全 文 ：气候变化背景下东北地区热量资源及
玉米温度适宜度*
冶明珠1,2 摇 郭建平2**摇 袁摇 彬2 摇 赵俊芳2
( 1西宁市气象局, 西宁 810016; 2中国气象科学研究院, 北京 100081)
摘摇 要摇 利用 RegCM3 模式输出的东北三省 1951—2100 年日平均温度和最低温度,分析了东
北三省热量资源和玉米不同生育期温度适宜度的时空分布. 结果表明: 1951—2100 年,东北
地区热量资源显著增加,稳定通过 10 益初日不断提前,初日在 4 月 25 日之前的区域北界向
东向北扩展,2071—2100 年辽宁部分地区初日已提前至 3 月 26 日;逸10 益活动积温大于
3000 益·d 的区域面积不断增加,玉米的生长季长度不断增加,适宜种植晚熟玉米的区域面
积不断增加.与 1981—2010 年相比,2011—2100 年,东北三省年均温度将平均升高 3. 34 益 .
1951—2100 年,玉米播种鄄出苗期以及出苗鄄抽雄期的温度适宜度随时间逐渐升高;1951—2040
年,辽宁省玉米抽雄鄄成熟期以及全生育期的温度适宜度较高,而黑龙江省较低;2041—2100
年,辽宁省玉米抽雄鄄成熟期以及全生育期的温度适宜度逐渐降低,吉林省东部和黑龙江省呈
逐渐增加的趋势.
关键词摇 中国东北地区摇 热量资源摇 玉米摇 温度适宜度
文章编号摇 1001-9332(2012)10-2786-09摇 中图分类号摇 S162. 3,S513摇 文献标识码摇 A
Thermal resources and maize temperature suitability in Northeast China under climate
change. YE Ming鄄zhu1,2, GUO Jian鄄ping2, YUAN Bin2, ZHAO Jun鄄fang2 ( 1Xining Meteorological
Bureau, Xining 810016, China; 2China Meteorological Science Institute, Beijing 100081, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(10): 2786-2794.
Abstract: This paper analyzed the spatiotemporal patterns of thermal resources and of temperature
suitability of maize at its different growth stages in Northeast China, based on the 1951-2100 daily
mean and minimum air temperature from RegCM3. In 1951-2100, the thermal resources in North鄄
east China had an obvious persistent increase, the first day of temperature 逸10 益 continued to be
advanced, and the north boundary line in the zone of the first date of temperature 逸10 益 before
April 25th moved eastward and northward. In 2071-2100, the first date in some areas of Liaoning
Province would advance to March 26th, and the areas with active accumulated temperature 逸10 益
more than 3000 益·d, the length of growth season, and the areas suitable for late鄄maturing maize
planting in Northeast China would increase persistently. In the region, the mean annual temperature
in 2011-2100 would be 3. 34 益 higher than that in 1981-2010. In 1951-2100, there was and
would be an increasing temperature suitability of maize at its sowing鄄heading stage. In 1951-2040,
the maize temperature suitability at heading鄄maturing stage and in whole growth season was and
would be higher in Liaoning Province than in Heilongjiang Province; in 2041-2100, the maize tem鄄
perature suitability at heading鄄maturing stage and in whole growth season would decrease gradually
in Liaoning Province but increase gradually in east Jilin Province and Heilongjiang Province.
Key words: Northeast China; thermal resources; maize; temperature suitability.
*公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106020)和中国气象局气
候变化专项(CCSF鄄09鄄12)资助.
**通讯作者. E鄄mail: gjp@ cams. cma. gov. cn
2011鄄12鄄22 收稿,2012鄄07鄄16 接受.
摇 摇 过去 100 年间全球平均温度上升了 0郾 74 益 [1] . 同期中国平均温度上升 0郾 79 益,高于全球平均增
幅[2] .东北地区作为中国重要的粮食生产基地,其
粮食年均产量占全国粮食总产量的 13% ,其中,玉
米产量占 30% [3] . 随着气侯变化,农业气候资源也
将随之变化[4-7] . 近 50 年来,东北地区作物生长季
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 10 月摇 第 23 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2012,23(10): 2786-2794
内热量资源呈增长趋势,温度上升明显,无霜期和生
长季延长,积温增加,已经对作物生产产生了显著影
响[8-12] .
农作物气候适宜度反映了气象条件对作物生长
发育和产量形成的适宜程度. 有学者结合农业生产
实际,建立气候适宜度函数,并分析评价了某一气候
要素或综合气候特征对水稻[13-14]、冬小麦[15]、玉
米、小麦[16-17]和亚热带地区柑桔[18]等作物生长发
育的影响.但以往的分析研究都建立在历史资料的
基础上,仅限于分析评价历史气候资源以及气候条
件对作物生产的影响.在气候变化背景下,未来农业
气候资源变化将对农业生产,特别是对作物布局等
带来更显著的影响. 因此,本文在以往研究的基础
上,从气候变化导致热量资源变化,以及对玉米熟型
及生育期影响的角度出发,分析未来东北地区农业
热量资源以及玉米温度适宜度的可能变化,为合理
开发和高效利用气候资源,进一步提升气候变化条
件下东北地区农业可持续发展能力提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 数据来源及预处理
本研究数据包括国家气候中心 RegCM3 模式输
出的 1951—2100 年逐日平均气温、最低气温资料、
以及东北地区 101 个台站(黑龙江省 28 个、吉林省
21 个、辽宁省 52 个)1971—2000 年逐日平均气温、
最低气温资料.
利用 FORTRAN 读取 RegCM3 模式东北地区
1951—2100 年的逐日平均气温、最低气温数据;利
用 Matlab双线性插值方法将 RegCM3 模式数据进行
插值得到 1971—2000 年 101 个站点的模式数据;用
1971—2000 年历史数据与模式数据的差值,对东北
地区 1951—2100 年 0郾 25毅 伊0郾 25毅的模式数据进行
订正.
1郾 2摇 研究方法
将 1951—2100 年资料分成 5 个时段进行分析
计 算, 分 别 为 1951—1980 年、 1981—2010 年、
2011—2040 年、2041—2070 年、2071—2100 年.
1郾 2郾 1 玉米生育期的确定摇 本文采用 5 日滑动平均
法确定逐年稳定通过 10 益的初日,并作为玉米适播
期.初霜日为日最低气温臆2 益的初日,将初霜日作
为玉米生长的终止期. 适播期与玉米生长终止期的
间隔天数为玉米生长季.生长季内逸10 益的活动积
温反映了玉米全生育期对热量的要求[6] .对逸10 益
初日、初霜日及生长季长度按 80%保证率取值.
1郾 2郾 2 玉米熟型及不同生育期的确定摇 热量条件改
善可使晚熟玉米品种的安全种植北界北移,种植面
积增加[19-20] .随着热量条件的改变,适宜种植的玉
米熟型将随之发生变化,各生育期出现的时间也将
相应变化.将玉米生育期划分为 3 个发育阶段,即播
种鄄出苗(逸8 益有效积温),出苗鄄抽雄(逸10 益有效
积温),抽雄鄄成熟(将抽雄期订正后逸10 益活动积
温,订正后的抽雄期为 7 月 16 日,抽雄期若提前或
拖后 1 d , 则抽雄至成熟所需活动积温相应增加或
减少 13 益·d). 根据不同叶片数玉米不同生育阶
段所需的有效积温或活动积温(表 1) [21-22],依次确
定玉米熟型以及出苗、抽雄、成熟的日期,并确定因
热量条件不足而不适宜进行玉米种植的区域[23] .
1郾 2郾 3 温度适宜度函数的确定 摇 温度适宜度[24]的
计算公式如下:
S( t) =
[(T - T1)(T2 - T) B]
[(T0 - T1)(T2 - T0) B]
(1)
B = (T2 - T0)(T0 - T1) (2)
式中:T为某一发育阶段的平均气温;T0、T1、T2 为玉
米不同生育阶段的适宜温度、平均最低和最高气温
(表 2) [20];S( t)为温度适宜度. 当 T = T0时, S( t)=
1;T=T1 或 T=T2 时,S( t)= 0;当 TT2 时,S
( t)= 0.温度适宜度随着气温的升高而增长,到达某
一适宜值后,适宜度随温度的升高而迅速下降.
1郾 2郾 4 玉米全生育期温度适宜度摇 玉米全生育期温
度适宜度的计算公式如下:
S(T) =移
3
i = 1
ai·Si( t)摇 ( i = 1,2,3) (3)
式中:ai 为玉米不同生育阶段温度适宜度权重;
S( t)为玉米不同生育阶段温度适宜度;S(T)为玉米
表 1摇 中国东北地区不同熟型玉米不同发育阶段积温指标[21-22]
Table 1摇 Accumulated temperature of different maturity types of maize in Northeast China (益·d) [21-22]
发育期
Developmental stage
叶片数 Leaf number
14 15 16 17 18 19 20 21 22
萌发鄄出苗期 Sowing鄄emergence 100 100 100 100 100 100 100 100 100
出苗鄄抽雄期 Emergence鄄heading 454郾 6 484郾 8 515 545郾 2 575郾 4 605郾 6 635郾 8 666 696郾 2
抽雄鄄成熟期 Heading鄄mature 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500
787210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 冶明珠等: 气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 玉米各生育期的温度指标[25]
Table 2摇 Temperature index in different growing stages of
maize (益) [25]
指标
Index
播种鄄出苗期
Sowing鄄
emergence
出苗鄄抽雄期
Emergence鄄
heading
抽雄鄄成熟期
Heading鄄
mature
平均最低温度 T1 10 12 15
适宜温度 T0 25 26 24
平均最高温度 T2 35 35 30
玉米生育期温度指标在文献作者的指导下进行了修正 The tempera鄄
ture index were amended under the guidance of the author郾
全生育期温度适宜度. 采用相关系数法确定权
重[9] .即计算不同生育阶段温度适宜度之间的相关
系数矩阵,计算每一生育阶段与其他生育阶段相关
系数的平均值,以其平均值占全生育期内所有生育
阶段相关系数平均值总和的比值,作为该生育期的
权重系数 ai .
1郾 2郾 5 玉米各生育期温度适宜度的确定摇 以稳定通
过 10 益初日为玉米播种期,根据不同叶片数玉米所
需要的积温条件(表 1)依次确定 1951—2100 年玉
米的出苗、抽雄、成熟日期.由式(1)、(2)、(3)计算
得到 1951—2100 年玉米不同生育阶段及全生育期
的温度适宜度,对 5 个时段不同生育阶段及全生育
期的温度适宜度进行平均,得到 5 个时段的玉米温
度适宜度.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 东北地区热量资源变化特征
2郾 1郾 1 玉米适播期的变化 摇 1951—1980 年,辽宁省
沿海地区的玉米适播期在 4 月 25 日之前,吉林省中
西部、辽宁省东部部分地区、黑龙江松嫩平原大部、
三江平原部分地区在 5 月 6—15 日,而大兴安岭南
部地区最晚,基本在 6 月上旬;与 1951—1980 年相
比,1981—2010 年吉林省西部地区玉米适播期提前
1 ~ 4 d,黑龙江伊春地区提前 4 ~ 8 d,辽宁省除西
部、北部部分地区外,其他地区无明显变化.
摇 摇 相对于 1981—2010 年,2011—2040 年整个东
北三省玉米适播期将均有所提前,辽宁北部、吉林省
东部地区、黑龙江牡丹江地区将提前 7 ~ 12 d;
2041—2070 年,辽宁南部、黑龙江小兴安岭及三江
平原部分地区将提前 5 ~ 10 d,吉林省长白山及黑龙
江牡丹江东南部将提前 16 ~ 20 d,其他地区将提前
11 ~ 15 d;2071—2010 年,辽宁省南部、黑龙江松嫩
平原北部、小兴安岭地区将提前 9 ~ 15 d,吉林省东
部及黑龙江牡丹江地区将提前 20 d 以上,长白山地
区将提前 26 ~ 30 d(图 1).
图 1摇 中国东北地区玉米适播期(日序)
Fig. 1 摇 Proper seeding time ( days of the year) of maize in
Northeast China郾
a)1951—1980; b)1981—2010; c)2011—2040; d)2041—2070; e)
2071—2100郾 下同 The same below.
8872 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
2郾 1郾 2 生长季内逸10 益积温的变化摇 逸10 益积温
可反映喜温作物所需的热量资源,随着时间的推移,
东北地区逸10 益积温呈显著增加趋势(图 2).
1951—1980 年,辽宁省除西北部地区外,其他
区域逸10 益活动积温均在 3000 益·d以上,吉林省
中西部地区在 2700 ~ 3000 益·d,黑龙江松嫩平原、
三江平原在 2200 ~ 2700 益·d,其他地区小于 2200
益·d. 1981—2010 年,逸10 益活动积温小于 2100
益·d 的区域面积较 1951—1980 年明显减小,逸10
益积温大于 2700 益·d 及大于 3000 益·d 的区域
均有向北向东扩展的趋势.
摇 摇 与 1981—2010 年相比,2011—2040 年大兴安
岭地区逸10 益积温将增加 150 ~ 300 益·d,松嫩平
原南部、吉林省西部将增加 450 ~ 610 益·d,其他地
区将增加 300 ~ 450 益·d;2041—2070 年,吉林省
西部逸10 益积温增加最多,达 1000 益·d,辽宁大
部、吉林省中东部、黑龙江南部地区将增加 800 ~
950 益·d,大兴安岭地区的增幅较小,在 500 ~ 650
益·d;2071—2100 年,吉林省中东部、黑龙江松嫩
平原南部地区逸10 益 积温将增加 1300 ~ 1500
益·d,大兴安岭地区以及黑河和伊春北部地区将增
加 900 ~ 1100 益·d.
2郾 1郾 3 具有 80%保证率的玉米生长季长度的变化摇
生长季长度表示适宜种植玉米的天数,东北三省热
量资源的改善可延长玉米生长季长度. 东北地区不
同时段玉米生长季长度的变化规律与逸10 益积温
的变化趋势基本一致. 1951—1980 年,辽宁省(东北
部地区除外)、吉林省西部、松嫩平原南端、三江平
原部分地区玉米生育期天数大于 140 d,大兴安岭中
西部地区小于 100 d. 1981—2010 年,吉林省中西
部、黑龙江松嫩平原南部达到 140 d 以上,黑龙江省
除大兴安岭、黑河、伊春地区外,均在 126 d 以上.与
1981—2010 年相比,2011—2040 年吉林省东部、黑
龙江三江平原大部、哈尔滨、牡丹江大部分地区玉米
生长季天数将延长 13 ~ 18 d,三江平原西部、黑龙江
西北部地区增幅将达 6 ~ 12 d;2041—2070 年,吉林
省大部分地区将延长 26 ~ 31 d,是增幅最显著的地
区,黑龙江大部分地区将延长 20 ~ 25 d;2071—2100
年,除辽宁省部分地区及黑龙江黑河、伊春北端地区
外,东北三省玉米生长季天数将普遍增加 30 ~ 40 d,
其中,吉林省长白山地区的增幅最多,达 41 ~ 50 d
(图 3).
2郾 2摇 东北地区玉米温度适宜度
2郾 2郾 1玉米播种鄄出苗期温度适宜度摇 1951—2100年,
图 2摇 研究区玉米生长季内逸10 益积温
Fig. 2摇 逸10 益 accumulated temperature in maize growth sea鄄
son in Northeast China郾
987210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 冶明珠等: 气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 中国东北地区玉米生长季天数的变化
Fig. 3 摇 Change of days in maize growth season in Northest
China.
东北地区玉米播种鄄出苗期温度适宜度基本在
0郾 41 ~ 0郾 6;1951—1980 年的适宜度较低,与之相
比,1981—2010 年辽宁省西部部分地区有所升高,
其他地区无明显变化.
与 1981—2010 年相比,2011—2040 年辽宁省
的朝阳、葫芦岛、锦州以及吉林省西部少部分地区的
玉米温度适宜度有所升高;2041—2070 年,整个东
北地区除丹东、大连以及黑龙江伊春北部地区外,其
他地区均有所升高;2071—2100 年,东北大部分地
区均有所升高,仅三江平原地区无明显变化(图 4).
由于玉米播种鄄出苗所需的有效积温为固定值,
因此,当热量资源增加时,玉米此阶段的生长时间将
会随之缩短,温度适宜度将随之升高.温度适宜度的
升高说明东北地区播种鄄出苗阶段的温度条件更适
宜玉米的生长发育.
2郾 2郾 2 玉米出苗鄄抽雄期温度适宜度 摇 随着东北地
区玉米生长季热量条件的改善,玉米出苗鄄抽雄期的
温度适宜度明显提高,温度适宜度在 0郾 91 ~ 1 之间
的区域呈北抬东扩趋势. 2011—2040 年,东北大部
分地区玉米出苗鄄抽雄阶段的温度适宜度较高,整体
而言,西部高于东部;2041—2100 年,温度适宜度在
0郾 91 ~ 1 之间的区域面积进一步扩大 (图 5 ).
1951—2100 年,东北地区玉米出苗鄄抽雄阶段的平均
气温在 13郾 79 ~ 31郾 13 益,且呈升高趋势,此阶段的
温度条件较适宜玉米生长.
2郾 2郾 3 玉米抽雄鄄成熟期温度适宜度 摇 1951—2010
年,东北地区玉米抽雄鄄成熟阶段的温度适宜度由西
南向东北逐渐减小,辽宁南部沿海地区的温度适宜
度最高,达到 0郾 81 以上,随着东北地区热量资源的
增加,温度适宜度在 0郾 81 以上的区域逐渐北抬;
2011—2040 年,辽宁大部分地区、吉林省西部及松
嫩平原南部地区玉米抽雄鄄成熟阶段的温度适宜度
达到最高,其他地区向北向东逐渐减小;2041—2100
年,随着热量资源的增加,辽宁地区、吉林省西部地
区呈下降趋势(主要原因在于玉米抽雄鄄成熟阶段的
平均温度高于该生育期内玉米生长的上限温度),
而吉林省中东部、黑龙江地区开始升高,逐渐达到
0郾 7 以上,热量条件能更好地满足玉米此阶段生长
对热量的需求(图 6).
2郾 2郾 4 玉米全生育期温度适宜度摇 东北地区玉米全
生育期温度适宜度的变化规律与抽雄鄄成熟阶段一
致. 1951—2040 年,辽宁地区玉米全生育期的温度
适宜度最好,玉米生长的温度条件达到最适宜,温度
适宜度逐渐向吉林省中西部、黑龙江地区减小;
0972 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 4摇 中国东北地区玉米播种鄄出苗期的温度适宜度
Fig. 4摇 Maize temperature suitability from sowing to emergence
stage in Northeast China郾
图 5摇 中国东北地区玉米出苗鄄抽雄期的温度适宜度
Fig. 5摇 Maize temperature suitability from sowing date to head鄄
ing stage in Northeast China郾
197210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 冶明珠等: 气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 6摇 中国东北地区玉米抽雄鄄成熟期的温度适宜度
Fig. 6 摇 Maize temperature suitability from heading to maturing
stage in Northeast China郾
图 7摇 中国东北地区玉米全生育期的温度适宜度
Fig. 7摇 Maize temperature suitability in whole growth period in
Northeast China郾
2972 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 8摇 1951—2100 年中国东北地区各省玉米全生育期的温
度适宜度
Fig. 8摇 Temperature suitability in whole growth period of maize
in different provinces of Northeast China from 1951 to 2100郾
a)辽宁省 Liaoning Province; b)吉林省 Jilin Province; c)黑龙江省
Heilongjiang Province郾
2041—2100 年,辽宁地区、吉林西部地区玉米全生
育期温度适宜度开始降低,其他地区开始升高,说明
东北地区春玉米最适宜的热量条件分布区域发生了
显著变化(图 7).
2郾 2郾 5 玉米温度适宜度的时间变化 摇 1951—2050
年,辽宁省玉米温度适宜度呈上升趋势,说明该时段
内玉米生长期的温度条件非常适宜玉米生长,但随
着热量条件的增加,2051—2100 年辽宁省玉米温度
适宜度表现为下降趋势,此时段内玉米生长期的平
均温度达到或超过玉米生长的上限温度. 1951—
2100 年,吉林省玉米温度适宜度逐渐上升,2000—
2080 年,玉米温度适宜度的上升趋势较明显,
2081—2100 年呈缓慢下降趋势. 1951—2100 年,黑
龙江省玉米温度适宜度呈显著上升趋势,即在未来
气候变化背景下,随着热量资源的增加,黑龙江省的
热量条件将能更好地满足玉米生长的需求(图 8).
3摇 讨摇 摇 论
1951—2100 年,中国东北地区热量资源呈增加
趋势,逸10 益初日逐渐提前,玉米生长季不断延长,
生长季内逸10 益积温显著增加,逸10 益积温带向
北向东扩展,积温逸3000 益·d 的区域面积不断增
加,更多的区域可以满足晚熟玉米所需的热量条件;
2071—2100 年,东北全区热量条件均可满足玉米的
生长发育.
1951—2100 年,研究区玉米播种鄄出苗、出苗鄄抽
雄阶段的温度适宜度随时间呈升高趋势;而在
1951—2040 年,玉米抽雄鄄成熟阶段及全生育期的温
度适宜度由西南逐渐向东北部减小,即辽宁省温度
适宜度高而黑龙江省温度适宜度低;2041—2100
年,辽宁地区玉米抽雄鄄成熟阶段及全生育期的温度
适宜度逐渐降低,而吉林东部、黑龙江地区则逐渐
增加.
以往,对于玉米的三基点温度一般不分品种、熟
型,均采用相同的三基点温度.根据目前玉米生产实
际,本文对玉米三基点温度进行了修订.由于不同玉
米品种熟型的三基点温度有所差异,因此利用相同
的三基点温度计算得到的适宜度仍会存在一定
误差.
未来东北南部地区温度适宜度虽然呈降低趋
势,但热量资源增加,玉米生长季仍会延长,因此,可
以通过调整播期,达到趋利避害的目的,这将是今后
继续深入研究的工作之一.
由于受气候情景模式自身的误差以及情景序列
长度的影响,情景模式在对未来气候的预测上存在
一定的不确定性,因此,本研究结果只能为今后东北
地区玉米品种布局调整提供一定的参考.
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作者简介 摇 冶明珠,女,1981 年生,硕士,助理工程师. 主要
从事农业气象服务研究. E鄄mail: yemingzhuu@ gmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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