杨 华，蒋菊芳，丁文魁，程 倩，张金丹，徐玉凤
（1中国气象局兰州干旱气象研究所/干旱气候变化与影响研究室，兰州 730020；
2甘肃省武威市气象局，甘肃武威 733000）
玉米作为重要的粮食、饲料和经济作物，在中国农业生产和国民经济中占有重要地位。玉米起源于中美洲热带地区，是喜温作物，只有生育期间所需的积温满足才能正常成熟[1]。在不同的生育阶段，玉米有不同的最高、最适、最低温度，即三基点温度，温度过高会造成生理障碍导致生长发育受阻[2]。全球变暖已成为不争的事实，IPCC第四次科学评估报告显示，近100年（1906—2005年）全球平均气温上升了0.74℃，随着全球气候变暖，昼夜温差变大，发生极端高温的频率增加[3-4]，影响了全球粮食作物的安全和生产[5]。研究表明，1980—2008年的气候变化导致全球玉米减产3.1%，其中，中国的玉米产量降低了7.0%[6-8]。气候变暖使玉米生长发育加速，开花期提前，雌穗分化数量明显减少，果穗变小[9-11]。当气温高于30℃后，玉米叶片光合速率下降的主要原因是Rubisco失活[12-14]。开花期前后的高温胁迫对玉米的光合作用有明显的影响，高温导致玉米产量明显降低，品质也受到了明显的影响[15-17]。LOBELL等[18-20]研究表明，极端高温对非洲玉米生产影响显著，大于30℃日最高气温的积温每增加1℃，将导致玉米减产1.7%。目前，国内对玉米的高温胁迫机理研究较多，但对区域高温风险及其玉米产量影响方面的相关研究比较缺乏。
武威市2021年春玉米种植面积为9.97×104hm2，是甘肃省主要的春玉米产区，也是受气候变化影响较显著的地区。21世纪以来，全国增温速率达0.24℃/10a，为全球的2倍，气候变暖趋势明显高于全球。而变暖最明显的地区在西北，变暖强度高于全国平均值[21]，甘肃地区增温速率达0.28℃/10a。河西地区升温幅度最大，增温速率达0.38℃/10a，升温幅度是全球的3倍[22-23]。1993年以来，河西地区降水量平均增多9.9 mm/10a，累计增加了11.4%，极端降水强度增加[22]。近年来，河西春玉米种植面积逐年增加，与此同时，极端高温发生频率增加，河西春玉米生产高温风险也明显增加，分析河西地区极端高温的变化特征及其对春玉米的影响对于该地区春玉米生产具有重要意义。鉴于此，本研究在国内外前人研究的基础上，以河西地区春玉米主要产区——武威为例，研究极端高温对春玉米不同生长阶段的影响，为河西农作区春玉米生产适应气候变化提供科学依据。
1.1 研究区域自然概况
长期定位观测试验设在武威荒漠生态与农业气象试验站进行，此站位于甘肃省中部、河西走廊东端，属典型的大陆性气候区，海拔高度为1531.5 m。年平均气温9.2℃，年平均最高气温36.2℃，昼夜温差大；
年平均降水量177.3 mm，降水主要集中在夏季6—9月份，占年降水总量的70.2%，其他农作物生长季节3—5月降水量34.1 mm，10月降水量10.0 mm，雨热同期；
年平均日照时数2912.8 h，日照充足，蒸发强烈；
年平均无霜期160天左右。
1.2 资料来源
1981—2021年连续41年春玉米发育期及产量资料为武威荒漠生态与农业气象试验站定点观测，包括春玉米各个发育期以及产量的详细记录。河西地区典型春玉米种植区武威市及凉州区产量资料来自国家调查队武威统计局。试验区耕作方式和田间管理与当地种植方式一致，春玉米全生育期使用水源井水灌溉，灌溉量每次大约为1000 m3/hm2，100%年年可灌。观测方法按照中国气象局编定的《农业气象观测规范》[24]进行。由于开花期是对高温最敏感的时期[7]，因此本研究将春玉米全生育期划分为第一生长阶段（播种到开花前11天）、第二生长阶段（花前花后20天）和第三生长阶段（花后11天到成熟）3个阶段。1952—2021年日最高气温是武威基本气象观测站地面观测数据，春玉米种植区位于气象观测站附近200 m处。
1.3 研究方法
1.3.1 气候趋向率 采用一次线性方程来表示气候要素多年变化的趋势，用线性回归斜率的10倍来表示气候趋向率[25]。一次线性方程如式(1)所示。
式中：yi为样本量为n的气候变量，xi表示yi对应的时间，a为常数项；
b为线性回归斜率；
i为时间序列的年份，气候趋向率为斜率b的10倍。
1.3.2 极端高温评价指标 ＞30℃日最高气温的积温(AT)和＞30℃日最高气温的天数(AD)是评价春玉米生育期内高温风险最常用的2个指标[19-20,26]，计算如公式(2)和(3)所示。
式中：AT是春玉米某个生育阶段＞30℃日最高气温的积温，ATt是每天＞30℃的气温，N为春玉米某个生育阶段的天数，T为日最高气温。Topt是春玉米生长季节生物学上限温度，根据研究发现，春玉米适宜生长的范围为10～30℃[27]，因此，本研究以30℃作为春玉米生长过程中最高气温的临界值。
1.3.3 Mann-Kendall检测 1945年Mann提出了Mann-Kendall检测法（以下简称M-K检测），当时仅用于检测某一序列的变化趋势，经过Sneyers和Goossens等进一步完善，发展成为一种能够检测气候突变的方法，它的特点是检测范围宽、定量化程度高。如今在温度、降水及干旱等气候变化的研究中Mann-Kendall检测法被广泛应用。Mann-Kendall检测法的原理见参考文献[28]。
1.3.4 数据的统计分析 运用SPSS 13.0软件检验极端高温、春玉米发育期、产量及产量结构与年份之间的相关性。
2.1 河西地区春玉米发育期变化特征
1981—2021年河西地区春玉米在4月4日—5月5日播种，7月18日—8月7日开花，9月14日—10月6日成熟。近41年的平均播种日期为4月16日，开花期为7月28日，成熟期为9月24日（表1）。从表1可以看出，1981—2021年，河西地区春玉米播种期和成熟期推迟，开花期提前。春玉米播种期推迟速率为4.6d/10a，推迟趋势达到0.01极显著水平。开花期提前速率为1.5d/10a，提前趋势达到0.05显著水平。成熟期略推迟，推迟速率为0.7d/10a。总体来看，全生育期和第一生长阶段均提前，提前速率分别为3.8、6.1d/10a，提前趋势达到0.01极显著水平。第三生长阶段推迟，推迟速率为2.2d/10a，推迟趋势达到0.01极显著水平。
表1 研究区春玉米发育期变化特征
2.2 河西地区春玉米生长季日最高气温变化特征
1952—2021年河西地区春玉米全生育期、第一生长阶段、第二生长阶段和第三生长阶段的日平均最高气温分别为25.8、25.1、30.0、25.4℃（图1）。近70年来春玉米全生育期内日最高气温波动幅度较大，日最高气温呈极显著上升趋势，气候趋向率为0.17℃/10a（图1a）；
M-K检测结果显示，近70年河西地区春玉米全生育期内的日最高气温在2010年经历了极显著的突变，2010年前日最高气温增加趋势缓慢，2010年后日最高气温极显著增加，这种增加趋势通过了99%置信水平（图2a）。近70年来春玉米第一生长阶段日最高气温同样呈极显著上升趋势，气候趋向率为0.19℃/10a（图1b）；
第一生长阶段的日最高气温在2003年有明显的突变，2003年前日最高气温增加趋势缓慢，2003年后日最高气温增加显著，增加趋势同样通过了99%置信水平（图2b）。
春玉米第二生长阶段日最高气温在全生育期中最高，整体成上升趋势但不显著，年际间的起伏较大，气候趋向率为0.19℃/10a（图1c）；
M-K检测显示，在2008年有突变趋势，2008年后日最高气温显著增加，增加趋势通过了95%置信水平（图2c）。在春玉米第三生长阶段，近70年日最高气温增加趋势并不显著，气候趋向率为0.10℃/10a（图1d）；
在2015年有突变趋势，通过了95%置信水平（图2d）。
图1 1952—2021年河西地区春玉米各生育期日最高气温的变化
图2 1952—2021年河西地区春玉米各生育期日最高气温突变检测
2.3 河西地区春玉米生长季AT的变化特征
1952—2021年春玉米全生育期AT的平均值为74.9℃/d，近70年来AT呈极显著升高趋势，2016—2021年AT明显高于多年平均值且大于100℃/d，其中2021年是近70年来的最高值，为167.7℃/d（图3a）；
春玉米全生育期AT的突变年为2011年，2011年后AT呈明显的增加趋势，增加趋势通过了99%置信水平（图4a）。春玉米第一生长阶段AT的平均值为28.6℃/d，呈显著增加趋势，AT明显大于平均值的年份有1952、1957、1960、2001、2008、2017、2018、2020和2021年，分别 为 63.8、54.1、54.1、60.7、60.5、77.0、86.0、66.6、57.6℃/d，均大于50℃/d（图3b）；
第一生长阶段AT在2011年发生突变，2011年前AT波动较大，2011年后AT有增加趋势，增加趋势通过了95%置信水平（图4b）。
图3 1952—2021年河西地区春玉米各生育期AT的变化
春玉米第二生长阶段AT平均值为31.5℃/d，2021年是春玉米第二生长阶段AT近70年来最大值，为86.1℃/d，2010年次之，为78.7℃/d，近70年来第二生长阶段AT呈极显著升高趋势（图3c）；
第二生长阶段AT在2011年发生突变，2011年后AT有增加趋势，增加趋势通过了95%置信水平（图4c）。春玉米第三生长阶段AT平均值为14.8℃/d，1962年是春玉米第三生长阶段AT近70年来最大值，为45.4℃/d，其余1957、1975、2011、2019和2020年AT均大于30℃/d，分别为37.2、39.7、37.3、36.7和32.8℃/d，春玉米第三生长阶段AT呈不显著增加趋势（图3d）；
M-K检测显示，该阶段AT无显著的突变趋势（图4d）。
图4 1952—2021年河西地区春玉米各生育期AT的突变检测
2.4 河西地区春玉米生长季AD的变化特征
1952—2021年河西地区春玉米全生育期内AD平均值为33.7天；
全生育期内AD呈极显著增加趋势，年际间起伏较大（图5a）；
M-K检测结果显示，春玉米全生育期AD在2017年发生突变，2017年后该阶段AD明显增加，增加趋势通过了95%置信水平（图6a）。近70年来春玉米第一生长阶段AD平均值为14.8天，该阶段AD波动较大，呈极显著增加趋势（图5b），极端高温天数较多的年份有 1952、1960、1997、2006、2007、2008、2017、2018和2020年，其极端高温天数均≥25天；
春玉米第一生长阶段AD在2010年发生突变，2010年后该阶段AD明显增加，增加趋势通过了95%置信水平（图6b）。
1952—2021年河西地区春玉米第二生长阶段内AD的平均值为11.5天，近70年来呈显著增加趋势（图5c）；
M-K检测结果显示，第二生长阶段AD在2017年发生突变，但增加趋势未通过95%置信水平（图6c）。近70年河西地区春玉米第三生长阶段AD的平均值为7.4天，呈不显著增加趋势（图5d）；
M-K检测结果显示，第三生长阶段AD无明显的突变（图6d）。
图5 1952—2021年河西地区春玉米各生育期AD的变化
图6 1952—2021年河西地区春玉米各生育期AD的突变检测
2.5 极端高温对河西地区春玉米产量的影响
1981—2021年典型站点、凉州区和武威市春玉米每年产量平均增加速率分别为99.917 kg/hm2、167.46 kg/hm2和126.01 kg/hm2（图7a～c），3个站点春玉米产量都呈极显著增加趋势；
典型站点和凉州区产量起伏较大，武威市2003年以前产量平稳增长，2003年以后产量有明显的增加，近20年产量起伏明显大于前20年，说明近20年气候变化对春玉米产量影响更加显著。
图7 1981—2021年河西地区各站点春玉米产量的变化
从表2可知，1981—2021年河西地区春玉米全生育期内的AT、AD与典型站点的春玉米果穗长之间呈显著负相关，与秃尖长和茎秆重之间均呈不显著负相关，与百粒重呈不显著正相关，与典型站点、凉州和武威单产之间呈极显著正相关。春玉米第一生长阶段与全生育期相同，该阶段AT、AD与典型站点的春玉米果穗长之间呈显著负相关，与秃尖长和茎秆重之间呈不显著负相关，与百粒重呈不显著正相关，与典型站点、凉州和武威单产之间呈极显著正相关。表明高温是影响春玉米产量的主要气候因素之一，高温胁迫使得果穗生长受到抑制，不利于春玉米干物质的积累；
但是，全生育期和第一生长阶段高温对籽粒灌浆有利。在第二生长阶段内的AT、AD与典型站点的果穗长、秃尖长和茎秆重之间呈不显著负相关，与百粒重呈不显著正相关，除与凉州单产呈显著正相关外，与其他站点产量均呈不显著正相关（表2）。表明花期高温抑制果穗、秃尖和茎秆的生长，但对百粒重和产量形成没有明显的影响。说明花期的高温还未达到抑制春玉米籽粒灌浆及产量形成的阈值。第三生长阶段的AT、AD与典型站点的果穗长、茎秆重和百粒重之间呈不显著负相关，与秃尖长及典型站点、凉州和武威单产之间呈不显著正相关（表2）。说明第三生长阶段高温抑制果穗长、干物质的积累，对籽粒灌浆不利，使春玉米秃尖长度增加，对百粒重和产量形成没有明显的影响。
表2 AT、AD与典型站点春玉米产量因素及各站点单产之间的相关性分析
（1）1981—2021年河西地区春玉米播种大约在4月中下旬，开花在7月下旬，成熟在9月下旬。受高温影响，近41年来河西地区春玉米播种期和成熟期显著推迟，推迟速率分别为4.6d/10a和0.7d/10a；
开花期显著提前，提前速率为1.5天/10年。
（2）1952—2021年河西地区春玉米全生育期内日最高气温显著增加，春玉米全生育期、第一生长阶段、第二生长阶段和第三生长阶段日最高气温的上升速率分别为0.17、0.19、0.19、0.10℃/10a。受高温影响，河西地区春玉米全生育期和第一生长阶段均极显著缩短，第三生长阶段极显著延长。
（3）1952—2021年河西地区春玉米全生育期内AT极显著增加，春玉米第一生长阶段和第二生长阶段AT均呈显著增加趋势，但第三生长阶段AT呈不显著增加趋势。春玉米全生育期和第一生长阶段AD均呈极显著增加趋势，第二生长阶段AD呈显著增加趋势，第三生长阶段AD呈不显著增加趋势，不同生育期内AT和AD年际间起伏较大。
（4）1981—2021年河西地区春玉米产量呈极显著增加趋势，武威市每年的增产速率为126.01 kg/hm2，近20年春玉米产量受气候变化的影响更加显著。第一生长阶段和第二生长阶段内极端高温抑制果穗和茎秆的生长，但有利于百粒重和单产的增加；
第三生长阶段高温抑制果穗和茎秆的生长，同时对籽粒灌浆不利，使春玉米秃尖长度增加，但对产量影响不大；
全生育期内高温抑制果穗和茎秆的生长，但对产量增加有极显著的正效应。
春玉米第二生长阶段对高温非常敏感，因为高温对光合作用影响显著，所以该阶段的极端高温影响到春玉米光合作用，同时影响籽粒灌浆和干物质积累。然而本研究发现，第二生长阶段的高温风险小于第一生长阶段和第三生长阶段，这可能是第二生长阶段高温还未达到影响该地区春玉米产量的阈值，也可能是河西地区雨热同期且春玉米种植区大部分为灌溉农业区，极端高温引起的土壤水分蒸发和植株冠层温度升高通过降雨和灌溉被降低；
此外，河西地区的春玉米品种对第二生长阶段的长期高温具有一定的抗逆性，从而减轻了高温对春玉米生长的不利影响。