全 文 ：东北地区春玉米气候适宜度模型*
侯英雨**摇 张艳红摇 王良宇摇 吕厚荃摇 宋迎波
(中国气象局国家气象中心, 北京 100081)
摘摇 要摇 农作物生长是一个连续的动态过程,因而作物生长的最适宜气象指标也是连续变化
的.据此,本文提出作物生长日可利用降水量的推算方法和气象指标时间插值算法,构建了日
尺度气候适宜度模型,利用东北地区农业气象站的多年玉米观测资料进行检验. 结果表明:
模型计算的气候适宜度与株高、百粒重存在显著正相关;在春玉米营养生长期间,气候适宜度
与株高的相关系数(R2)在 0. 58 以上;春玉米生殖生长期间,气候适宜度与春玉米百粒重的
R2在 0. 45 以上.本文建立的日尺度气候适宜度模型能客观地反映营养生长阶段及生殖生长
阶段作物与气候条件的相互作用关系.
关键词摇 春玉米摇 作物气象指标摇 指标连续性摇 气候适宜度
文章编号摇 1001-9332(2013)11-3207-06摇 中图分类号摇 P49; S513摇 文献标识码摇 A
Climatic suitability model for spring maize in Northeast China. HOU Ying鄄yu, ZHANG Yan鄄hong,
WANG Liang鄄yu, L譈 Hou鄄quan, SONG Ying鄄bo (National Meteorological Center, China Meteorological
Administration, Beijing 100081, China). 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(11): 3207-3212.
Abstract: Crop growth is a continuous and dynamic process, and thus, the optimal meteorological
indices for crop growth also change continuously. In this paper, the estimation algorithms of the dai鄄
ly available precipitation and the temporal interpolation methods of meteorological indices for crop
growth were developed, and the climatic suitability model at daily scale was established, which was
tested by the spring maize data of agro鄄meteorological stations in Northeast China. The simulated
climatic suitability had significantly positive correlations with the height and 100鄄grain mass of
spring maize. The correlation coefficient (R2) between the climatic suitability and the spring maize
height was over 0. 58 at vegetative growth stage, and over 0. 45 at reproductive growth stage. The
established climatic suitability model at daily scale could objectively reflect the interactions between
crop growth and meteorological factors at vegetative growth stage and reproductive growth stage.
Key words: spring maize; meteorological index for crop growth; continuity of crop index; climatic
suitability.
*公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206022,GYHY200906021)
资助.
**通讯作者. E鄄mail: yyhou@ cma. gov. cn
2013鄄02鄄05 收稿,2013鄄07鄄23 接受.
摇 摇 农作物与气候要素的相互影响、相互作用形成
了复杂的农业气候系统,其在时间、空间上的变化不
仅使农业生产具有相应的季节性和地域性,还直接
影响着农作物生长发育和产量形成[1-3] . 农作物鄄气
候过程反映了气候对作物生长的适宜程度及其随时
间的变化过程. 农业气候适宜程度,简称气候适宜
度,实际上是一个边界不清的、具有模糊概念的量化
指标[4] .农业气候的适宜性评价问题,是农业气候
学与农业气象学的主要研究内容之一. 一些学者从
系统科学的观点出发,基于模糊数学方法,利用适宜
度来综合各气候要素对作物生长的影响,建立作物
气候系统的模糊动态模型,实现了对作物气候的定
量、动态研究[5-7] . 近年来,国内外学者基于气候适
宜度理论,在作物生长气候适宜性评价、作物产量预
测评估、农业生态气候区划以及气候变化背景下种
植制度和种植区域可能发生的变化等方面开展了大
量研究.如赵峰等[8]运用模糊数学方法,建立了冬
小麦温度、降水、日照隶属度模型和气候适宜度模
型,分析了作物生长季节气候适宜度的变化情况.任
玉玉和千怀遂[9]利用确立的河南省棉花气候适宜
度模型,分析了全省及各区域的气候适宜度变化趋
势,同时根据适宜度变化的方向和强度进行分类.魏
瑞江等[10]和易雪等[11]分别开展了气候适宜度指数
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 11 月摇 第 24 卷摇 第 11 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, Nov. 2013,24(11): 3207-3212
在玉米和水稻产量预报中的应用研究,取得了较好
效果.马兴祥等[12]根据生态气候适应性对春小麦的
影响程度,确定了生态气候区划综合指标体系.姚小
英等[13]研究气候暖干化背景下甘肃旱作区玉米气
候适宜性变化规律,认为玉米全生育期温度、光照适
宜度呈上升趋势,降水适宜度呈下降趋势;玉米不同
发育阶段,光、温、水适宜度随年份变化的趋势不一
样.段海来等[14]构建了柑橘气候适宜度模型,并对
中国亚热带地区柑橘生产的气候适宜性及其时空差
异进行了分析评价.
目前,关于气候适宜度的研究大多数是基于旬
或月时间尺度的一个平均态,而作物生长过程中短
时灾害性天气的影响难以反映出来;另外,计算降水
适宜度时,仅考虑计算时段的降水量,未考虑前期降
水量的影响.因此,本文在以往研究的基础上,通过
参数改进,建立日时间尺度气候适宜度模型,旨在更
精细地刻画作物生长气候条件适宜程度随时间变化
的过程,为作物生长气象条件诊断与作物产量分析
预测提供依据.
1摇 研究方法
1郾 1摇 气候适宜度模型描述
1郾 1郾 1 温度适宜度函数摇 温度对农作物发育过程的
影响可以用作物生长对温度条件反应函数来描述,
其值在 0 ~ 1.农作物发育对温度的反应表现为非线
性,且在最适温度之上和最适温度之下的反应不同.
描述该过程的常用函数有 Beta 函数、分段指数函
数、分段线性函数[7,15] . 通过比较分析,Beta 函数能
较好地反映作物生长与温度的关系,并且具有普适
性[16],其计算方法如下:
S(T) = [( T - T1 ) ( T2 - T) B ] / [( T0 - T1 ) ( T2 -
T0) B] (1)
B=(T2-T0) / (T0-T1) (2)
式中:S(T)表示温度为 T 时的温度适宜度;T0为春玉
米发育的最适温度,不同发育期的最适发育温度也
不相同;T1为春玉米发育的最低温度,低于这一温
度,发育速率为 0;T2为春玉米发育的最高温度,超
过这一温度,春玉米发育停止.
1郾 1郾 2 降水适宜度函数摇 降水是作物水分和土壤水
分的主要来源,农作物生长好坏、产量高低与降水有
密切关系.降水适宜度是作物各生长发育阶段内的
降水量对作物适宜程度的量度.魏瑞江等[10]研究认
为,用作物正常生长需水量作为作物生长的适宜水
量标准是可行的.计算方法如下:
S(W)=
R / R0 摇 RR0 / R摇 R逸R
{
0
(3)
式中:S(W)为降水适宜度;R0 为日作物生理需水量
(mm);R为日可利用降水量(mm),根据前 50 d 的
日降水量乘以相应权重系数得到,计算公式如下:
R =移
N
i = 1
WiR i (4)
式中:Wi 为权重;i为日序;R i 为日降水量;N为 50.
1郾 1郾 3 日照适宜度函数 摇 大多数研究认为,日照时
数达到可照时数的 70% (日照百分率)为临界点[7] .
日照时数在临界点以上,作物对光照的反应达到适
宜状态.日照时数的隶属度函数形式如下:
S(S)=
e-[(S-S0) / b]2{1 摇
SS逸S0
(5)
式中:S(S)为日照时数适宜度;S 为实际日照时数;S0
为日照百分率为 70%的日照时数;b为常数,随着发
育期的变化而变化.
1郾 1郾 4 春玉米气候适宜度模型 摇 春玉米生长过程
中,每日温度适宜度、降水适宜度、日照适宜度的相
互作用决定每日气候适宜度[17] .公式如下:
S(T,W,S)=
3 S(T)·S(W)·S(S) (6)
式中:S(T,W,S)为每日气候适宜度;S(T)、S(W)、S(S)分别
为每日温度适宜度、水分适宜度、日照适宜度.
1郾 2摇 气候适宜度模型参数的改进
1郾 2郾 1 春玉米生长发育气象指标时间变化曲线的建
立摇 目前,构建气候适宜度模型所应用的作物生长
气象指标都是针对特定作物某个具体发育阶段,而
且在该发育阶段指标值不变,因而作物生长气象指
标在不同发育期之间存在着明显的跳跃性,这不符
合作物生长发育规律.实际上,在作物生长的连续过
程中,作物生长发育对气象因子的响应应该是连续
的,也就是说作物生长的最适气象条件是连续的.为
此,本文将作物不同发育阶段的温度、降水等气象指
标应用多项式拟合技术插值到作物生长过程中的每
一天,建立作物生长气象指标连续动态变化曲线(图
1),使构建的气候适宜度模型更客观地反映作物生长
气象条件的适宜程度.春玉米各发育阶段的农业气象
温度指标(表 1),主要依据《中国农业气象学》 [18]、
《粮食安全气象服务》 [19]以及中国气象局农业气象业
务服务系统作物生长气象指标库来综合确定.
1郾 2郾 2 作物生长日需水量的动态计算摇 作物需水量
(ETc)指在最适宜的土壤水分和肥力条件下,在田
间正常发育、无病害并达到高产水平的特定作物的
农田蒸散量.其计算公式如下:
8023 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 24 卷
图 1摇 作物生长“三基点冶温度变化曲线
Fig. 1 摇 Curve for three fundamental points of temperature of
crop growth.
玉:最低温度 Lowest temperature; 域:最适温度 Optimal temperature;
芋:最高温度 Highest temperature.
表 1摇 春玉米生长温度气象指标
Table 1 摇 Temperature meteorological index for spring
maize growth (益)
发育期
Development
stage
最低温度
Lowest
temperature
最适温度
Optimal
temperature
最高温度
Highest
temperature
播种 Sowing 5 10 22
出苗 Emergence 6 12 25
三叶 3鄄leaf 8 15 30
七叶 7鄄leaf 10 20 34
拔节 Jointing 14 23 35
抽雄 Earing 16 24 33
乳熟 Milk ripe 14 22 32
成熟 Maturation 13 20 30
摇 摇 ETc =Kc·ETo (7)
作物参考蒸散量 ( ETo ) 采用国际粮农组织
(FAO)推荐的 Penman鄄Monteith方法计算[20-21]:
ETo =
0郾 408驻(Rn-G)+酌
900
T+273U2(es-ea)
驻+酌(1+0郾 34U2)
(8)
式中:Rn 为冠层表面净辐射(MJ·m-2·d-1);G 为
土壤热通量(MJ·m-2·d-1);T为平均气温(益);es
为饱和水汽压(kPa);ea 为实际水汽压(kPa);驻 为
饱和水汽压鄄气温关系曲线在 T 处的切线斜率
(kPa·益 -1);酌 为湿度计常数( kPa·益 -1 );U2 为
2 m高处的风速(m·s-1).
作物系数(Kc)主要参考 FAO 推荐的标准作物
系数,FAO确定作物系数的方法是把全生育阶段作
物系数的变化过程概化为 4 个阶段(初始生长期、
快速发育期、生育中期、成熟期)的 3 个值(Kc ini、
Kc mid、Kc end).左余宝等[22]在 FAO 推荐作物系数的
基础上,利用田间试验资料得到作物不同生育期的
作物系数.本文将不同发育期的作物系数通过多项
式拟合得到播种至成熟的作物系数变化曲线,旨在
详细描绘作物系数随作物生长发育变化过程(图
2),便于更客观地计算每日作物需水量.
1郾 2郾 3 作物生长日可利用降水量的动态估算摇 降水
量是衡量作物生长水分适宜程度的重要参量. 降水
对农作物气候适宜度的影响具有累积效应. 本研究
在估算当日可利用降水量时考虑前 50 d 日降水量
的影响.刘兴土[23]研究表明,在东北平原黑土地区,
日降水量>30 mm 时将产生地表径流,在计算东北
地区作物生长日可利用降水量时,若日降水量超过
30 mm,则按 30 mm 计算. 前 50 d 日降水量的权重
参照无降水及未灌溉情景下土壤水分消退指数模型
来确定[24-25] .日降水量权重分布见图 3.
1郾 3摇 模型检验与应用
为了检验本文建立的每日适宜度计算模型能否
比较客观地反映气象条件对作物生长的影响,利用
黑龙江、吉林、辽宁三省农业气象观测站的气象资料
和作物发育期资料,计算 1986—2010 年春玉米播种
至成熟期间逐日气候适宜度. 同时收集东北三省部
分农业气象观测站春玉米营养生长期间测量的株高
及相应的日期、春玉米产量资料及成熟日期,用来分
析春玉米株高、百粒重与气候适宜度的关系.
图 2摇 作物系数变化曲线
Fig. 2摇 Change curve of crop coefficient.
图 3摇 前 50 d降水量权重系数分布
Fig. 3摇 Weight coefficients of precipitation before 50 days.
902311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 侯英雨等: 东北地区春玉米气候适宜度模型摇 摇 摇 摇 摇
摇 摇 株高资料分别来自黑龙江省的富锦、哈尔滨、佳
木斯、尚志、泰来农业气象站,吉林省白城、长岭、敦
化、桦甸、集安、梅河口、前郭尔罗斯、永吉农业气象
站,辽宁省阜新、黑山、宽甸、绥中、瓦房店、新民、岫
岩、叶柏寿、彰武、庄河农业气象站.春玉米百粒重资
料分别来自黑龙江省的富裕、泰来农业气象站,吉林
省的白城、长岭、桦甸农业气象站,辽宁省的瓦房店、
新民、庄河农业气象站. 株高观测时间为 2004—
2009 年,百粒重观测时间为 1992—2009 年,各个农
业气象站观测资料的长度、连续性差异比较大.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 气候适宜度与春玉米株高的关系
考虑到春玉米株高与品种有关,在分析株高与
气候适宜度的相关关系时以省为单位进行统计,尽
最大可能消除不同区域间品种差异的影响. 从图 4
可以看出,作物营养生长期间,黑龙江、吉林和辽宁
省气候适宜度与株高均呈极显著的正相关关系,其
相关系数(R2)分别为0. 81、0. 79、0. 76,样本数分别
图 4摇 黑龙江省(a)、吉林省(b)和辽宁省(c)春玉米生长高
度与气候适宜度的相关关系
Fig. 4 摇 Correlation of spring maize growth height and climatic
suitability in Heilongjiang ( a), Jilin ( b) and Liaoning ( c)
provinces.
为 27、43 和 46 个(P<0. 01).说明本文所建气候适
宜度模型能比较客观地反映营养生长阶段作物与气
候条件的相互关系,气候适宜度越高,作物生长速率
越快.
2郾 2摇 气候适宜度与百粒重的关系
考虑到玉米抽雄后的气象条件对春玉米籽粒形
成(百粒重)起着决定性作用,因而在分析玉米百粒
重与气候适宜度的关系时,仅考虑抽雄至成熟期间
的气候适宜度.由图 5 可以看出,春玉米百粒重与春
玉米抽雄至成熟期间的气候适宜度极显著相关,其
中,黑龙江、吉林和辽宁省的相关系数分别为 0. 71
(P<0. 01,n = 21)、0. 67 (P<0. 01,n = 37)和 0. 68
(P<0. 01,n=43). 气候适宜度越高,玉米灌浆更加
充分,籽粒更加饱满,百粒重越高,说明本文建立的
日气候适宜度模型能够比较好地反映作物生殖生长
阶段籽粒形成与气候条件的相互作用规律.
2郾 3摇 气候适宜度评价指标
气象条件对作物生长的适宜程度是一个相对的
量化指标,不同区域、不同品种的适宜度评价指标不
图 5摇 黑龙江省(a)、吉林省(b)和辽宁省(c)春玉米百粒重
与气候适宜度的相关关系
Fig. 5摇 Correlation of spring maize 100鄄grain mass and climatic
suitability in Heilongjiang ( a), Jilin ( b) and Liaoning ( c)
provinces.
0123 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 24 卷
图 6摇 研究区春玉米气候适宜度等级
Fig. 6 摇 Grade of climatic suitability index for spring maize in
the study area.
一样[26] .实时动态评估作物生长发育过程中气候条
件的适宜程度,可为农业生产决策提供科学依据.本
文采用数学统计方法,结合作物生长特性和笔者多
年的农业气象业务服务经验知识,对 25 年(1986—
2010 年)的日气候适宜度由低到高进行排序,得到
各农业气象站点在作物播种至成熟期间的日气候适
宜度序列,即 S1、S2、…、S25,其中,S 代表适宜度,下
标的数字 1、2、…、25 代表由低到高的排序位置,分
别将日气候适宜度序列中的 S5(第 5 位,前 20% )、
S13(第 13 位,中值)、S20(第 20 位,后 20% )分别作
为不适宜、适宜、非常适宜的评价指标. 该指标已经
在国家级农业气象服务中取得了较好的应用效果.
由图 6 可以看出,东北地区春玉米整个生长发
育过程中,气候适宜度指标随时间变化而改变. “适
宜冶指标和“非常适宜冶指标值呈明显下降趋势;“不
适宜冶指标值变化相对平缓,在 0. 2 ~ 0. 4 之间波动.
春玉米播种至抽雄阶段, “非常适宜 “指标值在
0. 7 ~ 0. 9,“适宜冶指标值在 0. 5 ~ 0. 7,说明东北地
区春玉米营养生长阶段气候适宜度普遍较高,气象
条件整体利于春玉米生长;春玉米灌浆乳熟阶段,
“非常适宜冶、 “适宜冶 指标值下降较快,分别为
0. 55 ~ 0. 70和 0. 45 ~ 0. 50,说明东北地区春玉米在
生殖生长阶段,随着气温的下降,气候适宜度整体
偏低.
3摇 讨摇 摇 论
农业气候适宜度及其随时间变化的过程,反映
了作物生长过程中气候条件优劣程度的动态变化,
可以用来综合评价各气候要素对农作物的影响. 目
前大多学者建立的气候适宜度模型及应用是基于旬
尺度或月尺度的平均态,很难反映旬内或月内气象
条件的突变而引起的气候适宜度的变化,并且降水
适宜度的计算没有考虑前期降水的影响. 本文提出
了日可用降水量的推算方法,建立了日气候适宜度
的计算模型,能够更精细地模拟作物生长期间气候
适宜度的变化过程.
作物生长是一个连续的动态过程,可以认为作
物生长的最适宜气象条件的变化应该是连续的. 已
有的关于作物生长的气象指标大都针对作物特定发
育阶段,并且在该阶段是一个常量.本文通过多项式
拟合插值算法建立了作物播种至成熟期间生长最适
温度、适宜温度下限、适宜温度上限、日需水量等因
子的变化曲线方程,可以计算每天作物生长的气象
指标,解决了作物生长气象指标在不同发育期之间
存在着明显跳跃的问题.
利用黑龙江省、吉林省、辽宁省农业气象站观测
的玉米发育期、株高、百粒重等作物资料,对建立的
逐日气候适宜度模型进行检验.结果发现,在春玉米
营养生长期间,玉米株高与累计气候适宜度的相关
系数(R2)均在 0. 58 以上(P<0. 01);春玉米生殖生
长期间累计气候适宜度与春玉米百粒重的 R2均在
0. 45 以上(P<0. 01).气候适宜度与春玉米株高、百
粒重存在显著的正相关关系(P<0. 01),表明本文建
立的适宜度模型不仅能客观地反映营养生长阶段作
物与气候条件的相互作用关系,也能够比较好地模
拟生殖生长阶段作物灌浆与气候条件的关系.
本文基于数理统计方法和作物对环境适应性原
则,建立了基于站点的作物生长过程气候适宜度动
态评价指标,并在国家级东北地区春玉米农业气象
业务服务中取得了较好的应用效果,但该指标的建
立方法是否适应于其他区域或其他作物,还需要进
一步检验.
由于作物生长进程是一个前后关联的过程,气
候适宜度模型的检验是一个难题,特别是作物某个
具体生长发育阶段气候适宜度是否适宜,很难找到
一个客观、准确的检验方法.本文虽然分作物营养生
长、生殖生长两个阶段对气候适宜度模型进行了检
验,但由于可得到的农业气象站观测的作物资料有
限,而且部分站点某些年份观测资料还存在明显的
质量问题,今后应进一步对模型进行推广应用,利用
更大空间、时间范围的作物观测资料对模型的可用
性进行检验.
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作者简介摇 侯英雨,男,1971 年生,研究员.主要从事农业气
象与卫星遥感应用研究. E鄄mail: yyhou@ cma. gov. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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