利用播期研究气候条件对黑龙江春玉米产量性状的影响

韩毅强，高亚梅，郑殿峰，杜吉到

(1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院， 黑龙江 大庆 163319； 2.黑龙江八一农垦大学农学院， 黑龙江 大庆 163319)



利用播期研究气候条件对黑龙江春玉米产量性状的影响

韩毅强1，高亚梅1，郑殿峰2，杜吉到2

(1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院， 黑龙江 大庆 163319； 2.黑龙江八一农垦大学农学院， 黑龙江 大庆 163319)

摘要：不同播期致使作物所处的气候条件不同，进而影响作物的生长发育和产量。本文以哲单37(特早熟，生育期113 d)、先玉335(中早熟，118 d)、郑单958(中熟，120 d)等3个玉米品种为试验材料，于2012年到2014年在黑龙江林甸县进行了为期三年分期播种试验，分析了玉米产量相关性状与各个生育阶段气象因子的关系。结果显示：分期播种对3个玉米品种均有影响，其中对早熟品种影响最大。播期主要通过影响玉米百粒重、穗长和秃尖引起产量的变化，贡献最大的因素是百粒重，总效应为0.847，其次是穗长，总效应为0.840，秃尖为负效应，总效应为-0.213。产量性状与气候条件相关性分析发现，玉米产量与抽雄～成熟期的日均温度、降雨呈显著正相关。因此在黑龙江第二积温带播种中早熟和中熟玉米品种(先玉335和郑单958)适当早播可增加抽雄～成熟期的日均温度，增加积温以达到增产的效果；晚播有利于避开早春易发生的干旱、冷害等自然灾害。采用偏最小二乘路径模型PLS-PM处理分析结果显示，播期对产量性状有较大的直接作用(0.763)，同时通过影响各生育期的气候和土壤条件间接影响产量。综上所述，在黑龙江西部地区影响玉米产量最关键的气象因子是抽雄～成熟期的温度和降雨，此时适量的灌溉更有利于增加产量。

关键词：玉米；分期播种；气象因子；产量

作物产量是由作物品种与环境条件共同决定的，作物品种主要由遗传的基因型决定，环境条件包括自然因素、非自然因素及随机事件[1]。非自然因素一般指在时间序列上反映生产力发展水平的因子，包括栽培措施、耕作水平等科技手段；自然因素指以气象要素影响为主的以年为周期的因子，称为气象产量项[2]。对作物影响最大、贯穿作物生长始末的气象因素有降雨、日照和温度，这三个因素同时对作物生长产生作用，影响着产量的高低[3]。现对不同生育阶段气象条件如何影响产量构成因素的研究报道较少，且规律尚不明确[4-6]。明薄、Yoldas等[7-8]利用大田分期播种的方法，使作物生育期处于不同的气象条件下，以缩短试验周期，排除土壤、栽培管理水平与品种等时空异质性的干扰，分析了气象因子与作物生长及产量变化的关系。黑龙江西部地区的玉米种植带，生产灌溉能力很有限，主要依靠降雨，加之春季降水少，变率大，因此春玉米在播种至幼苗生长期间(4月下旬至6月中旬)易于发生春旱。春旱除了抑制出苗外，还明显影响幼苗长势和生长发育速度，从而造成减产。为了缓解春旱对玉米生产的影响，有学者提出在春季干旱时适当晚播避害[9-10]。本研究通过三年大田分期播种试验，探讨玉米各生育期气候条件及土壤环境对玉米产量性状的影响，以期获得影响黑龙江西部地区玉米产量性状的主要气象因子，为玉米种植的避(抗)旱、避寒及灾后补种品种的选择提供依据。

1材料与方法

1.1试验地点概况及试验设计

实验布置于黑龙江省大庆市林甸县宏伟乡吉祥村(黑龙江省第二积温带)，该材地处47°13′8.55″N，125°0′3.84″E，试验地点为平坦、整齐、肥力均匀的大豆茬口地块。试验土壤类型为草甸黑钙土，0～20 cm耕层土壤基本状况见表1。基施硫酸钾型掺混肥料(N∶P2O5∶K2O=15∶23∶10)550 kg·hm-2。各小区田间管理措施均与当地高产模式一致。

试验材料选择哲单37(特早熟)、先玉335(中早熟，2014年由于出苗不齐没进入统计)、郑单958(中熟)3个品种。本地玉米正常播种时期为5月10日左右，据此2012年设3个播期处理分别为4月27日(D1)、5月7日(D2)、5月17日(D3)。由于2012年苗期低温，第一播期和第二播期出苗仅相差1 d，因此 2013年和2014年播期分别设为5月8日(D2)、5月15日(D3)、5月22日(D4)。每播期4次重复，采用随机区组设计，每小区10 m行长、8行区，行距0.65 m，种植密度6.15 万株·hm-2。

1.2气象资料收集及玉米数据考查

气象资料来自“中国气象科学数据共享服务网”(http://cdc. cma.gov.cn，2014)[11]。玉米生育期划分为播种到出苗阶段(emergence to seedling stage, ETS)、出苗到拔节阶段(seedling to spike formation stage, STSF)、拔节到抽雄阶段(spike formation to tasseling stage, SFTS)和抽雄到成熟阶段(tasseling to ripening period, TTRP)等4个阶段。各阶段分别计算日均最高温度(maximum daily temperature, DTmax)、日均最低温度(minimum daily temperature, DTmin)、日均温度(daily temperature, DT)、气温日较差(average daily temperature range, ADTR)、各阶段降水量(periodic precipitation, PP)。各品种关键生育进程见图1，生育期内每月温度、降水见表2。整个生育期内利用智能土壤温湿度记录仪记录土壤湿度(average daily soil humidity, SH)，土壤温度(average daily soil temperature, ST)。人工记录播种期、苗期、拔节期、抽雄期、成熟期的日期； 成熟期测定株高(plantheight, P)、 穗位高(ear height, E)、穗长(ear length, L)、秃尖(bare tip length, B)、穗粗(ear diameter, D)、穗行数(row number, R)、行粒数(kernel number per row, N)和百粒重(100-kernel weight, K)；收获时，去除边行后选取具代表性的10 m2测产获得实际产量(yield, Y)。

ETS: emergence to seedling stage; STSF: seedling to spike formation stage; SFTS: spike formation to tasseling stage; TTRP：tasseling to ripening period

图1各玉米品种不同播期生育进程

Fig.1Growth duration of three maize varieties

during each sowing day

1.3数据分析

用Microsoft Excel 2010软件录入数据和作图，差异显著性检验应用SPSS19.0中单因素方差分析Duncan检测，相关性分析应用Pearson方法，拟合产量和其它性状的线性关系利用向后筛选方法。应用R语言的plspm程序包对温度、降雨、播期、品种、土壤温、湿度与产量的关联性进行偏最小二乘路径模型(PLS-PM，partial least square path modeling)处理分析。

2结果与分析

2.1试验年份气象条件及土壤温、湿度变化

林甸地区属于大陆季风性气候，四季温差较大，无霜期129 d，降水年内和年际间变率大，干旱灾害发生频繁。表2显示，从2000年到2011年5—9月平均气温18.8℃，5—9月平均降水量361.0 mm，降雨明显集中在7月和8月，5月降雨极少。试验年份2012年和2014年与该地区历年气象条件相比较降雨较为特殊，5月份降雨比往年同期多，8月份降雨比往年同期少。2013年5—9月份降雨量比往年多103.1 mm。2014年5月气温较低，玉米种子的萌发较晚。

土壤水分收支平衡的变化必然受气候影响，土壤湿度的主要气象影响因子是降水和实际蒸发[12]。影响土壤温度的气象影响因子主要是气温和日照度。在生育期内0、5、10、15 cm和20 cm土壤温度变化表明，土壤温度从5月份到7月份逐渐升高，6月底7月初达到最大值，随后逐渐降低。地表土壤温度(0 cm)在地表裸露时受日照度影响较大，5月和6月地表土壤温度高出其它土层的温度较多，7月份植株逐渐繁茂， 各层土壤温差逐渐减小(图2)。 研究土壤温度与气候的相关性发现各层土壤温度均与降雨量无显著相关性，与风速显著负相关(R≤-0.160，n=152)，与空气温度极显著正相关(R≥0.794，n=152)，其中地表温度与日空气温度相关系数最小，这与日光直接照射有关。15 cm处土壤湿度在5月到10月间保持在25%～35%之间，明显有6个波峰，均出现在降雨之后。最高湿度在6月11日为34.2%，而长时间的无降雨(7月1日-7月21日)和较大的实际蒸发量导致在7月22日土壤湿度仅为25.4%。相关性分析发现土壤湿度与降雨量极显著正相关性(R=0.228，n=152)，与风速呈极显著负相关(R=-0.238，n=152)，原因是风速增加植物蒸腾量和土壤蒸发量；土壤湿度与空气温度极显著正相关(R=0.247，n=152)，体现了本地区雨热同季的特性。王磊等[12]研究中国西北区西部土壤湿度及其气候响应时发现，土壤湿度和气候因子之间存在相互响应，土壤湿度与气温普遍存在负相关，土壤湿度与降水之间总体响应不明显。表明不同气候条件地区土壤湿度与气候条件的关系不相同，各地区间的试验结果要区分看待[13]。

图22012年玉米生育季节内土壤温度和湿度变化趋势

Fig.2Changes of temperature and relative humidity of

soil during maize growing seasons in 2012

2.2播期对产量性状的影响

产量分析发现，2014年玉米产量显著低于前两年，同时产量相关性状分析也发现，2014年穗长、穗行数和百粒重均显著低于2012年和2013年。各品种产量由高到低依次是先玉335、郑单958、哲单37。其中郑单958和先玉335产量高并稳定，适合本地区种植；哲单37能够较早成熟，但产量太低。分期播种对不同玉米品种的产量性状影响变化趋势有所不同，先玉335和郑单958两个品种随播期的延迟而产量下降，适合播种日期是5月8日左右，哲单37的最适播种日期是5月15日左右。显著性分析发现播期通过改变玉米的穗长、秃尖、穗行数、行粒数和百粒重等性状引起产量的变化，见表3。

2.3不同阶段气象因子、土壤温、湿度的变化与产量性状的相关分析

按照播种到出苗阶段、出苗到拔节阶段、拔节到抽雄阶段和抽雄到成熟阶段等4个阶段，获取各个生育阶段的气象数据，分析各阶段气象因子与产量性状的相关性，省略相关性不显著的性状得到表4。分析发现气候条件对各个品种的影响各不相同，哲单37受气候影响最大的是穗长，其与播种到出苗阶段温度、出苗到拔节阶段温度日较差、抽雄到成熟阶段日均温度和降雨显著相关。先玉335的产量与抽雄到成熟阶段温度和降雨显著正相关。郑单958的株高、穗位高、穗长和行粒数等性状与出苗到拔节阶段温度呈显著负相关，而与拔节到抽雄阶段温度显著正相关。不同品种生育期不同，其产量性状与气候条件相关性各不相同，结合气象条件分析发现2012年8月和2014年8月降雨较少，此时玉米生长处于抽雄到成熟阶段，此阶段降雨显著影响产量。抽雄到成熟阶段的温度、降雨量影响哲单37、先玉335和郑单958穗长和产量。哲单37、先玉335和郑单958在黑龙江地区的生育期约为110～120 d，晚播导致生育期缩短，有效积温降低，最后一个播期积温小于2 500℃(先玉335和郑单958正常生育期所需积温约为2 600℃～2 700℃)，造成抽雄到成熟阶段有效积温降低，影响玉米穗长生长和产量形成。

注：同一年份、同品种每列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，年际间均值每列不同大写字母表示差异显著(P<0.05)

Note： Values within each year followed by different lowercase letter are significantly different atP<0.05. Mean values among different year followed by different upper letter are significantly different atP<0.05.

土壤直接与作物的根部接触，是固定作物的介质，能够不断地供应和协调作物生长发育所必需的水分、养分、空气和热量，土壤的温度、湿度必然影响作物的生长。分析土壤的温度、湿度与产量的相关性发现，哲单37的产量与播种到出苗阶段的土壤湿度正相关，与拔节到抽雄阶段土壤湿度负相关，与抽雄到成熟阶段土壤湿度正相关；先玉335的产量与抽雄到成熟阶段土壤湿度正相关，见表4。以上结果表明玉米在生殖生长期的土壤水分对玉米产量有较强的影响。王延宇等[14]通过回归旋转正交组合试验研究各生育期土壤水分对玉米产量影响，发现土壤水分在灌浆成熟期对产量影响大于其它时期。

采用偏最小二乘路径模型进一步分析温度、降雨、播期、品种、土壤温、湿度与产量的交互作用，结果显示品种对产量的直接作用小于播期对产量的直接影响，播期的直接作用系数是0.763，并通过气候和土壤条件的影响间接影响产量的形成(见图3)。

3讨论与结论

在全球气候环境日益恶化的今天如何充分适应当地气候条件，将作物的关键生育期置于有利的气候条件中，播期和品种的选择至关重要[15]，适宜的播期是玉米充分利用生态环境中有利的光、温、水资源的条件保障[16]。由于北方地区气候条件具有强烈的时空特异性，品种、播期和地区的变化将产生以下两种情况：第一，地区气候资源能够满足作物生长发育的需求，使气候条件与产量性状的相关性变模糊；第二，某些阶段的气象因子不能满足作物生长发育的需求，凸显为该地区产量提升的限制因素[7]。本试验发现在晚播的情况下秋季低温造成了中熟品种先玉335、郑单958提前成熟，生育期缩短，影响了产量形成。早熟品种哲单37在5月17日左右播种产量最高。对产量的直接贡献最大的是穗长，然后是百粒重、秃尖长；但穗长与秃尖极显著正相关，所以对产量的间接贡献反而不如百粒重。

注： B(b)：秃尖；D(d)：穗粗；K(k)：百粒重；L(l)：穗长；N(n)：行粒数；R(r)：穗行数；Y(y)：产量。小写字母表示显著相关，大写字母表示极显著相关，“-”表示负相关。

Note： B(b): bare tip, D(d): ear diameter, K(k): kernels per ear, L(l): ear length, N(n): kernel number per row, R(r): row number, Y(y): yield. The upper and lowercase letters indicate significant correlations at 5% and 1% probability levels, respectively. “-” represents a negative correlation.

图3气象因子、播期、品种、土壤与

产量性状的PLS-PM分析结果

Fig.3The result of PLS-PM among meteorological factors

(climate), sowing data, cultivar, soil and yield

玉米是需水较多的作物，王振华等[17-18]研究玉米生产的主要限制因子，发现干旱往往导致出苗不齐，发育滞后等问题，特别是灌浆期干旱会导致子粒发育不良而导致严重减产。王琪等[10]研究表明，在东北中部玉米主产区，玉米幼苗长势好坏主要取决于水分。刘树新等[19]在研究玉米空杆的成因时曾经提出不适合的气象条件将引发玉米空杆。本研究发现2012年哲单37和先玉335早播空杆率均显著高于晚播，这可能与初春的低温和干旱有关。但哲单37和先玉335抽雄到成熟期的降雨与产量显著相关，即抽雄到成熟期的降雨是关键的气候因子，对产量形成更为重要。土壤湿度与作物的关系更密切，成熟期的土壤湿度与先玉335的产量极显著相关，体现了这种递进关系。

在黑龙江省松嫩平原播期延后将缩短适合作物生长的气候天数，需要较长生育期的作物品种将不能成熟。陆卫平等[20]研究我国东北玉米生长条件时指出，早播延长生育期显著提高了产量，北方玉米适当早播可以增产。前人分析气候变化对东北地区玉米产量的影响时发现在水分基本适宜的条件下，玉米生长季气温升高、积温增加，使玉米生长发育和灌浆速度加快，生物量增加，从而提高单产[[4,21]。赵会薇等[22]研究分期播种对不同棉花品系的影响时发现，不同品系主要性状指标差异明显，大多数春播产量高、夏播品质好，少数夏播产量高。本研究表明，随着播期的推迟，玉米苗期和拔节期的环境温度逐渐升高，玉米的生育期缩短，不利于玉米产量的形成。先玉335抽雄到成熟阶段日均温度与穗长呈显著正相关，出苗到拔节阶段的日均最高温度和平均温度影响秃尖；哲单37播种到苗期阶段的日均最低温度极显著影响穗长，显著提高产量，降低秃尖。3个品种，在拔节到抽雄阶段的温度对玉米产量是正向的影响，此阶段降雨对哲单37和先玉335也有显著的增产效应。说明在本地区拔节到抽雄阶段的温度是影响玉米产量的主要因素，但出苗到拔节阶段过高的温度会引起产量的降低。本地区在没有春天低温和霜害情况时可以适当提前播期，获得较高拔节到抽雄阶段的温度，延长生育期获得高产，当出现春季低温或霜害时可以补种早熟品种哲单37。

PLS-PM是研究显变量集合之间的关系，检测显变量(manifest variable，MV)和潜变量(1atent variable，LV)、潜变量和潜变量之间关系的一种多元先验模型。该方法已被应用到市场调研、经济学、化学、生物信息学、医学、药物学等各个领域[23-24]。本研究利用PLS-PM对气象因子、播期、品种、土壤温、湿度与产量的交互作用进行分析，发现播期不仅直接影响产量的形成，还可以使作物生育期处于不同气候条件和土壤条件下间接影响产量的形成。在4种条件下品种对产量的直接作用最小为0.095，品种通过生育期长短不同影响所处生育期内的气候条件间接影响产量。这表明播期对产量影响较大，适合的播期不应随意调节，农民为了追求高产提前播种的方式是不妥的。本研究受试验年份气象条件的限制，不能够完全代表本地气象条件，对分析会有一定影响。气象条件对产量影响，首先会影响到玉米生物量的积累，所以在后续的研究中我们将增加玉米干物质积累、叶面积、节间长度等方面的数据，从玉米生物量积累方面研究气候对产量的影响。

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Effects of meteorological factors on yield traits of maize (ZeamaysL.)in Heilongjiang during various sowing seasons

HAN Yi-qiang1, GAO Ya-mei1, ZHENG Dian-feng2, Du Ji-dao2

(1.CollegeofLifeScienceandTechnology,HeilongjiangBayiAgricultureUniversity,Daqing,Heilongjiang163319,China;2.CollegeofAgriculture,HeilongjiangBayiAgricultureUniversity,Daqing,Heilongjiang163319,China)

Keywords:Maize (ZeamaysL.); interval sowing; meteorological factor; yield

Abstract：Differences in climatic conditions under which crops are grown during various growth seasons affects development and yield of maize. A three-year field experiment was conducted to assess the relationship between yield related traits and meteorological factors at each growth stage in Lindian County of Heilongjiang Province from 2012 to 2014, and the Zhedan 37 (early maturity, 113 d), Xianyu 335 (early maturity, 118 d) and Zhengdan 958 (medium-maturity, 120 d) of three maize varieties were sown during three sowing reasons. The results showed that sowing date had effects on three maize varieties, and the effects on early maturing variety were most significant. Sowing date mainly affected ear length, bald tip and 100-kernel weight leading to the change of maize yield, and the biggest contributor was 100-kernel weight with a total effect value of 0.847, followed by ear length with a total effect value of 0.840. However, bald tip had a negative correlation with yield, showing a total effect value of -0.213. Furthermore, yield traits and climatic conditions correlation analysis showed that the maize yield had a significant positive correlation with average daily temperature and precipitation from tasseling stage to maturity stage. So, the study has shown that early sowing at appropriate time improved yield for medium maturing maize in the western region of Heilongjiang by increasing average daily temperature and accumulated temperature. Suitable late sowing for early maturing maize can avoid spring drought, cold damage and other natural disasters in early spring. The result of PLS-PM (Partial Least Square Path Modeling) analysis indicated that sowing date had a direct effect (0.763) on yield, and had an indirect effect on yield by interacting with meteorological factors and soil condition at each growth stage. Above all, temperature and precipitation from tasseling stage to maturity stage are the most important meteorological factors for maize yield in the western region of Heilongjiang, and irrigation during these stages will contribute to high and stable yields.

文章编号：1000-7601(2016)03-0132-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.21

收稿日期：2016-03-01

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAD20B04)

作者简介：韩毅强(1976—)，男，河北宣化人，硕士，主要从事气候变化与耕作栽培及农业减灾领域研究。 E-mail：hyq420@163.com。 通信作者：郑殿峰(1969—)，男，教授，主要从事耕作与栽培研究。E-mail:zhengdianfeng@hlau.cn。

中图分类号：S352； S161

文献标志码：A