穆 佳 趙俊芳 郭建平

（中國氣象科學研究院，北京100081）

近30年東北春玉米發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng)

穆 佳 趙俊芳 郭建平＊

（中國氣象科學研究院，北京100081）

基于1981—2010年東北地區(qū)55個農(nóng)業(yè)氣象觀測站發(fā)育期數(shù)據(jù)、16個氣象站逐日氣象資料，采用趨勢變率、秩相關(guān)分析、主成分分析和結(jié)構(gòu)方程模型等方法，分析了近30年東北春玉米關(guān)鍵發(fā)育期的變化特征，探討了春玉米發(fā)育期對不同時間尺度氣象因子的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：1981—2010年春玉米關(guān)鍵發(fā)育期（播種期、抽雄期、成熟期）均有延后趨勢，大部分地區(qū)春玉米生長前期（播種期—抽雄期）日數(shù)減少，生長后期（抽雄期—成熟期）日數(shù)增加，全生育期日數(shù)增加。在絕大多數(shù)年份，春玉米播種期在溫度適播期之后，成熟期在初霜日之前。近30年對東北春玉米生育期日數(shù)影響最大的氣象要素為溫度，主成分分析結(jié)果顯示，年際尺度的升溫、溫度生長期的延長和作物生長期的高溫對生育期日數(shù)影響顯著；結(jié)構(gòu)方程模型指出，作物生長期的最高溫度和最低溫度對生育期日數(shù)影響有間接效應(yīng)，主導(dǎo)氣象要素能夠解釋生育期日數(shù)變異的44%。全球變暖背景下，東北春玉米發(fā)育期變化是作物響應(yīng)氣候變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化的共同結(jié)果。

東北地區(qū)；春玉米；關(guān)鍵發(fā)育期；生育期日數(shù)

引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴于天氣氣候條件，對氣候變化極為敏感。全球變暖背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加、作物種植結(jié)構(gòu)和品種布局改變、局部地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害加劇，嚴重威脅糧食安全［1］。植物物候期的變化能有效反映植物對氣候變化的響應(yīng)過程，也是全球氣候變化研究的焦點之一［2］。東北地區(qū)玉米播種面積占全國30%左右，是我國玉米出口基地［3］；東北地區(qū)也是全球增溫最顯著的地區(qū)之一［4］，玉米發(fā)育期受氣候變化影響顯著。因此，明確東北地區(qū)春玉米生長發(fā)育對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，對于降低該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失、保障糧食生產(chǎn)安全等具有重要的現(xiàn)實意義［5］。

近年來，國內(nèi)外學者在植物物候期與氣候變化關(guān)系方面開展了大量研究。在物候期的變化規(guī)律方面［6－10］，統(tǒng)計結(jié)果顯示，近20年東北三省水稻和玉米出苗期提前、成熟期推后、生育期延長［6］；對于1年生的植物來說，春、夏季物候期均提前，秋季物候期推后不顯著，春季營養(yǎng)生長期縮短，秋季生殖生長期延長［8］；Sacks等［9］研究指出，近25年美國玉米播種期提前10d，生育期延長12d，積溫提高14%。在發(fā)育期變化的影響因子方面［11－13］，玉米分期播種試驗結(jié)果顯示，平均氣溫每升高1℃，玉米出苗速率提升18%，出苗至成熟期生長速率提高17.0%左右，生育期可以縮短14d［11］。在物候期對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律方面［14－16］，李正國等［14］指出，1991—2009年東北三省生長季長度與溫度生長期日數(shù)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果對東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣候變化關(guān)系研究有積極的指導(dǎo)意義。但目前對作物發(fā)育期的研究多從氣候資源角度出發(fā)，討論氣候變化可能引起的潛在發(fā)育期變化，對發(fā)育期變化影響因子的研究僅從單一時間尺度予以考慮，對兩者響應(yīng)關(guān)系的討論多限于相關(guān)分析和線性回歸等常規(guī)統(tǒng)計方法，相關(guān)研究尚不深入，遠不能滿足防災(zāi)減災(zāi)、保證糧食安全生產(chǎn)的需求。

鑒于此，本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，利用1981—2010年東北地區(qū)55個農(nóng)業(yè)氣象觀測站發(fā)育期數(shù)據(jù)、16個氣象站逐日氣象資料，運用趨勢變率、秩相關(guān)分析、主成分分析和結(jié)構(gòu)方程模型等方法，采用公認的農(nóng)業(yè)氣象指標，結(jié)合東北春玉米生長發(fā)育規(guī)律，從年際、潛在生長期和作物生長期3個時間尺度，確定影響春玉米生長發(fā)育的主導(dǎo)氣象要素，分析近30年東北春玉米關(guān)鍵發(fā)育期的變化特征，構(gòu)建春玉米發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系模型，探討春玉米發(fā)育期對不同時間尺度氣象因子的響應(yīng)規(guī)律，以期為氣候變化背景下東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

1.1.1 玉米發(fā)育期觀測資料

1981—2010年東北地區(qū)55個農(nóng)業(yè)氣象觀測站（黑龍江省18個、吉林省19個、遼寧省18個）春玉米發(fā)育期資料，包括逐年玉米種植品種、各發(fā)育期日期、生育期日數(shù)等。

王培娟等［17］提出播種期、出苗期、乳熟期和成熟期是春玉米的關(guān)鍵發(fā)育期，李正國等［14］認為抽雄期可以表征玉米生長季的高峰期，是其典型的物候期。本文選擇播種期、抽雄期、成熟期為春玉米的關(guān)鍵發(fā)育期，將觀測站逐年玉米發(fā)育期達普遍期的日期轉(zhuǎn)換為當年的日序。

1.1.2 氣象觀測資料

1981—2010年東北地區(qū)16個氣象站逐日觀測數(shù)據(jù)，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)等，資料均來自國家氣象信息中心。

1.1.3 確定不同時間尺度氣象因子

玉米生長發(fā)育受氣候變化影響，種植區(qū)的天氣情形、農(nóng)業(yè)氣候資源狀況和作物生長期的天氣條件與玉米生長過程聯(lián)系緊密。光、溫、水是引起作物發(fā)育期變化的重要環(huán)境因子，光、溫、水在不同時間尺度上的組合因子對作物發(fā)育期的影響程度必然不同。本研究分3個時間尺度：①在年際尺度上，選擇年平均溫度、年降水量、年平均日照時數(shù)為參量；②在潛在生長期尺度上，選擇不低于10℃的初日、終日、活動積溫，初霜日，溫度生長期日數(shù)，溫度生長期的降水量、日照時數(shù)為參量；③在作物生長期尺度上，選擇平均溫度、最高溫度、最低溫度、氣溫日較差、降水量和日照時數(shù)為參量；它們都是影響玉米發(fā)育期變化的潛在氣象因子，通過秩相關(guān)分析，可以篩選出影響春玉米發(fā)育期的主導(dǎo)氣象要素。根據(jù)站點逐日氣象資料，計算不同時間尺度的氣象要素值。

1.2 方 法

1.2.1 趨勢變率

以年份t為自變量，日序y（t）為因變量，建立一元線性回歸方程：

式（1）中，a為截距，b為年日序數(shù)線性傾向率，表示發(fā)育期日序的變化趨勢。b的絕對值越大，變化趨勢越明顯。

1.2.2 穩(wěn)定通過界限溫度初日、終日的計算

我國東北是作物一年一熟制地區(qū)，日平均溫度不低于10℃的持續(xù)期是春玉米的潛在生長期［18］。在春玉米生產(chǎn)中，霜凍是限制其生長的重要氣象災(zāi)害，文獻［14］也將初霜日（日最低溫度不高于2℃初日）作為玉米停止生長的日期，將日平均溫度不低于10℃初日與初霜日之間的日數(shù)稱為溫度生長期。本研究中，沿用日最低溫度不高于2℃初日的定義方法計算初霜日，采用氣象部門普遍使用的五日滑動平均法確定穩(wěn)定通過界限溫度的初終日期［19］。

1.2.3 秩相關(guān)分析

Spearman秩相關(guān)分析是最常用的非參數(shù)相關(guān)分析方法［20］。當兩組變量不符合雙變量正態(tài)分布的假設(shè)時，可用秩相關(guān)系數(shù)描述變量間的相互變化關(guān)系。Spearman秩相關(guān)分析可以通過SPSS軟件實現(xiàn)。

1.2.4 主成分分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受多種氣象要素的影響，不同時間尺度的氣象因子均可轉(zhuǎn)化為溫度、降水或日照時數(shù)的函數(shù)，因子之間存在高度相關(guān)性的概率很大，直接回歸分析會使結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。主成分分析能夠從多元隨機變量的矩陣中提取主成分，消除復(fù)共線性［21］。利用主成分作為新自變量進行回歸分析，進而闡述玉米生育期日數(shù)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。

1.2.5 結(jié)構(gòu)方程模型

20世紀60年代，結(jié)構(gòu)方程模型最早應(yīng)用于心理計量學領(lǐng)域，之后經(jīng)瑞典統(tǒng)計學家Joreskog等的修改和完善，成為一種通用的統(tǒng)計模型。結(jié)構(gòu)方程模型能夠同時處理多個因變量、容許自變量和因變量含測量誤差、容許更大彈性的測量模型、能夠估計整個模型的擬合程度。與傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計分析相比，它既可以反映變量間可能存在的間接效應(yīng)，模型中又允許包含無法直接觀測的潛在變量。

結(jié)構(gòu)方程模型建模過程：首先主觀提出一個或多個基本模型，檢查這些模型樣本數(shù)據(jù)的擬合程度；然后基于理論和數(shù)據(jù)，找出模型中擬合欠佳的部分；修改模型，次通過數(shù)據(jù)樣本修正模型的擬合程度；重復(fù)上述過程，直到獲得一個與數(shù)據(jù)擬合程度高、各個參數(shù)的估計值也有合理解釋的模型為止，產(chǎn)生一個最佳模型。

目前，結(jié)構(gòu)方程模型在氣象學中的應(yīng)用并不多見，戴誠等［22］應(yīng)用該方法探討了草原地下生物量及地下與地上生物量比對環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律。本文主要利用結(jié)構(gòu)方程模型進行驗證性因素分析，采用AMOS軟件構(gòu)建模型，從而進一步識別主導(dǎo)氣象要素對生育期日數(shù)的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。

2 結(jié)果分析

2.1 近30年東北春玉米發(fā)育期演變趨勢

2.1.1 發(fā)育期變化特征

基于東北春玉米實際發(fā)育期資料，得到春玉米發(fā)育期的多年平均日序（表1）。由表1可見，東北春玉米的生長發(fā)育過程大致在每年的第120天—第262天（4月下旬到9月中旬），4月下旬—5月上旬開始播種春玉米，7月中旬達到抽雄普遍期，9月中旬玉米成熟。

從播種時間來看，遼寧省最早開始播種，黑龍江省玉米普遍種植較晚。黑龍江省和吉林省玉米抽雄期、成熟期的平均日序相同，晚于遼寧省?？傮w上，在春玉米生長后期（抽雄期—成熟期）東北三省發(fā)育期日序相差不大，區(qū)域的差異性主要來源于玉米生長前期（播種期—抽雄期）。

表1 東北春玉米發(fā)育期日序變化Table 1 The day of year of spring maize growth stages in Northeast China

1981—2010年，東北春玉米各發(fā)育期的日序均延后。播種期的推遲趨勢在東北地區(qū)極為明顯，成熟期在各區(qū)域均呈現(xiàn)出極顯著的推后效應(yīng)。

2.1.2 關(guān)鍵發(fā)育期平均間隔日數(shù)變化

發(fā)育期間隔日數(shù)的長短可以表征玉米生長的快慢，從而反映氣候變化對玉米發(fā)育期的影響［8］。春玉米在不同區(qū)域生長前期、生長后期和生育期的日數(shù)年際變化情況如圖1所示，玉米生長前期經(jīng)歷日數(shù)長于生長后期。黑龍江省春玉米播種期—抽雄期間隔日數(shù)的年際波動較其他地區(qū)明顯，年際變異系數(shù)達到6.2%，其多年平均日數(shù)少于80d；除黑龍江省之外，其他地區(qū)玉米生長前期日數(shù)減少，且在遼寧?。ǎ?.61d／10a）和東北地區(qū)（－1.36d／10a）減少趨勢均達到0.05顯著性水平。春玉米生長后期日數(shù)的年際變異系數(shù)依然為黑龍江省最大；遼寧省玉米生長后期日數(shù)有2.5d／10a的顯著增加趨勢；總體上，以1986年為界線，近30年東北春玉米抽雄期—成熟期間隔日數(shù)先增加后穩(wěn)定于60d。

1981—2010年東北地區(qū)多年平均生育期日數(shù)約為140d，黑龍江省玉米生育期日數(shù)年際變化最大，遼寧省變化最小。在不同種植區(qū)域，近30年玉米生育期日數(shù)均呈延長趨勢，其中，黑龍江省生育期日數(shù)延長最顯著，達3.2d／10a。

圖1 關(guān)鍵發(fā)育期間隔日數(shù)年際變化（a）黑龍江省，（b）吉林省，（c）遼寧省，（d）東北地區(qū)Fig.1 Interannual variation of number of critical growth stage interval days（a）Heilongjiang Province，（b）Jilin Province，（c）Liaoning Province，（d）Northeast China

2.1.3 關(guān)鍵發(fā)育期變化的區(qū)域分布特征

不同區(qū)域關(guān)鍵發(fā)育期的變化特征并不完全一致。東北地區(qū)東南部，玉米播種期以（1～5d）／10a的線性推遲趨勢為主；黑龍江省北部地區(qū)播種期有4d／10a左右的提前趨勢；遼寧省阜新市玉米播種期的提前趨勢達22d／10a。近30年東北地區(qū)抽雄期傾向率和成熟期傾向率的空間分布基本相同，除遼寧省阜新市有明顯的提前趨勢外，東北地區(qū)抽雄期和成熟期均以（1～5d）／10a的線性推遲為主。

站點關(guān)鍵發(fā)育期的不同變化趨勢，造成關(guān)鍵發(fā)育期間隔日數(shù)變化的空間差異性（圖2）。生長前期日數(shù)在大部分地區(qū)有2d／10a以下的縮短趨勢；黑龍江省東北部、遼寧省西部生長前期日數(shù)有所增加。生長后期日數(shù)減少趨勢在松嫩平原和小興安嶺在6 d／10a以內(nèi)，其他地區(qū)日數(shù)增加。生育期日數(shù)在三江平原—老爺嶺、松嫩平原—遼河平原呈線性增加趨勢，小興安嶺和遼東半島地區(qū)呈（1～5d）／10a減少趨勢。

同一站點不同發(fā)育期的變化速率也有所不同，將關(guān)鍵發(fā)育期與關(guān)鍵發(fā)育期間隔日數(shù)相結(jié)合，比較線性傾向率的大小關(guān)系可知：在東北大部分地區(qū)，同一變化方向上（不同發(fā)育期的線性傾向率均為正值或均為負值），播種期變化傾向率大于抽雄期、成熟期變化傾向率大于抽雄期。各地播種期與成熟期線性傾向率的大小關(guān)系差異較大，表明東北春玉米生育期日數(shù)不同地區(qū)變化趨勢不同。

2.2 東北春玉米發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng)

在55個農(nóng)業(yè)氣象觀測站中，選擇資料較完整且與氣象站一致的代表站（16個）進一步分析關(guān)鍵發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。在16個代表站中，樣本量為30年的站點包括長嶺、敦化、樺甸、集安、岫巖、寬甸、莊河，樣本量為29年的站點包括梅河口、綏中，樣本量為28年的站點是白城，樣本量為22年的站點包括佳木斯、沈陽，樣本量為16年的站點包括富裕、安達、尚志，樣本量為8年的站點是阜新。因此，近30年東北地區(qū)的樣本量共有396個。

圖2 1981—2010年關(guān)鍵發(fā)育期間隔日數(shù)線性傾向率（單位：d／a）的空間分布（空白區(qū)域為非玉米種植區(qū)）（a）生長前期日數(shù)，（b）生長后期日數(shù)，（c）生育期日數(shù)Fig.2 The spatial distribution of linearity inclination rate of the number of critical growth stage interval days from 1981to 2010（the blank zone is none maize－growing area）（a）the number of early growth stage days，（b）the number of late growth stage days，（c）the number of growth stage days

2.2.1 播種期、成熟期與日平均溫度不低于10℃初日、終日的關(guān)系

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種植區(qū)的氣候條件嚴格限制著種植的作物種類和品種，作物的播種、成熟在溫度生長期以內(nèi)才能確保植株生長發(fā)育的順利進行。在16個代表站中，選擇佳木斯、樺甸、岫巖3個站點，討論氣候變化條件下播種期、成熟期與日平均溫度不低于10℃初日、終日的關(guān)系。其中，佳木斯站緯度偏高，近30年玉米主要種植品種為合玉11、東農(nóng)248；樺甸站緯度居中，近30年玉米主要種植品種為樺單9、吉單120；岫巖站緯度偏低，近30年玉米主要種植品種為丹玉六號、沈單七號。

日平均溫度不低于10℃初日通常作為春玉米的適宜播種期，實際播種期晚于適播期有利于玉米安全生長，保證出苗率。1981—2010年樺甸站、岫巖站個別年份玉米播種期早于初日，佳木斯站玉米逐年播種期均晚于初日（圖3），但種植時間偏晚。

一般地，日平均溫度不低于10℃終日視為喜溫作物（春玉米）停止生長的日期，而在不受霜凍災(zāi)害的威脅下，春玉米可以繼續(xù)生長，初霜日是東北春玉米停止生長的日期。代表站玉米成熟期均在初霜日之前（圖3）。佳木斯玉米的成熟期與日平均溫度不低于10℃終日、初霜日的間隔日數(shù)逐年縮小，熱量資源的利用率逐步提高；樺甸地區(qū)玉米的成熟期與不低于10℃終日比較接近，保證了當?shù)赜衩椎倪m宜生長；岫巖站玉米的成熟期比日平均溫度不低于10℃終日早20d以上，若只考慮溫度生長環(huán)境，可以在當?shù)剡m當擴大更晚熟品種的種植面積，以增加熱量資源的利用率，促進玉米產(chǎn)量提高。

在氣候變暖的背景下，東北玉米種植品種正逐步由早熟向中晚熟過渡［19，23］。日平均溫度不低于10℃初日提前，初霜日推遲，溫度生長期延長，緯度偏高地區(qū)種植品種迅速更替。對于熱量資源較為豐富的遼寧省，當晚熟品種逐漸飽和時，可以通過改變作物熟制、提高復(fù)種指數(shù)等方式調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，從而響應(yīng)氣候變化。

氣候變化條件下，東北地區(qū)初霜日和新品種的成熟期均推遲，而初霜日的年際變化不斷增大，初霜凍發(fā)生在成熟期前的頻率也在增加［24］，因此，應(yīng)合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不能盲目種植晚熟品種。未來隨著對氣候變化認識能力的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會逐步縮短對氣候變化的響應(yīng)周期［23］，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)既能夠順利進行，又能夠充分利用氣候資源。

圖3 東北春玉米播種期與日平均溫度不低于10℃初日及成熟期與日平均溫度不低于10℃終日、初霜日變化關(guān)系Fig.3 The relationship of sowing stage to the initial date no less than 10℃，and that of maturation stage to the final date no less than 10℃with the first frost date about maize in Northeast China

2.2.2 生育期日數(shù)與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

將春玉米生育期日數(shù)與不同時間尺度氣象因子進行秩相關(guān)分析，結(jié)果表明：對東北春玉米生育期日數(shù)影響最大的環(huán)境要素為溫度因子，降水、日照時數(shù)對發(fā)育期的影響沒有溫度顯著。篇幅所限，僅列出與東北春玉米生育期日數(shù)存在顯著相關(guān)關(guān)系的各潛在氣象因子（表2）。生育期日數(shù)與作物生長期各溫度因子呈顯著負相關(guān)關(guān)系，氣候變暖會促使玉米生長加快，生育期日數(shù)縮短；各代表站生育期日數(shù)對年平均溫度、溫度生長期日數(shù)和活動積溫的響應(yīng)關(guān)系有所不同，就整個東北地區(qū)而言，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明年際尺度的升溫、潛在生長期的延長、日平均溫度不低于10℃活動積溫的增加使得東北春玉米生育期延長，有利于晚熟玉米的種植。

2.2.3 生育期日數(shù)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系

通過秩相關(guān)分析，篩選得到影響近30年東北春玉米生育期日數(shù)的主導(dǎo)氣象要素，包括年平均溫度、溫度生長期日數(shù)、活動積溫、作物生長期的平均溫度和最高溫度及最低溫度。

表2 東北地區(qū)代表站春玉米生育期日數(shù)與各尺度氣象因子的相關(guān)系數(shù)Table 2 Spearman correlation coefficients between the number of growth stage days of spring maize and different meteorological factors at typical stations in Northeast China

2.2.3.1 生育期日數(shù)與主導(dǎo)氣象要素主成分模型

主導(dǎo)氣象要素均為溫度的組合因子，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，因子之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，滿足主成分分析的條件。提取兩個主成分F1和F2，可保留原變量93%的信息。第1主成分：

第2主成分：

其中，Z1～Z6分別表示標準化的年平均溫度、溫度生長期日數(shù)、活動積溫、作物生長期平均溫度、作物生長期最高溫度、作物生長期最低溫度。F1主要表征活動積溫、平均溫度、最低溫度的信息，F(xiàn)2主要表征年平均溫度、溫度生長期日數(shù)、最高溫度的信息。將主成分與標準化生育期日數(shù)（ZD）進行線性回歸，得

式（4）中，F(xiàn)1的回歸系數(shù)不顯著，F(xiàn)2的回歸系數(shù)明顯大于F1，達到0.01顯著性水平。由此說明，在主導(dǎo)氣象要素之中，年平均溫度、溫度生長期日數(shù)的正效應(yīng)和玉米生長期最高溫度的負效應(yīng)要比活動積溫、玉米生長期平均溫度、玉米生長期最低溫度對生育期日數(shù)的影響更顯著。

2.2.3.2 生育期日數(shù)與主導(dǎo)氣象要素的結(jié)構(gòu)方程模型

經(jīng)過反復(fù)修正假定模型，得到一個擬合理想的標準化結(jié)構(gòu)方程模型（圖4）。結(jié)果顯示，對東北春玉米生育期日數(shù)有顯著影響的主導(dǎo)氣象要素之間存在不同程度的相關(guān)性，且均達到0.01顯著性水平；作物生長期的最高溫度、最低溫度對生育期日數(shù)有間接影響，標準化回歸系數(shù)分別為0.54和0.55；主導(dǎo)氣象要素能夠共同解釋生育期日數(shù)變異的44%，達到了極顯著水平。

結(jié)構(gòu)方程模型所得結(jié)果與主成分回歸不完全一致。與主成分分析相比，對于生育期日數(shù)，作物生長期最高溫度的直接效應(yīng)幾乎為零，可以忽略，它們之間的關(guān)系全部通過作物生長期平均溫度間接顯示；在主導(dǎo)氣象要素之中，活動積溫對玉米生育期日數(shù)的影響最大，其次為作物生長期最低溫度，溫度生長期日數(shù)、年平均溫度的直接效應(yīng)不顯著。

在標準化結(jié)構(gòu)方程模型中，主導(dǎo)氣象要素的總效應(yīng)可以解釋近30年東北春玉米生育期日數(shù)變化的44%。探究東北地區(qū)生育期日數(shù)變化的原因，模型的解釋能力依然存在局限性。玉米的遺傳特性、栽培措施等均影響著作物生長期，尤其是近30年東北地區(qū)玉米種植品種繁雜以及品種的更替速度較快，使得對春玉米發(fā)育期的研究變得更為復(fù)雜。

圖4 東北春玉米生育期日數(shù)與主導(dǎo)氣象要素的標準化結(jié)構(gòu)方程模型（圖中要素均為標準化值，單向箭頭表示回歸，箭頭旁數(shù)值為標準化回歸系數(shù)；雙向箭頭表示相關(guān)，箭頭旁數(shù)值為標準化相關(guān)系數(shù)）Fig.4 Standard structural equation modeling of the number of growth stage days of spring maize with significant meteorological factors in Northeast China（factors are all standardized，one－way arrows stand for regression and values beside these arrows are standard regression coefficients，both－way arrows stand for correlativity and values beside these arrows are standard correlation coefficients）

3 結(jié)論與討論

研究表明：

1）1981—2010年東北春玉米普遍在每年的4月下旬—5月上旬播種，7月中旬抽雄，9月中旬成熟；在各種植區(qū)，春玉米關(guān)鍵發(fā)育期（播種期、抽雄期、成熟期）均有逐年延后趨勢；近30年東北大部分地區(qū)春玉米生長前期日數(shù)呈減少趨勢，生長后期日數(shù)呈增加趨勢，生育期日數(shù)增加，播種期和成熟期的變化傾向率大于抽雄期。

2）近30年東北地區(qū)的絕大多數(shù)年份，春玉米播種期在溫度適播期之后，成熟期在日平均溫度不低于10℃終日、初霜日之前，保證了玉米的安全生長。在保證玉米安全生長的前提下，東北部分地區(qū)可通過擴大種植更晚熟的玉米品種或改變種植熟制、提高復(fù)種指數(shù)等方法，提高熱量資源的利用率。

3）秩相關(guān)分析結(jié)果顯示，東北春玉米對不同時間尺度溫度因子的響應(yīng)關(guān)系最明顯；主成分回歸顯示，年平均溫度、溫度生長期日數(shù)和作物生長期最高溫度比其他主導(dǎo)氣象要素對生育期日數(shù)的影響更顯著；結(jié)構(gòu)方程模型顯示，作物生長期的最高溫度和最低溫度對玉米生育期日數(shù)的影響有間接效應(yīng)，模型中的主導(dǎo)氣象要素能夠解釋生育期日數(shù)變異的44%。

21世紀以來，除大興安嶺漠河外，東北地區(qū)日平均溫度不低于10℃初日提前2～10d，春玉米適宜播種期提前［25］。本研究發(fā)現(xiàn)，春玉米的播種期有逐年推后趨勢，從播種期傾向率的空間分布圖來看，東北大部分地區(qū)玉米播種期推遲4d／10a左右。由此可見，作物的實際發(fā)育期變化與理想氣象條件下的潛在發(fā)育期變化不同，人為因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不可忽視。

日照時數(shù)、溫度、水分能夠綜合反映一個地區(qū)的自然環(huán)境條件，作物的生長與其密切相關(guān)。有關(guān)研究指出，植物物候期的變化主要取決于溫度，其次為日照時數(shù)，降水對物候期的影響有滯后作用［26］；近50年來，東北大部分地區(qū)日照時數(shù)和總輻射減少，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［27］；在水分適宜的情況下，東北玉米生長發(fā)育和灌漿速度加快，生物量增加［28］；在20世紀90年代中后期，東北地區(qū)的西部和南部出現(xiàn)明顯的暖干化趨勢，對農(nóng)作物不利［29］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光照、水分是必要條件，它們與溫度共同影響作物的生長發(fā)育過程。本研究將不同時間尺度的氣象因子與生育期日數(shù)進行相關(guān)分析，結(jié)果顯示僅有溫度組合因子對玉米生育期日數(shù)影響顯著，研究結(jié)果只能部分反映東北春玉米生育期日數(shù)對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。多模式集合結(jié)果顯示，未來東北地區(qū)氣溫和降水均呈上升趨勢［30－34］，溫度升高趨勢非常明顯［30－32］，降水增加趨勢較弱［32］，但蒸發(fā)量增加顯著［33］，地表徑流減少［34］，使區(qū)域暖干旱化加劇，水分資源對東北玉米生產(chǎn)的限制會越來越明顯。

影響玉米發(fā)育期的主要因素包括自然環(huán)境條件、作物的種植品種和栽培方式等。據(jù)不完全統(tǒng)計，近30年東北春玉米的種植品種超過350種，涵蓋早熟、中熟、中晚熟、晚熟多種熟型。不同品種對熱量和水分的需求差異很大，且在不同種植地區(qū)玉米品種本身也會發(fā)生變化，這些均會影響玉米發(fā)育期。本研究基于結(jié)構(gòu)方程模型的結(jié)果表明，主導(dǎo)氣象要素能夠解釋生育期日數(shù)變異的44%，玉米生長期很大程度上受到種植品種和管理措施影響。近30年，東北春玉米發(fā)育期變化，既是作物響應(yīng)氣候變化的結(jié)果，也包含了人類對氣候變化的適應(yīng)。

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Response of Spring Maize Growth Stage to Climate Change in Northeast China over the Past 30Years

Mu Jia Zhao Junfang Guo Jianping
（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing10081）

Northeast China is the main producing area of spring maize.Study on the response of spring maize growth stages to climate change has important significance for the agricultural production in Northeast China.

Based on observations of spring maize at 55agricultural meteorological stations，and daily meteorological data of 16meteorological stations in Northeast China，combined with generally accepted indicators of agricultural meteorology，as well as the law of growth and development of spring maize，significant meteorological factors affecting the spring maize growth are determined at three time scales of inter－annual，potential growing season and crop growth stages.Variations of spring maize growth stages in Northeast China over the past 30years are analyzed，using methods of trend rate，spearman correlation analysis，principal component analysis and structural equation modeling.Relationships between maize growth stages and climate change are explored.Finally，responses of spring maize growth stages to meteorological factors over the past 30years are further analyzed at different time scales.

The result shows that spring maize critical growth stages in Northeast China over the past 30years are postponed.Compared to the stage of tasseling，delaying trends at sowing stage and maturation stage are obvious in most areas.The number of days decreases during the early maize growth stages，while both the late maize growth stages and growth stages extend.In most years，the sowing date of spring maize is later than suitable planting date，and the maturating date is earlier than the first frost date，reducing risks.Under climate warming，the late－maturating maize can be expanded in these areas in order to improve the utilization of thermal resource.Responses of spring maize growth stages to temperature factors are the most notable during the past 30years.The result by principal component analysis shows that the increased temperature at the inter－annual timescale，the prolonged temperature growth period and the high temperature on the crop growth stages are more notable than other meteorological factors.While，in the structural equation modeling，effects of temperature factors on growth stages are partly indirect，and significant meteorological factors can explain 44%of variation in growth stages.Results deepen understanding effects of climate change on crop mechanism，and can be used as scientific basis for adaptation to climate change in the future.

Northeast China；spring maize；critical growth stages；the number of days of growth stages

穆佳，趙俊芳，郭建平.近30年東北春玉米發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng).應(yīng)用氣象學報，2014，25（6）：680－689.

2014－04－03收到，2014－09－02收到再改稿。

國家自然科學基金項目（31371530），中國氣象局氣候變化專項（CCSF201346）

＊通信作者，email：gjp＠cams.cma.gov.cn