基于作物模型与最佳季节法的锦州地区玉米最佳播种期分析*

米 娜，张玉书，纪瑞鹏，蔡 福，于文颖，张淑杰

（中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳110166）



基于作物模型与最佳季节法的锦州地区玉米最佳播种期分析*

米 娜，张玉书**，纪瑞鹏，蔡 福，于文颖，张淑杰

（中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳110166）

摘要：为了探究锦州地区平均气候状态下玉米最佳播期，同时检验作物模型法和最佳季节法确定最佳播期的适用性，利用辽宁锦州农田试验站3a分期播种试验数据，在对作物生长模型CERES-Maize进行参数校正与模拟效果检验的基础上，应用模型模拟不同播期下玉米30a（1981-2010年）的产量，同时应用最佳季节法分析该地区的玉米最佳播期，结合作物模型法的研究结果，提出对最佳季节法的改进办法。结果表明：CERES-Maize模型能够较好地模拟不同播期玉米的物候期和产量，其归一化均方根误差（NRMSE）小于10.3%，对不同播期下30a的产量模拟结果显示，当播期从4月10日推迟至5月10日，玉米平均产量增加6%，当播期从5月10日推迟至5月30日，玉米产量中值从9112kg·hm-2降至8619kg·hm-2，4月25日和4 月30日播种玉米的平均产量与5月10日播种的玉米产量无显著差异。结果显示最佳季节法确定的锦州地区玉米最佳播期较为滞后，与作物模型法的研究结果及实际生产的播期有较大出入，因此，提出了对最佳季节法的改进办法即将灌浆期间的不利气温条件考虑在内，改进后得到的最佳播期与作物模型法研究结果较一致。从30a平均气候状况看，该地区玉米的最佳播期在4月25日-5月10日，作物模型法有较好的适用性，最佳季节法经过改进后也可实际应用。

关键词：CERES-Maize模型；最佳播期；最佳季节法

米娜，张玉书，纪瑞鹏，等.基于作物模型与最佳季节法的锦州地区玉米最佳播种期分析[J].中国农业气象，2016，37（1）:68-76

玉米品质及产量受生态环境（水、光照、温度和土壤等）和栽培措施（密度、播种期、收获期和肥料等）的影响较大[1]，适宜的播期是实现作物高产的必要条件[2-3]。目前研究不同播期对作物产量影响的方法主要采用分期播种试验法[4-6]、作物生长模型法[7-10]、最佳季节法[11]等。分期播种试验具有直观的优点，但其结果只能反映一个地区试验年份的状况，不具有外推性。作物生长模型法通常在模型得到充分验证之后用于模拟不同播期对作物产量的影响，因作物模型具有较强的机理性[12]，因此，可以将短期的田间试验结果外推至其它年份。最佳季节法是指依据玉米生长发育进程与最佳季节同步原理，使开花吐丝及灌浆成熟关键期处于最佳光温水生态条件下的概率最大[11]，据此确定玉米的最佳播期。总体上，以往应用前两种方法对作物最佳播期的研究较多，应用最佳季节法的研究报道并不多见，该方法是否具有较好的适用性，是否需要进一步完善，还有待深入。东北地区是中国春玉米的主产区，玉米播种面积约占全区粮食作物面积的60%。东北地区玉米的主要生长季节为4-9月，期间限制玉米产量的主要农业气象灾害有低温冷害[13]、干旱[14]、霜冻[15]以及开花吐丝期的连阴雨等，因此，正确选择播期是优化作物产量的重要管理措施。本研究以辽宁锦州农田试验站为研究站点，利用3a分期播种试验数据校正和检验作物生长模型CERES-Maize，利用锦州地区30a（1981-2010年）气象数据驱动模型运行，模拟不同播期对玉米产量的影响，同时将应用最佳季节法确定的最佳播期与模型模拟结果进行比对，提出最佳季节法确定最佳播期方法的改进，旨在为农业气象业务中玉米播种期预报及最佳播期的确定提供方法参考与依据。

1 材料与方法

1.1 试验设置及观测

2011-2013年在锦州农田试验站（41°08′N，121°07′E）设置玉米分期播种试验，并观测玉米生长状况用以校正模型参数及检验模型。该研究区属温带季风型大陆性气候，四季分明，多年（1981-2010年）平均气温9.9℃，平均降水量568mm。2011和2012年各设置8个播期，播种日期分别为4月10、15、20、25、30日及5月10、20、30日，2013年设置7个播期，分别为4月16、20、25、30日及5 月10、20、30日。试验品种为丹玉39，该品种为稀植大穗型晚熟品种，适宜在辽宁省南部及沿海地区种植。3a试验中播种行距均为60cm，株距为40cm，播种时施底肥750kg·hm-2，底肥为复合肥料，N、P2O5、K2O的含量分别为12%、18%、15%，总养分≥45%。利用2011年数据校正模型参数，2012年和2013年数据检验模型模拟效果。

记录所有播期的玉米发育期（出苗、三叶、七叶、拔节、抽雄、开花、乳熟、成熟），另外，针对4月10日（2013年为4月16日）、4月20日、4月30日和5月10日播种的处理，在三叶、七叶、拔节、抽雄和乳熟期各取3株代表性植株进行生物量测定，测定时，将植株齐地面割下，分离为茎、叶、果实部分，称取鲜重，放入恒温干燥箱内杀青（100～105℃，1h），以后维持在70～80℃，烘干至恒重，称取干重。乳熟期所测历年（2011-2013年）植株密度分别为4.80、4.19和4.32株·m-2。玉米成熟后按照《农业气象观测规范》测定籽粒产量，同时测定籽粒含水率，最终将籽粒产量校正至含水率0%，并与模型模拟产量进行比较。

试验期间的逐日气象资料包括最高和最低气温、降雨时间和降雨量、日照时数，均来自辽宁省气象信息中心。

1.2 作物模型校正和评价

使用DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）中CERES-Maize（Version 4.5）[16-17]模拟玉米发育期和产量。利用2011年气象数据和8个播期的玉米试验数据进行参数调试，获取该品种的遗传参数（表1）。利用2012和2013年气象资料驱动模型模拟15个播期的发育期、产量及生物量，将开花期、成熟日期及生物量、产量的模拟值与观测值进行比对，利用误差百分比、均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）和决定系数（R2）等指标评价模型的模拟效果。其中归一化均方根误差可表征观测值与模拟值的相对差异，NRMSE小于20%表示模拟效果好，20%～30%表示模拟效果较好，超过30%表示模拟效果较差[18]。

式中，Pi为第i个模拟值，Oi为第i个观测值，Oavg和Pavg分别为观测平均值和模拟平均值，n为观测值或模拟值的个数。

表1 CERES-Maize模型中“丹玉39”遗传参数取值Table 1 Genetic coefficients and its value for Danyu39 in the CERES-Maize model

1.3 作物模型法

使用锦州站30a（1981-2010年）逐日气象观测资料驱动作物模型CERES-Maize，模拟当地30a该品种不同播期的产量性状，应用SPSS10软件对不同播期的产量、单株籽粒数、百粒重进行统计，采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较检验，分析各播期的产量特点。

气象资料包括日最高、最低气温、日照时数、降水时间和降水量，太阳辐射数据根据日照时数及每日的天文辐射量计算[19]。设置8个播期，分别为4月10、15、20、25、30日和5月10、20和30日。播种日施底肥，施肥量N、P、K分别为90、60、93kg·hm-2，施肥深度8cm，播种密度设为4.32株·m-2。为使玉米生长免受早霜影响，在模型中设置5月20日和5月30日两个播期的收获日期不晚于播种后134d和 124d（根据锦州地区最早初霜日在10月1日出现设置）。模拟产量结果用统计箱式图表征，箱图本身包括中间50%的数据，箱图上、下边界分别代表75% 和25%的数据，产量中值用箱图中的一条水平线表示，线图最上面和最下面的横线代表90%和10%的产量数据。

1.4 玉米生长发育过程与最佳季节同步法

利用锦州站30a（1981-2010年）逐日平均气象资料，采用玉米生长发育过程与最佳季节同步法[11]分析该品种生长发育过程与当地气候资源的匹配情况，确定最适播种期。该方法确定玉米最佳播种期的原理是保证玉米生长发育进程与最佳季节同步，关键是使玉米的开花、结实期处于最佳的温光水环境条件下，然后根据一定条件推算得到播种期，具体方法参考文献[11]。

首先，假定一个计算的起始日期，计算一定时间范围内光温水组合情况。原则是使玉米在抽雄-吐丝期TED天内、灌浆期GFD天内处于最佳光温水条件下的时间最长，即光温的贡献度（con1）与光温水的贡献度（con2）之和最大，则该日期为最佳开花日期。各指标的计算式为：

式中，TED为玉米抽雄-吐丝期天数，GFD为灌浆期天数，SUMT_YPP为品种所需积温，VM为品种早熟性，本研究取1，d1为TED内日平均气温在25～28℃的天数，d2为TED天内日照时数介于6～10h的天数，d3为GFD天内日平均气温在22～24℃的天数，d4为GFD天内日照时数介于6～10h的天数，d5为GFD天内降雨量（mm），200为GFD天内最适降雨量。

具体做法为，利用辽宁锦州地区的常年（1981-2010年）气象资料和玉米品种丹玉39的品种特征，从7月8日（开花日期）-8月5日每2d计算（Con1＋Con2）的值，以确定玉米最佳开花日期。丹玉39的TED为7d，取开花日期前3d和后3d以及开花日当天，GFD为45d，起始日期为开花日期后10d。根据2011-2013年分期播种试验得到的播种-开花日期所需积温，从开花日期向前推算确定播种日期。

2 结果与分析

2.1 典型年作物模型模拟效果检验

利用CERES-Maize模型及其参数调试结果对2012和2013年不同播期玉米生育期进行模拟，以播种后天数表示玉米开花和成熟日期，结果见图1。由图可见，实测不同播期玉米的开花日期和成熟日期分布在播种后67～90d和131～150d，而相应的模拟值范围在63～87d和129～155d，观测值与模拟值间相关系数分别为0.98和0.80，均通过0.01水平的显著性检验。但与1:1线相比，15个播期开花期的模拟值普遍低于实测值，即模拟开花日期比实测提前，但总体误差较小，NRMSE＝3.4%，成熟期模拟值与实测值分布在1:1线两测，总体误差也不大，NRMSE＝4.2%。

CERES-Maize模型对2012和2013年指定播期（10个）玉米生物量的模拟如图2所示。由图可见，各播期玉米生物量累积过程均表现出“S”型变化特点，归一化均方根误差范围在13.3%～31.2%，除2012年4月16日播种（图2b）和2013年5月10日播种（图2h）处理NRMSE较高外，其它处理均在10%～20%，模型对多数播期玉米生物量的模拟效果较好。

CERES-Maize模型对2012和2013年共15个播期的产量模拟及检验结果如表2所示，2012和2013年产量模拟的误差百分比分别为7.2%和9.4%，均方根误差分别为752kg·hm-2和872kg·hm-2。总体来看，该模型对玉米产量的模拟效果很好，2012年NRMSE 为8.1%；2013年为10.3%。

图1 2012和2013年玉米模拟发育期与实测发育期的比较Fig. 1 Comparison of simulated and observed anthesis date (a) and physiology maturity date (b) of maize in 2012 and 2013注：发育期以播种后的天数表示，实线为1:1线，虚线为拟合线Note: The growing date is expressed as days after sowing. Solid line and dotted line in this figure represent 1:1 and fitted line， respectively

图2 2012年和2013年不同播期玉米地上生物量的观测值（点）与模拟值（线）的比较Fig. 2 Comparison of simulated (lines) and observed (dots) top biomass at different sowing dates in 2012 and 2013

表2 2012年和2013年不同播期玉米产量模拟值与观测值的比较Table 2 Comparison of observed and simulated average yield at different sowing dates in 2012 and 2013

2.2 不同播期玉米产量模拟比较

用统计箱式图表征模拟产量结果，箱图本身包括中间50%的数据，箱图上、下边界分别代表75% 和25%的数据，产量中值用箱图中的一条水平线表示，线图最上面和最下面的横线代表90%和10%的产量数据。30a模拟结果显示，从4月10日播种开始，随着播期的延后玉米平均产量逐渐增加，直至播期为5月10日，玉米平均产量达到一个高值（8965kg·hm-2），产量中值也表现出明显的跃升（从8754kg·hm-2升至9112kg·hm-2），之后随着播期延后平均产量呈下降趋势（图3）。具体表现为，当播期从4月10日推迟至5月10日，玉米的开花日期从7月7日推迟到7月20日（表3），玉米平均产量增加6%；当播期从5月10日推迟至5月30日，开花日期从7月20日推迟至8月2日，玉米平均产量减少5%。播期为4月10日时，25%的年份玉米产量低于8179kg·hm-2，25%的年份玉米产量高于8960kg·hm-2；而播期为5月10日时，25%的年份玉米产量低于8529kg·hm-2，25%的年份玉米产量高于9257kg·hm-2。当播期从5月10日推迟至5 月30日，玉米产量中值从9112kg·hm-2降至8619kg·hm-2。因此，从过去30a不同播期对玉米产量影响的模拟结果来看，5月10日前后播种玉米更易获得较高产量。

图3 不同播期玉米产量的模拟值Fig. 3 Simulated yield of maize for different sowing dates

从不同播期玉米平均产量的变化来看（表4），以5月10日为播期的玉米产量与4月25日、4月30日和5月20日为播期的产量无显著性差异。4月10、15、20日和5月30日为播期的玉米平均产量较5月10日为播期的产量约低5%（P＜0.05）。各播期之间单株籽粒数差异不大，5月10日播期的单株籽粒数与其它播期均无显著性差异，4月播种的玉米单株籽粒数较5月30日偏少9%左右，且差异均达到显著水平（P＜0.05）。百粒重则随播期的变化呈抛物线型变化，5月20日以后播种的玉米其百粒重较之前播种的约偏轻6%，与4月25日、4月30日和5 月10日播种的差异均达到显著水平（P＜0.05）。

表3 CERES-Maize模型对不同播期玉米物候期30a平均状况的模拟Table 3 Simulated 30 years’ average penology conditions of maize at different sowing dates by CERES-Maize model

表4 不同播期玉米平均产量、单株籽粒数和百粒重的变化Table 4 Changes of grain yield, kernels number per plant and kernel weight under different sowing dates

2.3 基于最佳季节法的玉米最佳播期分析及方法改进

应用玉米生长发育进程与最佳季节同步的方法对当地玉米生长发育过程与气候资源的匹配情况进行分析，分别计算30a（1981-2010）平均气候状态下玉米抽雄-吐丝期的光温条件Con1和灌浆期的光温水条件Con2（表5）。由表5可见，当开花期处于7月28日-8月1日时，（Con1＋Con2）值最大，大于1.5。2011-2013年玉米分期播种试验结果表明，播种-开花期所需≥10℃积温为1562～1688℃·d，从开花期（7月28日-8月1日）向前推算，则玉米播种期为5月14-26日，该结果与作物模型法对最佳播期的研究结果相比有所差异，且与实际生产中的播期也有较大出入。对郭银巧等[11]最佳季节法的进一步分析发现，该方法没有考虑玉米灌浆期内低温对产量的不利影响。研究表明[20]，玉米灌浆期内气温如果低于16℃，将影响籽粒中淀粉酶的活性，养分的运输和积累不能正常进行，此期间日平均气温在21～22℃的年份籽粒灌浆速度快，成熟早，产量高，而日平均气温低于20℃的年份籽粒灌浆速度慢，成熟晚，收获时籽粒水分含量高，产量相对较低。因此，本研究在应用最佳季节法时，考虑灌浆期内日平均气温低于20℃的情况，定义d6为GFD内日平均温度低于20℃的天数，则

定义（con1＋con2-con3）值最大所对应的日期为最佳开花日期。利用改进的最佳季节法对锦州玉米最佳播期的分析表明，7月20-22日为该地区最佳开花日期，对应的最佳播期为5月2-13日，该结果与作物模型法的研究趋于一致。

当开花日期处于7月8-18日，对应的播期为4 月12日-5月5日，此期间（Con1＋Con2-Con3）的值在0.8～1.1，低于开花日期为7月22日的（Con1＋Con2-Con3）值，主要原因是玉米抽雄-吐丝期气温偏低（低于25℃），不利于玉米高产的形成。当播期推迟至5月15日以后时，（Con1＋Con2-Con3）值小于1.1，也相对偏低，主要原因在于玉米灌浆期日均温小于20℃的天数增多以及降水偏少，也不利于玉米高产的形成。

表5 基于最佳季节法不同开花日期的播期设计结果Table 5 Analysis results of different anthesis dates based on optimum season method

3 结论与讨论

3.1 讨论

Kwabiah[21]通过分期播种试验研究播期对玉米产量的影响，其结果表明，当播期从5月7日推迟至6月4日，玉米产量的平均下降速率为1.5%·d-1，国外更多的播期影响研究是基于作物模型开展的，如Anapalli等[8]应用CERES-Maize模型和RZWQM （Root Zone Water Quality Model）模型的研究结果表明，播期推迟会使玉米产量下降，且生育期长的品种产量下降速度大于生育期短的品种，CERES-Mazie模型在巴西对作物的模拟显示，当玉米播期从2月1日推迟至4 月15 日时，雨养地块和灌溉地块的平均产量分别下降55%和21%，雨养地块玉米平均产量的变化呈现先增加后减少的抛物线型[7]。国内的播期影响研究多集中于分期播种试验，如对海城地区的研究表明，自4月29日开始，随着玉米播期的推迟，生育进程的加快，各生育时期也相应缩短，产量逐渐降低[22]。CERES-Maize模型中单株籽粒数由开花吐丝期间单个植株的平均光合速率，以及作物模型参数单株最大穗粒数G2共同决定，本研究模拟结果表明，随着播期的推迟，玉米单株籽粒数明显增加，该结果在分期播种试验中同样得到证实，刘明等[23]研究表明，晚播（5月15日播种）春玉米穗粒数较早播（4月24日播种）显著提高。本研究中8个播期玉米百粒重的变化均呈现先增加后降低的趋势，CERES-Maize模型中粒重通过最优生长速率函数与灌浆时间的乘积而得，由此可见，5月20日和5月30日为播期的玉米百粒重的降低主要由灌浆时间缩短引起，充足的籽粒灌浆时间有利于玉米获得较高的产量[24]。从模拟结果看，当播期从4月10日推至5月10日时，玉米平均产量并不降低，这是因为随着播期的推迟，玉米灌浆成熟期温光水条件匹配得更好，百粒重增加，因此，玉米平均产量增加。当播期推至5月20日时，单株籽粒数虽有所增加，但百粒重下降明显，且灌浆期内遇低温的概率增大，因此玉米的平均产量降低。综合各个播期玉米的产量及产量组成来看，该地区4月25日-5月10日播种玉米较适宜，此期间播种玉米，产量无显著性差异，且能获得较适宜的单株籽粒数和百粒重，5月10日前后播种，利于在单株籽粒数与百粒重之间获得较好的平衡，玉米平均产量最高。

使用改进前的最佳季节法确定的玉米最佳播期（5月20-26日）较滞后，与实际生产不符，本研究在郭银巧等[11]方法的基础上，提出了将灌浆期内不利温度条件考虑在内的改进方法，对玉米灌浆期的气候资源进行了重新定量表达，因为温度对籽粒形成和灌浆有重要影响，在籽粒灌浆成熟期间，不适宜的温度会影响淀粉酶的活性，使养分的运转和积累不能正常进行，造成结实不饱满。研究表明，在玉米灌浆期进行平均19℃的低温处理，玉米的干物质积累速度减缓，灌浆速度明显下降[20]。使用改进后的最佳季节法确定的最佳播期与作物模型法的研究结果趋于一致，可在今后的研究中进一步应用并检验效果。与作物模型法相比，最佳季节法确定玉米最佳播期仅用到温度、日照、降水等气象资料，可省去作物模型法的参数校准及模型检验等繁琐环节，易于推广应用，同时其农业气象原理也较明确，易于理解。

本研究中，通过作物模型法和改进的最佳季节法确定的适宜播期具有较好的一致性，即在4月25 日-5月10日前后播种玉米有利于获得较高产量，该适宜播期仅代表基于多年（1981-2010年）气候状况的分析结果，然而影响玉米最终经济产量的因素较多，如人为管理、病虫害、当年的气候条件等，因此确定播期还应结合当年的实际情况因地制宜。由于田间试验结果的限制，本研究仅考虑了锦州地区单一玉米品种（晚熟品种）的最佳播期设置，今后将针对其它熟性品种进一步验证最佳季节法确定播期的可靠性。

3.2 结论

CERES-Maize模型能够较好地模拟锦州地区丹玉39不同播期物候和产量状况，其NRMSE小于10.3%，应用该模型分析不同播期对玉米产量的影响表明，该地区玉米适宜在4月25日-5月10日播种，此期间播种玉米，其产量无显著性差异，玉米产量较其它播期平均高出5%。最佳季节法应用于锦州地区最佳播期分析时，应对方法加以改进，即需要考虑灌浆期内不利温度条件的影响，利用改进的最佳季节法得到的最佳播期与作物模型法的研究结果趋于一致。总之，在得到充分验证的条件下，作物生长模型可以作为玉米播期影响分析的有力工具；最佳季节法以保证玉米生长发育进程与最佳季节同步为原则，利用该方法确定的最佳播期也具有一定的科学性。

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Analysis on Optimum Sowing Date of Maize in Jinzhou Using Crop Growth Model and Optimum Season Method

MI Na, ZHANG Yu-shu, JI Rui-peng, CAI Fu, YU Wen-ying, ZHANG Shu-jie
（Institute of Atmospheric Environment， China meteorological Administration （Shenyang）， Shenyang 110166， China）

Abstract:To investigate the maize optimum sowing date under the average climate pattern in Jinzhou as well as evaluate the adaptability of crop growth model method and optimum season method， three years’ experimental data collected during 2011-2013 growing season conducted in Jinzhou crop site was employed in this study to validate the cultivar parameters and evaluate the model. Eight planting dates were simulated using 30 years of historical weather data from Jinzhou meteorological observational site to analyze the effect of different sowing dates on maize yield. Optimum season method was also used to investigate the optimum sowing date of maize in this site. An improved method was proposed to improve the ability of optimum season method. The evaluation of CERES-Maize showed that the model was able to simulated penology and grain yield accurately， with normalized RMSE less than 10.3%. The sowing date analysis showed that a delayed planting date from April 30 to May 10 caused an increase in average yield of 6%. Maize median yield decreased from 9112kg·ha-1to 8619 kg·ha-1when planting date delayed from May 10 to May 30. The yield of sowing date at 10 May had no significant difference with that of sowing at 20book=69,ebook=72April and 25 April. The optimum sowing date determined by optimum season analysis method was delayed，comparing to that determined by the crop model method and actual planting date. So an improved method was proposed， which took the unfavorable temperature during grain filling into account. Then the results were accordance with the real situation. In conclusion， the optimum sowing date of maize in this region was from 25 April to 10 May. The results could provide a reference and scientific basis for determining optimum sowing date of maize.

Key words：CERES-Maize model; Optimum sowing date; Optimum season method

作者简介：米娜（1979-），女，副研究员，主要从事农业气象学研究。E-mail：mina7921@126.com

基金项目：沈阳大气环境研究所公益性科研院所基本科研业务费专项基金（2014IAE-CMA01）；辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划项目（2014060）；辽宁省科学技术厅农业攻关及成果产业化项目（2014210003）；公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206018）

* 收稿日期：2015-06-10**通讯作者。E-mail：yushuzhang@126.com

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.009