低溫凍害對(duì)山西省五寨縣甜糯玉米全生育期的影響及防御措施

馬子平， 郝紋進(jìn)， 鄭秀文， 王 力， 溪玉香， 侯俊玲

（1. 忻州市氣象局，山西 忻州 034000； 2. 忻州市科技情報(bào)與戰(zhàn)略研究中心，山西 忻州 034000；3. 山西省氣象信息中心，山西 太原 030000）

0 引言

山西省五寨縣是我國甜糯玉米核心示范基地之一，2015 年8 月中國糧食行業(yè)協(xié)會(huì)命名五寨縣為“中國甜糯玉米之鄉(xiāng)”。目前，甜糯玉米種植面積已達(dá)到4 000 hm2，占全縣總耕地面積的8.21%。五寨縣地處晉西北丘陵區(qū)管涔山脈北麓，屬亞寒帶大陸氣候，年平均氣溫5.0 °C，無霜期128 d，發(fā)生低溫凍害頻次較高，對(duì)甜糯玉米的生長、品質(zhì)、產(chǎn)量等影響較大。如2020 年4 月中旬至5 月中旬，五寨縣發(fā)生了13 次凍害，其中重度凍害8 次，特別是2020 年4 月20-24 日連續(xù)5 d 日最低氣溫< -3 °C，最小值為-11.0 °C，日最低氣溫< -4 °C 的時(shí)間持續(xù)9 h，為近10 年來之最。

20 世紀(jì)90 年代，王書裕[1]、馮玉香等[2]對(duì)作物的低溫冷害和凍害進(jìn)行了研究。隨著全球氣候變暖，驚蟄、清明、小滿和芒種這4 個(gè)反映物候的氣候節(jié)氣在全國各地普遍提前，尤其在北方半干旱區(qū)均顯著提前，分別提前12～16、4～8、4～8 和8～12 d[3]。農(nóng)事提前，凍害對(duì)農(nóng)作物的影響越來越嚴(yán)重。關(guān)于凍害對(duì)玉米的影響，國內(nèi)許多學(xué)者在玉米低溫冷害機(jī)理、低溫冷害對(duì)玉米灌漿期的影響、低溫對(duì)玉米籽粒的傷害作用、玉米春霜凍害等級(jí)指標(biāo)、玉米低溫冷害和霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及特種玉米品種特性等方面做了大量的研究[4-8]。杜春英等[9]探討了東北玉米初霜凍時(shí)空分布特征及預(yù)報(bào)方法。黃成秀等[10]分析了春季低溫霜凍對(duì)臨夏玉米生育及產(chǎn)量的影響。目前，低溫凍害對(duì)甜糯玉米生長的影響研究較少，尤其是五寨甜糯玉米受低溫凍害影響方面的研究鮮有報(bào)道。而低溫凍害是影響甜糯玉米生長的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，因此有必要進(jìn)行低溫凍害對(duì)甜糯玉米的影響方面研究，以期為適時(shí)合理種植和采收甜糯玉米、降低凍害風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

統(tǒng)計(jì)分析五寨縣65 年（1957-2021 年）平均氣溫得知，五寨縣年平均氣溫呈升高態(tài)勢(shì)，后30 年年平均氣溫較前30 年年平均氣溫上升了1.0 ℃，最近10 年年平均氣溫較前30 年年平均氣溫上升了1.4 ℃。分析五寨縣65 年年霜日得知，累年平均終霜日為5 月15 日，累年平均初霜日為9 月20 日，無霜期128 d。近12 年平均初霜日為9 月27 日，平均終霜日為5 月10 日。根據(jù)氣溫、霜日變化和山西康宇田源農(nóng)業(yè)股份有限公司多年在五寨縣種植甜糯玉米積累的播種、生長、采摘等時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)， 本文選取五寨縣國家基準(zhǔn)氣候站2010-2021 年霜凍、4-5 月逐日最低氣溫、4 月逐日10 cm 地溫、9-10 月氣溫等氣象因子作為凍害的研究資料。采用氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)、概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，研究五寨縣甜糯玉米全生育期內(nèi)遭受凍害的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段及該時(shí)段的凍害特征，構(gòu)建了造成凍害的氣候模型，并探尋規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施。

2 凍害特征及對(duì)甜糯玉米不同生育期的影響

凍害是影響五寨甜糯玉米生長的主要?dú)庀鬄?zāi)害性之一。冰點(diǎn)以下的低溫使植物組織內(nèi)部脫水而結(jié)冰引起的傷害稱為凍害，一般多指霜凍害[11]。霜凍害是指由于日最低氣溫下降使植株莖、葉溫度下降到0 °C 以下，使正在生長發(fā)育的植物受到凍傷，從而導(dǎo)致減產(chǎn)、品質(zhì)下降或絕收[12]。霜凍害有早霜凍害和晚霜凍害兩種，五寨縣凍害一般發(fā)生在春秋季。如2000 年9 月6-7 日，五寨縣遭受霜凍襲擊，糧食減產(chǎn)40%。1997 年5 月28日和6 月2 日，在玉米7 葉期，五寨縣玉米遭遇了終霜凍（玉米主產(chǎn)區(qū)溫度低至-2.3 °C），近40%玉米被凍死，山西北部玉米霜凍發(fā)生最高頻率達(dá)75%[13-14]。張敏等[15]將玉米低溫冷害頻率和強(qiáng)度相結(jié)合作為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)，并給出了玉米低溫冷害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布（圖1），五寨縣屬于玉米低溫冷害致災(zāi)因子的高危地區(qū)。

圖1 玉米低溫冷害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布Fig. 1 Risk distribution of hazard factors for low temperature and chilling damage in maize

2.1 春季凍害對(duì)播種至苗期甜糯玉米的影響

2.1.1 春季凍害特征

分析五寨縣65 年終霜日發(fā)現(xiàn)，5 月15 日以前出現(xiàn)終霜的概率為63.1%，5 月15 日以后的概率為36.9%。而近12 年來，終霜凍發(fā)生在5 月15 日以前的概率為83.3%，5 月15 日以后的概率為16.7%。

根據(jù)日最低氣溫下降的幅度、低溫強(qiáng)度及植物遭到凍害后受害和減產(chǎn)的程度，規(guī)定植物凍害分為輕度、中度和重度3 種，如表1 所示[16]。

表1 玉米苗期凍害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Standard of freezing injury grades in corn seedling stage

由五寨縣2010-2021 年4 月中旬至5 月中旬最低氣溫、終霜日、甜糯玉米播種至出苗時(shí)間和玉米苗期凍害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得表2 和圖2。由圖2 可知，該時(shí)段12 年內(nèi)發(fā)生凍害71 次，其中，輕度凍害29 次，概率為6.0%，中度凍害14 次，概率為2.9%，重度凍害29 次，概率為6.0%。近10 年凍害的日數(shù)呈增加趨勢(shì)，近5 年凍害日數(shù)是前5 年的1.9 倍，尤其是近5 年重度凍害日數(shù)是前5 年的3 倍。2020 年該時(shí)段的凍害日數(shù)是近10年最多的一年。由表2 可知，4 月16-20 日、4 月21-25 日、4 月26-30 日發(fā)生凍害的概率分別為33.3%、18.3%、20.0%，5 月1-5 日、5 月11-15 日發(fā)生凍害的概率分別為13.3%、1.7%，5 月6-10 日12 年內(nèi)無凍害發(fā)生。

表2 2010—2021 年五寨縣4 月16 日—5 月15 日凍害日數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistical values of freezing injury days in Wuzhai County from April 16 to May 15 in 2010-2021

圖2 2010-2021 年五寨縣4 月中旬至5 月中旬年凍害變化趨勢(shì)Fig. 2 Variation trend of annual freezing damage in Wuzhai County from mid-April to mid-May from 2010 to 2021

2.1.2 適宜播種至苗期甜糯玉米生長的氣象環(huán)境

甜糯玉米露地直播時(shí)，應(yīng)以土壤表層（5～10 cm）地溫穩(wěn)定在10 °C 以上為宜，地膜覆蓋栽培應(yīng)以當(dāng)?shù)厝掌骄鶞囟确€(wěn)定在7～8 °C 為宜[17]。分析近12 年五寨縣地面10 cm 地溫資料得知，10 cm 地溫穩(wěn)定在10 °C 以上的日期為4 月15 日，穩(wěn)定在7～8 °C 的日期為4 月7 日。如果不考慮凍害因素，地膜覆蓋播種時(shí)間為4 月7 日以后，露地直播時(shí)間在4 月15 日以后。從玉米種植戶、農(nóng)業(yè)部門和山西康宇田源農(nóng)業(yè)股份有限公司種植基地了解到，五寨縣玉米播種一般是從4 月20 日前后開始，玉米從播種到出苗間隔時(shí)間，地膜覆蓋需要7～10 d，露地直播一般為10～20 d，當(dāng)日平均氣溫<13°C，時(shí)間會(huì)更長。露地出苗間隔時(shí)間與黃成秀等[10]種植試驗(yàn)的當(dāng)平均氣溫在13～17 °C 時(shí)，玉米從播種到出苗，露地一般需要12～19 d 的結(jié)果基本一致。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自地膜覆蓋技術(shù)推廣以來，五寨縣玉米或甜糯玉米基本采用地膜覆蓋種植，按照上述甜糯玉米開始播種時(shí)間計(jì)算，出苗應(yīng)在4 月26-30 日或以后。

2.1.3 凍害對(duì)播種至苗期甜糯玉米的影響

根據(jù)上述分析，處在苗期的甜糯玉米凍害發(fā)生概率為20%，而平均終霜日在5 月15 日，玉米幼苗可能反復(fù)受凍害影響，導(dǎo)致生長緩慢、生育期推遲、單株葉片數(shù)減少、后期生長量不足、穗部性狀降低、穗粒數(shù)減少[18]。研究表明，氣溫低于-4 ℃，僅需持續(xù)1～2 h玉米苗就會(huì)凍死[19]。

2.2 秋季凍害對(duì)采收期甜糯玉米的影響

2.2.1 秋季凍害特征

分析五寨縣65 年初霜日發(fā)現(xiàn)，初霜日發(fā)生在9 月20 日以前的概率為58.4%，9 月20 日以后的概率為41.6%。而近12 年來，初霜日發(fā)生9 月20 日以前的概率為16.7%，9 月20 日以后的概率為83.3%。按照表1標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2010-2021 年五寨縣9 月1 日-10 月10 日最低氣溫< -1 ℃的日數(shù)及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。12 年來，9 月20 日以前未發(fā)生過凍害，9 月21-25 日發(fā)生了3 次凍害，概率為5.0%，其中，重度凍害發(fā)生概率為1.7%。9 月26-30 日發(fā)生了7 次凍害，概率為11.6%，其中重度凍害發(fā)生概率為5.0%；10 月1-5 日發(fā)生了11 次凍害，概率為18.3%，其中重度凍害概率為8.3%；10 月6-10 日共發(fā)生凍害14 次，概率為23.3%，其中重度凍害發(fā)生概率為15.0%。由表3 可知，2018 年9 月21-25 日、26-30 日反復(fù)發(fā)生凍害，是12 年秋季凍害最嚴(yán)重的一年。

表3 2010—2021 年五寨縣9 月下旬至10 月上旬凍害日數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab. 3 Statistical values of freezing injury days in Wuzhai County from late September to early October from 2010 to 2021

研究發(fā)現(xiàn)，近12 年凍害發(fā)生最早的時(shí)間為2018 年9 月23 日，最晚發(fā)生時(shí)間為2015 年和2019 年的10 月8 日。由此可知，近12 年秋季凍害發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段在9 月26-30 日和10 月上旬。

2.2.2 秋季凍害對(duì)甜糯玉米采收期的影響

由于甜糯玉米多以鮮食玉米為主，在授粉后22～25 d 或抽雄后27～30 d 即可采收[17]。甜糯玉米種植戶在春季播種時(shí)多采用間隔播種法，但播種時(shí)間不得遲于6 月中旬。由于五寨縣農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站不設(shè)玉米觀測(cè)項(xiàng)目，所以玉米抽雄吐絲和乳熟日期是參照五臺(tái)縣、繁峙縣、河曲縣和忻府區(qū)4 個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站觀測(cè)到的玉米抽雄吐絲和乳熟日期資料，結(jié)合當(dāng)?shù)赜衩追N植戶、農(nóng)業(yè)部門和山西康宇田源農(nóng)業(yè)股份有限公司種植基地提供的資料確定的，五寨縣玉米抽雄吐絲期應(yīng)在7 月下旬，乳熟期應(yīng)在8 月下旬至9 月下旬。因此甜糯玉米的采收時(shí)段在8 月下旬至9 月下旬，根據(jù)前面分析，9 月20 日之前，凍害對(duì)甜糯玉米的影響不大。9 月下旬凍害對(duì)甜糯玉米有一定影響，發(fā)生重度凍害的概率為3.3%。甜糯玉米采收期受凍害影響的風(fēng)險(xiǎn)較低。

3 結(jié)果與討論

（1）五寨縣春季凍害頻次高于秋季，春季凍害危害風(fēng)險(xiǎn)高于秋季，當(dāng)春季霜凍出現(xiàn)偏遲和秋季霜凍偏早時(shí)，凍害影響加重。這與李釗[20]春季霜凍的頻次要高于秋季霜凍，錢莉等[21]的霜凍出現(xiàn)偏遲、凍害影響加重，夏權(quán)等[22]的霜凍出現(xiàn)越晚霜凍強(qiáng)度越強(qiáng)、造成作物的受災(zāi)程度也越嚴(yán)重的結(jié)論一致。

（2）五寨縣作物發(fā)生凍害的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段為4 月下旬至5 月中旬和9 月26-30 日至10 月上旬。其中4 月16-20 日 至4 月26-30 日 和9 月26-30 日 和10 月1-5 日是凍害對(duì)農(nóng)作物危害最嚴(yán)重的時(shí)段。

（3）4 月26-30 日至5 月中旬，甜糯玉米正處在苗期至3 葉期，這時(shí)凍害對(duì)其危害風(fēng)險(xiǎn)最高、危害程度最重。9 月下旬和10 月上旬，凍害對(duì)采收期的甜糯玉米影響較大，尤其是10 月6-10 日，五寨縣的農(nóng)作物基本凍死。

4 防御對(duì)策

4.1 規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，選擇最佳播種時(shí)段

過早播種易遭受春季低溫和晚霜凍害，而過晚播種則要受秋季低溫凍害的影響，不能正常成熟而減產(chǎn)。因此選擇最佳播種時(shí)段是降低玉米遭受凍害風(fēng)險(xiǎn)的最有效措施之一。五寨縣鮮食甜糯玉米在4 月26 日-6 月10 日期間播種為宜，籽粒玉米在4 月25 日-5 月15 日期間播種為宜，種植戶可以根據(jù)玉米品種選擇合適的播種時(shí)間。這樣可以避開春季和秋季凍害高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段，避免或減輕凍害對(duì)甜糯玉米的影響。

4.2 科學(xué)防御，長防御短防治

播種前，參考?xì)庀蟛块T當(dāng)年在年度氣候預(yù)測(cè)中，對(duì)春季低溫過程和終霜凍、秋季低溫陰雨時(shí)段和初霜凍的預(yù)測(cè)結(jié)果，確定種植玉米品種和播種時(shí)間。甜糯玉米生長期，積極與氣象部門互動(dòng)，特別是凍害高發(fā)時(shí)段，隨時(shí)關(guān)注和收看當(dāng)?shù)刈钚潞?、霜凍預(yù)報(bào)和預(yù)警，在凍害來臨前，根據(jù)凍害發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度、范圍做好防凍害措施，如采用煙熏、噴水、澆灌、噴灑化學(xué)試劑等方法[23-24]。

5 結(jié)束語

五寨縣優(yōu)質(zhì)的土地資源和獨(dú)特的氣候條件為甜糯玉米生長發(fā)育和品質(zhì)優(yōu)良提供了保障，而低溫凍害是影響甜糯玉米生長的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。研究了近12 年五寨縣春季和秋季凍害特征，甜糯玉米最宜遭受凍害影響的苗期至3 葉期和采收期的凍害特征，以及凍害對(duì)甜糯玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，給規(guī)避凍害風(fēng)險(xiǎn)、科學(xué)防御凍害提供了依據(jù)。