引言
IPCC报告指出，气候变暖已是不争的事实（IPCC，2013）。温度升高将会加速作物生长速度、缩短玉米生长期，对生物量积累和产量形成造成不利影响（Challinor et al.， 2016；Shao et al.， 2021）。研究指出，气候变化背景下温度升高导致1980—2008年全球玉米产量下降了3.8%（Lobell et al.，2011）。全球玉米主要生产区（美国、中国、巴西和非洲）的玉米产量与生长季温度之间均存在负相关关系（Tao et al.， 2008；Sakurai et al.， 2011；Chen et al.， 2017）。中国一些学者也有研究指出气候变化背景下温度每增加1 ℃，玉米产量减少77.85 kg·hm-2（Wu et al.，2021）。除此之外，温度也是影响中国玉米生产潜力的重要因子之一。有研究利用作物模型模拟夏玉米潜在产量变化，指出温度和降水是影响中国玉米单产潜力时空变化的主要因素（葛亚宁等，2015），且温度更是影响华北地区夏玉米产量变化的主导因子（江铭诺等，2018）。可以看出气候变化背景下温度是影响玉米产量的重要因素，如何在全球变暖背景下，采取有效的适应措施、合理利用热量资源是中国玉米高产稳产的重要保证。
气候变暖背景下，作物生育期积温变化显著（马润佳，2017；曹永强等，2021），杨鹏宇等（2018）研究指出1961—2015年华北地区夏玉米生长季大于10 ℃活动积温增加了l1.8%。中国粮食生产对气候的依赖性较高，热量资源的增加、生育期的延长为粮食生产提供了更大的增产空间，但当前较低的农业气候资源利用率仍是制约粮食生产的关键因素之一（罗海平等，2021）。过去30 a随着玉米品种的不断更换，玉米生育期长度和潜在产量也在不断增加（Tao et al.， 2014），且在大多雨养玉米种植区，水分相对充足，生长季延长有助于产量提高（Mueller et al.， 2015；Kukal and Irmak， 2018）。选择生育期更长的玉米品种是农民采用的自适应措施之一，但关于生长季热量资源利用的研究大都基于固定的生长季开展，难以准确捕捉气候条件的时空差异对玉米生长发育的影响，且对年代际气候资源利用率的变化趋势关注较少。探究夏玉米的生长日数利用率和生长季积温利用率对充分利用热量资源、指导农业的可持续发展具有一定的潜在价值。
玉米是河北省主要的粮食作物，播种面积占中国总播种面积的8.3%（中华人民共和国国家统计局，2017）。本文选取河北省1981—2019年夏玉米生育期内15个农业气象站点逐日气象数据、夏玉米、小麦生育期数据分析气候变化背景下夏玉米生长日数及积温利用率的时空变化特征及花前花后积温比的变化趋势，以期对充分利用热量资源，合理调整品种布局、保障粮食安全提供理论支持。
1 资料和方法
1.1 研究区概况
河北省位于华北平原北部，地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。气候为温带大陆性季风气候，平均年日照时数2 303.1 h，年无霜期81~204 d，平均年降水量484.5 mm，年平均气温15~20 ℃，大部地区四季分明，是中国主要的夏玉米种植区之一，夏玉米主产区主要分布在廊坊、保定、沧州、邢台等地（图1）。
图1
图1
河北省农业气象站及夏玉米主产区空间分布
Fig.1
The location of agrometeorological stations and main producing areas of summer maize in Hebei Province
1.2 资料
1981—2019年夏玉米的播种期、开花期、收获期、后茬小麦播种期、收获期等观测资料及逐日平均气温、最低气温数据均来自河北省15个农业气象观测站（图1）。其中生育期观测数据主要用来推算夏玉米的理论播种期和理论收获期，统计夏玉米的实际生长日数和潜在生长日数。日平均气温和最低气温等数据主要用来计算生长季实际积温、潜在积温及花前花后积温等。
文中附图涉及的地图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）3149号的标准地图制作，底图无修改。
1.3 生长日数及积温计算
以5 d滑动平均温度稳定通过10 ℃的起始和终止日期作为玉米潜在生长季的播种日期和成熟日期。若其间日最低气温低于-2.2 ℃，则认为玉米会遭遇霜冻，该天作为玉米的强制收获（成熟）期。由于河北省为小麦、玉米轮作种植制度，若考虑小麦的正常播种和收获，玉米理论播种期应为小麦实测收获期加3 d（农田准备时间），理论收获（成熟）期为小麦的实测播种期减5 d（农田准备时间）。实际生长日数为观测播种期与观测收获期之间的日数，潜在生长日数为理论播种期与理论收获期之间的日数，生长日数利用率为实际生长日数与潜在生长日数的比值。实际积温是观测播种期和观测收获期内大于等于10 ℃的活动积温，花前积温为观测播种期与观测开花期之间大于等于10 ℃的活动积温，花后积温为观测开花期与观测收获期之间大于等于10 ℃的活动积温，潜在积温为理论播种期与理论收获期之间大于等于10 ℃的活动积温，积温利用率为实际积温与潜在积温的比值。
1.4 数据统计及插值处理
采用Excel进行数据处理，运用Python等编程软件计算各阶段积温。利用一元线性回归方法分析夏玉米生长日数、潜在生长日数、积温等的变化趋势，使用Origin8.0软件进行绘图。运用ArcGIS的空间分析功能进行空间插值处理，插值方法选用克里金法。采用F检验对回归系数进行显著性检验（P<0.05为变化显著）。
2 结果分析
2.1 夏玉米生长日数及其利用率时空特征
图2为1981—2019年河北省夏玉米生长日数及其利用率变化。可以看出，过去近40 a，夏玉米实际生长日数均小于潜在生长日数，实际生长日数、生长日数利用率呈显著增加趋势（P<0.01）。其中，实际生长日数以2.3 d·（10 a）-1的速率增加，从1981年的91 d增加至2019年的105 d，增加14 d，而潜在生长日数无明显增加趋势。生长日数利用率呈显著增加趋势（P<0.01），从1981年的80.4%增加到2019年的94.5%，增长14.1%。
图2
图2
1981—2019年河北省夏玉米生长日数（a）及生长日数利用率（b）变化
（阴影区域实线表示线性回归模型的拟合值，通过α=0.05的显著性检验。下同）
Fig.2
Variation of growing days （a） and its utilization rate （b） of summer maize from 1981 to 2019 in Hebei Province
（The real line in the shadow region represents the fitting value of the linear regression model， passing α=0.05 significance test. the same as below）
从图3可以看出，1981—2019年河北省夏玉米潜在生长日数不同年代大致呈现一致的空间分布特征，即由南到北减少，且在2010年代表现最明显。河北省夏玉米的潜在生长日数为106~126 d，南部邯郸、邢台夏玉米潜在生长日数较长，大部地区超过115 d，其中邯郸部分地区超过125 d；保定、廊坊及沧州局部潜在生长日数较短，大部地区不足114 d。
图3
图3
1981—2019年不同年代河北省夏玉米潜在生长日数空间分布（单位：d）
Fig.3
Spatial distribution of potential growth days of summer maize in Hebei Province in different decades from 1981 to 2019 （Unit： d）
图4为1981—2019年不同年代河北省夏玉米生长日数利用率空间分布。可以看出，各年代生长日数利用率均在80%以上，除1980年代外，均大致呈南低北高的空间分布，且这种特征随着年代际推移表现愈加明显。1980年代，廊坊、保定及沧州生长日数利用率较低（80%~85%），邢台、石家庄等地区则较高（90%以上）；1990年代及2000年代北部地区的保定、廊坊夏玉米生长日数利用率较高，大部地区在90%以上，局部地区高于95%，邢台一带次之（90%~95%），邯郸大部地区在90%以下；2010年代生长日数利用率呈现明显的由北到南递减的空间分布，廊坊及保定北部最高（95%以上），邯郸南部最低（90%以下）。
图4
图4
1981—2019年河北省不同年代夏玉米生长日数利用率空间分布（单位：%）
Fig.4
Spatial distribution of utilization rate of growth days of summer maize in Hebei Province in different decades from 1981 to 2019 （Unit： %）
2.2 夏玉米生长季积温及利用率时空特征
从图5可以看出，过去近40 a，河北省夏玉米生长季实际积温均小于潜在积温，且实际积温、潜在积温及生长季积温利用率均呈增加趋势（P<0.05）。其中，实际积温的增加趋势较潜在积温快，实际积温以78.0 ℃·d·（10 a）-1的速率增加，从1981年的2 375.9 ℃·d增加至2019年的2 743.1 ℃·d；潜在积温以39.8 ℃·d·（10 a）-1的速率增加，从1981年的2 810.7 ℃·d增加至2019年的2 895.7 ℃·d；生长季积温利用率从1981年的84.5%增加至2019年的94.9%，增加10.4%。
图5
图5
1981—2019年河北省夏玉米生长季积温（a）及其利用率（b）变化
Fig.5
Variation of accumulative temperature （a） and its utilization rate （b） of summer maize in growth season from 1981 to 2019 in Hebei Province
从河北省不同年代夏玉米生长季潜在积温空间分布（图略）来看，夏玉米生长季潜在积温各年代均表现出一致的由南到北逐步减少的空间分布特征。其中，廊坊、保定北部潜在积温最少，在2 650 ℃·d以下。1980年代和1990年代邯郸部分地区潜在积温为2 901~2 950 ℃·d；2000年代和2010年代邯郸大部、邢台、衡水及沧州部分地区潜在积温超过2 950 ℃·d，衡水和沧州东部地区潜在积温也较多（大于2 900 ℃·d）。
图6为1981—2019年河北夏玉米生长季不同年代积温利用率空间分布。可以看出，夏玉米生长季积温利用率均超过80%，总体呈现南低北高的空间分布特征，具体表现为由南到北先升高后降低再升高。其中，1980年代邢台一带积温利用率最高（大于95%），石家庄、保定及廊坊北部为91%~95%，其他大部地区积温利用率为86%~90%；1990年代，保定及廊坊北部的利用率较高（95%以上），保定、沧州南部、衡水北部及河北南部的邯郸等地利用率较低（小于90%），其他地区利用率为91%~95%；2000年代积温利用率空间分布与1990年代较为一致；2010年代，保定、廊坊生长季积温利用率较高（95%以上），保定、廊坊以南大部地区积温利用率较低（小于95%）。
图6
图6
1981—2019年不同年代河北省夏玉米生长季积温利用率空间分布（单位：%）
Fig.6
Spatial distribution of utilization rate of accumulative temperature of summer maize in growth season in Hebei Province in different decades from 1981 to 2019 （Unit： %）
2.3 夏玉米花前花后积温比变化
气候变化背景下河北省夏玉米花前、花后积温及比值分布见图7。1981—2019年，河北省夏玉米花前平均积温为1 480.7 ℃·d，花后平均积温为1 102.2 ℃·d，花前积温明显高于花后积温。近40 a以来，花前、花后积温均存在一定的上升趋势，花前积温以19.6 ℃·d·（10 a）-1的速率上升，花后积温以58.7 ℃·d·（10 a）-1的速率上升，花后积温的上升速度高于花前积温。花前、花后积温比也可以看出这一特征，其呈现明显的下降趋势（P<0.05），从1981年的1.6下降到2019年的1.1，下降28.5%。
图7
图7
1981—2019年河北省夏玉米花前、花后积温（a）及花前、花后积温比（b）变化
Fig.7
Temporal change of accumulated temperature during pre and post flowering period of summer maize （a） and their ratio （b） from 1981 to 2019 in Hebei Province
3 讨论
生长季长度是衡量作物生产潜力的重要指标（Mueller et al.， 2015），夏玉米生长季的延长有利于气候资源利用效率的提高，从而提高产量。气候变暖背景下温度升高导致玉米潜在生长季延长，特别是中高纬度地区温度升高尤为明显，潜在生长季延长更加显著（Zhao et al.， 2015；马润佳，2017）。本研究对近40 a河北省夏玉米生长日数进行分析也得出了一致的结论，实际生长日数以2.2 d·（10 a）-1的速率显著增加，加之潜在生长日数的线性增加趋势不明显，生长日数利用率也呈现不断增加趋势。此外，气候变化造成中国华北地区的热量资源更加丰富，大于等于0 ℃积温呈现增加趋势（马润佳，2017；马洁华等，2010）。杨鹏宇等（2018）也指出华北平原夏玉米生长季的热量资源呈明显增加趋势。本研究对河北省夏玉米生长季积温分析也得出一致的结论，夏玉米生长季的实际积温和潜在积温均显著增加（P<0.05），实际积温以78.0 ℃·d·（10 a）-1的速率增加，潜在积温以39.8 ℃·（10 a）-1速率增加，实际积温的增加速率大于潜在积温，导致近40 a积温利用率显著提升。
已有研究表明，增加夏玉米的生长季长度可提升有效积温调控夏玉米的生长发育，有更长的时间发展营养器官，积累营养物质，进而促进产量提升（Muhammad et al.， 2019；Tao et al.， 2014）。本研究表明夏玉米的潜在积温明显高于实际积温，1980年代、1990年代、2000年代及2010年代潜在积温均呈南多北少的纬向分布特征；而夏玉米生长日数和生长季积温利用率呈南低北高分布，且这种分布特征随着年代的推移更加明显。表明河北省夏玉米潜在生长日数较长、潜在积温较高的地区其利用率较低，因此冀南地区夏玉米热量资源利用率仍有一定的提升空间，在品种布局方面，可以选用生长季更长的中熟或中晚熟品种，从而获得更高产量。
在夏玉米生长季温度升高及生育期延长的大背景下，京津冀地区夏玉米对气候变化的响应表现在吐丝期和成熟期显著推迟，且生殖生长较营养生长响应更大（孟林等，2015）。本研究夏玉米花前积温以19.6 ℃·d·（10 a）-1的速率上升，花后积温以58.7 ℃·d·（10 a）-1的速率上升，花后积温的上升速度高于花前积温，导致花前、花后积温比明显下降。开花吐丝后夏玉米基本进入生殖生长阶段，从积温的角度进一步佐证了夏玉米生殖生长对气候变化的响应大于营养生长。花后积温的增加对玉米产量的提升有利，同时可以保障玉米能够充分脱水，适宜机收，在一定程度上也可为小麦－玉米耕作模式下小麦的播种减轻压力（周宝元等，2019；王勇等，2020）。本研究中花后积温增加更多，说明玉米灌浆期的积温相对比较充足，在育种栽培方面可以选择灌浆阶段更长的产品，充分利用生长季的热量条件提高产量。
4 结论
1981—2019年河北省夏玉米潜在生长日数变化不大，潜在积温以39.8 ℃·d·（10 a）-1的速率增长，从1981年的2 375.9 ℃·d增加至2019年的2 743.1 ℃·d。生长季热量资源利用率呈显著增加趋势（P<0.05），生长日数利用率从1981年的80.4%增长到2019年的94.5%；积温利用率从1981年的84.5%增加至2019年的94.9%；空间分布上潜在生长日数、潜在积温均呈现南多北少的纬向分布，随着年代的推移，生长日数利用率和积温利用率基本呈现南低北高的分布特征，尤其在2010s这种特征表现的愈加明显；夏玉米花前、花后积温分别以19.6、58.7 ℃·d·（10 a）-1的速率上升，花前、花后积温比呈明显下降趋势，从1981年的1.6下降到2019年的1.1，下降28.5%。
研究表明，冀南地区夏玉米热量资源利用率仍有一定的提升空间，在以后生产中可以选用生长季更长的中熟和晚熟品种，育种或栽培上选择灌浆阶段更长的品种，充分利用生长季热量资源，从而提高玉米产量。
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