基于野外試驗(yàn)的玉米干旱脆弱性研究

潘東華 ，賈慧聰，張萬昌，尹圓圓

(1. 民政部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100124；2. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所中科院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

基于野外試驗(yàn)的玉米干旱脆弱性研究

潘東華1，賈慧聰2，張萬昌2，尹圓圓3

(1. 民政部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100124；2. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所中科院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

基于人工控制田間試驗(yàn)的方法，選取河北黃驊基地為試驗(yàn)區(qū)，通過觀測(cè)玉米每個(gè)生長(zhǎng)階段在不同干旱強(qiáng)度下的生物量損失數(shù)值，分析了不同干旱程度對(duì)玉米營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)和生物量的影響，構(gòu)建了玉米受旱的5個(gè)生育期自然脆弱性曲線。結(jié)果表明，對(duì)玉米株高影響最大的生育期是拔節(jié)期。根系對(duì)輕度缺水反應(yīng)不敏感。不同生育期的干旱脅迫對(duì)玉米地上器官鮮重的影響大于對(duì)根系的影響。在輕旱致災(zāi)下，出苗-拔節(jié)期的生物量損失風(fēng)險(xiǎn)最高；在重旱致災(zāi)下，拔節(jié)-抽雄期的生物量損失風(fēng)險(xiǎn)最高。

野外試驗(yàn)；脆弱性曲線；玉米旱災(zāi)；河北黃驊；生育期

玉米是需水量較高的旱田作物之一，土壤水分狀況對(duì)玉米的生理過程具有重要的影響。關(guān)于水分脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量造成的影響已有較多的研究[1-6]，多數(shù)研究結(jié)果表明，土壤水分脅迫抑制玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，降低光合性能，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。但限于土壤水分條件控制的困難，水分控制層段、時(shí)期與指標(biāo)不同，尤其對(duì)各生育期水分脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及物質(zhì)累積與分配影響的研究較少。

并不是所有災(zāi)害歷史事件都有數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)指標(biāo)方法不夠規(guī)范、評(píng)價(jià)結(jié)果不能夠達(dá)到充分可信度的時(shí)候，脆弱性曲線為脆弱性的評(píng)價(jià)提供了新的思路。脆弱性曲線也稱為脆弱性函數(shù)或?yàn)?zāi)損率曲線[7]，最早出現(xiàn)于1964年，用來衡量不同強(qiáng)度的各災(zāi)種與其相應(yīng)損失(率)之間的關(guān)系，主要以曲線、曲面或者表格的形式表現(xiàn)出來。脆弱性曲線真正面對(duì)承災(zāi)體個(gè)體，可從根本上解決脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果針對(duì)性不強(qiáng)、可操作性不強(qiáng)等特點(diǎn)，通過承災(zāi)體自身個(gè)體的脆弱性反映區(qū)域總體脆弱性特征[8-10]。因此，開展“作物自然脆弱性曲線”研究可以從微觀角度刻畫旱災(zāi)，為深入研究農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提供新的思路和方法[11]。

本文認(rèn)為玉米干旱脆弱性是受干旱影響的玉米應(yīng)對(duì)干旱的一種內(nèi)在特性，是特定品種玉米本身特有的自然物理屬性，通過確定玉米干旱致災(zāi)強(qiáng)度和產(chǎn)量損失率之間的關(guān)系，可以得出特定品種玉米的自然脆弱性曲線。將每個(gè)玉米旱災(zāi)致災(zāi)強(qiáng)度打擊下的損失值，進(jìn)行非線性擬合可得到該種玉米旱災(zāi)的脆弱性曲線。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 自然地理?xiàng)l件

本文選取河北黃驊野外試驗(yàn)基地進(jìn)行系統(tǒng)的小區(qū)覆膜玉米水分脅迫試驗(yàn)。該區(qū)域多年平均降水量626.5 mm，年降水量75%集中在夏季，年平均氣溫12 ℃，年平均無霜期194 d。黃驊試驗(yàn)基地供試土壤為濱海鹽土，厚度150 cm，田間持水量32%，容重為1.50 g/cm3，表層≤0.01 mm的物理黏粒占7%～10%；表層有機(jī)質(zhì)0.598%～1.286%；全氮量0.032%～0.742%；全鹽量0.501 3%～3.990 1%[12]。黃驊試驗(yàn)基地提供試驗(yàn)面積100 m2。分析試驗(yàn)基地1～11月每日降雨量分布(圖1)可知，夏季(6-8月)降水量為444.5 mm，約占總降水量的69.6%。

圖1 試驗(yàn)基地降雨量分析(1-11月)

1.2 試驗(yàn)材料與種植

試驗(yàn)選取的玉米品種為隆源六號(hào)，春播生育期120 d左右，為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為寬2 m，長(zhǎng)3 m，設(shè)計(jì)5個(gè)試驗(yàn)處理，3個(gè)重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)。種植小區(qū)周圍設(shè)有保護(hù)行，且用塑料膜隔離，防止水分側(cè)滲；小區(qū)由西向東依次編為1～5#，種植小區(qū)在此基礎(chǔ)按重復(fù)編號(hào)。種植方式采用膜側(cè)溝種壟蓋栽培技術(shù)，即選用寬度40 cm的微膜，起壟、蓋膜、播種一次完成，地膜蓋在壟背上，玉米種在壟溝里，每畝用膜1.6 kg，株距間隔30 cm。由于膜側(cè)溝種壟蓋玉米實(shí)行寬窄行種植，寬行74 cm、窄行40 cm，基本株數(shù)在每畝4 000株。4月28日播種，9月10日收獲。

1.3 試驗(yàn)方案

選定“土壤含水量占田間持水量的百分比”作為評(píng)價(jià)玉米不同干旱致災(zāi)強(qiáng)度的指標(biāo)。試驗(yàn)按0～100 cm土層土壤水分含量設(shè)計(jì)5個(gè)處理，土壤含水量分別為田間持水量的90%(輕度干旱W90)、75%(中度干旱W75)、60%(重度干旱W60)、40%(極重度干旱W40)。以水分適宜處理(CK)作對(duì)照，重復(fù)3次。各處理土壤水分目標(biāo)實(shí)行全程控制，每5 d測(cè)定補(bǔ)充1次水，各處理每次灌水量采用水表控制。為了控制玉米各生育階段的水分供應(yīng)狀況，在拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花和乳熟五個(gè)時(shí)期進(jìn)行水分控制(拔節(jié)期前各小區(qū)水分條件一致)。采用“灌溉梯度遞減”的灌溉方式進(jìn)行灌溉(表1)。

表1 干旱強(qiáng)度設(shè)計(jì)處理

1.4 試驗(yàn)基本參數(shù)獲取

試驗(yàn)對(duì)土壤、作物有關(guān)參數(shù)均定期進(jìn)行測(cè)定，包括：用取土樣烘干法測(cè)定玉米根系層土壤含水量，每10 d測(cè)定1次且在灌水前后加測(cè)。生育期內(nèi)定期、定點(diǎn)取代表性植株5株調(diào)查測(cè)定株高、葉面積、鮮重、干物重等求得平均值，收獲期小區(qū)計(jì)產(chǎn)，所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。作物株高用鋼卷尺測(cè)量，葉面積測(cè)定取樣本植株每片完全展開葉的完整的綠色葉片長(zhǎng)度(cm)和最大寬度(cm)，葉面積用長(zhǎng)×寬×系數(shù)的方法求得(玉米的校正系數(shù)為0.70)。

2 干旱脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響

2.1 不同干旱程度對(duì)玉米營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)的影響

在干旱水分脅迫下，玉米一個(gè)可以測(cè)得的生理反應(yīng)就是生長(zhǎng)緩慢，阻礙植株的高度發(fā)展。圖2表明，不同時(shí)期不同程度的干旱程度都導(dǎo)致玉米株高降低，但所造成的影響程度不同。在拔節(jié)期受旱對(duì)玉米株高的影響最大，其中的特旱處理僅為無旱處理的63.38%，該期輕旱和中旱處理的玉米高度為無旱的97.18%和80.28%，說明干旱程度越高，對(duì)玉米株高的影響也越顯著。在進(jìn)入抽雄期后，玉米由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，因此該階段及其以后的干旱對(duì)玉米株高的影響不明顯。

針對(duì)干旱脅迫對(duì)玉米根長(zhǎng)的影響(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)，只有特旱程度下，根長(zhǎng)才會(huì)明顯降低，其他程度的受旱反而有促進(jìn)根系下扎、根量增加的作用。根系對(duì)輕度缺水反應(yīng)不敏感，尤其在苗期階段輕度控水反而有利于根系生長(zhǎng)，增加根葉比，對(duì)最終產(chǎn)量有益。

由圖4和圖5可以得出，隨著生育期的進(jìn)程，玉米地上部鮮重和地下鮮重呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。不同生育期的干旱程度對(duì)玉米地上器官鮮重的影響大于對(duì)根系的影響。抽雄-乳熟期是對(duì)玉米地上部鮮重、地下部鮮重影響最大的生育期。分析表明，抽雄期是玉米一生對(duì)水分反應(yīng)最敏感的時(shí)期，在該期發(fā)生特旱的干旱脅迫時(shí)，相比沒有干旱脅迫，地上部鮮重下降37.9%，而地下部鮮重下降37.5%。

2.2 不同干旱程度對(duì)玉米生物量的影響

本文計(jì)算的玉米日生物量是地上部與地下部的總重量。由圖6可知，隨著生育期的進(jìn)程，5個(gè)時(shí)段的生物量都呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)然后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，生物量在乳熟-成熟期達(dá)到最大。拔節(jié)期是玉米株體形成的重要時(shí)期，植株生長(zhǎng)旺盛，玉米需水強(qiáng)烈，此期受旱對(duì)對(duì)產(chǎn)量的影響較大。而抽雄期為玉米的需水臨界期，該期的干旱對(duì)產(chǎn)量損失產(chǎn)生重大影響。進(jìn)入乳熟期后，玉米仍需要較多的水分，此時(shí)玉米的光合作用和蒸騰都在旺盛進(jìn)行，同時(shí)大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從莖葉向果穗運(yùn)移，此期受旱玉米植株生物量減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)仍較高。進(jìn)入成熟期后，干旱脅迫對(duì)玉米的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)基本不變。因此，拔節(jié)-抽雄期對(duì)水分脅迫的敏感性最高，這可以作為減輕旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平，選擇田間灌水時(shí)期以及灌水?dāng)?shù)量的重要依據(jù)，以達(dá)到最優(yōu)的玉米產(chǎn)量結(jié)果。

3 干旱脆弱性曲線的構(gòu)建

通過定期觀測(cè)土壤相對(duì)濕度和玉米的生育期、葉面積、株高、莖粗、生物量等。得出每個(gè)生長(zhǎng)季的干旱致災(zāi)強(qiáng)度和因旱生物量損失率，通過非線性統(tǒng)計(jì)模型多次擬合，回歸出5個(gè)生育期玉米各自受旱的自然脆弱性曲線(圖7)。

圖2 不同生育期干旱強(qiáng)度對(duì)株高的影響

圖3 不同生育期干旱強(qiáng)度對(duì)根長(zhǎng)的影響

圖4 不同生育期干旱強(qiáng)度對(duì)地上部鮮重的影響

圖5 不同生育期干旱強(qiáng)度對(duì)根重的影響

圖6 黃驊試驗(yàn)區(qū)玉米不同生育期對(duì)應(yīng)生物量變化

圖7 不同生育階段玉米旱災(zāi)自然脆弱性曲線

玉米生物量的積累取決于光合性能的高低，由于光合性能的諸多因素均受到土壤水分狀況的影響，因此，不同生育時(shí)期在不同的干旱脅迫強(qiáng)度下，玉米生物量的積累會(huì)發(fā)生明顯的變化。播種-出苗期：玉米受旱程度無論是輕旱還是重度干旱，生物量損失率都比較小?？梢?，苗期的玉米耐旱性強(qiáng)，表明苗期階段輕度控水有利于根系生長(zhǎng)的規(guī)律一致。出苗-拔節(jié)期：此時(shí)期玉米受旱的損失率加大，因?yàn)樵撈谑怯衩字牦w形成的重要階段，根、莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官迅速生長(zhǎng)。隨著受旱程度的加大，玉米植株?duì)I養(yǎng)體的生長(zhǎng)受抑，特旱的損失率達(dá)到31.5%。拔節(jié)-抽雄期：此時(shí)期玉米由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過渡，干旱的脅迫對(duì)玉米的生殖生長(zhǎng)影響明顯，特旱的損失率達(dá)到41.4%。抽雄-乳熟期：此時(shí)期玉米仍需要較多的水分，如果干旱脅迫，易造成籽粒發(fā)育不完全，造成減產(chǎn)，特旱的損失率達(dá)到36.1%。乳熟-成熟期：此期的干旱脅迫明顯影響果穗長(zhǎng)度、粗度、結(jié)實(shí)花數(shù)以及穗粒數(shù)，特旱的損失率達(dá)到35.9%。

對(duì)比分析不同程度干旱致災(zāi)強(qiáng)度下各生育期的損失風(fēng)險(xiǎn)水平，可知拔節(jié)-抽雄期是玉米生物量損失的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期，而播種-出苗期的玉米受旱損失風(fēng)險(xiǎn)較低。

4 結(jié)論與討論

(1)基于人工控制田間試驗(yàn)的方法，選取黃驊基地為試驗(yàn)區(qū)，通過觀測(cè)玉米每個(gè)生長(zhǎng)階段，在不同干旱強(qiáng)度下的生物量損失數(shù)值，經(jīng)過計(jì)算模擬可為農(nóng)作物生長(zhǎng)模型的校準(zhǔn)參數(shù)提供來源，為模擬結(jié)果提供實(shí)證檢驗(yàn)，加強(qiáng)了基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)支持。

(2)結(jié)果表明，對(duì)玉米株高的影響最大的生育期是拔節(jié)期。根系對(duì)輕度缺水反應(yīng)不敏感，尤其在苗期階段輕度控水反而有利其生長(zhǎng)。不同生育期的干旱脅迫對(duì)玉米地上器官鮮重的影響大于對(duì)根系的影響。在輕旱致災(zāi)下，出苗-拔節(jié)期的生物量損失風(fēng)險(xiǎn)最高；在重旱致災(zāi)下，拔節(jié)-抽雄期的生物量損失風(fēng)險(xiǎn)最高。

(3)針對(duì)玉米旱災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)的生育時(shí)段，接下來應(yīng)考慮不同生育階段的農(nóng)事活動(dòng)，綜合各地玉米水分管理的經(jīng)驗(yàn)，提出有利于減輕農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)性對(duì)策。

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ResearchontheMaizeDroughtVulnerabilityBasedonFieldExperiment

PAN Donghua1, JIA Huicong2, ZHANG Wanchang2and YIN Yuanyuan3

(1.NationalDisasterReductionCenterofChina,MinistryofCivilAffairsofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100124,China; 2.StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences.Beijing100094,China; 3.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)

Basedonanartificialcontrollingfieldexperiment,takingHuanghuacityofHebeiProvincebaseastheexperimentalsite,theeffectofdifferentdroughtdegreeonmaizegrowthofvegetativeorgansandbiomasswereanalyzed,thephysicalmaizedroughtvulnerabilitycurvesofthefivestageswereconstructed.Theresultsshowthat,themostimpactgrowthperiodofmaizeplantheightwasthejointingstage.Rootsystemwasnotsensitivetosmalldegreeofwatershortage.Theeffectofdroughtstressatdifferentstagesofcornonthegroundorgansfreshweightisgreaterthanthatofrootsystem.Underthelowdroughthazard-inducingdegree,emergence-jointingstagehasthehighestbiomasslossrisk.Underthehighdroughthazard-inducingdegree,jointingtotasselingstagehasthehighestbiomasslossrisk.

fieldexperiment;physicalvulnerabilitycurves;maizedrought;HuanghuacityofHebeiProvince;growthstage

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.026.]

2016-08-24

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471428；41671505)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0602302;2016YFB0502502);中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所資助項(xiàng)目(IAM201609)

潘東華(1981-)，男，漢族，江蘇丹陽人，博士，副研究員，主要從事干旱災(zāi)害評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)防范研究與管理研究.E-mail: pandonghua@ndrcc.gov.cn

賈慧聰(1981-)，女，漢族，山東聊城人，博士，副研究員，主要從事GIS&RS在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用研究. E-mail: jiahc@radi.ac.cn

X43；S423；P53 文摘標(biāo)志碼：A

1000-811X(2017)02-0150-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.026

潘東華，賈慧聰，張萬昌，等. 基于野外試驗(yàn)的玉米干旱脆弱性研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：150-153,180. [PAN Donghua, JIA Huicong and ZHANG Wanchang, et al. Research on the Maize Drought Vulnerability Based on Field Experiment[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：150-153,180.