黑龍江玉米生育期預(yù)估模型研究

劉 丹,初 征, 張浙銘

（1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150036；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044）

1 引言

以溫度升高為主要特征的氣候變化已是不爭的事實， 也是當(dāng)今重要的自然科學(xué)和社會科學(xué)共同研究的熱點問題[1]。2018年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的《全球升溫1.5 ℃特別報告》指出，從工業(yè)革命至今，人類活動造成的升溫約為1 ℃[2]。 在未來氣候趨于變暖的背景下，農(nóng)業(yè)受到潛在影響，進而探討農(nóng)業(yè)生產(chǎn)趨利避害的適應(yīng)氣候變化措施， 這是解決未來農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化這一亟待解決科學(xué)問題的重要依據(jù)[3]。 目前在氣候變化背景下，學(xué)者們提出了通過調(diào)整作物種植界限、品種布局、關(guān)鍵生育期等方式適應(yīng)氣候資源的變化， 而隨著未來氣候變化的進一步加強， 已有農(nóng)業(yè)措施必將為適應(yīng)該變化而進一步調(diào)整[4]。 已有研究表明，在未來氣候變暖過程中，我國農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量將減少5%-10%[5]。

玉米是世界上最主要的糧食作物之一，與水稻、小麥并列為三大糧食作物， 種植面積雖然低于水稻和小麥， 但總產(chǎn)量最高[6]。 玉米是近百年來我國種植面積增加最快， 單位面積產(chǎn)量提高最快的大田作物[7]，作為未來社會需求最多，產(chǎn)量增加能力最強的作物，玉米在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有不可代替的作用。 目前已有研究表明，氣溫升高將導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，研究更是指出，未來氣候變化下，我國東北地區(qū)玉米產(chǎn)量可能減少9%[8]。 因此以保障未來糧食安全的重要糧食作物玉米為例，厘清未來氣候變化對玉米種植的影響，具有代表性和借鑒意義。

生長發(fā)育過程除了受到自身遺傳特性的影響外，還受到光、溫、水等氣象資源的制約。 氣象條件會通過影響作物的干物質(zhì)累計速率、 籽粒灌漿等生育期進程最終影響產(chǎn)量[9]。 玉米的發(fā)育期是能客觀反應(yīng)玉米生長過程中對外界氣候環(huán)境包括溫度、輻射、水分等的響應(yīng)及適應(yīng)性， 可具體表現(xiàn)為玉米生育期的提前、推遲以及生育期的延長、縮短等[10]。生育期的改變會導(dǎo)致氣象資源的重新分配， 可能會出現(xiàn)氣候資源過剩或不足的情況出現(xiàn)， 所以生育期是研究氣候變化對玉米的影響中不可缺失的指示標志。 氣候變暖通常會導(dǎo)致作物生長速度加快，生育期縮短，最終表現(xiàn)在產(chǎn)量上的結(jié)果為產(chǎn)量下降[11-12]。 因此準確預(yù)測生育期對了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為了分析氣候變化對東北玉米的影響， 主要采用了兩部分數(shù)據(jù)： 黑龍江地區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)和玉米生育期資料。

（1）氣象觀測數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來源于黑龍江省逐日氣象資料，該歷史觀測數(shù)據(jù)用于建立生育期模型。

（2）本研究在整理玉米生育期資料時，因要建立二次擬合方程， 所以選擇具有較長時間序列的站點進行研究，經(jīng)過對站點進行篩選，得到1971-2018年的泰來、安達、哈爾濱、尚志、佳木斯具有相同的，時間序列較為完整的生育期資料，具體分布如圖1。

圖1 研究站點分布

2.2 研究方法

玉米生育期模型建立：根據(jù)王婧瑄等[13]的研究成果中選擇日平均溫度作為多積溫穩(wěn)定性影響最為關(guān)鍵的氣象因子， 假設(shè)活動積溫與發(fā)育期平均的日均溫呈非線性二次曲線關(guān)系， 本研究提出訂正模型的公式（1）：β 為訂正模型積溫， F(T0)為發(fā)育期平均溫度為T0時二次擬合曲線對應(yīng)的活動積溫，F(xiàn)()為發(fā)育期平均溫度為時二次擬合曲線對應(yīng)的活動積溫，為發(fā)育期平均溫度，d 為發(fā)育期日數(shù)。

3 結(jié)果與分析

利用擬合模型和訂正模型對各站點1971-2018出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期擬合結(jié)果如圖2 和圖3，可以看出出苗-抽雄期擬合度最好的為尚志、 哈爾濱，R2均在0.4 以上，其次為佳木斯、安達、泰來，R2均＜0.2。 抽雄-成熟期擬合最好的為佳木斯，R2為0.36，其次分別為安達、泰來、尚志，哈爾濱擬合最差。

圖2 (a)泰來站（b）安達站(c)哈爾濱站(d)尚志站(e)佳木期站出苗-抽雄期生育期平均溫度與積溫的二次擬合曲線

圖3 (a)泰來站（b）安達站(c)哈爾濱站(d)尚志站(e)佳木期站抽雄-成熟期生育期平均溫度與積溫的二次擬合曲線

將黑龍江玉米出苗-抽雄期、 抽雄-成熟期平均溫度與積溫進行二次擬合，結(jié)果如表（1）所示，平均活動積溫為1296.37 ℃·d， 訂正后積溫升高約為63℃·d；抽雄-成熟期有效積溫為1196.64 ℃·d，訂正后積溫升高約48 ℃·d。 但具體站點則有所不同，其中出苗-抽雄期，泰來、佳木斯地區(qū)訂正后積溫有所降低，降低最多為佳木斯地區(qū)，約為76 ℃·d，其它地區(qū)為升高，升高最多地區(qū)為哈爾濱，升高約為193 ℃·d。 抽雄-成熟期訂正后積溫均有升高，其中升高最多的為佳木斯地區(qū)，升高約77 ℃·d，升高最少地區(qū)為哈爾濱地區(qū)，升高約19 ℃·d.

表1 擬合模型與訂正模型積溫平均值（單位：℃·d）

原模型與訂正模型對生育期預(yù)報結(jié)果對比實際玉米生育期，如表2 所示。 各模型在不同的生育期表現(xiàn)有所不同，原模型在出苗-抽雄期表現(xiàn)最好，誤差均≤訂正后模型結(jié)果；在抽雄-成熟期訂正模型效果表現(xiàn)更好， 訂正模型誤差均＜原模型。 在出苗-抽雄期， 泰來和尚志地區(qū)的原模型和訂正模型誤差相對最小，誤差為2 d；哈爾濱地區(qū)相對誤差最大，為9 d。在抽雄-成熟期，佳木斯原模型和訂正模型相對誤差最小，誤差為1 d，尚志地區(qū)相對誤差最大，為3 d。

表2 擬合模型、訂正模型生育期與實際生育期日數(shù)（單位：d）

根據(jù)原模型和訂正模型的實際結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 已有研究對黑龍江玉米生育期并不完全適用， 因此本研究將采用分段研究的方式對玉米生育期進行預(yù)估，即在玉米的出苗-抽雄期，直接采用積溫與生育期二次擬合的方式進行預(yù)估；而在抽雄-成熟期則采用生育期內(nèi)的平均溫度作為影響黑龍江玉米抽雄-成熟期積溫穩(wěn)定性氣候因子。 本項目采用了如上方法對未來黑龍江玉米生育期進行預(yù)估， 達到最接近未來玉米真實生長發(fā)育期。

4 結(jié)論

氣溫是影響玉米生育期的關(guān)鍵氣象因子， 利用平均氣溫和活動積溫建立玉米生育期模型， 并對擬合結(jié)果進行訂正，結(jié)果表明，采用分段式模型方法預(yù)估玉米生育期效果好，出苗-抽雄期擬合模型預(yù)估效果更好，抽雄-成熟期訂正模型預(yù)估效果更好。