湖南省春玉米光温生产潜力和产量差特征及限制因子分析*

刘思华，李 晶，黄晚华**，汪天颖，李民华

湖南省春玉米光温生产潜力和产量差特征及限制因子分析*

刘思华1，李 晶1，黄晚华1**，汪天颖1，李民华2

（1. 湖南省气象科学研究所，长沙 410118；2. 湖南省怀化市气象局，怀化 418000）

应用逐级订正模型，按照“光、温”逐级衰减的方法，逐日计算湖南省春玉米的光合生产潜力，通过每日温度有效系数订正得到逐日光温生产潜力，并累积得到春玉米全生育期内1987−2016年光温生产潜力。计算71个春玉米主产县光温潜力产量差，即主产县实际单产与对应气象站点光温生产潜力的差值。结果表明：累积日照时数对春玉米光温生产潜力和产量差的影响有限，3月下旬日照显著增加但光温生产潜力及产量差显著下降，其区域分布集中在湘西南和湘南等地。积温对春玉米光温生产潜力和产量差的影响较广，特别是高温的限制作用，春玉米全生育期、3月下旬、6−7月积温在全省绝大部分地区均显著增加，且与光温潜力和产量差呈显著负相关。表明气候变化影响下，高温限制作用加强，湖南省春玉米光温生产潜力显著降低。目前湖南西部地区实际单产较低，光温潜力产量差较高，春玉米产量有较大提升空间。

光温生产潜力；产量差；高温；春玉米

作物生产潜力是指在一定时期内单位土地面积上，在最优管理条件[1]下，作物可能获得的最高产量[2]。产量差是指实际产量与潜在产量的差值，以不同的作物生产潜力产量水平为上限，可以得到不同等级的产量差[3]，灌溉农业一般以光温生产潜力作为上限产量。刘志娟[4]、王连喜[5]等分别应用作物模型[6]、经验模型[7]等方法在全国各地如云南[8]、四川和青海[9]、山西[10]、东北三省[11]、华北地区[12]、湖南计算了玉米[13]、小麦、水稻等作物的生产潜力[14]或产量差[15]。机制法[16]也称逐级订正模型[17]，是一种应用普遍的经验模型，在全国[18]、三江地区[19]、黑龙江[20]、河南[21]、湖南[22]、江西的水稻[23]、玉米、大豆等作物中均有应用，以往多以逐年[24]、逐月、逐旬或分生育期进行计算，逐日计算的较少见报道。

玉米是湖南省主要旱粮作物，种植面积和产量仅次于水稻[25]，近年来种植面积不断增加。湖南以春玉米为主，占总面积的90%以上[26]，但产量水平较低，受气象因子影响明显[27]。而气候变化，特别是温度对作物产量影响较大[28]，钱锦霞等[29]研究发现东北地区春玉米产量与各生育期平均气温相关性有正有负。湖南省春玉米生育后期受副热带高压影响，高温热害频发，探索玉米生产潜力及其限制因子，努力提高单产水平是玉米研究的重要方向和任务[30]。因此，本研究通过机制法，假设叶面积指数在生育期内逐日线性演变，逐日计算、订正、累积湖南省春玉米1987−2016年光温生产潜力，及其与实际产量的产量差，分生育期探讨日照和积温对光温生产潜力和产量差的影响，并分析其在全省和各春玉米主产县的具体表现。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象数据为湖南省95个气象观测站1987−2016年的逐日资料，包括气温、日照时数、站点信息资料，来源于湖南省气象信息中心。生育期资料通过积温法推算，其中各站点的播种日期分别为其稳定通过8℃的初日（80%保证率）。产量资料为湖南省各县1987−2016年数据，来源于湖南省统计局。

1.2 光温生产潜力计算

式（4）、（5）中，T为日平均气温（℃），T1、T0、T2分别为玉米当日所处生育期的下限温度（℃）、最适温度（℃）、上限温度（℃）。综合文献资料和实际生产经验[31]，湖南省春玉米三基点温度如表1所示。

1.3 产量差计算

表1 湖南省春玉米三基点温度（℃）

通过式（1）−式（6）计算1987−2016年湖南省春玉米的光温生产潜力、光温潜力产量差，分析每10a气候倾向率、空间分布及限制因子，采用t检验进行显著性检验[32]。

1.4 数据分析

研究数据用Excel进行统计分析，采用线性倾向率、Pearson相关系数和t检验进行变化趋势分析；空间分布图通过GIS的普通克里金插值得到。

2 结果与分析

2.1 春玉米光温生产潜力特征分析

2.1.1 时空变化

湖南省春玉米95个气象观测站1987−2016年光温生产潜力平均值如图1a所示，其年际间变化在14807（2010年）～21857kg·hm−2（1997年），呈极显著下降趋势（R=−0.52，P<0.01），气候倾向率为1044kg·hm−2·10a−1。

湖南省春玉米1987−2016年气象观测站平均光温生产潜力的空间分布如图1b所示。由图可见，其空间变化在13051（郴州）～28540kg·hm−2（桂东）。高值区主要集中在湘西部分地区和湘南局地，低值区主要集中在湘中偏南和湘中偏东。相关性分析显示，春玉米光温生产潜力与各站积温（R=−0.88，P<0.001）、累积日照时数（R=−0.50，P<0.001）呈极显著负相关，与各站海拔高度（R=0.78，P<0.001）呈极显著正相关。这可能与日照时数较多时，温度升高，而高海拔山区高温限制更少、生育期延长等因素有关。

图1 1987−2016年湖南省春玉米光温生产潜力的时（a）、空（b）分布

注：图b中带圆圈站点表示光温生产潜力线性变化趋势（kg·hm−2·10a−1）通过0.05显著性检验。下同。

Note: Arrows with circle in Fig.b represent significant linear trend (kg·ha−1·10y−1, P<0.05). The same as below.

由图1b还可见，1987−2016年湖南省春玉米光温生产潜力除炎陵外，99%（94个）的站点表现为下降趋势；62%（59个）的站点通过0.05水平的显著性检验，气候倾向率为每10a下降749（汝城）～2931kg·hm−2（资兴），空间分布与光温生产潜力分布高度相似（R=0.33，P<0.01）。相关分析显示，95站光温生产潜力线性趋势与各站积温（R=0.34，P<0.001）、累积日照时数（R=0.27，P<0.01）呈显著正相关。由此可知，湖南省春玉米生长季内积温少、累积日照时数低的地区，光温生产潜力线性变化速率小，气候倾向率下降数值大，这可能与湖南省近30a春玉米生长季内积温极显著增加（R=0.67，P<0.001），湘西等山区高温限制更小有关。

2.1.2 限制因子

1987−2016年湖南省春玉米生育期内累积日照时数和积温与时间（R1）、光温生产潜力（R2）的相关性如表2所示。由表可见，在全生育期（3月21日−7月31日）内，1987−2016年全省平均累积日照时数变化趋势（R1）及其与光温生产潜力的相关性（R2）均不显著，从全省95个站点来看，相关性显著的站点少于13%。全省平均积温呈显著增加趋势，99%的站点通过显著性检验且变化趋势一致，68%的站点对光温生产潜力有显著降低作用。

3月下旬，湖南省春玉米大多处于播种−出苗期。近30a累积日照时数显著增加，95%的站点通过显著性检验且变化趋势一致，24%的站点累积日照时数与光温生产潜力呈显著负相关，主要集中在湘西南、湘中、湘南。研究期内全省范围内积温显著增加，99%站点通过显著性检验且变化趋势一致，52%的站点积温与光温生产潜力呈显著负相关，主要集中在湘西、湘中、湘南，基本跟累积日照时数与光温生产潜力显著负相关的区域重合并有所扩展。这表明，近30a湖南省3月下旬的光热资源显著增加，对于省内部分地区，过多的日照和过高的积温，可能导致土壤墒情下降，不利于春玉米根系向下伸展，影响蹲苗、壮苗。

4月上旬−5月中旬，湖南省春玉米大多处于出苗−拔节期。由表2可知，研究期内累积日照时数变化趋势不明显且对光温生产潜力影响不大，通过显著性检验的站点少于13%；全省区域内积温显著增加，60%的站点通过显著性检验且变化趋势一致，但积温对光温生产潜力的影响较小，通过显著性检验的站点少于4%。

表2 1987−2016年湖南省春玉米各生育期累积日照时数、积温与时间和光温生产潜力的相关关系

注：*、**分别表示相关系数通过0.05、0.01水平的显著性检验。R1为气象因子与时间的相关系数，N1为R1通过显著性检验的主产县数量；R2为气象因子与光温生产潜力的相关系数，N2为R2通过显著性检验的主产县数量。下同。

Note：*is P<0.05，**is P<0.01. R1is the correlation coefficient between each factor and year, N1is the number of counties in Hunan province whose R1is significant. R2is the correlation coefficient between each factor and light-temperature potential productivity, N2is the number of counties in Hunan province whose R2is significant. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month. The same as below.

5月中旬−6月中旬，湖南省春玉米大多处于拔节−抽雄期。近30a来36%的站点累积日照时数显著减少，55%的站点累积日照时数与光温生产潜力呈显著正相关，主要集中在湘西南部、湘南、湘中部分地区。研究期内积温对光温生产潜力的影响不大，通过显著性检验的站点少于2%。这表明，近30a湖南省5月中旬−6月中旬累积日照时数的下降是春玉米光温生产潜力下降的部分原因。

6−7月，湖南省春玉米大多处于抽雄−成熟期。由表2可知，研究期内累积日照时数的变化趋势不明显，且对光温生产潜力影响不大，通过显著性检验的站点少于18%。全省范围内积温显著增加，55%的站点通过显著性检验且变化趋势一致，对光温生产潜力有显著降低作用，94%的站点通过显著性检验且相关性一致。这表明，近30a湖南省6−7月积温的显著增加，对绝大部分地区的春玉米光温生产潜力有显著降低作用。

2.2 实际产量和产量差特征分析

2.2.1 实际产量和产量差

湖南省春玉米71个主产县平均实际产量（kg·hm−2）在1987−2016年极显著增加（R=0.92，P<0.001），气候倾向率为1152kg·hm−2·10a−1；平均光温潜力产量差极显著波动下降（R=−0.79，P<0.001），气候倾向率为2251kg·hm−2·10a−1（趋势图略）。

1987−2016年湖南省春玉米71个主产县实际产量的空间分如图2a所示。由图可见，其空间变化在1776（永州市宁远县）～5956kg·hm−2（岳阳市汨罗市）。高值区主要集中在湘东中部和北部，低值区主要集中在湘西偏北。相关性分析显示，71县春玉米光温生产潜力与各县实际产量呈极显著负相关（R=−0.32，P<0.01），与各县种植面积呈极显著正相关（R=0.44，P<0.001）。这表明，湖南省春玉米的大面积种植区与光温生产潜力的高值区基本重合，但目前实际产量较低，可能与土壤条件、耕种水平、山区田间管理不便等有关。由图还可见，全省范围内春玉米实际产量呈一致上升趋势，97%的站点通过0.05水平的显著性检验，高值区主要集中在衡邵盆地、湘南、湘东北。

1987−2016年湖南省71个春玉米主产县光温潜力产量差的空间分布如图2b所示。由图可见，其空间变化在9393（郴州市苏仙区）～25131kg·hm−2（郴州市汝城县）。高值区主要集中在湘西和湘东南局地，低值区主要集中在湘中偏南和湘中偏东。相关性分析显示，产量差空间分布与光温生产潜力高度相似（R=0.97，P<0.001）。由图还可见，全省范围内春玉米光温潜力产量差呈一致下降趋势，99%的站点通过0.05水平的显著性检验，其空间分布与光温生产潜力线性趋势相似（R=0.80，P<0.001）。

图2 1987−2016年湖南省春玉米实际单产（a）和光温潜力产量差（b）平均值及其线性变化趋势的空间分布

2.2.2 影响因子

1987−2016年湖南省春玉米生育期内累积日照时数和积温与时间、产量差的相关系数如表3所示。由表可知，湖南省春玉米绝大部分主产县全生育期积温、3月下旬积温、6−7月积温与光温潜力产量差呈显著负相关。结合光温生产潜力的影响因子分析可知，特定生育期内的温度上升，显著降低了湖南省春玉米的光温潜力，同时，研究期内湖南省春玉米实际单产呈极显著上升趋势，光温潜力产量差的显著下降是气象因子影响光温生产潜力和实际单产显著上升共同作用的结果。

另外，3月下旬累积日照时数显著增加，是部分站点产量差降低的原因，这部分站点主要集中在湘中及其以南地区；5月中旬−6月中旬累积日照时数降低（不显著），是部分站点产量差降低的原因，这部分站点主要集中在湘西、湘西南、湘南地区。

表3 1987−2016年湖南省春玉米不同生育期部分气象指标与光温潜力产量差的相关性分析

注：R1同上，R3为与气象因子与光温潜力产量差的相关系数，N3为R3通过显著性检验的主产县数量。

Note：R1is the same as Table 2, R3is the correlation coefficient between each factor and yield gap, N3is the number of counties in Hunan province whose R3is significant.

3 结论与讨论

（1）近30a湖南省春玉米光温生产潜力和光温潜力产量差均呈显著降低趋势，全省大部分站点表现一致。这与钟新科等[24]在东北地区春玉米气候潜力、刘志娟等[15]在东北三省春玉米产量差上的研究结论一致。

（2）近30a湖南省累积日照时数的变化对光温生产潜力和产量差的影响有限；3月下旬在湘中和湘南部分地区呈显著负相关，5月中旬−6月中旬在湘西、湘西南和湘南呈显著正相关。这可能与近30a日照时数变化趋势不明显有关。相关性分析结果与马雅丽等[10]在山西玉米与生态气候因子的研究中指出的日照影响小，且存在一定负效应的结论一致。

（3）近30a湖南省积温变化影响较广，春玉米全生育期、3月下旬、6−7月全省大部分地区积温显著增加，与光温生产潜力和光温潜力产量差呈显著负相关。这表明，高温可能是湖南省春玉米潜力及产量差的重要限制因子。湖南省西部山区春玉米目前实际单产较低，高温限制较小，光温潜力和产量差较高，具有较大提升空间。这与钱锦霞等[29]在东北地区的春玉米产量与乳熟−成熟期平均气温呈负相关的研究结论一致。

（4）受气候变化影响，高温限制作用加强，湖南省春玉米光温生产潜力显著下降，依此找出温光条件对光温生产潜力的显著相关作用及其主要限制因子。将主要限制因子对光温潜力产量差的影响进行验证，亦发现较好的相关性。但是实际单产的显著增加受农业种植技术等生产力水平因素影响过大，且湖南省春玉米生产数据仅有30a资料，难以剔除生产力水平影响，提取与气象条件密切相关的气象产量。因此，对光温潜力产量差的限制因子分析还有待进一步深入。

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Characteristics and Limiting Factors of Light-temperature Potential Productivity and Yield Gap of Spring Maize in Hunan Province

LIU Si-hua1, LI Jing1, HUANG Wan-hua1, WANG Tian-ying1, LI Min-hua2

(1.Hunan Meteorological Research Institute, Changsha 410118, China; 2.Meteorological Bureau in Huaihua, Hunan Province, Huaihua 418000)

The stepwise correcting model was applied to calculate the light and temperature potentials of spring maize in Hunan Province from 1987 to 2016. Firstly, the daily light potential productivity was calculated, then the daily light-temperature potential productivity was obtained by correcting it using daily temperature effective coefficient. Finally, the daily values were accumulated to get the yearly light-temperature potential productivity. And the yield gap between actual yield and light-temperature potential productivity was calculated in the 71 major counties. The results showed that the effects of sunshine hours on light-temperature potential productivity and yield gap was limited. In the last ten-day of March, there were significantly negative correlations between accumulated sunshine hours and light-temperature potential productivities, yield gap, and the areas mainly distributed in Southwest and South Hunan. However, the accumulated temperature had wide effects on light-temperature potential productivity and yield gap, especially the limiting effects of high temperature. In the whole growth period, the last ten-day of March, and period from June to July, there were remarkable negative correlations between accumulated temperature and light-temperature potential productivity, yield gap in most areas of the province. In conclusion, affecting by climate change, the limiting effects of high temperature was strengthened, and the light-temperature potential productivity of spring maize was significantly reduced in Hunan Province. With the highest yield gap and the highest light-temperature potential productivity in west area of Hunan, there would be a large improvement space for spring maize yield.

Light-temperature potential productivity；Yield gap；High temperature；Spring maize

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.02.004

刘思华,李晶,黄晚华,等.湖南省春玉米光温生产潜力和产量差特征及限制因子分析[J].中国农业气象,2020,41(2):94-101

2019−07−21

黄晚华，E-mail：huangwh2008@163.com

“十三五”国家重点研发计划（2016YFD0300101-05）；国家自然基金（31571560）；湖南省气象局面上项目（XQKJ19B056）

刘思华，E-mail：lhczhc@qq.com