北疆制種玉米關(guān)鍵生育期氣象指標(biāo)研究

李繼輝，向 導(dǎo)，楊明鳳

（新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆石河子 832000）

良種是高效農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的“芯片”，是糧食安全的根本保障。根據(jù)2021—2025 年中國種子行業(yè)全景調(diào)研結(jié)果，中國主要農(nóng)作物種子實(shí)現(xiàn)品種自主良種選育覆蓋率超過97%，玉米自主品種播種面積占90%以上，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到45%［1］。種子繁育生產(chǎn)中，在技術(shù)保障的前提下，地理環(huán)境及自然氣候條件是種子質(zhì)量的決定因素［2-4］，因此，開展種子繁育氣象關(guān)鍵期及指標(biāo)研究，對種子繁育基地的選擇和種子發(fā)展具有重要意義。適宜的地理環(huán)境、氣候條件是優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的基本保障，與氣溫、降水、日照關(guān)系密切［2，5］。殷雪蓮等［6］從氣候條件分析的角度對張掖市制種玉米氣候品質(zhì)技術(shù)進(jìn)行認(rèn)證，根據(jù)制種玉米氣候區(qū)劃綜合評價(jià)玉米生長期氣候條件，認(rèn)證制種玉米氣候品質(zhì)優(yōu)良等級。作物產(chǎn)地優(yōu)良品質(zhì)氣候鑒定和作物氣候關(guān)鍵期以及氣象指標(biāo)研究是一項(xiàng)新課題，金志鳳等［7］、劉瑞娜等［8］開展了浙江省和安徽省地方茶葉氣候品質(zhì)評價(jià)，并確定關(guān)鍵期氣候指標(biāo)。北疆是溫帶大陸性干旱半干旱氣候，氣溫溫差較大，日照充足，降水少，氣候干燥，年均氣溫-4～9 ℃，4—9 月降水量在150 mm 左右，無霜期在140～185 d。由于特殊的氣候條件，北疆地區(qū)成為玉米制種基地，供應(yīng)全國。本研究利用2021—2022 年新疆北疆地區(qū)制種玉米產(chǎn)量資料、物候期資料，采用積分回歸方法和氣候診斷分析方法，研究北疆制種玉米生長期氣候關(guān)鍵期和氣候因子對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)以及關(guān)鍵期氣象指標(biāo)，旨在為北疆地區(qū)制種玉米優(yōu)良品質(zhì)品牌創(chuàng)建氣候鑒定奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

制種玉米播種面積、產(chǎn)量資料來源于烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)局，制種玉米物候期、氣象資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象局氣象信息服務(wù)中心，包括烏魯木齊、阿勒泰、塔城、昌吉、伊犁、博爾塔拉、石河子等地區(qū)逐日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量。資料年限為2021—2022年。按照北疆地區(qū)玉米播種（4 月下旬）至成熟期（9 月上旬），將生長期以旬為單位劃分為14 個(gè)時(shí)段，分別計(jì)算各生育時(shí)段的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量。

1.2 花期調(diào)查與試驗(yàn)

從試驗(yàn)田選5 株玉米，每天7：00—20：00，每隔1 h 調(diào)查1 次玉米雄穗開花數(shù)量，連續(xù)調(diào)查至雄穗開花結(jié)束，按每日每時(shí)統(tǒng)計(jì)玉米雄穗開花數(shù)量。玉米花粉活力測定在氣候箱內(nèi)進(jìn)行，10：00 左右采集花粉，將花粉置于人工氣候箱內(nèi)，測試不同溫度、濕度下花粉的存活時(shí)間。

1.3 產(chǎn)量資料處理

作物產(chǎn)量可視為由自然和非自然因素影響的結(jié)果，因此可將作物產(chǎn)量y（實(shí)際產(chǎn)量）分解為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量［9-11］。趨勢產(chǎn)量yt（也稱為技術(shù)產(chǎn)量）代表歷史時(shí)期社會生產(chǎn)力水平的產(chǎn)量分量，氣象產(chǎn)量ym是主要由天氣氣候條件決定的短周期變化波動(dòng)產(chǎn)量，分解實(shí)際產(chǎn)量得到的氣象產(chǎn)量作為產(chǎn)量預(yù)報(bào)的因變量，氣象產(chǎn)量計(jì)算式如下。

趨勢產(chǎn)量是假定在氣象條件正常的情況下，起決定因素的是品種改良、栽培技術(shù)措施的逐漸改善、管理水平的現(xiàn)代化等。一般情況下，趨勢產(chǎn)量通常為時(shí)間（年份）的正函數(shù)，在時(shí)間序列上變化較平穩(wěn)，特別是在較大的地域范圍時(shí)更平穩(wěn)。本研究根據(jù)實(shí)際產(chǎn)量采用二次多項(xiàng)式回歸法模擬北疆制種玉米趨勢產(chǎn)量，趨勢產(chǎn)量方程式為yt=1.519x2-5 882.3x+0.000 006（R2=0.975 9），式中x為年份。

1.4 積分回歸分析方法

作物氣象產(chǎn)量ym是由作物全生育期內(nèi)氣溫、光照、水分（大氣降水）氣象條件共同影響的結(jié)果。氣象產(chǎn)量的積分回歸法［12，13］模型如下。

式中，ym為氣象產(chǎn)量；c為積分常數(shù)；i=1，2，3，…，τ；τ為玉米生育期逐旬時(shí)段；t為時(shí)間段；αTi為標(biāo)準(zhǔn)化氣溫、αRi為標(biāo)準(zhǔn)化降水、αSi為標(biāo)準(zhǔn)化日照隨時(shí)間t演變對產(chǎn)量影響的連續(xù)函數(shù)，表示t至t+Δt時(shí)段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化氣溫Ti(t)、標(biāo)準(zhǔn)化降水量Ri(t)和標(biāo)準(zhǔn)化日照時(shí)數(shù)Si(t)變化值對制種玉米產(chǎn)量形成的影響效應(yīng)，即氣象要素每變化一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化單位對制種玉米氣象產(chǎn)量影響的平均值。

某時(shí)段或全生育期的溫、光、水氣象條件對氣象產(chǎn)量的影響系數(shù)計(jì)算式如下。

式中，α(m)為制種玉米播種期至某生育階段或至9 月上旬氣象要素對氣象產(chǎn)量的影響系數(shù)；m為制種玉米播種至某生育階段的旬?dāng)?shù)；αi(t)為第i旬氣象要素對氣象產(chǎn)量的影響系數(shù)，其計(jì)算式如下。

根據(jù)氣象產(chǎn)量與制種玉米全生育期溫、光、水氣象要素對氣象產(chǎn)量影響系數(shù)的相關(guān)性，建立各旬的制種玉米產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型。利用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算逐旬積分回歸影響系數(shù)。當(dāng)影響系數(shù)αi(t)＞0 時(shí)，氣象要素對氣象產(chǎn)量呈正效應(yīng)；當(dāng)αi(t)＜0時(shí)，氣象要素對氣象產(chǎn)量呈負(fù)效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆制種玉米生育期

北疆制種玉米4 月下旬播種，5 月上旬出苗，拔節(jié)期在6 月下旬，7 月中旬進(jìn)入抽雄開花期，8 月中旬灌漿乳熟期，成熟期在9 月上旬。全生育期在135 d左右。

2.2 制種玉米產(chǎn)量與氣候因子的關(guān)系

新疆北疆地區(qū)2021—2022 年制種玉米生育期逐旬溫、光、水積分回歸影響系數(shù)與氣象產(chǎn)量的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.965 3，F(xiàn)為7.56，通過了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。如圖1 所示，氣溫對制種玉米氣象產(chǎn)量影響最明顯，其次是日照時(shí)數(shù)，降水量對氣象產(chǎn)量的影響相對較小。

圖1 北疆地區(qū)制種玉米生長季溫、光、水積分回歸影響系數(shù)

氣溫對北疆地區(qū)制種玉米產(chǎn)量的影響系數(shù)呈“兩峰一谷”型，日照時(shí)數(shù)、降水量影響系數(shù)為“單峰”型。北疆制種玉米苗期氣溫要素是影響制種玉米生長的第一溫度關(guān)鍵期，正效應(yīng)波峰出現(xiàn)在5 月上旬，標(biāo)準(zhǔn)化氣溫每升高1 個(gè)單位，對制種玉米產(chǎn)量的影響系數(shù)為7.5，春季氣溫多變，常出現(xiàn)寒潮、霜凍和“倒春寒”天氣，氣溫升高有利于制種玉米苗全苗壯。抽雄開花期氣溫要素是影響制種玉米生長的第二溫度關(guān)鍵期，負(fù)效應(yīng)波谷出現(xiàn)在7 月中旬，標(biāo)準(zhǔn)化氣溫每升高1 個(gè)單位，影響系數(shù)為-10.9，7 月高溫超過35 ℃，相對濕度低于60%開花減少，雄穗不能正常散粉，雌穗不能正常受精，而造成減產(chǎn)。這種因高溫干旱導(dǎo)致花粉喪失授粉能力的現(xiàn)象，稱為高溫殺雄［14］。制種玉米灌漿乳熟期氣溫要素是影響制種玉米生長第三關(guān)鍵期，正效應(yīng)波峰出現(xiàn)在8 月中旬，標(biāo)準(zhǔn)化氣溫每升高1個(gè)單位，影響系數(shù)為9.1，秋季氣溫下降過快或初霜過早嚴(yán)重影響制種玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量，較高的氣溫延長制種玉米生長期，有利于籽粒飽滿和成熟度。

北疆地區(qū)光照資源豐富，是中國境內(nèi)高值區(qū)之一［15］。在7 月上旬之前，光照對北疆地區(qū)制種玉米產(chǎn)量影響呈正效應(yīng)，影響系數(shù)逐漸增加。7 月中下旬是制種玉米光照關(guān)鍵期，正效應(yīng)巔峰出現(xiàn)在7 月中旬，標(biāo)準(zhǔn)化光照每變化1 個(gè)單位，影響系數(shù)為7.5。7 月中下旬開花期光照不足，將影響玉米生殖器官分化與光合作用，高溫寡照復(fù)合因素可造成玉米雌穗滯育，引發(fā)玉米空稈現(xiàn)象。

北疆地區(qū)年降水量在200 mm，玉米生長季降水量在150 mm 左右［16］，農(nóng)作物需水主要來自灌溉。雖然降水量是制種玉米非主要影響因子，但7 月中下旬的降水仍呈正效應(yīng)，正效應(yīng)波峰出現(xiàn)在7 月中旬，標(biāo)準(zhǔn)化降水每升高1個(gè)單位，影響系數(shù)為5.5。7月中下旬制種玉米抽雄開花授粉期，此時(shí)北疆正值高溫時(shí)段，大氣降水可增加空氣濕度，緩解高溫對花粉的傷害，因此7 月中下旬也成為制種玉米的降水關(guān)鍵期。

2.3 制種玉米溫度關(guān)鍵期及氣象指標(biāo)

2.3.1 播種出苗期 根據(jù)2021—2022 年制種玉米播種期的計(jì)算分析，播種期氣溫高，出苗速度加快，所用天數(shù)少。由圖2 可知，平均氣溫與出苗天數(shù)呈非線性指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.966 1（P＜0.01）。春季氣溫逐漸升高的過程中，平均氣溫12 ℃播種，出苗需20 d以上；14 ℃播種，需16 d；14～15 ℃播種，需15～20 d；18 ℃以上播種，出苗僅需7～9 d。不同溫度播種，出苗的速率則不同。由圖3 可知，平均氣溫與出苗速率呈非線性對數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.985 9（P＜0.01）。在恒溫狀態(tài)下，12 ℃播種，出苗需要29 d；14 ℃播種，出苗需要17 d；16 ℃播種，出苗需要12 d；≥18 ℃播種，出苗需要7～9 d。由此可見，北疆制種玉米適宜播種期在4 月下旬至5 月上旬，耕層土壤相對濕度在60%～70%，播期適宜溫度為≥12 ℃，最適溫度為18 ℃，這與文獻(xiàn)［17，18］的研究結(jié)果一致。氣溫低于8 ℃、土壤相對濕度＞85%，種子發(fā)芽緩慢易造成粉種，連續(xù)低溫、凍害天氣影響種子萌發(fā)和出苗整齊度，甚至出現(xiàn)花期不遇現(xiàn)象，增加了空稈率。

圖2 氣溫變化對玉米播種至出苗天數(shù)的影響

圖3 氣溫變化對玉米出苗速率的影響

苗期適宜溫度在18～20 ℃，生物學(xué)下限溫度為8～10 ℃，0 ℃幼苗受凍，-2 ℃是受凍致死臨界溫度。玉米苗期北疆地區(qū)少雨干旱地表層濕度小，因灌溉底墑較為充足，故使根系下扎能力增強(qiáng)，有益于發(fā)根和形成壯苗。

2.3.2 抽雄開花期 玉米抽雄開花散粉開始至散粉結(jié)束，需要8～10 d。由圖4 可知，第4 天開花量達(dá)到峰值，開花量占植株開花總量的65.6%，第6 天開花量開始迅速減少，開花期可維持10 d 左右。每日散粉量與雄穗開花保持一致，即開花多散粉量就多。圖5 是雄穗開花的日變化過程，在1 d 當(dāng)中，7：00—20：00 是開花時(shí)間，北疆地區(qū)上午10：00 是開花最多的時(shí)間。觀察發(fā)現(xiàn)，晴天開花量在氣溫為20～26 ℃時(shí)達(dá)到最大。玉米花粉存活時(shí)間與溫度呈負(fù)相關(guān)，與空氣濕度呈正相關(guān)。低溫高濕環(huán)境花粉存活時(shí)間長，而高溫低濕環(huán)境花粉加速死亡。濕度在60%～90%，溫度為15 ℃，花粉可存活6 h 以上；溫度為20 ℃，花粉可存活4～5 h；溫度在25～28 ℃，花粉可存活3 h；當(dāng)溫度為35 ℃時(shí)，花粉可存活10～15 min；當(dāng)溫度在40 ℃以上，濕度在30%以下，花粉存活不超過4 min。高溫干旱花粉存活時(shí)間短，玉米難以授粉，增加了空稈率［19，20］。

圖4 玉米雄穗逐日開花量統(tǒng)計(jì)

圖5 玉米雄穗逐時(shí)開花統(tǒng)計(jì)

3 討論

1）通過溫、光、水三要素對制種玉米產(chǎn)量影響系數(shù)進(jìn)行分析，制種玉米生長過程中有3 個(gè)溫度關(guān)鍵期、1 個(gè)光照關(guān)鍵期、1 個(gè)降水關(guān)鍵期。5 月上旬苗期和8 月中旬對制種玉米產(chǎn)量的影響系數(shù)為正效應(yīng)；7月中旬玉米抽雄開花授粉期，氣溫升高對制種玉米產(chǎn)量的影響系數(shù)為負(fù)效應(yīng)；7 月中下旬抽雄開花授粉期的光照和降水量對產(chǎn)量的影響系數(shù)為正效應(yīng)。北疆制種玉米氣候關(guān)鍵期的分析結(jié)果，與解志佳等［20］、王森等［5］、李學(xué)文等［21］的研究結(jié)果相吻合。制種玉米苗期低溫和春季霜凍、開花期的高溫與秋季低溫對產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平，開花期的高溫?zé)岷凸颜丈儆暌自斐芍品N玉米花粉死亡以及花期不孕現(xiàn)象［22，23］，空稈率增加，從而影響制種玉米產(chǎn)量。

2）根據(jù)作物生長過程分析作物氣候關(guān)鍵期，生物學(xué)意義明確。運(yùn)用積分回歸方法分析作物全生育期氣象要素變化對作物產(chǎn)量的影響，是動(dòng)態(tài)分析方法，可直接體現(xiàn)出作物的氣候關(guān)鍵期，該方法也可作為作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法參與到產(chǎn)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中［13，24，25］。

3）北疆地區(qū)制種玉米品質(zhì)優(yōu)良，可創(chuàng)建地標(biāo)性品牌。地標(biāo)性品牌的創(chuàng)建，氣候品質(zhì)認(rèn)證必不可少，氣候品質(zhì)認(rèn)證是評價(jià)氣候的特殊性，特殊的氣候條件養(yǎng)育著特征的產(chǎn)品，體現(xiàn)出特殊氣候的價(jià)值。氣候品質(zhì)認(rèn)證是掌握地方氣候變化特征，掌握氣象災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律及防御意識的過程，也是發(fā)揮環(huán)境優(yōu)勢提升農(nóng)產(chǎn)品知名度和增加效益的基礎(chǔ)［26，27］。

4 結(jié)論

1）氣溫對北疆制種玉米產(chǎn)量的影響較大，苗期和灌漿乳熟期氣溫為正效應(yīng)關(guān)鍵期，抽雄開花期高溫為負(fù)效應(yīng)關(guān)鍵期。開花期光照對制種玉米產(chǎn)量呈正效應(yīng)關(guān)鍵期。雖然北疆地區(qū)多屬于灌溉農(nóng)業(yè)，抽雄開花授粉期自然降水量仍然呈正效應(yīng)關(guān)鍵期。

2）播種期要根據(jù)春季氣溫變化來確定，≥12 ℃是北疆地區(qū)制種玉米播種的適宜溫度，播種后氣溫回升快，出苗整齊。氣溫低于8 ℃，如果后期氣溫回升較慢，種子發(fā)芽受到抑制，出苗整齊度下降，易造成制種玉米花期不遇現(xiàn)象。

3）制種玉米抽雄開花授粉期適宜溫度在20～26 ℃，適宜空氣相對濕度為60%～90%。開花散粉期一般維持8～10 d，在高溫干旱狀態(tài)下，開花期將縮短。在有光照的條件下，玉米雄穗全天都有花朵開放，北疆地區(qū)玉米散粉在7：00—22：00，比東北地區(qū)晚2 h 左右，以上午8：00—11：00 開花較多，下午逐漸減少。