山东夏玉米土壤干旱阈值研究与影响评价

董智强，李曼华，李楠，薛晓萍，陈辰，张继波，赵红，侯英雨，潘志华

山东夏玉米土壤干旱阈值研究与影响评价

董智强1，李曼华1，李楠1，薛晓萍1，陈辰1，张继波1，赵红1，侯英雨2，潘志华3

（1山东省气候中心，济南 250031；2国家气象中心，北京 100081；3中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

【】确定山东夏玉米土壤水分的适宜阈值范围与干旱胁迫阈值，定量化评估不同程度干旱对夏玉米生长发育和产量形成的影响，从而为提高农业水资源利用效率，缓解干旱胁迫的不利影响等提供依据。基于水分控制试验结果，确定夏玉米苗期、穗期与花粒期的土壤水分适宜与不适宜阈值范围；以土壤相对湿度驱动WOFOST作物机理模型，明确无旱、轻旱、中旱与重旱的阈值指标；通过设置不同干旱程度与持续天数，完成定量化的干旱影响评价。（1）夏玉米苗期、穗期与花粒期的土壤水分适宜阈值范围分别为62%—91%、66%—92%与68%—94%，不适宜阈值范围分别为＜62%、＜66%及＜68%；（2）苗期无旱、轻旱、中旱与重旱阈值指标分别为53%、50%、45%与40%，穗期各程度干旱阈值指标分别为58%、48%、43%与37%，花粒期各程度干旱阈值指标分别为57%、52%、49%与45%；（3）苗期干旱对夏玉米总叶重、总茎重与最大叶面积指数的影响最大，穗期与花粒期干旱对总穗重影响最大，其中穗期重旱将导致不能形成最终产量。确定了夏玉米不同发育期的土壤水分阈值指标，夏玉米穗期与花粒期干旱对于产量形成的影响更为显著。

夏玉米；干旱；阈值；土壤湿度

0 引言

【研究意义】山东省是中国粮食作物和经济作物的重点产区。夏玉米是山东最主要的粮食作物之一，其播种面积与总产分别占全国总播种面积与总产的7.3%与7.8%[1-2]。山东夏玉米的产量变化，对于保障地区乃至全国粮食安全，具有举足轻重的作用。干旱是对我国农业影响面最广、影响程度最严重的自然灾害[3]，资料显示2003—2013年干旱造成我国农作物的受灾面积约占总受灾面积的51.9%[4]。干旱同样是制约山东夏玉米稳产与高产的主要灾害之一，不仅影响夏玉米的播种与出苗，还对其生长发育与产量形成造成严重的影响[5]。山东夏玉米生育期间气温高、蒸发量大，且降水分布不均，阶段性干旱频繁发生，加之夏玉米是需水较多且对干旱比较敏感的作物，受土壤水分盈亏的影响较大，干旱已成为这一地区影响范围最大、造成产量损失最重的农业气象灾害之一[6-9]。【前人研究进展】夏玉米全生育期对水分均比较敏感，尤其是拔节期、抽雄吐丝期等，水分不足将导致产量及品质显著降低[10-11]。夏玉米受干旱胁迫的影响与干旱程度、持续时间及生育进程等密切相关，特别是需水关键期受旱程度越重、持续时间越长，不利影响会越大[12-14]，夏玉米产量波动的不确定性也随之增大[15]。玉米受旱后生长发育受到抑制，光合速率等生理指标显著降低，最终导致产量下降[16-18]。玉米对土壤水分胁迫具有复杂的调控反馈机制，适度的水分亏缺并不能造成减产[19]。在特定的条件下，土壤干旱存在一个临界阈值，干旱程度未超过该阈值时，作物对干旱产生适应性的变化，生理过程受影响程度较小，恢复正常供水后不减产[20-21]；但当干旱程度超过该阈值，作物将受到永久性的损害，恢复正常供水后，生理指标也不能恢复正常，产量显著降低[22-23]。【本研究切入点】已有对于土壤干旱阈值的研究中，大多以田间控水试验为主[20, 24-25]，并结合统计模型进行等级确定[26]，或结合作物机理模型进行干旱胁迫影响模拟[27]。而针对山东土壤干旱阈值的研究相对较少，或是在相邻地区确定指标的基础上，在本地进行干旱等级的验证[26]，或是以本地试验数据结果为基准，多以干旱影响评估为主[28-29]，均缺乏本地化阈值指标的定量研究与确定。【拟解决的关键问题】本研究结合已有大田水分控制试验结果，确定夏玉米苗期（出苗—拔节期）、穗期（拔节—抽雄期）与花粒期（抽雄—成熟期）等3个关键生育期的适宜土壤水分阈值范围；并应用WOFOST作物机理模型，以土壤相对湿度数据驱动模型，确定夏玉米3个关键生育期的无旱、轻旱、中旱及重旱阈值指标；在此基础上，分析不同发育期内不同干旱持续天数，对夏玉米最大叶面积指数、地上部干物重等生长发育指标的影响，为山东夏玉米干旱胁迫的定量化影响评估提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文应用的气象资料包括山东省2010—2015年逐日最高气温、最低气温、降水量、日照时数、平均风速、空气相对湿度等基本气象资料；农业资料包括泰安等10个夏玉米农业气象观测站2010—2015年的发育期及产量结构资料，其中泰安、济阳、聊城、菏泽、莒县、潍坊、高密等观测站以郑单958为主要观测品种，淄博、胶州与莱阳主要观测品种分别为登海605、鲁丹22号及敦玉8号；各观测站历年播种期与所在地适播期一致，田间管理方式与所在地高产方式一致。

水分控制试验数据包括德州市夏津气象观测站（36°59′N，116°01′E，海拔27.4 m）2013—2015年的试验资料。该研究区土壤为黄棕壤土，前茬作物为冬小麦，0—50 cm土壤田间持水量为22.3%，土壤容重为1.58 g·cm-3，凋萎系数为5.4%[30]。试验品种为主栽品种郑单958，播种方式为人工播种，播种时间与当地夏玉米适播期一致，其中2013年为6月21日，2014和2015年均为6月10日。其他管理方式与当地高产方式保持一致。

试验共设置5个控水梯度（T1—T5），其中T1处理为4个重复，T2—T5处理均为3个重复，共16个小区，每个小区面积为28 m2（4 m×7 m），小区之间设置隔离带，小区四周铺设防渗膜，防止小区间土壤水分水平交换；通过遮雨棚阻隔自然降水，应用土钻烘干法算出土壤相对湿度，各处理水分控制生育阶段及土壤相对湿度指标如表1所示。其中T1处理在2013、2014与2015年，分别在花粒期、苗期与穗期将土壤相对湿度控制在40%以下；T2处理分别在3年中3个生育时期内，将土壤相对湿度控制在40%—60%之间；T3处理2013年在苗期与花粒期将土壤相对湿度控制在40%—60%之间，2014年在苗期与穗期控制在40%—60%之间，而2015年在穗期与花粒期控制在40%—60%之间；T4处理2013年各生育时期土壤相对湿度均控制在60%以上，2014与2015年控制在60%—80%之间；T5处理2013年各生育时期保持自然状态，2014年与2015年均控制在80%以上（表1）。观测项目包括夏玉米出苗期、3叶期、7叶期、拔节期、抽雄期、开花期、吐丝期、乳熟期、成熟期等生育时期，以及主要生育时期各器官干物重，果穗长、果穗粗、穗粒重、百粒重、理论产量等产量结构指标[30]，各观测项目均按照《农业气象观测规范》[31]的要求进行观测，取样方式为随机取样。

表1 不同年份试验小区水分控制设计

1.2 土壤水分阈值确定方法

基于之前学者的相关研究成果，本文针对土壤水分适宜阈值范围的确定，以不同发育期夏玉米地上部干物重为主要指标。该指标不仅能衡量有机物积累及营养成分多寡[7, 32]，还能够充分反映夏玉米的生理特性[33]，是其生长发育状况的综合表征，且在不同生育时期之间具备较强的可比性。结合水分控制试验数据资料，分别构建历年各生育时期干物重与土壤相对湿度的二次回归拟合模型，结合80%保证率原理[34-35]，分别确定土壤相对湿度适宜阈值范围的上、下限，适宜阈值下限即对应不适宜阈值范围；再将不同年份间得到的共同阈值范围，确定为各生育时期的适宜与不适宜阈值范围。

土壤干旱阈值指标的确定，是基于本地化验证后的WOFOST机理模型[36]，以土壤相对湿度为驱动因子[37]；针对苗期、穗期与花粒期3个发育阶段，以土壤相对湿度每单位变化引起总穗重变化的幅度（与潜在总穗重相比较，即减产率）为依据；参考已有农业气象评价指标[38]，分别将无减产、减产5%、减产10%与减产20%对应的土壤相对湿度，作为无旱、轻旱、中旱与重旱的阈值指标。

WOFOST模型是荷兰瓦赫宁根大学和世界粮食研究中心共同开发研制，以作物的同化作用、呼吸作用、蒸腾作用及干物质分配等生理生态过程为模拟基础，用于模拟特定土壤和气候条件下作物生长的动态解释性模型。该模型以日为时间步长，可动态、定量模拟潜在、水分限制和养分限制3种水平下的作物生长状态[39-41]。由于该模型机理性强、源代码开放、调参相对简便，已经在相关研究中发挥了重要的作用[42-44]。前期研究中，根据10个夏玉米观测站的观测资料与田间试验数据，应用决定系数（2）、归一化均方根误差（n）与相对误差（）等指标，已经实现了该模型对山东夏玉米生育时期与产量形成的较准确模拟，其中对出苗期、开花期和成熟期的模拟误差绝大多数站点均小于5 d，2分别在0.43—0.99、0.77—0.99 与0.51—0.99，n分别在0.3%—1.9%、0.4%—2.3%与0.7%—3.2%；绝大多数观测站点产量模拟2在0.68—0.99，与n均小于10%[36]。

1.3 干旱影响评价方法

针对轻旱、中旱与重旱，分别在苗期、穗期与花粒期设置连续干旱3、5、10、15与20 d共5个干旱处理，依据模拟得到的地上部总干物重（TAGP）、总穗重（TWSO）、总叶重（TWLV）、总茎重（TWST）与最大叶面积指数（MAXLAI）等指标，分别与无旱状况下进行对比，从而明确不同程度干旱及其持续天数的影响。

2 结果

2.1 适宜阈值确定

依据试验数据，分别构建各年夏玉米苗期、穗期及花粒期受旱条件下的干物重与土壤相对湿度的二次回归拟合模型（图1—3）。结果表明，2013与2014年夏玉米苗期适宜阈值范围分别为62%—93%和61%—91%，不适宜阈值范围分别为＜62%和＜61%；确定夏玉米苗期的适宜阈值范围为62%—91%，不适宜阈值范围为＜62%。2014与2015年夏玉米穗期适宜阈值范围分别为66%—95%和64%—92%，不适宜阈值范围分别为＜66%和＜64%；确定夏玉米穗期的适宜阈值范围为66%—92%，不适宜阈值范围为＜66%。2013与2015年夏玉米花粒期适宜阈值范围分别为64%—95%和68%—94%，不适宜阈值范围分别为＜64%和＜68%；确定夏玉米花粒期的适宜阈值范围为68%—94%，不适宜阈值范围为＜68%（表2）。

图1 2013与2014年夏玉米苗期干物重与土壤相对湿度关系（p＜0.05）

图2 2014与2015年夏玉米穗期干物重与土壤相对湿度关系（p＜0.05）

图3 2013与2015年夏玉米花粒期干物重与土壤相对湿度关系（p＜0.05）

2.2 干旱阈值确定

根据田间试验结果得到不适宜的土壤相对湿度，是较粗略的范围，为进一步确定不同发育阶段的干旱阈值指标，根据减产率的变化，确定了无旱、轻旱、中旱与重旱的阈值指标。图4是夏玉米苗期、穗期与花粒期土壤相对湿度单位变化引起的减产率变化，通过对各方程解析，确定夏玉米苗期无旱、轻旱、中旱与重旱阈值指标分别为53%、50%、45%与40%，穗期各程度干旱阈值指标分别为58%、48%、43%与37%，花粒期各程度干旱阈值指标分别为57%、52%、49%与45%（表3）。

表2 各年不同发育阶段适宜与不适宜土壤相对湿度阈值范围

表3 夏玉米不同发育期干旱阈值指标确定

2.3 干旱影响定量评价

在确定各发育阶段干旱阈值的基础上，对不同程度干旱及其不同持续天数的影响进行定量评价。以全省10个农业气象观测站的平均播种期与成熟期为依据，确定夏玉米的发育期日序在177—262。由此依据各生育期间的积温状况，确定苗期、穗期与花粒期的日序如表4所示，其中苗期在177—196，穗期在214—233，花粒期在243—262。

表4 夏玉米苗期、穗期与花粒期划定（日序）

在此基础上，针对轻旱、中旱与重旱，分别在苗期、穗期与花粒期设置连续干旱3、5、10、15与20 d共5个干旱处理，依据模拟得到的地上部总干物重（TAGP）、总穗重（TWSO）、总叶重（TWLV）、总茎重（TWST）与最大叶面积指数（MAXLAI）等指标，分别与无旱状况下进行对比。结果表明，随着轻旱持续天数的增加，各指标均表现为减少趋势，其中TAGP减少幅度在3.2%—8.5%；TWLV与TWST减幅分别在3.9%—20.7%与3.7%—18.4%；MAXLAI减幅在3.0%—17.6%；TWSO减少幅度最小，且各持续天数间变化幅度不大，基本维持在2.9%左右。同样，随着中旱持续天数的增加，TAGP减幅在1.7%—17.0%；TWLV与TWST减幅分别为5.7%—40.8%与4.8%—36.6%；MAXLAI减幅在3.9%—37.1%；TWSO减幅最小，随持续天数增加，最大减产幅度达6.1%。随着重旱持续天数的增加，TAGP减幅在2.4%—31.8%；TWLV与TWST减幅分别在7.8%—60.1%与6.7%—55.3%；MAXLAI减幅在5.5%—56.8%；TWSO减幅在0.2%—18.8%（表5）。

图4 夏玉米减产率与苗期、穗期及花粒期土壤相对湿度单位变化的关系

表6是穗期轻旱与中旱不同持续天数下，夏玉米各生长发育指标的变化程度。从中可以看出，随着轻旱持续天数的增加，各指标均表现为减少趋势，其中TAGP减幅在1.1%—6.7%；TWLV与TWST减幅分别在3.0%—8.2%与2.8%—7.8%；MAXLAI减幅在2.7%—9.9%；TWSO减幅在0.1%—6.0%。随着中旱持续天数的增加，TAGP减幅在2.4%—17.1%；TWLV与TWST减幅分别在6.7%—20.7%与6.2%—19.9%；MAXLAI减幅在6.1%—29.6%；TWSO减幅在0.4%—15.5%。

穗期是夏玉米营养生长到生殖生长过渡的关键时期，此时发生重旱，将导致夏玉米抽不出穗，形成不了最终产量。本研究结果表明，夏玉米重旱条件下，从持续3 d开始，到持续20 d，各指标均无变化，即说明夏玉米穗期重旱发生，导致不能形成最终产量。

表5 苗期轻旱、中旱与重旱不同持续天数的各指标变化程度

表中TAGP、TWSO、TWLV、TWST、MAXLAI分别代表地上部总干物重、总穗重、总叶重、总茎重与最大叶面积指数。下同

The abbreviation of TAGP, TWSO, TWLV, TWST and MAXLAI represent the total above ground production, total dry weight of storage organs, total dry weight of leaves, total dry weight of stems and maximum leaf area index, respectively. The same as below

表6 穗期轻旱与中旱不同持续天数的各指标变化程度

表7是花粒期轻旱、中旱与重旱不同持续天数下，夏玉米各生长发育指标的变化程度。结果表明，随着轻旱持续天数的增加，各指标均表现为减少趋势，其中TAGP减幅在0.7%—0.9%；TWLV与MAXLAI均无变化；TWST减幅为0.2%—0.3%；TWSO减幅在1.1%—1.3%。同样，随着中旱持续天数的增加，各指标均表现为减少趋势，其中TAGP减幅在1.6%—2.9%；TWLV与MAXLAI无变化；TWST减幅为0.5%—0.7%；TWSO减幅在2.3%—4.1%。随着重旱持续天数的增加，各指标均表现为减少趋势，其中TAGP减幅在2.8%—7.8%；TWLV减幅均为0.1%；TWST减幅为0.8%—1.6%；MAXLAI无变化；TWSO减幅在4.0%—11.3%。

表7 花粒期轻旱、中旱与重旱不同持续天数的各指标变化程度

综上，苗期干旱对夏玉米总叶重、总茎重与最大叶面积指数影响最大，穗期与花粒期干旱对总穗重影响最大，且穗期重旱将导致不能形成最终产量。

3 讨论

土壤相对湿度作为表征农业干旱的重要指标之一，可以综合反映土壤水分状况和地表水文过程的大部分信息[45]，在准确预报农业干旱状况、农业抗旱减灾实践中得到了广泛应用[46]，也是农业气象业务服务中最常用、最有效的指标之一，能够用于大田作物全生育期的土壤水分监测[47]。相较于标准化降水指数（SPI）[48]、作物水分亏缺指数（CWDI）[49]等常用干旱指标，土壤相对湿度更为直观，对于确定灌溉时间与灌溉量等具有较大的参考价值。

相关研究在设置控水试验时，以土壤相对湿度（55±5）%作为夏玉米轻度水分胁迫指标，（35±5）%作为重度水分胁迫指标，并以此为依据明确了夏玉米生长的光谱特征与植被指数等指标，在水分胁迫下的差异显著[50]。该研究的控水设置与本文通过减产率确定的轻旱与重旱阈值指标基本一致，这在一定程度上反映了本文干旱阈值指标的有效性。同样，已有研究表明，土壤湿度在70%—90%时，夏玉米苗期的光合速率和蒸腾速率受土壤水分影响很小，而当土壤湿度低于70%时，光合速率和蒸腾速率会迅速下降[51]，这与本文确定的夏玉米苗期适宜土壤相对湿度范围也较为一致。

WOFOST模型对发育期模拟的依据是“积温学说”，即作物完成某一发育进程，其所需的积温是一定的[41]。在模拟过程中，当积温达到时，该发育期即开始，不受水分胁迫等影响。本文在评价干旱对其生长发育的影响过程中，也未考虑干旱对于发育期的影响，在之后的研究中，如要提高评估结果的准确性，还需要进一步考虑发育进程的可能变化范围。本文中夏玉米土壤湿度相关阈值的确定与前期WOFOST模型的本地化验证等，均是以田间土壤水分控制试验的结果为主要依据，受处理设置与样本容量等限制，对于更细致的阈值指标优化研究，可以结合更多的试验数据结果，并在业务工作中进行验证。

WOFOST模型缺少对作物补偿效应的反映，即夏玉米受干旱胁迫影响后，各生长发育指标会降低，而复水后各指标又会升至正常水平[44]。为此，针对模型补偿效应模块的建立或算法的调整等，将在下一步的工作中进行深入研究。

已有研究结果表明，在气候变暖的背景下，气温升高会导致田间蒸散量增加，土壤相对湿度随之明显下降[52]，干旱出现频次及影响程度加大，最终影响作物的生长发育进程与产量形成[53-55]；在未来气候情景下，夏玉米生产仍将面临较大的干旱风险[56]。在此背景下，希望本文的相关阈值指标与评估结果，能够为降低夏玉米干旱风险、提高资源利用效率等提供依据。但同时，土壤水分对夏玉米生长发育的影响，还受到气象因子、土壤肥力、土壤理化性质、种植管理方式等多因素的限制，再将本文确定的相关阈值应用到不同地区时，还需结合当地实际种植情况，对相关阈值指标进一步优化验证。

4 结论

本文以土壤相对湿度为指标，依据田间试验结果，确定了山东省夏玉米苗期适宜和不适宜的土壤相对湿度范围，分别为62%—91%和＜62%；穗期适宜和不适宜土壤相对湿度范围，分别为66%—92%和＜66%；花粒期适宜和不适宜土壤相对湿度范围，分别为68%—94%和＜68%。应用WOFOST作物机理模型，确定了夏玉米苗期无旱、轻旱、中旱与重旱阈值指标分别为53%、50%、45%与40%，穗期各程度干旱阈值指标分别为58%、48%、43%与37%，花粒期各程度干旱阈值指标分别为57%、52%、49%与45%。通过设置不同干旱程度及其持续时间，明确苗期干旱对夏玉米总叶重、总茎重与最大叶面积指数的影响最大；穗期与花粒期干旱对总穗重影响最大，对于产量形成的影响更为显著。

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The thresholds of soil drought and its impacts on summer maize in Shandong province

DONG Zhiqiang1, LI Manhua1, LI Nan1, XUE Xiaoping1, CHEN Chen1, ZHANG jibo1, ZHAO Hong1, HOU Yingyu2, PAN Zhihua3

(1Shandong Provincial Climate Center, Ji’nan 250031;2National meteorological center, Beijing 100081;3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193)

【】This study was aimed to determine the suitable range and the drought stress thresholds of soil water on summer maize in Shandong Province, and to evaluate the effects of different drought degrees on growth and development and yield formation of summer maize quantitatively. So as to provide a basis for improving the utilization efficiency of agricultural water resources and alleviating the adverse impacts of drought stress. 【】Based on the data from field experiments, the suitable and unsuitable ranges of soil moisture were determined for the seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize. By the model of WOFOST, the drought stress thresholds were analyzed with the relative water content as the driving factor. And the drought effects were assessed quantitatively through different drought degrees and their duration days. 【】(1) The suitable ranges of soil water during seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize were 62%-91%, 66%-92% and 68%-94%, respectively. And the unsuitable ranges were less than 62%, 66% and 68%, respectively. (2) The thresholds of no drought, light drought, medium drought and severe drought during seedling stage were 53%, 50%, 45% and 40%, respectively. The thresholds of different drought degrees during ear stage were 58%, 48%, 43% and 37%, respectively. The thresholds of different drought degrees during grain stage were 57%, 52%, 49% and 45%, respectively. (3) The drought happened during seedling stage had the greatest effects on the total leaf weight, total stem weight and maximum leaf area index. The drought happened during ear stage and grain stage had the greatest effects on the total ear weight. And the severe drought during ear stage would result in the failure of final yield formation. 【】The suitable ranges of soil water and the drought thresholds of summer maize were brought to light in Shandong. The drought happened during ear stage and grain stage of summer maize had more significant impacts on yield formation.

summer maize; drought; thresholds; soil moisture

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.007

2020-05-14；

2020-07-29

国家重点研发计划（2017YFD0301004）、公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506001）、山东省自然科学基金（ZR2018BD024）、山东省气象局气象科学技术研究项目重点课题（2017sdqxz02）、“十三五”山东重大气象工程项目（鲁发改农经〔2017〕97号）

董智强，E-mail：zhiqiangdong@cau.edu.cn。通信作者薛晓萍，E-mail：xxpdhy@163.com

（责任编辑 杨鑫浩）