未來氣候變化情景下東北地區中晚熟春玉米機械粒收氣候適宜區分析*

蘇正娥，劉志娟，楊婉蓉，祝光欣，史登宇，楊曉光

未來氣候變化情景下東北地區中晚熟春玉米機械粒收氣候適宜區分析*

蘇正娥，劉志娟**，楊婉蓉，祝光欣，史登宇，楊曉光

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

玉米生產全過程機械化是玉米生產的發展方向，當前機械粒收是中國轉變玉米生產方式的重點。籽粒含水率是影響機械粒收的主要因素，其主要受玉米農藝性狀、生育后期生態氣象因子以及栽培管理措施等因素影響。東北地區作為中國玉米主產區之一，也是對氣候變化最敏感的區域之一，因此，明確未來氣候條件下該地區玉米機械粒收的氣候適宜性及適宜區，可為未來進一步提高玉米生產的機械化水平，實現玉米生產全過程機械化提供科學依據。本文以RCP4.5和RCP8.5兩個溫室氣體濃度情景，分別代表中等排放情景和高排放情景，結合兩種情景下預估的2021?2060年氣候數據和春玉米生育期數據，利用籽粒含水率預測模型確定未來40a當前廣泛種植的春玉米中晚熟品種機械粒收各等級氣候適宜區北界，并基于此得出基于多品種的機械粒收氣候適宜區。結果表明：未來40a不同品種的氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區表現為由西南向東北延伸的分布特征，不同品種間各級適宜區北界由西南向吉林省東南部山區的長白、東崗和松江一帶以及高緯度的黑龍江北部變動。RCP4.5（RCP8.5）氣候情景下，50%和80%春玉米中晚熟品種的最適宜區均位于遼寧省南部（遼寧省西部和南部），最北分別可達42.0°N和41.0°N（42.8°N和41.9°N），最東可達123.4°E和123.3°E（124.5°E和123.3°E），面積分別占研究區域面積的5.9%和1.8%（11.2%和5.9%）；適宜區分別位于遼寧省北部和中部（遼寧省北部和吉林省西南部），最北可至43.0°N和42.7°N（44.8°N和42.9°N），最東可至124.7°E和124.4°E（124.7°E和124.5°E），該區域面積占比分別為8.3%和8.9%（4.7%和6.6%）。未來40a，與RCP4.5氣候情景相比，RCP8.5氣候情景下春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜性更強，但兩個氣候情景下氣候最適宜區和適宜區范圍均較小。未來春玉米機械粒收氣候適宜區在品種間差異較大，未來可選育種植生育期更短、脫水速率更快的適宜機械粒收品種，以提高機械粒收的質量和效率。

春玉米；籽粒脫水；機械粒收；氣候適宜區；氣候變化；東北地區

玉米是世界主要糧食作物之一，中國是世界第二大玉米生產國，近5a（2017-2021年）玉米播種面積維持在4100萬hm2以上，總產量穩定在2.5億t以上，播種面積和產量均占中國糧食生產的35%以上[1]。當前，生產全過程機械化是中國玉米生產的主要發展方向，其中利用機械進行玉米籽粒收獲（簡稱機械粒收）是玉米機械化生產的重要環節。機械粒收不僅可大大節約勞動力成本，還可降低晾曬、脫粒過程中的籽粒霉爛與損失，是玉米機械收獲的發展方向和今后玉米生產方式轉變的重點[2]。

相較于機械穗收和人工收獲，機械粒收每公頃分別可節約成本375～600元和1050～1650元，若以單產6t·hm?2計算，每生產1t玉米成本分別降低62.5～100.0元和175～275元[3]。美國、德國等國在20世紀50年代玉米收獲以機械穗收為主，到70年代則全面采用田間機械粒收，60-90年代集中開展了玉米機械粒收技術相關基礎理論及品種選育的研究，為機械粒收的全面推廣提供了支撐[2,4?6]。目前中國玉米收獲以人工收獲和機械穗收為主，而機械粒收仍處于起步階段，相關研究多集中于機械粒收質量及其影響因素分析和適宜品種篩選[7?13]。機械粒收質量主要指標包括籽粒破碎率、雜質率和損失率。其中破碎率主要受籽粒含水率和籽粒力學強度影響，雜質主要成分為穗軸，雜質率與穗軸含水率及力學強度密切相關[14]。研究發現，籽粒含水率是影響機械粒收的主要因素，與籽粒破碎率、損失率和雜質率呈顯著相關，即籽粒含水率越高，籽粒破碎率和雜質率越高，田間損失率越低[15?18]。由于收獲時籽粒含水率是籽粒破碎率的主要決定因素[19]，大量學者對玉米籽粒脫水及籽粒含水率的影響因素進行了深入探究，認為收獲時籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒脫水速率控制，而脫水速率主要受玉米農藝性狀、生育后期生態氣象因子以及栽培管理措施等因素影響[20]。此外，研究發現，玉米籽粒含水率與授粉后積溫呈極顯著非線性關系[21]。基于不同品種的含水率預測模型，有學者進一步估算了含水率降到機械粒收理想含水率時所需的活動積溫，確定了不同地區適宜機械粒收的時間[22?25]。因此通過選育脫水速率快、生理成熟期含水率低的品種和適當推遲收獲時間可降低收獲時籽粒含水率，從而降低機械粒收籽粒破碎率，提高機械粒收質量[12]。

當前關于中國機械粒收的研究為國內玉米機械粒收的推廣與應用奠定了科學基礎，為提高機械粒收質量提供了理論保障。但基于區域氣象條件，評估機械粒收生產技術適應性及適宜區的研究還鮮見報道，特別是氣候變化背景下未來機械粒收氣候適宜性的研究還未見到。東北地區作為中國玉米主產區之一，也是對氣候變化最敏感的區域之一，明確氣候變化背景下機械粒收在該地區的適宜性對未來進一步提高玉米生產的機械化水平，實現玉米生產全程機械化至關重要。

本文基于2021?2060年氣象數據和春玉米生育期數據，利用籽粒含水率預測模型，預測初霜日前春玉米的籽粒含水率，確定未來40a不同春玉米品種機械粒收的各等級適宜區北界以及基于多品種的機械粒收氣候適宜區，以期為東北地區合理推廣與應用春玉米機械粒收技術，提高春玉米生產效率提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

以東北三省（黑龍江、吉林和遼寧省）春玉米潛在種植區為研究區域。春玉米潛在種植區是根據80%保證率下≥10℃活動積溫高于2100℃·d確定的，包括黑龍江省中南部、吉林省和遼寧省。該地區地勢平坦、土壤肥沃，氣候為溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，光水資源優越，唯熱量條件略顯不足，年均氣溫為?3.8～11.3℃，喜溫作物溫度生長期內≥10℃活動積溫為1680～3850℃·d，日照時數806～1545h，降水量為298～880mm[26?27]。研究區域內包含67個氣象觀測站點和45個農業氣象觀測站點，分別用于收集研究區內的氣象數據和作物生產數據。研究區和所有觀測站點分布見圖1。

圖1 研究區域（東北三省春玉米潛在種植區）氣象站點和農業氣象站點分布

1.2 數據及其來源

潛在種植區內春玉米實際種植面積提取自2000?2015年全國玉米收獲面積高精度（1km）遙感數據集[28]，利用ArcGIS10.6軟件對逐年全國玉米收獲面積進行疊加并基于研究區域矢量圖層提取。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）為了對未來氣候進行評估，以2100年輻射強迫水平達到4.5W·m?2和8.5W·m?2分別代表中等排放情景（RCP4.5）和高排放情景（RCP8.5）。采用的未來氣候情景數據來源于英國氣象局開發的區域氣候模擬系統PRECIS在RCP4.5和RCP8.5情景下模擬的未來時段（2021?2060年）逐日氣象數據，模式時間積分步長為5min，水平輸出分辨率在旋轉坐標下的經緯度各為0.44°。該數據集氣象要素包括日平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水量、太陽總輻射和平均風速，對上述氣象要素輸出結果進行訂正，并插值為空間分辨率0.5°×0.5°的網格數據，由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所提供，基于此數據集提取研究區域內67個氣象站的未來氣候數據。

春玉米生育期數據來源于研究區域內45個農業氣象觀測站，包括2010?2015年春玉米抽雄期和成熟期。利用反距離加權法插值獲得各氣象站點逐年生育期，并假設未來40a春玉米生育期不變，取2010?2015年各氣象站6a平均值作為未來40a春玉米的平均生育期。

1.3 機械粒收氣候適宜區的判別方法

1.3.1 計算籽粒含水率

玉米籽粒脫水過程不僅受生長發育控制，還與環境因素有關。因此，在玉米籽粒形成過程中籽粒含水率（MC，%）由生理控制的趨勢含水率（Trend_ MC，%）和由環境因素控制的氣象含水率（Climate_ MC，%）組成，三者關系為[29]

其中，趨勢含水率用Logistic Power含水率動態預測模型模擬[21]，即

式中，a、b、c為模型參數，a為籽粒初始含水率（%），設定為90；b和c為由品種特性決定的品種參數。采用東北地區主栽的多個中晚熟春玉米品種進行機械粒收氣候適宜性分析，相較于單一品種，可降低品種差異對機械粒收氣候適宜性的影響，使結果更具有區域代表性。本文基于黃兆福等[25]確定的東北地區29個主栽中晚熟春玉米品種參數，模擬當地29個春玉米主栽品種的趨勢含水率；TT為授粉? 計算籽粒含水率期間≥0℃積溫（℃·d）。

根據玉米籽粒脫水特征，春玉米脫水可分為兩個階段，第一階段為生理成熟前與灌漿相關的“生理脫水”，第二階段為生理成熟后籽粒水分的散失過程，兩個階段籽粒脫水的主要環境影響因子存在差異[30?31]。氣象含水率采用高尚等[29]基于田間試驗確定的回歸模型進行模擬，分為生理成熟前（Climate_MC1）和生理成熟后（Climate_MC2），預測模型分別為

式中，x1、x2和x3分別為授粉?生理成熟期的日平均氣溫（℃）、平均風速（m·s?1）和平均蒸發量（mm）；x4和x5分別為生理成熟期?測定含水率日期的日平均氣溫（℃）和平均空氣相對濕度，其中相對濕度采用小數形式。日蒸發量用參考作物蒸散量表示，采用Penman-Monteith公式計算[32]，即

式中，ET0為日參考作物蒸散量（mm）；Rn為到達作物表面的凈輻射（MJ·m?2·d?1）；G為土壤熱通量密度（MJ·m?2·d?1），取值為0；T為作物冠層2m高處的空氣溫度（℃）；U2為作物冠層2m高處的風速（m·s?1）；ed為飽和水汽壓（kPa）；eα為實際水汽壓（kPa）；Δ為水汽壓對溫度的斜率（kPa·℃?1）；γ為干濕球常數。其中，Rn、G、Δ和U2通過氣象臺站觀測資料計算求得。

1.3.2 劃分機械粒收氣候適宜區的標準

以秋季日最低氣溫低于0℃的第一天確定各氣象站未來40a（2021?2060年）逐年初霜日[33]，基于以上籽粒含水率計算方法，分別計算各年份29個中晚熟品種初霜日前一天的春玉米籽粒含水率。在某一站點，若某一品種某年初霜日前籽粒含水率可降至25%（即MC≤25），則認為該地區在該年份對這一品種可進行機械粒收[25]。在此基礎上考慮累積概率，進行單一品種機械粒收適宜區的劃分，即將未來40a內有0～20%、20%～50%、50%～80%和80%以上年份可進行機械粒收的區域分別劃分為該品種的機械粒收氣候不適宜區、次適宜區、適宜區和最適宜區。

對于各個地區，如果29個品種均屬于同一等級適宜區，則定義該地區為春玉米中晚熟品種的機械粒收該等級適宜區，如某一站點，所有品種均為最適宜區，則該地區為春玉米中晚熟品種的機械粒收最適宜區。如果不同品種所屬適宜區等級不一致，則定義為敏感帶。最適宜區與適宜區的敏感帶為敏感帶一，即該地區對于一部分品種屬于最適宜區，對于另一部分品種則屬于適宜區。類似地，最適宜區、適宜區與次適宜區的敏感帶為敏感帶二，次適宜區與不適宜區的敏感帶為敏感帶三。本文確定了50%與80%品種保證率的機械粒收氣候適宜區，即得出的機械粒收氣候適宜區分別對于50%與80%品種是滿足的，生產者可基于自身的風險承擔程度選擇是否選用機械進行春玉米中晚熟品種的籽粒收獲。

1.4 數據處理

采用R語言計算初霜日和籽粒含水率，采用ArcGIS 10.6制作氣候適宜區空間分布示意圖。

2 結果與分析

2.1 未來氣候情景下單一品種機械粒收氣候適宜區分析

由圖2可見，RCP4.5氣候情景下，東北地區29個中晚熟春玉米品種機械粒收的氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區均表現出相同特點即依次由西南向東北延伸，適宜性整體較差，氣候最適宜區和適宜區主要位于遼寧省和吉林省。不同春玉米品種間，機械粒收氣候適宜區空間差異較大，其中迪卡159、ND865、澤玉501和東單507機械粒收氣候適宜性最差，僅大連最適宜機械粒收，適宜區位于遼寧省最南部。金珠58、德育919、澤玉8911和京農科728等品種機械粒收氣候適宜性較高，氣候不適宜區主要位于海拔較高的吉林省東南部、黑龍江省東南部和緯度較高的黑龍江省北部地區，氣候最適宜區與適宜區位于遼寧省、吉林省西部和黑龍江省西南部。圖3顯示，RCP8.5氣候情景下機械粒收氣候適宜區空間分布特征與RCP4.5一致，但相較于RCP4.5，RCP8.5氣候情景下最適宜區與適宜區面積更大，機械粒收氣候適宜性更高。

2.2 未來氣候情景下機械粒收氣候適宜區北界及其敏感帶分析

圖4為RCP4.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區不同春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜區北界變動范圍及敏感帶分布。其中，圖4a、b和c分別為最適宜區、適宜區和次適宜區北界變動范圍。由圖可知，機械粒收氣候最適宜區北界范圍主要為遼寧省除清原、桓仁外的所有區域和吉林省西部，即黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、四平、遼寧省開原、章黨、本溪和寬甸一帶及其以西地區。機械粒收氣候適宜區北界變動范圍位于吉林省除南部外的所有區域和吉林省西部以及黑龍江省西南部和東部的富錦、寶清和虎林一帶，即適宜區變動范圍南界為遼寧省興城、錦州、營口和莊河一帶以北，北界為黑龍江省的齊齊哈爾、安達、哈爾濱、吉林省的三岔河、長春、清原和桓仁一帶。機械粒收氣候次適宜區北界變動范圍位于遼寧省東北部、吉林省除東南部外的所有區域和黑龍江省，變動范圍的南界位于遼寧省開原、章黨、本溪、寬甸一帶以南，最東可至吉林省東南部山地地區，即臨江、靖宇、敦化、牡丹江和延吉一帶。圖4d為RCP4.5氣候情景下機械粒收氣候適宜區北界變動范圍敏感帶。由圖可知，遼寧省興城、錦州、營口和莊河一帶以北，彰武、沈陽和丹東一帶及其以南為敏感帶一（最適宜區與適宜區敏感帶），即對部分品種該地區為最適宜區，對于部分為適宜區。黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、四平一帶及其以西和遼寧省的寬甸、本溪、章黨和開原一帶為敏感帶二（最適宜區、適宜區與次適宜區的敏感帶），即對于部分品種為最適宜區，部分為適宜區，部分為次適宜區。黑龍江省齊齊哈爾、安達、哈爾濱、吉林省三岔河、長春、遼寧省清原和桓仁一帶為敏感帶三（次適宜區與不適宜區的敏感帶），即對于部分品種該帶為次適宜區，另一部分為不適宜區。

圖5為RCP8.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區春玉米中晚熟品種機械粒收氣候適宜區北界變動范圍及敏感帶分布。圖5a、b和c分別為最適宜區、適宜區和次適宜區北界變動范圍，圖5d為氣候適宜區北界變動范圍敏感帶。由圖可知，RCP8.5氣候情景下，不同品種最適宜區北界變動范圍為黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、長春、章黨和寬甸一帶及其以西地區。適宜區北界范圍為朝陽、阜新、沈陽、本溪和岫巖一帶及其以北，黑龍江齊齊哈爾、安達、綏化、哈爾濱、吉林省梅河口、遼寧省桓仁一帶及其以西地區以及黑龍江省佳木斯、富錦、寶清、虎林和綏芬河一帶。次適宜區北界變動范圍與RCP4.5氣候情景下一致。朝陽、阜新、彰武、沈陽和岫巖一帶為敏感帶一。敏感帶二與RCP4.5氣候情景下一致，敏感帶三相較于RCP4.5氣候情景增加了吉林省梅河口和黑龍江省佳木斯和綏芬河等地。

注：對任一品種，最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區分別指未來40a內有80%以上、50%～80%、20%～50%和0～20%年份可進行機械粒收的區域，該品種在某年可進行機械粒收的判斷指標為：該年初霜日前玉米籽粒含水率可降至25%（即MC≤25%）。下同。

Note: For each variety, the very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones refer to the regions where maize kernel can be harvested mechanically with more than 80%, 50%?80%, 20%?50% and 0?20% of the future 40 years . The judgment index for mechanical kernel harvesting of this variety in a certain year is that the grain moisture content can be reduced to 25% (i.e. MC≤25%) before the first frost day. The same as below.

圖3 RCP8.5氣候情景下未來（2021?2060年）中晚熟春玉米品種（29個）機械粒收氣候適宜區

2.3 未來氣候情景下基于多品種的機械粒收氣候適宜區綜合劃分

圖6為RCP4.5和RCP8.5氣候情景下未來40a（2021?2060年）東北地區50%與80%中晚熟春玉米品種的機械粒收氣候適宜區分布及面積占比。表1為各氣候適宜區的經緯度范圍和包含的實際春玉米種植面積及占比。結合圖6和表1可知，RCP4.5氣候情景下，50%春玉米品種的機械粒收氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區面積分別占研究區域面積的5.9%、8.3%、18.9%和66.8%。其中，最適宜區位于遼寧省南部，即綏中、興城、錦州、黑山、鞍山和莊河一帶及其以南，最北可達北緯42.0°，最東可達東經123.4°。適宜區位于遼寧省北部與中部，即葉柏壽、朝陽、阜新、彰武、沈陽、本溪、岫巖和丹東一帶以及吉林省雙遼地區，最北可達北緯43.0°，最東可至東經124.7°。次適宜區位于黑龍江省西南部和吉林省西北部以及遼寧省東部，即黑龍江省泰來、安達、哈爾濱、吉林省長春和四平一帶及其以西以及遼寧省的開原、章黨和寬甸一帶，最北可達北緯47.8°，最東可至東經127.1°。不適宜區位于黑龍江省除西南部外的所有區域以及吉林省東部、南部和遼寧省清原、桓仁等地。80%春玉米品種機械粒收氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區面積占研究區域面積分別為1.8%、8.9%、10.9%和78.5%。最適宜區位于遼寧省南部的營口、熊岳、瓦房店和莊河一帶及其以南地區，最北可達北緯41.0°，最東可至東經123.3°。適宜區位于遼寧省西部和中部，即阜新、黑山、沈陽、鞍山、丹東一帶及其以西地區，最北可達北緯42.7°，最東可至東經124.4°。次適宜區位于吉林省西部、遼寧省中部地區，即吉林省白城、前郭爾羅斯、雙遼和四平一帶及其以西以及遼寧開原、彰武、本溪和岫巖一帶，最北可達北緯46.2°，最東可至東經125.2°。不適宜區位于黑龍江省、吉林省除西北外的所有區域以及遼寧省東部地區。

圖4 RCP4.5氣候情景下未來（2021?2060年）東北地區中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區北界范圍及敏感帶分布

注：圖a、b和c分別為29個中晚熟春玉米品種氣候最適宜區、適宜區和次適宜區北界范圍，圖d顯示各適宜區的敏感帶，最適宜區與適宜區的敏感帶為敏感帶一，即該地區對于一部分品種屬于最適宜區，對于另一部分品種則屬于適宜區。類似地，最適宜區、適宜區與次適宜區的敏感帶為敏感帶二，次適宜區與不適宜區的敏感帶為敏感帶三。下同。

Note: Fig.a, Fig.b and Fig.c are respectively the ranges of northern boundaries of very suitable, suitable and moderately suitable zone for 29 middle-late maturing spring maize varieties, Fig.d shows the sensitive regions of suitable zones. The sensitive region of the very suitable and suitable zones is the sensitive region Ⅰ, that is, the region belongs to very suitable zone for some varieties and suitable zone for others. Similarly, the sensitive region of very suitable, suitable and moderately suitable zone is the sensitive zone II, and the sensitive region of moderately suitable zone and marginally suitable zone is the sensitive zone III. The same as below.

RCP8.5氣候情景下，50%品種機械粒收最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區面積分別占研究區域面積的11.2%、4.7%、18.0%和66.2%。最適宜區位于遼寧省中部、西部和南部，即彰武、沈陽、鞍山、莊河和丹東一帶及其以西以南地區，最北可達北緯42.8°，最東可至東經124.5°。適宜區位于吉林省雙遼、四平、遼寧省本溪和岫巖一帶，最北可達北緯44.8°，最東可至東經124.72°。次適宜區位于黑龍江省泰來、哈爾濱、吉林省三岔河、長春一帶及其以西地區以及遼寧省開原、章黨和寬甸一帶，最北可達北緯47.7°，最東可至東經127.2°。不適宜區位于黑龍江省齊齊哈爾、安達、尚志、吉林省梅河口、遼寧省清原、桓仁一帶及其以東以北地區。80%春玉米品種機械粒收氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區面積分別占研究區域面積的5.9%、6.6%、12.8%和74.7%。最適宜區位于遼寧省南部的葉柏壽、錦州、黑山、鞍山和莊河一帶及其以南地區，最北可達41.9°，最東可至東經123.3°。適宜區位于遼寧省朝陽、阜新、彰武、沈陽、岫巖和丹東一帶，最北可達北緯42.9°，最東可至東經124.5°。次適宜區為黑龍江省泰來、吉林省前郭爾羅斯、長春、四平一帶及其以西，以及遼寧省開原和本溪一帶，最北可達北緯46.7°，最東可至東經125.3°。不適宜區位于遼寧省東北部、吉林省中部、東部和黑龍江省。

圖5 RCP8.5氣候情景下未來（2021?2060年）東北地區中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區北界范圍及敏感帶分布

圖6 RCP4.5(a)和RCP8.5(b)氣候情景下未來（2021?2060）東北地區50%(1)與80%(2)中晚熟春玉米品種機械粒收氣候適宜區劃分及其面積占比

注：餅狀圖為各級適宜區面積占研究區域即春玉米潛在種植區面積的比例。

Note:The pie chart shows the proportion of the suitable areas at all levels to the potential planting area of spring maize in the study area.

表1 多品種綜合機械粒收氣候適宜區的經緯度范圍及其目前實際種植面積和占比

注：“面積”為各級適宜區內包含的春玉米實際種植面積，“占比”為各級適宜區內春玉米實際種植面積占整個研究區域內春玉米實際總種植面積的比例。

Note: "Area" in the table refers to the actual planting area of spring maize included in the appropriate areas, and "Percentage" refers to the proportion of the actual planting area of spring maize in the appropriate areas to the actual total planting area of spring maize in the whole study area.

RCP4.5氣候情景下，50%春玉米中晚熟品種的機械粒收氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區分別占研究區域內春玉米總種植面積的7.9%、11.2%、24.9%和55.9%，80%品種的各級氣候適宜區占比分別為2.2%、11.9%、13.7%和72.3%。RCP8.5氣候情景下，50%春玉米中晚熟品種的各級機械粒收氣候適宜區占比分別為15.3%、6.1%、24.1%和54.6%，80%春玉米品種各級適宜區占比分別為7.7%、8.8%、16.9%和66.6%。在RCP4.5氣候情景下，最適宜區與適宜區內包含的春玉米種植面積占研究區域總種植面積的比例在50%與80%品種保證率下分別為19.1%和14.0%，RCP8.5氣候情景下分別為21.4%和16.6%，說明RCP8.5氣候情景下春玉米機械粒收氣候適宜性較RCP4.5情景強。在兩個氣候情景下，50%與80%品種保證率各級適宜區經緯度范圍以及各區域面積占比存在較大差異，因此未來可選育種植生育期更短、脫水速率更快的適宜機械粒收品種，以提高機械粒收的質量和效率。

3 結論與討論

3.1 討論

近50a東北地區呈現暖干化趨勢，年平均氣溫和春玉米生長季內平均氣溫每10a分別升高0.38℃和0.14℃，降水量分別減少8.5mm和8.0mm[26, 34]。IPCC第六次評估報告指出，未來幾十年氣候將持續變暖[35]。對于東北地區，未來氣候變暖使春玉米種植北界大范圍北移，中晚熟品種種植范圍北擴至黑龍江省的最北部地區[36]。溫度和降水是影響玉米籽粒脫水最主要的因素，未來氣候持續變暖將進一步影響東北地區春玉米機械粒收的氣候適宜性。因此，本研究基于未來氣候情景數據和當地主栽中晚熟春玉米品種，分析未來氣候變化下機械粒收的氣候適宜區，可為當地未來合理推廣應用機械粒收技術提供參考，同時，基于東北地區未來情景數據與春玉米生育期數據，通過預測不同春玉米品種初霜日前的籽粒含水率，確定了29個中晚熟春玉米品種2021-2060年機械粒收的氣候適宜區，結果表明，不同春玉米中晚熟品種的機械粒收氣候適宜區空間分布差異較大，說明在相同的脫水環境下，東北地區春玉米機械粒收適宜性受春玉米品種脫水特性影響較大，這與王克如等[20]的結論一致。基于當前遼河流域地區的主栽品種，在兩個氣候情景下未來40a春玉米機械粒收最適宜區和適宜區北界均主要位于遼寧省，總體氣候適宜性較低，說明東北地區近年多選種生育期較長、收獲前可用于籽粒脫水的時間較短的春玉米品種，這與黃兆福等[25]的研究結果一致，當前遼河流域主栽春玉米品種含水率降至適宜機械粒收的積溫需求高于國審適宜機械粒收品種，在當地常規收獲期無法實現高質量機械粒收[34, 37]。因此，未來可通過選育和種植脫水速率快、生育期相對較短的春玉米品種，尤其是對于各個敏感帶，選種合適的品種可提高機械粒收的適宜性，利于機械粒收的高質量應用。

玉米籽粒脫水速率在品種間存在由基因型控制的可遺傳差異，與苞葉薄厚和松緊、果穗大小和長短、穗軸粗細以及籽粒長度等植株性狀相關，同時受空氣濕度、溫度和降水量等氣象因素以及種植密度、水肥管理和播期等栽培措施的影響[20]。本文采用趨勢含水率與氣象含水率分離的方式，主要基于氣象條件估算初霜日前春玉米的籽粒含水率，從而確定東北地區機械粒收氣候適宜區，其中氣象含水率由前人在黃淮海地區確定的玉米籽粒含水率與氣象因子的回歸關系模型進行初步計算，不同品種與氣象因子間相互作用的差異性以及栽培管理措施的影響可能導致估算的氣象含水率存在不確定性，因此，未來需融合更多的試驗數據進一步確定不同生態區春玉米與氣象條件的定量關系，進行更準確的氣象含水率計算。采用積溫?含水率預測模型（Logistic power模型）模擬玉米籽粒趨勢含水率，可對趨勢含水率進行較好的預測。前人研究表明，通過調整播期、增大玉米種植密度和控制氮肥量等可以在熱量限制區域加快玉米干物質累積速率，減小生理成熟時玉米籽粒含水率[38?40]。統計模型無法較好地反映不同管理措施下籽粒的脫水差異，未來可通過結合數理模型與作物生長模型模擬的方式，在確定玉米籽粒脫水生理過程的基礎上預測不同管理措施下的玉米籽粒含水率，進一步探索機械粒收的適宜性。此外，重點分析東北地區中晚熟品種未來機械粒收氣候適宜性，對于東北地區中南部地區，采用當前多個品種確定未來機械粒收適宜區具有較好的代表性，但對于黑龍江省等因未來氣候變暖、熱量增加而新增的中晚熟種植區，熱量條件不能滿足籽粒脫水的熱量要求，可能導致低估了這些區域的機械粒收適宜性。例如德美亞系列品種具有抗性強、適應性廣、耐密植、脫水快、產量高、品質好并適宜機械化收獲的特點，引進后在黑龍江省、吉林省等地得到迅速推廣[41]。未來可通過在該地區開展系列試驗研究工作，明確其籽粒脫水速率與氣象因子的關系，進一步明確黑龍江省等地的機械粒收氣候適宜性并進行氣候適宜分區，為機械粒收在黑龍江省的推廣應用提供參考。

3.2 結論

未來40a不同春玉米品種的氣候最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區均表現為由西南向東北延伸的空間分布特征，對于氣候適宜性較強的品種，不適宜區主要位于高海拔的吉林省東部山區（長白、東崗和松江一帶）和高緯度的黑龍江省北部地區。兩個氣候情景下，未來40a最適宜區北界范圍主要為遼寧省除清原、桓仁外的所有區域和吉林省西部；適宜區北界變動范圍位于吉林省除南部外的所有區域和吉林省西部以及黑龍江省西南部；次適宜區北界變動范圍位于遼寧省東北部、吉林省除東南部外的所有區域和黑龍江省。RCP4.5氣候情景下，50%和80%春玉米品種的最適宜區位于遼寧省南部，最北分別可達北緯42.0°和41.0°，最東可達東經123.4°和123.3°，包含的春玉米種植面積分別占研究區域內春玉米總種植面積的7.9%和2.2%；適宜區位于遼寧省北部與中部，最北可至北緯43.0°和42.7°，最東可至東經124.7°和124.4°，包含的春玉米種植面積占比分別為11.2%和11.9%。RCP8.5氣候情景下，未來40a內50%和80%品種的最適宜區遼寧省西部和南部，最北分別可達北緯42.8°和41.9°，最東可至東經124.5°和123.3°，包含的春玉米種植面積占比分別為15.3%和7.7%；適宜區位于遼寧省北部和吉林省西南部，最北分別可達北緯44.8°和42.9°，最東可至東經124.7°和124.5°，包含春玉米種植面積占比分別為6.1%和8.8%。兩個氣候情景下，氣候不適宜區和次適宜區位于黑龍江省和吉林省以及遼寧省東北部。

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Climate Suitable Zones for Mechanical Kernel Harvesting of Middle-late Maturing Spring Maize in Northeast China under Future Climate Scenarios

SU Zheng-e, LIU Zhi-juan, YANG Wan-rong, ZHU Guang-xin, SHI Deng-yu, YANG Xiao-guang

(College of Resources and Environment Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Fully mechanized maize production has been trending in China, and using agricultural machinery to harvest maize grains is the focus of the transformation of maize production methods. Grain moisture content is the main factor affecting mechanical kernel harvesting, which is mainly affected by the agronomic characteristics of maize, ecological meteorological factors at the late growth stage, cultivation and management practice and other factors. Northeast China (NEC) is one of the main maize production regions and is the most sensitive regions to climate change in China. Clarifying the climate suitability and suitable zones for mechanical maize kernel harvesting in NEC under future climate conditions can provide scientific basis for improving the mechanization level of maize production and realizing the fully mechanized maize production in the future. In this study, based on the predicted climate data of 2021?2060 under two greenhouse gas concentration scenarios of RCP4.5 and RCP8.5 (the radiation forcing levels will reach 4.5W·m?2and 8.5W·m?2by 2100, which representing medium and high emission scenario, respectively) and the growth period data of spring maize, the northern boundaries of climate suitable zones for mechanical kernel harvesting of currently widely planted 29 middle-late spring maize varieties were determined using the kernel moisture content prediction models, and further the multi-variety based climate suitable zones were analyzed for the future 40 years. The results showed that climate very suitable, suitable, moderately suitable and marginally suitable zones for mechanical kernel harvesting will extend from southwest to northeast in NEC. And among different varieties, the northern boundaries of climate suitable zones fluctuate from the southwest to the southeastern mountainous areas of Jilin province (Changbai, Donggang and Songjiang areas) and the northern high latitude areas of Heilongjiang province. Under RCP4.5 (RCP8.5) climate scenario, the very suitable zones for 50% and 80% of middle-late maturing spring maize varieties located in the southern part of Liaoning province (the western and southern parts of Liaoning province). The northernmost can reach 42.0°N and 41.0°N (42.8°N and 41.9°N) latitude, and the easternmost can reach 123.4°E and 123.3°E (124.5°E and 123.3°E) longitude, respectively. The areas account for 5.9% and 1.8% (11.2% and 5.9%) of the potential growing area of spring maize in NEC, respectively. Suitable zones located in the northern and central parts of Liaoning province (the northern part of Liaoning province and southwestern part of Jilin province), with the northernmost reaching 43.0°N and 42.7°N (44.8°N and 42.9°N) latitude, the easternmost reaching 124.7°E and 124.4°E (124.7°E and 124.5°E) longitude, and the areas accounting for 8.3% and 8.9% (4.7% and 6.6%) of potential growing area of spring maize, respectively. In the future 40 years, compared with the RCP4.5 climate scenario, the middle-late maturing varieties of spring maize under RCP8.5 climate scenario have stronger climatic suitability for mechanical kernel harvesting, but the climate very suitable and suitable zones under the two climate scenarios are both small. The climate suitable zones for mechanical kernel harvesting will differ greatly between varieties, so varieties with short growth periods and fast dehydration rates which are suitable for mechanical kernel harvesting should be selected to improve the quality and efficiency of mechanical kernel harvesting in the future.

Spring maize; Kernel dehydration; Mechanical kernel harvesting; Climate suitable zones; Climate change; Northeast China

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.08.001

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2022?09?23

國家重點研發計劃項目（2019YFA0607402）

劉志娟，副教授，博士，博士生導師，主要從事氣候變化對農業影響與適應研究，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

蘇正娥，E-mail：suzhenge_cau@163.com