气候变暖对东北三省春玉米严重低温冷害及种植布局的影响

以我国对气候变化较为敏感的东北三省为例,利用1961～2007年78个气象站的资料,结合玉米生长季温度距平冷害指标,分析了气候变暖对东北三省春玉米严重低温冷害及种植布局的影响.结果表明:(1)气候变暖背景下,从20世纪60年代到21世纪初,东北三省各地区春玉米严重冷害受害程度总体表现为减少趋势,但由于不同地方温度波动幅度较大,区域性的严重冷害发生频率也随之加大;就平均发生频率空间分布而言,1961～2007年严重冷害的平均发生频率表现为东北部高于西南部,最大值出现在黑龙江北部(38%),最低值在辽宁南部(4%).(2)气候变暖背景下,不同熟性玉米品种可种植界线明显北移东延,早熟品种逐渐被中、晚熟品种取代,中、晚熟品种可种植面积不断扩大.(3)随着不同熟性玉米品种种植区域北移东延,严重低温冷害出现频率明显增加,种植风险也在增大.     

高寒区大豆关键生育期低温冷害指标构建

构建高寒区大豆低温冷害指标对系统分析高寒区大豆适应气候变化对策、防灾减灾及其他胁迫的协同适应技术具有参考意义。本研究利用1980—2020年黑龙江省大豆低温冷害灾情史料、生育期资料及研究区78个气象站逐日气温资料,采用GIS技术匹配生育期与气象数据,考虑不同生育阶段积温距平、日平均气温低于生育下限温度的持续日数,构建高寒区大豆综合性冷害指数。利用K-S分布拟合检验及置信区间下限值确定阈值方法,构建高寒区大豆关键生育阶段低温冷害等级指标。结果表明: 大豆播种-出苗期,研究区大豆轻度、中度、重度冷害低温指数下限值分别为0.061、0.115、0.237;出苗-开花期分别为0.072、0.152、0.312;开花-成熟期分别为0.133、0.245、0.412。由低温指数反演的黑龙江省大豆低温冷害时间分布与历史灾情记载吻合度很高;空间上表现出较明显的纬度特征,冷害发生频率呈自南向北逐渐增加的趋势。     

烤烟低温冷害指数构建及其变化特征

使用1961-2009年云南烤烟种植区62个气象代表站的逐日平均气温和最低气温,基于低温指标和权重指数构建了烤烟低温冷害指数模型,采用线性趋势及M-K突变检测方法,分析了低温冷害指数的变化特征.结果表明:1961-2009年春、夏、秋烤烟低温冷害指数全省平均值逐年变化均呈减弱趋势,春季减弱最为显著,夏秋减弱趋势不及春季且不显著;春、夏烤烟低温冷害指数全省平均值在20世纪60年代和70年代最高,在2001-2009年最低,秋季则为60年代最高,70年代最低;各季节中低温冷害指数呈减弱趋势及变化显著的站点春、夏季最多,秋季最少;M-K检测表明,春季低温冷害指数全省逐年平均值变化趋势显著,并在1997年出现突变点,而夏季和秋初变化均不显著,春季全省发生显著突变的站点达30％,但夏秋季不到10％,各站点出现突变的时间以20世纪80年代及90年代末期为主.     

温度对玉米生长和产量的影响

为了明确气温变化对玉米生长发育和产量的影响,建立玉米低温冷害监测和气象评估模式,在东北地区中部的榆树市进行了玉米分期播种试验。试验采用3个品种,设置早、中、晚3个播种期,进行玉米生长发育进程、叶面积指数、生物量、产量和温度等观测。结果表明：玉米的生长速率与温度密切相关,平均气温每升高1 ℃,出苗速率提升17%,营养生长速率提升5%;积温每增加100 ℃·d,玉米最大叶面积指数增加10%,最大生物量和产量增加8%;玉米生长发育期(日平均气温稳定>10 ℃期间)间平均气温降低0.7 ℃,或活动积温减少100 ℃·d,玉米成熟期将延迟7 d,发生一般低温冷害,玉米单产减少8%;气温下降1 ℃,或积温减少140 ℃·d,生育期延迟10 d,发生严重低温冷害,减产10%以上;在水分条件比较适宜的前提条件下,气候变暖对东北地区玉米单产提高是有利的。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅳ.基于作物水分亏缺指数的玉米干旱时空特征

基于1959－2008年中国南方地区249个气象台站的地面观测资料,以作物水分亏缺指数为玉米干旱指标,计算其干旱频率和干旱站次比,分析中国南方地区春玉米和夏玉米各生育阶段发生干旱的时空分布特征.结果表明: 从干旱发生频率的空间分布看,春玉米在淮北、云南北部和华南南部发生的干旱较严重,在其他地区的干旱相对较轻;除了长江中下游地区、华南北部和西南东部的夏玉米在生育后期干旱较严重,研究区域内夏玉米在其生育前期和中期干旱较轻.从干旱面积和强度的变化趋势看,长江中下游地区春玉米在七叶到拔节阶段的干旱强度明显增加,在吐丝后到乳熟阶段的干旱面积和强度呈减小趋势;夏玉米在拔节后期到抽雄阶段以及吐丝后到乳熟阶段的干旱都呈减轻趋势.西南地区春玉米、夏玉米的干旱强度和范围没有明显趋势.从干旱面积和范围的年际和年代际变化看,长江中下游地区夏玉米的变化较大,而西南地区差异较小.     

基于分期播种的气候变化对东北地区玉米(Zea mays)生长发育和产量的影响

利用在东北地区中部开展玉米(Zea mays)分期播种试验资料,分析气候变化对玉米出苗速度、生长发育速度、灌浆过程、植株干物质积累和产量的影响,进而分析未来气候变化对东北地区玉米生产的影响及适应性对策.结果表明,气候变化对玉米生长发育和产量的影响十分明显,在水分基本适宜的条件下,东北地区气候变暖导致玉米生长季气温升高、积温增加,使玉米生长发育和灌浆速度加快,生物量增加,从而提高单产.但气候变暖的同时,气候变干会限制热量资源的利用,将缩短玉米灌浆时间,降低灌浆速率,使千粒重下降,从而造成明显减产,而且减产幅度明显大于温度升高的增产幅度.在水分条件基本得到满足的条件下,未来夏半年气候变暖对东北地区玉米生产是有利的,偏晚熟玉米品种比例可以适当扩大,东北玉米带可以向北部和东部扩展,单产和总产都会增加;但如果水分得不到满足,气候的暖干化趋势会使东北地区的中、西部玉米主产区的农业干旱变得更加严重且频繁,造成产量下降和不稳定,给玉米生产带来严重威胁,因而更应加强农业干旱的综合防御工作.     

气候变化背景下东北三省大豆干旱时空特征

利用1961—2010年东北三省大豆种植区71个气象站点地面气象观测资料,基于农业干旱指标作物水分亏缺指数(CWDI)及干旱等级,分析了气候变化背景下近50年来我国东北地区大豆干旱发生频率演变趋势及干旱程度演变特征,研究结果表明:东北三省大豆干旱频率空间差异较大,呈明显的西高东低的经向带状分布特征;大豆全生育期干旱频率以轻旱最高,中旱次之,重旱和特严重干旱频率最低;轻旱及以上干旱频率以播种到分枝阶段最高,分枝到开花阶段次之,开花到成熟阶段最低;作物水分亏缺指数年际变化趋势各地不同,总体而言以播种到分枝期干旱为主向开花到成熟期干旱转变的特点;大豆全生育干旱等级存在明显的年代际变化,20世纪80年代干旱范围最小、程度最轻,2000年以后重旱及中旱范围增加明显,干旱趋于严重。     

气候变暖背景下东南地区暴雨洪涝灾害风险变化

基于中国东南地区9省(区)1972—2013年的暴雨洪涝灾情资料,采用灰色关联法、正态信息扩散法,分别构建了基于受灾面积比重和成灾面积比重的暴雨洪涝灾害相对灾情指数及其风险估算模型,分析了气候变暖前(1972—1992年)、后(1993—2013年)东南地区暴雨洪涝灾害的风险变化。结果表明:东南地区暴雨洪涝灾害在20世纪80年代有较大范围的突变性增加,较东南地区变暖突变时段(1993年)有所提前;20世纪90年代,各省均先后出现了暴雨洪涝灾害相对灾情指数最大值;东南地区各省在变暖后大体上发生大灾和中灾的概率有所增加,出现小灾和微灾的概率有所变小,总体来看仍以中灾发生最为频繁,基本为不到2年一遇;除江苏外,东南地区其他省份变暖后大灾及以上级别暴雨洪涝灾害发生频率为变暖前的2~8倍,以广西增幅最大;在考虑了东南地区热带气旋带来的暴雨洪涝灾害影响后,变暖背景下各省的相对灾情风险指数除江苏减小7%外,其他均增大;增幅最大的是广西,达21%,变暖前后的高风险中心由原来的广东变为广西。     

东北地区单季稻温度适宜性及其变化特征

利用温度适宜度模型计算了1961—2015年东北地区单季稻各生育阶段温度适宜度,并对其平均值、变异系数及时空分布和变化特征进行了分析。结果表明:东北地区单季稻分蘖、孕穗和抽穗期温度适宜度高且变异系数小,而播种和出苗期则相反;根据各站点55年平均适宜度大小,将东北单季稻主产区划为适宜度高、中、低3个区,且适宜度高低在空间上存在较明显的南北差异,总体随纬度的增加而减小;1961—2015年单季稻各生育阶段温度适宜度均表现为先下降后上升、总体升高的趋势,播种-出苗、乳熟-成熟阶段升高趋势最为明显(尤其在20世纪90年代中期以后);根据东北地区各站点温度适宜度变化倾向率,将东北地区单季稻主产区分为适宜度强增长、次增长和弱增长区,强增长区主要位于温度低适宜区,未来东北地区单季稻温度适宜度的地域性差异将减小,种植环境将趋于平均和优化。     

气候变化对黑龙江省水稻障碍型冷害的影响

明确气候变化对黑龙江省水稻孕穗期和抽穗期障碍型冷害的影响,可为水稻安全生产提供科学依据。基于黑龙江省70个台站1971—2012年的气象资料和10个台站1980—2011年水稻生育期数据,结合水稻障碍型冷害指标,分析了气候变化对黑龙江省水稻障碍型冷害的影响。结果表明:(1)水稻孕穗期障碍型冷害1990s发生频率最低,2000s发生频率最高;抽穗期障碍型冷害1970s和1980s发生频率高,1990s和2000s发生频率低。(2)抽穗期障碍型冷害发生程度大于孕穗期障碍型冷害。(3)不同熟型水稻品种可种植北界逐渐北移东扩,极早熟、早熟和中熟品种可种植范围分别缩小了5、21和11个县(市),中晚熟和晚熟品种可种植范围分别扩大了14和23个县(市)。(4)随着水稻种植格局的变化,不同熟型水稻障碍型冷害均在1990s发生频率最低,2000s发生频率最高。     

中国东北主要植被类型的分布与气候的关系

本文根据吉良的热量指标和作者提出的湿度指数,研究了我国东北主要植被类型的分布与气候之间的关系：1．确定了东北地区10个水平地带性植被类型的热量分布范围和水热指标的平均值。2．研究了东北山地垂直地带性植被类型的水热指标分布特点,并用定量指标讨论了东北东部山地岳桦林带的分布、大兴安岭存在山地冻原和东北植被区域的分界线问题。     

东北三省水稻生长季农业气候资源及障碍型冷害的时空特征

基于东北三省1981—2017年逐日地面观测资料和农业气象观测站水稻生育期资料,结合水稻障碍型冷害指标,分析东北三省水稻生长季特别是孕穗-开花期光、温、降水资源以及障碍型冷害的时空分布特征。结果表明: 1981—2017年,东北三省水稻生长季农业气候资源呈暖干变暗趋势,≥10 ℃活动积温和日照时数增幅分别为73.5 ℃·d·(10 a)^-1和17.7 h·(10 a)^-1,降水量减幅为8.9 mm·(10 a)^-1。水稻孕穗期,农业气候资源呈暖干变暗趋势,日平均温度升幅为0.27 ℃·(10 a)^-1,日照时数和降水量降幅分别为2.06 h·(10 a)^-1和1.90 mm·(10 a)^-1;水稻开花期,农业气候资源呈暖湿变暗趋势,日平均温度增幅为0.12 ℃·(10 a)^-1,日照时数减幅为0.83 h·(10 a)^-1,与孕穗期相反,水稻开花期降水量呈增加趋势,增幅为1.35 mm·(10 a)^-1。气候变暖背景下,水稻障碍型冷害发生频率和强度在大部分地区呈减少趋势,发生频率和强度存在显著的年代际变化特征。研究期间,黑龙江省孕穗开花期发生障碍型冷害次数最多,强度最高,吉林省次之,辽宁省最少。     

甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估

运用甘肃省天水、西峰农业气象试验站1981—2008年玉米观测资料及两地相应时段的气象资料,利用FAOPenman-Monteith公式及作物系数对玉米各生育阶段的需水量进行估算,建立了玉米水分适宜度计算模型,对1981—2008年玉米全生育期及各生育阶段的水分适宜度进行了计算,分析了玉米产量与水分适宜度的相关性。结果表明,甘肃省黄土高原种植玉米的水分条件比较优越,年平均水分适宜度均在0.50以上。陇西黄土高原(天水)与陇东黄土高原(西峰)水分适宜度相关程度较好,变化趋势比较一致。1995年是水分适宜度的转折年份,1981—1995年陇西黄土高原水分适宜度以0.12/10a的趋势降低,陇东黄土高原以0.11/10a的趋势下降;1995—2008年陇西黄土高原水分适宜度以0.18/10a的趋势升高,陇东黄土高原以0.06/10a的趋势上升。水分适宜程度以成熟期较好,降水量可满足玉米需水的70%以上,旺盛生长阶段水分适宜程度较差,降水量只能满足玉米生理需水的49%—55%,初始生长阶段耗水较少,大气降水对需水的满足程度在50%以上。出苗期—七叶期、拔节期—抽雄期、抽雄期—乳熟期、乳熟期—成熟期的水分适宜度呈20世纪80年代较高,90年代较低,21世纪初较高的趋势变化;七叶期—拔节期水分适宜度从20世纪80年代到21世纪初持续降低。陇东黄土高原各个生长阶段的水分适宜度比陇西黄土高原偏高约0.1。除成熟生长阶段外,陇西黄土高原的需水量均大于陇东黄土高原。水分适宜度与玉米产量相关性最显著的时期为七叶期—拔节期,其次为拔节期—抽雄期,出苗期—七叶期、抽雄期—乳熟期及乳熟期—成熟期的水分适宜度与玉米产量相关性不显著。利用建立的水分适宜度模型可对甘肃省黄土高原旱作玉米的水分适宜性进行评价,为当地玉米种植区划及科学管理提供依据。     

基于MODIS-EVI数据和Symlet11小波识别东北地区水稻主要物候期

作物物候信号能够反映温度和降水等变化对植被生长的影响,是进行农作物动态分析和田间管理的重要依据。基于2008年EOS-MODIS多时相卫星遥感数据,研究了我国东北地区水稻的主要物候期的识别方法。首先提取研究区24个农业气象观测站所在位置的MODIS-EVI(Enhanced Vegetation Index,增强型植被指数)指数的时间序列;同时利用小波滤波消除时间序列上的噪音,小波滤波选用函数包含Daubechies(7-20),Coiflet(3-5)和Symlet(7-15)共26种类型。然后根据水稻移栽期、抽穗期和成熟期在EVI时间序列上的表现特征来识别水稻主要物候期。最后与东北地区24个站点水稻物候观测资料对比并分析误差。结果表明,Symlet11小波滤波的效果最好,其移栽期识别结果的误差绝大部分在±16 d,抽穗期和成熟期识别结果的误差在±8 d。表明通过此方法可以较好地识别东北水稻主要物候期,并可进一步应用到整个东北地区水稻的物候空间分布和时间变化特征研究上。     

玉米叶面积指数动态模拟的最适野外观测资料

基于锦州农田生态系统野外观测站2005-2011年多个品种的玉米大田试验资料,结合已经建立的玉米叶面积指数动态普适模型,探讨了准确模拟玉米叶面积指数动态所需的最适野外观测资料.结果表明: 准确模拟玉米叶面积指数动态至少需要3年的野外观测数据,且每年在生育期内至少需要进行4次观测.玉米生育期内的理想观测应为在出苗后20 d左右进行第1次观测,此后每月观测1次.
     

中国北方主产地苹果冷热积累变化及其对始花期的影响

开展气候变化背景下苹果冷热积累变化及其对始花期的影响研究,对指导苹果种植及生产具有重要意义。本研究选取山东福山、山西万荣、甘肃西峰和新疆阿克苏代表中国北方苹果主产地,利用1996—2018年红富士苹果的始花期观测资料和逐时气温数据,采用动态模型、生长度小时模型分别计算逐日冷积累量(CP)和热积累量(GDH),并利用偏最小二乘回归法,对逐日冷、热积累量和各地苹果始花期进行相关分析,以明确各地苹果冷、热积累起止日期和积累量,以及冷、热积累期内温度变化对始花期的影响规律。结果表明: 我国北方主产地苹果冷积累时段集中于10月1日前后至2月中下旬或3月中旬,积累量为74.1～89.3 CP;热积累时段集中于1月下旬前后至始花期,积累量为4010～5770 GDH。西峰和阿克苏冷积累期内平均气温每升高1 ℃,冷积累量将分别增加3.8和5.0 CP;各地热积累期内平均气温每升高1 ℃,热积累量将增加725～967 GDH。与冷积累期内温度变化的影响效应相比,热积累期内温度变化主控我国北方主产地苹果始花期,且气候变暖总体有利于冷积累期内平均气温较低地区的苹果开花和生产。     

Dissecting the nonlinear response of maize yield to high temperature stress with model‐data integration

Evidence suggests that global maize yield declines with a warming climate, particularly with extreme heat events. However, the degree to which important maize processes such as biomass growth rate, growing season length (GSL) and grain formation are impacted by an increase in temperature is uncertain. Such knowledge is necessary to understand yield responses and develop crop adaptation strategies under warmer climate. Here crop models, satellite observations, survey, and field data were integrated to investigate how high temperature stress influences maize yield in the U.S. Midwest. We showed that both observational evidence and crop model ensemble mean (MEM) suggests the nonlinear sensitivity in yield was driven by the intensified sensitivity of harvest index (HI), but MEM underestimated the warming effects through HI and overstated the effects through GSL. Further analysis showed that the intensified sensitivity in HI mainly results from a greater sensitivity of yield to high temperature stress during the grain filling period, which explained more than half of the yield reduction. When warming effects were decomposed into direct heat stress and indirect water stress (WS), observational data suggest that yield is more reduced by direct heat stress (?4.6 ± 1.0%/°C) than by WS (?1.7 ± 0.65%/°C), whereas MEM gives opposite results. This discrepancy implies that yield reduction by heat stress is underestimated, whereas the yield benefit of increasing atmospheric CO₂ might be overestimated in crop models, because elevated CO₂ brings yield benefit through water conservation effect but produces limited benefit over heat stress. Our analysis through integrating data and crop models suggests that future adaptation strategies should be targeted at the heat stress during grain formation and changes in agricultural management need to be better accounted for to adequately estimate the effects of heat stress.     

Maize potential yields and yield gaps in the changing climate of northeast China

Northeast China (NEC) is not only one of the major agricultural production areas in China, but it is also the most susceptible to climate variability. This led us to investigate the impact of climate change on maize potential yield and yield gaps in this region, where maize accounts for about 30% of the nation's production. The APSIM‐Maize model was calibrated and validated for maize phenology and yields. The validated model was then used to estimate potential yields, rain‐fed potential yields, and yield gaps for assessing the climate impacts on maize productivity in NEC. During maize growing seasons from 1981 to 2010, the analysis indicates a warming trend all across NEC, whereas the trends in solar radiation and total precipitation tended to decrease. When the same hybrid was specified in APSIM for all years, a simulated increase of maximum temperature resulted in a negative impact on both potential yield and rain‐fed potential yield. A simulated increase in minimum temperature produced no significant changes in potential or rain‐fed potential yield. However, the increase of minimum temperature was shown to result in a positive impact on the on‐farm yield, consistent with our finding that farmers adopted longer season hybrids for which the increase in minimum temperature provided better conditions for germination, emergence, and grain filling during night time. The gap between potential and rain‐fed potential yields was shown to be larger at locations with lower seasonal precipitation (<500 mm). Our results indicate that regions with the largest yield gaps between rain‐fed potential and on‐farm yields were located in the southeast of NEC. Within NEC, on‐farm maize yields were, on average, only 51% of the potential yields, indicating a large exploitable yield gap, which provides an opportunity to significantly increase production by effective irrigation, fertilization, herbicide, and planting density in NEC.     

Structural complexity and land‐surface energy exchange along a gradient from arctic tundra to boreal forest

Question: Current climate changes in the Alaskan Arctic, which are characterized by increases in temperature and length of growing season, could alter vegetation structure, especially through increases in shrub cover or the movement of treeline. These changes in vegetation structure have consequences for the climate system. What is the relationship between structural complexity and partitioning of surface energy along a gradient from tundra through shrub tundra to closed canopy forest? Location: Arctic tundra‐boreal forest transition in the Alaskan Arctic. Methods: Along this gradient of increasing canopy complexity, we measured key vegetation characteristics, including community composition, biomass, cover, height, leaf area index and stem area index. We relate these vegetation characteristics to albedo and the partitioning of net radiation into ground, latent, and sensible heating fluxes. Results: Canopy complexity increased along the sequence from tundra to forest due to the addition of new plant functional types. This led to non‐linear changes in biomass, cover, and height in the understory. The increased canopy complexity resulted in reduced ground heat fluxes, relatively conserved latent heat fluxes and increased sensible heat fluxes. The localized warming associated with increased sensible heating over more complex canopies may amplify regional warming, causing further vegetation change in the Alaskan Arctic.