不同生育期干旱對玉米生長及產(chǎn)量的影響模擬

黃巖 李晶 王瑩 張曉月 李雨鴻 焦敏 周斌 王賀然

摘要 利用作物生長模型模擬苗期、拔節(jié)期和灌漿期發(fā)生不同時長干旱（用連續(xù)無雨日數(shù)表示）時玉米的生長過程，分析單一發(fā)育期干旱發(fā)生干旱對玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，苗期發(fā)生5～40 d的持續(xù)干旱，對玉米籽粒灌漿無明顯影響，最終產(chǎn)量無明顯變化。拔節(jié)期或灌漿期分別發(fā)生5～40 d的持續(xù)干旱，均會對玉米籽粒灌漿產(chǎn)生負面影響，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降，且干旱持續(xù)時間越長對灌漿的影響越早，減產(chǎn)越嚴重。當(dāng)玉米拔節(jié)期持續(xù)干旱5～10 d時，2013年和2016年的最終產(chǎn)量均無明顯變化;持續(xù)干旱15～20 d時，2013年減產(chǎn)10%以內(nèi)，2016年減產(chǎn)20%以內(nèi)。持續(xù)干旱25～40 d時，2013年減產(chǎn)15%～62%，2016年減產(chǎn)30%～67%。當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱5～30 d時，2013年玉米產(chǎn)量基本無明顯影響;當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱5～10 d時，2016年玉米產(chǎn)量基本無明顯影響;當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱15～30 d時，2016年玉米減產(chǎn)1.8%～8.20%?？梢?，拔節(jié)期同等程度干旱造成的玉米減產(chǎn)幅度均大于苗期和灌漿期干旱。

關(guān)鍵詞 干旱;作物模型;產(chǎn)量;影響模擬

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）06-047-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.017

Impact Simulation of Drought on Maize Growth and Yield in Different Growth Stages

HUANG Yanet al（Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing Center of Liaoning Province，Shenyang，Liaoning 110166）

Abstract In order to explore the impacts of drought occurred in single development stage respectively on the growth formation and yield of maize，the growth formation and yield were simulated by WOFOST under different drought grades at seedling stage，jointing stage and filling stage. The drought grades were indicated by the number of no rain days. The results showed that 5 days to 40 days continuous drought occurred at single development stage affected on the growth and yield formation. The longer the drought period was，the larger yield reduction rate got. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the seedling stage. And the reduction rate was also not obvious changed when continuous drought for 5-10 days，occurred at the jointing stage. The reduction rate was 1.37% and 6.54%，7.55% and 18.78%，16.81% and 32.96%，33.28% and 52.96%，53.22% and 60.17%，61.09% and 66.84% when continuous drought for 15 days，20 days，25 days，30 days，35 days，40 days，occurred at the jointing stage of 2013 and 2016，respectively. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the filling stage of 2013. The yield reduction rate was 1.80%-8.20% when continuous drought for 15-30 days occurred at the filling stage. The results indicated that yield reduction was more significant when drought occurred at the jointing stage than that at the other two stages. The results could provide scientific basis for maize planting and drought disaster mitigation in the northeast of China.

Key words Drought;Crop model;Yield;Impact simulation

玉米是我國三大糧食作物和重要飼料作物之一，玉米播種面積約占我國耕地面積的20%，產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的25%[1]。1951—2000年東北地區(qū)南部向干旱發(fā)展，這顯然與全球氣候變暖的大背景有關(guān)[2]。干旱對玉米的生長發(fā)育產(chǎn)生影響從而最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降，一般可使玉米減產(chǎn)20%～30%，是影響玉米生產(chǎn)的重要因素[3]。玉米產(chǎn)量下降的程度不但取決于干旱的嚴重程度，還取決于干旱發(fā)生時玉米的生長階段。干旱發(fā)生的程度、持續(xù)時間及生育進程的不同，對玉米產(chǎn)量的影響有所不同[4]。不同生育時期干旱的研究結(jié)果表明，任何生育時期的土壤干旱均會導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，其中拔節(jié)期干旱減產(chǎn)較重，苗期相對較輕[5]。初夏旱對春玉米的產(chǎn)量影響較大，春旱和伏旱對春玉米產(chǎn)量、初夏旱和伏旱對夏玉米產(chǎn)量影響均較小[6]。目前，玉米在不同發(fā)育階段受到不同程度干旱影響下產(chǎn)量的定量響應(yīng)特征研究較少，運用作物模型進行玉米干旱模擬研究能夠較好地彌補田間水分控制試驗的不足，同時能夠更加細致地模擬不同發(fā)育階段受到干旱影響的玉米產(chǎn)量的定量變化。因此，筆者擬基于WOFOST作物生長模型，模擬分析不同持續(xù)日數(shù)干旱對東北地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響，為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地為遼寧省錦州農(nóng)業(yè)氣象試驗站。錦州所在區(qū)域?qū)俚湫蜏貛Ъ撅L(fēng)型氣候，年平均氣溫9.5℃，1月平均氣溫-8.0℃，7月平均氣溫24.4℃，年均降水量565.9 mm，主要作物玉米的生育期為5—9月，土壤為典型棕壤。土壤凋萎濕度為0.105 cm3/cm3，田間持水量為0.361 cm3/cm3，飽和含水量為0.519 cm3/cm3。

1.2 干旱模擬試驗研究

供試玉米品種為丹玉39。干旱模擬時段選擇在玉米的苗期、拔節(jié)期和灌漿期，模擬時間從苗期、拔節(jié)期和灌漿期的第5 d開始，設(shè)置玉米生長季內(nèi)單一發(fā)育期發(fā)生干旱3種處理情景。單一發(fā)育期發(fā)生干旱指在正常年景下苗期、拔節(jié)期和灌漿期分別發(fā)生持續(xù)時間為5、10、15、20、25、30、35和40 d的干旱，苗期分別記為M05、M10、M15、M20、M25、M30、M35、M40，拔節(jié)期分別記為B05、B10、B15、B20、B25、B30、B35、B40，灌漿期分別記為G05、G10、G15、G20、G25、G30、G35、G40。該研究將干旱定義為在正常降水條件下，從控水開始，將氣象要素中的降水量均設(shè)定為0，其余氣象要素不變。

1.3 減產(chǎn)率的計算

以2013、2016年為模擬年份，同時為了使其更接近正常年份，模擬時將2013、2016年氣象要素中的逐日降水量以多年平均值（1981—2010年）替代，其他要素均采用2013、2016年的逐日實測值，并將其記為CK，相應(yīng)地其模擬產(chǎn)量值記為Yck（kg/hm2）。干旱條件下模擬的產(chǎn)量與正常年份的模擬產(chǎn)量作對比得到減產(chǎn)率，即

Di=×100（1）

式中，Di為第i年不同程度干旱下（干旱持續(xù)日數(shù)為5、10、15、20、25、30、35、40 d等）的減產(chǎn)率（%），若Di為正數(shù)，則為增產(chǎn)率;Ydi為第i年不同程度干旱下模擬的產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4 作物模型及其適宜性檢驗

1.4.1 模型簡介 WOFOST模型是荷蘭開發(fā)的一個著名的機理性模型，描述作物的基本生理過程，包括光合作用、呼吸作用等，并描述這些過程如何受環(huán)境影響，模擬步長為日。模型采用“積溫法”，以溫度為驅(qū)動，模擬作物發(fā)育過程。

1.4.2 模型參數(shù)的調(diào)試與確定 準確的參數(shù)是模擬結(jié)果準確和穩(wěn)定的前提，需根據(jù)歷史資料，進行模型參數(shù)的本地化。作物模型參數(shù)主要包括作物參數(shù)和土壤參數(shù)。作物參數(shù)又包括發(fā)育參數(shù)和生長參數(shù)。發(fā)育參數(shù)主要包括不同發(fā)育階段所需的有效積溫和光周期影響因子等，這些參數(shù)是作物品種的固有屬性，該研究主要根據(jù)前人研究成果和實際發(fā)育期計算得到。生長參數(shù)主要包括光合速率、呼吸速率、比葉面積、光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化系數(shù)、干物質(zhì)分配系數(shù)及葉片衰老系數(shù)等，這些參數(shù)的確定主要來自于田間試驗數(shù)據(jù)，并采用“試錯法”進行訂正和確定。土壤參數(shù)主要包括與土壤本身特性相關(guān)的物理參數(shù)和初始條件，如凋萎濕度、田間持水量、飽和含水量、飽和導(dǎo)水率、下滲速率以及初始土壤水分含量等，這些參數(shù)主要根據(jù)實際田間土壤成分測定結(jié)果而獲得，部分參數(shù)依據(jù)前人研究成果而定。

為確保參數(shù)本地化后的模型不受典型氣象災(zāi)害年、氣候變化等的影響，以及以后區(qū)域化應(yīng)用，選擇2010、2011年的氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)進行參數(shù)本地化。結(jié)果顯示，玉米開花天數(shù)模擬值與實測值相差2 d，玉米成熟天數(shù)模擬值與實測值相差2 d，產(chǎn)量模擬值與實測值均方根誤差為166.88 kg/hm2。由此可見，模型對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量模擬效果較好，參數(shù)本地化具有較好的初步效果。

1.4.3 模型適宜性檢驗 通過模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果的圖形比較以及各項評價指標來評價模型在錦州的適宜性。采用以下統(tǒng)計量作為檢驗?zāi)Ｐ偷闹笜耍耗M值與實測值間的決定系數(shù)（R2）、歸一化均方根誤差（NRMSE）。其中，R2可反映模擬值與實測值間的一致性，其值愈接近1說明模擬效果愈好;NRMSE值反映了模擬值與實測值間的絕對誤差和相對誤差，其值愈小，表明誤差值愈小[7]。以2012—2017年連續(xù)6年的發(fā)育期和同期產(chǎn)量對確定的模型參數(shù)進行適宜性檢驗，結(jié)果見表1和圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期干旱對玉米產(chǎn)量的影響模擬

由圖2可知，當(dāng)玉米苗期持續(xù)干旱5～40 d時，最終產(chǎn)量比CK略增?？梢姡绻缙诎l(fā)生干旱，對玉米最終產(chǎn)量沒有產(chǎn)生負面影響，這與紀瑞鵬等[1]的研究一致。

2.2 拔節(jié)期干旱對玉米產(chǎn)量的影響模擬

由圖3可知，當(dāng)玉米拔節(jié)期持續(xù)干旱5～10 d時，2013年和2016年的最終產(chǎn)量均無明顯變化;持續(xù)干旱15、20、25、30、35、40 d時，2013年分別減產(chǎn)1.37%、7.55%、16.81%、33.28%、53.22%和61.09%，2016年分別減產(chǎn)6.54%、18.78%、32.96%、52.96%、60.17%和66.84%。可見，拔節(jié)期發(fā)生15～40 d的持續(xù)干旱，會對玉米籽粒灌漿產(chǎn)生負面影響，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低，且干旱持續(xù)時間越長，對灌漿的影響越早，減產(chǎn)越嚴重。

2.3 灌漿期干旱對玉米產(chǎn)量的影響模擬

由圖4可知，當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱5～20 d時，2013年的最終產(chǎn)量無明顯變化;持續(xù)干旱25、30 d時，2013年分別減產(chǎn)0.09%和0.12%，基本無影響;當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱5～10 d時，2016年的最終產(chǎn)量無明顯變化;持續(xù)干旱15、20、25和30 d時，2016年分別減產(chǎn)1.75%、3.87%、6.06%和8.10%?？梢?，灌漿期發(fā)生干旱對玉米的影響與前期生長狀況等多方面因素有關(guān)?？傮w看，灌漿期發(fā)生15～30 d的持續(xù)干旱，會對玉米籽粒灌漿產(chǎn)生負面影響，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低，且干旱持續(xù)時間越長，對灌漿的影響越早，減產(chǎn)越嚴重。與拔節(jié)期相比，灌漿期發(fā)生相同持續(xù)時間的干旱，其受影響程度和減產(chǎn)幅度均小于拔節(jié)期。

3 結(jié)論與討論

玉米苗期、拔節(jié)期和灌漿期分別發(fā)生持續(xù)日數(shù)相同的干旱時，拔節(jié)期干旱對玉米產(chǎn)量的影響程度最大，苗期影響最小。表明玉米苗期較為耐旱，拔節(jié)以后對水分虧缺的敏感性增強。具體表現(xiàn)為當(dāng)玉米苗期持續(xù)干旱5～40 d時，2013、2016年模擬最終產(chǎn)量略增。當(dāng)玉米拔節(jié)期持續(xù)干旱5～10 d時，2013年和2016年玉米的最終產(chǎn)量均無明顯變化;持續(xù)干旱15～20 d時，2013年減產(chǎn)10%以內(nèi)，2016年減產(chǎn)20%以內(nèi)。持續(xù)干旱25～40 d時，2013年減產(chǎn)15%～62%，2016年減產(chǎn)30%～67%。當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱5～10 d時，2013年和2016年玉米的最終產(chǎn)量基本無明顯影響;當(dāng)玉米灌漿期持續(xù)干旱15～30 d時，2013年玉米產(chǎn)量無明顯影響，2016年玉米減產(chǎn)1.8%～8.2%。

干旱對作物的危害程度與其發(fā)生的生育階段、持續(xù)時間長短以及作物的自身品種特性如品種類型等有關(guān)。玉米生育期需水量與品種、氣候等多方面因素有關(guān)，在不同生長發(fā)育期，其需水量也不盡相同。苗期水分脅迫結(jié)束后，植株可快速地部分或全部彌補前期干旱所減少的生長量，而且苗期適當(dāng)干旱可促進玉米根系的發(fā)育，從而增強抗旱能力[5]。拔節(jié)期后，需水逐漸增多，抽雄吐絲期是玉米的水分臨界期，如果這時供水不足或不及時，對產(chǎn)量影響很大[8]。該研究對苗期、拔節(jié)期、灌漿期不同階段干旱進行模擬試驗，從模擬結(jié)果上看，當(dāng)玉米在苗期、拔節(jié)期和灌漿期分別發(fā)生干旱，且發(fā)生持續(xù)日數(shù)相同的干旱時，拔節(jié)期干旱對產(chǎn)量形成的影響程度最大。即苗期較為耐旱，拔節(jié)以后玉米對水分虧缺越來越敏感，灌漿期影響較小。這一研究結(jié)論與白向歷等[5，9]的研究結(jié)果相一致，符合玉米全生育期需水規(guī)律。因此，玉米拔節(jié)至抽孕穗期要及時補充水分，以滿足其正常生長發(fā)育需要。

該研究采用數(shù)值模擬的方法，研究結(jié)論是針對單站的結(jié)果，且干旱的影響效應(yīng)還與選擇的玉米品種熟型有關(guān)，相關(guān)研究有待進一步深入。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹