基于積溫帶重新劃分的東北玉米熟型分布研究*

王賀然，劉東明，陳鵬獅※，李迎春，韓 雪，郝興宇

（1.遼寧省生態氣象和衛星遙感中心，沈陽 110166；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；3.山西農業大學農學院，晉中 030801）

0 引言

東北地區是我國玉米主產區，玉米播種面積和產量均超過全國玉米播種面積和產量的30%[1]，人均玉米占有量全國最高[2]，玉米調出量和商品率高[3]，是重要的糧食產區和商品糧供應區[4]，具有重要的農業生產地位和保障國家糧食安全的戰略地位[5,6]。東北地區屬同一玉米生態區，受氣候變暖影響，區域內外玉米引種頻繁，越區種植問題突出[2,7]。

20 世紀80 年代以來，尤其是2000 年以后，東北地區玉米種植呈現出區域擴大、品種晚熟化的特點，種植區域和品種分布北移東擴、向高低海拔雙向延伸[1,5,6,8-15]。吉林、黑龍江是東北地區玉米擴種和熟型調整最大的區域[12]，吉林玉米種植從中部松遼平原向西北部、東部半山區、山區擴張[13]，黑龍江玉米擴種面積最大[16]，第三至第五積溫帶尤為明顯[14,15]；兩省高寒地區開始種植早熟、極早熟品種[17]。除技術進步、早熟品種推廣、臨儲政策實施等因素[13-15,18]，氣候變暖帶來的熱量資源增加，尤其是高寒地區熱量條件改善，是東北地區玉米種植發生變化的根本原因[1,5,6,9-12]。20 世紀60 年代以來，東北地區熱量資源呈增加趨勢[6,19,20]，平均氣溫增速高于全球和中國其他區域[19,21]，45°N 以北地區尤為明顯[22]，2000 年以后，東北地區農業氣候資源增加顯著[9]，使得生長季長度增加、生長季內積溫增加、作物生育期縮短、低溫災害減輕，為早種晚收、品種晚熟化調整、種植生育期更長的作物或品種提供基礎條件[1,9-11,23]。以熱量資源為重要指標，通過引種可實現熟型調整[5]，同一生態區內引種相對安全[24]，目前黑龍江玉米多為自育品種，但第一積溫帶種植了吉林、遼寧甚至黃淮海地區等省外品種，吉林中西部種植了遼寧等外省品種[18,25]，跨區引種風險不斷增加。

熱量資源的分布決定作物熟型的分布，積溫每增加100℃·d，玉米多長出一片葉子[26]，可根據葉片數和積溫的關系，確定不同熟型玉米的種植區域，這是玉米熟型分布與搭配、越區引種的理論依據。盡管根據有效積溫和水分虧缺指數可將東北三省劃分為10 個積溫帶[27]，但目前東北玉米生態區內的積溫區劃標準仍不統一[28,29]，玉米熟型分類籠統且交叉[9,18,30-36]、標準不統一、標注差別大[37]；2011—2020年是有完整氣象觀測記錄以來全球最暖的10年[38]，但東北地區氣候變暖及其對農業影響的研究多集中在2010年以前，且多在行政區內進行[1,9,10,20,39]，很少考慮生態區[19,40,41]，而內蒙古東部地區與東北三省屬于同一玉米生態區[42]，近年來內蒙古玉米產業發展迅速[43]，東部四盟（市）主產區產量已超過遼寧[44,45]，未來內蒙古東部地區與東北三省屬于同一氣候變化敏感區[46]，農業風險等級基本相同[47]。

我國適應氣候變化的理念逐漸完善，區域聯動已被包含在有序適應氣候變化的路線圖中[48]，面對氣候變暖導致的東北地區玉米種植區域和熟型快速變化的現實，可以農業生態系統為整體，形成區域聯動，有必要在統一生態區內的積溫區劃、規范玉米熟型劃分標準的基礎上，制定農業適應氣候變化措施。

文章以內蒙古東部四盟（市）與東北三省為研究區域，統一積溫帶劃分標準，重新進行積溫區劃，根據前人建立的玉米葉片數和積溫的關系模型，對不同熟型玉米的潛在分布區進行劃分，以期了解東北地區熱量資源和玉米熟型的分布和變化情況，為區域農業氣候資源高效利用、種植業結構調整、農業生產布局和玉米品種選擇提供參考，降低盲目誤選種的風險，也為區域有序適應氣候變化、減少玉米產量波動提供理論依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區域

以遼寧省、吉林省、黑龍江省、內蒙古自治區東部四盟（市）（赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市）為研究區域。區域內自然條件相似，耕作習慣、管理方式和水平接近。農業區主要分布在大興安嶺、小興安嶺和長白山三大生態屏障包圍的平原和丘陵地區，種植作物主要為玉米、大豆、高粱、馬鈴薯、谷子和水稻。

1.2 數據來源

氣象數據為研究區域內223 個國家級氣象站（遼寧省51 個、吉林省51 個、黑龍江省73 個、內蒙古自治區東部四盟（市）（48 個）1981—2019 年逐日平均氣溫，數據來自于國家氣象信息中心。研究區域和站點分布見圖1。

圖1 研究區域及氣象站點分布

2 研究方法

以日平均氣溫≥10℃活動積溫作為熱量資源指標。玉米、水稻、大豆等喜溫作物的生物學下限溫度為10℃[49]，穩定通過≥10℃的初日和終日為喜溫作物生長發育的起點和終點，期間的時段是有效生育長度[50]，表示潛在生育期[40]，≥10℃年活動積 溫（AAT10： Annual Accumulated Temperature above 10℃）是可利用的熱量資源，其分布表示作物潛在種植區或分布區。

采用五日滑動平均的方法[40]，逐年計算1981—2019 年各站≥10℃的初日、終日和年活動積溫。根據世界氣象組織要求，以30 年資料代表平均氣候狀況，1981—2010 年為該文研究的基準期，計算1981—2010 年、2011—2019 年2 個時段≥10℃活動積溫，采用經驗頻率法按80%保證率取值[51]。

積溫帶的劃分以應用最廣泛的黑龍江省20 世紀90 年代制作的積溫區劃標準為基礎，兼顧各省（區）積溫區劃的積溫帶值，以200℃·d 為級差，建立東北地區積溫帶劃分標準（表1），可分為10個積溫帶（表1）。

表1 東北地區≥10℃積溫帶劃分標準

玉米熟型的劃分以文獻[26]為基礎，考慮黑龍江北部最早熟品種葉片數一般為14～15 片，遼寧南部一般為22片[26]，將2 300℃·d作為種植的下限積溫，建立東北地區玉米熟型劃分標準（表2）。

表2 東北地區玉米熟型劃分標準[26]

3 結果與分析

3.1 積溫區劃

根據表1的劃分標準和1981年以來各站積溫值，對東北地區進行積溫帶劃分，結果表明如下。

積溫在大興安嶺以東地區呈西南—東北的馬蹄形分布，積溫值自西南向東北減少，在大興安嶺及以西地區呈山峰形分布，自東西兩麓向中部減少。長白山區、大興安嶺、小興安嶺東部青黑山為積溫低值區，遼寧西南至南部沿海為積溫高值區（圖2）。

與基準期相比，2011—2019 年積溫帶整體向東北方向移動或擴張，第一、四、六、七積溫帶擴張明顯，第八至第十積溫帶向北收縮。其中，第一積溫帶中部擴張至醫巫閭山以南，范圍擴大；第二積溫帶北界基本維持穩定，南界因第一積溫帶北擴而收縮，范圍減小；第三積溫帶北界西段東縮，范圍縮小；第四積溫帶北界北擴至松嫩平原西南部，西界西擴，范圍擴大；第五積溫帶北部覆蓋整個松嫩平原，西界南緣向大興安嶺擴張，范圍擴大；第六積溫帶北界向大小興安嶺擴張，東南部覆蓋長白山區，范圍明顯擴大；第七積溫帶北移最明顯，北部覆蓋整個小興安嶺，長白山區第七積溫帶覆蓋區域收縮至長白山東南部；第八積溫帶仍由兩部分組成，大興安嶺西麓部分東擴，小興安嶺部分由整個小興安嶺東縮至青黑山；大興安嶺東西兩麓的第九積溫帶連通，西界東縮；第十積溫帶南界北縮，僅覆蓋大興安嶺北部（圖2）。

與基準期相比，2011—2019年東北地區79.37%的站點≥10℃積溫增加，其中遼寧、吉林、黑龍江、內蒙古東部四盟（市）積溫分別增加1.5～343.3℃·d、4.8～535℃·d、1.9～358.4℃·d、13.9～313.6℃·d，吉林增幅最大，4省（區）積溫平均增加58.7℃·d、104.1℃·d、94.1℃·d、87.2℃·d，吉林增加最多；氣候變暖對吉林熱量條件的改善最明顯，其次為黑龍江、內蒙古東部四盟（市）。目前，遼寧主要包括第一至第四積溫帶，吉林主要包括第四至第七積溫帶，黑龍江主要包括第五至第十積溫帶，內蒙古東部四盟（市）南部主要包括第三至第六積溫帶、北部主要包括第七至第十積溫帶。處于第一至第五積溫帶的遼寧、吉林中西部、黑龍江西南部、內蒙古東部四盟（市）東南部積溫高于2700℃·d，玉米種植的熱量資源較充裕（圖2）。東北地區各縣級行政區所處積溫帶見表3。

表3 2011—2019年東北地區≥10℃積溫帶的行政分布（80%保證率）

圖2 1981—2010年（a）和2011—2019年（b）東北地區≥10℃積溫分布（80%保證率）

3.2 不同熟型玉米種植區劃

根據表2 的劃分標準和1981 年以來各站的積溫值，對東北地區不同熟型玉米進行區劃。結果表明如下。

目前，大興安嶺以東地區，除青黑山外均為玉米潛在種植區，其中第一至第五積溫帶可種植極晚熟、晚熟、中晚熟品種，第六積溫帶可種植中熟、中早熟品種，第七積溫帶可種植早熟、極早熟品種，第八至第十積溫帶不能種植玉米。潛在種植區內，各熟型玉米帶呈馬蹄形分布，隨緯度和海拔的升高，可種植品種趨于早熟。

與基準期相比，玉米帶向東北方向移動或擴張，極晚熟、中熟、中早熟玉米帶擴張明顯，新增潛在種植區位于長白山區和小興安嶺中部，前者可種植中早熟、早熟、極早熟品種，后者可種植早熟、極早熟品種（圖3）。

圖3 1981—2010年（a）和2011—2019年（b）東北地區不同熟型的玉米分布（80%保證率）

目前，半數潛在種植區可種植中晚熟及更晚熟品種，包括遼寧、吉林中西部、黑龍江中西部、內蒙古東南部，這也是東北玉米主產區。遼寧大部可種植極晚熟、晚熟品種，省內熱量資源最少的新賓縣、建平縣也可種植中晚熟品種；吉林以吉林市西部—遼源西部一線為界，以西地區可種植極晚熟、晚熟品種，以東地區大部可種植中晚熟、中熟、中早熟品種，其中白山和延邊州交界的長白山區大部可種植早熟、極早熟品種；黑龍江齊齊哈爾東南部、大慶、綏化南部、哈爾濱西南部可種植極晚熟、晚熟品種，牡丹江東部、黑河中部、齊齊哈爾東北部、綏化東北部、鶴崗西部、佳木斯東北部、雙鴨山東北部可種植早熟、極早熟品種，其他地區可種植中晚熟、中熟、中早熟品種；內蒙古赤峰東部、通遼大部、興安盟東南部可種植極晚熟、晚熟品種，赤峰西部、通遼西北部、興安盟中部、呼倫貝爾東南部可種植中晚熟、中熟、中早熟品種，興安盟和呼倫貝爾的大興安嶺東麓可種植早熟、極早熟品種。吉林長白山核心區、黑龍江大興安嶺地區、黑河東西部、伊春北部、內蒙古呼倫貝爾和興安盟北部的大興安嶺西麓等高寒地區不適宜種植玉米（表4）。

表4 2011—2019年東北地區玉米熟型的行政分布（80%保證率）

4 結論與討論

4.1 討論

4.1.1 玉米潛在種植區域劃定標準

該文劃定的東北玉米潛在種植區比張麗敏等[1]、賈建英等[9]的范圍小，主要體現在極早熟品種的分布區域，這是由于最低熱量標準的不同而造成的。一般認為≥10℃活動積溫高于1 900～2 200℃·d的地區能種植玉米[1,6,8,9,12,18,30-33,35,36]，以此作為種植北界，得出的種植區更近于東北玉米的理論分布區。2 200℃·d，甚至1 900℃·d 是玉米生長的最低熱量標準，與生育期天數相比，積溫和葉片數能夠更穩定地表示作物熟型[24,37,52]，故該文根據熱量條件和研究區域實際種植玉米的最小葉片數，為降低氣象災害風險，將2 300℃·d確定為東北玉米的安全種植的最低熱量標準。以2 300℃·d 等溫線作為東北玉米種植北界，得到的東北玉米潛在種植區范圍與紀瑞鵬等[10]的研究結果基本相同。

確定極早熟、早熟品種的分布區域對于氣候變化影響研究在生產中的指導作用尤為重要。熱量條件改善，吉林、黑龍江原高寒地區種植玉米積溫不足、無法成熟的風險降低[5]，長白山區、小興安嶺成為早熟、極早熟玉米的新種植區，黑龍江西南部可種植晚熟玉米，這與賈建英等[9]的研究結果相同，但袁彬等[11]根據葉片數和積溫的關系研究表明，1981—2010 年長白山區大部、黑河北部可種植極早熟玉米，這與該文研究結果不同，可能因為其依據的最低熱量標準≤2 200℃·d，實際種植情況是，兩地主要為林區，積溫不足[53]，玉米種植面積小且不穩定[5]，不具備玉米種植的區位優勢[13]，1981—2010 年長白縣—敦化市一線、汪清縣北部基本未種植玉米[54]，整個長白山區玉米種植面積持續減少[12]，黑河北部小興安嶺北麓黑龍江沿岸逐漸零散種植玉米[17,54]，黑河南部小興安嶺南麓玉米種植區種植面積不穩定，先增后減[12]，后成為水稻種植的擴充區[8,17]。由此可見，將2 300℃·d等溫線作為東北地區玉米種植北界得出的結果更符合實際，也與把≥10℃活動積溫在1 900～2 300℃·d作為“鐮刀彎”地區的判定標準不謀而合，利于種植結構調整的規劃設計。

4.1.2 玉米種植熟型向晚熟化方向調整

該文表明，目前半數潛在種植區可種植中晚熟及更晚熟品種，即第一至第五積溫帶可種植18 片葉及以上的玉米品種，這與譚杰揚[12]、紀瑞鵬等[10]的研究結果基本相同，也與目前中晚熟品種在黑龍江中西部松嫩平原廣泛種植[35]的實際情況相符合，張麗敏等[1]研究認為，中晚熟品種東擴最明顯時段為2000 年以后。以近年來東北地區種植較廣[14,18,20,25,55-59]的丹玉39（晚熟，最低活動積溫約3 000℃·d）、鄭單958（中晚熟，最低活動積溫約2 900℃·d）、先玉335（中熟至中晚熟，最低活動積溫約2 600℃·d）、吉單27（中早熟，最低活動積溫約2 400℃·d）、德美亞1號（極早熟，最低活動積溫約2 100℃·d）為例，依據該文的研究方法，目前種植北界分別能達到第四積溫帶中部、第四積溫帶、第六積溫帶中部、第七積溫帶中部、第八積溫帶。但錢春榮等[60]在哈爾濱種植的鄭單958 和先玉335 玉米霜前尚不能成熟；史振聲等[61]、陳亮等[62]認為，晚熟品種的產量優勢不突出，安全性、穩定性、品質等不及中晚熟、中熟品種[63-65]，晚熟化調整不一定會利用增加的積溫；白氏杰等[66]認為，通過密植可提高早中熟品種的群體產量，縮小與晚熟品種的產量差距。所以在實際生產中要慎重進行晚熟化種植，不宜采用積溫滿貫型品種[60]，保留安全積溫[60]，尤其積溫帶發生變化的地區建議推后積溫帶選擇品種[7]。

4.1.3 玉米種植調整仍面臨諸多風險

目前東北地區適應氣候變化的玉米晚熟化種植面臨的氣象災害風險，主要包括積溫不足或不穩定、干旱、雨澇、低溫冷害等。吉林長白山區、黑龍江后期熱量不足對玉米安全成熟不利[60]。遼寧西部、吉林西部、黑龍江松嫩平原、內蒙古東南部易發生干旱[15,41,67-69]，其中遼寧西部、吉林西部、黑龍江松嫩平原、內蒙古東南部易發生春旱[25,67]。遼寧東部、吉林東部、黑龍江西北部、北部、中部和南部易發生雨澇[41,69]，黑龍江三江平原、牡丹江半山區易發生春澇[58]。隨著氣候變暖，東北地區春季回暖早但不穩定[50]，尤其倒春寒會影響春播和苗期生長[24,60]；遼寧西北部、吉林西北部和東南部、黑龍江玉米生長中期易發生延遲型冷害[10,33]；初霜凍是生長后期影響東北玉米正常成熟的重要因素[10,14,18,25]。未來持續的氣候變化可能促進上述風險向極端化方向發展[19]，甚至出現高溫風險[11]。

2015 年以來，政府部門不斷出臺、調整種植利益補償機制、生態補償政策，利用經濟手段優化種植結構、調減“鐮刀彎”地區的玉米種植，支持優勢產區發展、保護生態環境。從該文的研究結果看，第八、九積溫帶活動積溫為1 900～2 300℃·d，屬于“鐮刀彎”地區且不能種植玉米，遼河平原以西、松嫩平原以西地區為半干旱氣候，土壤貧瘠、生態環境脆弱[13]，吉林東部半山區、長白山區受地形影響不利于規模化、機械化生產[13]，黑龍江北部[70]熱量資源略顯不足、安全成熟風險高[60]，盡管目前熱量資源能夠滿足玉米需求，但產量不高也不穩定。所以第八積溫帶、新增種植區、生態脆弱區應合理調控玉米種植。

4.2 結論

以200℃·d 為級差，對東北地區≥10℃年活動積溫進行重新劃分，可將東北地區分為10 個積溫帶。東北地區積溫的分布和變化受地形影響較大，大致呈馬蹄形分布，西北部積溫以大興安嶺為低值中心向東西兩麓增加。與基準期年相比，2011—2019 年東北地區積溫以增加為主，積溫帶主要向東北方向移動或擴張，氣候變暖對吉林熱量條件的改善效果最為明顯，利于其“黃金玉米帶”的改擴種，其次為黑龍江、內蒙古東部四盟（市）。

年活動積溫2 300℃·d 等溫線可作為東北地區玉米安全種植的北界，第一至第七積溫帶可種植玉米，大興安嶺對東北地區的玉米分布起屏障作用，玉米熟型區劃可作為東北地區玉米種植的最高熟型標準。東北地區整體熱量條件改善，氣候變暖對吉林、黑龍江玉米種植影響最大，其種植區域擴大和晚熟化種植最明顯。遼寧、內蒙古東南部玉米熟型較穩定，吉林、黑龍江則不斷變化，黑龍江北部由非玉米種植區轉為早熟、極早熟玉米種植區，黑龍江東部由中早熟種植區轉為中熟種植區，吉林東部由早熟、極早熟、非玉米種植區轉為中早熟玉米種植區。目前，遼寧、吉林中部和西部、黑龍江中部和西南部、內蒙古東南部等東北玉米主產區均可種植中晚熟及更晚熟品種，而吉林長白山核心區、黑龍江大興安嶺地區、黑河東西部和伊春北部、內蒙古呼倫貝爾和興安盟北部的大興安嶺西麓等高寒地區不適宜種植玉米。玉米選種過程中需要從生育天數的概念轉變為更具理論意義的積溫概念，在實際生產中，為方便起見，可根據產品說明中的積溫、葉片數判斷玉米熟型，選擇種植品種，還要考慮水分條件、低溫災害等氣候條件和不穩定的氣象因素，生態保護、比較收益等環境和經濟因素，作業方法等技術因素和產量因素，不能盲目擴種和晚熟化種植玉米。

熱量資源對東北地區玉米種植的限制作用在減小，但氣候變化研究的不確定性使得未來東北各地降水變化的研究結果差異較大[71]，未來10 年的預測結果或10 年內的氣象條件評價結果對農業生產的參考價值更大[50]。該文僅考慮了積溫對東北地區玉米布局的可能影響，在確定2 300℃·d 等溫線可作為東北地區玉米安全種植北界的基礎上，未來的研究需要考慮降水、霜凍、種植習慣等因素，以確定播種期、收獲期，完善東北地區玉米布局的指標體系和適應氣候變化的技術體系，減少氣候變化帶來的風險；另外該文僅利用了國家級氣象站數據進行分析，未來的研究需要考慮地形因素，進行格點化、網格化分析，增強研究結果對玉米種植的指導作用；第三，從玉米產業鏈角度看，種植環節應該保障下游環節有充足的原料和穩定的品質，盡量減少運輸成本，提供優質原料，容重是評價玉米商品性的指標[72]，所以未來的研究要與產業發展需求結合，增強產區意識，及時提供東北地區玉米產量、容重的年度分布，降低采收環節的盲目性。