白城玉米不同生长发育期对气温和降水的响应

2022-06-01颜鹏程

气象灾害防御 2022年1期

曹玲颜鹏程曹晶杨旭

（1.吉林省气象服务中心，吉林长春 130062；2.中高纬度环流系统与东亚季风研究开放实验室，吉林长春 130062；3.长白山气象与气候变化吉林省重点实验室，吉林长春 130062；4.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃兰州 730020；5.吉林省经济管理干部学院，吉林长春 130062；6.吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062）

1 引言

玉米是重要的农作物，在其生长发育期间呈现不同的性态，对气温、降水等气象条件的变化较为敏感[1-2]。研究表明，玉米在生长发育期对气温需求较高[3]，整个生长发育期积温应达到1 800～2 800℃·d。其中播种—出苗的积温要求在120～216℃·d，出苗—拔节期需要积温为360～468℃·d，出苗—抽雄需要积温为1 200～1 400℃·d，充足的积温是保障玉米良好生长的必要条件[4-5]。除此以外，降水也是玉米生长发育期重要的影响因素[6-7]。与气温不同的是，玉米不同生长发育期对降水量的需求差异显著，拔节期以前，植株矮小、苗叶较少，需水量较少；拔节期之后，先后经历穗期、花粒期、成熟期，需水量也先增加后减少，其中穗期和花粒期是生长的主要阶段，需水量较大；成熟之后，需水量显著下降。由此可见，气温和降水在玉米不同发育期均起到非常重要的作用[8]。

在全球气候变化背景下，局地气候发生了改变[9]，我国原有的农作物种植格局也发生了改变，对玉米影响尤为显著[10-14]。白城市地处吉林省西北部，属于温带大陆性季风气候，是我国重要的粮食主产区之一[15]。白城地区春季低温、少雨，玉米主要以晚熟品种为主[16]。受气候变化影响，该地区近年来气温、降水呈现新的规律变化，这对玉米生长发育期产生了一定的影响。因此本文将利用农业气象试验站观测的玉米不同发育期资料和中国气象局观测的气象要素资料开展不同生长发育期对气温和降水的响应研究，分析气温和降水对不同生长发育期持续时间和来临早晚的共同影响。

2 资料与方法

玉米发育期资料为白城市农业气象试验站观测的2009—2018年白城市玉米播种日期、出苗日期、拔节日期、开花日期和成熟日期；所用气象资料为白城站同期逐日平均气温和逐日降水量资料。研究中，为便于计算发育日期的平均状况，将发育期日期换算成日序数（即这一天在一年中的第几天）。累积气温和累积降水量分别为对应发育期内的气象要素的累积。所用方法主要包括均值、相关分析、相图等统计技术手段。

3 结果与分析

3.1 玉米不同发育期持续时间

首先分析近10年白城玉米不同生长发育期的逐年变化情况，平均播种日期的日序数为122（5月2日），出苗日期的日序数为137（5月17日），拔节日期的日序数为179（6月28日），开花日期的日序数为203（7月22日），成熟日期的日序数为268（9月25日）。逐年来看，播种日期在2014年以后比多年平均状况要提前，其中2014—2017年分别提前了4.3d、5.3d、4.3d和3.3d。播种最晚的年份为2010年和2011年，播种日期滞后5.7d。从出苗日期来看，2014年以后，也存在提前的情况，其中2014年、2016年和2018年分别提前了1.5d、4.5d和1.5d。出苗最晚的日期在2011年的5月22日，比最早日期滞后10d。拔节日期偏早年份主要有2014—2016年，其中2014年、2015年分别提前了8.3d和3.3d。开花日期偏早年份主要有2013年、2014年、2017年和2018年，分别提前了0.6d、1.6d、2.6d和4.6d。从成熟日期来看，2011—2014年成熟日期分别提前了1.8d、5.8d、2.8d、5.8d。值得注意的是2015—2018年的玉米成熟日期晚于多年平均情况。综上所述，2014年以后播种、出苗、拔节和开花日期均不同程度超前多年平均，成熟日期在2015—2018年滞后多年平均，这一时段生长发育期与多年平均相比偏长。

从不同生长发育期的持续时间来看，播种—出苗期的平均持续时间为14.2d，其中持续时间最短的是2009年（9d），持续时间最长的为2015年（20d）；出苗—拔节期的平均持续时间达到42.8d，持续时间最短的为2014年（36d），最长的为2009年（52d）；拔节—开花期的平均持续时间为23.3d，持续时间最短的为2018年（17d），最长的为2014年和2015年（52d）；开花—成熟期的持续时间则达到65.2d，持续时间最短的为2012年（59d），最长的为2018年（达到74d）。不同生长发育期持续时间相对多年平均的变化如表1，其中2009—2013年，不同生长发育期的持续时间均小于平均持续时间（仅2009年的出苗—拔节期持续时间超出平均情况）；2014—2018年，大多生长发育期的持续时间大于平均情况。

表1 2009—2018年白城玉米不同生长发育期持续时间相对多年平均的变化 d

综上所述，近10年，白城玉米播种日期在2014年前后存在差异，其中2009—2013年，播种、出苗、拔节、开花日期均超前平均日期，而2014—2018年则滞后平均时间；从不同生长发育期的持续时间来看，前一阶段（2009—2013年）持续时间较短、后一阶段持续时间较长。

3.2 玉米发育期持续时间受气温、降水量影响

针对玉米发育期早晚的情况，从气温和降水两个气象要素开展分析。首先分析不同玉米发育期的累积气温情况（图1a）。玉米整个发育期的累积气温达到2 866.3～3 221.2℃·d，多年平均积温为3 011.5℃·d。从不同发育期来看，播种—出苗期平均累积气温为216.5℃·d。其中2010年累积气温最低，仅为142.4℃·d；最多的是2017年，达到305.1℃·d。出苗—拔节期平均累积气温为894.0℃·d，累积气温最高达到1 005.8℃·d（2009年），最少为739.7℃·d（2014年）。拔节—开花期的平均累积气温为565.9℃·d。其中2015年累积气温最高，为723.1℃·d；最少为2018年，为424.7℃·d。开花—成熟期的平均累积气温为1 335.1℃·d。最多累积气温为2018年，达到1 530.2℃·d；最少为2012年的1 227.0℃·d（表2）。从长期变化来看，2014—2018年的平均累积气温显著高于2009—2013年。图2是不同生长发育期累积气温与持续时间之间的线性关系。播种—出苗期的累积气温与持续天数之间相关系数达到0.88，拟合优度为0.74；出苗—拔节期的累积气温和持续天数相关系数为0.86，拟合优度为0.71；拔节—开花期的累积气温和持续天数相关系数增加至0.96，拟合优度也提高至0.91；开花—成熟期的累积气温和持续天数相关系数高达0.98，拟合优度为0.95。相关系数均通过了0.01的显著性水平检验。表明在玉米的不同生长发育期气温是主要影响因素，尤其是拔节期以后。值得注意的是，分别计算2010—2013年和2014—2018年生长发育期的平均气温，分别为20.91℃和20.69℃，因此2014年以后白城地区气温降低，使得玉米生长发育期延长。

图2 白城玉米播种—出苗期（a）、出苗—拔节期（b）、拔节—开花期（c）、开花—成熟期（d）持续天数与累积气温的关系

表2 白城玉米不同发育期累积气温 ℃·d

图1b是不同生长发育期累积降水量逐年变化，累积降水量在224.4～477.5mm，平均累积降水量达到359.6mm。2013年以后累积降水量明显偏多，2013年、2014年、2016年和2018年累积降水量尤其多。其中2013年主要是拔节—开花期降水量显著多于其他年份，2014年、2016年和2018年则主要是开花—成熟期降水量偏多，有利于改善土壤墒情。值得注意的是，2017年的开花—成熟期降水量也偏多，但是拔节—开花期降水量偏少，因此整个发育期降水量偏多不显著，不利于墒情保持，影响发育。从不同发育期来看，播种—出苗期平均累积降水量为29.2mm。降水量最多的为2014年，达到84mm；最少降水年份为2009年，仅8.3mm。出苗—拔节期平均累积降水量为96.0mm。最多的降水年份达到135.2mm（2016年），最少降水为46.7mm（2010年）。拔节—开花期的平均累积降水量为88.15mm。其中2013年降水最多（为196.6mm），2015年的降水最少（仅为31.2mm）。开花—成熟期的平均累积降水量为146.2mm。降水最多的年份为2017年，达到209.0mm；最少的年份为2009年，降水量仅为79.1mm（表3）。由此可见，相对于发育期的气温，降水的变化幅度（方差）更大，且降水与不同发育期持续时间的线性关系较弱。

表3 白城玉米不同发育期累积降水量 mm

图1 白城玉米不同发育期累积气温（a）和累积降水量（b）年际变化

进一步分析不同生长发育期的持续时间与对应发育期内平均气温之间的关系（图3）。播种—出苗期的持续时间在气温增加时几乎没有发生变化，表明这一阶段的持续时间对气温不敏感。出苗—成熟期的持续时间随气温的升高而呈现显著的线性减少，相关系数达到-0.80（通过0.01显著性水平检验），表明气温较高的情况下玉米生长发育期的持续时间往往较短。

图3 白城玉米不同发育期持续天数与发育期内平均气温的关系

3.3 玉米发育期早晚受日平均气温、降水量的影响

进一步研究日平均气温和平均降水量对不同玉米发育期早晚的协同影响，绘制气温—降水相图。播种—出苗期（图4a）对气温比对降水更为敏感，在相同降水量的条件下，气温越高出苗越早。在相同气温的条件下，降水量对出苗早晚的影响并不显著，如2009年与2013年气温均为18℃的条件下，前者日平均降水量明显低于后者情况下，出苗日期早于后者6d；而2011年和2010年的情况正好相反。出苗—拔节日期（图4b）早晚对降水量更为敏感，其中日平均降水量更大的条件下，拔节日期更早。拔节—开花日期（图4c）对气温和降水量都比较敏感，在相同气温条件下，日平均降水量越多开花日期越早；相同降水量条件下，日平均气温越高开花日期越早。值得注意的是，降水量过大（如2013年），开花日期往往也偏晚。开花—成熟日期（图4d）则主要与降水有关，其中日平均气温在20.5℃左右的条件下，日平均降水量小于2.5mm时，日平均降水量越大成熟日期越早；而日平均降水量大于2.5mm时，成熟日期则较晚。综上来看，在出苗前后，玉米的发育与气温关系更好，而拔节之后则与降水关系更为密切。