基于積溫產(chǎn)量模型確定山東夏玉米拔節(jié)前后的極端高溫閾值*

張 琪，唐 婕，馮一淳，張藝璇，蔡成良

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基于積溫產(chǎn)量模型確定山東夏玉米拔節(jié)前后的極端高溫閾值*

張 琪1,2，唐 婕1，馮一淳1，張藝璇1，蔡成良1

（1．南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210024；2．江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210024）

參考已有的積溫-產(chǎn)量模型方法，利用山東省10個氣象站點1983-2012年逐日最高氣溫、最低氣溫數(shù)據(jù)模擬其間逐小時溫度，分拔節(jié)前和拔節(jié)后兩個時段確定山東省夏玉米的極端高溫閾值，并對研究區(qū)極端高溫事件的時空分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：夏玉米生育期溫度主要分布在17～35℃區(qū)間，拔節(jié)后不同溫度持續(xù)時長較大；有效積溫轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)量的比例系數(shù)有隨時間增大的趨勢；山東省夏玉米拔節(jié)前、后兩個階段極端高溫閾值分別為35.2℃和34.5℃；基于此閾值統(tǒng)計的極端高溫發(fā)生日數(shù)由西部平原地區(qū)向東部沿海半島地區(qū)減少，拔節(jié)后較拔節(jié)前頻發(fā)，研究期內(nèi)極端高溫發(fā)生日數(shù)有隨時間增多的趨勢。

極端高溫閾值；積溫產(chǎn)量模型；夏玉米；拔節(jié)

在以變暖為主要特征的全球氣候變化背景下，各類極端天氣事件尤以極端高溫，呈現(xiàn)增多增強的趨勢，這種趨勢在未來一段時間很可能繼續(xù)延續(xù)[1-3]。而極端高溫除直接影響農(nóng)作物生長發(fā)育外，持續(xù)高溫還會誘發(fā)或加劇干旱進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近年來，持續(xù)高溫造成的農(nóng)業(yè)損失越來越突出，如2016年華北、西北7-8月連續(xù)≥35℃的高溫對玉米開花灌漿造成不利影響，降低了結(jié)實率，導(dǎo)致減產(chǎn)[4]。相對于其它農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，極端高溫是一個重要但較少被關(guān)注的領(lǐng)域[5]，其相關(guān)研究亟待加強。

閾值確定是研究極端高溫影響的前提和關(guān)鍵，以往研究多采用百分位法確定極端事件閾值[6-8]，該方法從數(shù)據(jù)本身結(jié)構(gòu)出發(fā)并未考慮承載體的特征，然而不同的承載體對災(zāi)害敏感程度不同，高溫閾值也有差異。目前極端高溫對農(nóng)業(yè)影響的研究中，多參考大田試驗或以往經(jīng)驗確定閾值[9-11]，通常認(rèn)為在營養(yǎng)生長階段一般36℃以上會對玉米產(chǎn)量帶來影響，生殖生長階段日最高溫度超過32～35℃玉米生長會受到影響；尹小剛等[12]參考Lobell等[13]研究美國玉米生產(chǎn)時確定了30℃作為閾值，研究東北地區(qū)春玉米各生育階段極端高溫發(fā)生的時間變化特征。但由于不同地區(qū)玉米品種、氣候以及下墊面情況的不同，借鑒其它地區(qū)的閾值進(jìn)行研究將給結(jié)果帶來一定偏差。

針對以往極端高溫災(zāi)害研究報道較少且閾值確定忽略承載體特征等問題，本研究以夏玉米主產(chǎn)區(qū)同時也是高溫災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的山東省為例，擬通過積溫產(chǎn)量模型的方法確定該地區(qū)夏玉米不同生育階段極端高溫災(zāi)害的閾值，并分析極端高溫災(zāi)害的時空變化特征，以期為極端事件閾值確定開拓新思路，促進(jìn)氣候變化背景下極端事件對農(nóng)業(yè)影響的研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以華北平原的山東省為研究區(qū)，該區(qū)為主要夏玉米產(chǎn)區(qū)（圖1），暖溫帶大陸性氣候，降水主要集中在6-9月，雨熱同期，利于夏玉米的生長。但降水分布不均勻、高溫頻發(fā)導(dǎo)致夏玉米產(chǎn)量波動較大。本研究以拔節(jié)為界將玉米整個生育期分為兩個階段：拔節(jié)前，玉米主要進(jìn)行營養(yǎng)生長；拔節(jié)后，開始有生殖生長活動。山東地區(qū)夏玉米拔節(jié)主要發(fā)生在7月下旬，生育期平均長度98d左右，拔節(jié)前持續(xù)38d，拔節(jié)后60d左右。全球變暖影響下，研究區(qū)夏玉米播種日期有推遲的趨勢，導(dǎo)致拔節(jié)前的天數(shù)有減少趨勢。

圖1 研究區(qū)及站點分布

1.2 資料來源

研究區(qū)10個農(nóng)業(yè)氣象站點1983-2012年逐年玉米發(fā)育期觀測資料，主要包括播種、拔節(jié)、成熟日期，來源于國家氣象信息中心；1983-2012年逐日最高氣溫、最低氣溫數(shù)據(jù)為10個農(nóng)業(yè)氣象站對應(yīng)的氣象臺站觀測數(shù)據(jù)，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模擬其間逐小時溫度。

1.3 積溫產(chǎn)量模型

研究氣溫對作物產(chǎn)量的影響時，一般認(rèn)為溫度對產(chǎn)量的影響是一個非線性的逐漸累積的過程，產(chǎn)量與整個生育階段有效積溫成比例關(guān)系?；谶@一思路并參考Schlenker等研究氣溫對美國玉米產(chǎn)量影響時建立的回歸方程，用非線性函數(shù)表示實際產(chǎn)量與生育期溫度之間的關(guān)系[14]，即在站點i第t年的夏玉米實際產(chǎn)量yit為

Hawks等[15]將8℃和32℃作為玉米有效積溫的上下限，由式（2）計算。例如10℃，其貢獻(xiàn)了2℃·h的有效積溫，若生育期內(nèi)10℃持續(xù)時長為3h，則該溫度在生育期內(nèi)貢獻(xiàn)了6℃的有效積溫。

由一日內(nèi)最高氣溫和最低氣溫構(gòu)建正弦曲線，模擬氣溫日變化以獲取逐小時氣溫[16]，即

2 結(jié)果與分析

2.2 比例系數(shù)k的統(tǒng)計分析

k為積溫產(chǎn)量模型中有效積溫轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)量的比例系數(shù)，通過式（1）得到歷年各站點拔節(jié)前和拔節(jié)后兩個時段有效積溫轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量的比例系數(shù)k，并計算歷年山東省10個站點的平均值，結(jié)果見圖3。由圖中可以看出，夏玉米全生育期、拔節(jié)前和拔節(jié)后的k值均隨著時間呈增大趨勢，上升趨勢達(dá)到P＜0.01的極顯著水平。整體上，1993年之前k值變化不明顯，之后有較為明顯的升高趨勢，即同樣的有效積溫轉(zhuǎn)化成的實際產(chǎn)量增多，說明這期間農(nóng)業(yè)投入的增加等使夏玉米對溫度的利用效率提高。

圖2 1983-2012年山東省夏玉米拔節(jié)前（a）、后（b）不同溫度持續(xù)時長

注：每個溫度對應(yīng)的矩形盒內(nèi)部橫線代表所有站點研究期內(nèi)該溫度持續(xù)時長的中位數(shù)，矩形盒的頂線和底線分別代表上、下四分位，上部標(biāo)記短線為最大值，下部標(biāo)記短線為最小值

Note: In the box-plot of each temperature, the horizontal line inside the box shows the median duration exposure to this temperature among all stations and years, the top and bottom of the box show the upper quartile and lower quartile. The upper short lines are the maximum values, and the bottom short lines are the minimum values

圖3 1983-2012年山東省夏玉米產(chǎn)量與有效積溫比例系數(shù)（k）的年際變化

2.3 極端高溫閾值的確定

分夏玉米拔節(jié)前和拔節(jié)后兩個時段確定。圖4中灰色曲線為所有站點各年份利用式（1）的積分函數(shù)得到的曲線，黑色點線為所有曲線的平均。曲線與橫軸圍成的面積為當(dāng)年的實際產(chǎn)量，縱坐標(biāo)為各溫度貢獻(xiàn)的產(chǎn)量，生育期內(nèi)所有溫度貢獻(xiàn)的產(chǎn)量和即為當(dāng)年的實際產(chǎn)量。由圖可以看出，溫度貢獻(xiàn)的產(chǎn)量隨著溫度的升高而升高，達(dá)到產(chǎn)量峰值后，隨著溫度的繼續(xù)升高其帶來的產(chǎn)量貢獻(xiàn)逐漸下降。拔節(jié)前、拔節(jié)后和全生育期分別在35.2℃、34.5℃、35.3℃時溫度帶來的產(chǎn)量貢獻(xiàn)為0。此后隨著溫度的繼續(xù)升高，溫度帶來的產(chǎn)量貢獻(xiàn)為負(fù)值，可以認(rèn)為氣溫對作物生長和產(chǎn)量形成產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。因此，將該產(chǎn)量貢獻(xiàn)值為0時所對應(yīng)的溫度作為玉米各發(fā)育階段極端高溫的閾值。采用該方法識別出拔節(jié)后的極端高溫事件的閾值較拔節(jié)前要低，說明夏玉米拔節(jié)后對高溫更為敏感。

圖4 玉米不同發(fā)育階段溫度-產(chǎn)量積分函數(shù)圖像

2.4 極端高溫日數(shù)的分布

將研究期（1983-2012年）分成1983-1992、1993-2002和2003-2012年3個時期，分夏玉米拔節(jié)前和拔節(jié)后兩個時段統(tǒng)計山東省極端高溫發(fā)生日數(shù)的空間分布，結(jié)果見圖5。由圖中可見，在各個時期、各生長階段極端高溫的空間分布均呈現(xiàn)出沿海半島地區(qū)年均極端高溫日數(shù)較少，向西部平原地區(qū)逐漸增多，菏澤、濟陽、濟寧為極端高溫高發(fā)地區(qū)，膠州、萊陽發(fā)生較少。在時期2和時期3，全省夏玉米拔節(jié)后極端高溫發(fā)生日數(shù)普遍高于拔節(jié)前；在時期1，東部地區(qū)拔節(jié)后極端高溫日數(shù)也較拔節(jié)前多。不同時期之間比較可以發(fā)現(xiàn)，時期3的極端高溫日數(shù)較多的站點面積最大，時期1面積最小，多數(shù)站點極端高溫日數(shù)有隨時間增加的趨勢。

圖5 不同時期山東省夏玉米不同發(fā)育階段年均極端高溫日數(shù)的分布

3 結(jié)論與討論

（1）基于積溫產(chǎn)量模型方法確定了山東省夏玉米拔節(jié)前、后兩個階段的極端高溫閾值分別為35.2℃和34.5℃，拔節(jié)后極端高溫閾值較低，可見該階段對高溫更為敏感，容易造成損失。與從玉米生理特征角度看，拔節(jié)后的開花灌漿期對高溫最為敏感的研究結(jié)論相一致[17]。Schlenker等[14]基于積溫產(chǎn)量模型方法研究時，將貢獻(xiàn)的產(chǎn)量開始下降時的溫度定義為極端高溫閾值（溫度-產(chǎn)量積分函數(shù)曲線的頂點），但超過該值的溫度貢獻(xiàn)的產(chǎn)量仍為正數(shù)，即溫度對產(chǎn)量形成仍是有益的。而本研究將貢獻(xiàn)的產(chǎn)量開始為零時的溫度定義為極端高溫閾值，則更為合理。

（2）山東省夏玉米生長季極端高溫日數(shù)呈現(xiàn)出西部內(nèi)陸地區(qū)較高，自西向東逐漸降低的趨勢；研究期內(nèi)，極端高溫日數(shù)隨時間呈增多的趨勢；夏玉米拔節(jié)后極端高溫發(fā)生較拔節(jié)前更為頻繁。說明山東省中西部內(nèi)陸地區(qū)面臨更嚴(yán)重高溫災(zāi)害威脅，且在氣候變暖背景下有加重的趨勢，拔節(jié)后更為嚴(yán)重。同時，拔節(jié)后也是玉米受極端高溫影響的敏感時期，極端高溫給玉米生產(chǎn)帶來更嚴(yán)重的威脅。

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Determination of Extreme High Temperature Thresholds before and after SummerCorn Jointing Stage in Shandong Based on Accumulated Temperature-Yield Model

ZHANG Qi1, 2, TANG Jie1, FENG Yi-chun1, ZHANG Yi-xuan1, CAI Cheng-liang1

(1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210024, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing 210024)

By using accumulated temperature-yield model, the hourly temperature was simulated based on daily temperature from 10 meteorological stations in Shandong province from 1983 to 2012. Then the extreme high temperature thresholds both before and after summer corn jointing stage were determined, and the spatial and temporal distribution of extreme high temperature events was analyzed. The results showed that temperature were in 17-35℃ during summer corn growing season, and the duration of each temperature after jointing was larger than that of before jointing. The proportional coefficient of effective accumulated temperature converting into actual yield increased during 1983-2012. The threshold of extreme high temperature before and after summer corn jointing stage was 35.2℃ and 34.5℃ respectively. The regional extreme high temperature days decreased from western to eastern in Shandong province, which was higher after jointing stage than that of before jointing stage. The extreme high temperature days increased gradually during the research period.

Extreme high temperature threshold; Accumulated temperature-yield model; Summer corn; Jointing stage

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.006

張琪,唐婕,馮一淳,等.基于積溫產(chǎn)量模型確定山東夏玉米拔節(jié)前后的極端高溫閾值[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(12):795-800

2017-06-04

江蘇省基礎(chǔ)研究計劃（自然科學(xué)基金）青年基金項目（BK20150898）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201506001-06）；國家自然科學(xué)基金項目（41501553；41571491）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項儲備項目（2015001）

張琪（1986-），女，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險評估。E-mail：zhangq861206@126.com