氣候變化背景下中國玉米產區開花期高溫時空分布特征

付真真，祝光欣，劉志娟，郭世博，李娥，楊曉光

氣候變化背景下中國玉米產區開花期高溫時空分布特征

付真真，祝光欣，劉志娟，郭世博，李娥，楊曉光

中國農業大學資源與環境學院，北京 100193

【目的】全球氣候變暖背景下，極端高溫頻發將會對農作物生產造成潛在威脅，因此，基于多種高溫指標綜合評估作物生長季高溫時空分布特征對制定有效的災害風險管理和適應措施至關重要。【方法】以我國玉米潛在種植區為研究區域，基于第六次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）中2個共享社會經濟情景（Shared Socioeconomic Pathways，SSP1-2.6和SSP5-8.5）下1981—2060年的逐日最高氣溫資料和玉米生育期資料，分析了基準時段（1981—2014年）和未來（2015—2060年）玉米開花期高溫強度（HSI）、高溫持續時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）的時空變化特征。【結果】1981—2014年玉米開花期HSI、AHSD、HDD在黃淮海夏玉米區和西北灌溉玉米區最大（區域均值分別為32.3和33.8℃、8.4和9.8 d、22.9和40.3 ℃·d）。受氣候變暖影響，未來氣候情景下，特別是在SSP5-8.5氣候情景下，我國玉米開花期高溫發生范圍擴大、強度增加，HSI和AHSD增加最大的區域為北方春播玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，HSI的增加趨勢分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趨勢分別為0.73和1.11 d·(10a)-1。全區HDD增加最大的區域為黃淮海夏玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。【結論】未來我國玉米開花期高溫發生范圍將擴大、強度將增加；且應重點關注黃淮海夏玉米區和北方春播玉米區的開花期高溫，前者主要由于基礎溫度高，后者主要由于增溫幅度較大。可通過選用抗高溫品種、調整播種窗口、采用水肥及化學調控等綜合措施降低高溫威脅。

玉米；開花期；高溫強度；高溫持續時間；累積高溫度日

0 引言

【研究意義】聯合國政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告指出，2001—2020年，全球平均氣溫比1850—1990年間高0.84—1.10 ℃[1]。1981年以來，全球極端高溫天氣的發生范圍和持續時間不斷上升，未來很可能會以更高的頻率和更長的持續時間出現，這使得熱脅迫成為最普遍的非生物脅迫之一，極大地限制了世界各地的農業生產[2-3]。中國是受氣候變化影響較大的地區之一，1960—2018年，中國年平均氣溫每10年升高約0.28 ℃，上升速率遠高于全球平均水平[4]，高溫對我國各主糧作物種植區的影響會逐步顯現。2012年我國玉米產量超過稻谷，成為我國第一大糧食作物，同時我國是世界第二大玉米生產國和主要的消費國。2014年以來，全國玉米種植面積超過4 000萬hm2，占世界玉米種植面積的20.1%；其總產量超過2.4億t，占世界玉米總產量的20.8%[5]，在解決未來糧食安全問題中扮演著重要角色。此外，玉米作為對熱脅迫敏感的作物之一，其生育過程容易受到高溫脅迫的影響，其中以開花期最為敏感[6-9]。張吉旺[10]基于田間生長箱增溫試驗的研究結果表明，在山東地區，玉米大喇叭口到成熟期增溫3 ℃可使玉米籽粒產量降低超過45%；抽雄吐絲期極端高溫會導致玉米花粉活性降低，花絲伸長困難，造成雌雄蕊花期不遇而導致授粉率下降，禿尖長度增加，最終導致產量降低[11]。因此明確氣候變暖背景下玉米開花期高溫時空分布規律，對我國玉米適應氣候變化以及保證糧食安全具有重要的理論與實踐意義。【前人研究進展】高溫脅迫是指環境溫度超過植物生長發育的上限溫度，進而對植物生長發育和產量形成造成的損害。不同地區和不同玉米品種的高溫閾值存在差異，全球尺度下的研究表明，玉米高溫閾值主要集中在32—35 ℃，美國玉米的高溫閾值為29—30 ℃[12]。中國氣象行業標準——主要農作物高溫危害溫度指標（GB/T 21985- 2008）中，分別以日最高氣溫達30 ℃和35 ℃作為玉米開花期高溫閾值[13]。前人已采用不同指標針對不同區域玉米生育期內極端高溫發生的時空規律開展了大量研究。例如，王秀萍等[14]以日最高氣溫達35 ℃為高溫閾值，從高溫日數角度分析了河南省1970—2018年夏玉米開花期高溫日數時空特征；尹小剛等[15]利用日最高溫度大于30 ℃的日數和積溫研究了1961—2010年東北農作區玉米生育期內極端高溫的時空變化特征。陳懷亮等[16]以日最高氣溫大于32 ℃的日數以及積害量分析并預估了河南省1951—2050年夏玉米花期高溫災害風險；商蒙非等[17]以日最高溫度32 ℃為高溫閾值，從高溫度日及氣候傾向率角度分析了1961—2020年我國玉米全生育期高溫度日的時空分布特征。【本研究切入點】前人針對玉米高溫時空特征開展了大量的研究，但是受研究區域、研究時段、閾值指標以及生育期不同的限制，導致我國不同地區的結果缺乏可比性。部分研究選擇的指標較為單一，不能充分反映不同地區玉米高溫時空分布特征。目前，基于最新的氣候變化情景模式（shared socioeconomic pathways，SSP）綜合分析我國不同產區玉米開花期高溫規律的研究還鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以我國玉米潛在種植區為研究區域，采用高溫強度、高溫持續時間和累積高溫度日3個高溫指標，分析基準時段（1981—2014年）和未來（2015—2060年）不同氣候情景下我國玉米不同產區開花期高溫的空間分布特征和時間變化趨勢，揭示不同玉米產區間高溫的時空差異性，為我國玉米生產應對氣候變化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

以我國玉米潛在種植區為研究區域，即1981—2014年≥10 ℃的活動積溫在80%保證率下達到2 100 ℃·d作為種植北界[18-19]。由于青藏高原地區海拔較高，黑龍江省和內蒙古自治區北部緯度較高，熱量資源相對匱乏，難以廣泛種植玉米；此外，有研究表明，上述3個地區溫度相對較低，高溫熱害發生的概率相對較低[20-22]，故不作為本文研究區域。

我國玉米潛在種植區范圍廣，氣候資源和種植制度差異大，為詳細解析不同地區玉米開花期高溫的時空特征，本研究參照前人對我國玉米種植區劃的研究結果[23]，將研究區域劃分為黃淮海夏玉米區（Huang- Huai-Hai，HHH）、北方春播玉米區（Northern China，NC）、西北灌溉玉米區（Northwest China，NWC）、南方丘陵玉米區（Southern China，SC）和西南山地玉米區（Southwest China，SWC），如圖1所示。

審圖號：GS京（2023）1240號。下同 Map content approval number: GSJING (2023)1240. The same as below

1.2 數據來源

1.2.1 氣象數據 第六次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP6）提供了新的未來氣候變化情景即共享社會經濟情景（shared socioeconomic pathways，SSP），該情景將包括減緩和適應氣候變化活動在內的廣泛研究聯系了起來[24]。因此，本研究采用了最新的SSP情景數據。使用全球氣候模型中SSP情景的未來數據時須要進行降尺度和偏差矯正，即對氣候數據的統計量進行訂正使其更接近歷史時期氣候觀測數據。跨領域影響評估模型比較計劃（the inter-sectoral impact model intercomparison project，ISIMIP3b）發布了偏差矯正和降尺度后的全球網格（0.5°×0.5°）逐日氣象數據集。本研究選取了數據集中代表性模式（GFDL-ESM4）下的2個代表性情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5）下的氣象數據。其中SSP1-2.6氣候情景為低減緩壓力和低輻射強迫影響下的未來氣候情景，至2100年輻射強迫穩定在2.6 W·m-2，在該情景下，相對于工業化革命前多模式集合平均的全球平均氣溫升溫結果將顯著低于2 ℃，也稱之為可持續發展情景；而SSP5-8.5代表高輻射強迫下的未來氣候情景，至2100年輻射強迫達到8.5 W·m-2。本研究使用的數據為日最高氣溫。

1.2.2 玉米生育期數據 玉米抽雄期數據來源于中國氣象局280個農業氣象觀測站（圖1）。為與未來氣候情景數據的格點數據相匹配，本文基于反距離權重法，將各農業氣象觀測站的生育期數據進行插值得到各格點的生育期數據。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫指標 基于多年實測生育期資料可知，玉米抽雄吐絲間隔一般為4 d，且研究表明在自然條件下，沒有接收到花粉的花絲活力在吐絲6 d后開始下降，12 d后停止生長且逐漸枯萎[25-26]，因此本研究將各格點開花期確定為抽雄至抽雄后16 d。

1.3.1.1 高溫強度 本文引進高溫強度（heat stress intensity，HSI）作為開花期高溫評價指標之一，將高溫強度定義為玉米開花期內，日最高氣溫超過其溫度閾值時的日最高氣溫平均值，計算公式如下：

式中，為高溫強度（℃）；max_i為第日最高氣溫（℃）；T為玉米開花期高溫閾值，本文根據中國氣象行業標準——主要農作物高溫危害溫度指標（GB/T 21985-2008），將T取值為30 ℃；為玉米開花期天數（d）；當玉米開花期日最高溫度max_i≥30 ℃時，T=max_i，當max_i＜30 ℃時，T= 0。

1.3.1.2 高溫持續時間 本文采用高溫持續時間（accumulated heat stress days，AHSD）作為開花期高溫評價指標之一，將高溫持續時間定義為玉米開花期內，日最高氣溫超過其溫度閾值時的天數，計算公式如下：

式中，為高溫持續時間（d）；max_i為第日最高氣溫（℃）；T為玉米開花期高溫閾值，本文取30 ℃；為日最高氣溫≥30 ℃的天數（d），當玉米開花期日最高溫度max_i≥30 ℃時，= 1，當max_i＜30 ℃時，= 0。

1.3.1.3 累積高溫度日 本文將高溫強度和高溫持續時間相結合，引進累積高溫度日（heat degree-days，HDD）作為開花期高溫評價綜合指標，將累積高溫度日定義為玉米開花期內高于溫度閾值的熱時數，計算公式如下：

式中，為累積高溫度日（℃·d），max_i為第日最高氣溫（℃），T為玉米開花期高溫閾值，本文取30 ℃。

1.3.2 氣候傾向率 氣候傾向率是表征氣象要素多年變化趨勢的指標，通常以氣候要素時間序列回歸系數的10倍表示，根據最小二乘法建立氣候變量與時間的回歸方程：

x=+×t（4）

式中，x為氣候要素，為截距，為回歸系數，t為時間序列的年份，以的10倍作為該要素的氣候傾向率，其值大于0表示該要素隨時間變化呈增加趨勢，反之呈減少趨勢。采用檢驗對農業氣候資源的年際變化趨勢進行顯著性檢驗，結果通過=0.05的顯著性檢驗，為變化趨勢顯著；通過=0.01的顯著性檢驗，為變化趨勢極顯著。

1.4 數據處理和空間分析

使用SPSS和R-4.0.2對數據進行處理分析和作圖。

2 結果

2.1 玉米開花期高溫強度時空分布特征

為更好地解析未來不同時段玉米開花期高溫的時空分布特征，將未來時段進一步劃分為2030s（2015— 2040年）和2050s（2041—2060年）。由圖2可知，1981—2060年我國玉米開花期高溫強度（HSI）總體呈現出西北內陸地區最長，東南沿海地區次之，東北-西南條帶較短的特征。HSI高值區主要位于西北灌溉玉米區南部，低值區主要位于北方春播玉米區的東部和中部以及西南山地玉米區的南部等地區。

1981—2014年研究區域玉米開花期HSI為（31.6±1.5）℃，變化范圍為30.2—39.7 ℃；黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區的HSI分別為（32.3±0.9）℃、（30.4±0.9）℃、（33.8±1.6）℃、（31.9±0.7）℃和（30.5±0.7）℃。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s）研究區域HSI分別為（32.9±1.8）℃和（33.8±1.7）℃，與基準時段（1981—2014年）相比，分別增加了1.3和2.2 ℃；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s分別增加了1.7和2.6 ℃、2.6和3.7 ℃、1.9和2.8 ℃、0.8和1.0 ℃、1.1和1.7 ℃（圖3）。SSP5-8.5情景下未來2個時段研究區域HSI分別為（33.2±1.7）℃和（34.8±1.9）℃（圖2），與基準時段相比，分別增加了1.6和3.2 ℃；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s分別增加1.8和3.4 ℃、2.9和4.3 ℃、1.5和3.5 ℃、0.6和1.4 ℃、1.4和2.3 ℃（圖3）。

圖2 1981—2060年我國玉米開花期高溫強度平均值

由圖4可知，1981—2014年我國玉米開花期HSI總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.21 ℃，但區域差異明顯；雖然黃淮海夏玉米區HSI較大，但北部地區近34年呈明顯降低趨勢，大部分降低超過0.50 ℃·(10a)-1；北方春播玉米區HSI傾向率的變異性最大，高值區集中在東北地區，大部分格點增幅超過1.00 ℃·(10a)-1，低值出現在內蒙古，減幅大于1.00 ℃·(10a)-1；西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區HSI主要呈增加趨勢，但幅度較小，主要集中在0.10—0.50 ℃·(10a)-1；西南山地玉米區南部增幅大于1.00 ℃·(10a)-1，北部則小于0.50 ℃·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區域玉米開花期HSI均呈增加趨勢，平均每10年分別增加0.49和0.82 ℃，均高于基準時段，其中增幅最大的為北方春播玉米區，SSP1- 2.6和SSP5-8.5氣候情景下區域平均分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1。

2.2 玉米開花期高溫持續時間時空分布特征

由圖5可知，1981—2060年我國玉米開花期高溫持續時間（AHSD）總體呈現出西北內陸地區和東南沿海地區較長，東北-西南條帶較短的特征。AHSD高值區主要位于西北灌溉玉米區中部和南部，低值區位于北方春播玉米區東部以及西南山地玉米區南部等地區。

1981—2014年研究區域玉米開花期AHSD為（6.9±4.1） d，變化范圍為0.1—13.1 d；黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區的AHSD分別為（8.4±3.4） d、（4.3±3.4） d、（9.8±4.9） d、（8.8±2.6） d、（3.9±3.1） d。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s），研究區域AHSD分別為（9.1±3.6） d和（9.9±4.0）d，與基準時段（1981—2014年）相比，分別增加2.2和3.0 d；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s AHSD分別增加了2.6和3.8 d、2.6和3.9 d、1.8和1.9 d、1.8和2.5d、2.3和3.0 d（圖3）。SSP5-8.5情景下未來2個時段研究區域AHSD分別為（8.5±4.3） d和（10.5±3.9） d（圖5），與基準時段相比，分別增加1.6和3.6 d；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s AHSD分別增加2.0和4.1 d、1.7和4.4 d、1.2和2.6 d、1.2和2.9 d、2.2和4.5 d（圖3）。

ER整個研究區域；HHH黃淮海夏播玉米區；NC北方春播玉米區；NWC西北灌溉玉米區；SC南方丘陵玉米區；SWC西南山地玉米區。下同

圖5 1981—2060年我國玉米開花期高溫持續時間平均值

由圖6可知，1981—2014年我國玉米開花期AHSD總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.16 d，但變化趨勢呈現出明顯的區域特征，其中黃淮海夏玉米區AHSD較長，但北部和西部大部分格點呈減少趨勢，平均每10年減少0.54 d，而南部地區呈增加趨勢，增長率超過1.00 d·(10a)-1；北方春播玉米區AHSD傾向率的變異性也較大，區域平均值為0.02 d·(10a)-1，高值區集中在東北地區，增加幅度為1.00—2.00 d·(10a)-1，低值出現在陜西省和山西省，減小幅度大于2.00 d·(10a)-1；西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區的AHSD主要呈增加趨勢，但幅度較小，主要集中在0.10—0.80 d·(10a)-1。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區域玉米開花期AHSD均呈增加趨勢，平均每10年分別增加0.52和0.91 d，且增加速率均高于基準時段，其中增幅最大的為北方春播玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下區域平均分別為0.73 d·(10a)-1和1.11 d·(10a)-1。

圖6 1981—2060年我國玉米開花期高溫持續時間的氣候傾向率

2.3 玉米開花期累積高溫度日時空分布特征

由圖7可知，1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日（HDD）總體呈現出西北內陸地區最長，東南沿海地區次之，東北-西南條帶較短的特征。HDD高值區主要位于西北灌溉玉米區中部和南部，低值區位于北方春播玉米區東部和西南山地玉米區中部等地區。

1981—2014年研究區域玉米開花期HDD為（20.3±18.6）℃·d；黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區的HDD分別為（22.9±12.0）℃·d、（9.3±4.1）℃·d、（40.3±25.9）℃·d、（19.5±9.4）℃·d、（6.5±4.3）℃·d。

SSP1-2.6情景下，未來2個時段（2030s和2050s），研究區域HDD分別為（31.4±19.6）℃·d和（35.7±20.2）℃·d，與基準時段（1981—2014年）相比，分別增加11.1和15.4 ℃·d；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s分別增加了13.2和20.5 ℃·d、8.6和13.2 ℃·d、18.0和21.5 ℃·d、7.8和12.6 ℃·d、5.9和8.8 ℃·d（圖3）。SSP5-8.5情景下未來兩個時段研究區域HDD分別為（27.7± 16.6）℃·d和（41.5±23.2）℃·d（圖7），與基準時段相比，分別增加7.4和21.2 ℃·d；其中黃淮海夏玉米區、北方春播玉米區、西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區在2030s和2050s分別增加8.6和26.9 ℃·d、5.3和16.6 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d、7.0和16.8 ℃·d、5.5和15.1 ℃·d（圖3）。

圖7 1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日平均值

由圖8可知，1981—2014年我國玉米開花期HDD總體呈增加趨勢，平均每10年增加0.77 ℃·d，但區域差異明顯；黃淮海夏玉米區HDD變化趨勢呈較大空間變異性，北部和西部部分格點呈明顯的減少趨勢，減少超過2.00 ℃·d·(10a)-1，東部地區部分格點則呈增加趨勢，增加超過2.00 ℃·d·(10a)-1；北方春播玉米區HDD傾向率主要集中在-0.80— 1.00 ℃·d·(10a)-1，東北地區主要呈增加趨勢，低值出現在中部地區，山西省和陜西省大部分格點呈現出大于4.00 ℃·d·(10a)-1的變化幅度；西北灌溉玉米區、南方丘陵玉米區和西南山地玉米區的HDD呈增加趨勢，但幅度較小。

2015—2060年，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下研究區域HDD均呈增加趨勢，平均每10年增加2.55和5.01 ℃·d，均高于基準時段，其中增幅最大區域為黃淮海夏玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下區域平均分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。

總體上，1981—2060年，研究區域內玉米開花期HSI、AHSD和HDD較高的區域為黃淮海夏玉米區、南方丘陵玉米區和西北灌溉玉米區（圖9）。受氣候變暖的影響，全區HSI和AHSD增加最大的區域為北方春播玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下HSI的增加趨勢分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，AHSD的增加趨勢為0.73和1.11 d·(10a)-1。全區HDD增加最大的區域為黃淮海夏玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，未來應重點關注黃淮海夏玉米區和北方春播玉米區的高溫風險。

圖8 1981—2060年我國玉米開花期累積高溫度日的氣候傾向率

圖9 1981—2060年我國玉米產區區域尺度開花期高溫強度（HSI）、高溫持續時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）的時間變化趨勢

3 討論

受全球氣候變化的影響，我國大部分地區增溫顯著，作物生長季內熱量資源增加，為中高緯度地區農業生產帶來有利影響，但同時也面臨著更大的挑戰[27-28]，其中高溫脅迫已然成為影響作物生長發育的主要非生物脅迫之一[29-30]。因此，本文研究了1981—2060年我國玉米潛在種植區玉米開花期高溫強度、持續時間和累積高溫度日的時空分布特征，可為我國制定合理的玉米防災減災對策、保障玉米高產穩產提供理論依據。

3.1 玉米開花期高溫及其對玉米生產的影響

開花期是玉米的溫度敏感期，期間溫度超過理論溫度閾值將會降低花粉活性導致穗粒數減少以及增加呼吸消耗等對作物產量造成影響。本研究以玉米開花期日最高溫度≥30 ℃作為高溫閾值，選取高溫強度（HSI）、高溫持續時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）3個指標，分析了全國玉米主要產區開花期高溫的時空變化趨勢。其中HSI和AHSD表征了溫度超過理論溫度閾值的強度以及持續時間，HDD將高溫強度和持續時間結合起來，3個指標可綜合反映玉米開花期遭受的高溫熱害風險[31]。研究結果表明，1981—2060年我國玉米開花期高溫時空分布特征主要體現為黃淮海夏玉米區和西北灌溉玉米區高溫脅迫較南方丘陵玉米區、北方春播玉米區和西南山地玉米區強度大、持續時間長；SSP1-2.6和SSP5-8.5氣候情景下未來兩個時段（2030s和2050s）高溫脅迫較基準時段（1981—2014年）更嚴重，且SSP5-8.5情景高于SSP1-2.6情景（SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來兩個時段整個研究區域HDD較基準時段分別增加11.1和15.4 ℃·d、7.4和21.2 ℃·d），其中增幅最大的是西北灌溉玉米區，與1981—2014年相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來2個時段（2030s和2050s）HDD分別增加18.0和21.5 ℃·d、10.9和30.6 ℃·d；這與中高緯度升溫幅度較高的全球氣候變化特征是一致的[32]。現有研究表明極端高溫已對作物產量造成較大的影響，IPCC第六次評估報告表明，1961—2017年，極端高溫已經對玉米產量產生了強烈的負面影響[1]，研究表明，高于30 ℃以上溫度增加會導致玉米產量下降25%[33]。Rising等[34]研究結果表明，HDD每增加一個標準差，美國的玉米產量將會下降10%以上。在我國西北灌溉玉米區、黃淮海夏玉米區和北方春播玉米區降水量偏少且年際波動大，因此高溫和干旱常相伴發生[35]，因此，在未來氣候變化下，應更關注這些地區的高溫干旱脅迫，加強災害的預警與防范。

3.2 降低高溫不利影響的農業技術措施

目前認為培育耐熱性強的品種是降低玉米開花期高溫影響的最有效的方法之一[36]，研究表明，耐熱型玉米能夠適應高溫環境并在該環境下也具有較強的光合能力，降低高溫對玉米的損傷[37]。氣候變暖增加了作物生長季節的熱資源，擴大了玉米的可調節播期范圍，因此，可以適當提前播種，使得玉米開花期避開高溫時段，早播配合地膜培育壯苗減小高溫對玉米生產的不利影響[38-39]。植物激素作為高效的調節劑，能夠增強植物的抗逆性[40]；增施有機肥能夠減緩植株根系衰老，增施鉀肥能夠提高植株葉片的含水量，氣象年景預測配合合理施肥對玉米抵御高溫脅迫非常重要[41-42]；同時合理灌溉可以降低田間溫度，增強植株蒸騰作用[15]；因此在田間管理方面可以采取噴施外源激素或調控水肥等措施，來緩解高溫對玉米生長的抑制作用，從而有效降低高溫帶來的不利影響。同時，高溫和干旱往往協同發生，噴施葉面抑蒸保濕劑以及土壤化學抑蒸劑可以減少葉面和土壤無效蒸發，是農業化學節水增產的新途徑[43-44]。此外，還要加強高溫災害監測和預警，提高農業氣象服務水平，引導農民及時防患于未然。

3.3 本研究不足及未來研究展望

本研究僅以日最高氣溫作為高溫熱害的評估依據，未綜合考慮降水，相對濕度等其他氣象要素的影響，前人研究表明，空氣濕度和氮肥施用量亦會對作物的高溫受害程度造成一定影響[45-48]，因此在空氣濕度較大的南方和東部沿海地區僅使用單一要素評估高溫的影響，可能高估了玉米開花期的高溫熱害強度和范圍，相反則可能低估了雨養地區和內陸干旱地區的高溫熱害強度和范圍。此外玉米開花期的高溫脅迫受品種抗逆性、基因型、栽培措施、土壤環境等植物自身和環境特性的影響，不同的品種和栽培措施影響下存在地區差異[45]。隨著氣候變化和品種更替，有必要進一步探索各區域不同品種的高溫閾值。

4 結論

1981—2014年，玉米開花期高溫強度（HSI）的高值區位于黃淮海夏玉米區（（32.3±0.9）℃）和西北灌溉玉米區（（33.8±1.6）℃），在未來氣候變化情景下（SSP1-2.6和SSP5-8.5），增幅最大的區域為北方春播玉米區，在上述2個情景下氣候傾向率分別為0.97和1.16 ℃·(10a)-1，且與基準時段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來2個時段（2030s和2050s）分別增加2.6和3.7 ℃、2.9和4.3 ℃；1981—2014年，玉米開花期高溫持續時間（AHSD）的高值區為西北灌溉玉米區（（9.8±4.9）d）和南方丘陵玉米區（（8.8±2.6）d），未來氣候變化下增幅最大的區域為北方春播玉米區，與基準時段相比，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下未來兩個時段分別增加2.6和3.9 d、1.7和4.4 d；1981—2014年，玉米開花期累積高溫度日（HDD）的高值區位于西北灌溉玉米區（（40.3±25.9）℃·d）和黃淮海夏玉米區（（22.9± 12.0）℃·d），在未來氣候變化下全區HDD增加最大的區域為黃淮海夏玉米區，SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下增加趨勢分別為2.68和5.26 ℃·d·(10a)-1。因此，隨著全球氣候變暖，我國玉米潛在種植區玉米開花期高溫強度（HSI）、高溫持續時間（AHSD）和累積高溫度日（HDD）將呈升高趨勢，應特別關注黃淮海夏玉米區和北方春播玉米區高溫對玉米生產的影響，通過選用抗高溫品種、調整播種窗口、采用水肥及化學調控等措施，有效規避高溫風險、降低高溫損失。

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Spatial-Temporal Variations of High Temperature During Flowering Period in Maize-Producing Areas of China Under Climate Change

FU ZhenZhen, ZHU GuangXin, LIU ZhiJuan, GUO ShiBo, LI E, YANG XiaoGuang

College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193

【Objective】Under the background of global warming, the frequent occurrence of extreme high temperature would threaten crop production greatly. Therefore, the spatial-temporal variations of high temperature during crop growth period based on several heat stress index were cleared, which was crucial for developing effective disaster risk management and adaptation measures. 【Method】In this study, the maize potential planting area was focused on. Based on the daily maximum temperature data from 1981 to 2060 in two Shared Socioeconomic Pathways scenarios (SSP1-2.6 and SSP5-8.5) of Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) and maize phenology data, we analyzed the spatial distribution and temporal trend of the heat stress intensity (HSI), accumulated heat stress days (AHSD), and heat degree-days (HDD) during flowering period of maize in the baseline period (1981-2014) and future period (2015-2060).【Result】From 1981 to 2014, the HSI, AHSD and HDD during the flowering period of maize were the largest in Huang-Huai-Hai (HHH) and Northwest China (NWC), with the average value of 32.3 and 33.8 ℃, 8.4 and 9.8 d, 22.9 and 40.3 ℃·d, respectively. Due to climate warming, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range under the two climate scenarios, especially in SSP5-8.5. The largest temporal trend of HSI and AHSD occurred in Northern China (NC), under SSP1-2.6 and SSP5-8.5. The increasing trend of HSI were 0.97 and 1.16 ℃·(10a)-1, and the increasing trend of AHSD were 0.73 and 1.11 d·(10a)-1. The largest temporal trend of HDD occurred in HHH, under SSP1-2.6 and SSP5-8.5, with the increasing trend of 2.68 and 5.26 ℃·d·(10a)-1. 【Conclusion】In the future, the high temperature during the flowering period of maize in China was characterized by long duration and wide range, especially for HHH and NC. The former was mainly due to the high base temperature, and the latter was due to the large warming trend. The loss caused by high temperature could be reduced by selecting high temperature resistant varieties, adjusting the sowing window, adopting water, fertilizer, and chemical management measures.

maize; flowering period; heat stress intensity; accumulated heat stress days; heat degree-days

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.014.005

2022-08-25；

2022-12-05

國家自然科學基金面上項目（42175190）、中國農業大學“2115人才工程”

付真真，E-mail：fuzhenzhen@cau.edu.cn。通信作者劉志娟，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩，李莉）