气候变化背景下华北平原夏玉米适宜播期分析

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张镇涛, 杨晓光, 高继卿, 王晓煜, 白帆, 孙爽, 刘志娟, 明博, 谢瑞芝, 王克如, 李少昆. 气候变化背景下华北平原夏玉米适宜播期分析[J]. 中国农业科学, 2018, 51(17): 3258-3274 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.17.003
ZHANG ZhenTao, YANG XiaoGuang, GAO JiQing, WANG XiaoYu, BAI Fan, SUN Shuang, LIU ZhiJuan, MING Bo, XIE RuiZhi, WANG KeRu, LI ShaoKun. Analysis of Suitable Sowing Date for Summer Maize in North China Plain Under Climate Change[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(17): 3258-3274 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.17.003

0 引言

【研究意义】玉米作为世界上种植最为广泛的作物之一,不仅是重要的粮食作物,也是极其重要的工业原料和饲料^[1]。统计资料显示2016年我国玉米种植面积和总产量分别占全国粮食作物的32.5%和35.6%,华北平原玉米种植面积和产量分别占全国的27.2%和26.1%^[2],在我国玉米生产中具有重要地位。IPCC第五次评估报告显示,截止2012年,过去的130年全球升温0.85℃^[3],全球气候变暖已是不争的事实,极端天气事件发生频率明显增加^[4,5,6]。适宜播种日期的确定能保证作物生长发育进程与光温同步,以充分利用当地光、温、水等气候资源^[7],提高作物产量的同时也降低了生长发育阶段遭受灾害发生的风险^[8]。播期不同使玉米各生育阶段内的光、热和水等气候要素的配置发生改变,直接影响玉米的生长发育和产量形成^[9,10]。因此,研究气候变化背景下,华北平原夏玉米适宜播期的变化,对于充分合理利用当地气候资源,应对气候变化,保障我国玉米生产及粮食安全具有重要理论和现实意义。【前人研究进展】前人对适宜播期的研究方法主要是基于大田试验法和作物模型模拟。刘培利^[11]、刘明^[12]、李向岭^[13]以及付晋峰等^[14]分别在山东、河北吴桥、河北廊坊和北京等地玉米分期播种试验研究结果表明,播期通过影响叶面积指数、光合作用、灌浆速率和生育期内生态因子等,进而影响生物量和产量。薛庆禹等^[15]基于试验研究表明,华北地区夏玉米6月中旬以前播种对生产较为有利,且越早播种产量越高。刘战东等^[16]通过大田试验研究发现,河南开封地区随播期的推迟,夏玉米生物产量增加,但晚于6月27日播种,生物产量明显下降。邓根云^[17]利用光温生产潜力模型,探讨了玉米播期对产量的影响;米娜^[18]、陈明^[19]和戴明宏^[20]等利用CERES-Maize模型,研究播期调整对玉米产量的影响,结果表明辽宁锦州、吉林和华北平原等地在一定范围内推迟播期,可以不同程度提高玉米生产潜力;谈美秀等^[21]通过统计模型和APSIM-Maize模型分析河南省夏玉米最适播期为5月30日至6月13日,且有南早北迟的趋势。近年来,华北平原大力推广“双晚技术”,即冬小麦晚播和夏玉米晚收^[22]。玉米晚收除了采用适宜品种之外,调整玉米播期也是一个重要途经。WANG等^[23]利用APSIM模型研究表明,双晚技术可使周年作物产量提升4%—6%。【本研究切入点】前人在华北平原夏玉米适宜播期对生长发育和产量影响方面,利用田间试验和作物模型方法做了大量研究,但由于气候要素年际之间和年内分配存在波动性,针对充分灌溉和雨养条件,综合考虑玉米的高产性和稳产性,确定华北平原夏玉米适宜播期方面的研究还比较缺乏。【拟解决的关键问题】本文将华北平原划分不同气候亚区,利用调参验证后的农业生产系统（APSIM-maize）模型,综合考虑播种对产量的影响以及产量在年际之间稳定性,明确充分灌溉和雨养条件下各气候亚区适宜播期,为该地区夏玉米高产稳产提供理论依据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本文研究区域为我国华北平原,包括河北、河南和山东3省以及北京和天津2市,位于北纬32°—40°,东经114°—121°^[24]。华北平原属于暖温带半湿润气候,近几十年气候资料统计结果显示,年平均气温12.2℃,5—10月≥10℃活动积温为3 821.2℃·d,降水量多年平均为656.1 mm,主要集中在6—8月^[25]。除河北和北京北部地区年积温小于4 200℃·d,种植制度为一年一熟外,大部分地区为冬小麦-夏玉米一年两熟制^[26],本文研究区域为一年两熟种植区,研究区域如图1所示。

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图1研究区域及气候分区
-->Fig. 1Study area and climate region
-->

1.2 数据来源

气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/）,包括研究区域内38个气象站点1981—2015年的逐日气象资料,主要包括平均气温、最高气温和最低气温、日照时数、相对湿度、逐日降水量和平均本站气压等。
作物数据来源于中国气象局在本研究区内的18个农业气象观测站,包括夏玉米品种、生育期、产量和构成要素及田间栽培管理措施等,气象站点和农业
气象站点分布如图1。
土壤数据中各层土壤水分含量来自农业气象观测站,其他数据来自中国科学院南京土壤研究所,包括容重、质地、pH、全氮含量、有机质含量、田间持水量和凋萎系数等。

1.3 研究方法

1.3.1 农业生产系统模型简介农业生产系统模型（agricultural production system simulator,APSIM）是由隶属澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统研究组（APSRU）联合开发的作物模拟系统^[27,28],可用于模拟农业系统中各主要组分的机理过程。APSIM模型具有模块化结构的优点,主要有4个部分构成：模拟农业系统中生物和物理过程的生物物理模块（biophysical modules）,发展用户定义模拟过程的管理措施和控制模拟过程的管理模块（management modules）,各种调用模拟过程数据输入输出模块（data input and output modules）,并由中心引擎（simulation engine）来驱动和控制^[29]。该模型已经应用到了世界多个国家以及我国的不同区域,并取得了很好的效果^{[30,31,32,33]}。
1.3.2 模型适应性评价指标本文利用气候、土壤以及玉米生育期、产量和栽培管理措施等资料对APSIM-Maize模型进行调参和验证,选择目前国际上常用拟合决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）^[34]和D指标^[35],评价APSIM-Maize模型模拟在华北的适用性,各指标具体计算公式如下：
RMSE=$\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}(M_i-S_i)^{2}}{n}}$（1）
NRMSE=100×$\frac{RMSE}{\overline{M}}\%$（2）
D=1- $\frac{\sum{(M_i-S_i)^{2}}}{\sum(|S_i-\overline{M}|)+(|M_i-\overline{M}|)^2}$（3）
式中,M_i代表实测值,S_i代表模拟值,$\overline{M}$表示实测值的平均值,n为模拟年份。R²反映了模型模拟值对于实测值的真正偏差,越接近于1,模拟结果越好;RMSE反映了模型模拟值相对于实测值的绝对误差,而NRMSE和D指标则反映了相对误差,值越小表明模拟值和观测值之间一致性越好。
1.3.3 模型情景设置利用调参验证后的APSIM模型,模拟分析华北平原各气候亚区典型站点夏玉米产
量潜力对播期的响应,情景设置如下：
（1）播期和播密设置。基于华北平原农业气象观测站玉米实际播期资料,在模型中,播期从6月1日到7月30日,每3 d设置一个播期,每年模拟21个播期,分别模拟各年不同播期产量,然后按照20世纪80年代（1981—1990）、20世纪90年代（1991—2000）和21世纪00年代（2001—2015）3个年代统计。种植品种是各气候亚区经过调参验证后的代表品种;播种密度为8株/m²。
（2）充分灌溉和雨养条件设置。分别模拟各气候亚区代表性品种的潜在产量和气候生产潜力。潜在产量又称光温生产潜力,是指一个地区作物生长发育过程中不受水分、养分和病虫害等条件的限制,为当地辐射和温度条件下,采用适宜作物品种所能达到的最高产量,可以代表一个地区充分灌溉条件下玉米所能达到的最高产量;气候生产潜力又称光温降水生产潜力,是指作物在生长过程中不受养分和病虫害等条件的限制,在当地气候条件下所能达到的最高产量^[36,37],可以代表一个地区雨养条件下产量。
本文在模拟潜在产量时,设定玉米生长过程中水分充足和养分充足,保证玉米生长过程中不受水肥的限制;在气候生产潜力模拟时,模型设定为养分充足且没有灌溉。
1.3.4 高稳系数本文选择高稳系数（high-stable coefficient,HSC）作为评价华北夏玉米不同播期下潜在适宜性的指标^[38],该指标综合反映了夏玉米潜在产量和气候生产潜力的高低以及各年份之间产量的稳定性。高稳系数越高,表示夏玉米在该播期产量高且年际之间波动性小。某站点研究时段内的高稳系数计算公式如下：
HSC_i= $\frac{\overline{x_i}-S_i}{\overline{x}}$（4）
式中,HSC_i为某站点在播期为i时的高稳系数;$\overline{x_i}$为播期为i时该站点某年代的平均产量;S_i为播期为i时在该站点某年代的产量的标准差;$\overline{x}$为研究区域在该年代各站点产量的平均值。

2 结果

2.1 气候亚区划分及APSIM-Maize模型有效性验证

2.1.1 气候亚区的划分及玉米品种的选择为了细致分析华北平原不同区域夏玉米适宜播期,根据夏玉米潜在生长季（6—9月）内大于等于10℃的有效积温和降水,将研究区域划分为9个气候亚区。各气候亚区位置和划分标准如图1和表1。
Table 1
表1
表1研究区域气候亚区划分标准
Table 1Criteria for the division of climatic region in NCP

气候亚区 Region	代表站点 Representative station	分区标准Standard
气候亚区 Region	代表站点 Representative station	有效积温（≥10℃） Effective accumulated temperature (℃·d) (≥10℃)	降水 Precipitation (mm)
第一气候亚区 Region 1	驻马店、信阳、固始 Zhumadian, Xinyang, Gushi	1800-1895	520-616
第二气候亚区 Region 2	许昌、南阳、宝丰 Xuchang, Nanyang, Baofeng	1800-1895	450-520
第三A气候亚区 Region 3A	西峡、三门峡、卢氏 Xixia, Sanmenxia, Lushi	1650-1800	380-520
第三B气候亚区 Region 3B	济南、潍坊、兖州 Jinan, Weifang, Yanzhou	1650-1800	450-520
第四气候亚区 Region 4	邢台、安阳、新乡 Xingtai, Anyang, Xinxiang	1800-1895	380-450
第五气候亚区 Region 5	沂源、莒县、日照 Yiyuan, Juxian, Rizhao	1650-1800	520-616
第六气候亚区 Region 6	龙口、威海、青岛 Longkou, Weihai, Qingdao	1500-1650	450-520
第七气候亚区 Region 7	石家庄、北京、塘沽 Shijiazhuang, Beijing, Tanggu	1650-1800	380-450
第八气候亚区 Region 8	遵化、秦皇岛、唐山 Zunhua, Qinhuangdao, Tangshan	1500-1650	380-450

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在应用APSIM-Maize模型进行华北平原夏玉米播期与产量的模拟之前,需先进行模型参数的本地化。在各气候亚区内,选择种植年份较长、面积大的区域主栽品种作为该气候亚区的代表品种,基于该品种作物资料进行模型调参和验证,作物数据用于调参及验证的年份见表2,APSIM-Maize模型对夏玉米品种控制主要参数如表3。
Table 2
表2
表2各气候亚区调参和验证所用品种及数据来源
Table 2Maize cultivars and data sources for APSIM calibration and evaluation in this study

气候亚区 Region	品种 Cultivar	数据集 Subset	试验年份或参数来源 Experiment data or parameters source
第一气候亚区 Region 1	郑单8 Zhengdan 8	调参Calibration	驻马店Zhumadian1993、1994、1995
第一气候亚区 Region 1	郑单8 Zhengdan 8	验证Evaluation	驻马店Zhumadian1996、2000、2002
第二气候亚区 Region 2	丹玉13 Danyu13	调参Calibration	南阳Nanyang1991、1992、1993、1994、1998、1999、2000
第二气候亚区 Region 2	丹玉13 Danyu13	验证Evaluation	南阳Nanyang1995、1996、1997
第三A气候亚区 Region 3A	单运13 Danyun 13	调参Calibration	卢氏Lushi1997、1995
第三A气候亚区 Region 3A	单运13 Danyun 13	验证Evaluation	卢氏Lushi1993、1996
第三B气候亚区 Region 3B	掖单4 Yedan 4	调参Calibration	泰安Taian1995、1998、2000
第三B气候亚区 Region 3B	掖单4 Yedan 4	验证Evaluation	泰安Taian1997、1999、2001
第四气候亚区 Region 4	掖单12 Yedan 12	调参Calibration	新乡Xinxiang1991、1993
第四气候亚区 Region 4	掖单12 Yedan 12	验证Evaluation	新乡Xinxiang1994、1995、1998
第五气候亚区 Region 5	鲁丹50 Ludan 50	调参Calibration	莒县Juxian2000、2001
第五气候亚区 Region 5	鲁丹50 Ludan 50	验证Evaluation	莒县Juxian2002、临沂Linyi2001、2002
第六气候亚区 Region 6	掖单2 Yedan 2	调参Calibration	莱阳Laiyang1996、1998、1999
第六气候亚区 Region 6	掖单2 Yedan 2	验证Evaluation	莱阳Laiyang1992、1993、1995
第七气候亚区 Region 7	郑单958 Zhengdan 958	调参Calibration	定州Dingzhou2009、霸州Bazhou2006、2008
第七气候亚区 Region 7	郑单958 Zhengdan 958	验证Evaluation	定州Dingzhou2002、2003、2004
第八气候亚区 Region 8	唐抗9 Tangkang 9	调参Calibration	唐山Tangshan1994、1995
第八气候亚区 Region 8	唐抗9 Tangkang 9	验证Evaluation	唐山Tangshan1996、1997、1998

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Table 3
表3
表3APSIM模型对夏玉米品种控制参数的描述
Table 3Description of genetic coefficients of summer maize in the APSIM model

参数类型 Parameter type	品种参数 Varietal parameter	描述 Description
生育期控制参数 Phenology control parameters	tt-emerg-to-endjuv	出苗到营养生长期结束的积温 Accumulated temperature from seedling to end of vegetative phase (℃·d)
	tt-flower-to-maturity	开花到成熟的积温 Accumulated temperature from flowering to maturity (℃·d)
	tt-flower-to-start-grain	开花到灌浆的积温 Accumulated temperature from flowering to grain filling (℃·d)
	photoperiod-crit1	光周期临界值1 Photoperiod critical value 1(h)
	photoperiod-crit2	光周期临界值2 Photoperiod critical value 2 (h)
	photoperiod-slope	光周期斜率 Photoperiod slope
产量控制参数 Yield control parameters	Head-grain-no-max	最大籽粒数 Maximum grain numbers per head
	X-stem-wt	每平方米茎干重 Stem weight per square meter (g·stem^-1)
	Y-height	植株高度 Plant height (m)
	Grain-gth-rate	灌浆速率 Grain-filling rate (mg·grain^-1·d^-1)

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2.1.2 APSIM-Maize模型验证本文采用试错法,以表2所列农业气象观测资料数据为基础,针对各气候亚区夏玉米代表性品种参数进行调参和验证。生育期主要调试的参数为出苗到营养生长期结束、开花到灌浆和开花到成熟的热时数;产量主要调试每穗最大籽粒数和潜在灌浆速率。各个气候亚区代表品种实测值与模拟值的比较结果如图2和图3所示。表4为夏玉米各品种验证结果评价,其中,决定系数（R²）均在0.75以上,D指标均在0.80以上,归一化均方根误差（NRMSE）在评价生育期时均在3%以下,在评价产量时均在7%以下。可以看出,APSIM-Maize模型在研究区域有较好的适用性。

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图2华北平原夏玉米播种到开花（A）与播种到成熟（B）实测值和模拟值验证结果
-->Fig. 2Validation results between simulation and observe days from sowing to flowering (A) and sowing to maturity (B) of summer maize in NCP
-->

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图3华北平原夏玉米产量实测值和模拟值验证结果
-->Fig. 3Validation results between simulation and observe yield of summer maize in NCP
-->

Table 4
表4
表4APSIM-Maize模型验证结果评价
Table 4Validation of APSIM-Maize model for summer maize in each climate region

气候亚区 Region	品种 Variety	项目 Subject	验证评价指标 Description
气候亚区 Region	品种 Variety	项目 Subject	R²	RMSE	NRMSE(%)	D
第一气候亚区 Region 1	郑单8 Zhengdan8	开花期Flowering date	0.89	0.58	1.12	0.93
		成熟期Maturity date	0.81	2.16	2.31	0.91
		产量Yield	0.99	302.02	6.69	0.98
第二气候亚区 Region 2	丹玉13 Danyu13	开花期Flowering date	0.96	1.00	1.81	0.96
		成熟期Maturity date	0.82	1.00	1.04	0.93
		产量Yield	0.79	181.59	4.19	0.94
第三A气候亚区 Region 3A	单运13 Danyun13	开花期Flowering date	1.00	0.58	1.04	0.99
		成熟期Maturity date	1.00	1.15	1.04	0.98
		产量Yield	1.00	19.55	0.48	0.95
第三B气候亚区 Region 3B	掖单4 Yedan 4	开花期Flowering date	0.99	0.82	1.45	0.95
		成熟期Maturity date	0.99	1.29	1.28	0.97
		产量Yield	0.80	96.37	1.53	0.94
第四气候亚区 Region 4	掖单12 Yedan 12	开花期Flowering date	0.91	1.73	2.82	0.92
		成熟期Maturity date	0.92	1.00	0.99	0.96
		产量Yield	0.98	279.06	5.86	0.99
第五气候亚区 Region 5	鲁丹50 Ludan 50	开花期Flowering date	0.97	0.58	1.08	0.98
		成熟期Maturity date	0.75	0.58	0.61	0.80
		产量Yield	0.99	82.51	1.63	0.98
第六气候亚区 Region 6	掖单2 Yedan 2	开花期Flowering date	0.99	0.82	1.12	0.97
		成熟期Maturity date	0.89	0.82	0.71	0.97
		产量Yield	0.93	149.08	3.32	0.98
第七气候亚区 Region 7	郑单958 Zhengdan 958	开花期Flowering date	0.89	0.58	0.97	0.95
		成熟期Maturity date	0.89	0.82	0.83	0.88
		产量Yield	0.85	151.26	2.49	0.96
第八气候亚区 Region 8	唐抗9 Tangkang 9	开花期Flowering date	0.84	1.00	1.89	0.91
		成熟期Maturity date	0.98	1.63	1.57	0.98
		产量Yield	0.95	177.34	2.54	0.97

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2.2 充分灌溉条件下各气候亚区夏玉米适宜播期分析

利用调参验证后APSIM模型,按照模型设置,模拟各站点不同播期玉米产量。对各站点模拟产量针对各气候亚区分年代进行高稳系数（HSC）分析,针对每个播期得到一个对应高稳系数,再将该站点所有播期的高稳系数进行二次函数拟合,根据函数拟合结果,筛选得到二次函数最高值点所对应的播期作为夏玉米的适宜播期。充分灌溉（潜在产量）条件下,依据高稳系数确定的不同气候亚区各站点适宜播期如图4。

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图4充分灌溉条件下依据高稳系数（HSC）和考虑麦-玉两熟体系（WMCS）的夏玉米适宜播期
-->Fig. 4Suitable sowing date of summer maize in NCP under full irrigation condition based on HSC and WMCS
-->

从图4可以看出,仅依据高稳系数,在充分灌溉条件下（潜在产量）,1980s、1990s和2000s 3个年代的适宜播期是在逐年代推迟的,平均每个年代推迟3 d。20世纪80年代,山东大部分地区和河北大部分地区（第三B、第四、第五、第六、第七气候亚区）,适宜播期为6月25日左右,河南大部分地区适宜播期在6月22日至6月25日（第二气候亚区）。其中河南南部固始等地（第一气候亚区）适宜播期最晚,为6月28日至7月1日;河南西部三门峡等地（第三A气候亚区）,适宜播期最早,为6月16日至6月19日。20世纪90年代,华北平原大部分地区适宜播期为6月25日,山东半岛南部沿海地区（第五、第六气候亚区）和河北中部地区（第七气候亚区）,适宜播期推迟到了6月25日至6月28日。21世纪00年代,大部分地区适宜播期都在6月28日至7月1日,山东日照适宜播期（第五气候亚区）为7月7日左右。
由于研究区域为冬小麦-夏玉米一年两熟,因此在确定夏玉米适宜播期时,除上面考虑不同播期高产稳产性之外,还要综合考虑该适宜播期下夏玉米成熟期之后冬小麦的适宜播期。本文选择积温法推算冬小麦各生育期出现的时间。首先,基于气象站点的逐日平均温度,利用五日滑动平均法,计算稳定通过0℃终止日作为冬小麦越冬期的开始,然后以冬前大于0℃的有效积温500℃·d作为冬小麦理论的适宜播期^[39]。同时以平均7 d作为夏玉米收获冬小麦播种农事活动准备时间,前推夏玉米的最晚收获时间。
根据模型模拟夏玉米收获期的结果,分别计算3个不同年代各站点夏玉米各播期80%通过率下的收获期,将该收获期定为该播期下的理论收获期,并做出播期与理论收获期的查算表。再根据冬小麦理论播期所推出的夏玉米收获期,用该收获期在查算表中找出对应的播期,定为满足冬小麦适宜播期的夏玉米播种期。将该播种期与依据高稳系数得到的适宜播期进行比较,取两者的最早的播期为该站点的考虑麦-玉两熟体系（wheat-maize cropping system,WMCS）的适宜播期。各站点的适宜播期如图4和表5。
Table 5
表5
表5冬小麦-夏玉米两熟体系充分灌溉条件下各气候亚区夏玉米适宜播期
Table 5Suitable sowing date of summer maize in NCP under full irrigation condition based on HSC and WMCS

区域 Region	站点 Station	适宜播期Suitable sowing date (M-D)
区域 Region	站点 Station	1980s	1990s	2000s
第一气候亚区 Region 1	驻马店Zhumadian	6-22—6-25	6-25—6-28	6-25—6-28
	信阳Xinyang	6-22—6-25	6-25—6-28	6-25—6-28
	固始Gushi	6-28—7-1	6-25—6-28	6-28—7-1
第二气候亚区 Region 2	许昌Xuchang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	南阳Nanyang	6-19—6-22	6-22—6-25	6-25—6-28
	宝丰Baofeng	6-16—6-19	6-22—6-25	6-22—6-25
	西华Xihua	6-16—6-19	6-22—6-25	6-22—6-25
	商丘Shangqiu	6-16—6-19	6-22—6-25	6-19—6-22
第三A气候亚区 Region 3A	西峡Xixia	6-19—6-22	6-13—6-16	6-19—6-22
	三门峡Sanmenxia	6-13—6-16	6-19—6-22	6-19—6-22
	孟津Mengjin	6-13—6-16	6-22—6-25	6-25—6-28
第三B气候亚区 Region 3B	济南Jinan	6-22—6-25	6-22—6-25	6-22—6-25
	潍坊Weifang	6-13—6-16	6-10—6-13	6-16—6-19
	兖州Yanzhou	6-19—6-22	6-19—6-22	6-22—6-25
第四气候亚区 Region 4	邢台Xingtai	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	安阳Anyang	6-19—6-22	6-19—6-22	6-16—6-19
	新乡Xinxiang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	郑州Zhengzhou	6-16—6-19	6-22—6-25	6-25—6-28
	开封Kaifeng	6-19—6-22	6-22—6-25	6-25—6-28
第五气候亚区 Region 5	沂源Yiyuan	6-13—6-16	6-16—6-19	6-19—6-22
	莒县Juxian	6-16—6-19	6-19—6-22	6-25—6-28
	日照Rizhao	6-25—6-28	6-28—7-1	7-1—7-4
第六气候亚区 Region 6	龙口Longkou	6-16—6-19	6-19—6-22	6-25—6-28
	威海Weihai	6-16—6-19	6-19—6-22	6-19—6-22
	青岛Qingdao	6-22—6-25	6-25—6-28	6-25—6-28
	海阳Haiyang	6-10—6-13	6-16—6-19	6-19—6-22
第七气候亚区 Region 7	石家庄Shijiazhuang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	北京Beijing	6-10—6-13	6-10—6-13	6-16—6-19
	廊坊Langfang	6-10—6-13	6-13—6-16	6-16—6-19
	天津Tianjin	6-16—6-19	6-13—6-16	6-16—6-19
	饶阳Raoyang	6-13—6-16	6-13—6-16	6-13—6-16
	塘沽Tanggu	6-16—6-19	6-16—6-19	6-22—6-25
	黄骅Huanghua	6-13—6-16	6-16—6-19	6-19—6-22
	朝阳Chaoyang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
第八气候亚区 Region 8	遵化Zunhua	6-4—6-7	6-7—6-10	6-16—6-19
	秦皇岛Qinhuangdao	6-7—6-10	6-13—6-16	6-4—6-7
	唐山Tangshan	6-7—6-10	6-13—6-16	6-16—6-19
	乐亭Laoting	6-4—6-7	6-7—6-10	6-16—6-19

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从图4和表5中可以发现,考虑冬小麦适宜播期及不考虑冬小麦适宜播期条件下,夏玉米的播期结果存在一定差异,主要是河北北部地区因考虑冬小麦播种而适当提前了夏玉米适宜播期。气候变化背景下,冬小麦-夏玉米两熟体系下的夏玉米适宜播期空间特征表现为从南到北（第一气候亚区到第八气候亚区）逐渐提前。第一气候亚区各站点各年代适宜播期变化不明显,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期范围分别为6月22日至7月1日、6月25日至6月28日和6月25日至7月1日;第二气候亚区内相同年代下各站点适宜播期变化不明显,其中20世纪80年代、90年代和21世纪00年代的适宜播期分别为6月16日至19日、6月19日至25日和6月19日至28日;第三A气候亚区,随着年代的推移,适宜播期有推迟的趋势,其中各站点20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月13日至6月22日、6月13日至6月25日和6月19日至—6月28日;第三B气候亚区内20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月19日至25日、6月19日至25日和6月22日至6月25日,潍坊站点较其他站点,适宜播期提前6 d左右;第四气候亚区内各站点适宜播期变化不明显,但年代间有明显的推迟,其中20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月16日至6月22日、6月19日至6月25日和6月16日至6月28日;第五气候亚区内,沂源、莒县和日照3个点随着纬度降低呈明显推迟特征,且随着年代的推迟,适宜播期也有明显的推迟,幅度为3 d,综合各站点适宜播期,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代该气候亚区适宜播期分别为6月13日至6月28日、6月16日至7月1日和6月19日至7月4日;第六气候亚区适宜播期随年代呈现推迟趋势,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月10日至6月19日、6月16日至6月22日和6月19日至6月28日;第七气候亚区内随着年代的推迟适宜播期呈推迟趋势,幅度为3 d,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月10日至6月19日、6月10日至6月22日和6月13日至6月25日;第八气候亚区,除了秦皇岛21世纪00年代外,各站点适宜播期年代间呈推迟趋势,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期为6月4日至6月10日、6月7日至6月16日和6月4日至6月19日。

2.3 雨养条件下各气候亚区夏玉米适宜播期分析

由于研究区域内夏玉米生长在雨季,除特殊干旱年份,大部分地区夏玉米不灌溉,因此本文除分析充分灌溉条件适宜播期外,还分析了雨养条件下夏玉米适宜播期。利用调参验证后APSIM模型,在模型中设置为没有灌溉,模拟雨养条件下各站点不同播期玉米产量。根据高稳系数确定雨养条件下夏玉米的适宜播期（图5）。

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图5雨养条件下依据高稳系数（HSC）和考虑麦-玉两熟体系（WMCS）的夏玉米适宜播期
-->Fig. 5Suitable sowing date of summer maize in NCP under rain-fed condition based on HSC and WMCS
-->

由图5可以看出,仅依据高稳系数,适宜播期整体随着年代推迟呈推迟趋势。20世纪80年代山东大部分地区（第三B、第五、第六气候亚区）适宜播期为6月19日以前,河北中西部地区和河南中部地区（第四、第三A气候亚区）适宜播期为6月25日至6月28日,其中河南驻马店等地（第一气候亚区）,适宜播期为7月1日至7月4日。20世纪90年代,华北平原大部分地区适宜播期都在6月28日以后,其中河南南部和山东半岛（第一、第六气候亚区）适宜播期为7月1日至7月7日,北京南部等地（第七气候亚区）,适宜播期在6月22日以前。21世纪00年代,研究区域适宜播期大都在6月28日以后,其中河南中部和北部地区（第二、第三A、第四气候亚区）较20世纪90年代推迟,为7月1日至7月4日,但河南驻马店等地（第一气候亚区）提前到了6月28日至7月1日。
同理,考虑冬小麦-夏玉米两熟条件下冬小麦播期及冬前积温条件下的夏玉米适宜播期,分析思路同充分灌溉条件下夏玉米适宜播期分析,得出雨养条件下夏玉米各站点适宜播期（图5,表6）。
Table 6
表6
表6冬小麦-夏玉米两熟体系雨养条件下各气候亚区适宜播期
Table 6Suitable sowing date of summer maize in NCP under rain-fed condition based on HSC and WMCS

区域 Region	站点 Station	适宜播期suitable sowing date (M-D)
区域 Region	站点 Station	1980s	1990s	2000s
第一气候亚区 Region 1	驻马店Zhumadian	6-22—6-25	6-28—7-1	6-19—6-22
	信阳Xinyang	6-22—6-25	7-4—7-7	7-1—7-4
	固始Gushi	7-1—7-4	7-1—7-4	7-1—7-4
第二气候亚区 Region 2	许昌Xuchang	6-16—6-19	6-22—6-25	6-22—6-25
	南阳Nanyang	6-19—6-22	6-25—6-28	6-28—7-1
	宝丰Baofeng	6-16—6-19	6-22—6-25	6-22—6-25
	西华Xihua	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	商丘Shangqiu	6-16—6-19	6-22—6-25	6-19—6-22
第三A气候亚区 Region 3A	西峡Xixia	6-19—6-22	6-19—6-22	6-19—6-22
	三门峡Sanmenxia	6-16—6-19	6-19—6-22	6-22—6-25
	孟津Mengjin	6-19—6-22	6-22—6-25	6-22—6-25
第三B气候亚区 Region 3B	济南Jinan	6-19—6-22	6-25—6-28	6-25—6-28
	潍坊Weifang	6-7—6-10	6-10—6-13	6-13—6-16
	兖州Yanzhou	6-7—6-10	6-22—6-25	6-19—6-22
第四气候亚区 Region 4	邢台Xingtai	6-13—6-16	6-16—6-19	6-19—6-22
	安阳Anyang	6-19—6-22	6-19—6-22	6-13—6-16
	新乡Xinxiang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-19—6-22
	郑州Zhengzhou	6-16—6-19	6-19—6-22	6-25—6-28
	开封Kaifeng	6-19—6-22	6-22—6-25	6-25—6-28
第五气候亚区 Region 5	沂源Yiyuan	6-13—6-16	6-16—6-19	6-19—6-22
	莒县Juxian	6-16—6-19	6-16—6-19	6-22—6-25
	日照Rizhao	6-25—6-28	6-25—6-28	7-1—7-4
第六气候亚区 Region 6	龙口Longkou	6-16—6-19	6-19—6-22	6-25—6-28
	威海Weihai	6-16—6-19	6-19—6-22	6-19—6-22
	青岛Qingdao	6-22—6-25	6-25—6-28	6-25—6-28
	海阳Haiyang	6-10—6-13	6-16—6-19	6-19—6-22
第七气候亚区 Region 7	石家庄Shijiazhuang	6-16—6-19	6-16—6-19	6-22—6-25
	北京Beijing	6-7—6-10	6-10—6-13	6-13—6-16
	廊坊Langfang	6-7—6-10	6-7—6-10	6-13—6-16
	天津Tianjin	6-16—6-19	6-10—6-13	6-16—6-19
	饶阳Raoyang	6-13—6-16	6-13—6-16	6-13—6-16
	塘沽Tanggu	6-19—6-22	6-16—6-19	6-22—6-25
	黄骅Huanghua	6-13—6-16	6-13—6-16	6-19—6-22
	朝阳Chaoyang	6-16—6-19	6-19—6-22	6-13—6-16
第八气候亚区 Region 8	遵化Zunhua	6-4—6-7	6-7—6-10	6-13—6-16
	秦皇岛Qinhuangdao	6-7—6-10	6-10—6-13	6-4—6-7
	唐山Tangshan	6-7—6-10	6-13—6-16	6-16—6-19
	乐亭Laoting	6-4—6-7	6-7—6-10	6-16—6-19

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从图5和表6中可以看出,雨养条件下考虑冬小麦适宜播期下的夏玉米适宜播期,其空间特征也表现为从南到北逐渐提前。第一气候亚区各站点各年代的适宜播期,均在6月下旬和7月上旬,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月22日至7月4日、6月28日至7月7日和6月19日至7月4日。第二气候亚区各站点各年代,适宜播期比较一致,且随年代推迟3 d。20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月16日至22日、6月19日至6月28日和6月19日至7月1日。第三A气候亚区,适宜播期随年代推移有小幅度的推迟,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月16日至6月22日、6月19日至6月25日和6月19日至6月25日。第三B气候亚区,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月7日至6月22日、6月10日至6月28日和6月13日至6月28日,各站点适宜播期差异较大,潍坊明显早于济南和兖州。第四气候亚区,各站点适宜播期随年代有3 d左右的推迟,20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月13日至6月22日、6月16日至6月25日和6月13日至6月28日。第五气候亚区,适宜播期随年代的推移,有3—6 d的推迟。20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月13日至6月28日、6月16日至6月28日和6月19日至7月4日。第六气候亚区20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月10日至6月25日、6月16日至6月28日和6月19日至6月28日。第七气候亚区,适宜播期时间较长,总体随年代推移而推迟的。20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期分别为6月7日至6月22日、6月16日至6月22日和6月13日至6月25日。第八气候亚区,适宜播期较其他气候亚区有较大幅度的提前,除秦皇岛外其他站点适宜播期都随年代推移而推迟。而秦皇岛21世纪00年代适宜播期较其他年代出现提前,主要是因为21世纪00年代平均温度和日照时数较其他两个年代有小幅度降低。20世纪80年代、90年代和21世纪00年代适宜播期时间范围分别为6月4日至6月10日、6月7日至6月16日和6月4日至6月19日。

2.4 适宜播期较实际播期的增产幅度

按日序数将研究区域内农业气象观测站的夏玉米实际播期进行空间插值,得出各气象站点的对应实际播期。再分别将雨养和充分灌溉两种条件实际播期和适宜播期对应的模拟产量按气候亚区进行汇总分析,得出两种条件下各气候亚区各年代的增产幅度（图6）。

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图6华北平原各气候亚区适宜播期增产幅度
-->Fig. 6The increase of yield in the climate region of the North China Plain under suitable sowing date
-->

由图6所示,与实际播期相比,在雨养和充分灌溉条件下,适宜播期在不同气候亚区增产幅度如下：第一气候亚区20世纪80年代、90年代和21世纪00年代分别为8.26%和5.82%、7.64%和4.86%、7.97%和7.68%;第二气候亚区分别为4.93%和6.13%、7.85%和5.37%、7.97%和6.69%;第三A气候亚区分别为5.32%和2.16%、11.97%和12.46%、9.77%和9.01%;第三B气候亚区分别为1.47%和2.88%、5.45%和4.72%、2.13和1.16%;第四气候亚区分别为7.04%和6.56%、4.45%和7.00%、5.41%和7.77%;第五气候亚区分别为4.01%和4.05%、6.14%和8.30%、4.42%和4.69%;第六气候亚区分别为2.30%和2.03%、4.27%和5.70%、2.44%和3.61%;第七气候亚区分别为6.21%和2.31%、2.68%和4.89%、3.76%和5.33%;第八气候亚区分别为0.68%和1.85%、1.17%和1.01%、2.31%和2.18%。可见雨养和充分灌溉条件下适宜播期较实际播期均不同程度增产,但两种条件下增产幅度差异不明显。增产幅度空间上由南向北呈现减小趋势,其中第一到第五气候亚区,由于热量资源和降水条件较好,增产幅度较大;而研究区域北部气候亚区,由于冬小麦播期限制,实际播期和适宜播期差距不大,所以增产幅度较小。

3 讨论

前人采用大田试验、统计分析以及作物模型的方法开展了夏玉米适宜播期研究^[21]。其中,大田试验方法因人力物力、年代间气候条件差异等问题,不能很好的反映区域和气候年型对播期的影响;统计分析方法,主要是对前人经验和实际生育期数据的总结,但缺少作物生物学和生理依据;而作物模型方法,较好解决了大田试验方法代表性差和统计分析方法缺少生物学基础的缺点。本文采用APSIM模型模拟,综合考虑高产稳产性以及冬小麦-夏玉米两熟体系下的周年播期协调性,分析了不同气候亚区充分灌溉和雨养条件下的夏玉米适宜播期,可为华北平原夏玉米实际生产提供理论依据。
本文综合考虑夏玉米的高产稳产性和冬小麦理论适宜播期两个指标确定夏玉米适宜播期。基于高稳系数分析确定适宜播期,河北地区适宜播期较晚,导致成熟期延后冬小麦不能按时播种,因此需要结合冬小麦理论播期来综合确定夏玉米适宜播期。该地区夏玉米品种选择时,需选择生育期较为适宜的品种,以充分利用该地区的气候资源。随着年代的推移,研究区域夏玉米适宜播期呈推迟趋势,主要是因为全球变化背景下,华北平原热量资源更加丰富,≥0℃和≥10℃的积温均呈整体上升趋势^[40,41],作物生长季延长,明确夏玉米适宜播期可充分利用华北平原9—10月份光照充足的特点,促进玉米灌浆。
李少昆等^[42]通过对调研资料、各地专家经验和常年实践进行总结,推荐的华北夏玉米适宜播期为南部地区6月5日至6月25日,中部地区6月10日至6月22日,北部地区为6月10日至6月20日。本研究结果与之相比,南部地区适宜播期开始日期推迟了12 d左右,终止日期推迟了7 d左右;中部地区结果大致吻合,终止日期有3 d左右小幅度推迟;北部地区吻合度较高,但开始日期有3 d左右提前。但考虑到华北平原夏玉米播种实际情况,在适当范围内提前播种,可适当延长夏玉米有效生长期,避开高温等不利条件,从而获得较高的产量^[43,44];同时可使其灌浆和成熟期后期处于一个较高的温度环境下,有利于籽粒的脱水^[45,46]。
充分灌溉条件下和雨养条件下同一站点相同播期对应的玉米成熟期差别不大,这主要是因为APSIM-Maize模型对于夏玉米生育期的模拟主要是受积温控制,对水分胁迫不敏感,因此采用模型模拟时,灌溉与否对于夏玉米收获期影响不大,这需要未来通过大量实证试验改进模型参数,更好地反应水分对作物生育进程影响。本研究中,研究区域玉米调参验证过程受限于没有作物生物量、叶面积指数动态数据以及不同播期产量影响数据,可能导致模拟结果有一定偏差。同时,模型模拟以20世纪90年代的品种为主,其他年代也采用了该品种,未考虑年代间品种的更替。而夏玉米品种较多,更新换代较快,模拟结果与生产实际品种有差异,另外也没有考虑当前技术进步对适宜播期的影响。这都是未来研究中需要全面考虑的内容。

4 结论

本文以华北平原为研究区域,以夏玉米为研究对象,利用1981—2015年间38个站点的气候资料、18个农气站作物资料和土壤资料,结合农业生产系统模型（APSIM）和统计分析方法,对APSIM-Maize模型在华北平原夏玉米模拟的适用性和华北平原夏玉米适宜播期进行了分析,发现各气候亚区内APSIM- Maize模型对播种—开花,播种—成熟的天数以及产量都有较好的模拟效果,表明APSIM-Maize模型可用于华北平原夏玉米生育期和产量的模拟研究。
夏玉米适宜播期随着纬度的增加而提前,研究区域第一气候亚区到第八气候亚区,适宜播期从6月下旬提前到了6月上旬。其中,第一气候亚区适宜播期主要集中在6月下旬和7月上旬;第二气候亚区到第七气候亚区,适宜播期的起始日期逐渐提前,但终止日期变化不大,适宜播期主要集中在6月中下旬;第八气候亚区,适宜播期主要集中在6月中上旬。充分灌溉和雨养条件下,随着年代的推移,夏玉米适宜播期呈推迟趋势,一般逐年代推迟3 d左右。第一和第二气候亚区雨养条件下适宜播期晚于充分灌溉条件下适宜播期,其他气候亚区的播期则变化不大。各气候亚区适宜播期产量较实际播期产量均有不同程度提高,但灌溉和雨养之间增产幅度没有显著差异,增产幅度在集中在2%—10%,增产幅度空间上呈由南到北减小趋势。
The authors have declared that no competing interests exist.