气候变化背景下播期对东北春玉米资源利用、生育进程、产量与品质的影响

孔庆伟张书萍

(1.辽宁省农业发展服务中心, 辽宁 沈阳 110034; 2.辽宁省农业科学院玉米研究所,辽宁 沈阳 110161)

全球气候变暖已是不争的事实,极端天气事件发生频率明显增加[1]。 联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告研究指出,自1950年以来,由于全球社会经济的快速发展以及人口数量的大幅增长导致大气中二氧化碳等温室气体浓度显著上升,从而引起全球气候变暖的现象。 东北地区是中国重要的玉米主产区,位于世界三大“黄金玉米带”。 气候变化导致我国东北地区玉米的潜在产量减产趋势越加明显。 适宜的播种时间是实现玉米高产的必要条件之一,合理的播期可与当地光、热和水资源充分匹配,从而提高光温生产潜力和水分利用效率,最终,在确保稳产基础上,提高产量潜力和资源利用效率。 本文从气候变化现状与趋势分析、播期设置与气候因子匹配、播期与光温生产潜力和水分利用效率的关系、播期对东北春玉米生育进程、产量、养分吸收、籽粒品质的影响以及现存问题与展望等方面进行了系统综述,以期为制定应对东北地区气候变化趋利避害关键技术提供理论依据和实践指导。

1 气候变化现状与未来趋势

1880～2012年期间,全球大气平均温度升高了0.85 ℃[2]。 在全球变暖的背景下,1909年至今约百年,中国陆地平均增温幅度高于全球[3]。 东北春玉米在我国玉米生产中一直占有重要地位[4]。 同时,由于该地区地理纬度高,温度与水分对该地区影响较大,因此,该地区的光照、温度和水分等气象因子对玉米生产的影响备受国内外同行关注[4,5]。 在全球气候变化的大背景下,东北地区每10年气温上升平均为0.3 ℃[6],不同季节均呈增温趋势[7],增温速率:冬季＞夏季[8]。 东北地区的极端高温出现的频次逐年增加[9],而降雨量则呈减少趋势[10],且年际间降水量波动较大[11]。 1961～2010年东北地区干旱灾害呈显著上升趋势[12],暖干化趋势明显[13]。 2014年,我国东北和华北地区发生严重干旱气候事件,对我国玉米总产造成严重的损失,据统计我国玉米总产较上年减产1%[14]。 气候变化导致我国东北地区玉米的潜在产量下降[15],减产原因有相关学者认为是水分减少导致[16],东北大部分地区干旱给玉米产量带来的风险随播种至成熟时间逐渐增大[17]。

科学家们预测未来气候将会持续增暖,到21 世纪末,全球气温还将上升0.3～4.8 ℃[18],且未来的气候系统将会变得更加复杂。 在未来气候变化背景下,相关研究预估我国玉米等主要粮食作物产量都是以减产为主[19]。 未来东北地区降水空间差异会变大[20],这对我国未来的粮食安全十分不利。 未来东北地区气温与降水不能较好的自然匹配,会对玉米生产造成许多不利影响[21],例如,夏季干旱将加重玉米减产的可能性[17,22]。

2 播期设置与气候因子匹配

播期调控可以充分利用气候资源,特别是在全球气候变化的背景下,适期播种可以趋利避害,提高产量[5]。合理的播期设置可以使玉米生长与光、温、水等气象资源高效匹配,为玉米生长发育及产量形成的关键阶段创造良好的外部环境条件,从而实现高产[23]。 播种时间偏早或偏晚均会影响玉米生长和资源利用效率[24]。 气候条件直接影响玉米生长发育和产量,玉米高产与气候因子适宜匹配密切相关[25]。 东北三省是中国受全球气候变化影响最敏感的地区之一,近50年间平均每10年增温0.38 ℃[26]。 设置合理播期,可提高当地气候资源利用效率[27],趋利避害,实现玉米高产、稳产[28]。 合理播期可以增加玉米吐丝后的积温[29]。 适期早播可以充分利用积温,减小低温对玉米籽粒灌浆的影响[30];随着播期推迟,玉米生育期间气温逐渐升高[31]。 高纬度地区主要采取将播种期提前,通过栽种更晚熟的品种,充分利用热量资源,获得更高的产量[22]。 生育期内气温日较差对粒重增加有促进作用,开花期降水间接影响产量形成[32]。 适当提高抽雄至成熟阶段温度,可增加粒重,从而提高产量[33],籽粒灌浆期,提高光照可显著提高玉米产量。 刘行等(2021)研究表明,玉米生育期平均温度和生长度日,每10年的平均增幅分别为0.27 ℃和23.48 ℃,与我国其他地区相比,东北地区增加较显著[34]。 东北地区玉米生产也受水分条件制约[35]。 经研究,东北地区有效降水在灌浆期逐年减少,灌溉需水量增加[34]。 增温导致的干旱会限制玉米的生长发育,与增温对产量的正效应相比,干旱导致玉米减产更为明显[16]。 东北三省限制玉米产量的气象因子不同,黑龙江省和吉林省主要受温度影响,辽宁省则对降水量和日照时数反应较敏感[36]。

3 播期对提高玉米光温生产潜力和水分利用效率的作用

光温生产潜力是指在水分、土壤肥力、农业技术措施等条件适宜的情况下,由当地辐射和温度决定的作物最大产量。 适宜播期有利于提高玉米生产潜力[4],东北地区品种敏感参数值每增加10 ℃·d,玉米光温生产潜力平均提高207.77 kg/hm2,玉米播期推迟5～15 d,光温生产潜力增幅较高[4]。 土壤水分作为重要的生态因子之一,对于气候环境因子特别是降水和气温的变化十分敏感。 路海东等(2015)研究表明,通过播期的调整可以改变雨养旱作春玉米在不同生长发育阶段的土壤水分含量,可将玉米的需水关键时期和降水高峰期相匹配,能够提高水分利用效率,最终达到节水增效的目的[37]。 孙宏勇等(2018)研究表明,由于不同播期降雨时间分布不均,春玉米的水分利用效率随着播期的延迟呈逐渐增加[38]。

4 播期对东北春玉米生育进程的影响

薛宏伟(2020)在黑龙江研究表明,随播期推迟,玉米生育期缩短。 适当早播可以延缓生育进程,保证营养物质的积累,促进植株生长发育,提高产量[39]。 李文科等(2013)在吉林春玉米研究表明,随着播期推迟,玉米生殖生长期所需的天数没有显著变化,营养生长期缩短[40]。蔡福等(2015)对辽宁省南部地区春玉米研究表明,适当的晚播可将春玉米各生育期置于适宜的温度条件中[41]。赵先丽等(2017)在辽宁省南部研究表明,播种时间每推迟1 d,春玉米整个生长期长度平均缩短约0.395 d,营养生长期平均缩短约0.585 d,生殖生长期平均延长约0.235 d。 不同播期处理间,营养生长期长度差异最显著,随播期推迟,玉米产量呈先增加后减少趋势。 对春玉米生育期长度影响较大的气象因子为气温、日照时数、风速等[5]。 而吕晓等(2019)在辽宁锦州试验得出,过早播种不一定会导致玉米生育期提前[42]。

5 播期对东北春玉米产量的影响

气候变化对春玉米生长发育及产量呈正效应。 白帆等(2020)对东北三省春玉米研究表明,在充分灌溉条件下,20 世纪90年代和21 世纪初玉米适宜播期较20 世纪80年代有提前趋势,其中20 世纪90年代提前趋势更明显[43]。 宫秀杰等(2019)在黑龙江哈尔滨研究表明,最迟播种时间为5 月6 日,在5 月6 日后播种,玉米产量均呈降低趋势。 如果在正常播种期遭遇低温冷害等极端天气延迟播种时,应选择中熟品种播种,确保产量安全[26]。 薛宏伟(2020)在黑龙江省哈尔滨研究表明,随着播期推迟,产量先增后减[39]。 曹玉军等(2016)在吉林研究表明,调整播期可以实现增产,湿润区适宜早播,半湿润和半干旱地区适宜晚播[44]。 曹庆军等(2013)在吉林省中部研究表明,玉米最佳播期在5 月7 日左右[45],而李文科等(2013)在吉林省西南部研究表明,玉米适宜播期在5 月中旬左右[40]。 于吉琳等(2013)在辽宁省研究指出,4 月25 日播种下产量较5 月中下旬播种下产量平均提高23.5%[46]。 米娜等(2016)在辽宁省锦州地区研究指出,玉米的最佳播期为4 月25 日～5 月10 日[47]。 赵先丽等(2017)在辽宁省庄河地区研究表明,春玉米产量随播期的推迟,呈现先增后减的趋势[5]。 刘红(2020)在辽宁省铁岭市研究得出,播期提前理论上是可行的。 播期提前5 d 或10 d,配合生殖生长期灌溉,可降低减产幅度[22]。

6 播期对东北春玉米养分吸收利用与籽粒品质的影响

6.1 土壤与植株养分积累

土壤肥力是土壤生产力的综合反映,其丰缺情况直接影响着作物的生长、发育和产量。 由于播期的不同,使作物所处的温度和降水条件不同,温度的变化会对土壤养分的转运和转化产生影响,而土壤养分的积累和有效性受降水量变化影响。 同时,气候变化也可通过对土壤有机质含量的影响,进而改变土壤水、结构和养分状况[48]。 调整播期,可通过直接影响作物生长期内的温度和降水,从而间接影响土壤养分状态。

播期调控植株氮磷钾吸收,主要是在不同播期下,生育期内气候条件产生变化所致,在早播处理下玉米的氮磷钾吸收量显著高于晚播处理,播期对干物质积累的影响幅度高于对养分积累量的影响幅度[48]。 展文洁等(2021)在吉林省中部农安县研究指出,干物质量与氮素累积量对产量形成有影响,提升氮素转运量可有效促进增产[49]。 张萌(2020)以京农科728 和MC812 为试验材料,在5 月1 日、5 月10 日、5 月20 日 和5 月30 日 播种,研究表明,播期对春玉米养分的积累与转运有显著影响。玉米的植株氮素积累量以5 月30 日播种处理最高;磷素积累量以5 月20 日播种处理较低,其余各处理无显著差异;植株钾素的积累量以5 月10 日播种处理最高。 玉米植株的氮素和磷素的转运量、转运率和对籽粒贡献率均5月20 日和5 月30 日播种较高。 京农科728 各器官的钾素转运量、转运率和对籽粒的贡献率以5 月1 日播种处理最大,MC812 以5 月20 日和5 月30 日播期处理下的钾素转运量、转运率和对籽粒贡献率最大。 在不同播期处理下,玉米的养分收获指数和生产效率均以5 月30 日播种处理较高,100 kg 籽粒的养分吸收量以5 月30 日播种处理较低[48]。

6.2 籽粒品质

薛宏伟(2020)在黑龙江省研究表明,随播期推迟,先玉696 籽粒蛋白质含量降低,在4 月20 日播种时含量较高;其淀粉和油分含量增加,在5 月18 日播种时含量最高;籽粒粗脂肪、可溶性蛋白、可溶性糖、水分含量则呈先增加后降低趋势,在5 月4 日播种时含量较高。 可见,播期推迟对玉米籽粒中蛋白质含量影响较大,脂肪含量有所下降,如果能够进行适时早播,那么,玉米籽粒中蛋白质、脂肪、糖分含量均会随之增多。 另外,在黑龙江哈尔滨地区,“适时晚播+低密度种植”,可促进籽粒脂肪含量增加、提高品质[39]。

7 问题与展望

7.1 模型预测

量化气候变化对农业生产的影响,探究应对气候变化的农艺措施对保障未来粮食安全具有重要意义。 目前,世界上许多国家已经研发了玉米等多作物模型。 如美国的Hybird-Maize 模型[50]、澳大利亚的APSIM 模型以及荷兰的WOFOST 模型等[51,52]。 在模型应用中还存在如下问题:第一,模拟结果有一定偏差。 例如,APSIM 等模型对玉米播种深度、病虫害、草害、臭氧等与作物生长的一些因素考虑不足;第二,研究方法有局限[53]。 玉米品种及田间管理措施随着社会技术的发展在变化,且田间管理也会因政策和天气等原因而改变,模型中的统一设定与实际情况存在一定偏差,增加了模拟结果的不确定性。上述两点,需要在今后的相关工作中,进一步补充完善。

7.2 研究方法

第一,大田试验方面,应在不同气候区,结合多年定位试验数据开展播期对玉米生育进程、资源利用、产量构成因子及产量的影响研究,进一步明确玉米生长发育、光、热、水等资源与植株生长匹配关系,量化播期对不同类型土壤温度、水分等因子的调控效应,明确土壤环境变化对玉米生长发育的影响。 第二,在气候变化影响农业生产研究方面,相关数据的来源大多数是基于历史气候数据,在利用最新气候模式预测未来不同情景下气候变化对农业生产影响相关研究还比较欠缺。 今后,应结合气候变化和模型调参更新数据源,提高预测精准性。 第三,目前,我国农业生产研究中应对气候变化的增产措施比较单一,由于气候变化的区域性和不确定性,今后,应在区域尺度探究多种管理措施的交互作用下,研究应对气候变化、保障粮食产量的有效措施[19]。