基于分期播種的慶陽市春玉米氣候資源及其影響分析

車 可，張謀草，張俊林，張紅妮

（慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000）

0 引言

IPCC第五次評估報告指出，全球平均溫度在過去130年增加了0.85℃[1]，氣候變暖已成為一個共識的事實。農(nóng)業(yè)是對氣候變化敏感度最高的行業(yè)之一，氣候變暖致使光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生改變，必然導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成發(fā)生顯著影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性和作物種植風(fēng)險隨氣候變化增加[2-3]。因此，許多學(xué)者對在氣候變化背景下的時空變化特征做了卓有成效的研究分析。郭建平總結(jié)了氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，認(rèn)為氣候變化有利于喜溫和晚熟作物的種植，在一定程度上可以提高作物產(chǎn)量[4]；劉志娟等[5]分析了東北三省全年及溫度生長期內(nèi)的平均氣溫、≥10℃積溫、降水量、日照時數(shù)和參考作物蒸散量等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，氣溫、積溫總體呈升高趨勢，積溫帶逐漸北移東擴(kuò)，溫度生長期內(nèi)的日照時數(shù)明顯減少等；王鶴齡等[6]對甘肅省80個地面氣象觀測站1961—2014年氣象觀測資料和玉米、春小麥、冬小麥、馬鈴薯的區(qū)劃指標(biāo)，分2個不同時段，分析氣候變化對甘肅省農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征和主要糧食作物潛在栽培格局的影響，玉米最適宜和可種植區(qū)面積均有增加，河西灌區(qū)變化最為顯著。董旭光等[7]利用山東省90個氣象站1961—2010年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，比較分析了冬小麥和夏玉米生長季光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源的時空變化特征，冬小麥生長季延長趨勢更明顯。氣候資源變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了更新和機(jī)遇，但同時研究發(fā)現(xiàn)，近十幾年來，許多區(qū)域升溫趨緩，甚至出現(xiàn)降溫趨勢[8]，表明氣候變化又具有一定地域復(fù)雜性。尤其黃土高原隴東地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響顯著，故研究當(dāng)?shù)貧夂蛱卣飨伦魑锷L應(yīng)對、分析氣候變化而引起生產(chǎn)和適應(yīng)情況尤為必要。

慶陽地處甘肅東部，是黃土高原地區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)，也是國家糧食儲備基地之一，玉米是該地最大面積種植農(nóng)作物，在糧食生產(chǎn)安全中發(fā)揮重要作用。在全球氣候變化背景下，隴東地區(qū)氣象災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)，尤其干旱發(fā)生率有所增加，玉米種植風(fēng)險增大。伏期是玉米生長的關(guān)鍵時期，也是產(chǎn)量形成的主要時段，而災(zāi)害天氣尤其灌漿期高溫干旱脅迫玉米的物質(zhì)積累與運轉(zhuǎn)，灌漿進(jìn)程受到抑制，灌漿期縮短，葉片光合作用減弱，衰老加劇，最終降低穗粒數(shù)、粒重及產(chǎn)量。為發(fā)揮最大資源稟賦，避免或減輕氣象災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響，確保隴東地區(qū)糧食生產(chǎn)安全，通過分期播種試驗，完善基于氣象數(shù)據(jù)的隴東地區(qū)春玉米生長變化特征，探討氣象因子與玉米生長發(fā)育的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制，減緩氣候變化對玉米生產(chǎn)的不利影響，為制定未來氣候變化條件下作物種植的適應(yīng)性及實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興提供科技支撐。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

慶陽地處北半球中緯度的中國西北的黃土高原地區(qū)，是全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一，也是生態(tài)和社會環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，受氣候變化影響更加顯著[9]。慶陽屬大陸季風(fēng)性氣候，為半濕潤半干旱氣候區(qū)，四季冷熱干濕分明，雨熱同季，非常有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。年平均氣溫9.2℃，最高氣溫36.4℃，最低氣溫-21.4℃，年降水量527.6 mm，年日照時數(shù)2437.3 h，農(nóng)耕期261天。

1.2 試驗設(shè)計

于2018—2020年進(jìn)行玉米分期播種試驗。春玉米分期播種試驗在西峰區(qū)小崆峒良種場內(nèi)大田中進(jìn)行。地段地形為平塬，試驗地段面積為0.35 hm2，地段總面積為20 hm2。種植作物為一年一熟制（玉米-玉米），前茬作物為玉米。地段土壤為壤土，呈堿性，肥力中等。種植玉米為當(dāng)?shù)赝茝V的雜交品種，中熟性，地膜覆蓋、平作。2018年玉米品種為‘隴單339’，2019年玉米品種為‘大民3307’，2020年玉米品種為‘龍生5號’。

以當(dāng)?shù)爻Ｄ甏筇飳嶋H播種期4月22日為界，提前10天的4月12日播種為第1期，正常的4月22日播種期為第2期，比正常播種期晚10天的5月2日播種為第3期，晚20天的5月12日為第4播期，共播種4期，前后間隔30天。各播種期重復(fù)4次，其中1個重復(fù)僅用作產(chǎn)量要素測定，不進(jìn)行任何觀測活動。各觀測地段面積為77 m2，各觀測區(qū)間留0.8 m保護(hù)間隔。玉米種植行向為東西向，田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理措施一致。

1.3 觀測項目

按順序觀測玉米播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、抽穗、開花、吐絲、乳熟、成熟各發(fā)育期的普遍期，觀測標(biāo)準(zhǔn)按《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[10]進(jìn)行，并進(jìn)行生長狀況及干物重測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播期春玉米發(fā)育期情況

2.1.1 不同播期春玉米發(fā)育期對比分析 根據(jù)2018—2020年春玉米發(fā)育期可知，各播期的春玉米全生育期為122～151天，第一播期生育期最長，比歷年平均生育期多4天，第四播期生育期最短，比歷年平均生育期少11天?？傮w來看，隨著播種日期的推遲，玉米生長發(fā)育進(jìn)程加快，全生育期天數(shù)縮短，‘隴單339’、‘大民3307’、‘龍生5號’的全生育期分別由139、143、151天縮短為122、126、140天。全生育期天數(shù)最長的是2020年第一播種期，全生育期天數(shù)最短的是2018年第四播種期。不同播種期各發(fā)育期間隔天數(shù)的差異較大，出苗-七葉、七葉-拔節(jié)、乳熟-成熟期間隔天數(shù)較多，其余生育期間隔天數(shù)較少（表1）。

表1 2018—2020年試驗地春玉米發(fā)育期

2018年各播期平均氣溫19.2～20.5℃，降水量527.2～573.5 mm，日照時數(shù)807.5～962.2 h。階段性旱象不明顯，光、熱、水條件匹配適宜，對玉米生產(chǎn)有利；2019年各播期平均氣溫18.7～19.7℃，降水量403.3～500.4 mm，日照時數(shù)793.9～939.9 h。5月上旬中后期出現(xiàn)了低溫時段，導(dǎo)致第二播期的播種-出苗時間較長，出苗-七葉生育期延長。2020年各播期平均氣溫18.7～19.1℃，降水量444.7～488.8 mm，日照時數(shù)768.3～946.8 h。5月中下旬出現(xiàn)干旱，對4個播期的春玉米的營養(yǎng)生長均有影響。8月份出現(xiàn)低溫連陰雨天氣，降水日數(shù)19天，光照不足，土壤濕度過大，灌漿期延長，收獲期推遲。

推遲播期，對春玉米的前期生長影響不大，對春玉米后期生長及災(zāi)害影響較為明顯，個別年份由于播期推遲，會遭遇“卡脖旱”。同時隨著氣候變化及播期的推遲，玉米生育期內(nèi)的氣溫呈上升趨勢，上升率為0.01～0.04℃/a；日照時數(shù)呈偏少趨勢，下降率為5.0～6.3 h/a；降水變率較大，年季差異亦較大，正常年份為偏少趨勢，絕大多年份能滿足玉米生長發(fā)育需求。

2.1.2 春玉米不同播期的發(fā)育進(jìn)程 圖1為試驗地不同播期生育進(jìn)程變化圖，不同播期對春玉米的發(fā)育進(jìn)程影響較大，隨著播期的推遲，發(fā)育期時間縮短，且不同播期之間有差異性。這種差異性在播種-出苗、出苗-七葉表現(xiàn)的較為明顯，而在其他生育期差異性較小。進(jìn)行試驗的春玉米品種的全生育期日數(shù)差異較大，‘隴單339’的4個播期的平均生育期為131天，‘大民3307’的4個播期的平均生育期為136天，‘龍生5號’的4個播期的平均生育期為146天，其中2018年播種的‘隴単339’品種在抽雄-乳熟的生殖生長期差異較大，氣候及播期對作物生長影響更為明顯。

圖1 2018—2020年不同播期春玉米生育期變化圖

因此，在玉米種植品種的選擇上，要結(jié)合當(dāng)年氣候特點及氣候趨勢預(yù)測，擇優(yōu)種植耐旱、生育期偏短的品種。

2.2 不同播期春玉米生長量分析

2.2.1 不同播期干物質(zhì)變化分析 不同播種期干物質(zhì)的增長量呈現(xiàn)“緩慢增長-快速增長-緩慢增長”形式，三葉至七葉增長緩慢，七葉至乳熟期增長加快，在乳熟期增長量達(dá)到最大值，乳熟至成熟增長緩慢，增幅下降（表2）。同時不同播種期的同一發(fā)育期單株干物重增長量變化不同。七葉至拔節(jié)期不同播期間干物質(zhì)增長量較為接近；2019—2020年在適播期內(nèi)拔節(jié)至抽雄期干物質(zhì)增長量最大，播期越遲，干物質(zhì)量越小。抽雄-乳熟、乳熟-成熟的干物質(zhì)量品種間差異大，適當(dāng)早播的干物質(zhì)量大。2020年玉米在乳熟-成熟期出現(xiàn)了持續(xù)陰雨寡照天氣，氣溫偏低，造成干物質(zhì)積累緩慢，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

表2 不同播期春玉米生育期的干物質(zhì)量 g/株

總體來看，春玉米生育期干物質(zhì)量受天氣影響較大，尤其干旱是影響干物質(zhì)量積累的直接因素，長期低溫陰雨天氣對玉米不利影響也不容忽視。除此之外，在多年平均適播期或適當(dāng)早播的，干物質(zhì)量較大。

2.2.2 不同播期春玉米葉面積指數(shù)變化 隨著玉米生長,葉片數(shù)的增加,不同播種期玉米從三葉至拔節(jié)葉面積指數(shù)均是增加的，在抽雄期葉片完全抽出，葉面積指數(shù)達(dá)到最大值（見圖2）。抽雄后隨著植株底部葉面變黃，乳熟至成熟期葉面積指數(shù)減小。不同品種、不同播期及不同發(fā)育期，葉面積指數(shù)變化不同?？傮w來看，3個品種的第三播期葉面積指數(shù)最大，2018年播種的‘隴単339’品種葉面積指數(shù)最大，2019年播種的‘大民3307’葉面積指數(shù)最小，但同一品種間的不同播期的春玉米葉面積指數(shù)差異較小，品種間的差異較大。

圖2 不同春玉米播期的葉面積指數(shù)

2.2.3 不同播期春玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析 春玉米的品種及播期對產(chǎn)量均有不同程度的影響（表3），隨著播期的推遲，產(chǎn)量呈下降趨勢。3個春玉米品種第一播期的產(chǎn)量均較高，產(chǎn)量超過了12000 kg/hm2。品種為‘大民3307’的春玉米產(chǎn)量較低，主要是伏期出現(xiàn)了干旱天氣，抽雄推遲5天左右，禿尖比較大，籽粒不飽滿。

表3 不同播期春玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析表

從產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析來看，推遲播期，2018、2019年單株籽粒數(shù)呈下降趨勢，分別為-0.4和-4.1個/a。2018年第四播期由于在乳熟期降水偏少，出現(xiàn)了干旱天氣，乳熟進(jìn)程減緩，成熟度不足，因此造成雖然此播期籽粒數(shù)最多，但產(chǎn)量較低。2019年第一、二播期的播種期由于土壤墑情差，玉米出苗不全，尤其第二播期進(jìn)行了補(bǔ)種，玉米長勢參差不齊，最終導(dǎo)致此期的玉米產(chǎn)量是試驗期內(nèi)最低的。

3 討論與結(jié)論

在生態(tài)環(huán)境相同條件下，播種日期對玉米的生長發(fā)育進(jìn)程及產(chǎn)量構(gòu)成有顯著影響[11]。不同播期之間春玉米各生育期長度存在較大差異，隨著播期推遲，玉米全生育期縮短，‘隴單339’、‘大民3307’、‘龍生5號’分別縮短了17、17、11天。

葉面積指數(shù)是衡量植物生長情況的關(guān)鍵指標(biāo)之一[12]。本分期試驗結(jié)果表明，抽雄-乳熟期葉面積指數(shù)達(dá)到最大。品種間差異較大，‘隴單339’的葉面積指數(shù)最大，‘龍生5號’次之，‘大民3307’最小。分播期來看，‘隴單339’在適播期內(nèi)葉面積指數(shù)較大，‘大民3307’隨播期延后葉面積指數(shù)減小，‘龍生5號’播期延遲葉面積指數(shù)較大。

玉米產(chǎn)量的高低是由生物產(chǎn)量的累積所決定的[13]。正常情況下，干物質(zhì)積累的越多，玉米產(chǎn)量就越高[14]。從試驗結(jié)果來看，適宜期或適當(dāng)早播的玉米干物質(zhì)積累時間較長，積累的干物質(zhì)也更多；抽雄-乳熟期隨著播期的推遲，玉米生長期縮短，干物質(zhì)積累不足，最終造成產(chǎn)量偏低。

這與徐運林等[15]、趙先麗等[16]研究的結(jié)論較為一致，但全生育期縮短的天數(shù)更多，抽雄-乳熟期播期的推遲對產(chǎn)量的影響更為顯著，表現(xiàn)為作物的地域差異性明顯。

總體來看，玉米品種之間、播期之間及其相互之間有顯著性差異，由于本地處于中緯度內(nèi)陸地帶，夏季光熱充足，有利于作物光合作用，促進(jìn)作物生長發(fā)育，晝夜溫差大，夜間氣溫較低，作物呼吸消耗少，利于干物質(zhì)積累。同時由于全球氣候變化，災(zāi)害性天氣呈增加趨勢[17]，玉米種植風(fēng)險增大，尤其在玉米抽雄吐絲期，干旱頻發(fā)，易形成“卡脖旱”，抑制玉米生長發(fā)育。伏期是玉米產(chǎn)量形成的主要時段，災(zāi)害天氣尤其灌漿乳熟期高溫干旱脅迫玉米的物質(zhì)積累與運轉(zhuǎn)，灌漿進(jìn)程受到抑制，灌漿期縮短，葉片光合作用減弱，衰老加劇，最終降低穗粒數(shù)、粒重及產(chǎn)量。灌漿乳熟期的持續(xù)陰雨寡照天氣也使玉米光合作用受阻，影響玉米成熟度。通過分期播種試驗分析，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)條件下在適宜播期或適當(dāng)提前下種，可以充分利用氣候資源，并使玉米在關(guān)鍵生長期避開高溫干旱、陰雨寡照等不利天氣的影響，從而通過調(diào)整播期來減輕或避免災(zāi)害造成損失，主動適應(yīng)氣候變化，確保糧食安全。雖然本研究播期對不同品種玉米生物學(xué)產(chǎn)量的影響對實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義，但觀測序列時間較短，且是不同品種之間的生長發(fā)育對比，每年玉米生長的氣象干擾因素較大，在今后的具體實踐中要予以考慮。