氣候變暖背景下河南省夏玉米花期高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估*

陳懷亮, 李樹巖

(1.中國氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450003; 2.河南省氣象局 鄭州 450003; 3.河南省氣象科學(xué)研究所 鄭州 450003)

玉米(Zea mays)是我國第一大糧食作物, 在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位, 河南是夏玉米種植大省, 播種面積331.7萬hm2, 總產(chǎn)1 752.1萬t[1]。隨著玉米產(chǎn)量水平的提高, 穗粒數(shù)對(duì)產(chǎn)量的決定作用愈加顯著[2]?；ǚ刍盍κ怯绊懰肓?shù)的重要原因之一, 雖然玉米雄穗的耐熱和散粉特性存在著基因型間差異, 但高溫是造成玉米花粉活力減退的重要原因[3-4]。異常高溫影響花粉結(jié)構(gòu)和功能, 造成花粉的數(shù)量和活力下降或花期不相遇, 最終導(dǎo)致籽粒敗育結(jié)實(shí)率下降和減產(chǎn)[5-7]。趙龍飛等[8]研究表明在開花期對(duì)玉米品種‘浚單20’進(jìn)行高溫處理會(huì)使穗粒數(shù)下降20.4%～22.0%, 百粒重下降8.8%～10.5%。玉米抽雄到吐絲期適宜溫度為25～28 ℃, 但河南夏玉米抽雄散粉、吐絲期一般處于7月下旬到8月初的高溫期, 特別是在全球氣候變暖的大背景下, 夏玉米花期常遭遇高溫干旱等極端天氣, 作物產(chǎn)量急劇下降[9-10], 且目前生產(chǎn)上還缺乏有效的防御或緩解措施, 嚴(yán)重威脅玉米的安全生產(chǎn)[11]?；ㄆ诟邷匾殉蔀橛绊懞幽鲜∠挠衩咨L的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。

在高溫災(zāi)害指標(biāo)的研究方面, 氣象上通常將35 ℃作為高溫絕對(duì)閾值, 但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中即使出現(xiàn)相對(duì)高溫也可使作物發(fā)生生理障礙而減產(chǎn)[12]。針對(duì)夏玉米花期高溫的危害特征和影響機(jī)理前人做了大量深入研究[13-20], 形成了一些高溫判定指標(biāo)。如陳朝輝等[17]研究發(fā)現(xiàn), 玉米處于38 ℃的極端高溫下3 d, 就會(huì)停止散粉, 授粉率與溫度呈負(fù)相關(guān)。徐翠蓮等[18]研究揭示, 溫度和濕度對(duì)花粉數(shù)量與壽命影響最大, 散粉期溫度≥28 ℃花粉量會(huì)明顯減少; 若溫度高于35 ℃甚至38 ℃時(shí), 花粉活力很快喪失。王海梅[19]研究表明大于32 ℃高溫脅迫將對(duì)河套灌區(qū)玉米生理指標(biāo)和產(chǎn)量構(gòu)成產(chǎn)生影響。徐美玲[20]指出玉米雌花活力與溫度相關(guān), 氣溫越高壽命越短, 氣溫達(dá)34.3～37.8 ℃時(shí), 花絲壽命只有72 h。但這些生理機(jī)制方面的高溫?zé)岷χ笜?biāo), 較難應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中。李德等[21]根據(jù)極端最高氣溫、日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)和日最高氣溫高于35 ℃的積害量及其期間的平均最小相對(duì)濕度構(gòu)建了淮北平原夏玉米高溫?zé)岷C合氣候指標(biāo)。王麗君[22]以日最高溫大于32 ℃的高溫累積度日和日最高溫大于32 ℃的天數(shù)作為評(píng)價(jià)玉米生育期內(nèi)極端高溫風(fēng)險(xiǎn)的兩個(gè)指標(biāo)。這些指標(biāo)從氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和災(zāi)情調(diào)查資料出發(fā), 更便于應(yīng)用。

在高溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃方面針對(duì)水稻(Oryza sativa)開展的研究較多, 對(duì)玉米高溫風(fēng)險(xiǎn)研究相對(duì)較少, 主要包括劉哲等[23-24]利用日高溫時(shí)長概率分布函數(shù)計(jì)算了黃淮海各縣區(qū)玉米花期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)概率和空間分布, 并利用MODIS 數(shù)據(jù)分析了2011—2014年黃淮海夏玉米高溫風(fēng)險(xiǎn)。尹小剛等[25]根據(jù)≥30 ℃的積溫和日數(shù)分析東北地區(qū)高溫對(duì)玉米生產(chǎn)的影響。在已有研究中結(jié)合氣候情景數(shù)據(jù), 探討未來氣候變化條件下花期高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)演變特征的研究甚少。當(dāng)前氣候變暖已是不爭的事實(shí), 未來氣候增溫還會(huì)持續(xù)[26-27], 夏玉米抵御高溫?zé)岷? 保障安全生產(chǎn)的形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。

本研究重點(diǎn)在于應(yīng)用未來氣候變化數(shù)據(jù)分析夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)演變。首先, 借鑒前人研究成果提取夏玉米花期≥32 ℃或≥35 ℃高溫日數(shù)、發(fā)生頻率和高溫積害, 構(gòu)建夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。然后引入RCP 氣候情景數(shù)據(jù), 分析未來不同排放情景下夏玉米花期高溫災(zāi)害的時(shí)空分布特征, 預(yù)估未來夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果對(duì)于調(diào)整玉米生產(chǎn)系統(tǒng)與抗逆栽培, 制定氣候變化適應(yīng)對(duì)策具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河南省位于黃河中下游(110°～117°E, 31.5°～36.5°N), 北亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū), 地勢(shì)西高東低, 主要作物系統(tǒng)為冬小麥-夏玉米輪作。夏玉米6月上旬播種, 9月下旬收獲, 夏玉米生長季太陽總輻射1 900～2 400 MJ·m-2, 降水量400～600 mm, ≥10 ℃積溫2 600～3 100 ℃·d, 適宜玉米生長。研究區(qū)域?yàn)楹幽鲜∠挠衩字饕N植區(qū), 其中信陽地區(qū)主要種植水稻, 不作為研究區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 RCP 氣候情景數(shù)據(jù)

研究未來氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響需要結(jié)合氣候情景數(shù)據(jù), IPCC 第5 次評(píng)估報(bào)告(AR5)中采用了融入政策因素的代表性濃度路徑(representative concentration pathways, RCPs)情景預(yù)估未來氣候變化趨勢(shì)[28]。包括歷史氣候模擬(historical)RCP-rf 數(shù)據(jù)和RCP 4.5、RCP 8.5 兩種排放情景下未來氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù), 氣候模式模擬的1961—2005年氣溫與觀測值的偏差除青藏高原外大部分地區(qū)在±1 ℃之間[28]。模式水平分辨率為50 km。時(shí)間尺度上基準(zhǔn)氣候條件(RCP-rf)為1951—2005年, RCP 4.5 和RCP 8.5 為2006—2050年。RCP 氣候情景數(shù)據(jù)覆蓋河南全省區(qū)域共165 個(gè)格點(diǎn), 其空間分布如圖1 所示。

1.2.2 夏玉米發(fā)育期數(shù)據(jù)

來源于河南省19 個(gè)夏玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測站, 其空間分布如圖2 所示。觀測年代選取記錄完整的1988—2017年共30年。

圖1 河南省RCP 情景數(shù)據(jù)示意圖 Fig.1 Sketch map of climate data in Henan Province under RCP scenarios

圖2 河南省夏玉米主產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)氣象站分布示意圖 Fig.2 Map of summer maize production area and distribution of agro-meteorological stations in Henan Province

1.3 夏玉米花期確定

以抽雄普遍期作為花期的開始日期, 抽雄普遍期向后推遲7 d 為花期的結(jié)束日期。根據(jù)1988—2017年的農(nóng)業(yè)氣象觀測資料, 計(jì)算夏玉米花期開始和結(jié)束日期的多年平均值, 即花期常年值。根據(jù)距離相近原則, 將花期起止日期常年值推算到河南省區(qū)域內(nèi)的RCP 氣候格點(diǎn)數(shù)據(jù)上。夏玉米抽雄期日序(花期開始日期)的常年值如圖3 所示。

1.4 夏玉米花期高溫?zé)岷χ笜?biāo)

降志兵等[5]研究表明溫度達(dá)到32 ℃且持續(xù)60 min, 玉米小花受精率和總結(jié)實(shí)率顯著低于對(duì)照; 當(dāng)溫度高于 35 ℃時(shí)小花受精率和總結(jié)實(shí)率也顯著低于32 ℃處理。因此, 將≥32 ℃和≥35 ℃作為兩個(gè)不同程度高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)閾值, 即≥32 ℃為輕度受害, ≥35 ℃為重度受害。綜合考慮夏玉米花期高溫?zé)岷Πl(fā)生的頻率和強(qiáng)度, 結(jié)合前人研究成果[21-22,29], 確定≥32 ℃和≥35 ℃的“高溫日數(shù)”和“高溫積害”作為評(píng)價(jià)花期高溫影響的指標(biāo)。

圖3 河南省夏玉米抽雄期日序常年值 Fig.3 Average Julian day series of booting of summer maize in Henan Province

1)高溫日數(shù): 在1.2 中確定的夏玉米花期7 d 內(nèi), 當(dāng)日最高氣溫≥32 ℃時(shí)作為輕度高溫日,日最高氣溫≥35 ℃時(shí)作為一個(gè)重度高溫日, 每年花期輕、重高溫災(zāi)害發(fā)生的總?cè)諗?shù)為輕、重度高溫日數(shù)。

2)高溫積害: 以花期最高氣溫≥32 ℃或≥35 ℃的高溫累積值, 來表征高溫災(zāi)害發(fā)生的嚴(yán)重程度, 單位為℃·d。計(jì)算公式如下:

式中: THi表示≥32 ℃或≥35 ℃的高溫積害值, 即THi可表示為TH32或TH35; Thi為當(dāng)日積害值; Tmax為逐日最高氣溫; T0為夏玉米花期最高溫的臨界值, 即32 ℃或35 ℃。

1.5 夏玉米花期高溫災(zāi)害發(fā)生頻率

統(tǒng)計(jì)多年夏玉米花期高溫日數(shù)除以花期總?cè)諗?shù), 可計(jì)算高溫災(zāi)害發(fā)生的頻率, 公式如下:

式中: Pi為花期≥32 ℃或≥35 ℃高溫的發(fā)生頻率, 即Pi可表示為P32或P35; ni為夏玉米花期內(nèi)≥32 ℃或≥35 ℃高溫日數(shù); Ni為夏玉米花期總?cè)諗?shù)。

1.6 夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可用概率乘以強(qiáng)度來表示, 夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)計(jì)算方法如下:

式中: I 為夏玉米花期高溫風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù), ω1和ω2分別為不同程度高溫影響的權(quán)重系數(shù), P32和P35分別為≥32 ℃或≥35 ℃的高溫發(fā)生頻率, TH32和TH35分別為對(duì)應(yīng)等級(jí)的高溫積害值。

ω1和ω2確定方法: 降志兵等[5]研究指出高溫處理1 h 后, ≥32 ℃或≥35 ℃處理受精結(jié)實(shí)率均與對(duì)照呈顯著差異, 較對(duì)照分別降低49%和65%, 因此權(quán)重系數(shù)取值為二者損失率的相對(duì)比例, 計(jì)算方法如下:

以RCP-rf 基準(zhǔn)條件為參考, 將夏玉米花期高溫發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)劃分為輕、中、重3 級(jí)。分級(jí)的閾值計(jì)算公式如下:

式中: Ia為分級(jí)的閾值; Imax為全區(qū)域最高高溫風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù); ai為分級(jí)系數(shù), 其中輕度與中度風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)系數(shù)取0.4, 中度與重度風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)系數(shù)取0.7。根據(jù)閾值大小, 將計(jì)算得到的分級(jí)閾值直接應(yīng)用到RCP 4.5 和RCP 8.5 情景下進(jìn)行輕、中、重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。

1.7 數(shù)據(jù)處理分析方法

采用Microsoft Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 利用Suffer軟件選擇克里金插值方法作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米花期高溫日數(shù)及災(zāi)害發(fā)生頻率

2.1.1年際變化

夏玉米花期≥32 ℃高溫日數(shù)變化如圖 4a1-a3所示。RCP-rf 情景下≥32 ℃高溫日數(shù)為0.4～6.8 d, 多年平均4.2 d, 呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05); RCP 4.5情景下多年平均為4.7 d, 變化趨勢(shì)不顯著; RCP 8.5情景下增溫幅度更大, ≥32 ℃高溫日數(shù)平均為4.8 d, 呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05)。夏玉米花期≥35 ℃高溫日數(shù)變化如圖4b1-b3 所示, RCP-rf 情景下≥35 ℃高溫日數(shù)多年平均為 2.0 d, 也呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05); RCP 4.5 情景下多年平均為2.7 d, 變化趨勢(shì)均不顯著; RCP 8.5 情景下多年平均為2.8 d, 呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05)。

圖4 RCP 情景下河南省夏玉米花期≥32 ℃和≥35 ℃的高溫日數(shù) Fig.4 Changes of days of temperature higher than 32 ℃ and 35 ℃ during summer maize flowering in Henan Province under RCP scenarios

夏玉米花期≥32 ℃和≥35 ℃高溫發(fā)生頻率與高溫日數(shù)的變化趨勢(shì)一致(圖略), RCP-rf 情景下夏玉米花期高溫≥32 ℃和≥35 ℃發(fā)生頻率多年平均為61.3%和28.8%; RCP 4.5 情景下夏玉米花期高溫發(fā)生頻率上升趨勢(shì)不顯著, 多年平均為69.6%(≥32 ℃)和38.3%(≥35 ℃); RCP 8.5 情景下夏玉米花期高溫發(fā)生頻率呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05), 多年平均為70.4%(≥32 ℃)和40.1%(≥35 ℃)?！?5 ℃高溫發(fā)生頻率的波動(dòng)性增加, 未來情景下變異系數(shù)分別為15.4%(RCP 4.5)和13.9%(RCP 8.5), 均高于基準(zhǔn)條件的12.1%。

2.1.2 頻率空間分布

夏玉米花期≥32 ℃高溫日數(shù)及災(zāi)害發(fā)生頻率空間分布如圖5a1-a3 所示。RCP-rf 情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫日數(shù)全省為1.7～5.7 d, 高溫發(fā)生頻率全省為20.5%～81.0%; 除三門峽、洛陽和南陽的西部外, 全省其他大部分地區(qū)≥32 ℃高溫發(fā)生頻率均在70%以上。RCP 4.5 情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫日數(shù)為2.4～6.3 d, 高溫發(fā)生頻率全省為30.6%～89.9%; ≥32 ℃高溫發(fā)生頻率的高值區(qū)主要分布在新鄉(xiāng)、鄭州、平頂山及南陽一線以東的大部分地區(qū), 頻率大于80%。RCP 8.5 情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫發(fā)生頻率全省為36.1%～87.3%, 高溫日數(shù)2.8～6.1 d, 發(fā)生頻率大于80%的高值區(qū)分布與RCP 4.5 情景相似。與基準(zhǔn)條件相比, 未來排放情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫發(fā)生日數(shù)分別增加0.6 d (RCP 4.5)和0.5 d (RCP 8.5), 發(fā)生頻率增加9.1% (RCP 4.5)和11.0% (RCP 8.5)。

夏玉米花期≥35 ℃高溫日數(shù)及災(zāi)害發(fā)生頻率空間分布如圖5b1-b3 所示。RCP-rf 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫日數(shù)為0.3～3.6 d, 高溫發(fā)生頻率全省為3.9%～51.9%; 其中焦作、洛陽、平頂山和駐馬店一線以東的大部分地區(qū)≥35 ℃高溫發(fā)生頻率均在40%以上。RCP 4.5 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫發(fā)生頻率全省為8.8%～59.7%, 高溫日數(shù)為0.8～4.2 d, ≥35 ℃高溫發(fā)生頻率的高值區(qū)主要分布在新鄉(xiāng)、鄭州、平頂山及駐馬店一線以東的大部分地區(qū), 高溫發(fā)生頻率在50%以上。RCP 8.5 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫發(fā)生頻率全省為12.7%～56.3%, 高溫日數(shù)為0.9～3.9 d, 發(fā)生頻率大于50%高值區(qū)較RCP 4.5情景分布范圍更廣。與基準(zhǔn)條件相比, 未來排放情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫發(fā)生日數(shù)分別增加 0.6 d (RCP 4.5)和0.7 d (RCP 8.5), 發(fā)生頻率增加8.7% (RCP 4.5)和8.3% (RCP 8.5)。

圖5 RCP 情景河南省夏玉米花期≥32 ℃和≥35 ℃的高溫日數(shù)及發(fā)生頻率空間分布 Fig.5 Spatial distribution of days and occurrence frequency of temperature higher than 32 ℃ and 35 ℃ during summer maize flowering stage in Henan Province under RCP scenarios

2.2 夏玉米花期高溫積害

2.2.1 年際變化

夏玉米花期≥32 ℃高溫積害年際變化如圖6a1-a3 所示。RCP-rf 情景下≥32 ℃高溫積害多年平均為151.3 ℃·d, 呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05); RCP 4.5情景下變化趨勢(shì)不顯著, 多年平均為 174.9 ℃·d; RCP 8.5 情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫積害也呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05), 多年平均為177.9 ℃·d。夏玉 米花期≥35 ℃高溫積害年際變化如圖6b1-b3 所示, RCP-rf 情景下≥35 ℃高溫積害多年平均為75.5 ℃·d, 呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05); RCP 4.5 情景下變化趨勢(shì)不顯著, 多年平均為99.5 ℃·d; RCP 8.5 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫積害也呈顯著上升趨勢(shì)(P＜0.05), 多年平均為106.1 ℃·d。

圖6 RCP 情景河南省夏玉米花期≥32 ℃和≥35 ℃的高溫積害變化 Fig.6 Change of accumulation of temperature higher than 32 ℃ and 35 ℃ during summer maize flowering in Henan Province under RCP scenarios

不同情景下≥32 ℃高溫積害變異系數(shù)差別較小, 但≥35 ℃高溫積害變異系數(shù)在未來情景下為48.9%(RCP 4.5)和46.1%(RCP 8.5), 均高于基準(zhǔn)條件的38.6%, 表明重度高溫災(zāi)害發(fā)生的波動(dòng)性更大。

2.2.2 空間分布

夏玉米花期≥32 ℃高溫積害空間分布如圖7a1-a3 所示。RCP-rf 情景下全省≥32 ℃高溫積害為48.5～200.9 ℃·d, 其中焦作、洛陽、南陽一線以東的大部分區(qū)域?yàn)楦邷胤e害高值區(qū), 在 180 ℃·d以上, 約占全省夏玉米主栽區(qū)面積的 62%。RCP 4.5 情景下全省≥32 ℃高溫積害為73.4～231.3 ℃·d, 大于180 ℃·d 的高值區(qū)主要分布在焦作、濟(jì)源、洛陽和南陽一線以東的大部分地區(qū), 分布面積約占全省夏玉米主栽區(qū)面積的82%。RCP 8.5 情景下全省≥32 ℃高溫積害為 7.3～223.8 ℃·d, 分布形式與RCP 4.5 情景相似, 積害在180 ℃·d 以上的范圍約占全省夏玉米主栽區(qū)面積的 84%。與基準(zhǔn)條件相比, 未來排放情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫積害分別增加25.4 ℃·d (RCP 4.5)和25.6 ℃·d (RCP 8.5)。

夏玉米花期≥35 ℃高溫積害空間分布如圖7b1-b3 所示。RCP-rf 情景下全省≥35 ℃高溫積害為9.8～138.5 ℃·d, 安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、鄭州、開封、許昌和周口的大部地區(qū)高溫積害120℃·d 以上, 約占全省夏玉米主栽區(qū)面積的25%。RCP 4.5 情景下全省≥35 ℃高溫積害為 22.5～160.3 ℃·d, 大于120 ℃·d 的積害高值區(qū)主要分布在焦作、濟(jì)源、洛陽及南陽一線以東的大部分地區(qū), 面積較基準(zhǔn)條件明顯增加, 約占夏玉米主栽區(qū)面積的60%。RCP 8.5情景下全省≥35 ℃高溫積害為32.7～154.9 ℃·d, 大于120℃·d 積害分布范圍更廣, 約占夏玉米主栽區(qū)面積的68%。與基準(zhǔn)條件相比, 未來排放情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫積害分別增加25.8 ℃·d (RCP 4.5)和31.4 ℃·d (RCP 8.5)。

圖7 RCP 情景河南省夏玉米花期≥32 ℃和≥35 ℃的高溫積害空間分布 Fig.7 Spatial distribution of accumulation of temperature higher than 32 ℃ and 35 ℃ during summer maize flowering in Henan Province under RCP scenarios

2.3 夏玉米花期高溫綜合風(fēng)險(xiǎn)分析

綜合夏玉米花期高溫發(fā)生頻率和積害強(qiáng)度計(jì)算的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布如圖8 所示。河南省夏玉米高溫?zé)岷C合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體上呈東高西低的分布形式。RCP-rf 情景下高值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在新鄉(xiāng)、鄭州、許昌、漯河、周口及其以東以北的地區(qū)(商丘除外), 約占夏玉米主栽區(qū)面積的30.1%; 低值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在豫西三門峽、洛陽西部和南陽的西部。RCP 4.5 情景下, 濟(jì)源、洛陽和南陽一線以東地區(qū)均為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū); 低值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在豫西三門峽、 洛陽西部和南陽的西北部, 面積較基準(zhǔn)條件下明顯減小。RCP 8.5 情景下, 增溫幅度更大, 高值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布范圍較RCP 4.5 情景相比向西進(jìn)一步擴(kuò)大, 低值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積進(jìn)一步縮小。未來情景下高值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積占夏玉米主栽區(qū)面積的63.4%(RCP 4.5)和76.3%(RCP 8.5), 較基準(zhǔn)條件分別增加33.3% (RCP 4.5)和46.2% (RCP 8.5), 未來RCP 情景下夏玉米花期高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。

圖8 RCP 情景河南省夏玉米花期高溫綜合風(fēng)險(xiǎn)分布 Fig.8 Distribution of high temperature comprehensive risk during summer maize flowering in Henan Province under RCP scenarios

3 討論

許多氣候變化影響研究指出, 溫度升高對(duì)作物生產(chǎn)的影響十分顯著[30-34]。但大多關(guān)注的是平均溫度對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響。然而作物產(chǎn)量與溫度之間是非線性關(guān)系, 小于閾值產(chǎn)量隨溫度升高而增加, 高于閾值產(chǎn)量受災(zāi)下降, 而極端高溫的發(fā)生將導(dǎo)致更大的產(chǎn)量損失[35-36]。降志兵等[5]研究表明極端高溫38 ℃以上處理1 h, 玉米開花授粉將造成致命的損失, 受精結(jié)實(shí)率僅2%。未來氣候變化情景下氣候不穩(wěn)定性增加, 經(jīng)統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)條件下, 夏玉米花期≥38 ℃極端高溫發(fā)生頻率為10.6%, 未來氣候情景下增加到19.2%(RCP 4.5)和20.3%(RCP 8.5), 極端高溫發(fā)生概率增加將面臨更嚴(yán)重的絕收風(fēng)險(xiǎn)。本文僅重點(diǎn)分析了≥32 ℃和≥35 ℃兩個(gè)致災(zāi)閾值的發(fā)生頻率和時(shí)空分布特征, 而對(duì)產(chǎn)量損失更大的極端高溫的影響還有待做進(jìn)一步詳細(xì)分析。

受氣候情景數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的制約, 未來高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)估是建立在逐日氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。隨著高溫災(zāi)害研究的不斷深入, 不同高溫持續(xù)時(shí)間對(duì)玉米花粉活力、產(chǎn)量影響的差異也很顯著[5], 已細(xì)化到以小時(shí)為時(shí)間尺度的研究層面, 對(duì)高溫災(zāi)害影響的評(píng)估提出更精細(xì)化的氣象數(shù)據(jù)需求。

本文對(duì)夏玉米花期的判定是在假設(shè)品種熟性不變的基礎(chǔ)上完成的, 隨著氣候變暖, 生產(chǎn)上可通過改種偏晚熟的品種以充分利用生長季熱量資源提高產(chǎn)量。夏玉米花期亦會(huì)發(fā)生改變, 有可能避過發(fā)生極端高溫的高峰時(shí)段, 降低高溫災(zāi)害影響。前人研究也指出播期調(diào)整是作物調(diào)節(jié)發(fā)育期趨利避害的較為有效措施[37], 通過改變播期調(diào)整花期, 躲避高溫影響。但花期調(diào)整的策略和范圍尚不明確, 以未來RCP 氣候情景下河南省夏玉米主要生長季平均最高氣溫變化為例(圖9), RCP-rf 基準(zhǔn)條件下, 向前向后調(diào)整花期均有降低風(fēng)險(xiǎn)的可能。RCP 4.5 條件下向后調(diào)整花期可降低高溫風(fēng)險(xiǎn)。RCP 8.5 情景下, 向前向后調(diào)整播期均不利于躲避高溫, 尤其是向前調(diào)整, 花期高溫風(fēng)險(xiǎn)增加明顯。但這僅就最高氣溫變化的“平均態(tài)”而言, 不同地區(qū)氣候變化的差異性較大, 需要開展更深入的研究, 根據(jù)實(shí)際情況制定適應(yīng)對(duì)策。

高溫往往伴隨著干旱, 研究表明高溫風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)干旱發(fā)生頻繁, 且高溫干旱的協(xié)同作用大于二者的簡單相加[38]。高溫加速了土壤蒸發(fā)和作物蒸騰, 使干旱加劇, 玉米受災(zāi)減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)增加。加強(qiáng)水肥調(diào)控是防御高溫干旱的綜合有效措施, 合理的灌溉可以降低田間溫度, 灌溉后玉米能得到充足的水分, 促進(jìn)蒸騰作用, 降低冠層溫度, 增施有機(jī)肥、施用微 量元素鋅肥和后期補(bǔ)充鉀肥可以增加玉米耐熱性[24], 從而有效減少高溫災(zāi)害影響。

圖9 RCP 情景下花期調(diào)整對(duì)夏玉米躲避高溫風(fēng)險(xiǎn)的 效果 Fig.9 Effect of adjusting flowering date on avoiding high temperature risk under RCP scenarios

4 結(jié)論

RCP-rf 情景下河南省夏玉米花期≥32 ℃高溫日數(shù)為1.7～5.7 d, 發(fā)生頻率為20.5%～81.0%。與RCP-rf相比, 未來RCP 情景下夏玉米花期≥32 ℃高溫發(fā)生日數(shù)增加0.6 d(RCP 4.5)和0.5 d(RCP 8.5), 發(fā)生頻率增加9.1%(RCP 4.5)和11.0%(RCP 8.5)。RCP-rf 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫日數(shù)在0.3～3.6 d 范圍, 發(fā)生頻率全省在3.9%～51.9%范圍。與RCP-rf 相比, 未來RCP 情景下夏玉米花期≥35 ℃高溫發(fā)生日數(shù)增加0.6 d(RCP 4.5)和0.7d(RCP 8.5), 發(fā)生頻率增加8.7%(RCP 4.5)和8.3%(RCP 8.5)。RCP-rf 情景下全省夏玉米花期≥32 ℃高溫積害為 48.5～200.9 ℃·d, ≥35 ℃高溫積害為9.8～138.5 ℃·d。與RCP-rf 相比, 未來 R CP 情景下≥3 2 ℃高溫積害增加 2 5.4 ℃·d(RCP 4.5)和25.6 ℃·d(RCP 8.5); ≥35 ℃高溫積害增加25.8 ℃·d(RCP 4.5)和31.4 ℃·d(RCP 8.5)。

夏玉米花期高溫綜合風(fēng)險(xiǎn)分布可知, RCP-rf 情景下高值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在新鄉(xiāng)、鄭州、許昌、漯河、周口及其以東以北的地區(qū)(商丘除外), 約占夏玉米主栽區(qū)面積的30.1%; 未來情景下高值風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積擴(kuò)大至洛陽和南陽以東的大部分地區(qū), 約占夏玉米主栽區(qū)面積的63.4%(RCP 4.5)和76.3%(RCP 4.5), 較基準(zhǔn)條件分別增加33.3%(RCP 4.5)和46.2%(RCP 4.5), 未來氣候情景下夏玉米花期高溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加。

致謝感謝國家氣候中心提供的利用區(qū)域氣候模式所進(jìn)行的中國區(qū)域未來氣候變化模擬結(jié)果。