夏玉米生產(chǎn)氣候適宜度研究

魯鎮(zhèn)勝 李艷琴 段宸宇 芮孟閣 王克如 郭棟 彭繼偉

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2013—2019年舞陽縣蓮花鎮(zhèn)，舞陽縣總秋作物種植面積4.87萬hm2，其中，優(yōu)質(zhì)專用玉米種植面積1.23萬hm2。舞陽縣屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，光、水資源豐富，雨熱同季，降水量年際變幅較大，分布不均，災(zāi)害性天氣發(fā)生較為頻繁。主要?dú)庀鬄?zāi)害有干旱、高溫、暴雨（雪）、寒潮、大風(fēng)、連陰雨、低溫冷害、晚霜凍、雷暴等。

（二）夏玉米氣候適宜度模型

舞陽縣夏玉米的生長季為每年的 6—9 月，可簡單劃分為播種期至出苗期、出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至吐絲期、吐絲期至成熟期4個(gè)生育階段。（見表1）各個(gè)生育階段的起止時(shí)間由舞陽縣農(nóng)業(yè)氣象站歷年平均計(jì)算而來，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，建立夏玉米生育期內(nèi)的溫度、降水、日照時(shí)數(shù)的模糊集，通過構(gòu)建各個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)，計(jì)算出夏玉米各生育期內(nèi)溫度、降水、日照對夏玉米生長發(fā)育的影響程度，采用幾何平均法計(jì)算同期光、溫、水的綜合氣候適宜度。

1.溫度適宜度模型。溫度適宜度是指不同生長階段農(nóng)作物在變溫過程中的適宜程度。適宜度的值域?yàn)?～1，值的大小代表著自然環(huán)境溫度對農(nóng)作物生長的適宜程度。本文利用夏玉米生育期內(nèi)溫度資料，建立的隸屬度模型為公式1和公式2。

2.降水適宜度模型。根據(jù)研究結(jié)果，夏玉米生育期內(nèi)降水量小于需水量的60%為輕旱，降水量大于需水量的150%時(shí)為輕澇。因此，定義降水量/需水量在60%～150%為降水適宜標(biāo)準(zhǔn)，本文利用夏玉米生育期內(nèi)降水資料，建立的降水隸屬度模型為公式3。

3.日照適宜度模型。本文利用夏玉米生育期內(nèi)的日照資料，建立的隸屬度模型為公式4。

4.綜合適宜度模型。夏玉米的生長和產(chǎn)量與周圍環(huán)境密切關(guān)聯(lián)，單個(gè)氣象因子或多因子對夏玉米生產(chǎn)的作用可能也會(huì)受到其他因素的加強(qiáng)、削弱甚至抵消。同時(shí)，適宜的溫度、降水和日照是夏玉米健康生長的前提和條件。為了評價(jià)溫度、降水與日照對夏玉米的綜合影響，本文引出綜合適宜度，并建立夏玉米各個(gè)生育期、全生育期綜合氣候適宜度模型（如公式5、公式6），綜合適宜度能夠反映該區(qū)的光、熱、水等資源的組合過程對農(nóng)作物生長可提供的氣候資源及它們之間的匹配程度，同時(shí)也可以反映出農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候過程的區(qū)域差異。綜合適宜度值越大，表明環(huán)境越有利于作物生長發(fā)育，當(dāng)年糧食就可能增產(chǎn)，達(dá)到豐產(chǎn)年;如果適宜度較低，糧食可能減產(chǎn)，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)控仍有提升的空間，作物產(chǎn)量還可以不斷提高。

二、結(jié)果與分析

（一）玉米全生育期各氣候因子及綜合氣候適宜度的年際變化

根據(jù)公式1至公式6計(jì)算得出，玉米全生育期內(nèi)溫度、日照、降水適宜度均值分別為0.947、0.850、0.783，表明溫度適宜度維持在較高水平、多年來波動(dòng)較小、光照條件比較穩(wěn)定，有利于玉米生長，降水適宜度低且波動(dòng)最強(qiáng)，可見在氣候變化的背景下降水的負(fù)效應(yīng)正在增強(qiáng)，在一定程度上增加了糧食生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性。玉米全生育期綜合氣候適宜度平均值為0.831，降水、溫度及光照基本能夠滿足玉米的正常生長需要，與玉米實(shí)際生產(chǎn)情況相符，綜合適宜度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，總體變化幅度不明顯，無明顯的周期。由此可以說明，夏玉米對氣候的綜合適宜度變化相對比較穩(wěn)定。

（二）玉米不同生育階段氣候適宜度的變化

1.播種期至出苗期各氣候因子適宜度。播種期至出苗期光照、溫度適宜度較好，均為0.972。降水適宜度較低為0.712，以0.3為振幅在平均值上下以5年左右的周期波動(dòng)，表明在播種期至出苗期降水適宜性極不穩(wěn)定，降水是影響玉米播種出苗的主要原因。溫度適宜度在該生育階段的波動(dòng)不大，適宜性較高。光照適宜度在20世紀(jì)七八十年代適宜性較好，但波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代中后期，適宜性減弱。綜合適宜度平均為 0.838，呈逐年降低趨勢，但變化幅度不大。

2.出苗期至拔節(jié)期各氣候因子適宜度。出苗期至拔節(jié)期降水、光照的氣候適宜度為全生育期最低，平均分別為0.68、0.685，溫度適宜度為0.947。降水適宜度呈逐年下降趨勢，20 世紀(jì) 90 年代與 20 世紀(jì) 七八十年代相比，降水適宜度總體下降了0.106，可見，近30年玉米在出苗期至拔節(jié)期的降水適宜性較差，自然降水往往不能滿足玉米出苗、拔節(jié)的需要。夏秋兩季日照時(shí)數(shù)降低幅度較大，對玉米正常的拔節(jié)生長影響較大，導(dǎo)致光照適宜度較低。溫度適宜度總體呈上升趨勢，但波動(dòng)不大。綜合氣候適宜度在該生育階段的平均值是玉米全生育期的最低值（0.734）且呈逐年降低趨勢，由此可見，玉米在出苗期至拔節(jié)期各氣候因子的有效匹配影響了玉米的生長發(fā)育。

3.拔節(jié)期至吐絲期各氣候因子適宜度。拔節(jié)期至吐絲期玉米營養(yǎng)器官生長迅速，生殖器官強(qiáng)烈分化，是玉米一生中生長最旺的時(shí)期，溫度、光照和降水適宜度平均值分別為 0.921、0.945 和 0.838，玉米對溫度、光照和降水的適宜性均較好。降水適宜度呈增加趨勢，隨年份的波動(dòng)較大，以0.024/10年的線性趨勢上升，光照適宜度隨年份呈減少趨勢，溫度適宜度變化不明顯。綜合適宜度為玉米全生育期的最高值為0.888，綜合氣候適宜度總體變化較小，但90年代后波動(dòng)較大，總體來看，該生育期各氣候因子匹配效果較好，有利于玉米的生長。

4.吐絲期至成熟期各氣候因子適宜度。吐絲期至成熟期溫度、光照和降水適宜度平均值分別為 0.949、0.797 和 0.901，玉米對溫度和降水的適宜性較好，對光照的適宜性較差，吐絲期至成熟期階段常常因?yàn)檫B陰雨天氣而影響玉米正常成熟。溫度適宜度為全生育期最高的時(shí)段，線性變化不明顯，20世紀(jì)80年代中后期及21世紀(jì)初的溫度適宜度較高。光照適宜度以0.017/10年的趨勢減小，適宜度較高的值出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初、80年代末及 90 年代初。降水適宜度呈減小趨勢，降水對玉米該生育階段的影響較大，21世紀(jì)以來隨年份的波動(dòng)較大，20 世紀(jì) 70 年代初及21世紀(jì)初的適宜度值較低，其余年份均較高。綜合氣候適宜度平均值為0.870，夏玉米對溫度、光照和降水的適宜性均較好，但21世紀(jì)以來，下降幅度變大，各氣候因子匹配效果較差。

通過計(jì)算不同階段氣候要素適宜度與產(chǎn)量之間的相關(guān)性進(jìn)行模型合理性檢驗(yàn)，結(jié)果表明（見表2），全生育期日照適宜度和綜合適宜度與產(chǎn)量的相關(guān)性分別達(dá)極顯著和顯著水平。拔節(jié)期至吐絲期是夏玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，各氣候要素對產(chǎn)量形成的相關(guān)性均達(dá)顯著水平，吐絲期至成熟期主要受日照影響;綜合適宜度在拔節(jié)期至吐絲期與夏玉米產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)顯著水平，其他生育期相關(guān)性不顯著。通過計(jì)算各生育期氣候適宜度的相關(guān)系數(shù)以及合理性檢驗(yàn)的顯著性結(jié)果，舞陽夏玉米綜合氣候適宜性模型模擬結(jié)果與夏玉米的氣候產(chǎn)量具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.298，通過了臨界值（r=0.05）檢驗(yàn)，相關(guān)性達(dá)到顯著水平。說明本研究建立的夏玉米氣候適宜度模型較好地反映了夏玉米的氣候適宜性水平和變化趨勢，能夠?yàn)榻窈蠓治鰵夂蜃兓瘜υ摰貐^(qū)玉米生產(chǎn)的影響以及夏玉米氣候適宜性評價(jià)提供科學(xué)的依據(jù)。

三、結(jié)論與討論

在氣候變暖的大背景下，本文運(yùn)用數(shù)學(xué)模型法分析了夏玉米溫度適宜度，水分適宜度和日照適宜度，通過幾何分析法反映出氣候要素變化的適宜程度的綜合值。通過分析夏玉米對氣候變化的適應(yīng)性研究，探明夏玉米的適宜度變化以及影響夏玉米生長發(fā)育的不利氣候因素，為舞陽縣改善農(nóng)作物生長環(huán)境，提高作物的相對適宜能力，并為提高適應(yīng)性提供針對性的措施。

舞陽縣夏玉米全生育期溫度、日照、降水及綜合氣候適宜度分別為0.947、0.850、0.783、0.831，降水適宜度最低且波動(dòng)最強(qiáng)。由此可知，降水是限制玉米正常生長發(fā)育的主要?dú)夂蛞蜃?。?0年來，溫度適宜度維持在較高水平，多年來波動(dòng)較小，降水和日照適宜度以0.005/10年和0.014/10年的速率增高，綜合氣候適宜度以0.007/10年的速率呈逐年降低趨勢，說明環(huán)境因子匹配效果變差。

從各生育階段來說，播種期至出苗期綜合適宜度為0.834，此階段水分脅迫較大，氣象條件不穩(wěn)定，自然降水往往不能滿足出苗的需要;出苗期至拔節(jié)期綜合適宜度為0.734，日照時(shí)數(shù)多變，降水適宜度最低且波動(dòng)較大，各氣候因子匹配較差;拔節(jié)期至吐絲期綜合適宜度為0.888，溫度、日照適宜度最高，各因子組合效果較好;吐絲期至成熟期綜合適宜度為0.870，溫度、降水適宜度較好，日照適宜度較低且波動(dòng)較大，對玉米灌漿和成熟有不利的影響。舞陽地區(qū)夏玉米各生育期和全生育期綜合適宜度在一定的范圍內(nèi)變化，變化幅度較小，可以說明雖然氣候突變的發(fā)生，會(huì)造成夏玉米對溫度、降水量、熱量以及日照時(shí)數(shù)的適宜度也隨之出現(xiàn)不同程度的突變，但夏玉米對氣候的綜合適宜度變化相對比較穩(wěn)定。今后玉米生產(chǎn)中，應(yīng)采取加大水利設(shè)施投入、選用抗逆性強(qiáng)的品種、加強(qiáng)玉米后期管理等措施，減輕氣象災(zāi)害對夏玉米生長發(fā)育的影響，提高夏玉米的產(chǎn)量。