川中丘陵区不同播期玉米生育期气候资源及干旱特征分析*——以中江为例

蓝天琼, 李思锦, 兰汉军, 邓长春, 杜 霞, 陈谋浩, 崔世磊, 袁继超, 孔凡磊**

(1. 四川农业大学农学院/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室/作物生理生态及栽培四川省重点实验室 成都 611130;2. 中江县农业农村局 中江 618100)

全球气候变暖已成不争事实, 气候变暖导致水分亏缺量进一步上升, 农业生产将面临更加严重的干旱威胁。干旱是影响范围最大、造成产量损失最重的农业气象灾害之一, 近些年来我国极端干旱发生频率不断增加, 并且从我国北方开始向西南地区蔓延。川中丘陵区是西南玉米()主产区之一, 长期面临季节性干旱的危害, 干旱已成为制约该区玉米生长发育和产量形成的主要因素, 研究该区玉米不同生育阶段干旱特征, 有利于减轻季节性干旱对该区玉米生产的影响。玉米可通过调整播期来适应气候的变化, 适时播种有利于玉米各生育时期有更为适宜的雨热条件, 使玉米产量达到最佳。玉米最适宜播期因生态区域而不同, 川中丘陵区玉米播期受种植制度影响, 从3月至6月均有播种, 但目前还比较缺乏从气候资源充分利用以及避旱抗旱的角度探明该区玉米最适宜播期的相关研究。因此, 研究该区域不同播期玉米各生育阶段气候资源变化及干旱特征, 对于探究适应气候变化的适宜播期具有积极的生产指导作用。

目前国内外学者针对农业气候资源变化做了相关研究, 并指出我国干旱事件持续增加主要与气温大幅升高、降水变化有关, 其中气温在干旱变化中发挥了重要作用, 降水集中程度和日照时数也是导致干旱的主要因素。关于农业干旱评估, 前人提出了水分盈亏指数、农业干旱参考指数、水分亏缺指数等不同评估指标, 其中作物水分亏缺指数能反映土壤、植物、气象3方面因素的综合影响, 能真实地表征作物水分亏缺程度。已有研究者采用作物水分亏缺指数分析了玉米生育期干旱特征, 但研究区域集中在华中、华北地区, 少见针对四川或川中丘陵地区的研究。同时, 前人以农业干旱指数研究得出西南地区玉米受旱频率最高时段为出苗−拔节期, 张玉芳等以水分盈亏指数评估得出四川盆地玉米拔节−乳熟阶段干旱频率最高。可能因玉米播种时期或农业干旱评估指标的差异, 从而得出同一区域玉米最易受旱生育阶段结果存在差异, 因此, 川中丘陵区不同播期玉米不同生育阶段干旱特征还有待进一步明确。本研究利用1981−2020年中江气象站地面气象观测资料, 在对不同播期玉米生育期主要气候资源变化规律分析的基础上, 基于水分亏缺指数研究不同播期玉米各生育阶段干旱特征, 以期为该地区玉米抗逆高产栽培和避旱减灾技术提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

本文主要利用搜集到的川中丘陵区的中江气象数据进行分析。研究区中江县是四川省农业大县, 位于川中丘陵区西部(104°26′～105°15′E、30°31′～31°17′N), 属于亚热带季风气候区, 无霜期286 d, 1981−2020年3−9月平均日均温为21.68 ℃, 总日照时数为858.10 h, 总降雨量为760.94 mm。

气象数据来源于中国气象数据网(http://www.cma.gov.cn), 主要包括中江气象站1981−2020年逐日平均温度、最高气温、最低气温、日照时数、降雨量等。玉米发育期数据依据当地玉米生产分春播、夏播, 从3月下旬到6月上旬都有播种的生产习惯, 结合四川农业大学玉米栽培团队2015年、2016年、2019−2021年中江玉米播期试验发育期数据, 在计算同一发育期多年平均日期的基础上, 确定8个播期玉米的发育期, 将玉米全生育期划分为4个阶段, 即播种−拔节、拔节−抽雄、抽雄−灌浆、灌浆−成熟(表1)。

表1 不同播期玉米生育阶段Table1 Growing stages of maize sown in different dates

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率

气候倾向率是指气候要素多年变化趋势, 以气候要素时间序列的一元线性回归斜率的10倍表示。

式中:为要素值,为回归系数,为常数项,为时间序列的年份。气候倾向率等于回归系数的10倍。

1.2.2 热量指标的确定

生长度日(GDD)用于分析玉米生长季热量积累, 指日均温大于10 ℃的有效积温。高温度日(HDD)用于分析玉米生长季极端高温, 指高于玉米生长上限温度30 ℃的积累温度。其计算过程如下:

式中:表示日平均温度,表示日最高温度,代表玉米生长季生物学下限温度(10 ℃),代表玉米生物学上限温度(30 ℃)。

1.2.3 作物水分亏缺指数(CWDI)的计算

作物水分亏缺指数(CWDI)是表征作物水分亏缺程度的指标之一。参考前人研究成果, 不同生育阶段水分亏缺指数()计算公式如下:

式中:为玉米某一生育阶段的平均水分亏缺指数(%),为该生育阶段内第旬的累计水分亏缺指数(%),为该生育阶段包含的总旬数。

累计水分亏缺指数的计算结合川中丘陵区玉米生长地土层较浅薄的特点, 考虑前期水分盈亏所造成的累积效应, 计算连续3旬的累积作物水分亏缺指数, 公式如下:

式中:为作物生育期按旬计算得到的累计水分亏缺指数, CWDI、CWDI和CWDI分别为该旬以及之前2旬的水分亏缺指数; 对应的权重系数a、b和c分别取值为0.6、0.3和0.1。其中, 旬水分亏缺指数CWDI的计算公式如下:

式中:P为第旬降雨量(mm), ET为第旬需水量(mm), ET计算公式如下:

式中: ET为第旬参考作物蒸散量, 采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算而得;为某生育阶段作物系数, 设定玉米播种前2旬的为0, 参考相关研究成果, 结合生产实际情况, 确定播种−拔节、拔节−抽雄、抽雄−灌浆、灌浆−成熟等4个生育阶段对应的分别为0.81、1.10、1.22和0.90。

1.2.4 干旱等级划分以及干旱频率计算

根据CWDI干旱等级划分标准(表2), 作物各生育阶段只要发生轻旱及以上强度干旱即认为发生干旱。

表2 基于作物水分亏缺指数(CWDI)的农业干旱等级Table2 Grades of agricultural drought based on crop water deficit index (CWDI)

基于玉米各生育阶段平均水分亏缺指数指标, 计算作物不同生育阶段不同等级干旱发生频率(F), 计算公式如下:

式中:F为某等级干旱发生的频率(%),为某生育阶段发生某等级干旱的次数,为统计的总年数。

1.2.5 数据处理

采用Microsoft Excel软件对相关数据进行分析处理和图表制作。

2 结果与分析

2.1 农业气候资源变化特征

2.1.1 日照时数

由图1可知, 随播期推迟, 玉米播种−拔节、全生育期日照时数总体呈降低趋势。与3月下旬播期相比, 5月下旬和6月上旬播种玉米全生育期日照时数下降13.96%和16.97%; 播种−拔节阶段日照时数6月上旬播种最低, 为128.50 h。拔节−抽雄阶段日照时数随播期推迟呈先降低后增加的趋势, 3月下旬播种最高, 为115.23 h, 5月下旬播种最低, 为63.31 h;抽雄−灌浆阶段日照时数随播期推迟总体呈增加趋势, 5月中旬−6月上旬播种明显高于其他播期; 灌浆−成熟阶段日照时数随播期推迟呈先增后降的变化趋势, 6月上旬播种最低(113.92 h)。从生育阶段来看, 3月下旬−4月下旬播种玉米日照时数在播种−拔节阶段最高, 灌浆−成熟阶段次之, 抽雄−灌浆阶段最低。5月上旬−5月下旬播种玉米日照时数在灌浆−成熟阶段最高, 播种−拔节阶段次之, 拔节−抽雄阶段最低。6月上旬播种玉米日照时数在播种−拔节阶段最高, 灌浆−成熟阶段次之, 拔节−抽雄阶段最低。

图1 不同播期玉米各生育阶段日照时数及气候倾向率Fig.1 Sunshine duration and climate tendency during each growing period of maize under different sowing dates

从玉米生育期日照时数气候倾向率可以看出, 近40年玉米生育期日照时数呈下降变化趋势, 3月下旬到6月上旬8个播期玉米生育期日照时数平均每10 a分别减少0.70 h、7.13 h、8.97 h、4.85 h、8.97 h、5.07 h、8.93 h和5.75 h。

2.1.2 热量资源

2.1.2.1 日均温

由图2可知, 随播期推迟, 玉米播种−拔节、拔节−抽雄、抽雄−灌浆阶段日均温总体上呈增加趋势, 灌浆−成熟阶段和全生育期日均温均呈先增后降的变化趋势, 灌浆−成熟阶段日均温在4月下旬播种达最大, 而全生育期日均温在5月下旬播种达最大。播种−拔节阶段, 6月上旬播种玉米日均温最高(25.00 ℃), 3月下旬播种玉米日均温最低(17.98℃); 拔节−抽雄阶段日均温6月上旬播种最高(26.70 ℃), 3月下旬播种日均温最低(22.89 ℃); 抽雄−灌浆阶段日均温5月下旬播种最高(26.97 ℃), 3月下旬播种日均温最低(24.71 ℃); 灌浆−成熟阶段日均温均4月下旬播种最高(26.89 ℃), 6月上旬播种日均温最低(24.12 ℃)。玉米全生育期日均温5月下旬播种最高(25.52 ℃), 3月下旬播种最低(22.26 ℃)。

图2 不同播期玉米各生育阶段日均温Fig.2 Daily mean temperature during each growing period of maize under different sowing dates

近40年各播期玉米全生育期日均温呈增加趋势。随播期推迟, 日均温增温幅度总体呈上升趋势; 3月下旬−4月下旬播种玉米日均温每10 a平均增温0.14 ℃, 5月上旬−6月上旬播种玉米日均温每10 a平均增温0.37 ℃。

2.1.2.2 生长度日

玉米生育期生长度日在不同播期下存在差异(图3)。随播期推迟, 播种−拔节阶段生长度日呈增加趋势, 6月上旬播种最大(509.98 ℃·d), 3月下旬播种最小(375.83 ℃·d); 拔节−抽雄阶段生长度日随播期推迟变化规律不明显, 4月中旬播种最大(342.76℃·d), 5月下旬播种最小(268.65 ℃·d); 抽雄−灌浆阶段生长度日变化范围为294.24～339.34 ℃·d, 播期间差异不大; 灌浆−成熟阶段生长度日随播期推迟总体上呈降低趋势, 6月上旬播种最低(423.57 ℃·d)。从全生育期来看, 3月下旬和4月上旬播种玉米全生育期生长度日最低, 分别为1557.50 ℃·d和1571.96 ℃·d。

图3 不同播期玉米各生育阶段生长度日Fig.3 Growing degree days (GDD) during each growing period of maize under different sowing dates

近40年各播期玉米全生育期生长度日呈增加趋势。随播期推迟, 生长度日增加幅度呈下降趋势; 3月下旬−4月下旬播种玉米生长度日每10 a平均增加50.98 ℃·d, 5月上旬−6月上旬播种玉米生长度日每10 a平均增加39.24 ℃·d。

2.1.2.3 高温度日

从图4可以看出, 随播期推迟, 玉米播种−拔节、拔节−抽雄、抽雄−灌浆阶段高温度日呈增加趋势, 而全生育期高温度日呈先增后降的变化趋势。播种−拔节阶段高温度日6月上旬播种最高( 37.22℃·d), 3月下旬播种最低(9.26 ℃·d); 拔节−抽雄阶段高温度日6月上旬播种最高(42.87 ℃·d), 3月下旬播种最低(19.73 ℃·d); 抽雄−灌浆阶段高温度日6月上旬播种最高(50.26 ℃·d), 3月下旬播种最低(19.99 ℃·d); 玉米全生育期高温度日5月中旬播种最大(168.37 ℃·d), 3月下旬播种最小(110.17 ℃·d)。从生育阶段来看, 3月下旬−5月下旬播种玉米在灌浆−成熟阶段高温度日明显高于其他生育阶段, 面临高温风险较大, 5月中旬−6月上旬播种玉米在抽雄−灌浆阶段高温风险较大。

图4 不同播期玉米各生育阶段高温度日Fig.4 Heat degree days (HDD) during each growing period of maize under different sowing dates

近40年各播期玉米全生育期高温度日呈增加趋势。随播期推迟, 高温度日气候倾向率呈先增后降的变化趋势: 3月下旬播种玉米高温度日增温率最低, 为29.79 ℃·d·(10a); 5月中旬播种玉米高温度日增温率最高, 为44.11 ℃·d·(10a)。

2.1.3 降雨量变化

由图5可知, 随播期推迟, 玉米各生育阶段和全生育期降雨量总体呈逐渐增加趋势。与3月下旬相比, 4月上旬−6月上旬播种玉米生育期降雨量分别提高2.31%、13.19%、16.91%、23.08%、26.29%、27.43%和32.84%。播种−拔节阶段3月下旬播种降水量最小, 为68.91 mm, 6月上旬播种降水量最大, 为146.01 mm; 拔节−抽雄阶段, 3月下旬−4月下旬播种降雨较少(62.23～69.75 mm), 5月上旬−6月上旬播种降雨较多(87.50～128.57 mm); 抽雄−灌浆阶段, 3月下旬−4月上旬播种降雨偏少(61.74 mm、87.50 mm), 4月中旬−6月上旬播种降雨较多(109.37 ～133.40 mm); 各播期灌浆−成熟阶段降雨量最多(152.09～220.88 mm), 3月下旬−4月上旬播种降雨量增多, 达200 mm以上。近40年各播期全生育期降水量呈下降的趋势, 3月下旬−6月上旬播种平均每10 a分别减少19.01 mm、12.01 mm、13.09 mm、11.99 mm、21.98 mm、27.18 mm、33.55 mm和20.91 mm。

图5 不同播期玉米各生育阶段降雨量及气候倾向率Fig.5 Precipitation and climate tendency during each growing period of maize under different sowing dates

2.2 玉米CWDI的变化特征

作物水分亏缺指数(CWDI)是表征作物受旱程度的关键指标。从图6可以看出, 随播期推迟, 玉米播种−拔节、拔节−抽雄阶段CWDI总体上呈降低趋势, 3月下旬播种玉米在播种−拔节、拔节−抽雄阶段CWDI最高, 分别为50.36%和50.71%, 6月上旬播种最低, 分别为28.89%和30.37%。3月下旬播种玉米抽雄−灌浆阶段CWDI达46.29%, 明显高于其他播期; 各播期灌浆−成熟阶段CWDI最小, 播期间差异不大。3月下旬播种玉米在播种−拔节、拔节−抽雄、抽雄−灌浆阶段以及4月上旬−下旬播种玉米在播种−拔节、拔节−抽雄阶段的CWDI多年平均值均高于40%。可见, 早播玉米在生育前、中期易发生水分亏缺, 推迟播期可降低玉米生育前、中期干旱风险。

图6 不同播期玉米各生育阶段水分亏缺指数变化Fig.6 Changes of crop water deficity index (CWDI) during each growing period of maize under different sowing dates

2.3 玉米生育期干旱等级及频率

由图7可知, 不同播期玉米各生育阶段均有干旱发生, 且干旱频率及干旱强度存在差异, 以轻旱、中旱为主, 重旱次之, 特旱发生频率最低。玉米播种−拔节、拔节−抽雄阶段干旱频率随播期推迟总体上呈降低的趋势, 抽雄−灌浆阶段玉米干旱频率随播期推迟呈先降低后增加的趋势, 灌浆−成熟阶段干旱频率各播期差异不大。

图7 不同播期玉米各生育阶段干旱频率Fig.7 Drought frequency of maize during each growing stage under different sowing dates

总体上, 各播期玉米抽雄前发生重旱频率明显高于抽雄后。播种−拔节阶段重旱发生频率随播期推迟下降, 3月下旬播种重旱频率最高, 为17.50%; 4月中旬−下旬播种偶有特旱发生, 特旱频率均为2.50%。拔节−抽雄阶段重旱发生频率随播期推迟下降, 3月下旬和4月上旬播种重旱频率较高, 分别为22.50%和12.50%, 其他播期在拔节−抽雄阶段重旱发生频率均低于10.00%, 各播期拔节−抽雄阶段重旱发生频率高于播种−拔节阶段; 拔节−抽雄阶段3月下旬、4月上旬和5月下旬特旱发生频率分别为5.00%、2.50%和2.50%。抽雄−灌浆各播期重旱发生频率分别为17.50%、7.50%、5.00%、5.00%、10.00%、10.00%、15.00%和7.50%; 4月上旬−下旬、5月下旬、6月上旬播种特旱发生频率为2.50%～5.00%。灌浆−成熟阶段各播期重旱频率发生最低, 4月中旬−5月下旬播种特旱频率均为2.50%。可见, 适当推迟玉米播种可降低玉米干旱发生频率, 特别是重旱和特旱发生频率。

3 讨论

3.1 不同播期玉米生育期气候资源特征差异明显

农业生产对气候变化反应十分敏感, 气候资源是影响作物生长发育的重要因素。前人研究得出川中丘陵区春玉米日照时数呈逐年降低趋势, 四川春玉米全生育期和各生育阶段热量资源呈升高趋势, 参考蒸散量呈下降趋势。本研究中川中丘陵区8个播期玉米全生育期和各生育阶段热量资源年际变化整体呈升高趋势, 日照时数、降雨量呈下降趋势, 这与前人在相同地区的研究结果类似。

随播期推迟, 不同播期玉米生育期所经历日照、热量、降水资源匹配的适宜性有明显差异。研究区玉米全生育期日照时数随播期推迟有下降趋势; 3月下旬到4月下旬播种玉米全生育期日照时数高于5月上旬−6月上旬; 与3月下旬播种相比, 5月下旬−6月上旬播种玉米全生育期日照时数下降超过10%, 过度推迟玉米播期导致玉米生育期日照时数急剧降低, 不利于光合作用和玉米产量的提高; 4月中旬−5月中旬播种玉米在灌浆−成熟阶段光照最充足, 利于玉米籽粒灌浆。随播期推迟, 研究区玉米播种−拔节、拔节−抽雄阶段日均温明显增加, 将加快玉米出苗和拔节的速度, 缩短玉米生育期, 导致玉米全生育期生长度日随播期推迟先升后降; 同时玉米抽雄−灌浆阶段、灌浆−成熟的高温风险增大; 玉米生育后期高温会影响雌穗发育, 玉米授粉结实不良, 加速玉米衰老等, 从而造成玉米减产。随播期推迟研究区玉米全生育期降雨量增加; 3月下旬−4月下旬播种玉米, 在播种−拔节、拔节−抽雄阶段降雨量较少, 灌浆−成熟阶段降雨量开始增多; 拔节−抽雄阶段是玉米雌雄穗分化形成的关键期, 5月上旬以后播种玉米在6月中旬以后进入拔节−抽雄阶段, 此时川中丘陵区由旱季过渡到雨季, 降雨量开始增多, 有利于满足玉米生长对水分的需求。

研究区晚播玉米降雨量较多, 降低了干旱危险, 有利于玉米生长, 但播期推迟到5月下旬以后, 日照时数、生长度日的下降将显著影响玉米产量, 不利于玉米产量提高。因此, 综合气候资源特征考虑, 研究区玉米适宜在4月中旬到5月中旬期间播种, 此时光、温、水资源在时间上分布能较好满足玉米生长的需求。

3.2 不同播期玉米干旱特征及适应性

川中丘陵区玉米生产以旱地雨养为主, 明确该区玉米干旱发生规律对玉米抗旱栽培具有重要意义。前人研究认为西南地区春玉米干旱程度大多处于轻旱; 四川盆地春玉米以轻旱、中旱为主, 重旱较少; 也有研究表明西南地区春玉米整个生育阶段以及夏玉米生育前期和中期干旱不容易发生。本文对川中丘陵区近40年不同播期玉米干旱特征的研究表明, 各播期玉米各生育阶段均有干旱发生, 总体上干旱强度以轻旱、中旱为主, 重旱次之, 特旱发生频率最低, 这与大多前人研究结果一致; 本研究还表明, 3月下旬播种玉米在播种−拔节阶段最易受旱, 这与前人研究西南地区春玉米出苗至拔节期降雨少, 最易受旱的结果一致。4月上旬−5月中旬播种玉米在拔节−抽雄阶段最易受旱; 5月下旬−6月上旬播种玉米在播种−拔节阶段最易受旱。不同播期玉米最易受旱生育阶段存在差异, 总体上抽雄前重旱发生频率高于抽雄后, 适当推迟玉米播种可降低玉米干旱发生频率, 特别是重旱和特旱发生频率。早播玉米在生育前、中期易发生水分亏缺, 推迟播期可降低玉米生育前、中期干旱风险。

播期影响玉米生育期内光照、温度、降水等气候因子的匹配关系, 明确合理播期, 使玉米各生育阶段处于相对有利的气象条件下, 是实现玉米抗逆高产栽培的重要措施。本文对不同播期玉米干旱特征及发生频率的研究表明, 研究区玉米早播干旱发生频率高于晚播, 这与川中丘陵区春玉米生育期内早期干旱、后期高温多雨的特殊气候生态条件相符合。3月下旬、4月上旬播种玉米在播种−拔节、拔节−抽雄阶段受到的干旱风险均较大, 尤其拔节−抽雄阶段是玉米生长发育中需水关键期, 需注意预防重旱发生; 随播期推迟, 玉米受旱频率降低且干旱程度逐渐由中旱降为轻旱为主, 推迟播期可降低干旱对玉米生长的影响, 但晚播玉米在拔节−抽雄、抽雄−灌浆阶段的重旱风险较高。因此, 从玉米干旱特征来看, 研究区玉米在4月中旬到5月中旬播种可降低生育期干旱频率, 特别是重旱发生频率。

4 结论

不同播期玉米生育期气候资源和干旱特征存在明显差异。研究区4月中旬−5月中旬播种玉米生长度日较高、日照和降水适中, 为玉米生长提供了良好的气候条件; 同时可有效降低玉米干旱发生频率和强度。综上, 研究区玉米在3月下旬−4月上旬播种时, 宜选取抗旱品种, 提前采取措施减少生育前期干旱对该区玉米生产造成的不良影响; 4月中旬−4月下旬播种需重点预防播种−拔节阶段重旱发生, 以及灌浆−成熟阶段的高温; 5月上旬−5月中旬播种重点预防抽雄−灌浆阶段重旱风险和高温风险。本文基于川中丘陵中江县的多年气象数据对不同播期玉米生育期气候资源及干旱特征进行了典型研究, 今后应通过多站点数据收集扩展到川中丘陵区域或西南玉米主产区域, 为区域玉米适宜播期选择和生育期干旱防御提供指导。