白城玉米不同生長發(fā)育期對氣溫和降水的響應(yīng)

曹 玲 顏鵬程 曹 晶 楊 旭

（1.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林長春 130062；2.中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實驗室，吉林長春 130062；3.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林長春 130062；4.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅蘭州 730020；5.吉林省經(jīng)濟管理干部學(xué)院，吉林長春 130062；6.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長春 130062）

1 引言

玉米是重要的農(nóng)作物，在其生長發(fā)育期間呈現(xiàn)不同的性態(tài)，對氣溫、降水等氣象條件的變化較為敏感[1-2]。研究表明，玉米在生長發(fā)育期對氣溫需求較高[3]，整個生長發(fā)育期積溫應(yīng)達到1 800～2 800℃·d。其中播種—出苗的積溫要求在120～216℃·d，出苗—拔節(jié)期需要積溫為360～468℃·d，出苗—抽雄需要積溫為1 200～1 400℃·d，充足的積溫是保障玉米良好生長的必要條件[4-5]。除此以外，降水也是玉米生長發(fā)育期重要的影響因素[6-7]。與氣溫不同的是，玉米不同生長發(fā)育期對降水量的需求差異顯著，拔節(jié)期以前，植株矮小、苗葉較少，需水量較少；拔節(jié)期之后，先后經(jīng)歷穗期、花粒期、成熟期，需水量也先增加后減少，其中穗期和花粒期是生長的主要階段，需水量較大；成熟之后，需水量顯著下降。由此可見，氣溫和降水在玉米不同發(fā)育期均起到非常重要的作用[8]。

在全球氣候變化背景下，局地氣候發(fā)生了改變[9]，我國原有的農(nóng)作物種植格局也發(fā)生了改變，對玉米影響尤為顯著[10-14]。白城市地處吉林省西北部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一[15]。白城地區(qū)春季低溫、少雨，玉米主要以晚熟品種為主[16]。受氣候變化影響，該地區(qū)近年來氣溫、降水呈現(xiàn)新的規(guī)律變化，這對玉米生長發(fā)育期產(chǎn)生了一定的影響。因此本文將利用農(nóng)業(yè)氣象試驗站觀測的玉米不同發(fā)育期資料和中國氣象局觀測的氣象要素資料開展不同生長發(fā)育期對氣溫和降水的響應(yīng)研究，分析氣溫和降水對不同生長發(fā)育期持續(xù)時間和來臨早晚的共同影響。

2 資料與方法

玉米發(fā)育期資料為白城市農(nóng)業(yè)氣象試驗站觀測的2009—2018年白城市玉米播種日期、出苗日期、拔節(jié)日期、開花日期和成熟日期；所用氣象資料為白城站同期逐日平均氣溫和逐日降水量資料。研究中，為便于計算發(fā)育日期的平均狀況，將發(fā)育期日期換算成日序數(shù)（即這一天在一年中的第幾天）。累積氣溫和累積降水量分別為對應(yīng)發(fā)育期內(nèi)的氣象要素的累積。所用方法主要包括均值、相關(guān)分析、相圖等統(tǒng)計技術(shù)手段。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米不同發(fā)育期持續(xù)時間

首先分析近10年白城玉米不同生長發(fā)育期的逐年變化情況，平均播種日期的日序數(shù)為122（5月2日），出苗日期的日序數(shù)為137（5月17日），拔節(jié)日期的日序數(shù)為179（6月28日），開花日期的日序數(shù)為203（7月22日），成熟日期的日序數(shù)為268（9月25日）。逐年來看，播種日期在2014年以后比多年平均狀況要提前，其中2014—2017年分別提前了4.3d、5.3d、4.3d和3.3d。播種最晚的年份為2010年和2011年，播種日期滯后5.7d。從出苗日期來看，2014年以后，也存在提前的情況，其中2014年、2016年和2018年分別提前了1.5d、4.5d和1.5d。出苗最晚的日期在2011年的5月22日，比最早日期滯后10d。拔節(jié)日期偏早年份主要有2014—2016年，其中2014年、2015年分別提前了8.3d和3.3d。開花日期偏早年份主要有2013年、2014年、2017年和2018年，分別提前了0.6d、1.6d、2.6d和4.6d。從成熟日期來看，2011—2014年成熟日期分別提前了1.8d、5.8d、2.8d、5.8d。值得注意的是2015—2018年的玉米成熟日期晚于多年平均情況。綜上所述，2014年以后播種、出苗、拔節(jié)和開花日期均不同程度超前多年平均，成熟日期在2015—2018年滯后多年平均，這一時段生長發(fā)育期與多年平均相比偏長。

從不同生長發(fā)育期的持續(xù)時間來看，播種—出苗期的平均持續(xù)時間為14.2d，其中持續(xù)時間最短的是2009年（9d），持續(xù)時間最長的為2015年（20d）；出苗—拔節(jié)期的平均持續(xù)時間達到42.8d，持續(xù)時間最短的為2014年（36d），最長的為2009年（52d）；拔節(jié)—開花期的平均持續(xù)時間為23.3d，持續(xù)時間最短的為2018年（17d），最長的為2014年和2015年（52d）；開花—成熟期的持續(xù)時間則達到65.2d，持續(xù)時間最短的為2012年（59d），最長的為2018年（達到74d）。不同生長發(fā)育期持續(xù)時間相對多年平均的變化如表1，其中2009—2013年，不同生長發(fā)育期的持續(xù)時間均小于平均持續(xù)時間（僅2009年的出苗—拔節(jié)期持續(xù)時間超出平均情況）；2014—2018年，大多生長發(fā)育期的持續(xù)時間大于平均情況。

表1 2009—2018年白城玉米不同生長發(fā)育期持續(xù)時間相對多年平均的變化 d

綜上所述，近10年，白城玉米播種日期在2014年前后存在差異，其中2009—2013年，播種、出苗、拔節(jié)、開花日期均超前平均日期，而2014—2018年則滯后平均時間；從不同生長發(fā)育期的持續(xù)時間來看，前一階段（2009—2013年）持續(xù)時間較短、后一階段持續(xù)時間較長。

3.2 玉米發(fā)育期持續(xù)時間受氣溫、降水量影響

針對玉米發(fā)育期早晚的情況，從氣溫和降水兩個氣象要素開展分析。首先分析不同玉米發(fā)育期的累積氣溫情況（圖1a）。玉米整個發(fā)育期的累積氣溫達到2 866.3～3 221.2℃·d，多年平均積溫為3 011.5℃·d。從不同發(fā)育期來看，播種—出苗期平均累積氣溫為216.5℃·d。其中2010年累積氣溫最低，僅為142.4℃·d；最多的是2017年，達到305.1℃·d。出苗—拔節(jié)期平均累積氣溫為894.0℃·d，累積氣溫最高達到1 005.8℃·d（2009年），最少為739.7℃·d（2014年）。拔節(jié)—開花期的平均累積氣溫為565.9℃·d。其中2015年累積氣溫最高，為723.1℃·d；最少為2018年，為424.7℃·d。開花—成熟期的平均累積氣溫為1 335.1℃·d。最多累積氣溫為2018年，達到1 530.2℃·d；最少為2012年的1 227.0℃·d（表2）。從長期變化來看，2014—2018年的平均累積氣溫顯著高于2009—2013年。圖2是不同生長發(fā)育期累積氣溫與持續(xù)時間之間的線性關(guān)系。播種—出苗期的累積氣溫與持續(xù)天數(shù)之間相關(guān)系數(shù)達到0.88，擬合優(yōu)度為0.74；出苗—拔節(jié)期的累積氣溫和持續(xù)天數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.86，擬合優(yōu)度為0.71；拔節(jié)—開花期的累積氣溫和持續(xù)天數(shù)相關(guān)系數(shù)增加至0.96，擬合優(yōu)度也提高至0.91；開花—成熟期的累積氣溫和持續(xù)天數(shù)相關(guān)系數(shù)高達0.98，擬合優(yōu)度為0.95。相關(guān)系數(shù)均通過了0.01的顯著性水平檢驗。表明在玉米的不同生長發(fā)育期氣溫是主要影響因素，尤其是拔節(jié)期以后。值得注意的是，分別計算2010—2013年和2014—2018年生長發(fā)育期的平均氣溫，分別為20.91℃和20.69℃，因此2014年以后白城地區(qū)氣溫降低，使得玉米生長發(fā)育期延長。

圖2 白城玉米播種—出苗期（a）、出苗—拔節(jié)期（b）、拔節(jié)—開花期（c）、開花—成熟期（d）持續(xù)天數(shù)與累積氣溫的關(guān)系

表2 白城玉米不同發(fā)育期累積氣溫 ℃·d

圖1b是不同生長發(fā)育期累積降水量逐年變化，累積降水量在224.4～477.5mm，平均累積降水量達到359.6mm。2013年以后累積降水量明顯偏多，2013年、2014年、2016年和2018年累積降水量尤其多。其中2013年主要是拔節(jié)—開花期降水量顯著多于其他年份，2014年、2016年和2018年則主要是開花—成熟期降水量偏多，有利于改善土壤墑情。值得注意的是，2017年的開花—成熟期降水量也偏多，但是拔節(jié)—開花期降水量偏少，因此整個發(fā)育期降水量偏多不顯著，不利于墑情保持，影響發(fā)育。從不同發(fā)育期來看，播種—出苗期平均累積降水量為29.2mm。降水量最多的為2014年，達到84mm；最少降水年份為2009年，僅8.3mm。出苗—拔節(jié)期平均累積降水量為96.0mm。最多的降水年份達到135.2mm（2016年），最少降水為46.7mm（2010年）。拔節(jié)—開花期的平均累積降水量為88.15mm。其中2013年降水最多（為196.6mm），2015年的降水最少（僅為31.2mm）。開花—成熟期的平均累積降水量為146.2mm。降水最多的年份為2017年，達到209.0mm；最少的年份為2009年，降水量僅為79.1mm（表3）。由此可見，相對于發(fā)育期的氣溫，降水的變化幅度（方差）更大，且降水與不同發(fā)育期持續(xù)時間的線性關(guān)系較弱。

表3 白城玉米不同發(fā)育期累積降水量 mm

圖1 白城玉米不同發(fā)育期累積氣溫（a）和累積降水量（b）年際變化

進一步分析不同生長發(fā)育期的持續(xù)時間與對應(yīng)發(fā)育期內(nèi)平均氣溫之間的關(guān)系（圖3）。播種—出苗期的持續(xù)時間在氣溫增加時幾乎沒有發(fā)生變化，表明這一階段的持續(xù)時間對氣溫不敏感。出苗—成熟期的持續(xù)時間隨氣溫的升高而呈現(xiàn)顯著的線性減少，相關(guān)系數(shù)達到-0.80（通過0.01顯著性水平檢驗），表明氣溫較高的情況下玉米生長發(fā)育期的持續(xù)時間往往較短。

圖3 白城玉米不同發(fā)育期持續(xù)天數(shù)與發(fā)育期內(nèi)平均氣溫的關(guān)系

3.3 玉米發(fā)育期早晚受日平均氣溫、降水量的影響

進一步研究日平均氣溫和平均降水量對不同玉米發(fā)育期早晚的協(xié)同影響，繪制氣溫—降水相圖。播種—出苗期（圖4a）對氣溫比對降水更為敏感，在相同降水量的條件下，氣溫越高出苗越早。在相同氣溫的條件下，降水量對出苗早晚的影響并不顯著，如2009年與2013年氣溫均為18℃的條件下，前者日平均降水量明顯低于后者情況下，出苗日期早于后者6d；而2011年和2010年的情況正好相反。出苗—拔節(jié)日期（圖4b）早晚對降水量更為敏感，其中日平均降水量更大的條件下，拔節(jié)日期更早。拔節(jié)—開花日期（圖4c）對氣溫和降水量都比較敏感，在相同氣溫條件下，日平均降水量越多開花日期越早；相同降水量條件下，日平均氣溫越高開花日期越早。值得注意的是，降水量過大（如2013年），開花日期往往也偏晚。開花—成熟日期（圖4d）則主要與降水有關(guān)，其中日平均氣溫在20.5℃左右的條件下，日平均降水量小于2.5mm時，日平均降水量越大成熟日期越早；而日平均降水量大于2.5mm時，成熟日期則較晚。綜上來看，在出苗前后，玉米的發(fā)育與氣溫關(guān)系更好，而拔節(jié)之后則與降水關(guān)系更為密切。

圖4 白城玉米播種—出苗期（a）、出苗—拔節(jié)期（b）、拔節(jié)—開花期（c）、開花—成熟期（d）日平均氣溫、日平均降水量與持續(xù)天數(shù)的關(guān)系（散點靠上的數(shù)字表示該發(fā)育期的持續(xù)天數(shù)，靠下的數(shù)字為對應(yīng)年份）

4 結(jié)語

利用2009—2018年吉林省白城市玉米不同發(fā)育期資料和對應(yīng)時期的氣溫、降水資料，分析了玉米不同發(fā)育期開始時間、持續(xù)時間與氣溫、降水之間的關(guān)系。結(jié)果表明：

（1）白城玉米不同生長發(fā)育期在2014年前后存在差異，其中2009—2013年播種、出苗、拔節(jié)和開花日期均顯著超前平均日期，播種—出苗、出苗—拔節(jié)、拔節(jié)—開花和開花—成熟期的持續(xù)時間也長于平均情況；2014—2018年則相反。

（2）不同生長發(fā)育期內(nèi)，與累積降水量相比，累積氣溫與持續(xù)時間之間的線性相關(guān)更為顯著，表明氣溫對玉米不同生長發(fā)育期均存在顯著影響；并且氣溫較高時生長發(fā)育期的持續(xù)時間較短。

（3）從玉米不同生長發(fā)育期對氣溫、降水共同影響的響應(yīng)來看，出苗前后，玉米的發(fā)育與氣溫的關(guān)系更為密切，拔節(jié)之后的發(fā)育情況則與降水更為相關(guān)。

（4）白城市玉米播種時與氣溫關(guān)系更為密切，而拔節(jié)之后與降水線性關(guān)系更強。除此以外，不同玉米品種、人工補水、光照時長等情況對不同區(qū)域玉米生長發(fā)育期也存在顯著影響，今后將進一步開展深入研究。