中國玉米高溫?zé)岷ρ芯窟M(jìn)展

霍治國 張海燕 李春暉 孔 瑞3） 江夢圓2）

1）（中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

2）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044）

3）（中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074）

引 言

全球氣候變化已成為不爭事實(shí)，氣候的多變性及極端事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隨之增大，極大地威脅中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全［1］。玉米對天氣變化特別是氣溫最為敏感，氣溫升高對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生較大的負(fù)面影響［2］。研究表明：全球平均氣溫每上升1℃，玉米產(chǎn)量下降7.4%［3］，氣溫升高2℃造成的玉米產(chǎn)量變化比降水減少20%的影響更大［4］。玉米作為三大糧食作物之一，是中國糧食增產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)者，2021年種植面積達(dá)4.33×107hm2，其產(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)量的40%，中國北方春玉米區(qū)產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果表明，氣溫增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，產(chǎn)量下降1.4%［5］。在氣候變化背景下，玉米高溫?zé)岷︻l發(fā)。2003年意大利玉米受高溫影響，產(chǎn)量下降36%［6］。2009年中國河北省部分地區(qū)持續(xù)高溫，致使玉米葉片枯黃，灌漿緩慢甚至停止，雄穗干癟無粉，花期不遇，造成空桿，絕收4.2×104hm2；2013—2018年黃淮海夏玉米產(chǎn)區(qū)連續(xù)6年遭遇高溫?zé)岷Γ率共糠值貐^(qū)玉米結(jié)實(shí)不良，甚至絕收，其中2016年夏玉米生育期縮短4.8%～8.5%，產(chǎn)量降低12.4%［7］；2019年7—8月安徽省北部玉米主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)異常高溫，阻礙夏玉米正常開花授粉，導(dǎo)致玉米結(jié)實(shí)不良、產(chǎn)量降低，嚴(yán)重地塊減產(chǎn)30%以上［8］。

針對玉米高溫?zé)岷@一突出問題，已有學(xué)者從不同角度開展了相關(guān)研究，取得一定成果。本文綜合玉米高溫?zé)岷Φ囊延醒芯砍晒?，對玉米高溫?zé)岷Φ母拍睢⒎诸?、影響和危害機(jī)理、氣象成因、時(shí)空分布特征、防御對策等方面進(jìn)行整合梳理，以期為玉米高溫?zé)岷Ψ烙娃r(nóng)業(yè)減災(zāi)增效提供科學(xué)支持及深入研究的參考。

1 概念及分類

1.1 概念及特點(diǎn)

1.1.1 高溫?zé)岷?/p>

高溫?zé)岷χ府?dāng)氣溫上升到一定程度，高溫對作物正常生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)等造成危害［9］，會加劇干旱、加速作物植株的蒸騰，導(dǎo)致作物脫水萎蔫甚至死亡，也稱酷熱災(zāi)害。中國高溫?zé)岷谐霈F(xiàn)于5—9月，頻發(fā)于盛夏7—8月，具有持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大、影響范圍廣等特點(diǎn)，易對玉米、水稻、棉花、茶樹、蘋果、獼猴桃、枇杷、設(shè)施番茄等作物［10-12］產(chǎn)生不利影響。近年高溫?zé)岷︻l發(fā)嚴(yán)重影響中國各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如2013年夏季全國各地多次出現(xiàn)罕見大范圍持續(xù)性高溫天氣，浙江省茶園受災(zāi)面積達(dá)1.39×104hm2，夏秋茶減產(chǎn)4.74×104t，經(jīng)濟(jì)損失為17.2億元［13］，湖南省衡陽、邵陽等地約10%的一季稻、玉米等作物受災(zāi)絕收［14］。2016年湖北省出現(xiàn)持續(xù)晴熱高溫天氣，約98.3%的中稻在抽穗揚(yáng)花期和灌漿期遭遇高溫?zé)岷?，結(jié)實(shí)率較常年偏低12%～15%［15］。

1.1.2 玉米高溫?zé)岷捌涮攸c(diǎn)

玉米是C4植物，生育期內(nèi)相對較高的氣溫有利于玉米增產(chǎn)，但氣溫超過一定范圍就會對其產(chǎn)生不利影響。玉米高溫?zé)岷κ侵赣衩咨L過程中出現(xiàn)的一種持續(xù)高溫且空氣濕度較低的災(zāi)害性天氣，可使玉米生長發(fā)育延遲或不良、花粉不遇或授粉不良，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收，具有一定的隱蔽性和累積效應(yīng)［16］。同一天氣條件下，玉米高溫?zé)岷κ芎Τ潭入S品種、播期、種植密度、植株長勢、水肥管理?xiàng)l件、間套作方式等因素而變化。雄穗分支多、花粉量大的品種對高溫環(huán)境表現(xiàn)不敏感。異常高溫天氣常與干旱并發(fā)，植株遭受雙重危害，損失加重，如2012年美國中東部出現(xiàn)極端高溫并引發(fā)大范圍干旱，整個(gè)玉米種植帶均遭受高溫干旱侵襲，農(nóng)業(yè)損失超過300億美元［17］。此外，高溫還可引發(fā)其他病害，如紋枯病、青枯病、瘤黑粉病、穗腐病等［18］。

1.2 分 類

基于高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生時(shí)段及對玉米影響與危害結(jié)果的差異，可將玉米高溫?zé)岷Ψ譃檠舆t型、障礙型、生長不良型和混合型4類。

1.2.1 延遲型

延遲型熱害發(fā)生在玉米營養(yǎng)生長期，氣溫過高抑制植株向上發(fā)育，大幅減緩植株生長過程，熱害嚴(yán)重時(shí)玉米冠層生長發(fā)育停止，根基部位出現(xiàn)過量的分蘗，大量消耗植株?duì)I養(yǎng)物質(zhì)，造成減產(chǎn)或絕收。延遲型熱害在不同區(qū)域、栽培條件、玉米品種下均有發(fā)生。高溫多雨是玉米分蘗發(fā)生的主導(dǎo)因素，通過適當(dāng)?shù)奶镩g管理如保持水肥，及早中耕培土等，可以減輕分蘗過多而減產(chǎn)的影響。2013 年河南省鄧州7月上中旬玉米營養(yǎng)生長期間，出現(xiàn)長達(dá)10 d的高溫天氣，玉米植株葉片萎蔫，冠層生長發(fā)育受阻，基部蘗芽大量生發(fā)［16］。

1.2.2 障礙型

障礙型熱害發(fā)生在玉米生殖生長期，高溫對植株生殖器官造成損傷，致使雄蕊不育或部分不育，受害時(shí)間短但難以恢復(fù)正常。玉米植株受害后無法正常抽雄或開花，果穗禿尖、缺粒、缺行甚至無果穗，對產(chǎn)量影響較大。障礙型熱害的危害程度與品種特性有關(guān)，雄穗分枝數(shù)少，花粉數(shù)量少，授粉期短的玉米品種，受害更為嚴(yán)重［19］。2016年7月河南省遂平縣出現(xiàn)持續(xù)高溫，正值花期的玉米出現(xiàn)不授粉或授粉不良現(xiàn)象，結(jié)實(shí)率大幅下降，危害嚴(yán)重地區(qū)結(jié)實(shí)率不足30%［20］。

1.2.3 生長不良型

生長不良型熱害常發(fā)生在玉米營養(yǎng)生長期，高溫破壞了玉米植株內(nèi)部碳循環(huán)，凈光合產(chǎn)物積累減少，植株未得到充足的養(yǎng)分而不能發(fā)育果實(shí)。植株形態(tài)表現(xiàn)為整體株高減小，葉片數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等減少，果穗變短，但成熟期無明顯的延遲現(xiàn)象。2018年山東省兗州7月中下旬玉米大喇叭口期出現(xiàn)連續(xù)高溫，葉原基發(fā)育及伸長受到抑制，雌穗分化受阻甚至畸形，平均減產(chǎn)5.4%［21］。

1.2.4 混合型

混合型熱害即在玉米生長前期遭遇高溫?zé)岷?，生長后期又發(fā)生高溫?zé)岷σ约捌渌麣庀鬄?zāi)害，植株受害后癥狀集延遲型、障礙型、生長不良型于一體，玉米在營養(yǎng)生長階段滋生大量蘗芽，生殖生長階段授粉不良，灌漿期縮短，致使玉米大幅減產(chǎn)甚至絕收。中國玉米種植區(qū)混合型熱害發(fā)生最為頻繁，2013年河南省平輿縣夏玉米在營養(yǎng)生長階段長期干旱，株高降低，抽雄授粉期遭遇高溫、暴雨授粉不良，玉米缺粒穗最高達(dá)78%，灌漿期又出現(xiàn)極端高溫，灌漿遲緩且時(shí)間縮短，發(fā)生高溫逼熟現(xiàn)象，千粒重下降14.65%，減產(chǎn)20.45%［18］。2017年河南省新鄉(xiāng)玉米遭遇歷史罕見的混合型熱害，拔節(jié)期前異常增生分蘗，生長中期遭遇高溫干旱授粉不良，后期遇連陰雨天氣，成熟期推遲，粒重降低；高溫?zé)岷υ斐刹糠值貐^(qū)玉米空桿畸形穗率高達(dá)50%以上，10%以上的地區(qū)不同程度減產(chǎn)甚至絕收［22］。

2 高溫?zé)岷ξ：C(jī)理

高溫?zé)岷赡馨l(fā)生在玉米生長的各個(gè)階段，但對玉米造成的危害和產(chǎn)量損失不同，在出苗后的第29—62日氣溫升高對產(chǎn)量影響最大［23］。當(dāng)玉米苗期遭遇高溫?zé)岷Γ~片顏色變淺，地上部分生物量顯著降低，植株外形瘦弱［24］；開花授粉期遭遇高溫?zé)岷Γ浠ǚ刍ńz的形態(tài)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常敗育或畸形，影響授粉結(jié)實(shí)；灌漿期遭遇高溫?zé)岷t會縮短灌漿持續(xù)時(shí)間，影響同化物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，粒重降低從而造成減產(chǎn)［25］。

2.1 高溫對玉米光合作用的影響

光合作用是對高溫極其敏感的生理過程之一，大喇叭口期到成熟期高溫會導(dǎo)致玉米光合色素含量及相關(guān)酶活性顯著降低，光合速率下降［26］。研究表明，高溫使得光合速率降低是由非氣孔因素即葉肉細(xì)胞光合活性下降造成［27］。高溫條件下，葉片內(nèi)葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量會隨著脅迫溫度和時(shí)間的增加而減小，同時(shí)葉綠體類囊體膜流動(dòng)性增加，結(jié)構(gòu)和組織的生理特性發(fā)生改變，造成光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、電子傳遞的實(shí)際量子產(chǎn)量降低［24，28］，從而降低光合速率。此外，光合作用關(guān)鍵酶的活性降低也是影響作物光合速率的主要因素之一，高溫脅迫下酶活性比光系統(tǒng)Ⅱ的光化學(xué)最大量子產(chǎn)量反應(yīng)更為敏感［28］。試驗(yàn)證明35℃高溫處理下磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化酶、核酮糖二磷酸（RuBP）羧化酶活性顯著降低，高溫條件下葉片含水率、可溶性蛋白質(zhì)含量下降［29］，RuBP活化酶受到抑制，從而降低RuBP 酶的活化狀態(tài)［30］，葉片光飽和狀態(tài)下的CO2交換速率也隨之降低。

2.2 高溫對玉米育性的影響

高溫是導(dǎo)致玉米花粉活力減退的重要原因，而花粉活力的高低對玉米穗粒數(shù)有直接影響，最終影響產(chǎn)量。高溫脅迫使得花藥壁加厚，花藥難以開裂影響散粉，花藥皺縮變小，藥室發(fā)生變形，藥隔維管束變小，花室中花粉粒散亂，花粉皺縮，花粉萌發(fā)孔凹陷或嚴(yán)重畸形，花粉內(nèi)淀粉粒體積及密度變?。?1-32］，導(dǎo)致玉米花粉生活力及萌發(fā)力減弱致使花粉敗育，活性降低。此外，高溫還會改變玉米開花特性，使抽雄期提前、開花期和盛花期延后，抽雄吐絲間隔期延長［33］，雌雄間隔期可延長3 d，部分品種間隔期可增加76.5%［32］，散粉量下降，散粉嚴(yán)重受阻，結(jié)實(shí)率降低。玉米花期高于平均最高氣溫（33℃）3～5℃的高溫處理下高活力花粉比例降低23.1%，當(dāng)氣溫超過38℃時(shí)，雄穗不能開花，散粉受阻，授粉率與氣溫呈負(fù)相關(guān)，38℃高溫處理30 min后玉米的小花受精率和總結(jié)實(shí)率均為0［34-36］。

2.3 高溫對玉米灌漿的影響

灌漿期是玉米籽粒物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，對氣溫變化較為敏感，此時(shí)遭遇高溫脅迫會影響籽粒灌漿速率及持續(xù)時(shí)間，對產(chǎn)量影響較大。花后前期（授粉后第5—20日）高溫處理使籽粒發(fā)育前期的灌漿速率加快，但抑制了灌漿中后期的速率［37］，灌漿后期胚、胚乳和種皮重量增速在高溫脅迫下顯著受抑，籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性逐漸降低，最大可降低42%，葉片衰老加速，光合參數(shù)降低，同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)減少［28-29］，粒重增速緩慢，穗粒數(shù)減少，導(dǎo)致灌漿后期籽粒干重及產(chǎn)量降低。高溫會降低玉米籽粒的含水率，加快籽粒果皮中淀粉體的降解速度，而胚乳細(xì)胞中淀粉體充實(shí)提前，淀粉積累加速，持續(xù)積累時(shí)間縮短［38］，但灌漿速率加快不能補(bǔ)償灌漿期縮短造成的影響。此外，高溫對灌漿速率及持續(xù)時(shí)間的影響與玉米品種特性有關(guān)，晚熟品種灌漿期長而灌漿速率相對較低，早熟品種灌漿期短而灌漿速率相對較高［39］。

2.4 高溫對玉米品質(zhì)的影響

玉米發(fā)育后期的高溫條件對玉米籽粒品質(zhì)及糊化特性有顯著影響，灌漿期高溫較開花期高溫對玉米籽粒品質(zhì)的影響更大［40］。高溫脅迫會影響葉片與籽粒的碳、氮同化物積累及分配狀況，高溫時(shí)葉片中的氮快速向籽粒轉(zhuǎn)移，提高了氮的同化效率，籽粒中蛋白質(zhì)含量升高。高溫影響淀粉代謝酶的活性及淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)，阻礙糖分向淀粉的轉(zhuǎn)化，籽粒中粗脂肪、粗淀粉含量降低，同時(shí)改變籽粒內(nèi)淀粉結(jié)構(gòu)，淀粉粒變大，異常淀粉粒數(shù)增加，糊化溫度升高，峰值粘度下降，面粉回生率增大［41-42］，品質(zhì)下降。

3 玉米高溫?zé)岷Φ臍庀蟪梢?/h2>

高溫?zé)岷κ且环N大范圍的災(zāi)害性天氣，形成于特定的大尺度環(huán)流背景下，其發(fā)生發(fā)展具有極強(qiáng)的區(qū)域差異性和過程性，強(qiáng)度及持續(xù)日數(shù)受多種因素影響。全球氣候變暖加劇氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定，是造成極端高溫事件頻發(fā)的氣候背景，而影響氣溫異常的最直接因子是大氣環(huán)流的異常。中國夏季各地區(qū)高溫過程受西太平洋副熱帶高壓及青藏高原上空南亞高壓兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)影響。在高壓系統(tǒng)外圍西風(fēng)場的控制下，通過太陽短波輻射和下沉氣流的增溫作用使氣溫在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，從而引發(fā)大范圍高溫事件［43］。大氣的干燥程度也是影響氣溫升高的重要因素之一，持續(xù)性高溫天氣發(fā)生時(shí)，也伴隨著水汽輸送環(huán)流的異常，使大氣更易增溫，常形成持續(xù)高溫少雨天氣［44］。鑒于高溫天氣條件成因的區(qū)域差異以及高溫出現(xiàn)時(shí)間與夏玉米發(fā)育時(shí)段匹配的不同，將中國優(yōu)勢玉米區(qū)（黃淮海夏玉米區(qū)、北方春玉米區(qū)、西南玉米區(qū)）的高溫?zé)岷庀蟪梢蚺c高溫?zé)岷Πl(fā)生的主要類型及其關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分區(qū)評述。

3.1 黃淮海夏玉米區(qū)

黃淮海地區(qū)出現(xiàn)異常高溫的主要原因是西風(fēng)帶冷空氣活動(dòng)勢力較弱，冷空氣及低壓槽在西亞地區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，大部分地區(qū)由強(qiáng)大的大陸暖高壓控制，空氣下沉絕熱增溫，加快地面溫度升高［45］。從前期高空環(huán)流形勢（500 hPa平均高度場）演變看，高溫時(shí)段內(nèi)歐亞大陸中高緯地區(qū)維持兩槽一脊形勢，盛行緯向環(huán)流，黃淮海地區(qū)處于脊前西北氣流（暖性高壓脊）控制，水汽輸送氣流由新疆北部指向華北地區(qū)，含水量少，輻射增溫強(qiáng)［46］。在850 hPa溫度場上，北方多為干區(qū)，且存在自西向東逐漸降低的溫度梯度，盛行偏西風(fēng)將干暖空氣帶到黃淮地區(qū)，由于西北部多山脈，氣團(tuán)干絕熱增溫促使高溫天氣形成［47］。在黃淮海夏玉米生育期（6—9月）內(nèi)，由于不同年際間高溫天氣出現(xiàn)時(shí)間與夏玉米發(fā)育時(shí)段匹配的差異性，延遲型、障礙型、生長不良型和混合型4種高溫?zé)岷谐霈F(xiàn)，以苗期-拔節(jié)期（6 月中旬—7 月下旬）高溫發(fā)生次數(shù)最多、抽穗-灌漿期（8 月）高溫危害最重［48-49］。

3.2 北方春玉米區(qū)

北方春玉米區(qū)異常高溫成因與黃淮海夏玉米區(qū)類似，緯向環(huán)流占優(yōu)勢，東北冷渦活動(dòng)少，冷空氣不活躍，40°N 以北地區(qū)西風(fēng)急流異常偏北，對流層上部南亞高壓向東北方向傾斜，西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，對流層高中低層均受反氣旋環(huán)流控制，暖脊發(fā)展深厚，閉合的高壓中心重疊，其所控制地區(qū)氣流下沉，出現(xiàn)持續(xù)性高溫［50］。受反氣旋環(huán)流影響，40°N 附近地區(qū)以偏東風(fēng)為主，南側(cè)存在異常的氣旋性環(huán)流，阻擋南海、遼東半島的暖濕氣流向北輸送，空氣輻散加劇下沉運(yùn)動(dòng)增溫［51］。北方春玉米生育期（4月下旬—9 月中旬）的抽穗至灌漿期（7 月中旬—8月下旬）易發(fā)生高溫?zé)岷?，多見障礙型高溫?zé)岷Πl(fā)生的報(bào)道。近年隨著氣候變暖趨勢加劇，春玉米播種至抽穗期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)也在增加，未來有其他類型高溫?zé)岷Πl(fā)生的可能［52-53］。

3.3 西南玉米區(qū)

西南丘陵山地玉米區(qū)易在春夏季出現(xiàn)極端高溫，亞洲中高緯緯向環(huán)流槽脊活動(dòng)偏弱，寬槽區(qū)明顯，西太平洋副熱帶高壓偏西、偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)，與青藏高壓合并，對流層中上層有顯著的反氣旋異常，大氣下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，云量減少，到達(dá)地表的太陽短波輻射增加，致使地面氣溫快速升高［54］。菲律賓海區(qū)及中國西南地區(qū)對流層低層有顯著的氣旋性環(huán)流異常，高壓南側(cè)的西南季風(fēng)東傳受阻，切斷了西南地區(qū)的兩大水汽通道——孟加拉灣和南海暖濕氣流的輸送，促進(jìn)地表升溫［55］。西南玉米區(qū)春玉米生育期為3月上旬—8月中旬，夏玉米生育期為4月上旬—9月中旬，高溫?zé)岷σ装l(fā)生在抽穗至灌漿期（春玉米為6月中旬—7 月中旬，夏玉米為7 月上旬—8 月下旬），在苗期、拔節(jié)期也有發(fā)生，目前多見障礙型高溫?zé)岷Πl(fā)生的報(bào)道［56-57］。

4 玉米高溫?zé)岷χ聻?zāi)指標(biāo)

高溫影響植株光合、授粉、灌漿、結(jié)實(shí)等過程，在實(shí)際生產(chǎn)中，通過觀察植物形態(tài)變化難以確定不同程度的高溫?zé)岷Γ囼?yàn)研究多從生理生化及產(chǎn)量構(gòu)成要素等指標(biāo)的角度解釋高溫危害程度的大小。王海梅［58］通過分析不同溫度梯度下玉米可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD（超氧化物歧化酶）活性等生理指標(biāo)，確定38℃為玉米耐受高溫的重要轉(zhuǎn)折溫度。張學(xué)鵬等［59］通過溫度控制試驗(yàn)，對比不同溫度脅迫下的葉片光合反應(yīng)、氣孔及葉綠體結(jié)構(gòu)變化，確定36℃為玉米葉片“源”的脅迫閾值。生理指標(biāo)雖精準(zhǔn)可靠，但時(shí)效性差，取樣、測定需要投入較多的人力、財(cái)力，適用于小面積的研究使用。

對玉米高溫?zé)岷κ欠癜l(fā)生的判別標(biāo)準(zhǔn)，有研究以日最高氣溫及其持續(xù)日數(shù)等氣象學(xué)指標(biāo)為主，但不同地區(qū)不同發(fā)育階段的玉米高溫?zé)岷ρ芯坎捎玫臏囟乳撝导芭袛鄻?biāo)準(zhǔn)有所不同，綜合已有研究成果，表1為玉米不同發(fā)育時(shí)段高溫?zé)岷Πl(fā)生的溫度判別指標(biāo)。致災(zāi)指標(biāo)同高溫?zé)岷?dǎo)致的玉米生理變化及產(chǎn)量損失的關(guān)系有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，致災(zāi)指標(biāo)閾值有待進(jìn)一步規(guī)范統(tǒng)一。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 21985—2008《主要農(nóng)作物高溫危害指標(biāo)》以最高氣溫不小于30℃或35℃，開花較少或不開花作為玉米花期的熱害指標(biāo)［9］。王麗君［60］以高溫累積度日（日最高氣溫大于32℃的積溫）和高溫發(fā)生日數(shù)（日最高氣溫大于32℃的日數(shù)）為指標(biāo)，評價(jià)夏玉米生育期內(nèi)極端高溫風(fēng)險(xiǎn)；和驊蕓等［61］、管玥等［62］以日最高氣溫不小于35℃、高溫日數(shù)持續(xù)3，4，5 d為標(biāo)準(zhǔn)劃分華北平原夏玉米花期高溫?zé)岷Φ奈：Φ燃墸恍煅蛹t等［63］、陳懷亮等［64］以花期日最高氣溫不小于32℃和不小于35℃發(fā)生頻率和日最高氣溫不小于32℃和不小于35℃的積熱量4個(gè)致災(zāi)氣象因子，構(gòu)建河南省夏玉米高溫?zé)岷υu估指標(biāo)；劉哲等［65］以日最高氣溫34℃、時(shí)長7 h為高溫指標(biāo)分析夏玉米花期的熱害分布規(guī)律；劉盼等［66］分別以日最高氣溫不小于32，34℃為高溫閾值分析1971—2018年河北省玉米花期高溫累計(jì)日數(shù)的時(shí)空變化；張琪等［67］通過積溫產(chǎn)量模型確定山東省夏玉米拔節(jié)期前后不同發(fā)育階段的極端高溫閾值；韋丹等［68］以30，32，35℃為高溫閾值，結(jié)合APSIM 模型探究京津冀地區(qū)極端高溫對玉米產(chǎn)量的影響；于振文［69］總結(jié)歸納中國北方地區(qū)玉米不同發(fā)育階段的高溫脅迫閾值；尹小剛等［70］以日最高氣溫不小于30℃的積溫及發(fā)生日數(shù)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，探討高溫對東北農(nóng)作區(qū)玉米生產(chǎn)的影響；韓佳昊等［71］采用百分位法以氣溫序列的85%和90%兩個(gè)百分位值及持續(xù)時(shí)間3 d，5 d兩個(gè)等級，定義4種等級水平的玉米高溫事件；周夢子等［72］利用格點(diǎn)數(shù)據(jù)以某日最高氣溫序列95%分位值的相對閾值定義玉米極端高溫。

表1 玉米高溫?zé)岷ε袆e指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of discrimination index of high temperature and heat damage of maize

5 時(shí)空分布特征

中國玉米產(chǎn)區(qū)分布廣泛，根據(jù)自然生態(tài)、種植結(jié)構(gòu)、玉米種植規(guī)模及發(fā)展前景，將中國劃分為6個(gè)玉米種植區(qū)：北方春玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)、西南山地玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)、西北灌溉玉米區(qū)、青藏高原玉米區(qū)，隨著玉米生產(chǎn)布局的優(yōu)化，形成以北方春玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)、西南玉米區(qū)為優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的中國玉米帶［73］。春玉米主要分布在東北、西北、西南各省的高海拔丘陵山地地區(qū)，東北三省種植面積最大，以玉米單作或間作大豆、馬鈴薯為主；夏玉米主要分布在黃淮海平原，間套復(fù)種并存，小麥玉米兩作平播或套播種植占70%以上。

5.1 春玉米高溫?zé)岷r(shí)空分布特征

春玉米種植集中地區(qū)氣溫相對較低，不易遭遇高溫?zé)岷Γ?003年后北方地區(qū)高溫狀況加劇，最近10年頻繁出現(xiàn)異常高溫過程，且集中在6月［74］。東北地區(qū)盛夏高溫是春玉米氣象產(chǎn)量增加的限制因子，氣溫上升，東北地區(qū)西南部減產(chǎn)，黑龍江省東部平原地區(qū)產(chǎn)量增加，春玉米生育期內(nèi)平均氣溫在空間上呈現(xiàn)自東北向西南逐漸增加的趨勢，遼寧地區(qū)春玉米發(fā)育期遭遇極端高溫的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加［75-77］。A1B情景（IPCC 排放情景報(bào)告所假設(shè)的未來大氣CO2等溫室氣體保持中等排放的平衡發(fā)展情景）下2011—2100年東北地區(qū)玉米生育期內(nèi)高溫逐步增加，增加幅度高值區(qū)主要位于黑龍江省西部與東北部［78］。湖南省春玉米高溫?zé)岷δ甏胃怕矢咧祬^(qū)在衡陽大部、株洲中南部等地，衡陽市最高為81.8%［79］。廣西壯族自治區(qū)巖溶山區(qū)約23%的頻率出現(xiàn)高溫減產(chǎn)年，導(dǎo)致春玉米減產(chǎn)1成以上［80］。

春玉米高溫?zé)岷Χ喟l(fā)生在開花授粉期，但隨著各地播期不同而改變，晚播春玉米（4月中旬—5月上旬播種）灌漿期也易遭遇高溫天氣［81］。北方春玉米區(qū)開花期（7月中下旬）最高氣溫明顯增加，松遼平原地區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)高于其他地區(qū)［70］。西南春玉米高溫天氣主要發(fā)生在乳熟-成熟階段，且主要集中在東北部地區(qū)，部分地區(qū)氣候變暖后高溫發(fā)生日數(shù)較變暖前明顯增加，高達(dá)10.4 d［82］。四川省南充高于35℃的高溫天氣最早可能出現(xiàn)在4月，春玉米在5月中旬拔節(jié)抽雄時(shí)遭受高溫危害［83］。湖南省春玉米（3月下旬—7月中下旬）幾乎整個(gè)灌漿期都處于高溫脅迫狀態(tài)，7月中旬脅迫最重［84］。2016—2018年西北河套灌區(qū)春玉米在7—8月均遭遇不同程度的高溫?zé)岷Γ钤绨l(fā)生在7月7日，最長持續(xù)時(shí)間為18 d，安徽省利辛縣春玉米在7月灌漿期發(fā)生高溫?zé)岷Γ?5-88］。

5.2 夏玉米高溫?zé)岷r(shí)空分布特征

夏玉米高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)主要集中在黃淮海產(chǎn)區(qū)，空間上呈現(xiàn)南高北低、西高東低的分布態(tài)勢，河北省東南部、河南省大部以及山東省西部地區(qū)高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)最高，受害最為嚴(yán)重［89］。河南省南陽南部、駐馬店、周口、漯河、許昌東部等地夏玉米高溫?zé)岷︻l率超過55%，與未來氣候變化情景下（RCP4.5 情景，到2100年溫室氣體濃度對應(yīng)輻射強(qiáng)迫為4.5 W·m-2）高溫發(fā)生頻率高值區(qū)基本一致［63-64］。河北省高溫?zé)岷Ω唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在邢臺和邯鄲兩市中東部、衡水西部和南部、石家莊東南部地區(qū)［90］。山東省夏玉米拔節(jié)期前后高溫均呈現(xiàn)從沿海向內(nèi)陸增加的趨勢，菏澤、濟(jì)陽、濟(jì)寧等地是高發(fā)地區(qū)［67］。

夏玉米高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)高于春玉米，拔節(jié)期后較拔節(jié)期前發(fā)生頻次更高，開花散粉期高溫威脅最為嚴(yán)重，河北省夏玉米在拔節(jié)抽雄期的高溫風(fēng)險(xiǎn)最大，1958—2008年河南省鄭州夏玉米灌漿結(jié)實(shí)期高溫?zé)岷?yán)重程度高于抽穗開花期，并呈現(xiàn)加重趨勢［90-91］。黃淮海地區(qū)夏玉米拔節(jié)至開花期內(nèi)，約有44%的時(shí)間處于極端高溫脅迫下，2010—2019年夏玉米花期高溫?zé)岷又?，頻次急劇增加，以河南省最為顯著［60-61］。近50年河南省夏玉米花期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，20世紀(jì)90年代后頻次明顯增加，1992年、1994年、2013年、2018年高溫?zé)岷^為嚴(yán)重，66%的區(qū)域發(fā)生重度高溫?zé)岷Φ母怕矢哂?0%，未來在RCP4.5情景下河南省高溫發(fā)生頻率為30.6%～89.9%［62-64］。豫南地區(qū)7月20—29日發(fā)生5 d及以上高溫日數(shù)的頻次為每10年2～3次［92］。淮北平原夏玉米花期高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率約1.7年一遇，中重度高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率高達(dá)20%［93］。

6 防御對策

玉米高溫?zé)岷Φ姆烙饕袃煞N方法。

6.1 高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警

玉米高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測預(yù)警指在結(jié)合實(shí)時(shí)或未來天氣條件和玉米生育特性的基礎(chǔ)上，參照高溫?zé)岷χ笜?biāo)，監(jiān)測預(yù)報(bào)玉米是否受到危害以及危害的時(shí)間、程度，以指導(dǎo)后續(xù)采取有效可行的防御措施。目前玉米高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警研究尚處于起步階段，主要是通過地面氣象觀測、高空衛(wèi)星遙感監(jiān)測兩種方式，將獲取的氣溫預(yù)測結(jié)果與高溫?zé)岷ε袆e指標(biāo)、作物發(fā)育時(shí)期相結(jié)合，開展高溫?zé)岷Πl(fā)生強(qiáng)度、范圍的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。部分地區(qū)氣象部門已建立區(qū)域性高溫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及適用的高溫預(yù)測模型，浙江省杭州市氣象局建立了針對十余類農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)平臺，對高溫?zé)岷Φ葰庀鬄?zāi)害指標(biāo)與預(yù)報(bào)實(shí)況因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷，自動(dòng)生成預(yù)警材料實(shí)時(shí)發(fā)布，提升了區(qū)域作物高溫?zé)岷Ψ揽氐臅r(shí)效性［94］；河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41／T 2094—2021《夏玉米花期高溫預(yù)警氣象等級》［95］的建立與編制，為河南省夏玉米產(chǎn)區(qū)提供了及時(shí)、準(zhǔn)確、可量化的花期高溫監(jiān)測預(yù)警信息和技術(shù)支撐。楊磊等［89］將地面實(shí)測氣溫?cái)?shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)及夏玉米高溫?zé)岷χ笜?biāo)相結(jié)合，構(gòu)建黃淮海夏玉米主產(chǎn)區(qū)高溫?zé)岷υu估模型，實(shí)現(xiàn)了對夏玉米花期高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測評估。陳剛等［96］利用數(shù)碼相機(jī)獲取玉米冠層數(shù)字圖像的可見光光譜對夏玉米進(jìn)行高溫脅迫的診斷分析，驗(yàn)證了應(yīng)用光譜參數(shù)反應(yīng)不同高溫脅迫程度的可行性。

6.2 栽培管理措施

6.2.1 選用抗逆性品種

高溫對玉米的危害在不同品種之間存在顯著性差異，選育耐熱基因型玉米品種對減緩高溫危害十分有效，同時(shí)也是預(yù)防高溫?zé)岷ψ罱?jīng)濟(jì)有效的措施。在氣候變化背景下，玉米育種應(yīng)注意因地制宜，選育在高溫條件下能保持授粉、結(jié)實(shí)良好、葉片短、直立上沖、葉片較厚、持綠性好、光合效率高的耐熱品種，以適應(yīng)和緩解高溫造成的傷害。

6.2.2 調(diào)整播期

不同發(fā)育階段的玉米植株對高溫的耐受程度不同，調(diào)整播期能減少玉米關(guān)鍵發(fā)育時(shí)段與高溫出現(xiàn)時(shí)間的耦合，減輕高溫?zé)岷Φ牟焕绊?，是促進(jìn)玉米高產(chǎn)的途徑之一。和驊蕓等［61］研究表明，選擇適宜的播種期能降低夏玉米花期遭受高溫?zé)岷Φ念l率。劉佳鴻等［97］通過對比黃淮北部地區(qū)不同播種期夏玉米的災(zāi)害發(fā)生頻率及產(chǎn)量特征，發(fā)現(xiàn)6月15日播種的夏玉米花期遭遇高溫?zé)岷Φ念l率最小，產(chǎn)量最高。

6.2.3 噴施外源調(diào)節(jié)劑

外源植物激素在緩解高溫?zé)岷χ仓晟L發(fā)育危害方面有重要作用。噴施CaCl2能使葉片在高溫下維持較高的葉綠素含量，減輕高溫脅迫對植株光合作用產(chǎn)生的不利影響；噴施水楊酸能穩(wěn)定葉片光合性能，降低高溫脅迫對夏玉米的減產(chǎn)效應(yīng)；吐絲期噴施油菜素內(nèi)酯能降低高溫引起的過氧化傷害，花后高溫條件下的玉米籽粒產(chǎn)量提高32.6%［98］。

6.2.4 科學(xué)水肥管理

科學(xué)的水肥管理措施能夠增加玉米植株的抗旱耐熱性，降低玉米高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)。適當(dāng)灌溉能夠調(diào)節(jié)玉米群體內(nèi)濕度，降低冠層溫度，改善授粉環(huán)境，促進(jìn)玉米雌雄穗?yún)f(xié)調(diào)均衡發(fā)育，是抵御作物高溫?zé)岷Φ挠行Т胧?。在高溫脅迫下，灌溉能有效減緩玉米發(fā)育后期葉面積指數(shù)下降幅度，顯著增加作物結(jié)實(shí)率、千粒重和產(chǎn)量，玉米收獲指數(shù)提高17.6%［99］。科學(xué)施肥即在保證施足底肥的基礎(chǔ)上，結(jié)合玉米不同發(fā)育時(shí)期的田間發(fā)育情況，合理進(jìn)行一定比例的追肥或葉面肥噴施，施肥原則是基肥占50%，苗期追肥占20%，大喇叭口期追肥占30%。在玉米拔節(jié)期和大喇叭口期噴施氨基酸葉面肥后，開花期遭遇持續(xù)高溫（不小于35℃）的玉米植株花粉活力提高21.6%［100］。在逆境脅迫下補(bǔ)施鉀肥能提高葉片水分含量，施用鋅肥和硼肥，能增加玉米干物質(zhì)積累量，改善籽粒品質(zhì)。

6.2.5 其他措施

玉米遭遇高溫?zé)岷r(shí)，散粉及受精結(jié)實(shí)能力嚴(yán)重下降，通過隔株去雄或人工輔助授粉可以顯著提高結(jié)實(shí)率。此外，改善種植方式，適當(dāng)調(diào)整種植密度，實(shí)行寬窄行交替種植、高矮作物間套作，調(diào)控群體冠層結(jié)構(gòu)，改善田間通風(fēng)和透光條件，增加單株干物質(zhì)生產(chǎn)量，培育壯苗等可提高玉米抵御高溫逆境的能力。

7 存在的主要問題

本文基于已有研究成果，從玉米高溫?zé)岷Ω拍钆c分類出發(fā)，對危害機(jī)理、氣象成因、致災(zāi)指標(biāo)、時(shí)空分布、防御對策等方面進(jìn)行總結(jié)闡述，系統(tǒng)評述中國玉米高溫?zé)岷Φ难芯窟M(jìn)展。受已有研究成果及觀測數(shù)據(jù)限制，存在的主要問題如下：玉米高溫?zé)岷Φ奈：τ绊懺囼?yàn)研究結(jié)果較多，但實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)較少，存在一定差異性；玉米花期高溫?zé)岷Φ南嚓P(guān)成果較多，但其他可能受害發(fā)育期的研究成果報(bào)道偏少；多從氣候?qū)W角度分析高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生特征，針對玉米高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測預(yù)警研究較少。具體解決措施探討如下。

7.1 玉米高溫?zé)岷ε凶R標(biāo)準(zhǔn)有待統(tǒng)一規(guī)范

農(nóng)學(xué)上通常通過栽培試驗(yàn)的方式，利用穗粒數(shù)、小穗育性、結(jié)實(shí)率和千粒重等指標(biāo)進(jìn)行玉米高溫?zé)岷Φ亩吭u價(jià)，氣象學(xué)上多基于不同溫度閾值的高溫強(qiáng)度、持續(xù)日數(shù)、積溫等對高溫?zé)岷M(jìn)行災(zāi)害等級的劃分。因此，亟待建立統(tǒng)一規(guī)范的玉米高溫?zé)岷Φ燃壟凶R標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建玉米高溫?zé)岷Φ燃壟凶R標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：①玉米高溫?zé)岷赡馨l(fā)生的時(shí)段較長，而已有研究多集中于開花抽穗期、灌漿結(jié)實(shí)期等敏感時(shí)期，應(yīng)充分考慮所有可能遭受高溫?zé)岷Φ陌l(fā)育期，建立完善的玉米高溫?zé)岷ε凶R指標(biāo)；②溫度控制試驗(yàn)研究應(yīng)從不同程度的高溫脅迫對玉米生理生化過程的影響入手，深入探究玉米溫度脅迫的耐受閾值，建立明確生物學(xué)意義的定量化高溫?zé)岷χ笜?biāo)；③玉米高溫?zé)岷κ且粋€(gè)動(dòng)態(tài)持續(xù)的生物學(xué)過程，業(yè)務(wù)應(yīng)用中的熱害判識指標(biāo)應(yīng)充分考慮氣象因子、玉米品種、水肥條件、栽培管理措施等因素，建立綜合動(dòng)態(tài)的高溫?zé)岷χ笜?biāo)體系。

7.2 玉米高溫?zé)岷?zāi)損模擬及風(fēng)險(xiǎn)評估有待加強(qiáng)

已有研究多為玉米生育期或不同發(fā)育階段的高溫脅迫及其日數(shù)的時(shí)空特征分析，僅少數(shù)研究應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析、作物模型等方法揭示極端高溫對玉米產(chǎn)量影響，但在災(zāi)害致災(zāi)因子與玉米災(zāi)損的定量關(guān)系、玉米高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃等方面研究成果匱乏，有待深入開展相關(guān)研究：①玉米生育期內(nèi)往往受到多種災(zāi)害的復(fù)合影響，對高溫的響應(yīng)機(jī)制也隨品種、發(fā)育階段等變化，單一的模型及方法不能明確揭示其內(nèi)在聯(lián)系，未來應(yīng)充分結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型、作物模型、生理特征變化等深入研究高溫?zé)岷τ绊憴C(jī)理及評估方法，準(zhǔn)確提取由高溫?zé)岷υ斐傻漠a(chǎn)量損失，構(gòu)建玉米高溫?zé)岷?zāi)損評估模型；②玉米高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)研究多是基于氣象數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，影響因素考慮不全，應(yīng)充分結(jié)合玉米高溫?zé)岷Φ闹聻?zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性以及防災(zāi)抗災(zāi)能力等方面進(jìn)行全面評估，特別是熱害發(fā)生嚴(yán)重及多發(fā)地區(qū)，高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)重點(diǎn)予以加強(qiáng)。

7.3 玉米高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警研究有待深入

已有研究成果表明：未來玉米遭受高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步加劇，玉米種植布局、高溫?zé)岷r(shí)空分布等隨氣候變化而發(fā)生改變，但目前玉米高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警研究進(jìn)展緩慢，現(xiàn)有研究成果不能滿足實(shí)際生產(chǎn)及業(yè)務(wù)服務(wù)的需求，加強(qiáng)玉米產(chǎn)區(qū)的高溫?zé)岷ΡO(jiān)測評估和預(yù)警預(yù)報(bào)的技術(shù)研究已迫在眉睫。針對玉米高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測預(yù)警應(yīng)重點(diǎn)突破以下技術(shù)問題：①基于玉米發(fā)育數(shù)據(jù)和氣象大數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收集玉米高溫?zé)岷v史災(zāi)情數(shù)據(jù)，揭示氣候變化背景下中國玉米種植布局變化，加強(qiáng)玉米高溫?zé)岷Φ膭?dòng)態(tài)監(jiān)測與影響評估研究，探析熱害高發(fā)區(qū)域的氣象成因及防御對策；②充分利用土壤濕度數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等，結(jié)合作物模擬模式與遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等的耦合應(yīng)用，建立精細(xì)化的玉米高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警及影響評估體系，研發(fā)可供業(yè)務(wù)應(yīng)用的災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。