华北平原夏玉米不同生育阶段大风灾害危险性评估

[目的]大风灾害是制约社会经济发展的主要气象灾害之一,科学评估大风灾害危险性对夏玉米生产防灾减灾具有重要意义。[方法]基于夏玉米拔节后不同生育阶段最大风速和大风日数的时空分布特征,筛选并利用历史倒伏案例验证区域适用的夏玉米大风倒伏判别指标,运用风险区划方法,评估了华北平原夏玉米不同生育阶段的大风倒伏危险性。[结果](1) 1980—2019年以来,华北平原夏玉米拔节后最大风速和大风日数均呈显著的波动式下降趋势,空间上由东部向中西部逐渐递减。(2)夏玉米拔节后以轻度倒伏为主,区域平均的倒伏发生概率为44.5%,重度倒伏发生概率最小,为7.8%;拔节—抽雄阶段最易发生倒伏。(3)夏玉米拔节后大风倒伏概率总体呈逐渐降低趋势,但2011年以后局部地区拔节—抽雄期大风倒伏有极端加剧的趋势。(4)夏玉米大风灾害危险性分布整体上呈现由东向西逐渐递减的趋势,东部为高风险地区,中部大部分地区为中风险区,北部和西部部分地区为低风险地区。[结论]尽管近年来最大风速和大风日数均呈下降趋势,但华北平原局部地区夏玉米大风倒伏有加剧趋势,需要加强防灾减灾相关建设。     

气候变化背景下华北平原夏玉米各生育期水热时空变化特征

气候变化背景下,华北平原气候资源也发生了相应变化。研究作物生长季各生育期的水热时空变化特征,对适应气候变化技术与政策的制定有重要意义。本文基于华北平原49个气象站点的逐日气象数据和27个农业气象试验站的物候期数据,分析了1961—2010年在夏玉米营养生长期、并进期、生殖生长期和全生育期的生长度日(GDD)、高温度日(HDD)、降水量及气候倾向率的时空分布。结果显示,华北平原夏玉米各生育期GDD、HDD均呈东北-西南走向的递增趋势,降水量呈东南-西北递减趋势。华北平原夏玉米在全生育期GDD倾向率、HDD倾向率、降水量倾向率分别为8.14℃·d·10a-1、-2.45℃·d·10a-1、-10.75 mm·10a-1。华北北部GDD在营养生长期呈递减趋势,在并进期、生殖生长期以及全生育期呈递增趋势,而华北南部GDD变化趋势与之相反;HDD在各生育期均呈现北部递增,南部递减趋势。降水量在各生育期均表现为北部降低,南部增加趋势。因此,河北省北部、北京市和天津市等华北北部地区夏玉米生产高温风险与干旱风险呈增加趋势,而河南省大部、山东省南部等华北南部地区高温风险与干旱风险呈降低趋势。     

气候变化背景下华北平原夏玉米花期高温热害特征及适宜播期分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1981-2017年逐日地面观测资料,以日最高气温≥35℃持续3、4、5d,且相对湿度≤70%为一次轻、中、重度高温热害,从年代际尺度、年尺度、旬尺度分析37a来华北平原不同播期下夏玉米花期高温热害的时空变化特征;以开花期避开中度高温热害为标准,推算夏玉米花期规避高温的适宜播期。结果表明:6月上旬播种,夏玉米花期遭遇高温热害的频率最大,河南省南部的信阳、固始等地区遭遇高温热害频率超过20%;6月中旬播种,夏玉米花期遭受高温热害频率为9%～12%。2011年以来华北平原夏玉米花期高温热害加重,发生频率高于P1-P3时段(1981-2010年)。华北平原早熟玉米平均适宜播种期在6月15日-7月5日,中熟玉米平均适宜播种期在6月15-27日,晚熟玉米平均适宜播种期在6月15-20日。在各适宜播种期范围内,华北平原南部应适当晚播,北部则应适当早播。     

近50年来华北平原极端干旱事件的时空变化特征

根据华北平原35个气象站点1962-2011年的气象资料,利用线性倾向估计法、反距离加权插值法、Mann-Kendall突变检验等方法对华北平原年际、年代际极端干旱变化特征及影响其变化的气候因子进行了分析。研究结果表明,华北平原近50a来极端干旱发生频率以0.013 5次/a的速率下降,春、夏季与年极端干旱发生频率的变化趋势相一致,而秋、冬季则与其相反;研究区内,年极端干旱发生频率呈增加趋势的区域零星分布。1962-1969年和20世纪80年代,华北平原极端干旱发生频率为正距平,其他年代均为负距平;空间分布上,1962-1989年极端干旱的高发区逐年代扩大,20世纪90年代以来,极端干旱的高发区明显缩小,低发区显著扩大,2000年以后,低发区几乎覆盖了整个华北平原。近50a来,华北平原的年极端干旱频率在2003年发生突变,春、夏、秋、冬各季分别在1993,1998,1987和2002年发生突变;极端干旱发生频率与日照时数、平均风速、潜在蒸散量、平均气温呈正相关性,与降水量、相对湿度之间存在明显的负相关关系。     

华北平原夏玉米主要生育期对气候变化的响应

利用1981-2009年华北平原夏玉米生育期和气象观测资料,采用线性回归方法分析华北平原各地区夏玉米主要生育期对气候变化的响应规律。结果表明：（1）1981-2009年华北平原夏玉米生育期内最低气温和平均气温均呈显著升高趋势（P<0.05）,升温趋势随纬度递减。日照时数呈极显著下降趋势（P<0.01）。降水量变化趋势不显著;（2）京津冀地区和山东省夏玉米主要生育期有显著（P<0.05）延迟的响应趋势,而河南省夏玉米主要生育期则显著（P<0.05）提前;（3）华北平原夏玉米全生育期天数呈极显著增加（2.72d·10a-1,P<0.01）的响应趋势,京津冀地区生育期天数增加最快,为3.36d·10a-1;（4）夏玉米全生育期天数与同期平均气温在大部区域呈负相关关系,回归系数在-7.16～3.17;生殖生长期天数与同期平均气温在大部区域呈负相关关系,回归系数在-3.56～1.87。生育期内平均气温每上升1℃,全生育期和生殖生长期天数分别平均缩短2.71d和1.07d。因此,在应对气候变化时,华北平原夏玉米不同区域的响应方式存在显著差异,应根据各区域的响应特征安排适宜的播种期并选用合适的品种类型。     

华北平原夏玉米潜在产量时空演变及其对气候变化的响应

华北平原是我国的粮食主产区,为探讨气候变化可能对该地区粮食产量产生的影响,本文以中国科学院青藏高原研究所的中国区域地面气象要素数据集为基础,对作物生长模型WOFOST(WOrld FOod STudy)进行面域化,模拟华北平原1979—2015年夏玉米的生长情况;利用一元线性回归、经验正交分解(EOF)分析了华北平原夏玉米潜在产量的时空变化,利用逐个栅格相关性分析、奇异值分解(SVD)分析了华北平原不同区域夏玉米潜在产量与全生育期、吐丝前和吐丝后平均温度及日均太阳总辐射的相关性。结果表明,研究区夏玉米潜在产量大致呈现从南向北逐渐升高的特点,大部分地区夏玉米潜在产量为7 000~9 000 kg?hm~(-2);研究区西北部夏玉米潜在产量波动较大,波动较小的地区在北京南部、天津以及河北中部一带,标准差在500 kg?hm~(-2)以下;研究区西北部及河北唐山北部以及山东半岛东部夏玉米潜在产量呈上升趋势,这些地区的夏玉米潜在产量上升幅度大部分在200~600 kg?hm~(-2)?(10a)~(-1);研究区的其余大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,其中河北中南部、天津、鲁西北以及皖北的部分区域下降较明显,变化幅度在-250 kg?hm~(-2)?(10a)~(-1)左右。河北西部和东北部、北京西北部以及山东中部和东部等地区的夏玉米潜在产量与气温具有较显著的相关关系,相关系数在0.9以上,这些地区的夏玉米潜在产量在过去37年呈上升趋势,表明这些地区夏玉米潜在产量的增加可能是由气温上升导致的。北京东部和南部、天津、河北中南部及秦皇岛唐山南部、山东、河南东部、皖北和苏北等地区的夏玉米潜在产量与太阳总辐射具有较好的相关关系,相关系数在0.8左右,其中,吐丝后通过显著性检验的区域较吐丝前大,相关系数也较吐丝前大,该区域大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,可能是由该区域太阳总辐射下降导致的,且总辐射的下降主要对夏玉米的生殖生长阶段构成影响。总的来说,研究区夏玉米潜在产量上升的区域与温度的上升有关,温度的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子;研究区夏玉米潜在产量下降的区域与太阳总辐射的下降有关,太阳总辐射的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子。因此,气候变化背景下针对华北平原不同地区制定不同的合理应对措施显得尤为重要。     

1961-2015年黄淮海平原夏玉米干旱识别及时空特征分析

利用黄淮海平原内气象数据、农业气象数据、夏玉米实际灾情资料,参考标准化降水指数SPI的计算公式,结合实际干旱灾情数据构建夏玉米干旱指数SPI10和SPI30,并分析黄淮海平原夏玉米生长季干旱的时空分布特征。结果表明：播种-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10干旱阈值分别为-0.10和-0.35、月尺度SPI30干旱阈值分别为-0.60和-0.65,灾情验证结果显示时间尺度更小的SPI10在反映黄淮海平原夏玉米干旱特征方面效果更好。基于SPI10分析了黄淮海平原夏玉米干旱的时空分布特征,发现播种-抽雄期的平均干旱频率和干旱强度均明显高于抽雄-成熟期,并且干旱强度的时空分布特征均与干旱频率较为一致,一般表现为干旱频率越高的地区,累计干旱强度也越强;同时,75%的年份中播种-抽雄期的干旱范围大于抽雄-成熟期。综合以上结果,黄淮海平原夏玉米在营养生长阶段更容易受到水分缺失的影响,更易发生干旱胁迫。     

1961-2015年华北平原夏玉米生长季光热资源变化及其影响

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1961-2015年逐日地面观测资料,以≥10℃活动积温和太阳辐射分别为热量资源和光照资源指标,从年代际尺度和年际尺度分析夏玉米生长季光热资源线性趋势和空间分布变化特征,定量研究光热资源变化对夏玉米潜在产量的影响。结果表明：夏玉米生长季热量资源呈显著增加趋势,各积温等值线均发生明显北移现象;所有站点夏玉米生长季辐射资源均呈显著下降趋势。与1961-1980年相比,近15a（2011-2015年）研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温增加1.8%,太阳总辐射量减少16.2%。研究时段内夏玉米光温潜在产量呈显著下降趋势,平均变化率为-28.3kg·667m-2·10a-1 (P＜0.05),高值区面积随着时段变化不断减少,表明辐射资源减少对光温潜在产量的负作用大于热量资源增加带来的正作用。目前研究区夏玉米单产仅达到光温潜在产量的27.5%,仍有很大提升空间。未来研究还需综合考虑光、温、水、农艺措施等气候要素和社会要素的影响,为华北地区夏玉米生产布局和调整提供科学依据,以适应气候变化的影响。     

黄淮海地区夏玉米干旱风险评估与区划

黄淮海地区是我国最大的粮食产区和夏玉米的主产区,同时也是干旱灾害的频发区,因此加强黄淮海地区夏玉米干旱灾害风险评估与区划有着重要的现实和战略意义。利用黄淮海地区气象数据以及地形、土地利用类型等数据,基于自然灾害风险评估原理,运用信息扩散法、加权综合评价法和层次分析法,结合GIS技术对黄淮海地区夏玉米干旱灾害进行风险性评估与区划。结果表明:黄淮海地区夏玉米干旱危险性整体偏高,干旱频率均在64.36%以上,高危险性等级主要分布在河北省北部和安徽省北部;敏感性偏高,高敏感性等级占总面积的20.80%,集中分布于山东省沿海等地;易损性偏低,高、中易损性地区占总面积的22.4%,各省均有少量分布;干旱综合风险偏高,高、中综合风险地区占总面积的68.43%,整个黄淮海地区除安徽省东南部外其他地区风险性均较高。     

黑龙港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱时空分布特征

黑龙港流域地下水超采导致水分极度匮乏,提高降水利用效率成为该区夏玉米生产的关键。该文利用黑龙港流域18个地面气象观测站1966—2015年逐日气象数据,对玉米全生育期及各生育阶段的有效降水量、需水量、作物水分亏缺指数、干旱发生频率的时空分布特征等进行了分析。结果表明,夏玉米全生育期有效降水量292.89～361.56 mm,呈"东北高、西南低"的趋势;需水量362.82～444.04 mm,呈"南部高,北部低"的趋势;近50年总有效降水量和需水量均呈下降趋势,且需水量的变化与平均日照时数、平均风速呈高度正相关;全区干旱发生频率为48.30%,其中南部超33.3%,中部及北部超66.6%;黑龙港中部和北部在成粒和灌浆阶段出现干旱的几率较大,南部在成粒阶段出现干旱的几率较大。该研究为黑龙港夏玉米降水资源的高效利用提供了理论依据。     

京津冀平原地区一年两熟条件下农业干旱时空分析*

利用所定义的农业干旱指数和该区内１８个站点连续３０年的资料,分析了旱地农业干旱的区域差异和时间变化规律。根据所建立的指标分析,该区可分为不旱、轻旱、中等干旱和重旱４种年型和４不同的区域,即东北部沿海平原轻旱区、北部及东部沿海中等干旱区、中部及山前平原严重干旱区和黑龙港特旱区。农业干旱风险分析技术的应用则从管理的角度考虑,进一步分析农业生产遭受不同干旱的可能性以及在不同风险水平不会遭受何种程度的农业     

1961-2015年华北平原夏玉米生长季气候年型及其影响分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1961-2015年逐日地面观测资料,依据夏玉米生长季平均气温、太阳总辐射和降水量的异常度划分10个气候年型,分析气候年型及其潜在产量的空间分布和变化特征,定量研究气候变化对不同气候年型的影响。结果表明：近55a来华北平原夏玉米生长季少雨年型发生频次最多,平均为15.8次;多雨年型和寡照年型次之,暖湿年型和高温年型最少。河北中部和山东的中部地区容易出现少雨年型和多雨年型,暖干年型主要出现在华北平原北部地区,寡照年型空间差异性较小。20世纪90年代以来研究区正常年型和多雨年型发生的频率显著减少,暖年（暖干年型、暖湿年型和高温年型）和寡照年型显著增加（P<0.05）。降水和光照是限制华北平原夏玉米气候潜在产量的主要因子,与正常年型相比,降水偏少的年型（少雨年型、暖干年型和冷干年型）气候潜在产量减少超过15%,其中暖干年型对潜在产量影响最大;寡照年型下潜在产量减少了12.5%,且地区间存在显著差异。     

水氮优化条件下在华北平原冬小麦/夏玉米轮作中的化肥氮去向

针对华北平原冬小麦/夏玉米轮作区水肥高投入的特点,引入以土壤Nmin（NO₃- -N+NH₄+ -N）为基础的优化施氮技术和以土壤水分含量为基础的优化灌溉技术对施氮量和灌溉进行优化,大幅度降低了氮肥用量和灌溉量,且生物产量和籽粒产量均未发现显著降低。微区结果表明,传统灌溉方式下,传统施氮处理的化肥氮利用率很低,冬小麦当季为22.7%, 夏玉米当季25.7%,整个轮作周期为28.44 %; 氮损失率较高,冬小麦当季为52.9%, 夏玉米当季35.7%,整个轮作周期为47.0%; 而优化施氮可大幅度提高化肥氮利用率,降低损失,冬小麦当季、夏玉米当季和整个轮作周期的化肥氮利用率分别达到45.1%, 42.9%和46.1%, 损失率分别为33.3%, 7.1%和34.5%。优化灌溉下的优化施氮与传统灌溉的优化施氮相比,虽然化肥氮利用率未有显著差异, 但是却显著降低了损失,显著增加了化肥氮的土壤残留。同时对土壤氮素矿化的影响也显著不同,建议在化肥氮优化中应考虑水分管理。研究还表明, 在华北平原冬小麦/夏玉米轮作区,反硝化损失可能是化肥氮损失的主要途径。     

华北平原春玉米季土壤硝态氮动态及氮素矿化的特征

为进一步明确推荐施氮的优势所在,并为春玉米制定合理的施氮策略,本文在高肥力土壤条件下,通过设计不同氮肥管理模式.研究了春玉米季0—150 cm土体土壤NO_3~-—N动态和氮素矿化的特征。结果表明,经验施氮0—90 cm土层NO_3~-—N含量呈单峰曲线变化,峰值一般在400 kg/hm~2以上,90—150 cm土层则富积了大量的NO_3~-—N,潜在淋洗量很大。不施氮条件下,土壤表现出较强的净矿化势,并且净矿化速率和玉米生长速率有较好的协同性,二者同在大喇叭口至吐丝期达到最大值,但土壤供氮能力逐年下降。推荐施氮使得0—90 cm土层NO_3~-—N总体保持在100～200 kg/hm~2范围内,既确保作物的吸收又减少了氮素淋洗损失。研究表明,三年来推荐施氮共节省氮肥475 kg/hm~2,氮肥利用率提高了14%。     

增暖背景下华北平原极端降水事件时空变化特征

利用1961-2010年华北平原53个气象站的逐日降水资料,采用百分位值法定义极端降水事件的阈值,统计极端降水事件的降水量、频次和强度,重点分析华北平原近50 a极端降水事件时空变化特征.结果表明:(1)在气候暖化背景下,近50 a华北平原极端降水事件整体呈现下降趋势;(2)在空间格局上,极端总降水量、发生频率和强度空间格局具有一致性;(3)华北平原极端降水呈现下降趋势的区域主要分布于河北省及山东省东南沿海一带,而河南省大部呈上升趋势;(4)从时间上看各指标均呈波动变化,20世纪60年代表现出明显的减少趋势,且90年代中后期波动变化剧烈,并开始呈现上升趋势.除极端降水强度外,极端总降水量及频次均发生了突变,时间在1965年左右.     

华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素环境承受力分析

通过田间试验研究了华北地区冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素的环境承受力。结果表明,冬小麦和夏玉米达到最高产量时的施氮量分别是112和180.kg/hm2。氮肥利用率和农学利用率随施氮量的增加而降低,生理利用率表现出抛物线的趋势。在农户习惯施氮条件下,冬小麦和夏玉米的氮肥利用率分别是10%和6%,每千克氮肥分别增产2和3千克。灌水和集中降雨是引起土壤硝态氮明显下移的主要因素。氮素平衡计算的结果表明,低施氮量时,氮素盈余以残留Nmin为主,高量施氮则以表观损失为主。将收获后090.cm土壤中的硝态氮的量控制到150kg/hm2,可以在兼顾环境的前提下获得较高的产量;此时冬小麦季的施氮量是122.kg/hm2,产量(干物重)达到最高产量4331.kg/hm2;夏玉米季的施氮量是145.kg/hm2,产量(干物重)是7965.kg/hm2,达到最高产量的97%。