魯中地區(qū)夏玉米主要生育期和產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)

劉春曉，呂建華，王昊，丁繼民，高英波，張慧，汪黎明，方志軍，董瑞，劉鐵山

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所／小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室／農(nóng)業(yè)部黃淮海北部玉米生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100；2.山東省種子管理總站，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省氣候中心，山東濟(jì)南 250031；4.東平縣銀山鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東東平 271513）

玉米已經(jīng)成為我國第一大糧食作物，也是重要的經(jīng)濟(jì)、飼料作物，對我國糧食安全具有舉足輕重的作用［1-3］。種植業(yè)是對氣候變化最敏感的領(lǐng)域之一。氣候變化通過溫度、降水等變化的綜合作用改變農(nóng)作物生長發(fā)育過程中光照、熱量、水分的分配而影響其生產(chǎn)力，從而對作物生長、產(chǎn)量、病蟲害防治、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力及農(nóng)業(yè)管理等產(chǎn)生影響［4，5］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)逐漸成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。

氣候與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。近年來，關(guān)于氣候變化對農(nóng)作物生育期及產(chǎn)量的影響許多專家進(jìn)行了大量研究。劉昌等［6］用山東省1983—2015年34個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，通過線性回歸分析了其對山東省冬小麥、夏玉米單產(chǎn)的影響，結(jié)果表明，山東省冬小麥、夏玉米單產(chǎn)及冬小麥-夏玉米周年單產(chǎn)呈明顯的上升趨勢，平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)增加對冬小麥單產(chǎn)有促進(jìn)作用，降水量增加對冬小麥增產(chǎn)影響最顯著；夏玉米對平均氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)的增加表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，最高氣溫和降水量的增加有利于夏玉米增產(chǎn)。張潔等［7］通過研究河西走廊中部30年來氣候變化情況及其對主要農(nóng)作物生育期和產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣溫、降水等氣候因素均能不同程度地影響春小麥、玉米的生育期及產(chǎn)量，且地域性差異顯著。

山東省是我國夏玉米主產(chǎn)區(qū)，播種面積、產(chǎn)量、加工能力、產(chǎn)值均居全國前3位，在我國玉米生產(chǎn)中具有重要地位。本研究重點(diǎn)分析了魯中地區(qū)3個(gè)典型縣區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)6個(gè)代表性玉米品種生長階段的氣候變化和生育進(jìn)程及產(chǎn)量情況，以期為充分合理利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源、準(zhǔn)確評估玉米生產(chǎn)力、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和田間管理提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東?。?4°22.9′～38°24.01′N，114°47.5′～122°42.3′E）地處我國東部沿海、黃河下游，屬溫帶季風(fēng)性氣候，光照資源充足，年日照時(shí)數(shù)2 290～2 890 h，無霜期180～220 d，年均降水量550～950 mm，降水季節(jié)分布不均衡，多數(shù)集中在6月下旬—9月上旬。雨熱同季，自然條件對玉米生長發(fā)育極為有利，是夏玉米的典型種植區(qū)，栽培制度以冬小麥-夏玉米輪作為主，是全國糧食作物主要產(chǎn)區(qū)之一。其中，魯中地區(qū)是山東省的重要玉米產(chǎn)區(qū)，常年總種植面積73萬hm2［8］。本區(qū)域主要包括濟(jì)南、淄博、濰坊、臨沂的大部和泰安、日照的全部。本研究選擇章丘（36°44′N，117°34′E）、岱岳（36°00′N，117°00′E）、東平（35°53′N，116°21′E）3個(gè)典型縣區(qū)定位開展品種篩選試驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需氣象數(shù)據(jù)由山東省氣候中心提供，包括魯中地區(qū)3個(gè)農(nóng)業(yè)氣象基本觀測站（章丘、岱岳、東平）2017—2018年夏玉米生育期內(nèi)平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)。

玉米生育時(shí)期及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于山東省玉米主推生態(tài)鑒定示范試驗(yàn)。品種示范試驗(yàn)根據(jù)國家、省級審定品種（含綠色通道和聯(lián)合體試驗(yàn)）及同一生態(tài)區(qū)引種備案品種情況，征集了6個(gè)玉米品種（YF3240、登海605、金來318、京農(nóng)科 736、先玉047、鑫豐388）。各站點(diǎn)內(nèi)統(tǒng)一播種，統(tǒng)一管理，田間管理略高于當(dāng)?shù)厣a(chǎn)水平。種植密度按各品種最適密度設(shè)置。調(diào)查記錄各試驗(yàn)點(diǎn)各品種的生育期進(jìn)程，成熟期小區(qū)測產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Sigmaplot 12.5和 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017—2018年玉米生育期氣候變化分析

2.1.1 溫度變化情況 從圖1、圖2可以看出，章丘、岱岳、東平3個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)2017年、2018年夏玉米主要生育期（6—9月）平均氣溫變化大體一致。2017年章丘玉米生育期平均氣溫維持在16.7～32.7℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月11日，最低氣溫出現(xiàn)在9月28日，高溫期出現(xiàn)在7月8日至14日左右，日平均氣溫為 29.9～32.7℃；2018年，章丘玉米生育期平均氣溫維持在16.6～32.5℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月20日，最低氣溫出現(xiàn)在9月24日，高溫期出現(xiàn)在7月15日至23日左右，日平均氣溫高達(dá) 30.5～32.5℃。

2017 年岱岳玉米生育期平均氣溫維持在18.2～31.3℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月23日，最低氣溫出現(xiàn)在9月28日；2018年，岱岳玉米生育期平均氣溫維持在16.8～32.6℃，高溫期出現(xiàn)在7月13日至26日左右，日平均氣溫達(dá)到28.8～31.8℃，7月31日到8月12日左右又出現(xiàn)了一段高溫期。

東平2017年、2018年玉米生育期平均氣溫變化趨勢基本與章丘、岱岳一致，最高、最低溫度出現(xiàn)的日期也相差不大。

圖1 2017年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日平均氣溫變化情況

圖2 2018年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日平均氣溫變化情況

2.1.2 日照時(shí)數(shù)變化情況 由圖3和圖4看出，章丘、岱岳、東平3個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)均呈波動性變化，變化幅度在0～13 h之間。2017年7月15日至8月3日、8月23日至8月30日，2018年8月13日至8月19日，陰雨天氣較多，日照時(shí)數(shù)較少。生育后期日照時(shí)數(shù)基本都在10 h以下。玉米屬于短日照植物，在短日照條件下可以正常生長發(fā)育，12～14 h光照對玉米生長反而有抑制作用。由圖3和圖4的變化趨勢看出，在玉米生育期內(nèi)光照基本不會抑制玉米生長。

圖3 2017年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日照時(shí)數(shù)變化情況

圖4 2018年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日照時(shí)數(shù)變化情況

2.1.3 降水量變化情況 由圖5、圖6看出，2017年，3個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)的降雨主要集中在7月中下旬。其中章丘單日最大降雨量出現(xiàn)在8月9日，達(dá)到40.8 mm；岱岳最大降雨量出現(xiàn)在7月28日，達(dá)到69.8 mm；東平降雨量明顯高于章丘和岱岳，整個(gè)玉米生育期超過50 mm的降雨多達(dá)3次，最大降雨量出現(xiàn)在6月22日，高達(dá)109.3 mm。由于玉米當(dāng)時(shí)還未出苗，種植地塊排灌設(shè)施良好，未對其生長造成較大影響。2018年，降雨量明顯高于2017年，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)降雨時(shí)間比較一致，8月19日章丘、岱岳、東平三地均出現(xiàn)強(qiáng)降雨，降雨量分別高達(dá) 124.4、121.4、179.7 mm，東平在8月14日也出現(xiàn)150.0 mm的降雨。

2.2 2017—2018年玉米生育時(shí)期變化情況

由表1可知，各試驗(yàn)站點(diǎn)基本在6月13日左右播種，東平2017年播種較晚，在6月20日播種。各品種在不同試驗(yàn)站點(diǎn)的生育期差異不大。一般播種至出苗期5～7 d，此期溫度都能滿足玉米出苗需要，影響較大的是澆水情況，只要播種后及時(shí)澆水，出苗天數(shù)差異不大。出苗到抽雄時(shí)間為37～49 d，抽雄到吐絲時(shí)間為0～3 d，吐絲到成熟時(shí)間為52～68 d。生育期都在110 d左右。由于澆水時(shí)間、調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)不一致等主觀因素也會造成各生育時(shí)期的差異。

圖5 2017年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日降水量變化情況

圖6 2018年不同試驗(yàn)站點(diǎn)玉米生育期日降水量變化情況

根據(jù)玉米生長發(fā)育特點(diǎn)，將玉米全生育期劃分為營養(yǎng)生長（播種-抽雄）和生殖生長（抽雄-成熟）兩個(gè)階段。對兩個(gè)階段生育期時(shí)長與其對應(yīng)的積溫、總?cè)照諘r(shí)數(shù)和總降水量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。各品種玉米營養(yǎng)生長階段天數(shù)與總積溫值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97～0.99，與總?cè)照諘r(shí)數(shù)相關(guān)性不大，相關(guān)系數(shù)在0.41～0.70，與總降水量不存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在-0.02～0.38；各品種玉米生殖生長階段天數(shù)與總積溫值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)在0.80～0.95，與總?cè)照諘r(shí)數(shù)和總降水量相關(guān)性不大，相關(guān)系數(shù)分別在-0.19～0.09、-0.04～0.41。綜合來看，玉米生育期天數(shù)與總積溫相關(guān)性較大，對日照時(shí)數(shù)和總降水量變化不敏感。

2.3 2017—2018年玉米產(chǎn)量變化情況

由圖7可知，同一品種在不同地區(qū)種植，產(chǎn)量差異較大。2017年先玉047在岱岳站點(diǎn)的產(chǎn)量最高，達(dá)12 382.5 kg／hm2；產(chǎn)量最低的為鑫豐388，2017年在東平的產(chǎn)量僅為6 704.0 kg／hm2。章丘兩年的產(chǎn)量在8 550.0～9 600.0 kg／hm2，各品種兩年之間的產(chǎn)量差異不大，差值在60～870 kg／hm2，除登海605外，其余5個(gè)品種2017年產(chǎn)量均高于2018年。岱岳站點(diǎn)兩年的產(chǎn)量均高于章丘和東平，2017、2018年各品種產(chǎn)量分別比章丘高出2 212.5～2 871.0 kg／hm2、2 540.7～3 289.5 kg／hm2，比東平分別高出 1 594.5～5 033.6 kg／hm2、1 949.7～4 372.5 kg／hm2，產(chǎn)量在11 510.7～12 382.5 kg／hm2，各品種兩年間的產(chǎn)量差異也不大，差值在31.5～871.8 kg／hm2。東平兩年的產(chǎn)量在6 704.0～10 221.0 kg／hm2，各品種兩年間差異較大，差值高達(dá)660.0～1 612.5 kg／hm2。

表1 2017—2018年玉米生育進(jìn)程

表2 玉米全生育階段氣候要素與各生育階段時(shí)長的相關(guān)系數(shù)

圖7 2017—2018年玉米產(chǎn)量變化情況

將玉米產(chǎn)量與其生育時(shí)期對應(yīng)的積溫、總降水量和總?cè)照諘r(shí)數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表3。各品種玉米產(chǎn)量與積溫、總降水量、總?cè)照諘r(shí)數(shù)和生育期的相關(guān)系數(shù)差異較大。各品種產(chǎn)量與積溫、總降水量、日照時(shí)數(shù)和生育期單方面因素的相關(guān)性都較小，表明在本試驗(yàn)條件下，玉米產(chǎn)量受品種特性的影響較大，對同期氣候因素的變化不敏感。

表3 玉米全生育階段氣候要素與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

氣候變化對農(nóng)作物生育期具有顯著影響。孟林等［9］研究表明，夏玉米全生育期天數(shù)和生殖生長期天數(shù)均與同期平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，平均氣溫每上升1℃，全生育期天數(shù)和生殖生長期天數(shù)分別平均縮短2.71 d和1.07 d。不同生育時(shí)期溫度的增加均有利于作物生長［10］，播種期溫度增加，會使夏玉米播種期提前而成熟期推遲［11，12］。夏玉米對日照時(shí)數(shù)的增加表現(xiàn)為負(fù)響應(yīng)，而對降水和最高氣溫具有較強(qiáng)的敏感性［9］。本研究表明，各品種玉米營養(yǎng)生長階段天數(shù)與總積溫值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97～0.99，與總?cè)照諘r(shí)數(shù)相關(guān)性不大，相關(guān)系數(shù)在0.41～0.70，與總降水量不存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在-0.02～0.38；各品種玉米生殖生長階段天數(shù)與總積溫值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)在0.80～0.95，與總?cè)照諘r(shí)數(shù)和總降水量相關(guān)性不大，相關(guān)系數(shù)分別在-0.19～0.09、-0.04～0.41。生育期對氣候因素的響應(yīng)不僅反映了農(nóng)作物對氣候變化的被動適應(yīng)過程，也反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過改變作物品種、田間管理措施、種植制度和栽培方式等來應(yīng)對環(huán)境變化的主動適應(yīng)過程［13-15］。

玉米產(chǎn)量的形成受氣候、品種特性和栽培管理措施等多種因素共同影響。王洪麗［16］、劉鋒［17］等分別對吉林省和山東省玉米產(chǎn)量分析發(fā)現(xiàn)，自然災(zāi)害是造成玉米產(chǎn)量波動的重要因素之一。張秋英等［18］研究認(rèn)為，產(chǎn)量與年際間氣候條件變化關(guān)系不大，熱量多且雨量充沛的年份才有利于玉米產(chǎn)量潛力的挖掘。氣候通過影響玉米潛力上限影響產(chǎn)量差［19］。本試驗(yàn)結(jié)果與上述研究結(jié)果大致相同，各品種玉米產(chǎn)量與積溫、總降水量、總?cè)照諘r(shí)數(shù)和生育期的相關(guān)系數(shù)差異較大，各品種產(chǎn)量與積溫、總降水量、日照時(shí)數(shù)和生育期單方面因素的相關(guān)性都較小，玉米產(chǎn)量受品種特性的影響較大，對同期氣候因素的變化不敏感。由于本研究年份沒有發(fā)生重大的自然災(zāi)害，而且各研究站點(diǎn)的農(nóng)田基本水利建設(shè)比較完善，旱能灌、澇能排，因此氣候因素未對玉米產(chǎn)量造成影響。不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)夏玉米主要生育期的變化選擇適宜的品種類型。

本研究只分析了2017、2018年兩年的數(shù)據(jù)，僅選擇了魯中地區(qū)的3個(gè)研究站點(diǎn)，研究數(shù)據(jù)較少、地區(qū)選擇也比較片面，今后將選擇山東各地區(qū)多個(gè)研究站點(diǎn)，增加玉米試驗(yàn)品種，從多方面著手進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步完善研究內(nèi)容和結(jié)果。