河南省夏玉米花期高溫熱害風險分析*

徐延紅，劉天學，方文松，李樹巖**

（1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；2.洛陽市氣象局，洛陽 471000；3.河南農業大學，鄭州 450003；4.河南省氣象科學研究所，鄭州 450003）

隨著地球表面平均溫度上升，大部分陸地高溫極端事件的頻率增高，熱浪可能更頻繁，強度變強，持續時間更長[1-3]。夏玉米花期是對高溫最為敏感的時期，異常高溫影響花粉結構和功能，致使籽粒發育不良，出現異常果穗而減產[4-8]。徐翠蓮等[9]研究揭示，若溫度高于35℃甚至32℃時，花粉很快喪失活力，不能授粉結實。徐美玲[10]指出玉米雌花生活力與溫度相關，氣溫越高壽命越短，氣溫34.3～37.8℃時，花絲壽命只有72h。陳朝輝等[11]研究表明，正在三分期的玉米雄穗在38℃高溫脅迫3d 后散粉會完全停止。河南省是全國玉米的主產區之一，2019年種植面積就達到380.1 萬hm2，總產2247 萬t，全省玉米播種面積與總產均占全國的1/10[12]，更是花期高溫熱害易發區和重災區。掌握河南省夏玉米花期高溫熱害的發生規律和風險分布，對河南省夏玉米的生產管理和熱害防御具有重要意義。

近年來，對夏玉米高溫熱害的指標、發生規律、分布特征等開展了相關研究。李德等[13]根據極端最高氣溫、日最高氣溫≥35℃的日數和日最高氣溫高于35℃的積害量及期間的平均最小相對濕度構建了淮北平原夏玉米高溫熱害綜合氣候指標。陳懷亮等[14]以花期最高氣溫≥32℃和≥35℃作為輕度和重度高溫災害發生閾值，對未來氣候變暖背景下夏玉米花期高溫災害風險進行區劃。和驊蕓等[15]以日最高氣溫≥35℃持續3、4、5d 且相對濕度≤70%分別作為夏玉米花期輕、中、重度高溫熱害指標，分析了華北平原夏玉米花期高溫熱害特征。前人的研究成果為本研究開展提供了技術支撐。

伴隨全球氣候變化，黃淮海夏玉米區高溫熱害的發生強度和頻率呈顯著增加趨勢[16]，嚴重影響夏玉米的產量和品質[17]，對河南省夏玉米花期高溫熱害的氣候風險分析十分必要。本研究以河南省夏玉米為研究對象，借鑒前人的研究成果，選取夏玉米花期≥32℃或≥35℃高溫日數、發生頻率、高溫積熱表征夏玉米高溫熱害的風險評估指標，開展河南省夏玉米花期高溫熱害風險分析和區劃，以期為提高夏玉米防災減災的能力，趨利避害，保障夏玉米的高產穩產提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 區域概況

河南省位于黃河中下游，為亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候。全省年平均氣溫一般在12.3～15.8℃，氣溫年較差、日較差均較大，全年無霜期 196～246d，年降水量在516.6～1294.1mm，全年降水的54%集中在夏季，年均日照時數 1733～2368h，年均相對濕度在59.6%～77.9%[18-19]。研究區域為河南省夏玉米主要種植區，其中信陽以水稻種植為主，不作為研究區域。

1.2 數據來源

利用河南省域內110 個國家地面氣象觀測站1970-2019年逐日最高氣溫（℃）分析夏玉米花期高溫熱害特征，利用19 個夏玉米農業氣象觀測站記錄完整的1988-2017年資料確定各區域夏玉米發育期。氣象資料、玉米觀測資料來源于河南省氣象科學研究所。研究區及站點分布見圖1。

圖1 河南夏玉米主栽區、玉米觀測站以及地面氣象觀測站點分布Fig.1 Map of summer maize production area and distribu- tion of agro-meteorological stations and meteorological stations in Henan province

1.3 夏玉米花期確定

《中國玉米栽培學》[20]中指出，夏播玉米開花后2～5d 占單株開花總數的77.7%～84.5%，以3～4d最集中，全穗開花通常歷時7～10d。因此以抽雄普遍期作為花期的開始日期，抽雄普遍期向后連續7d為花期，以此7d 作為夏玉米花期的統計時段。根據19 個夏玉米農業氣象觀測站1988-2017年30a 的觀測資料，計算夏玉米花期開始和結束日期的多年平均值，即花期常年值。根據距離相近原則，將花期起止日期常年值插值到河南省110 個國家地面氣象觀測站點數據上。夏玉米花期開始日期的常年值如圖2 所示。由圖中可見，整個研究區玉米花期開始日期集中在7月下旬-8月初，從南往北逐漸推遲，豫南（包括南陽市、駐馬店）南部夏玉米花期最早，抽雄日集中在7月23日前后，至豫中（包括鄭州市、平頂山市、許昌市、漯河市）、豫東（包括開封、商丘、周口）地區抽雄期推遲到7月30日之后，豫西（包括三門峽、洛陽）、豫北（包括安陽、新鄉、焦作、濮陽、鶴壁、濟源）熱量資源相對不足，夏玉米開花最晚，抽雄期在8月2日之后。

圖2 研究區夏玉米花期開始日期（月-日）多年平均值的分布Fig.2 Spatial distribution of mean date (mm-dd) of summer maize booting in Henan province

1.4 夏玉米花期高溫熱害指標

降志兵等[21]研究表明，溫度達到32℃且持續60min，玉米小花受精率和總結實率顯著低于對照；當溫度高于35℃時小花受精率和總結實率顯著低于32℃處理。因此，將≥32℃和≥35℃作為夏玉米兩個不同程度高溫熱害的致災閾值，即≥32℃為輕度受害，≥35℃為重度受害。綜合考慮夏玉米花期高溫熱害發生的頻率和強度，結合前人研究成果[10-11,22-23]，確定≥32℃和≥35℃的“高溫日數”和“高溫積熱”作為評價花期高溫影響的兩個指標。

（1）高溫日數。在夏玉米花期7d 內，當日最高氣溫≥32℃時統計為1 個輕度高溫日，日最高氣溫≥35℃時統計為1 個重度高溫日，并分別統計每年輕、重高溫熱害發生的總日數。

（2）高溫積熱。高溫積熱是指作物受高溫危害過程中，高于臨界溫度的有害溫度累積值。高溫積熱綜合考慮了作物所受熱害持續時間和熱害強度。以花期最高氣溫≥32℃或≥35℃的高溫累積值（℃·d），來表征高溫熱害發生的嚴重程度。計算式為

式中，TH32表示某站點夏玉米花期≥32℃的高溫積熱累加值（℃·d）；TH35表示某站點夏玉米花期≥35℃的高溫積熱累加值（℃·d）；i 為日數；Th32,i為第i日≥32℃的高溫積熱值（℃·d）；Th35,i為第i日≥35℃的高溫積熱值（℃·d）；Tmax,i為第i日的日最高氣溫（℃）。

1.5 夏玉米花期高溫熱害發生頻率

統計1970-2019年夏玉米花期高溫日數除以花期總日數，可計算高溫熱害發生的頻率，即

式中，j 為夏玉米花期高溫災害致災閾值，取值32℃或35℃；Pj為夏玉米花期≥32℃或35℃高溫發生的頻率，可以表示為P32或P35；nj為≥32℃或35℃高溫日數，N 為花期總日數。

1.6 夏玉米花期高溫風險綜合指數及風險等級劃分

氣候風險指數可用概率乘以強度來表示，夏玉米花期高溫風險綜合指數計算為

式中，I 為夏玉米花期高溫風險綜合指數，ω1和ω2分別為不同程度高溫影響的權重系數，P32和P35分別為≥32℃或≥35℃的高溫發生頻率，TH32和TH35分別為對應等級的高溫積害值。

ω1和ω2確定方法：已有研究結果顯示高溫處理1h 后，≥32℃或≥35℃處理受精結實率均與對照呈顯著差異，較對照分別降低49 個百分點和65 個百分點[21]，因此權重系數取值為二者損失率的相對比例，計算方法為

將夏玉米花期高溫發生風險指數劃分為輕、中、重三級，分級的閾值計算式為

式中，Ia為分級的閾值，Imax為全區域最高高溫風險綜合指數，a 為分級系數，根據專家打分法，當夏玉米花期高溫風險綜合指數＜0.4·Imax時為輕度高溫風險，≥0.7·Imax時為重度高溫風險，中間過渡值為中度高溫風險，其分級系數為[0.4, 0.7)。

1.7 數據處理

利用 Microsoft Excel 統計軟件進行數據統計，選用1970-2019年110 個氣象站點數據平均值進行趨勢分析。將整個分析期分為5 個年代：1970s（1970-1979年）、1980s（1980-1989年）、1990s（1990-1999年）、2000s（2000-2009年）和2010s（2010-2019年）。采用ArcGIS 10.0 軟件制作空間分布圖，用克里金插值方法（Kriging Interpolation）對各站點要素數據進行空間插值，生成空間柵格數據，并對要素值進行分類，得到相應的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 夏玉米花期高溫日數及發生頻率時空變化

2.1.1 時間變化

由圖3a1 和圖3b1 可見，夏玉米花期≥32℃高溫日數在0.2～6.2d 范圍變化，多年平均為3.7d，呈先減小后增加的趨勢。從年代際變化來看，1980s、2000s高溫日數最少，平均為3.1d；2010s 夏玉米花期高溫日數最多，平均為4.5d。高溫熱害比較嚴重的年份有1985年、1992年、1994年、2013年、2018年，高溫日數均在5.8d 以上，其中2013年最長，達6.2d。夏玉米花期≥35℃高溫日數在0～3.7d 范圍變化，多年平均為1.2d，時間變化趨勢與≥32℃高溫日數一致，1980s 夏玉米花期高溫日數最少為0.6d，2010s夏玉米花期≥35℃高溫熱害天數最多，平均達2.1d。1978年、1994年、2013年≥35℃的高溫日數在3d以上，熱害較為嚴重，其中1978年最長，達3.7d。

由圖3a2 和圖3b2 可見，≥32℃和≥35℃發生頻率多年平均值為53.1%和16.8%，不同等級高溫熱害發生頻率呈現先減小再增加的趨勢。1980s 高溫熱害發生風險概率降至最低，不同等級高溫熱害頻率為44.3%（≥32℃）和9.2%（≥35℃）；1990s 后風險概率增加，21 世紀后高溫熱害發生頻次明顯增大，至2010s 高溫熱害發生頻次達到最大值，≥32℃和≥35℃高溫熱害發生頻率分別為64.9%和29.7%，較1980s 增加了20.6 個百分點（≥32℃）和20.5 個百分點（≥35℃）。

圖3 研究區夏玉米花期高溫日數和高溫熱害發生頻率平均值的年際變化（1970-2019）Fig.3 Changes of mean days and mean occurrence probability of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in summer maize production area in Henan province（1970-2019）

2.1.2 空間分布

研究區夏玉米花期≥32℃高溫日數在 1.8～4.5d，高溫發生頻率在24.3%～64.3%，基本呈現南多北少、平原高于丘陵山區的空間分布（圖4a1、4a2）。南陽南部、駐馬店、周口、漯河以及許昌東部為全省高溫熱害日數最大、頻率最高的地區，≥32℃高溫日數達4.1d 以上，發生頻率超55.0%。安陽、洛陽西南部、三門峽高溫熱害風險概率較低，高溫日數在3.0d 以內，發生頻率低于40.0%。其他大部地區高溫日數在3.1～4.0d 范圍內，發生頻率40.1%～55.0%。

夏玉米花期≥35℃高溫日數及熱害發生頻率空間分布如圖4b1、4b2 所示，與輕度高溫熱害分布特征一致，南陽南部、駐馬店、漯河、周口為全省玉米花期重度高溫熱害風險概率最高的區域，該區域高溫日數以及發生頻率相對較高，高溫日數在0～1.5d，發生頻率在20.1%以上，其他大部區域高溫日數在1.6～3.0d，發生頻率在0～20.0%。

2.2 夏玉米花期高溫積熱計算值時空變化

2.2.1 時間變化

夏玉米花期≥32℃高溫積熱年際變化如圖5a所示。由圖可見，近50a，≥32℃高溫積熱在7.3～217.2℃·d變化，多年平均為127.2℃·d，其中1970-1990年高溫積熱呈減小趨勢，1990s 后積熱也隨之增加，2010s高溫積熱量較1980s 增加了52.8℃·d。1992年、1994年、2013年、2018年輕度高溫熱害強度較強，其中2013年最嚴重，高溫積熱達217.2℃·d，該結論與前人研究2013年河南省平頂山等地夏播玉米散粉期高溫熱害嚴重結論一致[24]。

夏玉米花期≥35℃高溫積熱年際變化如圖5b 所示。由圖可見，1970-2019年，≥35℃高溫積熱在0.9～136.4℃·d，多年平均為42.5℃·d。年際變化幅度較大，呈現出先減弱再增強的趨勢。1970s-1980s，重度高溫積熱的強度下降，1980s 高溫積熱強度最弱，積熱最低為23.0℃·d；1990s 高溫積熱強度有所增加，2010s 高溫積熱最高，平均為75.5℃·d，較1980s積熱增加了2.3 倍。

圖5 研究區夏玉米花期≥32℃和≥35℃積熱平均值的年際變化Fig.5 Change of mean accumulation of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in summer maize production area in Henan province

2.2.2 空間分布

夏玉米花期≥32℃積熱空間分布如圖6a 所示。由圖可見，輕度高溫熱害積熱在56.7～156.4℃·d，呈現東南偏高、豫西及豫北北部偏低的空間分布特征。其中，熱害強度較強區域集中分布在周口、駐馬店、漯河東部及南陽南部，高溫積熱在135.1℃·d 以上；安陽、濟源西部、三門峽、洛陽西部為全省高溫危害致災強度最低的區域，高溫積熱50.1～100℃·d； 大范圍高溫積熱集中在100.1～135.0℃·d。

圖6 河南省夏玉米花期≥32℃和≥35℃積熱1970-2019年平均值的空間分布Fig.6 The spatial distribution of mean accumulation of temperature higher than 32℃ and 35℃ during summer maize flowering in Henan province during 1970-2019

夏玉米花期≥35℃積熱空間分布如圖6b 所示。由圖可見，全省在15.9～79.1℃·d 范圍，與≥32℃高溫積熱特征一致，周口、漯河東部、南陽南部、駐馬店熱害強度最強，積熱達50.1℃·d 以上；其他區域熱害強度相對較弱，積熱在15.9～50.0℃·d。

2.3 夏玉米花期遭遇高溫的綜合風險分析

綜合夏玉米花期高溫發生頻率和積熱強度，計算綜合風險指數。據統計，研究區域高溫綜合風險指數最高為55.0，出現在周口淮陽地區，高溫綜合風險指數最低值為6.0，出現在洛陽欒川地區。根據風險等級劃分，定義指標Ia∈[6，22]為低風險區，指標Ia∈（22，38.5]為中風險區，指標Ia∈（38.5，55.0]為高風險區。

夏玉米花期高溫綜合風險區劃如圖7 所示，全省高溫熱害風險總體表現為南高北低、東部平原高于西部丘陵山區的分布格局。高風險區主要集中分布在南陽南部、漯河、許昌東部、周口、駐馬店地區，約占全省夏玉米主栽區面積的28.5%，主要因為盛夏季節河南省受副熱帶高壓控制，豫東南地區緯度低，太陽輻射強烈，天氣酷熱，高溫熱害也更易發生。中風險區有濮陽、新鄉、焦作、鄭州、開封、商丘、許昌、平頂山、洛陽東部和南陽北部，約占夏玉米主栽區面積的56.2%。低風險區有豫西三門峽、洛陽西部、濟源西部和安陽地區，約占夏玉米主栽區面積的15.3%，其中豫北北部由于所處緯度高，盛夏受副高影響較豫中、豫南地區小，豫西多連綿的丘陵山區，受海拔和地形起伏的影響，氣溫相對偏低，這些地區熱量條件一般，高溫熱害相對少發。3 種風險等級的高溫熱害發生區域面積比較結果為中風險區＞高風險區＞低風險區。

圖7 河南省夏玉米花期高溫綜合風險區劃Fig.7 The distribution of high temperature comprehensive risk during summer maize flowering in Henan province

3 結論與討論

3.1 結論

（1）1970-2019年，河南省夏玉米花期高溫日數、發生頻率以及強度均呈現先減小后增加的趨勢，尤其是進入2010s 之后，夏玉米花期高溫發生更為頻繁，高溫天數增加，強度更強。空間上呈現南部和東部高溫熱害發生頻率高、強度大，北部和西部丘陵山區高溫熱害發生頻率低、強度弱的分布格局。

（2）夏玉米花期高溫熱害綜合風險指數空間分布呈現自南向北逐漸遞減的趨勢特征，將河南省夏玉米區劃成高、中、低3 個風險區，高值區主要集中在南陽南部、漯河、許昌東部、周口、駐馬店；低風險區包括三門峽、洛陽西部、濟源西部以及安陽。

3.2 討論

本研究在了解河南省夏玉米花期高溫災害發生特征的基礎上，進行高溫熱害風險區劃，為趨利避害，保障夏玉米的高產穩產提供理論依據。利用高溫熱害的發生頻率和強度作為致災危險性指標，構建危險指數，完成夏玉米花期高溫綜合風險區劃圖，和驊蕓等[15]對華北平原夏玉米花期高溫熱害特征分析，認為河南省南部地區高溫熱害較易發生，焦建麗等[25]對河南省氣溫分析，呈南高北低、東部平原高于西部丘陵山區的特征，王秀萍等[26]對夏玉米花期高溫熱害分析，認為豫南高溫日數最多，豫北高溫日數最少，與本研究結果相吻合。

夏玉米花期高溫強度越大，持續時間越長，對夏玉米的影響與危害越重。本研究僅使用32℃和35℃作為夏玉米花期高溫致災閾值，分析夏玉米花期高溫熱害特征，研究尚未涉及極端高溫如38℃以上的情形。研究表明38℃是玉米多數生理指標發生顯著變化的拐點，雄穗在38℃高溫脅迫3d 后便會完全停止散粉[27]，近年來極端高溫發生概率增加，玉米生產將面臨更嚴重的絕收風險。且相同的溫度條件下，不同的脅迫時長對夏玉米授粉影響不同[21]，本研究僅基于日最高氣溫數據，沒有考慮日高溫出現的時長。

根據大多數品種的生長特性，將7d 作為夏玉米花期平均狀況。但受遺傳特性、氣象條件、栽培措施等因素影響，玉米雌雄間隔期會延長或縮短，花期高溫的危害反應也有較大差異。夏玉米花期高溫熱害的致災程度，還受植物本身生物學特征如品種抗逆性能、基因類型及其栽培措施等影響；花期受水分脅迫也會影響到花粉的活力和花絲受精能力。由于資料的限制，本風險區劃只得出一個初步結果，隨著資料獲取途徑的拓展和監測能力提升，下一步應結合熱害風險的暴露性和作物的抗災性等多個方面[28-29]，全面評估高溫熱害發生風險及影響。

隨著氣候變暖，2010s 后夏玉米花期高溫發生日數更多、程度更重，這對保障玉米安全生產提出了更嚴峻的挑戰。因此，要多措并舉加強熱害防御，如在品種選育和布局上，應優化作物布局，增加耐熱作物種植面積，選擇耐高溫的優良品種。在栽培管理上，可采取人工輔助授粉或噴灑藥劑措施減輕危害[13]；或通過優化種植制度，調整玉米播期，使玉米花期錯過高溫熱害嚴重時期，從而減輕或規避熱害風險[15]；或適當增施有機肥、微量元素鋅肥和后期補充鉀肥，有效緩解根系衰老，改善玉米葉片氣孔調節能力，提高葉片水分含量，增加玉米耐熱性；在有條件的地區合理灌溉可以降低田間溫度，加強蒸騰作用，使冠層溫度降低，從而有效降低高溫風險[30]。