不同生育期干旱对玉米生长及产量的影响模拟

黄岩 李晶 王莹 张晓月 李雨鸿 焦敏 周斌 王贺然

摘要 利用作物生长模型模拟苗期、拔节期和灌浆期发生不同时长干旱（用连续无雨日数表示）时玉米的生长过程，分析单一发育期干旱发生干旱对玉米产量的影响。结果表明，苗期发生5～40 d的持续干旱，对玉米籽粒灌浆无明显影响，最终产量无明显变化。拔节期或灌浆期分别发生5～40 d的持续干旱，均会对玉米籽粒灌浆产生负面影响，并最终导致产量下降，且干旱持续时间越长对灌浆的影响越早，减产越严重。当玉米拔节期持续干旱5～10 d时，2013年和2016年的最终产量均无明显变化;持续干旱15～20 d时，2013年减产10%以内，2016年减产20%以内。持续干旱25～40 d时，2013年减产15%～62%，2016年减产30%～67%。当玉米灌浆期持续干旱5～30 d时，2013年玉米产量基本无明显影响;当玉米灌浆期持续干旱5～10 d时，2016年玉米产量基本无明显影響;当玉米灌浆期持续干旱15～30 d时，2016年玉米减产1.8%～8.20%。可见，拔节期同等程度干旱造成的玉米减产幅度均大于苗期和灌浆期干旱。

关键词 干旱;作物模型;产量;影响模拟

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）06-047-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.017

Impact Simulation of Drought on Maize Growth and Yield in Different Growth Stages

HUANG Yanet al（Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing Center of Liaoning Province，Shenyang，Liaoning 110166）

Abstract In order to explore the impacts of drought occurred in single development stage respectively on the growth formation and yield of maize，the growth formation and yield were simulated by WOFOST under different drought grades at seedling stage，jointing stage and filling stage. The drought grades were indicated by the number of no rain days. The results showed that 5 days to 40 days continuous drought occurred at single development stage affected on the growth and yield formation. The longer the drought period was，the larger yield reduction rate got. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the seedling stage. And the reduction rate was also not obvious changed when continuous drought for 5-10 days，occurred at the jointing stage. The reduction rate was 1.37% and 6.54%，7.55% and 18.78%，16.81% and 32.96%，33.28% and 52.96%，53.22% and 60.17%，61.09% and 66.84% when continuous drought for 15 days，20 days，25 days，30 days，35 days，40 days，occurred at the jointing stage of 2013 and 2016，respectively. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the filling stage of 2013. The yield reduction rate was 1.80%-8.20% when continuous drought for 15-30 days occurred at the filling stage. The results indicated that yield reduction was more significant when drought occurred at the jointing stage than that at the other two stages. The results could provide scientific basis for maize planting and drought disaster mitigation in the northeast of China.

Key words Drought;Crop model;Yield;Impact simulation

玉米是我国三大粮食作物和重要饲料作物之一，玉米播种面积约占我国耕地面积的20%，产量约占全国粮食总产量的25%[1]。1951—2000年东北地区南部向干旱发展，这显然与全球气候变暖的大背景有关[2]。干旱对玉米的生长发育产生影响从而最终导致产量下降，一般可使玉米减产20%～30%，是影响玉米生产的重要因素[3]。玉米产量下降的程度不但取决于干旱的严重程度，还取决于干旱发生时玉米的生长阶段。干旱发生的程度、持续时间及生育进程的不同，对玉米产量的影响有所不同[4]。不同生育时期干旱的研究结果表明，任何生育时期的土壤干旱均会导致玉米减产，其中拔节期干旱减产较重，苗期相对较轻[5]。初夏旱对春玉米的产量影响较大，春旱和伏旱对春玉米产量、初夏旱和伏旱对夏玉米产量影响均较小[6]。目前，玉米在不同发育阶段受到不同程度干旱影响下产量的定量响应特征研究较少，运用作物模型进行玉米干旱模拟研究能够较好地弥补田间水分控制试验的不足，同时能够更加细致地模拟不同发育阶段受到干旱影响的玉米产量的定量变化。因此，笔者拟基于WOFOST作物生长模型，模拟分析不同持续日数干旱对东北地区玉米产量的影响，为区域防灾减灾提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

试验地为辽宁省锦州农业气象试验站。锦州所在区域属典型温带季风型气候，年平均气温9.5℃，1月平均气温-8.0℃，7月平均气温24.4℃，年均降水量565.9 mm，主要作物玉米的生育期为5—9月，土壤为典型棕壤。土壤凋萎湿度为0.105 cm3/cm3，田间持水量为0.361 cm3/cm3，饱和含水量为0.519 cm3/cm3。

1.2 干旱模拟试验研究

供试玉米品种为丹玉39。干旱模拟时段选择在玉米的苗期、拔节期和灌浆期，模拟时间从苗期、拔节期和灌浆期的第5 d开始，设置玉米生长季内单一发育期发生干旱3种处理情景。单一发育期发生干旱指在正常年景下苗期、拔節期和灌浆期分别发生持续时间为5、10、15、20、25、30、35和40 d的干旱，苗期分别记为M05、M10、M15、M20、M25、M30、M35、M40，拔节期分别记为B05、B10、B15、B20、B25、B30、B35、B40，灌浆期分别记为G05、G10、G15、G20、G25、G30、G35、G40。该研究将干旱定义为在正常降水条件下，从控水开始，将气象要素中的降水量均设定为0，其余气象要素不变。

1.3 减产率的计算

以2013、2016年为模拟年份，同时为了使其更接近正常年份，模拟时将2013、2016年气象要素中的逐日降水量以多年平均值（1981—2010年）替代，其他要素均采用2013、2016年的逐日实测值，并将其记为CK，相应地其模拟产量值记为Yck（kg/hm2）。干旱条件下模拟的产量与正常年份的模拟产量作对比得到减产率，即

Di=×100（1）

式中，Di为第i年不同程度干旱下（干旱持续日数为5、10、15、20、25、30、35、40 d等）的减产率（%），若Di为正数，则为增产率;Ydi为第i年不同程度干旱下模拟的产量（kg/hm2）。

1.4 作物模型及其适宜性检验

1.4.1 模型简介 WOFOST模型是荷兰开发的一个著名的机理性模型，描述作物的基本生理过程，包括光合作用、呼吸作用等，并描述这些过程如何受环境影响，模拟步长为日。模型采用“积温法”，以温度为驱动，模拟作物发育过程。

1.4.2 模型参数的调试与确定 准确的参数是模拟结果准确和稳定的前提，需根据历史资料，进行模型参数的本地化。作物模型参数主要包括作物参数和土壤参数。作物参数又包括发育参数和生长参数。发育参数主要包括不同发育阶段所需的有效积温和光周期影响因子等，这些参数是作物品种的固有属性，该研究主要根据前人研究成果和实际发育期计算得到。生长参数主要包括光合速率、呼吸速率、比叶面积、光合产物转化系数、干物质分配系数及叶片衰老系数等，这些参数的确定主要来自于田间试验数据，并采用“试错法”进行订正和确定。土壤参数主要包括与土壤本身特性相关的物理参数和初始条件，如凋萎湿度、田间持水量、饱和含水量、饱和导水率、下渗速率以及初始土壤水分含量等，这些参数主要根据实际田间土壤成分测定结果而获得，部分参数依据前人研究成果而定。

为确保参数本地化后的模型不受典型气象灾害年、气候变化等的影响，以及以后区域化应用，选择2010、2011年的气象数据和农业气象观测数据进行参数本地化。结果显示，玉米开花天数模拟值与实测值相差2 d，玉米成熟天数模拟值与实测值相差2 d，产量模拟值与实测值均方根误差为166.88 kg/hm2。由此可见，模型对玉米生长发育及产量模拟效果较好，参数本地化具有较好的初步效果。

1.4.3 模型适宜性检验 通过模型模拟结果与实测结果的图形比较以及各项评价指标来评价模型在锦州的适宜性。采用以下统计量作为检验模型的指标：模拟值与实测值间的决定系数（R2）、归一化均方根误差（NRMSE）。其中，R2可反映模拟值与实测值间的一致性，其值愈接近1说明模拟效果愈好;NRMSE值反映了模拟值与实测值间的绝对误差和相对误差，其值愈小，表明误差值愈小[7]。以2012—2017年连续6年的发育期和同期产量对确定的模型参数进行适宜性检验，结果见表1和图1。

2 结果与分析

2.1 苗期干旱对玉米产量的影响模拟

由图2可知，当玉米苗期持续干旱5～40 d时，最终产量比CK略增。可见，如果苗期发生干旱，对玉米最终产量没有产生负面影响，这与纪瑞鹏等[1]的研究一致。

2.2 拔节期干旱对玉米产量的影响模拟

由图3可知，当玉米拔节期持续干旱5～10 d时，2013年和2016年的最终产量均无明显变化;持续干旱15、20、25、30、35、40 d时，2013年分别减产1.37%、7.55%、16.81%、33.28%、53.22%和61.09%，2016年分别减产6.54%、18.78%、32.96%、52.96%、60.17%和66.84%。可见，拔节期发生15～40 d的持续干旱，会对玉米籽粒灌浆产生负面影响，并最终导致产量降低，且干旱持续时间越长，对灌浆的影响越早，减产越严重。

2.3 灌浆期干旱对玉米产量的影响模拟

由图4可知，当玉米灌浆期持续干旱5～20 d时，2013年的最终产量无明显变化;持续干旱25、30 d时，2013年分别减产0.09%和0.12%，基本无影响;当玉米灌浆期持续干旱5～10 d时，2016年的最终产量无明显变化;持续干旱15、20、25和30 d时，2016年分别减产1.75%、3.87%、6.06%和8.10%。可见，灌浆期发生干旱对玉米的影响与前期生长状况等多方面因素有关。总体看，灌浆期发生15～30 d的持续干旱，会对玉米籽粒灌浆产生负面影响，并最终导致产量降低，且干旱持续时间越长，对灌浆的影响越早，减产越严重。与拔节期相比，灌浆期发生相同持续时间的干旱，其受影响程度和减产幅度均小于拔节期。

3 结论与讨论

玉米苗期、拔节期和灌浆期分别发生持续日数相同的干旱时，拔节期干旱对玉米产量的影响程度最大，苗期影响最小。表明玉米苗期较为耐旱，拔节以后对水分亏缺的敏感性增强。具体表现为当玉米苗期持续干旱5～40 d时，2013、2016年模拟最终产量略增。当玉米拔节期持续干旱5～10 d时，2013年和2016年玉米的最终产量均无明显变化;持续干旱15～20 d时，2013年减产10%以內，2016年减产20%以内。持续干旱25～40 d时，2013年减产15%～62%，2016年减产30%～67%。当玉米灌浆期持续干旱5～10 d时，2013年和2016年玉米的最终产量基本无明显影响;当玉米灌浆期持续干旱15～30 d时，2013年玉米产量无明显影响，2016年玉米减产1.8%～8.2%。

干旱对作物的危害程度与其发生的生育阶段、持续时间长短以及作物的自身品种特性如品种类型等有关。玉米生育期需水量与品种、气候等多方面因素有关，在不同生长发育期，其需水量也不尽相同。苗期水分胁迫结束后，植株可快速地部分或全部弥补前期干旱所减少的生长量，而且苗期适当干旱可促进玉米根系的发育，从而增强抗旱能力[5]。拔节期后，需水逐渐增多，抽雄吐丝期是玉米的水分临界期，如果这时供水不足或不及时，对产量影响很大[8]。该研究对苗期、拔节期、灌浆期不同阶段干旱进行模拟试验，从模拟结果上看，当玉米在苗期、拔节期和灌浆期分别发生干旱，且发生持续日数相同的干旱时，拔节期干旱对产量形成的影响程度最大。即苗期较为耐旱，拔节以后玉米对水分亏缺越来越敏感，灌浆期影响较小。这一研究结论与白向历等[5，9]的研究结果相一致，符合玉米全生育期需水规律。因此，玉米拔节至抽孕穗期要及时补充水分，以满足其正常生长发育需要。

该研究采用数值模拟的方法，研究结论是针对单站的结果，且干旱的影响效应还与选择的玉米品种熟型有关，相关研究有待进一步深入。

参考文献

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[5] 白向历，孙世贤，杨国航，等. 不同生育时期水分胁迫对玉米产量及生长发育的影响[J]. 玉米科学，2009（2）：60-63.

[6] 栾庆祖，叶彩华，莫志鸿，等. 基于WOFOST模型的玉米干旱损失评估：以北京为例[J]. 中国农业气象，2014，35（3）：311-316.

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[9] 张淑杰，张玉书，纪瑞鹏，等. 东北地区玉米干旱时空特征分析[J]. 干旱地区农业研究，2011（1）：231-236.

责任编辑：郑丹丹