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2014 , Vol. 33 >Issue 8: 1467 - 1476

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201408007

Orginal Article

Spatial-temporal distribution of climatic suitability of summer maize in Anhui province

  • SHENG Shaoxue , 1 ,
  • ZHANG Jianjun , 2, 3 ,
  • WANG Xiaodong 2, 3
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  • 1. Anhui Meteorological Information Centre, Hefei 230031, China
  • 2. Anhui Institute of Meteorological Science, Hefei 230031, China
  • 3. Anhui Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Hefei 230031, China

Received date: 2013-12-23

  Request revised date: 2014-04-07

  Online published: 2014-08-10

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

Abstract

Summer maize is one of the major crops in Anhui province, and the annual planting area is more than 0.67 million hectares. The growth and development of summer maize are affected by comprehensive meteorological factors, such as temperature, precipitation and sunshine hours. According to 60 meteorological stations with climatic records from 1961 to 2010 in Anhui province, and on the basis of the physiological characteristics of summer maize and existing research results, we constructed the suitability models of summer maize about temperature, precipitation and sunshine hours. The suitability index of temperature, precipitation and sunshine hours were calculated which can characterize different meteorological element suitability. Based on the relationship between single factor suitability index and summer maize yield, climatic suitability index model was set up by the weighted-average method. The climatic suitability index can express synergetic effect of meteorological factors and yields. The change trends of temperature, precipitation, sunshine hours and their suitability were analyzed. The change trends of climatic suitability index were emphatically analyzed. The results showed that there were significant correlation between suitability indexes and summer maize yield, and suitability indexes can objectively reflect the suitability of meteorological factors. The average temperature in the whole growth period of summer maize showed an increasing trend but not significantly, and the precipitation showed a similar trend. But in different growth stages, the average temperature and precipitation had different trends. The sunshine hours showed an obvious downward trend in different growth stages. In the whole growth period of summer maize, the temperature suitability index showed an advance trend, and the precipitation suitability index showed a downward trend, but these change trends were not significant. The sunshine suitability index showed an obvious downward trend in different growth stages. The precipitation suitability index was lower than temperature suitability index and sunshine suitability index, and the precipitation was a limiting factor. The climatic suitability index showed an obvious downward trend in the whole growth period of summer maize, and it decreased by 0.025 every ten years. In different growth stages, the climatic suitability index showed an obvious downward trend too. The descending rate of climatic suitability index at the seedling stage was the highest. The spatial distribution of climatic suitability index during summer maize growing season had been changed, and the climatic suitability index of northwest Anhui was much lower compared with the 1960s.

Key words： summer maize; suitability; spatial and temporal pattern; characteristic; Anhui province

Cite this article

SHENG Shaoxue , ZHANG Jianjun , WANG Xiaodong . Spatial-temporal distribution of climatic suitability of summer maize in Anhui province[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2014 , 33(8) : 1467 -1476 . DOI: 10.11821/dlyj201408007

1 引言

近年来,气候变化对作物生长发育及种植区域变化的影响引起广泛关注[1-5],围绕作物生长适宜性变化取得诸多研究成果[6-9]。其中关于玉米气候适宜性及其气候响应也有较多研究:何奇瑾等研究了影响中国夏玉米、春玉米潜在种植分布区的主导气候因子及其气候适宜性[10,11];姚小英等分析了气候暖干化背景下甘肃省旱作区玉米气候适宜性变化[12];代立芹等建立了河北省夏玉米各生育期气候适宜度评价模型并对气候适宜度及其变化特征进行了分析[13];吕艳杰对吉林省玉米气候适宜性进行了分析[14]。但由于研究区域、方法、时间尺度以及气候因子种类不同,研究结果稍有差异。
安徽省玉米种植以夏玉米为主,常年种植面积在1000万亩以上,是仅次于水稻、小麦的三大粮食作物之一,在安徽省的粮食生产中占有重要位置。安徽是玉米栽培气候适宜区域,但由于安徽处于气候过渡地带,尤其是随着全球气候变化,夏玉米生长季节气候要素时空波动加大、旱涝灾害频发[15],对玉米单产年际间波动的影响日趋明显。近年来安徽省启动了玉米振兴计划,要求顺应自然条件,充分利用气候资源,提高玉米种植面积和单产。目前针对安徽省玉米生长季内气候资源变化趋势的研究已取得诸多成果[16,17],但是涉及玉米气候适宜性的研究较少,迫切要求研究夏玉米生长气候适宜性及其时空格局变化,为夏玉米合理调整生产布局及种植制度、适应气候变化提供依据。针对安徽省近50年来夏玉米生长季内气温、降水、日照等主要气象要素的变化,构建综合反映气温、降水、日照影响的玉米生长气候适宜指数计算模型,分析夏玉米不同发育阶段气候适宜性及其时空格局变化,为夏玉米种植的科学布局及制定应对气候变化对策提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

安徽省60个基本气象站逐日气温、降水、日照时数等气象观测资料来自安徽省气象档案馆,分县夏玉米逐年产量资料来自1961-2010年安徽省农业统计年鉴,夏玉米生育期资料来源于农业气象试验站和农业气象观测站,夏玉米气象灾害资料取自《中国气象灾害大典(安徽卷)》和安徽省年度气候评价报告。以县(区)为统计单元,研究期间为1981-2010年,取区域内平均值作为相应要素的值。

2.2 研究方法

2.2.1 资料处理 以夏玉米总产与种植面积的比值作为单产,参考中国气象局的《农业气象产量预报质量考核办法》中对产量丰歉的计算方法,产量丰歉指数(wi)计算公式为:
式中:wi为第i年夏玉米产量丰歉指数(%);yi为第 年玉米单产;yk为第i-1年至i-5年玉米单产平均。
根据夏玉米观测资料,将夏玉米分为播种期、苗期、拔节孕穗期、抽雄开花期和灌浆成熟期五个发育阶段。对夏玉米生长季内气温、降水、日照时数等主要气象要素及气候适宜指数变化趋势的线性倾向估计采用一元线性回归方法,分析各要素年际变化趋势的方向和增减值,同时利用变异系数分析以上各要素年际间的波动情况。
2.2.2 气候适宜指数模型构建 根据夏玉米生长期间每旬所处的发育期,确定该旬夏玉米所需的温度、水分和日照条件,结合已有研究成果[18-20]建立逐旬温度、降水、日照适宜指数计算模型:
式中:Si(t)为逐旬温度适宜指数;T是某旬的平均气温;T1、T2和T0分别是该阶段夏玉米生长发育的下限温度、上限温度和最适温度,某旬气温的三基点温度由该旬夏玉米所处的发育期决定;Si(r)为逐旬降水适宜指数;R为某旬的降水量;R0为作物需水量,由参考作物蒸散量乘以作物系数得到;Si(s)为逐旬日照适宜指数;s0为日照百分率为70%时的日照时数;b为常数。
夏玉米的气候适宜性是温度、降水、日照等气象要素对玉米生长适宜程度的综合反映,以气温、降水、日照适宜指数模型为基础,采用加权平均法建立不同发育阶段的气候适宜指数模型。首先,通过分析不同发育阶段温度、降水、日照适宜指数与产量丰歉指数的相关性,将温度适宜指数与产量丰歉指数的相关系数与所有要素适宜指数与产量丰歉指数相关系数之和的比值作为温度适宜指数的权重(a),用相同的方法确定降水适宜指数的权重(b)和日照适宜指数的权重(c)。气候适宜指数计算公式为:
式中:Sm为某发育阶段气候适宜指数;Sm (t)、Sm (r)、Sm (s)分别为某阶段的气温、降水、日照适宜指数;m为玉米生长期内旬序,当m=12时,Sm为全生育期的气候适宜指数。
利用模型计算得到夏玉米全生育期温度适宜指数、降水适宜指数、日照适宜指数及气候适宜指数,并将各适宜指数与产量丰歉指数进行相关分析。结果表明,以上4个适宜指数与产量丰歉指数的相关性通过了显著性水平为0.05的检验,而且日照适宜指数、气候适宜指数与产量丰歉的相关性更是通过了显著性水平为0.01的检验,表明夏玉米全生育期的温度适宜指数、降水适宜指数、日照适宜指数、气候适宜指数与产量丰歉指数的变化具有较好的一致性,证明建立的各种适宜指数模型能够反映气象要素对夏玉米生长的适宜程度。

3 结果分析

3.1 气温适宜性及其变化

在全球变暖的背景下,安徽省夏玉米生长季内温度条件也在发生变化(图1a)。近50年夏玉米生长季内(6-9月)平均气温呈先降后升趋势。1985年以前玉米生长季气温呈较明显的下降趋势(平均下降0.47 ℃/10 a),1986年以后,以0.59 ℃/10 a的速率显著上升,这与江淮流域温度在1986年前后发生突变的研究结论基本吻合[21]。
Fig. 1 Interannual variations of average temperature and temperature suitability index in the whole growth period of summer maize

图1 夏玉米生长季平均气温(a)和温度适宜指数(b)年际变化

日平均气温稳定通过10 ℃初日至20 ℃终日持续日数为玉米的适宜生长日数[22]。分析表明,随着生长季内平均气温的上升,安徽省夏玉米的可生长日数和适宜生长日数均显著增加,使玉米种植品种熟性的选择更为宽泛,尤其对中晚熟品种产量稳定及提高有利。
从全生育期的温度适宜指数年际变化趋势看(图1b),50年来安徽省玉米生长温度适宜指数与气温变化趋势一致,呈上升趋势,但这种趋势变化未通过显著性水平检验。温度适宜指数与产量丰歉指数显著正相关,说明温度适宜指数的上升对玉米产量的增加具有正效应。虽然各发育阶段平均气温升降趋势不一致,但各发育阶段的温度适宜指数均表现出上升趋势(图2)。播种期、苗期和灌浆成熟期的温度适宜指数较高,均在0.9以上,变异系数低于6%,年际间波动较小。玉米孕穗期及抽雄开花期的温度适宜指数年际间波动较大,变异系数分别达到了32.7%和21.3%,明显高于其发育阶段,说明此时段气温不稳定,玉米处于孕穗期和抽雄开花期时易遭受温度胁迫。
Fig. 2 Interannual variations of temperature suitability index in different growth stages of summer maize

图2 夏玉米各生育期温度适宜指数年际变化

3.2 降水适宜性及其变化

近50年来安徽省夏玉米生长季内多年平均降水量为580 mm左右,高于夏玉米的需水总量(图3a)。除灌浆成熟期降水量呈下降趋势外,其他发育阶段降水量均呈上升趋势。但各发育阶段降水量增减趋势均未通过显著性检验,表明近50年来安徽省夏玉米各生长阶段内降水量波动属于自然振动,但无论全生育期还是各发育阶段的降水变率均呈显著上升趋势,尤其是2001年以后,降水量的变异系数超过了30%,降水的不稳定导致夏玉米生长季内易遭受旱涝威胁。
Fig. 3 Interannual variations of annual average precipitation, water requirement of ten days (a) and precipitation suitability index (b) in the whole growth period of summer maize

图3 夏玉米多年平均逐旬降水量与需水量变化(a)、全生育期降水适宜指数年际变化(b)

虽然安徽省夏玉米全生育期降水量超过需水量,但各生育时段降水分布不均(图3a)。苗期至孕穗期一般处于梅雨雨季,常年降水量显著超过需水量,易发生涝渍危害;需水高峰时段的抽雄开花期前后(第22旬)一般梅雨雨季结束,降水量经常不能满足玉米需水量,常导致玉米遭受“卡脖旱”。研究表明降水是影响安徽省夏玉米生产的主要因子,尤其安徽省淮北地区玉米减产率在10%以上的年份主要是由降水变异造成的[23]。
1961-2010年安徽夏玉米全生育期降水适宜指数与温度、日照适宜指数相比,总体偏小且年际变化大,降水适宜指数的变异系数达30%以上(图3b)。夏玉米降水适宜指数与安徽夏季旱涝具有很好对应关系,1967年、1978年、1988年、1994年安徽夏玉米主产区发生大旱,1971年、1991年、1996年、2000年发生严重涝灾,相应年份的降水适宜指数比较低,基本上反应了水分供应的不适宜性。降水适宜指数的年际变化趋势显示,全生育期的降水适宜指数呈下降趋势。各发育阶段除抽雄开花期降水增加使降水适宜指数呈现不显著上升趋势外,其余发育阶段降水适宜指数均呈下降趋势(图4)。各发育阶段降水适宜指数年际间波动较为剧烈,以播种期降水适宜指数波动最为明显,变异系数超过50%。分析逐年播种期降水量发现,50年中降水量与需水量相比,水分亏缺或盈余幅度在20%以上的比例为86%,年际间播种期降水不均衡是导致适宜指数不稳定的主要原因。
Fig. 4 Interannual variations of precipitation suitability index in different growth stages of summer maize

图4 夏玉米各生育期降水适宜指数年际变化

3.3 日照适宜性及其变化

安徽夏玉米生长季多年平均日照时数在800 h左右,且以5.5 h/a的速率显著下降(图5a),各发育阶段的日照时数均呈现出一致的显著下降趋势。20世纪60年代,玉米生长季平均日照时数在900 h以上,但2001年以后已下降到600 h左右,80年代前日照时数距平以正距平为主,1981年后以负距平为主,且年际间日照时数波动较明显。20世纪60年代日照时数变异系数为10.4%,至80年代下降至8.3%,而后逐渐上升,至2010年变异系数已达到13.2%。
Fig. 5 Interannual variations of sunshine hours (a) and sunshine suitability index (b) in the whole growth period of summer maize

图5 夏玉米全生育期日照时数(a)和日照适宜指数(b)年际变化

受日照时数显著下降影响,50年来安徽省夏玉米全生育期(图5b)及各发育阶段(图6)的年际及年代际日照适宜指数下降明显。20世纪60年代全生育期平均日照适宜指数为0.78,而2001-2010年已降为0.55。同日照时数年代际间波动趋大的特点一致,日照适宜指数年代际间的不稳定程度也逐渐加强。
Fig. 6 Interannual variations of sunshine suitability index in different growth stages of summer maize

图6 夏玉米各生育期日照适宜指数年际变化

3.4 气候适宜性及其变化

夏玉米气候适宜性反映温度、降水及日照等多种气候要素匹配及综合影响。安徽夏玉米全生育期的气候适宜指数表现出明显的下降趋势(图7),下降速率达0.025/10 a,通过了0.01显著性水平的检验。说明夏玉米生长期间温度、降水及日照等多种气候要素匹配及综合适宜程度降低。近年来安徽夏玉米产量丰歉指数呈显著下降趋势,气候适宜指数的下降是重要原因之一。
Fig. 7 Interannual variation of climatic suitability index in the whole growth period of summer maize

图7 夏玉米全生育期气候适宜指数年际变化

气候适宜指数的高低在一定程度上反映了产量丰歉的程度,但气候适宜性的降低并不意味着该区域已不适宜种植夏玉米,而主要反映的是气候要素匹配及综合适宜程度下降,夏玉米生长过程中遭受气象灾害的几率有所增加。1961-2010年,气候适宜指数最低(0.51)的是2003年,当年也是夏玉米减产最多的年份(产量丰歉指数为-48.2%);1994年和2007年的气候适宜指数也比较低(分别为0.56和0.59),这两年的产量丰歉指数分别为-22.4%和-7.1%。
气候适宜指数具有明显的年代际变化特点,20世纪60年代至90年代气候适宜指数一直下降,其中80年代气候适宜指数较稳定,90年代气候适宜指数波动最大。进入21世纪后气候适宜指数年际间波动仍比较大,但已经呈现出减小趋势。各发育阶段的气候适宜指数都呈现出显著下降趋势且变率基本一致,其中苗期的气候适宜指数下降最快,拔节孕穗期次之,灌浆成熟期较小。
不同发育时段不同气候要素对气候适宜指数的贡献有所差异,但降水适宜指数影响最为明显。除抽雄开花期日照适宜指数所占权重最大外,其余各发育时段降水适宜指数的权重最高。各要素适宜指数的多年平均值以温度适宜指数最高,日照次之,降水适宜指数最小。这说明在自然状况下,降水是影响夏玉米生长的最主要因素,降水适宜性的高低直接影响到气候适宜性的高低。

3.5 气候适宜性空间格局变化

近50年来夏玉米主产区气候适宜指数平均值的空间分布基本呈东北西南向带状分布,东北部气候适宜指数最高,西南部最低;但随着全球气候变化,夏玉米生长季节气候要素时空波动加大,气候适宜指数空间分布也呈现不同特征(图8)。20世纪60年代夏玉米平均气候适宜指数大致呈北高南低的纬向分布,沿淮及淮北气候适宜指数均在0.65以上,数高值区位于淮北东北部和皖东的天长县。20世纪70年代与60年代比较气候适宜指数变化不大,仅淮北西北部分区域略有下降。进入20世纪80年代以后,夏玉米气候适宜指数空间分布发生明显变化,空间分布由纬向分布转为不明显的经向分布,全省气候适宜指数均有所降低,其中淮北中北部气候适宜指数下降明显,高值区南移至沿淮及大别山部分区域。进入21世纪,安徽北部由夏玉米气候适宜指数高值区变为低值区,同时全省绝大多数区域夏玉米气候适宜指数在0.65左右,比20世纪60年代和70年代平均低0.15,江淮之间区域已成为玉米种植最适宜的区域。沿江及皖南山区夏玉米气候适宜指数的年代际空间分布特征变化不明显,但从20世纪90年代以来皖南山区夏玉米种植的气候适宜性呈现强化趋势。
Fig. 8 Spatial distribution of climatic suitability index in the whole growth period of summer maize in Anhui province

图8 安徽省夏玉米生长季气候适宜指数空间分布特征

4 结论与讨论

气候波动是造成夏玉米产量不稳定的主要原因之一。通过对1961-2010年安徽省夏玉米生长期间气温、降水、日照等主要气象要素的分析,在构建单要素适宜度及气候适宜度模型的基础上,对夏玉米气候适宜性及其时空格局变化进行分析,结果表明:
(1)近50年安徽省夏玉米生长期内温度呈上升趋势,日照出现明显下降趋势,降水变化趋势虽不明显,但变率却显著增大,降水适宜指数低于同期的温度和日照适宜指数,夏玉米生长过程中遭受旱涝灾害的几率有所增加。
(2)安徽省夏玉米生长温度适宜指数呈不显著上升趋势,对玉米生长具有一定的正效应,但玉米孕穗期的温度适宜指数年际间波动较大,易遭受温度胁迫;日照适宜指数下降明显,同时年际间的不稳定程度也逐渐加强。降水适宜指数比温度、日照小且年际变化大,并呈下降趋势。降水适宜指数与安徽夏季旱涝具有明显对应关系。
(3)1961-2010年间安徽省夏玉米气候适宜指数呈明显下降趋势,其中20世纪60-90年代下降明显,1991年以来气候适宜指数年际间波动较大。各发育阶段的气候适宜指数均呈下降趋势,其中播种至拔节孕穗期下降最为显著。
(4)安徽省夏玉米种植区的气候适宜指数空间分布基本呈东北西南向带状分布,东北部气候适宜指数最高,西南部最低;但随着全球气候变化,夏玉米生长季节气候适宜指数空间分布呈现不同格局特征。尤其20世纪80年代以后夏玉米气候适宜指数空间分布由纬向分布转为经向分布。全省气候适宜指数均有所降低,其中淮北中北部由高值区变成低值区,江淮之间区域已成为玉米种植最适宜的区域。
构建的气候适宜度模型虽然考虑到了影响夏玉米的主要气象要素,但模型是以旬为计算单位,同时未考虑到如前期降水盈余等气象要素的累积效应,相关结果应用于具体生产仍需进一步细化。同时在对县级尺度评价分析的基础上,未来应结合GIS信息、高密度气象观测资料开展乡、村级夏玉米气候适宜性变化趋势及空间分布特征分析,以及不同气候变化情景下夏玉米生长气候适宜性变化研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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