白 帆, 楊曉光, 劉志娟, 孫 爽, 張鎮(zhèn)濤, 王曉煜,2, 高繼卿, 劉 濤

氣候變化背景下播期對東北三省春玉米產(chǎn)量的影響*

白 帆1,3, 楊曉光1**, 劉志娟1, 孫 爽1, 張鎮(zhèn)濤1, 王曉煜1,2, 高繼卿1, 劉 濤1

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193; 2. 中國氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心 北京 100081; 3. 北京市氣象服務(wù)中心 北京 100089)

為探究氣候變化背景下東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)春玉米適宜播期的變化程度, 本文以東北三省春玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域, 基于1981—2015年氣象資料, 1981—2012年農(nóng)業(yè)氣象觀測站玉米生育期、產(chǎn)量資料以及土壤資料, 分氣侯區(qū)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(APSIM)進行調(diào)參和驗證, 建立適用于東北三省10個不同氣候區(qū)的模型相關(guān)參數(shù), 在各氣候區(qū)利用調(diào)參驗證后的APSIM-Maize模型設(shè)置不同播期, 模擬各年代不同播期下春玉米潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力, 綜合高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)性指標, 明確了不同區(qū)域各年代不同條件下適宜播期范圍。研究結(jié)果表明, APSIM模型對于東北三省7個春玉米品種開花和成熟兩個關(guān)鍵生育期以及產(chǎn)量模擬結(jié)果與實測結(jié)果具有較好的一致性, 表明APSIM模型能夠較好地模擬研究區(qū)域春玉米生育期和產(chǎn)量。充分灌溉條件下, 研究區(qū)域內(nèi)適宜播期范圍從4月16日至5月19日, 空間上呈緯向分布南早北遲的特征; 20世紀90年代和21世紀00年代玉米適宜播期較20世紀80年代有提前趨勢, 其中20世紀90年代提前趨勢更明顯; 第1、第3、第5、第7和第9氣候區(qū)雨養(yǎng)條件下較充分灌溉條件下適宜播期有推遲趨勢, 推遲天數(shù)為3~6 d。雨養(yǎng)條件下各年代不同氣候區(qū)理論上的適宜播期較目前生產(chǎn)中實際播期下的產(chǎn)量提高2.84%~9.96%。以上結(jié)果為進行未來氣候變化對東北三省春玉米影響及其適宜播期等研究提供了技術(shù)支撐。

氣候變化; 東北三省; 春玉米; APSIM模型; 適宜播期; 產(chǎn)量

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告, 1880—2012年期間, 全球地表平均溫度上升了0.85 ℃[1]。全球變暖的背景下, 近百年來(1909—2011年)中國陸地區(qū)域平均增溫0.9~1.5 ℃,高于全球增溫平均水平, 近15年來氣溫上升的趨勢變緩, 但仍處于近百年來氣溫最高階段[2]。東北三省是中國高緯度地區(qū), 也是我國乃至全球氣候變暖最為顯著的地區(qū)之一[3]。中國是世界第二大玉米()生產(chǎn)國, 2016年全國玉米總產(chǎn)量已達2.1億t, 而東北三省春玉米產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量的34%[4]。氣候變暖背景下, 如何通過調(diào)整播期, 充分利用熱量資源, 保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn), 對東北三省玉米生產(chǎn)具有重要的理論和實踐意義。

適宜的播期是實現(xiàn)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。在當(dāng)前全球氣候變化背景下, 充分利用當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件趨利避害, 使作物各生育期處于有利的氣象條件, 播期的選擇至關(guān)重要[5]。前人采用田間試驗方法在東北地區(qū)開展了大量的研究。趙先麗等[6]結(jié)合遼寧莊河地區(qū)開展的播期試驗數(shù)據(jù)及1981—2010年該地區(qū)的春玉米作物數(shù)據(jù), 探討了播期對該地區(qū)春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)春玉米產(chǎn)量隨播期的推遲呈現(xiàn)先增后減的趨勢; 馬樹慶等[7]利用東北地區(qū)玉米分期播種試驗, 結(jié)合逐日氣溫和降水等氣象資料, 分析了氣候變化對玉米生產(chǎn)的影響, 發(fā)現(xiàn)在水分適宜條件下, 氣候變化對春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量呈正效應(yīng);李文科等[8]通過在吉林梨樹進行播期試驗, 探討了播期對吉林春玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響, 得出吉林西南部春玉米適宜播期在5月中旬左右。在利用作物模型研究春玉米播期對產(chǎn)量影響方面, 戴明宏等[9]使用調(diào)參驗證后的CERES-Maize模型對北京地區(qū)的春玉米進行模擬,分析了播期推遲對該區(qū)域春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響, 發(fā)現(xiàn)在適宜水分條件下, 適當(dāng)推遲播期會有一定的增產(chǎn)效應(yīng); 米娜等[10]利用遼寧錦州的分期播種試驗資料, 通過調(diào)參驗證后的CERES-Maize模型模擬不同播期下各年代玉米產(chǎn)量, 利用最佳季節(jié)法分析了該地區(qū)玉米最佳播期, 得出遼寧大部分地區(qū)春玉米適宜播期在4月中下旬, 新疆春播中晚熟玉米的最適播期為4月20日—5月5日; 許紅根等[11]基于新疆地區(qū)2015—2017年實際播期試驗數(shù)據(jù), 利用APSIM模型分析了不同播期下春玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性。目前, 前人研究主要基于田間試驗分析播期對春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響[12-13], 但田間試驗有較大的局限性, 播期設(shè)置不能過密, 除播期外其他因素對春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響無法剝離。而基于作物生長模型進行的研究中大多局限于局部地區(qū), 且研究年份較短。綜合考慮水分限制對播期的影響, 利用作物模型對東北不同氣候區(qū)不同年代適宜播期進行分析, 目前仍少見報道。本研究基于調(diào)參驗證后的APSIM-Maize模型, 分氣候區(qū)研究播期對東北三省春玉米產(chǎn)量的影響, 明確在水分不限制的灌溉模式下和非灌溉模式的雨養(yǎng)條件下各氣候區(qū)各年代春玉米的適宜播期, 為東北三省春玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文以我國東北三省春玉米潛在種植區(qū)為研究區(qū)域, 包括黑龍江、吉林、遼寧3省。東北三省為溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 玉米生長季內(nèi)平均氣溫為19.0~22.0 ℃, 降水量為300~500 mm, 日照為800~1 000 h, 溫差大, 無高溫危害, 日照充足, 氣候條件適宜玉米的生長發(fā)育[14]。東北三省主要種植制度是一年1熟, 該地區(qū)地處在“黃金玉米帶”, 土地肥沃, 光照資源豐富, 為玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn), 包括1961—2015年黑龍江省、吉林省和遼寧省57個氣象站逐日氣象資料, 氣象要素包括日平均氣溫、日最高和最低氣溫、日降水量、日照時數(shù)、相對濕度和平均本站氣壓等。

作物數(shù)據(jù)來自東北三省數(shù)據(jù)較全且品種單一、適宜進行多年份調(diào)參驗證的7個農(nóng)業(yè)氣象觀測站(佳木斯、哈爾濱、通化、白城、遼源、瓦房店、建平), 包括1981—2012年春玉米品種、播種日期、播種密度、播種深度、行距, 生育期(出苗期、開花期和成熟期)、產(chǎn)量、施肥時間和施肥量以及灌溉時間和灌溉量, 數(shù)據(jù)完備。

土壤數(shù)據(jù)來自農(nóng)業(yè)氣象觀測站、《中國土壤數(shù)據(jù)庫》及《第二次土壤普查農(nóng)田肥力》, 包括0~2 m土層的土壤容重、田間持水量、萎蔫系數(shù)和土壤含水量等, 其中的土壤數(shù)據(jù)與年份均與作物數(shù)據(jù)對應(yīng), 土壤數(shù)據(jù)的測量時間為開花期, 數(shù)據(jù)完備。

1.3 研究方法

1.3.1 ≥10 ℃有效積溫的計算

≥10 ℃有效積溫利用1961—2015年氣象站點逐日氣象資料計算, 具體計算公式為[15]:

式中:T為第天的氣溫(℃);b為生物學(xué)下限溫度, 本文取10 ℃作為下限溫度;為計算≥10 ℃有效積溫的天數(shù)。

1.3.2 水分虧缺指數(shù)的計算

水分虧缺指數(shù)可反映一段時間內(nèi)作物水分供需狀況, 具體計算公式為[16]:

式中: ETc為作物需水量(mm);為作物降水量(mm); ET0為參考作物蒸散量(mm);c為作物系數(shù),<0說明降水量可以滿足玉米生長季內(nèi)需水,>0說明降水量不能滿足玉米生長季需水。其中參考作物蒸散量(ET0)的計算公式為[17]:

1.3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(agricultural production system simulator, APSIM)是從1991年開始由澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組(APSRU)共同研制開發(fā)的作物生產(chǎn)模擬系統(tǒng)。APSIM模型可模擬玉米、小麥()、棉花(Gossypium)、大麥()、甘蔗()、花生()、其他豆類作物等多種作物。該模型具有模塊化的特點, 通過中央引擎將各模塊結(jié)合在一起, 在進行作物模擬時主要用到的模塊是氣象模塊、作物模塊、地表有機質(zhì)模塊、土壤模塊、管理模塊、施肥模塊、灌溉模塊和結(jié)果輸出模塊[18-19]。目前, APSIM模型已在世界多個國家及地區(qū)的氣候變化評估、農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評價、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理決策、水資源合理利用等方面得到較好的應(yīng)用[20-27]。

1.3.4 模型適應(yīng)性評價指標

通過模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果差異性以及各項評價指標來對APSIM模型模擬東北三省春玉米生育期和產(chǎn)量準確性進行檢驗。本研究中, 采用以下統(tǒng)計量作為檢驗APSIM模型的指標: 模擬值與實測值之間的決定系數(shù)(2)、均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根差(NRMSE)[28]、平均絕對誤差(MAE)和指標[29]。2和可以反映出模擬值與實測值之間的一致性程度, 指標值越接近1, 說明模擬效果越好;RMSE為模擬值與實測值之間的絕對誤差, 值越小,表明模擬值與實際觀測值的偏差越小; NRMSE為模擬值與實測值之間的相對誤差, 控制在10%以內(nèi)說明模型的模擬有較高精度。

式中:S為模擬值,O為實測值,為實測平均值,為樣本數(shù)。

1.3.5 高穩(wěn)系數(shù)的計算

高穩(wěn)系數(shù)(HSC)是1994年由溫振民等[30]首先提出, 該系數(shù)可以綜合反映作物產(chǎn)量的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性, 系數(shù)越高, 表明作物高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性越好。本文通過高穩(wěn)系數(shù)法分析春玉米在不同播期下產(chǎn)量的高產(chǎn)性與穩(wěn)產(chǎn)性, 得到該地區(qū)春玉米的適宜播期。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北三省氣候區(qū)劃分

本文以1961—2010年80%保證率條件下的≥10 ℃有效積溫1 314 ℃?d作為玉米種植北界。由于東北三省積溫及降水條件空間差異較大, 為了精細分析研究區(qū)域適宜播期, 按照東北春玉米種植區(qū)域玉米生長季內(nèi)有效積溫及作物水分虧缺指數(shù)將全區(qū)分為10個亞區(qū)[31], 如表1和圖1所示。

2.2 APSIM模型有效性驗證及情景設(shè)置

2.2.1 模型有效性驗證

在使用APSIM模型模擬之前, 需將模型參數(shù)本土化。每個氣候區(qū)因積溫、降水條件相近, 所以針對同一品種進行調(diào)參驗證。需要進行本土化的參數(shù)包括玉米各品種從出苗到營養(yǎng)生長期結(jié)束的積溫、開花到灌漿的積溫、光周期斜率、每株最大籽粒數(shù)、灌漿速率等。

將各個站點的氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及作物數(shù)據(jù)輸入模型后, 對參數(shù)進行調(diào)參驗證。本文采取“試錯法”在區(qū)域尺度上對東北三省各春玉米品種參數(shù)進行調(diào)整驗證, 使模擬值與實測值盡可能的接近, 從而使APSIM模型本土化。生育期方面, 主要針對玉米的開花期及成熟期進行實測值和模擬值比對; 產(chǎn)量方面, 主要對產(chǎn)量進行評價。各氣候區(qū)內(nèi)代表性站點、品種及調(diào)參驗證數(shù)據(jù)對應(yīng)年份如表2所示。

圖2和圖3為東北三省不同氣候區(qū)典型站點春玉米開花期和成熟期模擬值和實測值的比較結(jié)果。由圖可以看出APSIM模型對于7個品種的開花期和成熟期兩個關(guān)鍵生育期的模擬結(jié)果和實測結(jié)果具有較好的一致性, 開花期和成熟期的決定系數(shù)2均在0.7以上。從表3可以看出開花期和成熟期的均方根誤差RMSE基本在3~5 d以內(nèi), 開花期和成熟期的歸一化均方根NRMSE誤差均在4%內(nèi), 開花期和成熟期的平均絕對誤差MAE值均在3以內(nèi), 開花期和成熟期的指標均在0.85以上。由此可知APSIM模型可以較好地模擬東北地區(qū)春玉米的生長進程。

表1 東北三省氣候區(qū)劃及劃分標準

圖1 研究區(qū)域氣候區(qū)劃分及站點分布

表2 東北三省各氣候區(qū)春玉米APSIM模型調(diào)參和驗證所用品種及數(shù)據(jù)來源

圖2 東北三省代表站點春玉米播種到開花日數(shù)實測值及模擬值驗證結(jié)果比較

圖3 東北三省代表站點春玉米播種到成熟日數(shù)實測值及模擬值驗證結(jié)果比較

表3 東北三省不同氣候區(qū)春玉米開花期、成熟期及產(chǎn)量APSIM模型驗證結(jié)果評價

圖4為東北三省春玉米產(chǎn)量模擬值和實測值比較結(jié)果。從圖4和表3可以看出, APSIM模型對于7個玉米品種的產(chǎn)量模擬值和實測值的相關(guān)關(guān)系較好, 產(chǎn)量模擬值和實測值的決定系數(shù)2都在0.8以上。從表3可以看出產(chǎn)量的均方根誤差RMSE基本在1 500 kg×hm-2以內(nèi), 歸一化均方根誤差NRMSE均在18%以內(nèi),指標0.80以上。由此可知APSIM模型可以較好地模擬東北三省春玉米產(chǎn)量。

圖4 東北三省代表站點春玉米產(chǎn)量實測值及模擬值驗證結(jié)果比較

2.2.2 模型的情景設(shè)置

根據(jù)東北三省春玉米生長發(fā)育所需積溫條件和生長下限溫度, 結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H播期數(shù)據(jù), 將播期模擬范圍設(shè)置為4月10日至5月25日, 每3 d為1個播期, 各氣候區(qū)內(nèi)每年15個播期, 分別模擬每年不同播期的產(chǎn)量, 分別按照20世紀80年代(1981—1990年)、20世紀90年代(1991—2000年)和21世紀00年代(2001—2015年)3個年代進行統(tǒng)計。

播期設(shè)置時采用已經(jīng)調(diào)參驗證的7個品種, 播種深度為5 cm, 行距為0.6 m, 播種密度為80 000株?hm-2。

由于東北三省春玉米大多不灌溉(雨養(yǎng)), 為明確不同水分條件下各氣候區(qū)適宜播期, 分別設(shè)置兩個情景進行模擬: 一種為充分灌溉條件下的潛在產(chǎn)量模擬(限制條件為當(dāng)?shù)毓鉁貤l件, 水分和氮肥均為適宜, 模型設(shè)置為自動灌溉和施肥); 另一種情景為不灌溉條件下氣候生產(chǎn)潛力模擬(限制條件為當(dāng)?shù)毓鉁亟邓畻l件, 其他要素為最適宜條件, 模型設(shè)置自動施肥)。

2.3 研究區(qū)春玉米適宜播期空間分布

2.3.1 充分灌溉條件下春玉米適宜播期

根據(jù)已有研究表明, 近35年(1981—2015年)東北三省熱量資源呈明顯增加趨勢, 平均氣溫升溫趨勢明顯, 每10年升高0.22 ℃, 其中20世紀90年代升溫較為顯著, 21世紀00年代升溫趨勢趨緩; 降水方面, 近35年(1981—2015年)東北三省降水量呈減少趨勢, 平均每10年減少11.1 mm, 其中21世紀00年代減少趨勢最為明顯。

在以上氣候變化背景下, 本文利用APSIM模型對充分灌溉條件下各氣候區(qū)各站點各年份不同播期下的春玉米產(chǎn)量進行模擬, 計算每個站點不同年代產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù), 高穩(wěn)系數(shù)最高值所對應(yīng)的播期區(qū)間即為該站點該年代的適宜播期。將各站點適宜播期通過Arcgis軟件插值得到圖5。各氣候區(qū)適宜播期即為氣候區(qū)內(nèi)所有站點適宜播期的并集。灌溉條件下東北三省各年代不同氣候區(qū)適宜播期時空分布如圖5a、5b、5c所示。可以看出在水分滿足條件下東北三省的適宜播期呈緯向分布, 從東北到西南逐漸提前。

20世紀80年代東北三省春玉米適宜播期分布為由北向南逐漸提前。適宜播期最晚區(qū)域為第1、第2和第3氣候區(qū), 播期最早區(qū)域為東北三省西南部也就是第8、第9和第10氣候區(qū)內(nèi)。第1氣候區(qū)適宜播期范圍為5月10—16日, 第2氣候區(qū)適宜播期范圍為5月7—19日, 第3氣候區(qū)適宜播期范圍為5月7—16日, 第4氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月4—13日, 第5氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月1—13日, 第6氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月28日—5月7日, 第7氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月28日—5月1日, 第8氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月22日—5月1日, 第9氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月19—25日, 第10氣候區(qū)的適宜播期范圍為4月22日—5月1日。

圖5 充分灌溉(a, b, c)和雨養(yǎng)(d, e, f)條件下20世紀80年代(a, d)、90年代(b, e)和21世紀00年代(c, f)東北三省不同氣候區(qū)春玉米適宜播期的時空分布

20世紀90年代東北三省春玉米適宜播期最晚區(qū)域為黑龍江省東北部和吉林省東南部, 即第1和第2氣候區(qū)內(nèi), 播期最早區(qū)域為東北西南部區(qū)域即第8、第9和第10氣候區(qū)。第1氣候區(qū)適宜播期為5月7—13日, 較20世紀80年代整體提前3 d; 第2氣候區(qū)的適宜播期范圍為5月4—13日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—13日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較80年代整體提前3 d; 第5氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月10日, 較80年代整體提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月4日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月22—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月16—25日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d?？傮w來看, 20世紀90年代適宜播期與80年代相比有較大幅度的提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d。

21世紀00年代東北三省春玉米適宜播期最晚區(qū)域為東北三省北部的第1、第2和第3氣候區(qū), 播期最早區(qū)域為東北三省西南部第8、第9和第10氣候區(qū)。第1氣候區(qū)適宜播期為5月7—13日, 較20世紀90年代變化不大, 較80年代整體提前3 d; 第2氣候區(qū)適宜播期為5月7—16日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—13日, 較90年代變化不大, 部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代變化不大; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月7日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月16—25日, 較90年代變化不大, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d。

總體來看, 20世紀90年代東北三省春玉米適宜播期與80年代相比有較大幅度提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d; 而21世紀00年代大部分地區(qū)較20世紀80年代有0~3 d的提前趨勢, 較90年代有0~3 d的推遲趨勢。

2.3.2 雨養(yǎng)條件下春玉米適宜播期

利用APSIM模型對雨養(yǎng)條件下各氣候區(qū)各站點逐年不同播期下的春玉米產(chǎn)量進行模擬, 計算每個站點不同年代產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù), 高穩(wěn)系數(shù)最高值點所對應(yīng)的播期區(qū)間即為該站點該年代的適宜播期。將各站點適宜播期通過Arcgis軟件插值得到圖5d、5e、5f。各氣候區(qū)適宜播期即為氣候區(qū)內(nèi)所有站點適宜播期的并集。

雨養(yǎng)條件下東北三省的適宜播期基本呈緯向分布, 從北到南逐漸提前。20世紀80年代第1和第2氣候區(qū)適宜播期均為5月10—16日, 第3氣候區(qū)適宜播期為5月7—19日, 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 第5氣候區(qū)適宜播期為5月4—16日, 第6氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月7日, 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月7日, 第8氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月1日, 第9氣候區(qū)適宜播期為4月22— 28日, 第10氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月1日。

20世紀90年代東北三省春玉米第1氣候區(qū)適宜播期范圍為5月10—16日, 較80年代整體變化不大; 第2氣候區(qū)適宜播期范圍5月7—13日, 較80年代整體提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1— 16日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d;第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—10日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月1—10日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月22日—5月7日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月19—28日, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較80年代整體提前3 d, 部分地區(qū)提前6 d?？傮w來看, 20世紀90年代適宜播期與80年代相比有較大幅度的提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 少部分地區(qū)提前幅度為6 d。

21世紀00年代東北三省春玉米第1氣候區(qū)適宜播期為5月10—16日, 較20世紀80年代、90年代變化不大; 第2氣候區(qū)適宜播期為5月7—16日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代整體提前3 d; 第3氣候區(qū)適宜播期為5月1—16日, 較90年代變化不大, 較80年代整體提前3 d; 第4氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代變化不大; 第5氣候區(qū)適宜播期為5月4—13日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第6氣候區(qū)適宜播期為4月25日—5月7日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第7氣候區(qū)適宜播期為4月28日—5月4日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第8氣候區(qū)適宜播期為4月22—28日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第9氣候區(qū)適宜播期為4月22—25日, 較90年代整體推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d; 第10氣候區(qū)適宜播期為4月16日—5月1日, 較90年代部分地區(qū)推遲3 d, 較80年代部分地區(qū)提前3 d。

總體來看, 在雨養(yǎng)條件下, 20世紀90年代東北三省春玉米適宜播期與80年代相比有較大幅度提前, 大部分地區(qū)提前幅度為3 d, 提前趨勢沒有充分灌溉條件下明顯; 而21世紀00年代大部分地區(qū)較20世紀80年代有0~3 d的提前趨勢, 較90年代有0~3 d的推遲趨勢。

從表4可以看出, 各年代中, 雨養(yǎng)條件下東北三省春玉米適宜播期較充分灌溉條件有推遲的趨勢。其中第1、第3、第5、第7、第9氣候區(qū)推遲趨勢比較明顯, 大部分地區(qū)推遲3 d, 少部分地區(qū)推遲6 d; 而第2、第4、第6、第8、第10氣候區(qū)推遲趨勢并不明顯, 部分地區(qū)適宜播期推遲3 d左右, 大部分地區(qū)較充分灌溉模式下適宜播期變化不大。

2.4 雨養(yǎng)條件下適宜播期較實際播期增產(chǎn)幅度

由于東北三省大部分地區(qū)春玉米為雨養(yǎng)種植, 所以在其他情景保持不變的基礎(chǔ)上利用APSIM模型模擬雨養(yǎng)條件下各年代不同氣候區(qū)在實際播期下的產(chǎn)量, 將所得結(jié)果與雨養(yǎng)條件下適宜播期下產(chǎn)量進行比較, 如表5所示。由表5可以看出, 20世紀80年代東北三省10個氣候區(qū)的增產(chǎn)幅度都在4%以上, 其中第3氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為4.58%; 第9氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為9.69%; 90年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代略有降低, 第3、第4氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代有所提高, 第4氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為6.62%, 第6氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為2.86%; 20世紀00年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較20世紀80年代略有降低, 第3、第4、第7氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較80年代有所提高, 第7氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最大, 為8.08%, 第9氣候區(qū)增產(chǎn)幅度最小, 為2.84%。

表4 充分灌溉和雨養(yǎng)條件下不同年代東北三省各氣候區(qū)春玉米的適宜播期

表5 雨養(yǎng)條件下東北三省各氣候區(qū)不同年代春玉米適宜播期與實際播期相比的增產(chǎn)幅度

3 討論與結(jié)論

相比較而言, 傳統(tǒng)的田間試驗方法研究播期對春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量具有較大的局限性, 因影響因素較多,干擾性較大, 耗時長, 人力成本高, 由于年際之間氣象條件波動, 試驗處理無法完成重復(fù), 而采用作物模型方法重復(fù)性強, 省時省力可設(shè)置多播期模擬多個年代作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成。

本研究根據(jù)不同的積溫及降水條件, 將東北三省劃分為10個氣候區(qū), 基于1981—2015年氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及作物數(shù)據(jù), 對10個氣候區(qū)內(nèi)的7個作物品種進行調(diào)參驗證, 基于調(diào)參的結(jié)果對不同氣候區(qū)不同播期的潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力進行模擬, 根據(jù)計算后的高穩(wěn)系數(shù), 確定各氣候區(qū)在不同情境下的適宜播期范圍。在模型模擬中, 產(chǎn)量隨播期的變化呈先增加后減小的趨勢, 與國內(nèi)東北春玉米分期播種試驗結(jié)果基本一致[12-13]。根據(jù)李少昆等[32]多年試驗考察, 總結(jié)出黑龍江省春玉米適宜播期范圍從4月20日—5月20日, 其中播種日期由東北到西南逐漸提前, 吉林省春玉米適宜播期范圍為4月25日—5月15日, 遼寧省春玉米適宜播期范圍為4月15日—5月10日, 其中遼寧省東北部及南部丘陵地區(qū)有適當(dāng)推遲。本研究結(jié)果與之相比, 黑龍江省西南部適宜播期推遲約6 d左右, 吉林省適宜播期在其范圍內(nèi), 遼寧省南部適宜播期有小幅度提前, 在3 d左右, 其余地區(qū)吻合度較高。考慮到氣候變化的影響, 東北三省熱量資源逐漸增加, 玉米的潛在生長季延長, 可適當(dāng)選用生育期時間更長的品種替代現(xiàn)有品種, 并在一定范圍內(nèi)提前播種, 從而獲得較高的產(chǎn)量。本研究結(jié)果可在一定程度上反映氣候變化對東北春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義, 同時也可以作為研究未來氣候變化對東北春玉米影響的基礎(chǔ)。

本研究在使用APSIM模型對東北地區(qū)進行調(diào)參驗證時, 針對10個氣候區(qū)選擇了7個品種, 調(diào)參驗證的過程中, 因為個別氣候區(qū)長序列作物數(shù)據(jù)缺乏, 因此選用積溫條件相近的氣候區(qū)內(nèi)的品種進行代替。在調(diào)參驗證過程中, 未充分考慮品種的更替, 使用的作物數(shù)據(jù)多為20世紀90年代的生育期和產(chǎn)量數(shù)據(jù), 在模擬20世紀80年代和21世紀00年代時, 會產(chǎn)生一定的差異, 應(yīng)每個年代有1套獨立的參數(shù)進行模擬。以上不足有待在未來的工作中進一步完善。今后可結(jié)合未來情景數(shù)據(jù)進行未來氣候變化下春玉米適宜播期的研究, 進而研究未來氣候變化下的適應(yīng)性管理措施。

本研究基于氣象資料、作物資料和土壤資料對APSIM模型進行調(diào)參與驗證, 表明APSIM模型可以較好地模擬東北三省春玉米的生長發(fā)育進程和產(chǎn)量。在全球氣候變暖背景下, 過去35年, 東北三省春玉米適宜播期呈提前的趨勢。充分灌溉條件下, 適宜播期范圍從4月16日—5月19日, 呈緯向分布、南早北遲的特征, 其中20世紀90年代較80年代適宜播期有較大提前趨勢, 提前3~6 d; 21世紀00年代較20世紀80年代也有提前趨勢, 大部分地區(qū)提前0~3 d。雨養(yǎng)條件下, 適宜播期范圍與分布特征總體較灌溉條件下差異不大, 其中20世紀90年代較80年代適宜播期有較大提前趨勢, 整體提前3 d; 21世紀00年代較21世紀80年代也有提前趨勢, 大部分地區(qū)提前0~3 d。

雨養(yǎng)條件下東北三省各氣候區(qū)春玉米的適宜播期較充分灌溉條件下有一定的推遲趨勢, 其中第1、第3、第5、第7和第9氣候區(qū)推遲趨勢較為明顯, 為3~6 d, 其余氣候區(qū)推遲趨勢并不明顯。

在雨養(yǎng)條件下各年代東北三省不同氣候區(qū)春玉米適宜播期下的模擬產(chǎn)量較實際播期下的模擬產(chǎn)量有一定幅度的提升, 其中20世紀80年代的增產(chǎn)幅度較大, 90年代、21世紀00年代大部分氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較20世紀80年代有所減小。

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Effects of sowing dates on grain yield of spring maize in the Three-Province of the Northeast China under climate change*

BAI Fan1,3, YANG Xiaoguang1**, LIU Zhijuan1, SUN Shuang1, ZHANG Zhentao1, WANG Xiaoyu1,2, GAO Jiqing1, LIU Tao1

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Asset Operation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 3. Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100089, China)

Northeast China is the most sensitive area to climate change, where is also the important region of maiza production in China. It has both theoretical and practical significance to explore suitable sowing date of spring maize in three provinces of Northeast China (Heilongjiang Province, Jilin Province and Liaoning Province) under climate change.Meteorological data from 1981 to 2015 and agro-meteorological observations, including maize phenology data, yield data, and soil data from 1981 to 2012, were used to construct an APSIM-Maize model. The data were collected from the potential cultivation zones of spring maize in the three provinces of the Northeast China. The model was calibrated and validated in different climatic zones across the study area and related parameters were established accordingly. The potential yields and climatic potential yields of spring maize during different decades were then determined by setting different sowing dates based on the validated APSIM model. Combined with the indices of yield level and yield stability, the suitable range of sowing dates was determined under different conditions during different decades in each climatic zone. The results showed that the simulated values, including the days from sowing date to flowering date and maturity date, and the yield, were in agreement with the observed values for the seven spring maize varieties in the study area. This indicated that the APSIM model accurately simulated the phenological development and yield information of spring maize in the study area. Under the condition of sufficient irrigation, the suitable sowing date in the study area ranged from April 16 to May 19. A latitudinal distribution was exhibited for the suitable sowing date with the date moving earlier from south to north. The suitable sowing date of maize in the 1990s and 2000s was earlier than that in the 1980s, and this advanced trend was more significant in the 1990s than in the 2000s. However, under rainfed conditions, the suitable sowing period in the first, third, fifth, seventh, and ninth climatic zones displayed a delayed trend, with the delay ranging from 3 days to 6 days. Compared with the yield simulated using the sowing date applied in current production, the yield simulated using the theoretical suitable sowing date increased by 2.84%-9.96% in different climatic zones during different decades under rainfed conditions. This research supports the use of the APSIM model in Northeast China for applications such as the selection of suitable sowing dates under future climate scenarios.

Climate change; Three-Province of the Northeast China; Spring maize; APSIM model; Suitable sowing date; Yield

S513

10.13930/j.cnki.cjea.190585

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* 國家重點研究與發(fā)展計劃項目(2017YFD0300301)資助

楊曉光, 主要研究方向為氣候變化對作物的影響與適應(yīng)。E-mail: yangxg@cau.edu.cn

白帆, 主要研究方向為氣候變化對作物的影響與適應(yīng)。E-mail: baifan19950613@126.com

2019-08-06

2019-12-31

* The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0300301).

, E-mail: yangxg@cau.edu.cn

Dec. 31, 2019

Aug. 6, 2019;