羅新蘭,崔佳龍,蔡 福,陳 偉,朱明宇
(1.沈陽農業(yè)大學,遼寧沈陽110866;2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,遼寧 沈陽110166;3.遼寧省北票市氣象局,遼寧 北票122100)
播期對玉米生長發(fā)育和產量的影響
羅新蘭1,崔佳龍1,蔡 福2,陳 偉3,朱明宇1
(1.沈陽農業(yè)大學,遼寧沈陽110866;2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,遼寧 沈陽110166;3.遼寧省北票市氣象局,遼寧 北票122100)
基于2012—2014年在遼寧省莊河市和錦州市進行的玉米分期播種試驗資料,對遼寧地區(qū)玉米生長及產能受溫度影響情況進行分析。試驗分為5個播期,播期間隔10~15 d不等,種植密度約為4.2株·m-2,每個播期分為4個重復小區(qū),分別觀測玉米生長指標。結果表明:在日照和水分條件適宜的情況下,玉米在各生長發(fā)育期所持續(xù)的時間與相應期間的溫度存在著負相關關系。播種~出苗階段持續(xù)時間在日最低氣溫15℃以下隨著溫度升高而逐漸縮短,15℃以上則逐漸增加。吐絲~成熟階段持續(xù)時間則隨著播期的延后而延長。玉米在出苗~吐絲階段,各播期溫度條件相當,差別并不顯著。吐絲~成熟期≥10℃的活動積溫和氣溫日較差分別在1 500℃·d左右和8℃~8.5℃的范圍內對產量的形成更加有利。
分期播種;玉米;生長發(fā)育;產量
在對玉米品種、種植區(qū)域的選擇及產量等方面產生影響最大的氣候因素就是熱量。熱量作為整個玉米生長過程中最不可缺少的最重要因素也一直備受關注[1]。我國東北地區(qū)的玉米種植面積占全國玉米種植面積的30%,而僅在東北地區(qū),又有一半以上的糧食種植面積為玉米[3-5]。這也說明玉米產量在東北地區(qū)糧食總產量中所占的比重之大。對于玉米來說,灌漿期出現的時間及持續(xù)時間的長短直接影響產量[2]。在氣候方面,根據對氣候變化數據的統(tǒng)計發(fā)現,東北地區(qū)近50年的平均氣溫呈現升高的趨勢,幅度約為0.4℃·10a-1[6]。這種變化使東北地區(qū)逐漸成為全國對玉米生長發(fā)育和產量進行研究的熱點地區(qū)。數值計算、農業(yè)氣候分析等研究方法是在玉米生長與氣候適宜性方面較早階段的主要研究方法[7],而現階段常用的則是模型模擬法。如利用氣候適宜性模型來模擬我國玉米生長及產量與CO2增多帶來的氣候變暖情況產生的關聯(lián),得出了我國東北地區(qū)玉米生長氣候適宜性的理論[8];將多種模型相結合,把可能對農業(yè)生產產生影響的氣候變化在年代及區(qū)域空間尺度上進行了分析[9-11],但都是假設性的以模擬天氣數據作為真實的數據來進行的,缺乏一定的實測數據支持。
分期播種試驗是一種用播期的先后來模擬不同氣候因素對玉米生長影響的一種試驗方法,得出不同播期的數據,從而分析產生的差異及其原因,進行進一步討論得出相應的試驗結果[3]。在此之前,很多學者在玉米分期播種的試驗中取得過不少的成果[12-15]。蔡福[16]在莊河地區(qū)進行過相同的研究,但由于數據只有莊河地區(qū)一年的數據,缺乏代表性。因此,在前人的研究基礎之上為了進一步補充現有資料并完善相關結論,本研究在遼寧省莊河、錦州兩個地區(qū)開展連續(xù)3年的分期播種試驗,針對溫度變化對春玉米生長發(fā)育及產量的影響進行深入討論,以期為同類研究提供更完善的數據支持和理論依據。
1.1 研究區(qū)域概況
分期播種試驗分別在遼寧省莊河市和錦州市的玉米農田進行。兩處試驗場地均處于北溫帶,屬暖溫帶濕潤大陸季風性氣候,并且都具有海洋性氣候特征。歷年(1970—2000年30年間,下同)平均溫度10℃左右,年日照時數2 400 h,日照百分率均在56%左右;年均降水量保持在750~800 mm之間,其中全年降水量的60%出現在7—8月;當地多為丘陵地貌,都是遼寧省很典型的農田類型。
1.2 試驗設計
在分期播種試驗中,需要對玉米生長的各個發(fā)育階段進行分期觀測,所以需要選擇生育期較長的晚熟品種來進行試驗。本次試驗選取的玉米品種為丹玉39,生育期128 d左右,為當地具有代表性的晚熟品種。遼寧地區(qū)玉米的普遍播種時間為4月中下旬,為了更好地研究玉米生育期所需的最適溫度條件,本次試驗將播期依次進行了調整。2012—2014年這三年間,莊河地區(qū)分為4月10日、4月20日、4月30日、5月15日、5月30日這5個播期,錦州地區(qū)分為4月20日、4月30日、5月10日、5月 20日、5月30日這5個播期。每個播期分為4個重復小區(qū),前3個分期用于對玉米發(fā)育期、葉齡、株高、密度、產量因素和產量結構進行分析和觀測,第4個用于生長量的觀測。種植密度約為4.2株·m-2。在試驗玉米生長期間,田間管理全部按照當地的生產管理方式進行,保證能夠滿足玉米生長的需求。
1.3 觀測指標
觀測了播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、大喇叭口、抽雄、吐絲、開花、乳熟、成熟期所出現的日期及這些發(fā)育期的葉齡、株高、莖粗、葉面積等;并對玉米產量結構進行了分析,包括有效株數、空桿株數、植株高度、穗位高度、雌穗所在葉的葉序數、地上莖節(jié)數、每節(jié)莖節(jié)長度、粗度、果穗長度、粗度、禿尖比、株籽粒重、百粒重、理論產量、莖稈重、籽粒與莖稈比等。上述觀測方法嚴格按照《農業(yè)氣象觀測規(guī)范》執(zhí)行。此外,在玉米播種至成熟階段,觀測日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日照、風速、水汽壓、降水量,每旬逢3日、8日觀測土壤重量含水率,計算出土壤相對濕度,觀測土壤深度分別為20 cm和50 cm。
2.1 氣象條件分析
2.1.1 玉米生育期日照時數、日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫分析 為了解玉米在不同發(fā)育期內的自然條件狀況,給出了兩個地區(qū)3年整個分期試驗過程中玉米播種至收獲期間的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日照時數(見圖1)。
從圖1中可以看出兩個試驗區(qū)在5月5日之前和9月25日之后的日最低氣溫均在10℃以下,但都沒有出現氣溫過低的情況,而在此日期之間的大部分時段都沒有出現明顯的低溫現象。從日照時數的條件來看,兩個地區(qū)各年份均在7月中、下旬出現過日照時間較少的情況,其它時間日照都比較充足。根據對當時兩個地區(qū)的降水情況的對比來看,由于7月下旬的降水較多,導致日照時數下降。但在整個試驗過程中光照條件是基本可以滿足玉米生長需求的。因此,我們可以初步認為玉米生育期產量間的差異是由熱量和水分差異所引起的。
2.1.2 玉米生育期土壤相對濕度實測值的分析
作物生長所需要的另外一個條件就是充足的水分供應,圖2中顯示了兩個試驗地區(qū)的各年份土壤相對濕度。
圖1 2012—2014年玉米生育期內日照時數、日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫Fig.1 Duration of sunshine,dailymaximum temperature,minimum temperature and dailymean temperature of themaize growing period during 2012—2014
圖2 2012—2014年試驗期間土壤相對濕度實測值Fig.2 Relative soil humidity of the actualmeasurement during 2012—2014
對于土壤水分條件而言,試驗所在的兩個地區(qū)各年份的土壤相對濕度大體相同。這里土壤相對濕度是指土壤含水量與田間持水量的百分比。2012和2013兩年中莊河地區(qū)和錦州地區(qū)的土壤相對濕度都比較穩(wěn)定,均處于60%以上,只有在2014年的7、8月兩個地區(qū)都出現了土壤相對濕度低于60%甚至達到40%的輕、中度干旱時段(見圖2)??傮w來說,從每個地區(qū)三年的土壤相對濕度數據來看,水分條件都可以滿足玉米的生長需要,所以,在此期間產生的生育期以及產量的差異,我們有理由認為是由于熱量的差異引起的。
2.2 分期播種玉米在不同發(fā)育期各個階段出現時間的對比
2.2.1 不同播期玉米發(fā)育階段出現的日期 從分期播種的各個發(fā)育期出現的日期來看(見圖3),各地區(qū)的前三個播期出苗的日期之間的差異基本都在2~5 d,而播期間隔為10 d,這表明過早播種并不一定能讓玉米提前發(fā)育。后兩個播期,發(fā)育期之間的時間間隔都在9~12 d,而播種間隔為15 d,這說明各個發(fā)育期之間的時間間隔變化不大,通過對比則可以說明播期的提前可以使后面的發(fā)育期也隨之提前。以上情況可能是由于不同播期所經歷的溫度條件差異引起的,在下面的分析中將進一步說明。
2.2.2 不同播期玉米發(fā)育期各個階段平均LAI的
對比 在農作物的種植密度大致相同的情況下,葉面積指數(LAI)可以直接反映不同播期之間玉米的群體長勢(圖4)。在大喇叭口期之前,莊河與錦州兩地各發(fā)育期LAI的差異都很小,莊河地區(qū)在玉米生長達到大喇叭口期時,各個播期 LAI在3.92~4.21之間,錦州地區(qū)在 2.56~3.03之間。從抽雄期開始,各播期LAI差異才開始增大,從圖4中可以看出,莊河地區(qū)在抽雄~乳熟期4月20日和5月15日兩個播期LAI較為穩(wěn)定,說明干物質積累程度較大;而在錦州地區(qū)抽雄~乳熟期5月10日和5月20日兩個播期LAI較為穩(wěn)定。根據數值來看莊河地區(qū)在玉米生長達到抽雄期時,各播期 LAI在4.31~4.54之間,在玉米生長達到乳熟期時,各播期LAI的大小在3.76~4.41之間,由最終測得的產量結果可以看出,產量較高的玉米播期為5月15日,相應的抽雄期LAI為4.54,乳熟期時LAI為4.16。同樣的,錦州地區(qū)在玉米抽雄期時,各播期 LAI在2.90~3.83之間,在乳熟期時,各播期 LAI的大小在3.50~4.10之間,由最終測得的產量結果可以看出,產量高的播期為5月20日,相應的抽雄期LAI為3.6,乳熟期LAI為3.5。從以上分析可以看出,葉面積指數與播期之間沒有明顯的顯著性關系,但在玉米抽雄~乳熟期,干物質積累較為穩(wěn)定的播期會使最終產量也有所提高,呈現出明顯的對應關系。這種對應關系與之前討論過的發(fā)育期出現的日期相吻合,也說明適當晚播會使玉米更好地進行干物質積累,從而提高產量。
圖3 不同播期玉米各生育期出現的日期Fig.3 The start dates of themaize development period under different sowing dates
圖4 不同播期玉米不同發(fā)育階段LAI變化情況對比Fig.4 Comparison of leaf area index changes ofmaize under different sowing dates in different developmental stages
2.2.3 不同播期玉米發(fā)育期各個階段持續(xù)時間的對比 將玉米的生長期大體分為播種~出苗、出苗~拔節(jié)、拔節(jié)~吐絲、吐絲~成熟4個生育階段(見圖5)。播種~出苗階段,隨著播期的延后這一階段的持續(xù)時間呈逐漸縮短的趨勢,將該階段持續(xù)時間與相應的溫度數據對比,發(fā)現平均日最低氣溫與該階段所持續(xù)的天數之間存在相關關系,日平均最高氣溫和日平均氣溫這兩個指標與播種~出苗階段持續(xù)天數的關系并不明顯。因此認為播種~出苗階段持續(xù)天數受到平均日最低氣溫的影響較大。通過線性擬合發(fā)現,隨著平均日最低氣溫的升高,出苗所用的時間逐漸縮短,并且縮短的趨勢會隨著最低溫的升高而減緩,當平均日最低氣溫達到15℃后,出苗持續(xù)時間縮短的趨勢逐漸放緩(圖6)。同樣,出苗~拔節(jié)持續(xù)時間隨著播期的延后逐漸縮短,這也可以解釋為由于播期較晚,直接導致在玉米生長過程中所經歷的日均溫、日最高溫度和日最低溫度都有所升高。拔節(jié)~吐絲階段,各播期持續(xù)時間沒有明顯差異,可能是因為這期間各項溫度指標的差異隨著氣候不斷變暖而逐漸減小,溫度的變化不足以對玉米生長速度產生影響,即平均日均溫都在20℃以上,平均日最低氣溫都在18℃以上。由圖5可知,到了吐絲~成熟階段,持續(xù)時間隨著播期的延后而延長,延長的幅度不十分明顯,但趨勢非常顯著。因此認為,這是由于氣候變化使得平均日均溫和平均日最低氣溫都呈降低的趨勢所造成的。可以說明在此階段各項溫度指標對玉米生長發(fā)育速度的影響較大。
圖5 不同播期玉米發(fā)育期平均持續(xù)時間Fig.5 The average durations of differentmaize developmental stages under different sowing dates
圖6 平均日最低溫與播種~出苗持續(xù)時間的關系Fig.6 The relationship between the average dailyminimum temperature and the duration of sowing to seedling
2.3 吐絲~成熟期間≥10℃活動積溫對玉米產量的影響
通過以上分析可以認為,吐絲~乳熟期LAI的變化情況雖然與干物質積累程度有關,但是并不能完全從LAI的情況來預測產量的多少。因此,決定產量的直接因素可能是灌漿期的持續(xù)時間以及這期間的熱量條件。分別對莊河和錦州兩地吐絲~成熟期的各播期活動積溫與產量關系進行了擬合(見圖7)。發(fā)現莊河與錦州兩地玉米產量與吐絲~成熟期≥10℃的活動積溫之間均為拋物線關系,其數學方程分別為 y=-0.0017x2+5.0922x-3078.2和 y=-0.0025x2+7.7262x-4908(y代表產量,x代表吐絲~成熟期≥10℃活動積溫),此期≥10℃活動積溫在1 150~1 550℃·d之間時,產量隨積溫增加而增加,兩地產量最高值所對應的吐絲~成熟期≥10℃活動積溫分別為1 497.7℃·d和1 545.2℃·d。由此可見,玉米生長的優(yōu)劣不僅與由平均日均溫和平均日最低氣溫所影響的吐絲~成熟期持續(xù)時間有關,而且與該期間≥10℃活動積溫也有很大關系。
2.4 吐絲~成熟期間平均氣溫日較差對玉米產量的影響
吐絲~成熟期的平均氣溫日較差對產量的影響與此期≥10℃活動積溫的影響是一致的(見圖8),產量與吐絲~成熟期平均氣溫日較差的關系也為拋物線關系,莊河與錦州兩地的方程分別為 y=-37.373x2+608.05x-1793.9和 y=-47.462x2+799.12x-2331.7(y代表產量,x代表吐絲 ~成熟期的平均氣溫日較差),產量最大值所對應的吐絲~成熟期平均氣溫日較差莊河與錦州兩地區(qū)分別為8.1℃和 8.4℃。說明吐絲 ~成熟期 8℃~8.5℃的平均氣溫日較差有利于玉米在該期間的干物質積累,從而提高產量。
圖7 吐絲~成熟期活動積溫與產量之間的關系Fig.7 The relationship between the accumulated temperature of silking tomaturity and yield
圖8 吐絲~成熟期平均日較差與產量之間的關系Fig.8 The relationship between the diurnal temperature range of silking tomaturity and yield
從上述分析可以看出,在整個生育期,日最低溫度在15℃左右時可以提高玉米生長初期的生長速率,而到了吐絲~成熟期的活動積溫在1 500℃·d和日較差在8.0℃~8.5℃之間時,才最有利于玉米產量的提高。而日最低氣溫因素對過早播種的處理影響較大,使出苗持續(xù)時間延長,并不能使玉米生長效率達到最大;但是過于晚播又會使之后的灌漿階段錯過最適宜的活動積溫和日較差時段。所以,只有適當選取播種時間,才有助于提高玉米的生長速率和產量。
本文中分期播種試驗均在符合當地玉米生長氣候的條件下進行,因此可以用來說明熱量條件的差異對玉米生長及產量的影響。蔡福等[16]利用遼寧省莊河市2012年的玉米分期播種試驗進行過類似的研究,所得結論與本次試驗相近,但并沒有全面地得出各個生育階段所需的最適溫度具體數值范圍。本試驗結果認為隨著平均日最低氣溫的升高,出苗持續(xù)時間不同程度縮短,表明隨著溫度的升高出苗速率逐漸加快,達到15℃后速率再逐漸減慢。說明過早播種并不能使玉米出苗的時間提前,適當地延后播種時間,才有可能達到較高的效率。到了抽雄~吐絲期,整個時期的熱量水平相對于其它階段來說是處于一個較為穩(wěn)定而且均值較高的范圍內,即日均溫都在20℃以上,平均日最低氣溫都在18℃以上,所以各個播期間并沒有明顯的差異。在整個灌漿期,隨著播期的延后,各播期玉米在該階段經歷的溫度條件均呈遞減趨勢,導致播期越晚該階段持續(xù)時間越長。這足以說明熱量條件對灌漿期有明顯的影響,其中日較差和≥10℃活動積溫在此期間起到了重要作用。對于活動積溫,即使再長的灌漿時間,如果沒有達到一個較高的溫度閾值,即氣溫日較差保持在8.0℃~8.5℃范圍內,活動積溫保持在1 500℃·d左右,都將不會使產量最大化。同樣,一定大小的日較差也是確保干物質積累的重要保障,過高或過低的日較差將抑制葉片干物質向籽粒轉移。而對于平均日最低氣溫來說,較高或較低的平均日最低氣溫都會使玉米各個發(fā)育期的時間延長,只有在播種~出苗期間的平均日最低氣溫保持在15℃左右時,才能使玉米生長速率達到最高,因此,在東北地區(qū)不應過早的進行播種。
綜上所述,過早的播種對東北地區(qū)玉米來說并不會使產量有所提高,但過于晚播因灌漿期積溫偏低導致產量下降,同時也由于平均日最低氣溫的降低使灌漿期延長,這樣不僅產量下降,灌漿速率也會降低。由于氣候變暖,玉米各生育期所經歷的溫度指標均有所升高,將導致發(fā)育期縮短,灌漿時間也可能會減少,若日最低氣溫也升高將減小氣溫日較差,進而也將抑制干物質積累,最終導致產量降低。如果氣候變冷,玉米生長期會產生不同程度的延長,從而把灌漿期出現的時間延后,灌漿期持續(xù)時間也隨之延長,但由于大部分時間最低氣溫過低而不能保證干物質積累的順利進行,也將導致產量的下降。因此,選擇合理的播期是應對未來氣候不斷變化的情況之下保證較高產量的有效途徑。
在光照和土壤相對濕度適宜的情況下,溫度條件是影響玉米各個發(fā)育期持續(xù)時間的直接因素,其中出苗、苗期及灌漿期對溫度條件較為敏感,隨溫度升高而縮短,平均日最低氣溫在15℃時出苗持續(xù)時間達到最短,過高或過低的溫度都會使出苗持續(xù)時間延長,影響出苗速率。在營養(yǎng)生長階段,隨著播期的延后各項溫度指標(日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、≥10℃活動積溫)也隨之發(fā)生變化,LAI的差異出現在抽雄~乳熟階段,在此階段LAI波動幅度較小的播期干物質積累程度較好,根據結果來看,最終產量較高的播期也是LAI變化幅度較小的播期,因此得出結論,適當晚播會使玉米更好地進行干物質積累。由于受到氣溫日較差和活動積溫兩者的相互制約,玉米灌漿期氣溫日較差保持在8.0℃~8.5℃范圍內,積溫保持在1 500℃·d左右時,才最有利于產量的提高。
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Effect of sow ing date on grow th and yield ofmaize
LUO Xin-lan1,CUIJia-long1,CAIFu2,CHENWei3,ZHU Ming-yu1
(1.Shenyɑng Agriculturɑl University,Shenyɑng,Liɑoning 110866,Chinɑ;2.Institute of Atmospheric Environment,ChinɑMeteorologicɑl Administrɑtion,Shenyɑng,Liɑoning 110166,Chinɑ;3.Meteorologicɑl Bureɑu of Beipiɑo City,Beipiɑo,Liɑoning 122100,Chinɑ)
The effectof temperature onmaize growth and yield capacity in Liaoning Provincewere analyzed based on experimental data of different sowing dates in test plots of Zhuanghe and Jinzhou city from 2012 to2014.With an interval of10 to 15 days and(stand)planting density of 4.2 plant·m-2,the testwas undertaken in 5 different sowing dates,each ofwhich was divided into 4 subsections so as to observemaize growth indices.The results showed that therewas a negative correlation relationship between the duration of themaize growth ateach development period and the corresponding temperaturewhile the sunlightand soilmoisture conditionswere appropriate in the two places.The duration period of sowing to seedling emergence was short when the daily minimum temperature was below 15℃,while it gradually increased when the temperaturewas over 15℃.The duration of tasseling tomaturation period prolonged as the sowing date was delayed.There was no significant difference in the period of seedling emergence to tasseling while different sowing dateswere in the same temperature condition.More beneficial tomaize yield was that the≥10℃ active accumulated temperature was about1 500℃·d and the daily range of temperaturewas about8.0℃~8.5℃ from tasseling tomaturation period.
different sowing dates;maize;growth;yield
S513.01
A
1000-7601(2017)05-0014-07
10.7606/j.issn.1000-7601.2017.05.03
2016-06-17
2016-10-27
遼寧省公益性行業(yè)(氣象)科研專項“東北地區(qū)春玉米農業(yè)氣象指標體系研究”(GYHY201206018);遼寧省農業(yè)領域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目“基于作物模型的干旱脅迫對玉米生長和產量影響機制及評估研究”(2015060);遼寧省氣象局博士啟動項目“基于氣候適宜度模型的遼寧玉米生長狀況評價及災害診斷”(D201504)
羅新蘭(1968—),女,黑龍江依蘭人,博士,副教授,主要從事應用氣象、作物模擬系統(tǒng)的教學與研究工作。E-mail:luoxinlan@tom.com。
蔡 福(1981—),男,遼寧海城人,博士,副研究員,主要從事農業(yè)氣象及陸面過程研究。E-mail:caifu 80@163.com。