黄淮海地区“永优”系列玉米气候敏感性因子区划研究
2016-02-06杜子璇李彤霄王秀萍李香颜中国气象局河南气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南郑州45000河南省气象科学研究所河南郑州45000新乡市气象局河南新乡4500
杜子璇，李彤霄*，王秀萍，李香颜(1.中国气象局 河南气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 45000；2.河南省气象科学研究所，河南 郑州 45000； .新乡市气象局，河南 新乡 4500)
黄淮海地区“永优”系列玉米气候敏感性因子区划研究
杜子璇1，2，李彤霄1，2*，王秀萍1，2，李香颜3
(1.中国气象局 河南气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003； 3.新乡市气象局，河南 新乡 453003)
以鹤壁市农业科学院选育的“永优”系列玉米品种国审浚单20、国审浚单29、鄂审浚单509和陕审浚单3136为例，采用4个品种参加区域试验和2014年地理分期播种试验的数据，以及同期对应站点的气象资料，自播种起以10 d为1个周期，通过数理统计分析影响黄淮海地区“永优”系列玉米产量的气象因子，进而选取气候敏感性因子作为关键指标进行区划。结果表明：“永优”系列玉米产量随品种的更新逐渐增加。各周期日照时数、平均气温、最高气温、最低气温和相对湿度对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3136产量的影响趋势基本上相同，但在各期的影响上略有差异。浚单20的敏感系数较小，适应性较好；浚单3136的敏感系数较大，适应性较差，容易受到气象因子的影响，而浚单29和浚单509的适应性居中。“永优”系列玉米品种在黄淮海平原(北部除外)都适宜种植；浚单20、浚单29和浚单509对黄淮海地区的气候因子不太敏感，最适宜面积较大；浚单3136对黄淮海地区的气候因子较为敏感，受气象因子波动的影响较大，最适宜面积相对较小。
气候变化； “永优”系列玉米品种； 产量； 敏感性因子； 区划
黄淮海地区是我国最大的玉米主产区，“永优”系列玉米品种作为黄淮海地区主推的品种得到了广泛的种植。但黄淮海地区范围广阔，气象条件时空差异大，多种气象灾害频发[1-8]，给科学地指导玉米生产和有效地推广玉米新品种带了不便。为了更好地服务农业生产，必须对黄淮海地区的气候情况和玉米的气候适应性进行深入分析。目前，关于黄淮海地区气候和玉米种植的关系的研究较多，分别从气候生产潜力、气候变化影响、旱涝灾害的影响和区划方面做了大量的研究[9-18]。赵俊芳等[9]、张岩[10]分析了光温变化条件下黄淮海地区夏玉米潜在产量的变化特征。岳尧海等[11]阐述了黄淮海夏玉米区气候特点和育种现状，并在高产、抗病性、扩增种质等方面讨论了育种的研究方向。徐玲玲等[12]分析了黄淮海地区夏玉米气候适宜度的时空变化特征。陆伟婷等[13]分析了黄淮海地区气候因子(温度和降水)与夏玉米生育期和产量的关系。薛昌颖等[14]根据夏玉米生长发育过程建立了夏玉米不同生育阶段的干旱等级指标。杨平等[15]、郁凌华等[16]、蒋春丽等[17]、余卫东[18]从黄淮海地区夏玉米的各种气象灾害方面进行了分析和评估。但以上研究均是选取代表性的一个品种或不同系列的多个品种进行分析，对同一系列不同品种间的差异研究较少[19]，不利于指导玉米品种的选育和改良，也不利于指导未来黄淮海地区的玉米生产。“永优”系列玉米品种，即享誉全国的“浚单”系列玉米品种，于2012年1月由温家宝总理命名为“永优”。本研究选取“永优”系列玉米品种，结合黄淮海地区的气候特征，分析黄淮海地区“永优”系列玉米品种产量气候敏感性因子，从而得到黄淮海地区“永优”系列不同玉米品种的气候敏感性因子区划图，为充分利用气候资源，降低气候灾害的不利影响和指导玉米生产和品种改良提供参考。
1 材料和方法
1.1 研究材料和数据资料
研究选取的“永优”系列玉米品种为黄淮海地区种植面积最大、早熟高产的浚单20，抗病抗逆性强、丰产稳产性好的浚单29，品种产量高、综合抗性好且无明显缺陷的浚单509，高产稳产、优质多抗、适应性广的高淀粉玉米杂交种浚单3136。浚单20 是1996年选育成功的品种，2003年先后通过河南、河北两省和国家审定；浚单29 是2005年选育成功的品种，2009年通过河南省农作物品种审定委员会审定；浚单509 是2008年选育成功的品种，2015年通过湖北省农作物品种审定委员会审定；浚单3136 是2009年选育成功的品种，2014年通过陕西省农作物品种审定委员会审定。
数据资料选取黄淮海地区“永优”系列玉米品种浚单20 2001—2002年区域试验的41个站次、浚单29 2008—2009年区域试验的46个站次、浚单509 2011—2012年区域试验18个站次、浚单3136 2012—2014年区域试验的20个站次，以及以上品种2014年地理分期播种试验的21个站次的生育期、产量资料和同期各站的气象资料进行分析。生育期、产量资料来源于鹤壁市农业科学研究所，气象资料来源于国家级气象局资源共享网站和河南省气象局。
1.2 研究方法
以产量排名前10%的平均值作为最高产值，高于最高产值×90%的产量作为高产，低于最高产值×70%的产量作为低产，其间产量为中产。设定中产平均值为该品种的正常产量。各试验点的产量与正常产量的差值为气象产量。
利用数理统计和相关分析方法分析各品种产量和气象因子的关系[20]，用积分回归方法分析各气象因子对玉米气象产量的影响。
1.2.1 积分回归 积分回归分析的基本原理是通过利用正交多项式(常用切比雪夫多项式)将原来较多自变量的矩阵转化为较少自变量矩阵，然后，用一般多元回归分析方法求出新自变量与因变量之间的回归模型，最后，求出原自变量的回归参数，即为敏感系数。积分回归模型为[21]:
式中:C0为积分常数；t为周期时间；a(t)为单个气象要素在时段t+Δt内每增加或减少1个单位数值时对气象产量Y的敏感系数；x(t)为单个气象要素。
本研究中敏感系数为某地区作物某一气象要素每10 d的影响系数，其表示在某个10 d，每增加1个气象单位的增产量或减产量。设定每10 d为1个周期，即第1个周期(1期)为0～10 d，第2个周期(2期)为11～20 d，以此类推。
1.2.2 区划图的制作方法 首先，选取各品种中单期气象要素敏感系数绝对值数值大于40、变化明显，且敏感系数绝对值与其绝对值平均值比值大于1.5的气象因子为敏感气象指标因子；然后把敏感因子进行归一化处理，再根据敏感系数确定各指标因子的权重值；最后，运用线性加权求和法，并根据各评价因子的权重值，利用ArcGIS将各评价指标叠加，进而得到黄淮海地区“永优”系列玉米品种气候适应性区划图。并计算综合评判值P。
式中，ai为相应指标权重；i=1,2,3，…，n；μ(xi)为第i个指标归一化值，公式为:
其中，amax为最适宜指标最大值，amin为最适宜指标最小值，bmax为适宜指标最大值，bmin为适宜指标最小值。
所得P值可以用来评价黄淮海地区“永优”系列玉米品种气候适应性的优劣。
2 结果与分析
2.1 “永优”系列玉米品种的产量分析
表1是2014年地理分期播种试验 “永优”系列玉米4个品种的产量情况。从表1可以看出，“永优”系列玉米4个品种的最高单产表现为浚单509>浚单3136>浚单29>浚单20，平均单产值表现为浚单509>浚单29>浚单3136>浚单20，表明“永优”系列玉米品种产量随品种更新(选育时间的推移)整体呈逐渐增加趋势，其中浚单3136平均单产略微小于浚单29，可能是因为浚单3136为高淀粉玉米杂交种的缘故。总体上看，“永优”系列玉米品种产量随品种更新表现为逐渐增加的趋势，基本上是适应当前气候变化需求的。
表1 2014年 “永优”系列玉米品种的产量 kg/hm2
2.2 各期气象因子对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数分析
2.2.1 日照时数 从图1可以看出，各期日照时数对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3136的影响都以正效应为主，主要影响生育期中期及后期(抽雄期—成熟中期)，在生育初期和末期略有负效应，基本上效应相同。日照时数对“永优”系列玉米产量的影响基本上相同，正效应区域内浚单20以第8个周期的影响最大，浚单29以第9个周期的影响最大，浚单509和浚单3136都以第5个周期的影响大；日照时数对“永优”系列玉米品种产量的负效应主要集中在初期和末期，以浚单509和浚单3136所受影响较大。总体来说，日照时数对浚单509和浚单3136的产量影响较大，二者对日照时数的变化比较敏感，浚单20其次，浚单29最小。
一般情况下，在玉米生长发育进程中，假定生态环境条件适宜时，增加日照时数，则光合作用速度增加，有利于作物生长发育，对产量产生正效应。但在某一时段日照时数增加时，会出现降水偏少的情形，造成水分亏缺进而影响作物生长发育，导致玉米播种—抽雄期及成熟后期日照时数对产量产生负效应[22-23]。
图1 日照时数对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数变化
2.2.2 平均气温 从图2可以看出，各期平均气温对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3139的影响效应略有不同。平均气温对浚单20、浚单29和浚单3139产量的正效应影响主要在生育期中期，浚单20以第9期的影响最大，浚单29和浚单3139以第8期的影响最大；对浚单20、浚单29和浚单3139产量的负效应影响主要在生育期前期和后期，以第2、3、10期影响较大。平均气温对浚单509产量的影响与其他品种差别较大，正效应以第4、9期为主，负效应以第2、7、10期为主。总体来数，浚单20的平均气温敏感系数较低，说明浚单20对平均气温的适应性较好，浚单29、浚单509和浚单3136对平均气温的敏感性较大。
总体来说，平均气温的升高对玉米生长起正效应，但每个品种各生育期对平均气温的响应不同。平均气温的升高引起土壤蒸发和作物蒸腾加剧，农田蒸散量增大，致使作物水分亏缺。这可能是前期平均气温对产量产生负效应的原因。
图2 平均气温对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数变化
2.2.3 最高气温 从图3可以看出，各期最高气温对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3139的影响效应基本上相同。最高气温对浚单20、浚单29、浚单509、浚单3136产量的影响呈W型，以第2、4、7、9期的影响为转折点，其中最高气温对浚单509、3136的产量影响较大，对浚单20、浚单29的影响较小。说明“永优”系列玉米品种的产量对最高气温的敏感性较大，特别是第2、4、7、9期的最高气温对其影响最大。
最高气温一般出现在14：00左右，这时作物光合作用较强，适宜的最高气温会对产量产生正效应，乳熟期前后最为明显。但抽雄期前后的高温容易造成花器官干旱失水，丧失活力，花丝吐出困难，吐出的花丝易枯萎，进而影响授粉，降低产量；成熟期的最高气温可能超出光合作用的适应范围，降低玉米光合酶的活性，破坏叶片叶绿体的结构，使玉米叶片气孔关闭，使光合作用受阻，减少有机物生成，影响产量[24]。
图3 最高气温对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数变化
2.2.4 最低气温 各期最低气温对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3139产量的影响效应除第1期外与最高气温的影响(图3)基本相同。从图4可以看出，最低气温对浚单20、浚单3136产量的影响相对较小，对浚单29、浚单509的影响较大，以第2、4、7、9期为高敏感时段。
最低气温升高会对玉米生长和产量形成有一定的促进作用，但有些时期，最低气温的升高意味着呼吸作用的加强，光合产物的消耗，不利于产量的提高。这也是播种期—出苗期、乳熟期及成熟后期最低气温对玉米产量呈负效应的原因。
图4 最低气温对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数变化
2.2.5 相对湿度 相对湿度对不同品种的影响总体相似，呈“倒S”型。从图5可以看出，各期相对湿度对浚单20、浚单509和浚单3139的影响效应基本上相同，对浚单29的影响则略有不同。相对湿度对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3139产量的影响主要在生育期前期和后期，以正效应为主，其中相对湿度对浚单20产量的影响最小。说明浚单20对相对湿度的适应性较好，其他品种对相对湿度的敏感性较大。
空气相对湿度直接影响作物的蒸腾作用，相对湿度较大，会抑制作物蒸腾作用，影响作物生长。因而，在玉米成熟中期对产量呈负效应。但空气相对湿度间接反映了土壤水分的情况，水分充足则有利于玉米的生长，因而相对湿度在出苗—乳熟期及成熟后期对产量有正效应。
图5 相对湿度对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数变化
2.3 “永优”系列玉米品种的敏感性因子分析
通过分析气象因子对“永优”系列玉米品种产量的敏感系数，选取敏感系数较大的因子作为“永优”系列玉米品种的敏感因子，进一步把这些敏感因子在高产和中产地区的变化范围设为最适宜和适宜的取值范围，进而得到各品种的敏感因子和适宜范围(表2)。总体来说，浚单20的适应性比较好，敏感性因子较少；其次为浚单29和浚单509；浚单3136的敏感性因子较多，说明浚单3136在黄淮海平原的适应性相对较差，易受到气象因子的影响。
表2 “永优”系列玉米品种敏感性因子和适宜范围
品种敏感性因子(权重) 最适宜适宜不适宜浚单20第2期平均气温(0．38)23．3℃≤tavg≤28．9℃21．9℃≤tavg<23．3℃或28．9℃
注：s代表日照时数，tavg代表平均气温，tmax代表最高气温，tmin代表最低气温，U代表相对湿度。
2.4 敏感性因子权重
对敏感性因子的数据进行归一化处理，并根据敏感系数所占的比重进行赋值，最后得到“永优”系列玉米品种的权重值(表2)。由于部分影响因子的敏感系数为负效应，因而一些权重为负值。
2.5 敏感性因子区划图
通过以上分析，按照区划指标和区划方法，对黄淮海平原“永优”系列玉米品种的敏感性因子进行区划，得到“永优”系列4个玉米品种的区划图(图6)。
图6 “永优”系列玉米品种敏感性区划图
2.5.1 最适宜区域 浚单20的最适宜区域为河北的中南部、北京南部、山东的大部、河南除南部及东南部外的大部分地区和江苏的中北部；浚单29的最适宜区域为河北的中南部、北京南部、山东的西北部、河南大部分地区、安徽省和江苏省；浚单509的最适宜区域为河北的中南部、北京南部、山东和江苏的大部、河南省、安徽省；浚单3136的最适宜区域为河北的中南部、山东的西北部、河南东部和南部部分地区、安徽省和江苏省。4个品种的最适宜区域面积表现为浚单509>浚单29>浚单20>浚单3136。
2.5.2 适宜区域 浚单20的适宜区域为河北的北部、北京北部、山东的东部部分地区、河南的南部及东南部、江苏的南部和安徽省；浚单29的适宜区域为河北的北部、北京北部、河南东部的部分山区、山东的南部和东部大部分地区；浚单509的适宜区域为河北的北部、北京北部、山东东部和江苏南部的小部分地区；浚单3136的的适宜区域为河北的北部、北京大部分地区、山东的西部和南部、河南大部分地区。4个品种的适宜区域面积表现为浚单3136>浚单20>浚单29>浚单509。
2.5.3 不适宜区域 河北北部不适宜“永优”系列玉米品种的种植，但由于该区域基本上不种植夏玉米，本研究就不再过多说明。“永优”玉米系列品种仅浚单29在山东东部半岛的部分地区有不适宜区域。结合地形图发现，该部分地区是烟台苹果和莱阳梨的主要种植区，主要为山地，最高海拔800多米，因而，该地区气候条件略有异常，不适宜浚单29种植。
通过以上分析发现，“永优”系列玉米品种在黄淮海平原整体来说是较为适应的，只是最适应范围各不相同。黄淮海平原北部河北中南部地区最适宜种植这4种“永优”系列玉米品种。黄淮海平原南部地区最适宜种植浚单29、浚单509和浚单3136，适宜种植浚单20；黄淮海平原东部地区山东省最适宜种植浚单20和浚单509,适宜种植浚单29和浚单3136；西部地区河南省整体上最适宜种植浚单20、浚单29和浚单509；适宜种植浚单3136。4个品种中浚单509最适宜范围最大，浚单29和浚单20次之，浚单3136最小。
3 结论与讨论
浚单20、浚单29、浚单509、浚单3136的最高单产分别为12 123.60、12 542.29、131 15.18、128 15.74 kg/hm2，平均单产分别为10 263.23、10 877.07、11 138.16、10 769.55 kg/hm2。虽然浚单3136的单产平均略低于浚单29，但最高单产超过了浚单29，且相对于选育期较早的浚单20最高单产、平均单产均明显增加；另外，由于浚单509与浚单3136的选育年份和审定年份接近，且品种用途不同，其单产的差异并非品种更新造成的，且浚单3136是高淀粉玉米，单纯从籽粒产量来分析也是不合适的。总体来说，“永优”系列玉米品种产量是随品种更新逐渐增加，基本上适应当前气候变化的需求。
通过对播种后每10 d 1个周期的气象因子对产量的敏感系数分析发现：各期日照时数、平均气温、最高气温、最低气温和相对湿度对浚单20、浚单29、浚单509和浚单3136产量的影响趋势基本上相同。但在各期上略有差异。浚单20的敏感系数较小，浚单3136的敏感系数较大，说明浚单20的适应性较好，浚单3136的适应性较差，易受到气象因子的影响，而浚单29和浚单509的适应性居中。虽然浚单20的适应性较好，但只能说明其比较适应当前的气候，其产量略低也说明浚单20不能充分利用当前气候资源[19]。此外，气候变化也会引起优势病虫害的不断发生变化，早期品种可能因缺乏对新出现的优势病虫害的抗性，导致抗病虫能力降低而逐步被淘汰。浚单20抗病性差也说明了这点[25]。
通过敏感性因子分析可知：“永优”系列玉米品种产量的主要影响因子各不相同。浚单20产量的主要影响因子是第2期平均气温、第4期最高气温和第2期相对湿度。浚单29产量的主要影响因子是第3、4期的平均气温，第3、4期的最高气温，第1、4期的最低气温，以及第2、10期的相对湿度。浚单509产量的主要影响因子为第10期日照时数，第2期平均气温，第4、9期的最高气温，第1、9期最低气温，第1、10期相对湿度；浚单3136产量的主要影响因子为第1、2期的日照时数，第2、10期的平均气温，第4、7、9期的最高气温，第1、2期的最低气温和第3期相对湿度。其中，第4期的最高气温是这4个品种共同的敏感性因子，主要是因为这段时间处于拔节—开花期，是玉米营养生长和生殖生长的并进时期，温度高的时候玉米发育进程加快，会对玉米的雌雄穗的早期分化产生影响，进而影响玉米产量。
通过对“永优”系列玉米品种敏感气象因子的区划表明，“永优”系列玉米品种在黄淮海平原(除北部外)都适应种植；浚单20、浚单29和浚单509对黄淮海地区的气候因子较为适应，不太敏感，最适宜面积较大；浚单3136对黄淮海地区的气候因子较为敏感，受气象因子的波动影响较大，最适宜面积相对较小。
适应区域的差异主要来源于不同基因型玉米对光、温、水等气候因子响应的差异[25-26](即不同品种的敏感因子不同)和不同品种对气候资源的利用效率。但玉米品种对病虫害抗性的差异、土肥和管理情况不同也会造成不同品种产量上的差异，这也是适应区域区划需要考虑的问题。单从籽粒产量方面分析也会存在一定的局限性。
由于以上资料主要来源于玉米品种区域试验资料，玉米生长过程中水肥条件充足，因而未考虑降水的影响。在以后的研究中应进一步加强降水对“永优”系列玉米品种的影响研究。
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Climate Suitability Zoning of Yongyou Series Maize Cultivars by Sensitive Meteorological Factors in Huang-Huai-Hai Region
DU Zixuan1,2,LI Tongxiao1,2*,WANG Xiuping1,2,LI Xiangyan3
(1.Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique,China Meteorological Administration,Zhengzhou 450003,China; 2.Henan Institute of Meteorological Sciences,Zhengzhou 450003,China;3.Xinxiang Meteorological Office,Xinxiang 453003,China)
Yongyou series maize cultivars,nationally approved Xundan 20,nationally approved Xundan 29,Hubei province approved Xundan 509 and Shanxi province approved Xundan 3136 bred by Hebi Agricultural Institute were selected to explore the climate recourses responsive sensitivity.Crop data from regional trial,geographical and periodical seeding experiments,and corresponding site climate data were collected.Maize growth period was split in every ten days interval as one growth stage since seedling,and statistic were performed to screen major meteorological factors influence each cultivar.Then the sensitive meteorological factors were chosen as the main index to complete zoning.The results indicated that the grain yield was increased with the cultivar update of Yongyou series maize cultivars.Solar hours,the average air temperature,maximum air temperature,minimum air temperature and relative air humidity of every ten days during maize growth period had similar influence trend on the four maize cultivars with slight difference in each growth stage.The sensitivity index of Xundan 20 was the lowest with the best adaptability,while the sensitivity index of Xundan 3136 was the highest with the worst adaptability,and the adaptability of Xundan 29 and Xundan 509 were in the middle.All the four cultivars were suitable planting in Huang-Huai-Hai region except in the north,Xundan 20,Xundan 29 and Xundan 509 were not relatively sensitive to meteorological factors in Huang-Huai-Hai region,so they had relatively large most suitable planting area.Xundan 3136 was relatively sensitive to meteorological factors in Huang-Huai-Hai region,and climate factors fluctuation had significant influence on the its grain yield,so the most suitable planting area was relatively small.
climate change; Yongyou series maize cultivars; yield; sensitivity factor; zoning
2016-02-25
公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406026)；国家自然科学基金项目(U1304405)
杜子璇(1980-)，女，河南扶沟人，高级工程师，硕士，主要从事农业气象工作。E-mail:dzxbutry@163.com
*通讯作者：李彤霄(1981-)，男，河南南阳人，工程师，硕士，主要从事农业气象研究。E-mail：ltx1981011@163.com
S162.5;S513
A
1004-3268(2016)08-0031-08
