，但該時期正值產量形成敏感期和關鍵期，一旦發(fā)生農業(yè)氣象災害，對產量的影響更嚴重。

由2022—2100年氣候適宜度及其災害指數極值來看，2027—2029年、2054—2055年、2082—2086年等時段全生育期氣候適宜度普遍偏好，災害風險普遍偏低；全生育期氣候適宜度最差的5 a依次出現在2031年、2087年、2049年、2035年、2046年，氣候適宜度災害指數也是依次最低的，數值為-0.04～-0.02，說明上述年份生長季發(fā)生農業(yè)氣象災害的風險大。其中，播種出苗期最差的5 a依次為2026年、2051年、2098年、2049年、2053年，氣候適宜度數值均低于69.0，氣候適宜度災害指數為-0.13～-0.11（圖8）；拔節(jié)期最差的5 a依次為2056年、2031年、2059年、2080年、2099年，氣候適宜度災害指數為-0.14～-0.12；三葉至七葉期最差的5 a依次為2048年、2087年、2051年、2032年、2041年，氣候適宜度災害指數為-0.09～-0.06；抽雄吐絲期最差的5 a依次為2068年、2093年、2031年、2059年、2080年，氣候適宜度災害指數為-0.11～-0.08；灌漿至乳熟期、成熟期最差的5 a氣候適宜度及其災害指數數值相對于其他發(fā)育期均偏高明顯，發(fā)生農業(yè)氣象災害的風險偏小。這說明2026年、2031—2032年、2035年、2041年、2048—2049年、2051年、2053年、2056年、2059年、2068年、2080年、2087年、2093年、2098年、2099年等年份播種出苗期以及拔節(jié)期和抽雄吐絲期農業(yè)氣象條件適宜度偏差的程度較大，發(fā)生高溫熱害、干旱、暴雨洪澇、寡照（連陰雨）等農業(yè)氣象災害的風險相對更大。

3結論和討論

預計未來（2022—2100年）氣候變化情景下，黃淮海地區(qū)夏玉米生長季熱量資源將呈增多趨勢，水分資源總體為微弱的增多趨勢，但隨時間階段性變化明顯、存在較大不穩(wěn)定性，光照資源變化總體穩(wěn)定、趨勢不明顯。本文以積溫t≥10 ℃為指標分析夏玉米生長季熱量資源變化，發(fā)現未來黃淮海地區(qū)夏玉米生長季呈明顯氣候變暖趨勢，與已有研究結論［18-19］一致，因此由熱量資源來看，夏玉米未來熱量資源將更加充裕或過剩，夏玉米遭受高溫熱害風險增加。由水分資源變化來看，未來黃淮海地區(qū)夏玉米生長季水分資源存在較大不穩(wěn)定性，發(fā)生旱澇災害風險較大，與已有研究結果［33-34］有較好一致性。由光照資源變化來看，2070年代之后出現寡照的風險明顯增加。

2022—2100年黃淮海地區(qū)夏玉米全生育期氣候適宜度呈現總體平穩(wěn)略有下降波動趨勢，并具有一定階段性特征，其中2022—2035年為較明顯波動下降階段，2068—2088年為緩慢波動上升階段。不同生育期氣候適宜度時間趨勢呈現一定差異性，其中拔節(jié)期、抽雄吐絲期和灌漿乳熟期均呈現明顯的波動下降趨勢，且變幅較大；其余生育期變化趨勢均相對平緩，變幅相對較小。本文以黃淮海地區(qū)897個格點得出區(qū)域平均全生育期氣候適宜度呈現總體平穩(wěn)略有下降波動趨勢的結果，與已有研究［17］以典型站點得到的氣候適宜度總體呈下降趨勢的結論基本一致，區(qū)別在于本文研究結果在下降幅度上相對偏小，但由于是基于全部黃淮海地區(qū)897個格點進行的研究，結論更能反映區(qū)域整體特點。以不同生育期氣候適宜度數值的高低判斷農業(yè)氣象災害發(fā)生風險的大小，其中播種出苗期氣候適宜度相對最差，發(fā)生高溫熱害、旱澇或寡照（連陰雨）等農業(yè)氣象災害的風險大，不利于前茬作物收獲整地和夏玉米播種出苗；其次為三葉至七葉期、拔節(jié)期，再次為抽雄吐絲期，灌漿乳熟期氣候適宜度好于抽雄吐絲期；而成熟期氣候條件適宜度相對最好，農業(yè)氣象災害發(fā)生風險最小。

光溫水不同氣象要素適宜度2022—2100年的時間演變趨勢存在明顯差異，其中全生育期溫度適宜度總體呈波動下降趨勢，且具有一定年代階段性變化特征，2031—2040年有一個較明顯波動上升階段，其后時間多呈現逐漸平穩(wěn)下降趨勢。溫度適宜度總體呈波動下降趨勢，說明未來熱量資源增加、氣候呈明顯變暖趨勢對夏玉米的生長總體是不利的。2022—2100年全生育期水分適宜度和光照適宜度總體穩(wěn)定，隨年代變化趨勢不明顯，水分適宜度后期略有上升趨勢，2070—2085年有一個明顯上升階段，說明在長達15 a的時間里發(fā)生旱澇風險明顯偏低。因此，未來水分和光照資源對夏玉米的生長基本有利。夏玉米全生育期氣候適宜度呈現總體平穩(wěn)略有下降的波動趨勢，這主要是由溫度適宜度的下降趨勢決定的，光照和水分兩個要素的影響相對較小。

由全生育期各年代特征來看，2080年代、2090年代是溫度條件適宜度最差的年代，2020年代最好；2030年代水分條件適宜度最差，而2080年代最好；2080年代、2090年代光照適宜度明顯偏差，而2020年代、2030年代明顯偏好。由全生育期和各生育期綜合來看，2061—2100年夏玉米氣候適宜度總體是偏差的，2020年代最好，這與研究［17］2070—2100年氣候適宜度下降明顯的結論大體一致。

由各生育期發(fā)生農業(yè)氣象災害種類及風險來看，夏玉米抽雄吐絲期遭受高溫熱害的風險最大，其次為灌漿乳熟期和拔節(jié)期；由發(fā)生旱澇風險來看，三葉至七葉期最大，其次為抽雄吐絲期，抽雄吐絲期旱澇風險雖然不是最大的，但連陰雨、暴雨洪澇及干旱災害會降低玉米開花期的授粉率，對產量形成的影響相對較大，該結果與已有研究［35］結論一致。播種出苗期發(fā)生寡照的風險最高，寡照往往伴隨連陰雨，寡照（連陰雨）會明顯影響夏玉米順利播種和正常出苗，其次是三葉至七葉期、拔節(jié)期風險較高；成熟期發(fā)生高溫熱害、旱澇、寡照（連陰雨）等各類農業(yè)氣象災害風險均最低。

綜合來看，2080—2098年夏玉米拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿乳熟期遭受高溫熱害的風險大；2031—2035年、2046—2056年播種出苗至拔節(jié)期發(fā)生階段性嚴重旱澇災害風險等級高；2030年代和2040年代及2026年、2080—2093年播種出苗期出現寡照（連陰雨）的風險較大。由整個生長季來看，2031年、2087年、2049年、2035年、2046年依次為夏玉米發(fā)生農業(yè)氣象災害風險最大的5 a。2026年、2031—2032年、2035年、2041年、2048—2049年、2051年、2053年、2056年、2059年、2068年、2080年、2087年、2093年、2098年、2099年等年份播種出苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期農業(yè)氣象條件適宜度偏差的程度較大，發(fā)生高溫熱害、干旱、暴雨洪澇、寡照（連陰雨）等農業(yè)氣象災害的風險相對偏大。

本研究主要是基于未來氣候變化情景下所做的研究和分析，由于諸多不確定因素，研究必然存在一定的局限。首先，本研究是限定在夏玉米品種特性不變的情況下，沒有考慮未來近80 a的時間尺度內夏玉米品種特性隨遺傳育種、栽培技術以及氣候變化和土壤等環(huán)境因素而產生的變化，也沒有考慮生長季夏玉米生育期的長短變化、生理生態(tài)特性尤其是生長發(fā)育農業(yè)氣象指標可能會發(fā)生一定變化。其次，本研究是假定現有栽培和種植模式在未來氣候變化情況下保持不變得出的結論，沒有考慮氣候變化對相同種植區(qū)域內輪作的夏玉米、冬小麥生育期長短、土壤變化以及騰茬和夏玉米播種的影響。實際上已有研究表明氣候變暖對夏玉米—冬小麥種植模式是有影響的，氣候變暖會造成冬小麥播種時間推遲、生育期縮短、茬口時間延長以及夏玉米生育期的變化等［23，36］，所以結論存在一定局限性。最后，本研究使用了聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次報告中模式輸出未來氣候情景數據，由于氣候模式和氣候情景的不完善和局限，也會使本研究結果存在一定的不確定性，未來隨著IPCC模式輸出情景數據和評估報告的更新完善，研究結果也將會有調整和變化。本研究僅提供了一個可能的結果，結論有一定局限性，但作為未來作物氣候適宜性的預估性研究，仍然給出了黃淮海地區(qū)夏玉米未來農業(yè)氣候資源和氣候適宜性的時間變化趨勢、特征及不同年代和不同發(fā)育階段可能面臨的各類農業(yè)氣象災害風險，對今后指導黃淮海地區(qū)農業(yè)氣候資源利用、防災減災、夏玉米生產管理和種植制度調整及未來應對氣候變化有一定現實意義。

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