玉米低温冷害监测和气象评估模式的研究

玉米低温冷害监测和气象评估模式的研究

对小麦生长和产量的影响主要是由北京农业大学（1984；张宏华，2008）引起的。该方法主要包括高产和温度统计法、动态模型法、人工控制试验法、间歇法和年度作物和温度调查法（王福堂等，1990；王书宇，1995）。例如,马树庆等(1996;2006)用统计-理论模拟方法研究气候变化(特别是温度)对东北地区粮食产量的影响;高素华等(1999)用大型人工气候室研究温度变化对玉米幼苗生理特征的影响;孙玉亭等(1983)用统计方法研究温度变化对吉林省和东北地区玉米产量的影响;娄秀荣等(1995)用积分回归统计方法研究温度对东北地区农业的影响。分期播种是农业气象和农业生理生态研究常用方法之一。该方法利用播种期的差别,使作物的各生育期处在不同的气象条件下,通过观察作物生长发育、结实和产量等对气象条件的反应,分析作物不同生长阶段气象要素变化对作物生长发育和产量的影响,进而确定适宜气象指标和低温冷害等农业气象灾害指标,明确气象要素与作物关系的基本规律。孙玉亭等(1980)采用分期播种试验资料,分析玉米生长与温度的关系,获得玉米生长发育的热量指标;冯玉香等(1982)利用作物不同播期之间的差异,研究干物质积累和分配与气象条件的关系;何维勋等(1990)利用分期播种试验资料,分析玉米展开叶增长与温度和叶龄的关系,建立了叶片增长的动态模式;顾品强等(1989)通过分期播种试验资料,揭示了单季晚稻播期与生育期、产量性状和温光条件之间的数量关系;胡凝等(2006)用分期播种方法研究水稻温敏核不育系性转换的温度特征,得到温度指示指标。随着气候、作物品种和农业生产技术的不断变化,已有的作物气象指标和作物气象模式都已难以满足当前农业生产管理、农业气象服务业务和作物生态研究的需求,因此有必要通过开展分期播种试验,研究在新的气候和农业形势下气象要素变化与作物生长和产量的关系,对作物气象指标,特别是对东北地区玉米低温冷害监测、评估指标及相关气象模式进行重新修订和改进,同时进一步明确气候变暖对玉米生长和产量的影响。为此,于2007年在东北地区中部的榆树市开展了玉米分期播种试验,分析了温度和积温变化对玉米生长发育和产量的影响。1研究领域和方法1.1气候特点分析该试验在榆树市农业气象试验站进行,试验地在大气观测场东北方向50m处。榆树市位于我国东北玉米带的中部,是现阶段全国第一产粮大县(市),属中温带半湿润地区,正常年份≥10℃活动积温2933℃·d,5—9月降水量586mm,无霜期146d,温度、降水、日照和土壤条件都比较适合玉米种植。2007年榆树市气候特点是,玉米生长季气温偏高,积温偏多,降水明显偏少,发生夏季干旱。试验站当年日平均气温≥10℃的积温为3053℃·d,比常年多120℃·d;初霜为9月27日(轻霜,严霜是10月7日),终霜4月28日,无霜期154d,比历年偏长。1.2不同品种早播和早播试验结果采用田间分期播种试验方法。采用晚熟、中熟和早熟3个品种,设正常(早)、偏晚和晚播3个播期(分别为4月25日、5月5日、5月15日,其中早播日期是当地正常播种日期),3个重复,共27个小区,每个小区面积为42m2。晚熟、中熟和早熟品种分别为丹玉39、原单29和龙单13,分别代表辽宁省中部、吉林省中部和黑龙江省北部的主推品种,3个品种播种至成熟所需≥10℃活动积温分别为3050、2950和2510℃·d;出苗至成熟所需活动积温分别为2900、2800和2350℃·d,有效生育期分别为135、128和113d。1.3玉米生物量和叶面积的测定观测播种、出苗、三叶、拔节、抽雄、吐丝、乳熟和完熟出现的日期,以70%的植株达到观测标准(普遍期)为准;调查保苗率和成穗率;苗期每20d、拔节后每隔10d测定玉米地上部分不同器官(茎、叶、穗等)的生物量(平均每株干、鲜质量)和叶面积,每片叶的叶面积=最宽×最长×0.7。收获后测定产量及其产量构成,观测逐日最高气温、最低气温、降水量、日照时数、空气相对湿度和土壤水分,用气象站每天4次气温观测值计算日平均气温。气象、叶面积、生物量、产量等观测和计算方法均按中国气象局(1993)颁布的《农业气象观测规范》进行。1.4试验田的灌溉试验田管理与当地普通玉米田一致。采用人工播种,株、行距为33.3和60cm。底肥为复合肥,拔节期进行一次追肥(尿素)。为了突出温度条件的影响,避免干旱对生长发育和产量的影响,在田间水分严重不足时进行人工灌溉。当年发生了夏旱,试验田6月23日和7月25日进行了灌溉。2次灌溉均采用垄沟灌水方式,到耕层土壤完全湿润为止。1.5生物观测数据对3个重复的观测数据求平均,得到单位面积上的叶面积、生物量和产量等生物观测数据;分别求算各生长期的间隔日数、平均气温和≥10℃活动积温,采用不同品种、播种期之间生物观测数据与气温、积温的对比分析和统计相关分析方法,分析温度变化对玉米生长和产量的影响规律。2结果与分析2.1温度变化对玉米生长速度的影响2.1.1早播和早播期不同表1是3个品种不同播种期玉米生长发育期的比较。早播种的处理种子发芽出苗时间长,但由于早10d播种,出苗等生长发育期出现时间仍然比晚播种的早。例如丹玉39,早播种处理的在5月18日就出苗,比偏晚播和晚播的分别提前了7～11d;早播种的在6月7日进入7叶期,7月28日进入抽雄期,分别比偏晚播的提前了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。由于早播种处理的玉米生长前期的气温要略低于后2个播种期处理,因此不同播种期处理之间各生育期间隔日数的差异并不是开始时的10d,而是5d左右。2.1.2出苗速率与气温的关系农业气象上把完成某一生长发育阶段所需天数的倒数定义为作物生长发育速率(孙玉亭等,1983;王书裕,1995),表示每天完成该生育阶段的份额,反映不同温度处理下作物生长进程的快慢。完成播种至出苗所需日数的倒数为出苗速率。结果表明,玉米出苗速率与温度关系密切,播种至出苗期间气温越高,出苗速率越快。由于晚播种处理玉米出苗期间的平均气温比偏晚播和早播种的高1℃～2℃,因此3个品种均表现为晚播种的出苗速率明显大于偏晚播和早播种的。出苗速率(y)与播种至出苗阶段平均气温(x)为显著的线性关系:y=0.0173x-0.1914,气温每上升1℃,出苗速率提升17.3%;当出苗速率为0时,日平均气温为11.1℃,即,在东北地区,3个品种播种至出苗的下限温度都是日平均气温11℃,日平均气温7℃～8℃为适宜播种期。2.1.3低对比、低影响生长速率的影响在主要营养生长期间(出苗-抽雄),由于晚播种处理的平均气温比偏晚播和早播的高1℃,导致3个品种均表现为晚播种处理的间隔日数比偏晚播种和早播种处理的缩短了3～5d,晚播种的生长速率明显大于偏晚播种和早播种的,平均气温与间隔日数、生长发育速率的关系也是线性的,气温每上升1℃,生长发育速率提升5%。在抽雄-成熟期间,温度变化对生长发育速率的影响并不像对出苗和营养生长那样显著。在此期间,晚播的平均气温比偏晚播和早播的低0.5℃～1℃,而3个品种在生长速率方面的差异均不十分明显,其主要原因是当年温度偏高、后期积温比较充足所致。对于晚熟品种而言,晚播种的后期也有比较充足的灌浆成熟时间,成熟前没有遭受霜害,但是由于后期温度略低一点,生长速率稍慢一些;对于早熟品种,由于后期积温充足,不同播期的基本都在较高温度下成熟,灌浆成熟速率的差异就更不明显了。2.2这种体积对玉米叶片的体积、生物量和产量的影响2.2.1播种期对叶面积的影响用叶面积动态观测资料计算不同时期叶面积指数,结果表明,各品种和播种期处理叶面积指数都遵循单峰型的变化规律,即在整个生长发育期间,前期和中期叶面积指数随着时间明显增加,到达生长旺盛时期(开花授粉期)以后,由于部分叶片干枯和萎缩,叶面积指数开始下降。不同品种之间叶面积有较大差异(表2),晚熟品种各时期的叶面积指数都明显大于早熟品种,其中同一播种期内晚熟品种的最大叶面积指数是早熟的1.4倍左右。以丹玉39为例,播种期处理之间的叶面积指数差异,苗期开始表现得并不十分明显,从7叶期(6月15日)以后开始早播种的叶面积指数逐渐大于晚播种的,并在最大叶面积出现时期差异达到最大,而后播种期之间叶面积差异又变得不明显(图1)。这是由于前期各播期处理叶面积都比较小,差异不宜分辨,而到后期,早播种的灌浆成熟较早,叶面积衰退得也比较早。吐丝前后叶面积差异最明显,主要是抽雄前的一段旺盛生长期间不同播种期温度差异所致。在每个品种的不同播种期处理之间,计算相对于正常播种期处理的相对最大叶面积指数(表2),可以看出,3个品种均表现为偏晚播种和晚播种的叶面积指数分别是正常时间(早)播种的92%和80%。2.2.2水稻中小型品种1.31.4倍用生物量动态观测资料计算玉米地上部分总干质量的动态变化。不同品种之间生物量有一定差异(表2),晚熟及中晚熟品种的生物量始终明显大于早熟品种,其中晚熟品种的生物量是早熟品种的1.3～1.4倍。晚熟和中晚熟品种的生物量在作物发育生长前期比较相近,后期差异较为明显。以丹玉39为例,播种期之间,生物量差异苗期表现得并不十分明显,从拔节期(7月初)以后开始,早播种的生物量逐渐略大于晚播种的,并在灌浆的中期差异达到最大(图2)。在每个品种的不同播种期处理之间,计算相对于正常播种期处理的相对最大生物量,结果表明,3个品种均表现为晚播和偏晚播种的是早播种的93%。个别观测资料有些反常,如丹玉39偏晚播种的最大生物量稍大于早播种的,可能是观测误差所致。2.2.3不同播种期对产量的影响由于品种生物学特性的差异,不同品种之间产量差异比较大(表2),同一播种期,晚熟品种的产量是早熟品种的1.1倍,但并不比中晚熟品种明显偏高,原因是当地更适宜中晚熟品种,而且晚熟品种晚播种的后期温度偏低,成熟度不高。不同播种期处理之间的产量差异十分明显(表2)。在不同播种期之间计算相对于正常播种期的相对产量,3个品种均表现为偏晚播种和晚播种的产量分别是早播种的94%和89%,其中晚熟品种,由于晚播种的后期受到低温影响,尽管没有遭受霜害,但干物质积累较慢,因此播种期之间产量差异更明显;而早熟品种播种期之间产量差异不十分明显,原因是当地和当年积温是充足的,晚播种的也完全成熟了。由于叶面积和生物量是产量形成的基础,因此无论在品种之间还是播中期处理之间,产量差异与叶面积和生物量的差异基本是一致的,但产量差异的幅度略小一些。2.2.4活动容积由于当年玉米生长期间的气温比较高,积温比较充足,晚熟品种晚播种处理的灌浆成熟期尽管受到低温影响,但也基本成熟了,未遇到霜冻害(霜冻日期是9月7日,收获期是9月8日),因此在水分条件基本一致的情况下,品种和播期处理间生物量和产量差异是由积温差异引起的,不受霜冻的影响。各品种各播期处理的叶面积、生物量和产量等方面的差别如表2所示,品种间和播期间的差异都是明显的。试验条件下,在有效生育期间(日平均气温≥10℃期间),不同处理之间≥10℃的活动积温的最大差值是478.9℃·d,最大叶面指数积差为2.1,最大生物量差是684.4g·m-2,产量相差1881.7kg·hm-2(表2)。把3个品种和3个播种期处理综合起来分析可以看出,随着≥10℃活动积温的减少,产量、生物量和叶面积都在下降,即晚熟品种和早播种的积温较多,叶面积大、生物量和产量也比较高,而早熟品种和较晚播种的叶面积、生物量和产量相对较低,关系模式都是线性关系。积温每增加100℃·d,玉米叶面积指数增加0.3,生物量增加152g·m-2,产量增加270kg·hm-2。在播种期之间计算相对于早播种处理的相对积温、相对最大叶面积、相对生物量和相对产量(表2),更能明显地看出播种期处理之间积温变化对生物量和产量的影响(图3),相关模式是线性的,关系都是极显著。活动积温每增加10%(相当于280℃·d),玉米叶面积增加28.1%,生物量增加22.2%,产量增加22.3%,即积温增加100℃·d,玉米叶面积增加10.1%,生物量增加8.0%,产量增加7.8%。3玉米生育期玉米一般冷害和冷害的关系研究表明,分期播种处理产生的温度差异使玉米生长发育速率发生改变。正常(早)播种期的玉米出苗早,成熟期也偏早。阶段平均气温越高,玉米出苗和营养生长速率越快;平均气温与出苗速率、生长速率的关系是线性的,气温每上升1℃,出苗速率提升17%,营养生长速率提升5%。在东北地区,播种至出苗的下限温度是日平均气温11℃。积温与叶面积、生物量和产量的关系密切。晚熟品种和正常时间播种的玉米,由于活动积温较多,最大叶面积指数、中后期生物量、单位面积产量等相关指标都明显高于早熟品种和晚播种的。在主要生长发育期内,不同播种期之间相对积温与相对叶面积指数、相对生物量和相对产量之间的关系模式是线性,积温每增加100℃·d,玉米叶面积增加10.1%,生物量增加8.0%,产量增加7.8%。由此推断,在水分基本满足的前提下,近些年和未来气候变暖对东北地区玉米高产优质是有利的,例如5—9月平均气温上升1℃,在采用晚熟品种的条件下,玉米单产可以增加10%以上。通常把造成减产5%～10%的冷害定义为一般冷害,减产10%以上为严重冷害(王书裕,1995;孙玉亭,1983;马树庆,1996)。本研究表明,在活动积温2900～3000℃·d的东北玉米带中部,玉米主要生