【目的】随人口增加、饮食结构变化和能源需求的增加,中国粮食安全问题日益严峻,在耕地资源有限的背景下,高产稳产仍是保证粮食安全的主要途径。华北平原是我国夏玉米主产区,明确气候变化背景下该区域夏玉米的适宜播期,对于稳定和提升该地区夏玉米单产,保障我国粮食安全具有重要意义。【方法】依据夏玉米生长季积温和降水将华北夏玉米区分为8个气候亚区,在每个气候亚区内基于1981—2015年气候资料、农业气象观测站夏玉米种植资料和土壤资料,对农业生产系统模型(APSIM-Maize)进行调参验证,选用决定系数(R~2)、D指标、均方根误差(RMSE)和归一化均方根误差(NRMSE)等指标来评价模型调参验证结果。在此基础上设置不同播期,利用调参验证后模型模拟各气候亚区不同播期夏玉米产量,采用高稳系数并综合考虑下茬作物冬小麦的播期,明确各气候亚区冬小麦-夏玉米两熟系统下充分灌溉和雨养条件夏玉米适宜播期,并分析与实际播期相比适宜播期下的夏玉米增产幅度。【结果】(1)模型适应性评价指标中决定系数(R~2)均在0.75以上,D指标均在0.80以上,归一化均方根误差(NRMSE)均在7%以下,表明调参后的APSIM-Maize模型在华北平原夏玉米生育期和产量模拟方面具有较好的模拟效果,可用于华北平原夏玉米生育期和产量模拟研究。(2)充分灌溉条件下,第一气候亚区夏玉米推荐适宜播期主要在6月下旬,第二气候亚区到第七气候亚区,主要在6月中下旬,第八气候亚区主要在6月中上旬。雨养条件下,第一气候亚区主要在6月下旬和7月上旬,第二、三A、四、五、六气候亚区主要在6月中下旬,第三B、七气候亚区适宜播期范围较广,6月均可播种,第八气候亚区在6月上中旬。(3)在充分灌溉和雨养条件下,与实际播期相比,适宜播期在各气候亚区的增产幅度为第一气候亚区到第五气候亚区增产幅度最大,平均在4%—10%;第六气候亚区到第七气候亚区次之,平均在2%—5%;第八气候亚区增产幅度最小,平均在3%以下。【结论】华北平原夏玉米适宜播期随着纬度的升高而提前。充分灌溉和雨养条件下,随着年代的推移,夏玉米适宜播期呈现推迟趋势,自20世纪80年代到21世纪00年代,每10年推迟3 d左右。第一和第二气候亚区雨养条件下的适宜播期晚于充分灌溉条件下适宜播期,其他气候亚区无显著差异。与实际播期相比,各气候亚区适宜播期下产量有2%—10%的提升,但雨养和充分灌溉条件下增产幅度没有明显差异,增产幅度由南到北呈现减小的趋势,第一到第五气候亚区,增产幅度较其他气候亚区大。

为探讨不同播期对不同熟性品种夏玉米生长发育及群体特性的影响,以纪元一号(早熟品种)、郑单958(中熟品种)及农大108(晚熟品种)为试验材料,于2008—2009年在中国农业大学上庄试验站设置3个播期的处理试验。结果表明:夏玉米的生育期随播期推迟而缩短,平均每推迟1d全生育期缩短0.2～0.6d;从早熟到晚熟品种夏玉米生育期缩短表现出加剧的趋势。随播期推迟,早熟与中熟品种的穗位比增大,茎粗降低,但播期对晚熟品种的穗位比与茎粗影响不显著。播种期推迟,夏玉米最大叶面积指数、地上部干物质重量、群体光合势(LAD)及籽粒产量均呈降低趋势,其中晚熟品种的籽粒产量降幅大于早熟品种。晚播与中播相比:农大10...

在中国科学院封丘试验站通过3年(2008-2010年)8个夏玉米品种在3个种植密度下的田间试验,研究了品种和种植密度对夏玉米产量及水分利用效率的影响,旨在探讨通过品种和密度优化组合进一步提高作物产量和水分利用效率的潜力。品种和密度对夏玉米产量产生了明显影响,并且存在着年际之间的巨大波动。产量最高和最低品种相差1 050～1 500 kg/hm2,不同品种对密度的反应有所差异,一般60 000～67 500株/hm2的种植密度产量高于75 000株/hm2的密度产量。玉米生长期间光照条件对产量产生了显著影响,2010年玉米生长期间日照时数为多年平均的56.6%,产量比光照条件好的2009年产量降...

为研究玉米品种氮利用效率相关性状的遗传参数,本试验选择20个具不同氮利用效率的单交种在华北平原的2个地点同期进行试验,氮肥处理设高氮(施氮,折合纯氮225 kg/hm2)和低氮(不施氮,其地块经过连续2年耕种使氮素耗竭)2个水平。试验结果表明,供试品种在低氮水平下的平均产量比高氮降低了22.6%,从8.45 t/hm2降低到6.45 t/hm2,穗粒数减少幅度较大为17.12%;而千粒重、出籽率、干物质含量、株穗率、籽粒含油率、籽粒蛋白质和淀粉含量在2个氮水平下的平均表现相近。2个试验点的联合方差分析表明,以上大部分籽粒性状的遗传方差在2个氮水平下均达到显著水平;所有性状的基因型×氮的互作方差...

利用华北平原具有1961—2020年完整时间序列逐日气象资料的55个常规气象站点及11个辐射观测站点的逐日地面观测资料,建立华北平原冬小麦-夏玉米生长季的太阳总辐射的经验公式,从年代际尺度和年际尺度分析冬小麦-夏玉米周年、生长季和关键生育期辐射资源(总辐射、直接辐射、散射辐射和光合有效辐射)的变化特征。结果表明:华北平原太阳总辐射值分布呈北高南低、东高西低,全年总辐射范围为4 519.26～5 488.30MJ/m~2;冬小麦生长季和夏玉米生长季太阳总辐射分别占全年的58.6%和41.4%;华北平原太阳总辐射呈显著下降趋势,1961—2020年研究区周年太阳总辐射平均减少了14.3%(708.24MJ/m~2),其中,河南东部以及河北西部地区下降幅度最大,气候倾向率达-210.67MJ/(m~2·10a);研究时段内冬小麦生长季和关键生育期太阳总辐射平均减少了10.0%和4.7%,与冬小麦相比,夏玉米生长季和关键生育期的太阳辐射下降幅度更大,分别减少了17.8%和17.7%;年代际尺度上,华北平原冬小麦-夏玉米周年、冬小麦生长季和夏玉米生长季太阳总辐射均呈现出递减的趋势,与1961—1980年相比,2001—2020年的冬小麦-夏玉米周年、冬小麦生长季和夏玉米生长季太阳总辐射分别减少了9.6%、7.7%和12.1%。综上,华北平原的直接辐射、光合有效辐射呈下降趋势,散射辐射呈上升趋势,本研究结果能够为华北平原辐射资源的合理利用以及制定适应气候变化的对策等提供科学依据。

通过改变陆—气界面的地表水热交换，农田管理变化是气候变化的重要反馈过程之一。华北平原玉米的播种期和有效积温发生了规律性变化，改变了叶面积指数(LAI)、地表反照率(α)、净辐射(R_n)、潜热(LH)和冠层温度(T_c)等，成为区域气候变化的重要反馈过程。论文利用SiBcrop模型模拟3种玉米情景(春玉米、夏玉米、潜在玉米)下的LAI、α、R_n、LH和T_c的季节动态。结果表明，春玉米具有早播种、早收获、早LAI峰值的特征；夏玉米具有晚播种、晚收获、晚LAI峰值的特征；潜在玉米具有早播种、晚收获、高LAI的特征。模拟情景之间LAI差异为±2.5 m~2·m~(-2);T_c差异为±0.5℃。地表反照率(α)和地表能量分配是决定情景之间T_c差异的决定因素，播种期推迟，以α升高的降温效应为主；有效积温增加，以LH分配增多的降温效应为主。春玉米具有最高的冠层温度，夏玉米和潜在玉米的冠层温度较低且差异很小。研究结果对于促进农田土地管理变化适应和缓解区域气候变化具有一定意义。

为探究和利用高固碳、低排放的农业管理措施，以华北平原夏玉米生产为研究对象，采用大田试验和生命周期评价方法，设置对照(CK)、低氮肥(LF)、适宜氮肥(SU)、减排(适宜氮肥+抑制剂，ER)以及高氮肥(HF)5种施氮处理，定量评估夏玉米生产全过程中的土壤排放温室气体增温潜势(GWP_(Soil))、农业投入增温潜势(GWP_(Indirect))、净初级生产力增温潜势(GWP_(NPP))、净综合增温潜势(Net GWP)和农田经济效益。结果表明：不同处理总排放增温潜势(GWP_(Soil)+GWP_(Indirect))为10 831.3～14 301.9 kg/hm~2(以CO_2当量计),由高到低依次为HF>SU>LF>ER>CK;HF的GWP_(Soil)及GWP_(Indirect)均为最高，较CK处理分别高10.9%和153.3%;GWP_(Soil)对总排放量的贡献较大(>70%),农业投入中肥料对GWP_(Indirect)的贡献最大，为54.1%～69.7%(CK除外),灌溉次之；华北平原夏玉米农田Net GWP为负值，是大气的碳汇，SU和ER处理Net GWP最大，绝对值分别较CK处理高18.1%和17.9%。综上，ER和SU处理净利润最高，属于高收益-高固碳种植管理模式，但ER与SU处理相比，ER的GWP_(Soil)降低了8.7%,更有利于温室气体减排，适合作为绿色农业发展模式在华北平原推广。

为明确华北平原主导作物冬小麦-夏玉米耗水量的变化趋势,为水资源配置提供科学依据,论文搜集文献资料,结合中国科学院禹城综合试验站长期观测数据,采用Mann-Kendall检验法分析了华北平原近50 a冬小麦和夏玉米的耗水量变化趋势,阐明其耗水特性和作物水分利用效率变化,最后通过对蒸发能力和气象要素的变化趋势分析明确了冬小麦-夏玉米耗水量变化的主导原因。研究表明:①近50 a华北平原主导作物冬小麦-夏玉米耗水量呈下降趋势,冬小麦耗水量从501.2 mm降低到456.3 mm,夏玉米耗水量大体变化在300～400 mm,平均为350 mm左右;②冬小麦和夏玉米水分利用效率大幅度提高,冬小麦水分利用效...

为准确估算夏玉米产量和净生产力,以华北平原典型夏玉米农田为对象,研究了CO2通量(Fc)与玉米光合特性及主要环境因素的关系。结果表明,Fc与群体光合速率(CAP)之间有明显的正相关关系,相关系数达0.910;从日累积量来看,Fc和CAP均在抽雄吐丝期达到最大;将单叶净光合速率(Pn)与叶面积指数(LAI)的乘积(Pn·LAI)和Fc进行曲线拟合,预测值与实测值的相关系数为0.790,达极显著水平;从主要环境因素对Fc的通径分析来看,水蒸汽分压对Fc的决定系数及其所占比重最大,其次是水汽浓度、Pn·LAI、光合有效辐射、CO2浓度,可见蒸腾作用对Fc的耦合效应十分显著。

农业碳足迹理论可以系统评价农业生产过程中人为因素引起的碳排放,是构建低碳农业的理论基础,对实现低碳农业具有重要的指导意义。为探明农业生产中的碳足迹,本文基于河北吴桥县农户生产调查数据,利用农业碳足迹理论及研究方法,评价了华北平原冬小麦-夏玉米两熟种植模式的碳足迹。结果表明:冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹的大小为1 737.37±337.02 kgCe/hm2.a,生产1 kg粮食的碳成本是0.12±0.03 kgCe,其中冬小麦的碳足迹是1 101.3l±251.91 kgCe/hm2.a,小麦的碳成本是0.16±0.04kgCe/kg,夏玉米的碳足迹是636.06±163.90 kgCe/hm...

基于未来气候变化情景(A1B)下区域气候模式(RegCM3)模拟的黄淮海地区1951-2100年0.25°×0.25°格点气象资料和1971-2000年逐日站点气象资料,结合夏玉米不同发育时段对温度、降水和日照的需求,在前人温度、降水和日照适宜度的基础上构建了黄淮海地区夏玉米全生育期气候适宜度模型,并对1951-2100年黄淮海地区夏玉米气候适宜度的时空变化特征做了分析。结果表明:1951-2100年黄淮海地区夏玉米气候适宜度总体呈下降趋势。2011年之前黄淮海大部地区夏玉米气候适宜度高于0.80,河北南部、河南中东部、山东西部等地出现小幅上升;2011-2040年夏玉米气候适宜度开始下降,大...

作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具，其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因，评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度，论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示，DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高，与观测值更为接近；CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高，可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量，模型当前的估测能力并不理想。总的来说，在默认设定下，2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律，但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。

生态系统呼吸在陆地生态系统碳循环中占有重要地位,是碳循环中仅次于生态系统总初级生产力的第二大通量组分。除温度和水分外,生物因子对生态系统呼吸也有着重要的影响。生物因子往往与温度、水分有着相似的季节变化,并且温度还对这些因子有重要的影响,这加深了探讨生物因子对生态系统呼吸影响的难度。复种农田生态系统中生物因子与气象因子季节变化的非同步性为探讨生物因素对生态系统呼吸时间变异的影响提供了有利条件。利用华北平原冬小麦-夏玉米复种农田LAI的季节动态与温度的季节动态存在非同步性这一天然试验条件,本研究通过该农田生态系统连续两年的涡度相关通量观测数据,分析了温度和生物因子对该农田生态系统呼吸季节及年际变化...

为评估AquaCrop模型在黑龙港流域模拟冬小麦-夏玉米水分利用与作物产量的适用性,根据田间试验数据和FAO提供的参数值,对AquaCrop模型进行模型非保守性参数的本地化校准和验证。结果表明,AquaCrop模拟冬小麦冠层覆盖值和实测值的归一化均方根误差(NRMSE)为15.90%,模拟产量与实测产量之间的NRMSE为4.23%;模拟夏玉米冠层覆盖值和产量值与相应实测值之间的NRMSE分别为11.59%和11.69%。本研究校准所得参数对黑龙港流域典型站点有较好的适应性,校验后的AquaCrop可以用于黑龙港流域冬小麦-夏玉米水分管理、产量潜力等相关研究。

播期调整是直接有效减缓气候变化对农业负面影响的重要措施，为了揭示播期变化对作物产量形成的影响机制，在华北北部的河北固城农业气象国家野外科学观测研究站，于2019—2021年设置早播10 d、晚播10 d、晚播20 d和正常播期4个播期，进行了夏玉米同一品种播期调整的大田试验，监测其生育期变化、植株干物质累积、叶片光合特性和籽粒灌浆特征，以及成熟期取样测定产量构成等要素。结果表明：夏玉米播期提前，苗期、穗期及全生育期延长，尤其有效灌浆持续日数随播期提前而延长，播期每提前10 d有效灌浆持续日数延长4.7 d,播期提前10 d平均灌浆速率比对照和晚播10,20 d的平均偏高4.04%,籽粒灌浆、累积增加，百粒质量提高5.459 g。夏玉米穗粒数、穗粒质量、百粒质量等主要产量构成要素在不同播期间存在显著差异，且随播期提前而递增，在6月8日—7月8日试验期理论产量随播期每提前10 d增产速率为1 395.4 kg/hm~2。夏玉米关键生育期平均叶片净光合速率(Pn)随播期每提前10 d提高0.764μmol/(m~2·s),播期提前10 d比对照和晚播10,20 d的平均Pn提高7.31%。光合速率提高使得干物质生产、积累及向籽粒转运量增加，穗粒质量、百粒质量分别比对照和晚播10,20 d的平均偏高24.01%,18.00%。播期提前，株高低，茎秆粗壮，抗倒伏，个体绿叶面积大，群体叶面积指数(LAI)高，叶片光合作用能力高，播期每提前10 d成熟期地上干物质分配率：籽粒质量递增率2.26%,植株营养器官—果穗籽粒间干物质的源—库分配关系改变，穗粒质量、百粒质量提高和籽粒增产。研究认为：华北地区冬小麦—夏玉米一年两熟区充分利用气候变暖增加的热量资源，合理调配茬口，夏玉米适期早播，延长生育期和籽粒灌浆时间，可有效提高单产。