玉米低溫冷害監(jiān)測和氣象評估模式的研究

對小麥生長和產(chǎn)量的影響主要是由北京農(nóng)業(yè)大學(xué)（1984；張宏華，2008）引起的。該方法主要包括高產(chǎn)和溫度統(tǒng)計(jì)法、動(dòng)態(tài)模型法、人工控制試驗(yàn)法、間歇法和年度作物和溫度調(diào)查法（王福堂等，1990；王書宇，1995）。例如,馬樹慶等(1996;2006)用統(tǒng)計(jì)-理論模擬方法研究氣候變化(特別是溫度)對東北地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響;高素華等(1999)用大型人工氣候室研究溫度變化對玉米幼苗生理特征的影響;孫玉亭等(1983)用統(tǒng)計(jì)方法研究溫度變化對吉林省和東北地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響;婁秀榮等(1995)用積分回歸統(tǒng)計(jì)方法研究溫度對東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響。分期播種是農(nóng)業(yè)氣象和農(nóng)業(yè)生理生態(tài)研究常用方法之一。該方法利用播種期的差別,使作物的各生育期處在不同的氣象條件下,通過觀察作物生長發(fā)育、結(jié)實(shí)和產(chǎn)量等對氣象條件的反應(yīng),分析作物不同生長階段氣象要素變化對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響,進(jìn)而確定適宜氣象指標(biāo)和低溫冷害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo),明確氣象要素與作物關(guān)系的基本規(guī)律。孫玉亭等(1980)采用分期播種試驗(yàn)資料,分析玉米生長與溫度的關(guān)系,獲得玉米生長發(fā)育的熱量指標(biāo);馮玉香等(1982)利用作物不同播期之間的差異,研究干物質(zhì)積累和分配與氣象條件的關(guān)系;何維勛等(1990)利用分期播種試驗(yàn)資料,分析玉米展開葉增長與溫度和葉齡的關(guān)系,建立了葉片增長的動(dòng)態(tài)模式;顧品強(qiáng)等(1989)通過分期播種試驗(yàn)資料,揭示了單季晚稻播期與生育期、產(chǎn)量性狀和溫光條件之間的數(shù)量關(guān)系;胡凝等(2006)用分期播種方法研究水稻溫敏核不育系性轉(zhuǎn)換的溫度特征,得到溫度指示指標(biāo)。隨著氣候、作物品種和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷變化,已有的作物氣象指標(biāo)和作物氣象模式都已難以滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)和作物生態(tài)研究的需求,因此有必要通過開展分期播種試驗(yàn),研究在新的氣候和農(nóng)業(yè)形勢下氣象要素變化與作物生長和產(chǎn)量的關(guān)系,對作物氣象指標(biāo),特別是對東北地區(qū)玉米低溫冷害監(jiān)測、評估指標(biāo)及相關(guān)氣象模式進(jìn)行重新修訂和改進(jìn),同時(shí)進(jìn)一步明確氣候變暖對玉米生長和產(chǎn)量的影響。為此,于2007年在東北地區(qū)中部的榆樹市開展了玉米分期播種試驗(yàn),分析了溫度和積溫變化對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響。1研究領(lǐng)域和方法1.1氣候特點(diǎn)分析該試驗(yàn)在榆樹市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行,試驗(yàn)地在大氣觀測場東北方向50m處。榆樹市位于我國東北玉米帶的中部,是現(xiàn)階段全國第一產(chǎn)糧大縣(市),屬中溫帶半濕潤地區(qū),正常年份≥10℃活動(dòng)積溫2933℃·d,5—9月降水量586mm,無霜期146d,溫度、降水、日照和土壤條件都比較適合玉米種植。2007年榆樹市氣候特點(diǎn)是,玉米生長季氣溫偏高,積溫偏多,降水明顯偏少,發(fā)生夏季干旱。試驗(yàn)站當(dāng)年日平均氣溫≥10℃的積溫為3053℃·d,比常年多120℃·d;初霜為9月27日(輕霜,嚴(yán)霜是10月7日),終霜4月28日,無霜期154d,比歷年偏長。1.2不同品種早播和早播試驗(yàn)結(jié)果采用田間分期播種試驗(yàn)方法。采用晚熟、中熟和早熟3個(gè)品種,設(shè)正常(早)、偏晚和晚播3個(gè)播期(分別為4月25日、5月5日、5月15日,其中早播日期是當(dāng)?shù)卣２シN日期),3個(gè)重復(fù),共27個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為42m2。晚熟、中熟和早熟品種分別為丹玉39、原單29和龍單13,分別代表遼寧省中部、吉林省中部和黑龍江省北部的主推品種,3個(gè)品種播種至成熟所需≥10℃活動(dòng)積溫分別為3050、2950和2510℃·d;出苗至成熟所需活動(dòng)積溫分別為2900、2800和2350℃·d,有效生育期分別為135、128和113d。1.3玉米生物量和葉面積的測定觀測播種、出苗、三葉、拔節(jié)、抽雄、吐絲、乳熟和完熟出現(xiàn)的日期,以70%的植株達(dá)到觀測標(biāo)準(zhǔn)(普遍期)為準(zhǔn);調(diào)查保苗率和成穗率;苗期每20d、拔節(jié)后每隔10d測定玉米地上部分不同器官(莖、葉、穗等)的生物量(平均每株干、鮮質(zhì)量)和葉面積,每片葉的葉面積=最寬×最長×0.7。收獲后測定產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成,觀測逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、空氣相對濕度和土壤水分,用氣象站每天4次氣溫觀測值計(jì)算日平均氣溫。氣象、葉面積、生物量、產(chǎn)量等觀測和計(jì)算方法均按中國氣象局(1993)頒布的《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》進(jìn)行。1.4試驗(yàn)田的灌溉試驗(yàn)田管理與當(dāng)?shù)仄胀ㄓ衩滋镆恢?。采用人工播種,株、行距為33.3和60cm。底肥為復(fù)合肥,拔節(jié)期進(jìn)行一次追肥(尿素)。為了突出溫度條件的影響,避免干旱對生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響,在田間水分嚴(yán)重不足時(shí)進(jìn)行人工灌溉。當(dāng)年發(fā)生了夏旱,試驗(yàn)田6月23日和7月25日進(jìn)行了灌溉。2次灌溉均采用壟溝灌水方式,到耕層土壤完全濕潤為止。1.5生物觀測數(shù)據(jù)對3個(gè)重復(fù)的觀測數(shù)據(jù)求平均,得到單位面積上的葉面積、生物量和產(chǎn)量等生物觀測數(shù)據(jù);分別求算各生長期的間隔日數(shù)、平均氣溫和≥10℃活動(dòng)積溫,采用不同品種、播種期之間生物觀測數(shù)據(jù)與氣溫、積溫的對比分析和統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析方法,分析溫度變化對玉米生長和產(chǎn)量的影響規(guī)律。2結(jié)果與分析2.1溫度變化對玉米生長速度的影響2.1.1早播和早播期不同表1是3個(gè)品種不同播種期玉米生長發(fā)育期的比較。早播種的處理種子發(fā)芽出苗時(shí)間長,但由于早10d播種,出苗等生長發(fā)育期出現(xiàn)時(shí)間仍然比晚播種的早。例如丹玉39,早播種處理的在5月18日就出苗,比偏晚播和晚播的分別提前了7～11d;早播種的在6月7日進(jìn)入7葉期,7月28日進(jìn)入抽雄期,分別比偏晚播的提前了4～7d,比晚播的提前了8～11d;乳熟期和完熟期早播的比偏晚播的平均提前了4d,比晚播的提前了8～14d。由于早播種處理的玉米生長前期的氣溫要略低于后2個(gè)播種期處理,因此不同播種期處理之間各生育期間隔日數(shù)的差異并不是開始時(shí)的10d,而是5d左右。2.1.2出苗速率與氣溫的關(guān)系農(nóng)業(yè)氣象上把完成某一生長發(fā)育階段所需天數(shù)的倒數(shù)定義為作物生長發(fā)育速率(孫玉亭等,1983;王書裕,1995),表示每天完成該生育階段的份額,反映不同溫度處理下作物生長進(jìn)程的快慢。完成播種至出苗所需日數(shù)的倒數(shù)為出苗速率。結(jié)果表明,玉米出苗速率與溫度關(guān)系密切,播種至出苗期間氣溫越高,出苗速率越快。由于晚播種處理玉米出苗期間的平均氣溫比偏晚播和早播種的高1℃～2℃,因此3個(gè)品種均表現(xiàn)為晚播種的出苗速率明顯大于偏晚播和早播種的。出苗速率(y)與播種至出苗階段平均氣溫(x)為顯著的線性關(guān)系:y=0.0173x-0.1914,氣溫每上升1℃,出苗速率提升17.3%;當(dāng)出苗速率為0時(shí),日平均氣溫為11.1℃,即,在東北地區(qū),3個(gè)品種播種至出苗的下限溫度都是日平均氣溫11℃,日平均氣溫7℃～8℃為適宜播種期。2.1.3低對比、低影響生長速率的影響在主要營養(yǎng)生長期間(出苗-抽雄),由于晚播種處理的平均氣溫比偏晚播和早播的高1℃,導(dǎo)致3個(gè)品種均表現(xiàn)為晚播種處理的間隔日數(shù)比偏晚播種和早播種處理的縮短了3～5d,晚播種的生長速率明顯大于偏晚播種和早播種的,平均氣溫與間隔日數(shù)、生長發(fā)育速率的關(guān)系也是線性的,氣溫每上升1℃,生長發(fā)育速率提升5%。在抽雄-成熟期間,溫度變化對生長發(fā)育速率的影響并不像對出苗和營養(yǎng)生長那樣顯著。在此期間,晚播的平均氣溫比偏晚播和早播的低0.5℃～1℃,而3個(gè)品種在生長速率方面的差異均不十分明顯,其主要原因是當(dāng)年溫度偏高、后期積溫比較充足所致。對于晚熟品種而言,晚播種的后期也有比較充足的灌漿成熟時(shí)間,成熟前沒有遭受霜害,但是由于后期溫度略低一點(diǎn),生長速率稍慢一些;對于早熟品種,由于后期積溫充足,不同播期的基本都在較高溫度下成熟,灌漿成熟速率的差異就更不明顯了。2.2這種體積對玉米葉片的體積、生物量和產(chǎn)量的影響2.2.1播種期對葉面積的影響用葉面積動(dòng)態(tài)觀測資料計(jì)算不同時(shí)期葉面積指數(shù),結(jié)果表明,各品種和播種期處理葉面積指數(shù)都遵循單峰型的變化規(guī)律,即在整個(gè)生長發(fā)育期間,前期和中期葉面積指數(shù)隨著時(shí)間明顯增加,到達(dá)生長旺盛時(shí)期(開花授粉期)以后,由于部分葉片干枯和萎縮,葉面積指數(shù)開始下降。不同品種之間葉面積有較大差異(表2),晚熟品種各時(shí)期的葉面積指數(shù)都明顯大于早熟品種,其中同一播種期內(nèi)晚熟品種的最大葉面積指數(shù)是早熟的1.4倍左右。以丹玉39為例,播種期處理之間的葉面積指數(shù)差異,苗期開始表現(xiàn)得并不十分明顯,從7葉期(6月15日)以后開始早播種的葉面積指數(shù)逐漸大于晚播種的,并在最大葉面積出現(xiàn)時(shí)期差異達(dá)到最大,而后播種期之間葉面積差異又變得不明顯(圖1)。這是由于前期各播期處理葉面積都比較小,差異不宜分辨,而到后期,早播種的灌漿成熟較早,葉面積衰退得也比較早。吐絲前后葉面積差異最明顯,主要是抽雄前的一段旺盛生長期間不同播種期溫度差異所致。在每個(gè)品種的不同播種期處理之間,計(jì)算相對于正常播種期處理的相對最大葉面積指數(shù)(表2),可以看出,3個(gè)品種均表現(xiàn)為偏晚播種和晚播種的葉面積指數(shù)分別是正常時(shí)間(早)播種的92%和80%。2.2.2水稻中小型品種1.31.4倍用生物量動(dòng)態(tài)觀測資料計(jì)算玉米地上部分總干質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。不同品種之間生物量有一定差異(表2),晚熟及中晚熟品種的生物量始終明顯大于早熟品種,其中晚熟品種的生物量是早熟品種的1.3～1.4倍。晚熟和中晚熟品種的生物量在作物發(fā)育生長前期比較相近,后期差異較為明顯。以丹玉39為例,播種期之間,生物量差異苗期表現(xiàn)得并不十分明顯,從拔節(jié)期(7月初)以后開始,早播種的生物量逐漸略大于晚播種的,并在灌漿的中期差異達(dá)到最大(圖2)。在每個(gè)品種的不同播種期處理之間,計(jì)算相對于正常播種期處理的相對最大生物量,結(jié)果表明,3個(gè)品種均表現(xiàn)為晚播和偏晚播種的是早播種的93%。個(gè)別觀測資料有些反常,如丹玉39偏晚播種的最大生物量稍大于早播種的,可能是觀測誤差所致。2.2.3不同播種期對產(chǎn)量的影響由于品種生物學(xué)特性的差異,不同品種之間產(chǎn)量差異比較大(表2),同一播種期,晚熟品種的產(chǎn)量是早熟品種的1.1倍,但并不比中晚熟品種明顯偏高,原因是當(dāng)?shù)馗m宜中晚熟品種,而且晚熟品種晚播種的后期溫度偏低,成熟度不高。不同播種期處理之間的產(chǎn)量差異十分明顯(表2)。在不同播種期之間計(jì)算相對于正常播種期的相對產(chǎn)量,3個(gè)品種均表現(xiàn)為偏晚播種和晚播種的產(chǎn)量分別是早播種的94%和89%,其中晚熟品種,由于晚播種的后期受到低溫影響,盡管沒有遭受霜害,但干物質(zhì)積累較慢,因此播種期之間產(chǎn)量差異更明顯;而早熟品種播種期之間產(chǎn)量差異不十分明顯,原因是當(dāng)?shù)睾彤?dāng)年積溫是充足的,晚播種的也完全成熟了。由于葉面積和生物量是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),因此無論在品種之間還是播中期處理之間,產(chǎn)量差異與葉面積和生物量的差異基本是一致的,但產(chǎn)量差異的幅度略小一些。2.2.4活動(dòng)容積由于當(dāng)年玉米生長期間的氣溫比較高,積溫比較充足,晚熟品種晚播種處理的灌漿成熟期盡管受到低溫影響,但也基本成熟了,未遇到霜凍害(霜凍日期是9月7日,收獲期是9月8日),因此在水分條件基本一致的情況下,品種和播期處理間生物量和產(chǎn)量差異是由積溫差異引起的,不受霜凍的影響。各品種各播期處理的葉面積、生物量和產(chǎn)量等方面的差別如表2所示,品種間和播期間的差異都是明顯的。試驗(yàn)條件下,在有效生育期間(日平均氣溫≥10℃期間),不同處理之間≥10℃的活動(dòng)積溫的最大差值是478.9℃·d,最大葉面指數(shù)積差為2.1,最大生物量差是684.4g·m-2,產(chǎn)量相差1881.7kg·hm-2(表2)。把3個(gè)品種和3個(gè)播種期處理綜合起來分析可以看出,隨著≥10℃活動(dòng)積溫的減少,產(chǎn)量、生物量和葉面積都在下降,即晚熟品種和早播種的積溫較多,葉面積大、生物量和產(chǎn)量也比較高,而早熟品種和較晚播種的葉面積、生物量和產(chǎn)量相對較低,關(guān)系模式都是線性關(guān)系。積溫每增加100℃·d,玉米葉面積指數(shù)增加0.3,生物量增加152g·m-2,產(chǎn)量增加270kg·hm-2。在播種期之間計(jì)算相對于早播種處理的相對積溫、相對最大葉面積、相對生物量和相對產(chǎn)量(表2),更能明顯地看出播種期處理之間積溫變化對生物量和產(chǎn)量的影響(圖3),相關(guān)模式是線性的,關(guān)系都是極顯著。活動(dòng)積溫每增加10%(相當(dāng)于280℃·d),玉米葉面積增加28.1%,生物量增加22.2%,產(chǎn)量增加22.3%,即積溫增加100℃·d,玉米葉面積增加10.1%,生物量增加8.0%,產(chǎn)量增加7.8%。3玉米生育期玉米一般冷害和冷害的關(guān)系研究表明,分期播種處理產(chǎn)生的溫度差異使玉米生長發(fā)育速率發(fā)生改變。正常(早)播種期的玉米出苗早,成熟期也偏早。階段平均氣溫越高,玉米出苗和營養(yǎng)生長速率越快;平均氣溫與出苗速率、生長速率的關(guān)系是線性的,氣溫每上升1℃,出苗速率提升17%,營養(yǎng)生長速率提升5%。在東北地區(qū),播種至出苗的下限溫度是日平均氣溫11℃。積溫與葉面積、生物量和產(chǎn)量的關(guān)系密切。晚熟品種和正常時(shí)間播種的玉米,由于活動(dòng)積溫較多,最大葉面積指數(shù)、中后期生物量、單位面積產(chǎn)量等相關(guān)指標(biāo)都明顯高于早熟品種和晚播種的。在主要生長發(fā)育期內(nèi),不同播種期之間相對積溫與相對葉面積指數(shù)、相對生物量和相對產(chǎn)量之間的關(guān)系模式是線性,積溫每增加100℃·d,玉米葉面積增加10.1%,生物量增加8.0%,產(chǎn)量增加7.8%。由此推斷,在水分基本滿足的前提下,近些年和未來氣候變暖對東北地區(qū)玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)是有利的,例如5—9月平均氣溫上升1℃,在采用晚熟品種的條件下,玉米單產(chǎn)可以增加10%以上。通常把造成減產(chǎn)5%～10%的冷害定義為一般冷害,減產(chǎn)10%以上為嚴(yán)重冷害(王書裕,1995;孫玉亭,1983;馬樹慶,1996)。本研究表明,在活動(dòng)積溫2900～3000℃·d的東北玉米帶中部,玉米主要生