引言

黄淮海地区是我国重要粮食生产基地，也是夏玉米最大集中产地，夏玉米关键生长阶段正值炎热多雨季节，农业气候资源较为丰富^[1]。在全球气候变化背景下，近几十年我国呈现出区域性显著气候变暖以及极端降水和北方干旱多发等特征^[2-3]，对农业气候资源及粮食生产产生了不同的利弊影响^[4-5]。其中，黄淮海地区是受气候变化影响较为明显的区域之一^[6-9]。近几十年，由于热量资源增加和作物适宜生长期延长，部分作物的适宜种植区域有扩大趋势；由水分条件来看，黄淮海地区夏季降水受多因素影响，发生明显年代际变化，近些年部分地区降水出现阶段性异常变化，使作物生长季阶段性干旱有增加趋势，对作物生长有不利影响。

近几十年黄淮海地区夏玉米呈现出生长季延长、积温增多、光照减少、降水变异大等特征^[10-12]，并且伴随着农业气候资源的变化，夏玉米气候适宜度也呈现不同变化特征。已有研究表明，夏玉米全生育期区域平均气温适宜度基本持平，降水适宜度波动较大、规律不明显，日照适宜度呈明显下降趋势，其中幼苗和灌浆期气候适宜度下降趋势相对明显^[13-14]。针对黄淮海西部的研究表明，1981—2011年夏玉米生育期光热资源较适宜，能满足玉米生长所需，降水是影响夏玉米产量形成的主要限制因子，且降水适宜度年际变化幅度大于日照和温度；综合气候适宜度年际波动以抽雄—乳熟期最大、稳定性较差，出苗—抽雄期相对较小、稳定性较好^[15]。

气候适宜度不仅限于夏玉米农业气象条件的定量评价，还可用于发育期预报等。有研究利用气候适宜度定量化夏玉米发育进程，建立了夏玉米发育期预报模型，将气候适宜度应用到生育期预报中，拓展了作物发育期预报的方法^[16]。但以往学者们的研究缺少近几十年夏玉米气候适宜度与夏玉米农业气象灾害的关联性研究，气候适宜度趋势演变特征分析尚不够系统，在光温水适宜度模型生理指标和农业气象指标的系统性和精细化方面仍需要进一步改进和完善，同时多数研究也存在研究区域范围较小和观测站点数量偏少等局限。尽管已有研究将研究区域拓展到全国产区并进行了区域的适宜性定量化评价和时空分析^[17]，但针对年代趋势变化仅局限于较少典型站点，而缺少使用全部观测站点的整体趋势演变分析。

伴随全球气候变化，未来几十年全球升温趋势仍然明显^[18-20]，我国农业气候特征尤其是黄淮海地区生长季和农业气候资源仍将发生改变，对夏玉米生长发育和产量形成等将会产生一定影响^[21-22]。研究表明，2031—2090年黄淮海地区北部呈显著变暖趋势，而年降水量和年辐射量变化不明显，冬小麦有生育期缩短、成熟腾茬提早的趋势，夏玉米则有提早播种及生长季延长的趋势^[23]。利用典型站点所做研究表明，1951—2100年黄淮海地区夏玉米气候适宜度总体呈下降趋势，其中2071—2100年更为明显，夏玉米拔节至抽雄期、抽雄至成熟期降水和温度适宜度的急剧下降较明显^[17]。以往学者们关于未来气候变化对黄淮海地区夏玉米不同生长发育阶段气候适宜度变化趋势与演变特征等研究尚不够系统和深入，尤其缺少基于未来夏玉米气候适宜度的不同年份、不同生长阶段的干旱、渍涝灾害、连阴雨寡照、高温热害等农业气象灾害发生风险的分析预估。本文采用黄淮海地区历史气象资料、夏玉米生育期历史观测资料、区域气候模式(Regional Climate Model Version 3, RegCM3)输出的未来A1情景数据，分析2022—2100年黄淮海地区夏玉米生长季气候资源要素变化特征、不同年代和不同生育阶段气候适宜度的变化特征及农业气象灾害发生风险，可为黄淮海地区农业气候资源利用、防灾减灾、夏玉米生产管理及未来应对气候变化提供科学依据。

1 资料与方法 1.1 研究区域和数据来源

黄淮海地区主要包括山东、河南、河北中南部、北京长城以南地区、天津、江苏和安徽两省淮河以北地区(111°10′~122°43′E，32°30′~40°30′N)。

黄淮海地区1981—2021年56个农业气象观测站夏玉米生育期观测资料来自国家气象中心，1981—2021年黄淮海地区84个气象站点逐日气象观测资料来自国家气象信息中心，包括逐日温度、降水量、平均风速、平均相对湿度、辐射等资料。2022—2100年黄淮海地区897个格点(0.25°× 0.25°)逐日气象资料采用国家气候中心提供的中尺度区域气候模式RegCM3在未来气候情景(Intergovernmental Panel on Climate Change Special Report on Emissions Scenarios A1B, IPCC SRES A1B)下的输出结果，包括逐日平均气温、最高和最低气温、降水量、辐射等格点资料，并已根据1981—2010年黄淮海地区84个气象站点逐日气象观测资料、1981—2010年黄淮海地区897个格点模式输出逐日气象资料利用双线性插值方法等完成了897个格点插值及误差订正^[24]。

1.2 方法 1.2.1 夏玉米生育期的确定

假定未来(2022—2100年)气候变化情况下黄淮海夏玉米生育期不发生变化，仍然保持2011—2020年的平均状况，以黄淮海地区56个农业气象观测站2011—2020年夏玉米生育期观测资料平均值作为其2022—2100年夏玉米生育期数据，以此为基准，通过空间插值方法^[25-26]计算得到897个格点的2022—2100年平均夏玉米生育期格点数据。

1.2.2 气候适宜度计算方法

夏玉米光、温、水要素适宜度以及气候适宜度，是表征夏玉米生长发育阶段过程或全生育期光、温、水条件以及综合气候条件对夏玉米生长发育适宜性程度的定量化指标，包括温度适宜度、水分适宜度、光照适宜度及气候适宜度，数值范围为0~100，数值越大表明适宜程度越高，数值越小表明适宜程度越低。本文计算了黄淮海地区897个格点的2022—2100年各个生育期的各适宜度数值。夏玉米全生育期温度、水分、光照、气候适宜度均由各生育期数值平均获得；本文中黄淮海地区温度、水分、光照、气候适宜度均指黄淮海地区区域平均值，由897个格点的数值平均获得。

1.2.2.1 温度适宜度模型

温度对夏玉米等作物生长发育适宜程度可用函数表示，夏玉米温度适宜度为公式(1)^[27-28]：

$ S_{t_i}=\frac{\left(t_i-t_{\min }\right) \times\left(t_{\max }-t_i\right)^B}{\left(t_0-t_{\min }\right) \times\left(t_{\max }-t_0\right)^B} \times 100, $

(1)

其中：B=(t_max-t₀)/(t₀-t_min)；S_ti为夏玉米某一生育期温度适宜度；t_i为该生育期日平均气温的平均值，单位：℃；t_min、t_max、t₀分别为该生育期所需的日最低温度、最高温度和最适温度，单位：℃。各生育期取值依据已有的研究结果^[17]。

1.2.2.2 水分适宜度模型

水分对夏玉米等作物生长发育适宜程度可用函数表示，见公式(2)：

$ S_{R_i}= \begin{cases}100, & R_0 \leqslant R_i \leqslant 150 \% R_0 \\ \left(R_i / R_0\right) \times 100, & R_i <R_0 \\ \left(R_0 / R_i\right) \times 100, & R_i>150 \% R_0\end{cases}。$

(2)

公式(2)中：S_Ri为夏玉米某一生育期水分适宜度，以降水量作为判定夏玉米该生育期水分适宜程度的指标；R_i为该生育期累计降水量，单位：mm；R₀为该生育期生理需水量，单位：mm，根据联合国粮食及农业组织给出的作物系数，运用实时气象资料根据彭曼公式计算而得^[29]。当R₀≤R_i≤150%R₀时，认为水分可被夏玉米基本全部吸收利用或完全被土壤储存，水分适宜度为100；当R_i < R₀时，水分适宜度小于100，并随着R_i偏低幅度越大，土壤缺墒程度越重，水分适宜程度越低；R_i＞150%R₀时，土壤状态为渍涝^[30-31]，水分适宜度小于100，并随着R_i偏高幅度越大，土壤渍涝的程度越重，水分适宜程度也越低。

1.2.2.3 光照适宜度模型

光照对夏玉米生长发育的适宜程度可用函数表示，见公式(3)：

$ S_{S_i}= \begin{cases}100, & S_i \geqslant S_0 \\ \left(S_i / S_0\right) \times 100, & S_i <S_0\end{cases} $

(3)

公式(3)中：S_Si是夏玉米某一生育期光照适宜度；S_i为夏玉米该生育期平均辐射值，单位：(MJ ·m^-2) ·d^-1[32]；S₀为该生育期适宜辐射值，单位：(MJ ·m^-2) ·d^-1，即夏玉米达到适宜状态的该生育期平均辐射值。假定2022—2100年夏玉米各生育期所需的辐射值不发生变化，仍然保持1991—2020年(30 a)期间的平均状况，各生育期适宜辐射值S₀可用30 a气候平均值代替，即以未来气候情景(IPCC SRES A1B)下黄淮海地区2022—2100年897个格点与气象站点经纬度有交叉重合的气象观测站点各生育期30 a辐射值平均值为基准，通过插值获取黄淮海地区897个格点夏玉米各生育期适宜辐射值S₀^[25-26]。

1.2.2.4 气候适宜度模型

为反映光温水气象要素对夏玉米生长发育适宜程度的综合影响，夏玉米某一生育期或全生育期的综合气候适宜度可用下式计算：

$ S_{C_i}=a S_{t_i}+b S_{R_i}+c S_{S_i}。$

(4)

公式(4)中：S_Ci为某一生育期或全生育期的综合气候适宜度(以下简称“气候适宜度”)；S_ti、S_Ri、S_Si分别为该生育期或全生育期的温度、水分、光照适宜度；a、b、c分别为温度、水分、光照适宜度的权重系数。鉴于黄淮海夏玉米产区农业气候资源特征，水分是夏玉米产量形成的关键影响因子和限制因子^[15]，结合农业生产实际，水分适宜度的权重系数b取值0.4，温度和光照两个要素适宜度权重系数a、c均取值0.3。

1.2.2.5 气候适宜度灾害指数模型

基于夏玉米某一生育期或全生育期的温度、水分、光照适宜度及气候适宜度，计算气候适宜度灾害指数，以此判定未来夏玉米农业气象灾害发生风险。基于温度、水分、光照以及气候适宜度的灾害指数可分别用公式(5)、(6)、(7)、(8)计算。

$ I_{t_i}=\frac{S_{t_i}-\overline{S_{t_i}}}{\overline{S_{t_i}}}, $

(5)

$I_{R_i}=\frac{S_{R_i}-\overline{S_{R_i}}}{\overline{S_{R_i}}}, $

(6)

$ I_{S_i}=\frac{S_{S_i}-\overline{S_{S_i}}}{\overline{S_{S_i}}}, $

(7)

$ I_{C_i}=\frac{S_{C_i}-\overline{S_{C_i}}}{\overline{S_{C_i}}} 。$

(8)

式中：S_ti、S_Ri、S_Si、S_Ci分别为某一生育期或全生育期的温度、水分、光照适宜度及气候适宜度；$ \overline{S_{t_i}}$、$\overline{S_{R_i}}、\overline{S_{S_i}}、\overline{S_{C_i}} $分别为某一生育期或全生育期的温度、水分、光照适宜度及气候适宜度1991—2020年平均值；I_ti、I_Ri、I_Si、I_Ci分别为某一生育期或全生育期的基于温度、水分、光照适宜度及气候适宜度的灾害指数，分别简称为温度、水分、光照、气候适宜度灾害指数，数值范围为-1~1，数值越高灾害风险越低，数值越低灾害风险越高。本文将数值在-1~0确定为较高到高风险等级，把2022—2100年灾害指数数值按照从高到低排序，数值最低的5 a均确定为最高风险等级。

2 结果与分析 2.1 温度适宜度及高温热害风险

以积温t≥10 ℃为指标分析夏玉米生长季热量资源变化，结果表明2022—2100年黄淮海地区夏玉米生长季热量资源呈现出显著的平稳增加趋势，积温t≥10 ℃区域平均值从21世纪20年代的3 100 ℃ ·d波动上升至21世纪末的3 500 ℃ ·d，其中最大值将达3 722 ℃ ·d(2087年)，比最低值2 950 ℃ ·d(2021年)增加了772 ℃ ·d，表明未来黄淮海地区夏玉米生长季气候呈明显变暖趋势，热量资源将更加充裕或过剩，热量过剩会导致夏玉米生长发育遭受高温热害的风险增加。

以夏玉米温度适宜度为指标分析夏玉米生长季温度条件适宜性时间变化趋势，结果表明2022—2100年黄淮海地区区域平均夏玉米全生育期温度适宜度总体呈稳定的明显波动下降趋势(图 1a)，同时也具有一定阶段性变化特点，其中2031—2040年有较明显波动上升阶段，其后70 a的时间尺度内多呈平稳下降趋势。2025—2040年、2050—2070年、2075—2100年期间波动相对偏大，而2022—2024年、2071—2074年期间波动较小，2045—2049年最小；决定系数R²相对较高，也反映了全生育期温度适宜度年际差异相对较小(图 1a)。温度适宜度总体呈波动下降趋势，说明未来气候明显变暖对夏玉米的生长总体是不利的。对于不同生育期而言，虽然均呈下降趋势，但在下降幅度上存在差异。抽雄吐丝期和灌浆乳熟期等夏玉米生长关键期温度适宜度波动下降趋势明显、变幅相对较大(图 1b、c)，其中抽雄吐丝期最明显；其次为拔节期和成熟期，播种出苗期(图 1d)、三叶至七叶期下降趋势相对较平缓，变幅相对较小，说明未来气候明显变暖对夏玉米抽雄吐丝期和灌浆乳熟期的不利影响相对于其他生育期更明显。

由各生育期温度适宜度各年代平均值(表 1)来看，结合温度适宜度灾害指数，2020年代温度条件对玉米生长发育的适宜度最好，2071—2100年相对于前50 a明显偏差，其中2080年代、2090年代最差。2080年代和2090年代遭受高温热害的风险最高，2020年代风险最低，2080年代抽雄吐丝期和灌浆乳熟期温度适宜度灾害指数分别为-0.06、-0.04，2090年代均为-0.05，2020年代分别为0.03、0.04，说明2020年代发生高温热害风险很低，但随着未来温度的上升，超过了夏玉米生长所需适宜的温度指标，热量资源是过剩的、负面的，因此未来热量资源的增加对夏玉米生长总体不利，尤其是夏玉米开花灌浆阶段出现持续日最高气温超过35 ℃高温频率明显增大，更容易遭受高温热害影响，导致授粉结实率下降、灌浆期缩短等，从而影响产量形成。由2022—2100年温度适宜度平均值及其灾害指数平均值来看，不同生育期之间温度适宜度存在一定差异。其中，成熟期平均值达到95.9，温度适宜度灾害指数平均值也相对最高，达到0.03，温度条件为各生育期中最好；播种出苗期、三叶至七叶期次之；拔节期、抽雄吐丝期、灌浆乳熟期等玉米生长发育关键阶段温度适宜度相对偏低，抽雄吐丝期是所有生育期中最低的，温度适宜度灾害指数平均值也最低，说明未来热量资源增加情况下夏玉米抽雄吐丝期遭受高温热害的风险增大，影响夏玉米产量形成。

由温度适宜度和温度适宜度灾害指数年代极端值来看，在2050年代之前，全生育期温度适宜度普遍偏好、灾害风险普遍偏低；全生育期温度适宜度最差、灾害风险最高的5 a依次出现在2087年、2080年、2093年、2098年、2081年，温度适宜度灾害指数为-0.06~-0.04，说明全生育期平均来看2080—2098年遭受高温热害的风险高。由不同生育期来看，拔节期2087年、2080年温度适宜度灾害指数分别为-0.11、-0.09，抽雄吐丝期2080年、2093年、2059年、2068年、2083年、2087年灾害指数为-0.14~-0.09(图 2)，灌浆至乳熟期2081年、2091年、2093年、2098年灾害指数为-0.10~-0.08，说明2080—2098年夏玉米拔节、抽雄吐丝、灌浆至乳熟期遭受高温热害风险高，上述各生育期内持续出现日最高气温超过35 ℃高温的可能性极大，对产量形成带来一定不利影响。

2.2 水分适宜度及旱涝风险

采用区域气候模式输出的2022—2100年897个格点降水数据对黄淮海地区夏玉米生长季水分资源进行分析，发现夏玉米生长季区域平均降水量阶段性变化明显，总体为微弱的上升趋势。其中2022—2031年，降水变化震荡突出，存在快速上升又快速下降的特点，该时期也是降水量年际变幅较大时期，在此期间夏玉米生长季最大降水量达760 mm(2029年)，最小降水量为298 mm(2031年)，最小值也是2022—2100年最低值；2032—2100年呈现缓慢的波动上升趋势，2098年达到2022—2100年的最大值802 mm。上述结果表明，未来黄淮海地区夏玉米生长季水分资源存在较大不稳定性，发生旱涝灾害风险较大。

以水分适宜度为指标分析夏玉米生长季水分条件适宜性时间变化趋势，结果表明2022—2100年黄淮海地区区域平均夏玉米全生育期水分适宜度总体平稳、变化趋势不明显，仅后期略有上升趋势(图 3a)，但也具有一定的阶段特征，存在几个小的波动。2022—2030年、2053—2058年、2085—2093年为波动下降阶段，水分适宜度下降，说明发生旱涝风险上升；2031—2038年、2049—2053年、2058—2067年、2070—2085年为波动上升阶段，其中2070—2085年的上升阶段时间最长，达15 a，说明该时段发生旱涝风险明显下降，水分条件对夏玉米生长发育明显有利；决定系数R²较低，也反映了全生育期水分适宜度年际间差异相对较大。虽然各个生育期水分适宜度变化趋势总体较平缓，但不同生育期也呈现一定差异，其中抽雄吐丝期、灌浆乳熟期无明显趋势，拔节期为平缓下降趋势(图 3b)，三叶至七叶期前期平缓后期略有上升趋势(图 3c)，成熟期为明显的平稳上升趋势(图 3d)，播种出苗期为前期平缓略有下降、后期平缓略有上升的趋势。

由各生育期水分适宜度各年代平均值(表 2)来看，2030年代水分条件对玉米生长发育的适宜度相对于其余70 a都是明显偏差的，全生育期水分适宜度灾害指数也最低，为-0.03，说明2030年代发生旱涝风险最高；除拔节期和抽雄吐丝期以外，其余4个生育期2080年代水分适宜度均为最高值或次高值，全生育期水分适宜度和水分适宜度灾害指数最高值也出现在2080年代，表明2080年代水分条件相对于其余70 a是明显最好的，发生旱涝风险最低。因此，由全生育期来看，2030年代水分条件对夏玉米生长发育适宜度是最差的，而2080年代是最好的。以水分适宜度2022— 2100年平均值及其灾害指数平均值来看，各生育期之间存在一定差异。其中成熟期水分适宜度平均值达到72.1，水分适宜度最好，水分适宜度灾害指数也最高，平均值达到0.10，灾害风险最低，其次为灌浆乳熟期；而播种出苗期、拔节期、抽雄吐丝期水分适宜度较低，灾害指数平均值为-0.03~-0.02，说明连阴雨、暴雨洪涝及干旱灾害风险较大；三叶至七叶期平均水分适宜度及其灾害指数均最低，灾害指数平均值为-0.07(图 4)，说明该期间夏玉米遭受到水分胁迫类灾害的风险最大。结果表明，各个生育期相比，夏玉米成熟期发生旱涝灾害风险相对最小，三叶至七叶期发生旱涝风险最大；抽雄吐丝期发生旱涝风险较大，由于该发育期是影响产量形成的最关键时期，抽雄吐丝期较大的旱涝风险也会带来较大的产量损失风险。

由2022—2100年水分适宜度及其灾害指数极值来看，2070年代至2090年代全生育期水分适宜度普遍偏好、灾害风险普遍偏低；全生育期水分适宜度最差、灾害风险最高的5 a依次出现在2031年、2035年、2049年、2046年、2030年，水分适宜度灾害指数均为-0.13~-0.09，说明这5 a发生全生育期旱涝灾害风险等级高。由各生育期来看，播种出苗期在2053年、2026年、2051年，三叶至七叶期在2046年、2043年、2078年(图 4)，拔节期在2056年、2031年、2035年、2080年，抽雄吐丝期在2068年、2031年，水分适宜度灾害指数均处于明显低值范围，数值为-0.24~-0.22，说明上述生育期的相应年份，尤其2031—2035年、2046—2051年播种出苗至拔节期发生阶段性严重旱涝灾害风险等级高，严重影响产量。灌浆至乳熟期及成熟期，水分适宜度数值和水分适宜度灾害指数相对较高，说明水分条件总体利于夏玉米灌浆乳熟和成熟，发生连阴雨、暴雨洪涝及干旱灾害风险明显偏低。

2.3 光照适宜度及寡照风险

采用区域气候模式输出的2022—2100年总太阳辐射格点数据，对黄淮海地区夏玉米生长季光照资源的时间变化趋势进行分析，发现夏玉米生长季区域平均总太阳辐射总体变化趋势不明显，但仍存在一定的阶段性年际变化，其年际变化大致可分为3个阶段：2022—2031年为不稳定期，年际间波动较大，最大年(2031年，2 942 (MJ ·m^-2) ·d^-1)与最小年(2022年，2 590 (MJ ·m^-2) ·d^-1)相差352 (MJ ·m^-2) ·d^-1；2032—2065年为缓慢上升阶段，大部分年份总辐射在2 700 (MJ ·m^-2) ·d^-1以上，且变化幅度有所减小；2066—2100年为迅速下降阶段，且年际波动增大。上述结果表明，黄淮海地区夏玉米生长季光照资源稳定性较差，2070年代之后出现寡照的风险增加。

以光照适宜度为指标分析夏玉米生长季光照条件适宜性时间变化趋势，2022—2100年黄淮海地区区域平均夏玉米全生育期光照适宜度总体稳定，无明显变化趋势，期间虽也伴随一些小的波动，但波动变幅较小，光照适宜度数值为88.8~91.8(图 5a)。由不同生育期来看，光照适宜度时间变化趋势均较平缓、差异相对较小，其中拔节期、抽雄吐丝期(图 5b)、灌浆乳熟期等产量形成关键期在2022—2100年呈现前期略有下降总体相对平缓的趋势，三叶至七叶期、成熟期则无明显变化趋势，播种出苗期呈现总体平稳末期略有上升趋势。但在变化幅度上各生育期存在较明显差异，其中成熟期变幅最小，拔节期最大。总体来看，夏玉米生长初期和中期相比于后期光照适宜度变幅大，说明夏玉米生长后期相比于初期和中期光照条件更稳定。

由不同生育期光照适宜度和光照适宜度灾害指数各年代平均值来看，全生育期、抽雄吐丝期、灌浆乳熟期、成熟期各年代差异均不明显；播种出苗期、三叶至七叶期、拔节期2080年代和2090年代最差，而2020年代、2030年代明显最好，说明2080年代、2090年代发生寡照的风险较大，而2020年代、2030年代风险较小。以2022—2100年光照适宜度平均值及其灾害指数平均值来看，不同生育期之间光照适宜性存在一定差异。其中成熟期光照适宜度最好，光照适宜度灾害指数平均值也最高，为0.11，灾害风险最低；其次为灌浆乳熟期、抽雄吐丝期；再次为三叶至七叶期、拔节期，灾害指数平均值分别为-0.06、-0.07(图 6)；播种出苗期光照适宜度及其灾害指数均最低，灾害指数平均值为-0.12。上述结果说明，播种出苗期发生寡照的风险最高，因该生育期夏玉米播种出苗对光照需求较小，直接影响相对较小，但寡照往往伴随着连阴雨天气，阴雨天气会明显影响夏玉米顺利播种和正常出苗；其次是三叶至七叶期、拔节期发生寡照的风险较高，虽然不及播种出苗期风险高，但对幼苗光合生长及壮苗的不利影响却是较大的；夏玉米成熟期发生寡照(连阴雨)风险最低，往往多晴好天气，利于夏玉米成熟收获和晾晒归仓。

由2022—2100年光照适宜度和光照适宜度灾害指数极值来看，2052—2054年、2075—2079年、2094—2098年全生育期光照适宜度普遍较好，灾害风险普遍偏小。全生育期光照适宜度最差以及灾害风险最高的5 a依次为2026年、2031年、2087年、2080年、2059年，光照适宜度灾害指数普遍为-0.02~-0.01，说明上述年份夏玉米生长季出现阶段性寡照的风险最大。其中，播种出苗期光照适宜度最差的5 a依次为2051年、2026年、2030年、2039年、2049年，光照适宜度灾害指数也最低，普遍为-0.16~-0.15；三叶至七叶期在2026年、2048年、2051年，拔节期在2059年、2031年、2036年、2037年、2039年、2044年、2056年、2074年、2088年，光照适宜度灾害指数也明显偏低，普遍为-0.12~-0.06(图 6)，说明播种出苗至拔节期2030年代和2040年代及2026年、2080—2093年出现寡照(连阴雨)的风险较大。2022—2100年大部分年份抽雄吐丝期、灌浆至乳熟期、成熟期，光照适宜度和灾害指数数值均普遍较高，发生寡照(连阴雨)风险低。

2.4 气候适宜度及农业气象灾害风险

2022—2100年，黄淮海地区区域平均夏玉米全生育期气候适宜度呈现总体平稳略有下降的时间波动趋势，并具有一定的阶段特征(图 7a)，例如，2022—2035年为较明显波动下降阶段，2068—2088年为缓慢波动上升阶段，变幅普遍也相对较大，其余时间波动相对平缓、变幅相对偏小。不同生育期的气候适宜度时间变化趋势呈现一定差异性，其中拔节期、抽雄吐丝期和灌浆乳熟期时间变化趋势的一致性较好，均呈现波动下降趋势，且变幅相对较大，拔节期变幅最大(图 7b、c、d)；成熟期、播种出苗期、三叶至七叶期时间变化趋势均相对平缓，且相对前3个产量形成关键期变幅总体偏小，其中播种出苗期、三叶至七叶期呈现先略降后微升趋势，成熟期总体呈略有上升趋势。

由不同生育期气候适宜度及其灾害指数各年代平均值来看，播种出苗期、三叶至七叶期、拔节期、抽雄吐丝期、灌浆乳熟期和成熟期最低值分别出现在2060年代、2040年代、2080年代、2080年代、2090年代和2060年代，气候适宜度灾害指数也均为最低；全生育期气候适宜度及其灾害指数最高值均在2020年代，最低值均在2060年代、2070年代。这说明2061—2080年气候条件对夏玉米生长发育适宜度总体偏差，2020年代最好。由2022—2100年平均值来看，不同生育期之间气候适宜度存在一定差异。其中，成熟期平均气候适宜度达到85.6，适宜度最好，灾害指数平均值也最高，其次为灌浆乳熟期，再次为抽雄吐丝期，三叶至七叶期、拔节期再次之，播种出苗期适宜度相对最低，平均气候适宜度为75.8，灾害指数平均值也最低，为-0.04(图 8)。上述结果表明，在各个生育期中，夏玉米播种出苗期气候条件适宜度相对最差，发生高温热害、旱涝或连阴雨寡照等农业气象灾害的风险最大，不利于前茬作物成熟收获、腾茬整地和夏玉米播种出苗，不能适时播种的风险高；成熟期气候条件的适宜度相对最好，农业气象灾害发生风险明显偏小，利于夏玉米正常成熟和收获晾晒。三叶至七叶期、拔节期虽然不及播种出苗期农业气象灾害风险高，但该期间发生高温热害、旱涝或连阴雨寡照等灾害对作物幼苗生长及后期产量的影响是较大的。虽然由平均情况来看，抽雄吐丝期发生灾害的风险明显不如三叶至七叶期、拔节期、播种出苗期高，但该时期正值产量形成敏感期和关键期，一旦发生农业气象灾害，对产量的影响更严重。

由2022—2100年气候适宜度及其灾害指数极值来看，2027—2029年、2054—2055年、2082—2086年等时段全生育期气候适宜度普遍偏好，灾害风险普遍偏低；全生育期气候适宜度最差的5 a依次出现在2031年、2087年、2049年、2035年、2046年，气候适宜度灾害指数也是依次最低的，数值为-0.04~-0.02，说明上述年份生长季发生农业气象灾害的风险大。其中，播种出苗期最差的5 a依次为2026年、2051年、2098年、2049年、2053年，气候适宜度数值均低于69.0，气候适宜度灾害指数为-0.13~-0.11(图 8)；拔节期最差的5 a依次为2056年、2031年、2059年、2080年、2099年，气候适宜度灾害指数为-0.14~-0.12；三叶至七叶期最差的5 a依次为2048年、2087年、2051年、2032年、2041年，气候适宜度灾害指数为-0.09~-0.06；抽雄吐丝期最差的5 a依次为2068年、2093年、2031年、2059年、2080年，气候适宜度灾害指数为-0.11~-0.08；灌浆至乳熟期、成熟期最差的5 a气候适宜度及其灾害指数数值相对于其他发育期均偏高明显，发生农业气象灾害的风险偏小。这说明2026年、2031—2032年、2035年、2041年、2048—2049年、2051年、2053年、2056年、2059年、2068年、2080年、2087年、2093年、2098年、2099年等年份播种出苗期以及拔节期和抽雄吐丝期农业气象条件适宜度偏差的程度较大，发生高温热害、干旱、暴雨洪涝、寡照(连阴雨)等农业气象灾害的风险相对更大。

3 结论和讨论

预计未来(2022—2100年)气候变化情景下，黄淮海地区夏玉米生长季热量资源将呈增多趋势，水分资源总体为微弱的增多趋势，但随时间阶段性变化明显、存在较大不稳定性，光照资源变化总体稳定、趋势不明显。本文以积温t≥10 ℃为指标分析夏玉米生长季热量资源变化，发现未来黄淮海地区夏玉米生长季呈明显气候变暖趋势，与已有研究结论^[18-19]一致，因此由热量资源来看，夏玉米未来热量资源将更加充裕或过剩，夏玉米遭受高温热害风险增加。由水分资源变化来看，未来黄淮海地区夏玉米生长季水分资源存在较大不稳定性，发生旱涝灾害风险较大，与已有研究结果^[33-34]有较好一致性。由光照资源变化来看，2070年代之后出现寡照的风险明显增加。

2022—2100年黄淮海地区夏玉米全生育期气候适宜度呈现总体平稳略有下降波动趋势，并具有一定阶段性特征，其中2022—2035年为较明显波动下降阶段，2068—2088年为缓慢波动上升阶段。不同生育期气候适宜度时间趋势呈现一定差异性，其中拔节期、抽雄吐丝期和灌浆乳熟期均呈现明显的波动下降趋势，且变幅较大；其余生育期变化趋势均相对平缓，变幅相对较小。本文以黄淮海地区897个格点得出区域平均全生育期气候适宜度呈现总体平稳略有下降波动趋势的结果，与已有研究^[17]以典型站点得到的气候适宜度总体呈下降趋势的结论基本一致，区别在于本文研究结果在下降幅度上相对偏小，但由于是基于全部黄淮海地区897个格点进行的研究，结论更能反映区域整体特点。以不同生育期气候适宜度数值的高低判断农业气象灾害发生风险的大小，其中播种出苗期气候适宜度相对最差，发生高温热害、旱涝或寡照(连阴雨)等农业气象灾害的风险大，不利于前茬作物收获整地和夏玉米播种出苗；其次为三叶至七叶期、拔节期，再次为抽雄吐丝期，灌浆乳熟期气候适宜度好于抽雄吐丝期；而成熟期气候条件适宜度相对最好，农业气象灾害发生风险最小。

光温水不同气象要素适宜度2022—2100年的时间演变趋势存在明显差异，其中全生育期温度适宜度总体呈波动下降趋势，且具有一定年代阶段性变化特征，2031—2040年有一个较明显波动上升阶段，其后时间多呈现逐渐平稳下降趋势。温度适宜度总体呈波动下降趋势，说明未来热量资源增加、气候呈明显变暖趋势对夏玉米的生长总体是不利的。2022—2100年全生育期水分适宜度和光照适宜度总体稳定，随年代变化趋势不明显，水分适宜度后期略有上升趋势，2070—2085年有一个明显上升阶段，说明在长达15 a的时间里发生旱涝风险明显偏低。因此，未来水分和光照资源对夏玉米的生长基本有利。夏玉米全生育期气候适宜度呈现总体平稳略有下降的波动趋势，这主要是由温度适宜度的下降趋势决定的，光照和水分两个要素的影响相对较小。

由全生育期各年代特征来看，2080年代、2090年代是温度条件适宜度最差的年代，2020年代最好；2030年代水分条件适宜度最差，而2080年代最好；2080年代、2090年代光照适宜度明显偏差，而2020年代、2030年代明显偏好。由全生育期和各生育期综合来看，2061—2100年夏玉米气候适宜度总体是偏差的，2020年代最好，这与研究^[17]2070—2100年气候适宜度下降明显的结论大体一致。

由各生育期发生农业气象灾害种类及风险来看，夏玉米抽雄吐丝期遭受高温热害的风险最大，其次为灌浆乳熟期和拔节期；由发生旱涝风险来看，三叶至七叶期最大，其次为抽雄吐丝期，抽雄吐丝期旱涝风险虽然不是最大的，但连阴雨、暴雨洪涝及干旱灾害会降低玉米开花期的授粉率，对产量形成的影响相对较大，该结果与已有研究^[35]结论一致。播种出苗期发生寡照的风险最高，寡照往往伴随连阴雨，寡照(连阴雨)会明显影响夏玉米顺利播种和正常出苗，其次是三叶至七叶期、拔节期风险较高；成熟期发生高温热害、旱涝、寡照(连阴雨)等各类农业气象灾害风险均最低。

综合来看，2080—2098年夏玉米拔节期、抽雄吐丝期、灌浆乳熟期遭受高温热害的风险大；2031—2035年、2046—2056年播种出苗至拔节期发生阶段性严重旱涝灾害风险等级高；2030年代和2040年代及2026年、2080—2093年播种出苗期出现寡照(连阴雨)的风险较大。由整个生长季来看，2031年、2087年、2049年、2035年、2046年依次为夏玉米发生农业气象灾害风险最大的5 a。2026年、2031—2032年、2035年、2041年、2048—2049年、2051年、2053年、2056年、2059年、2068年、2080年、2087年、2093年、2098年、2099年等年份播种出苗期、拔节期、抽雄吐丝期农业气象条件适宜度偏差的程度较大，发生高温热害、干旱、暴雨洪涝、寡照(连阴雨)等农业气象灾害的风险相对偏大。

本研究主要是基于未来气候变化情景下所做的研究和分析，由于诸多不确定因素，研究必然存在一定的局限。首先，本研究是限定在夏玉米品种特性不变的情况下，没有考虑未来近80 a的时间尺度内夏玉米品种特性随遗传育种、栽培技术以及气候变化和土壤等环境因素而产生的变化，也没有考虑生长季夏玉米生育期的长短变化、生理生态特性尤其是生长发育农业气象指标可能会发生一定变化。其次，本研究是假定现有栽培和种植模式在未来气候变化情况下保持不变得出的结论，没有考虑气候变化对相同种植区域内轮作的夏玉米、冬小麦生育期长短、土壤变化以及腾茬和夏玉米播种的影响。实际上已有研究表明气候变暖对夏玉米—冬小麦种植模式是有影响的，气候变暖会造成冬小麦播种时间推迟、生育期缩短、茬口时间延长以及夏玉米生育期的变化等^{[23, 36]}，所以结论存在一定局限性。最后，本研究使用了联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次报告中模式输出未来气候情景数据，由于气候模式和气候情景的不完善和局限，也会使本研究结果存在一定的不确定性，未来随着IPCC模式输出情景数据和评估报告的更新完善，研究结果也将会有调整和变化。本研究仅提供了一个可能的结果，结论有一定局限性，但作为未来作物气候适宜性的预估性研究，仍然给出了黄淮海地区夏玉米未来农业气候资源和气候适宜性的时间变化趋势、特征及不同年代和不同发育阶段可能面临的各类农业气象灾害风险，对今后指导黄淮海地区农业气候资源利用、防灾减灾、夏玉米生产管理和种植制度调整及未来应对气候变化有一定现实意义。