全 文 ：气候变化对邢台夏玉米的影响及品种适应性*
王泓霏摇 陈新平摇 崔振岭摇 孟庆锋**
(中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193)
摘摇 要摇 研究气候变化对华北平原粮食生产的影响及其机理,对制定有针对性的适应措施以
保证国家粮食安全具有重要意义.应用 Hybrid鄄Maize模型研究了 1981—2010 年气候变化对河
北邢台夏玉米产量潜力的影响及农民采用长生育期品种的适应措施. 结果表明: 研究期间,
邢台地区气温显著上升,平均温度上升速度达 0. 49 益·10 a-1;日照时数和太阳辐射显著降
低,降幅分别达 0. 56 h·d-1·10 a-1和 265. 1 MJ·m-2·10 a-1;降水量相对稳定,但年际间波
动较大.在该气候背景下,利用 20 世纪 80 年代典型夏玉米品种模拟发现,21 世纪初灌溉与雨
养条件下夏玉米产量潜力均显著下降,降幅高达 0. 63 ~ 0. 64 Mg·hm-2·10 a-1 .产量潜力的
降低主要是生育期内太阳辐射下降和由温度升高导致的生育期缩短共同作用的结果.其中,
太阳辐射下降对产量下降的贡献较大,高达 60% .在实际生产中,农民采用长生育期品种来适
应气候变暖. 21 世纪初主要夏玉米品种出苗到生理成熟期有效积温比 20 世纪 80 年代增加
19% (280 益),相应灌溉和雨养玉米产量潜力提高了 34% ~40% (2. 73 ~ 3. 40 Mg·hm-2) .
关键词摇 产量潜力摇 华北平原摇 品种适应性摇 气候变化摇 玉米
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0155-07摇 中图分类号摇 S162. 3摇 文献标识码摇 A
Impacts of climate change on summer maize production and adaptive selection of varieties in
Xingtai County, Hebei, China. WANG Hong鄄fei, CHEN Xin鄄ping, CUI Zhen鄄ling, MENG
Qing鄄feng (College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing
100193, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 155-161.
Abstract: Understanding the impacts of climate change on agriculture production and the underly鄄
ing mechanism in North China Plain is important to take effective adaptations for national food secu鄄
rity. Using Hybrid鄄Maize model, this paper investigated the impacts of climate change on summer
maize yield potential and famers爷 adaptation by changing varieties with longer growth periods from
1981 to 2010 in Xingtai County, Hebei Province. Results showed a significant warming trend with
the average temperature increasing by 0. 49 益·10 a-1 since the 1980s. Both solar radiation and sun鄄
shine hours decreased significantly since the 1980s. The sunshine hours decreased by 0. 56 h·d-1·
10 a-1 and the solar radiation decreased by 265. 1 MJ·m-2·10 a-1, while the precipitation kept
constant with large variation among years since 1981. Yield potentials of both irrigated and rainfed
maize were simulated to decrease by 0. 63-0. 64 Mg·hm-2·10 a-1 since 1981 if varieties were as鄄
sumed fixed with the 1980s. This was mainly due to the decrease of solar radiation during the maize
growth season and the shortened growth stage by warming, and around 60% of grain yield decrease
was attributed to the decreased solar radiation. In practice, by changing varieties with longer growth
periods, the growing degree days of varieties adopted by local farmers since the 2000s increased by
19% (280 益) compared to the 1980s, and consequently the yield potential was simulated to in鄄
crease by 34% -40% (2. 73-3. 40 Mg·hm-2) for both irrigated and rainfed maize.
Key words: yield potential; North China Plain; variety adaptation; climate change; maize.
*国家玉米产业体系项目(CARS鄄02鄄24)和公益性行业(农业)科技
专项(201103003)资助.
**通讯作者. E鄄mail: mengqfcau@ gmail. com
2013鄄05鄄02 收稿,2013鄄10鄄25 接受.
摇 摇 近年来气候变化对于农业生产和粮食安全的影 响已经成为国际社会关注的重大问题. 在全球尺度
上由于温度升高,导致 20 世纪 80 年代以来小麦和
玉米分别减产 5. 5%和 3. 8% [1] .大量研究表明,作
物产量的降低主要由于温度升高所引起.如 1978—
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 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
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 155-161
2005 年,平均温度每上升 1 益,美国玉米减产
7% [2];1992—2003 年,水稻生长季最低温度每上升
1 益,导致菲律宾的水稻产量减少 10% [3];温度每
上升 1 益,导致我国小麦产量下降 3% ~ 10% [4] .由
此可见,过去温度升高等气候因子的变化已经给粮
食生产带来了显著的不利影响. 研究气候变化对粮
食生产的影响及其机理,有利于制定合理的措施来
适应气候变化、提高产量,从而保证国家的粮食
安全.
华北平原是我国气候变化敏感区域,也是我国
重要的粮食生产基地,近年来该区气候发生了明显
变化[5] . 20 世纪 70 年代以来,华北平原增温速率高
达 0. 25 益·10 a-1,高于全国 50 年以来的平均增幅
(0. 22 益·10 a-1).年降水量除华北东南部呈增加
趋势外,我国其他大部分地区表现为减少趋势[6-7] .
与全国其他传统粮食生产基地不同,该区经济发展
迅速,环境污染加剧,造成大气中气溶胶颗粒物等成
分显著增加,这可能在一定程度上会导致日照时数
和太阳辐射的显著下降[8] .研究该区特定的气候因
子变化对粮食生产的影响,有利于分辨出导致产量
变化的主要原因,从而为进一步指导当地农业生产
适应气候变化提供可能.
以往有些研究报道了华北地区气候变化及其对
农业生产的影响[9-13] .然而,关于气象因素变化(辐
射、温度和降雨等)对产量影响的贡献分析相对较
少,且农民应对气候变化适应性措施的相关研究也
较欠缺.了解气候因素变化对产量的影响,并且理解
农民的主动适应性措施,有利于在未来制定有针对
性的措施,使农业生产尽可能地适应气候变化.本文
以地处华北平原腹地的河北省邢台市为例,研究了
1981—2010 年气候变化对夏玉米生产的影响,进一
步分析温度、降水、太阳辐射变化对产量的相对贡
献,并结合当地农民在近年来采用的新品种,分析了
新品种对玉米产量提高的贡献.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
邢 台 市 ( 36毅 50忆—37毅 47忆 N, 113毅 52忆—
115毅49忆 E)地处河北省南部,位于太行山脉南段东
麓冲积平原,是华北平原典型的一年两熟制度的农
业主产区.此区属温带大陆性季风气候,年均气温
13. 9 益,最冷月平均气温 2. 6 益,最热月平均气温
27. 6 益;年均降水量 493. 4 mm,其中,5—10 月降水
量(435. 3 mm)占全年降水量的 88% ;年均相对湿
度 62% ,年均无霜期 157. 8 d,年日照时数2438. 2 h,
年均风速 1. 9 m·s-1,年均蒸发量 1975. 8 mm[14] .
1郾 2摇 数据来源
邢台站点 1981—2010 年逐日气象数据来自中
国气象科学数据共享服务网(http: / / www. cma. gov.
cn),主要包括平均温度、最高温度、最低温度、日照
时数、降水量、平均风速和平均相对湿度. 作物种植
信息资料主要来自文献[15-17],包括 20 世纪 80
年代、21 世纪初夏玉米的品种、播种日期与播种密
度等.
根据种植信息,本文利用 Hybrid鄄Maize 模型输
入当地气象数据及玉米关键生育期(出苗、吐丝与
成熟)或生育期天数,计算各玉米品种从出苗至成
熟逸10 益有效生长积温(GDD) [18-19] . 20 世纪 80 年
代,河北省夏玉米主要品种包括鲁原单 4 号、冀单
17 号、鲁玉 3 号、冀单 10 号、京早 7 号、掖单 2 号
等[16-17],生育期天数分别为 85、89、90、91、93、98 d,
GDD分别为 1397、1446、1458、1470、1482、1551 益,
该时期的品种主要为早熟品种,平均生育期天数为
91 d,GDD平均为 1470 益,当地夏玉米播期在 6 月
15 日左右[15],种植密度设置为每公顷 60000 株[17] .
21 世纪初,河北省夏玉米品种典型代表为郑单 958,
GDD为 1750 益,该时期品种的播期和种植密度与
20 世纪 80 年代相同.
1郾 3摇 Hybrid鄄Maize 模型
Hybrid鄄Maize 模型是由美国 Nebraska鄄Lincoln
大学开发的玉米生长模型. 该模型集合了作物通用
型(如 INTERCOM) 和玉米专用型 (如 CERES鄄
Maize)两种作物模型的优点.同时,该模型开发了一
些新的模块,形成了基于玉米生长过程模拟的机理
模型,用于模拟优化和水分条件限制下的玉米生长
发育过程[20-22] .该模型已经在我国很多地区得到较
好验证并进行了大面积应用[23-24] .
Hybrid鄄Maize模型需要输入的气象数据包括日
最高气温、日最低气温、降水量、太阳辐射(或日照
时数)、相对湿度和平均风速.运行过程可选择不同
模式(多年或单一年份),结合种植信息,输入相应
的播种日期、品种 GDD(或出苗日期、吐丝期和成熟
日期)、种植密度、水分管理(优化或者雨养)等,即
可进行模拟.
本文首先对 Hybrid鄄Maize 模型进行校验和适用
性评价.试验地点在河北省曲周县中国农业大学实
验站(紧邻邢台市),试验年份为 2008 年,土壤质地
为壤土. 种植玉米品种为登海 3719 ( GDD =
651 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 25 卷
1843 益),5 月 26 日播种,播种密度为每公顷 85000
株.试验中采用优化管理以保证夏玉米整个生长季
不受水分和养分供应的影响,同时有效控制杂草、病
虫害等.田间试验设置 4 次重复,随机区组排列. 关
键生育期记录包括播种、出苗、吐丝期、成熟期.取样
日期包括二叶期(6 月 12 日)、六叶期(6 月 28 日)、
十叶期(7 月 11 日)、吐丝期(7 月 29 日)、乳熟期(8
月 13 日)、乳熟后 17 天(8 月 30 日)、收获前 15 天
(9 月 12 日)、收获期(9 月 25 日).测试项目主要包
括总生物量和籽粒产量.
模型应用邢台站点 2008 年气象数据,输入玉米
生长季关键生育期(出苗期:6 月 1 日;吐丝期:7 月
29 日;成熟期:9 月 25 日)、播种密度,并选择优化处
理进行玉米生长季的模拟. 由玉米生长过程中模拟
与田间实测总生物量以及籽粒产量的动态变化可以
看出,Hybrid鄄Maize 模型能够较好地模拟玉米的生
长和产量形成过程(图 1).
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2007 软件进行数据处理和
图表制作.用 SPSS 18. 0 软件进行线性回归分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 1981—2010 年河北邢台的年际气候变化
1981—2010年,邢台地区平均温度和最低温度
图 1摇 基于 Hybrid鄄Maize 模型的总生物量(玉)和籽粒产量
(域)模拟值(a)与实测值(b)
Fig. 1摇 Simulated (a) total biomass (玉) and grain yield (域)
based on Hybrid鄄Maize model and observed value (b).
都呈显著上升趋势,最高温度变化不显著.其中,最低
温度每 10 年升高 0. 80 益,平均温度每 10 年升高
0郾 49 益.期间,年均降水量 496. 5 mm,年际波动较大,
变异系数高达 28% .日照时数和太阳辐射均显著减
少.其中,日照时数减幅为 0. 56 h·d-1·10 a-1,太阳
辐射降幅为 265. 1 MJ·m-2·10 a-1(图 2).
2郾 2摇 气候变化对夏玉米产量潜力的影响
2郾 2郾 1 玉米产量潜力变化摇 应用 Hybrid鄄Maize 模型
模拟发现,受气候变化的综合影响,20 世纪 80 年代
夏玉米的产量潜力呈显著下降趋势(图 3). 在灌
溉(优化)和雨养条件下,夏玉米的产量潜力下降均
图 2摇 1981—2010 年邢台地区温度、降水量、日照时数和太阳辐射的年变化特征
Fig. 2摇 Trends in annual mean temperature, total precipitation, mean sunshine hour and total solar radiation from 1981 to 2010 in
Xingtai Region.
**P<0郾 01. 下同 The same below.
7511 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王泓霏等: 气候变化对邢台夏玉米的影响及品种适应性摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 1981—2010 年优化(a)和雨养(b)条件下夏玉米产量
潜力的模拟结果
Fig. 3摇 Trend of simulated grain yield for summer maize for op鄄
timum (a) and rainfed (b) maize from 1981 to 2010.
在 0. 63 ~ 0. 64 Mg·hm-2·10 a-1 . 其中,雨养夏玉
米的产量潜力波动较大,年际间变异高达 14% ,高
于灌溉条件下(10% ).
2郾 2郾 2 玉米产量潜力的变化原因摇 与全年温度变化
一致,玉米生育期内最高温度变化不明显,平均温度
和最低温度显著上升.其中,平均温度和最低温度的
增幅分别为 0. 49 和 0. 70 益·10 a-1 .生育期内降水
量比较稳定,平均为 317 mm,约占年降水量的
64% .夏玉米生育期内太阳辐射显著降低,降幅为
124. 0 MJ·m-2·10 a-1(图 4).
生育期内温度的升高,导致玉米生育期的缩短.
玉米生育期内,营养生长阶段(出苗至吐丝期)温度
显著增高,增幅为 0. 56 益·10 a-1,而生殖生长阶段
图 4摇 1981—2010 年邢台地区夏玉米生育期温度、降雨量、
太阳辐射的变化
Fig. 4 摇 Trends in mean temperature, precipitation, and solar
radiation during maize growth season from 1981 to 2010 in Xing鄄
tai Region.
(吐丝至成熟期)温度变化趋势不显著.营养生长阶
段温度的升高导致相应阶段内的生育期天数显著减
少,营养生长阶段的生育期平均 10 年缩短 1. 3 d.
1981—2010 年,夏玉米总生育期平均每 10 年缩短
2. 3 d(图 5).
图 5摇 1981—2010 年夏玉米营养生长阶段、生殖生长阶段平均温度和生育期长度的模拟结果
Fig. 5摇 Simulation results of mean temperatures and growth days during vegetative and reproductive growth stage from 1981 to 2010.
851 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 25 卷
图 6摇 1981—2010 年模型模拟优化(a)和雨养(b)条件下夏玉米生长总同化量与呼吸量
Fig. 6摇 Simulated gross assimilation and total respiration for optimum (a) and rainfed (b) maize from 1981 to 2010.
摇 摇 受上述气候因素的综合影响,研究期间雨养和
灌溉条件下夏玉米的同化量均显著减少,且降幅相
同,为 2. 9 Mg CH2O·hm-2·10 a-1;夏玉米生育期
内 的 呼 吸 量 也 显 著 下 降, 降 幅 均 为 1郾 4
Mg CH2O·hm-2·10 a-1(图 6).同化量与呼吸量的
差值均为-1. 5 Mg CH2O·hm-2·10 a-1,从而最终
表现为产量下降,且灌溉与雨养条件下夏玉米产量
潜力的下降趋势相同.
2郾 2郾 3 情景分析摇 由于灌溉与雨养条件下产量潜力
下降趋势一致,说明降水变化对夏玉米产量潜力的
影响较小.同时,灌溉与雨养条件下同化量与呼吸量
数值和降幅一致进一步说明降水量不是本区导致产
量潜力下降的主要因素. 降雨主要影响产量年际间
的变异.
应用情景分析进一步研究温度和太阳辐射的变
化对于夏玉米产量潜力的影响,发现当温度不变时,
夏玉米产量潜力以 0. 38 Mg·hm-2·10 a-1的速度
下降; 当辐射不变时, 夏玉米产量的降幅为
0. 19 Mg·hm-2·10 a-1(图 7). 这表明太阳辐射对
产量潜力下降的贡献高达 60% ,高于温度上升对产
量潜力下降的影响(30% ).
2郾 3摇 农民的适应性措施
近 10 年来,农民逐渐采用长生育期品种(表
1),以适应气候变化. 21 世纪初期,邢台的代表性夏
玉米品种主要为郑单 958,GDD为 1750 益,较 20 世
图 7摇 模拟 1981—2010 年温度不变(a)、辐射不变(b)与实
际气候变化条件下优化玉米的产量潜力
Fig. 7 摇 Simulated yield potential with the stable temperature
(a) and solar radiation (b), and the actual weather data for op鄄
timum maize from 1981 to 2010.
T-:温度不变,每年温度均设定为 1981 年的温度值 The stable tem鄄
perature meant the temperature from 1981 to 2010 was the same with
1981; S-:太阳辐射不变,每年太阳辐射与 1981 年相同 The stable so鄄
lar radiation meant the solar radiation from 1981 to 2010 was the same
with 1981;Optimal:优化,1981—2010 年实际气象条件 The optimal
meant the actual weather data from 1981 to 2010.
9511 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王泓霏等: 气候变化对邢台夏玉米的影响及品种适应性摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 20 世纪 80 年代(玉)与 21 世纪初(域)夏玉米品种产
量潜力和生育期平均值的比较
Table 1摇 Yield potentials and length of maize stages of vari鄄
eties in 1980s (玉) and 2000s (域) (mean依SD)
时期
Periods
条件
Condition
产量潜力
Simulated
grain yield
(Mg·hm-2)
生育期天数
Growth
days
营养生殖
阶段天数
Vegetative
growth stage
days
生殖生长
阶段天数
Reproductive
growth stage
days
玉 优化
Optimal
8. 42依0. 80 85依4 45依2 40依2
雨养
Rainfed
8. 10依1. 11
域 优化
Optimal
11. 83依1. 21 111依8 54依2 57依6
雨养
Rainfed
10. 83依1. 67
变化
Variation
优化
Optimal
3. 40依0. 92 26依5 9依1 17依5
雨养
Rainfed
2. 73依1. 21
纪 80 年代品种 GDD增加 280 益(增幅达 19% ).与
20 世纪 80 年代品种相比,21 世纪初夏玉米品种的
产量潜力明显上升,在灌溉和雨养条件下分别增加
40% (3. 40 Mg·hm-2)和 34% (2. 73 Mg·hm-2);其
总生育期长度延长约 26 d,其中,营养生长阶段与生
殖生长阶段分别延长 9 和 17 d.由此可见,品种的改
变,主要是延长了玉米的生育期长度,尤其是花后生
育期的长度,增加了灌浆时间,从而导致了产量潜力
的提高.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 气候变化对产量的影响
邢台地区年际气候变化趋势与华北平原整体基
本一致. 但 1981—2010 年,邢台平均温度的平均增
幅 ( 0. 49 益 · 10 a-1 ) 远 高 于 华 北 平 原
(0. 25 益·10 a-1) [7] .邢台地区玉米生育期内降雨
量变化不明显,没有对产量造成显著影响,但由于其
年际变异较大,导致雨养玉米产量潜力年际间波动
较大.华北平原有些地区年降水量下降,也有一些地
区增加,但都未达到显著水平[11,25] .邢台地区日照时
数和太阳辐射的降幅分别为 0. 56 h·d-1·10 a-1和
265. 1 MJ·m-2·10 a-1,高于整个华北平原的平均值
(0. 40 h·d-1·10 a-1、196 MJ·m-2 ·10 a-1 ) [11-12] .
这主要是因为以邢台为代表的地区,近年来工业发
展迅速,环境污染比较严重,大气中气溶胶等成分大
量增加.大量研究表明,气溶胶的增加能够导致太阳
辐射的大幅降低[8] .
受气候变化影响,邢台地区夏玉米产量潜力呈显
著降低趋势,降幅达 0. 63 ~0. 64 Mg hm-2·10 a-1,与
华北平原其他地区的气候变化造成夏玉米减产的结
果(0. 17 ~ 0. 65 Mg·hm-2·10 a-1)一致[13,25] .该区
气候变化下玉米产量潜力的下降主要由于夏玉米生
育期内太阳辐射的降低与温度升高造成生育期缩短
共同作用的结果,其中,太阳辐射降低对产量潜力下
降的贡献更大,这与全球和区域的部分研究结果存
在一定差异.在全球尺度上,与辐射变化相比,温度
变化对作物产量的影响更重要[26-27] .在以邢台为代
表的地区,如何应对太阳辐射快速下降导致的产量
降低、并制定相应适应性措施,尚需进一步研究.
3郾 2摇 农民适应性措施
本研究主要从农民采用长生育期品种适应气候
变暖这一角度进行适应性评价.在该地区,主要通过
延长玉米的生育期长度,尤其是花后生育期的长度,
增加灌浆时间,从而增加玉米产量.这一适应性措施
与其他类似地区通过更换品种适应气候变化的研究
结果基本一致[13,25] .
当前在气候变化的适应性方面,农民还通过改
变播期和调整管理等其他措施来提高产量. 如在气
候变暖的大背景下,玉米产量的形成期应尽量避开
高温,同时灌浆期的相对适宜低温也是玉米高产的
关键所在,这就要求根据不同气候和生态条件对播
期进行适当调节,以充分利用当地气候资源,提高玉
米产量潜力.在华北平原适当早播高温敏感型品种,
可以减少 6%的产量损失;适当晚播耐高温品种,则
可有效减少 5. 7%的产量损失[28] . 此外,优化灌溉
和施肥等管理措施也可以有效减缓气候变化对作物
的不利影响,在作物增产和稳产方面起着重要作用.
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作者简介摇 王泓霏,女,1989 年生,硕士研究生.主要从事气
候变化对农业生产影响及农民适应性研究. E鄄mail: wang鄄
hf07@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
1611 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王泓霏等: 气候变化对邢台夏玉米的影响及品种适应性摇 摇 摇 摇 摇