北疆制种玉米关键生育期气象指标研究

李继辉，向 导，杨明凤

（新疆乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子 832000）

良种是高效农业的基础，是农业发展的“芯片”，是粮食安全的根本保障。根据2021—2025 年中国种子行业全景调研结果，中国主要农作物种子实现品种自主良种选育覆盖率超过97%，玉米自主品种播种面积占90%以上，对农业增产的贡献率达到45%［1］。种子繁育生产中，在技术保障的前提下，地理环境及自然气候条件是种子质量的决定因素［2-4］，因此，开展种子繁育气象关键期及指标研究，对种子繁育基地的选择和种子发展具有重要意义。适宜的地理环境、气候条件是优质农产品的基本保障，与气温、降水、日照关系密切［2，5］。殷雪莲等［6］从气候条件分析的角度对张掖市制种玉米气候品质技术进行认证，根据制种玉米气候区划综合评价玉米生长期气候条件，认证制种玉米气候品质优良等级。作物产地优良品质气候鉴定和作物气候关键期以及气象指标研究是一项新课题，金志凤等［7］、刘瑞娜等［8］开展了浙江省和安徽省地方茶叶气候品质评价，并确定关键期气候指标。北疆是温带大陆性干旱半干旱气候，气温温差较大，日照充足，降水少，气候干燥，年均气温-4～9 ℃，4—9 月降水量在150 mm 左右，无霜期在140～185 d。由于特殊的气候条件，北疆地区成为玉米制种基地，供应全国。本研究利用2021—2022 年新疆北疆地区制种玉米产量资料、物候期资料，采用积分回归方法和气候诊断分析方法，研究北疆制种玉米生长期气候关键期和气候因子对产量的贡献以及关键期气象指标，旨在为北疆地区制种玉米优良品质品牌创建气候鉴定奠定基础。

1 材料与方法

1.1 资料来源

制种玉米播种面积、产量资料来源于乌鲁木齐市统计局，制种玉米物候期、气象资料来源于新疆维吾尔自治区气象局气象信息服务中心，包括乌鲁木齐、阿勒泰、塔城、昌吉、伊犁、博尔塔拉、石河子等地区逐日平均气温、日照时数和降水量。资料年限为2021—2022年。按照北疆地区玉米播种（4 月下旬）至成熟期（9 月上旬），将生长期以旬为单位划分为14 个时段，分别计算各生育时段的平均气温、日照时数和降水量。

1.2 花期调查与试验

从试验田选5 株玉米，每天7：00—20：00，每隔1 h 调查1 次玉米雄穗开花数量，连续调查至雄穗开花结束，按每日每时统计玉米雄穗开花数量。玉米花粉活力测定在气候箱内进行，10：00 左右采集花粉，将花粉置于人工气候箱内，测试不同温度、湿度下花粉的存活时间。

1.3 产量资料处理

作物产量可视为由自然和非自然因素影响的结果，因此可将作物产量y（实际产量）分解为趋势产量和气象产量［9-11］。趋势产量yt（也称为技术产量）代表历史时期社会生产力水平的产量分量，气象产量ym是主要由天气气候条件决定的短周期变化波动产量，分解实际产量得到的气象产量作为产量预报的因变量，气象产量计算式如下。

趋势产量是假定在气象条件正常的情况下，起决定因素的是品种改良、栽培技术措施的逐渐改善、管理水平的现代化等。一般情况下，趋势产量通常为时间（年份）的正函数，在时间序列上变化较平稳，特别是在较大的地域范围时更平稳。本研究根据实际产量采用二次多项式回归法模拟北疆制种玉米趋势产量，趋势产量方程式为yt=1.519x2-5 882.3x+0.000 006（R2=0.975 9），式中x为年份。

1.4 积分回归分析方法

作物气象产量ym是由作物全生育期内气温、光照、水分（大气降水）气象条件共同影响的结果。气象产量的积分回归法［12，13］模型如下。

式中，ym为气象产量；c为积分常数；i=1，2，3，…，τ；τ为玉米生育期逐旬时段；t为时间段；αTi为标准化气温、αRi为标准化降水、αSi为标准化日照随时间t演变对产量影响的连续函数，表示t至t+Δt时段内标准化气温Ti(t)、标准化降水量Ri(t)和标准化日照时数Si(t)变化值对制种玉米产量形成的影响效应，即气象要素每变化一个标准化单位对制种玉米气象产量影响的平均值。

某时段或全生育期的温、光、水气象条件对气象产量的影响系数计算式如下。

式中，α(m)为制种玉米播种期至某生育阶段或至9 月上旬气象要素对气象产量的影响系数；m为制种玉米播种至某生育阶段的旬数；αi(t)为第i旬气象要素对气象产量的影响系数，其计算式如下。

根据气象产量与制种玉米全生育期温、光、水气象要素对气象产量影响系数的相关性，建立各旬的制种玉米产量动态预报模型。利用DPS 数据处理系统计算逐旬积分回归影响系数。当影响系数αi(t)＞0 时，气象要素对气象产量呈正效应；当αi(t)＜0时，气象要素对气象产量呈负效应。

2 结果与分析

2.1 北疆制种玉米生育期

北疆制种玉米4 月下旬播种，5 月上旬出苗，拔节期在6 月下旬，7 月中旬进入抽雄开花期，8 月中旬灌浆乳熟期，成熟期在9 月上旬。全生育期在135 d左右。

2.2 制种玉米产量与气候因子的关系

新疆北疆地区2021—2022 年制种玉米生育期逐旬温、光、水积分回归影响系数与气象产量的复相关系数R2为0.965 3，F为7.56，通过了0.01 水平的显著性检验。如图1 所示，气温对制种玉米气象产量影响最明显，其次是日照时数，降水量对气象产量的影响相对较小。

图1 北疆地区制种玉米生长季温、光、水积分回归影响系数

气温对北疆地区制种玉米产量的影响系数呈“两峰一谷”型，日照时数、降水量影响系数为“单峰”型。北疆制种玉米苗期气温要素是影响制种玉米生长的第一温度关键期，正效应波峰出现在5 月上旬，标准化气温每升高1 个单位，对制种玉米产量的影响系数为7.5，春季气温多变，常出现寒潮、霜冻和“倒春寒”天气，气温升高有利于制种玉米苗全苗壮。抽雄开花期气温要素是影响制种玉米生长的第二温度关键期，负效应波谷出现在7 月中旬，标准化气温每升高1 个单位，影响系数为-10.9，7 月高温超过35 ℃，相对湿度低于60%开花减少，雄穗不能正常散粉，雌穗不能正常受精，而造成减产。这种因高温干旱导致花粉丧失授粉能力的现象，称为高温杀雄［14］。制种玉米灌浆乳熟期气温要素是影响制种玉米生长第三关键期，正效应波峰出现在8 月中旬，标准化气温每升高1个单位，影响系数为9.1，秋季气温下降过快或初霜过早严重影响制种玉米的产量和质量，较高的气温延长制种玉米生长期，有利于籽粒饱满和成熟度。

北疆地区光照资源丰富，是中国境内高值区之一［15］。在7 月上旬之前，光照对北疆地区制种玉米产量影响呈正效应，影响系数逐渐增加。7 月中下旬是制种玉米光照关键期，正效应巅峰出现在7 月中旬，标准化光照每变化1 个单位，影响系数为7.5。7 月中下旬开花期光照不足，将影响玉米生殖器官分化与光合作用，高温寡照复合因素可造成玉米雌穗滞育，引发玉米空秆现象。

北疆地区年降水量在200 mm，玉米生长季降水量在150 mm 左右［16］，农作物需水主要来自灌溉。虽然降水量是制种玉米非主要影响因子，但7 月中下旬的降水仍呈正效应，正效应波峰出现在7 月中旬，标准化降水每升高1个单位，影响系数为5.5。7月中下旬制种玉米抽雄开花授粉期，此时北疆正值高温时段，大气降水可增加空气湿度，缓解高温对花粉的伤害，因此7 月中下旬也成为制种玉米的降水关键期。

2.3 制种玉米温度关键期及气象指标

2.3.1 播种出苗期 根据2021—2022 年制种玉米播种期的计算分析，播种期气温高，出苗速度加快，所用天数少。由图2 可知，平均气温与出苗天数呈非线性指数函数关系，相关系数为-0.966 1（P＜0.01）。春季气温逐渐升高的过程中，平均气温12 ℃播种，出苗需20 d以上；14 ℃播种，需16 d；14～15 ℃播种，需15～20 d；18 ℃以上播种，出苗仅需7～9 d。不同温度播种，出苗的速率则不同。由图3 可知，平均气温与出苗速率呈非线性对数函数关系，相关系数为0.985 9（P＜0.01）。在恒温状态下，12 ℃播种，出苗需要29 d；14 ℃播种，出苗需要17 d；16 ℃播种，出苗需要12 d；≥18 ℃播种，出苗需要7～9 d。由此可见，北疆制种玉米适宜播种期在4 月下旬至5 月上旬，耕层土壤相对湿度在60%～70%，播期适宜温度为≥12 ℃，最适温度为18 ℃，这与文献［17，18］的研究结果一致。气温低于8 ℃、土壤相对湿度＞85%，种子发芽缓慢易造成粉种，连续低温、冻害天气影响种子萌发和出苗整齐度，甚至出现花期不遇现象，增加了空秆率。

图2 气温变化对玉米播种至出苗天数的影响

图3 气温变化对玉米出苗速率的影响

苗期适宜温度在18～20 ℃，生物学下限温度为8～10 ℃，0 ℃幼苗受冻，-2 ℃是受冻致死临界温度。玉米苗期北疆地区少雨干旱地表层湿度小，因灌溉底墒较为充足，故使根系下扎能力增强，有益于发根和形成壮苗。

2.3.2 抽雄开花期 玉米抽雄开花散粉开始至散粉结束，需要8～10 d。由图4 可知，第4 天开花量达到峰值，开花量占植株开花总量的65.6%，第6 天开花量开始迅速减少，开花期可维持10 d 左右。每日散粉量与雄穗开花保持一致，即开花多散粉量就多。图5 是雄穗开花的日变化过程，在1 d 当中，7：00—20：00 是开花时间，北疆地区上午10：00 是开花最多的时间。观察发现，晴天开花量在气温为20～26 ℃时达到最大。玉米花粉存活时间与温度呈负相关，与空气湿度呈正相关。低温高湿环境花粉存活时间长，而高温低湿环境花粉加速死亡。湿度在60%～90%，温度为15 ℃，花粉可存活6 h 以上；温度为20 ℃，花粉可存活4～5 h；温度在25～28 ℃，花粉可存活3 h；当温度为35 ℃时，花粉可存活10～15 min；当温度在40 ℃以上，湿度在30%以下，花粉存活不超过4 min。高温干旱花粉存活时间短，玉米难以授粉，增加了空秆率［19，20］。

图4 玉米雄穗逐日开花量统计

图5 玉米雄穗逐时开花统计

3 讨论

1）通过温、光、水三要素对制种玉米产量影响系数进行分析，制种玉米生长过程中有3 个温度关键期、1 个光照关键期、1 个降水关键期。5 月上旬苗期和8 月中旬对制种玉米产量的影响系数为正效应；7月中旬玉米抽雄开花授粉期，气温升高对制种玉米产量的影响系数为负效应；7 月中下旬抽雄开花授粉期的光照和降水量对产量的影响系数为正效应。北疆制种玉米气候关键期的分析结果，与解志佳等［20］、王森等［5］、李学文等［21］的研究结果相吻合。制种玉米苗期低温和春季霜冻、开花期的高温与秋季低温对产量的影响达到极显著水平，开花期的高温热害和寡照少雨易造成制种玉米花粉死亡以及花期不孕现象［22，23］，空秆率增加，从而影响制种玉米产量。

2）根据作物生长过程分析作物气候关键期，生物学意义明确。运用积分回归方法分析作物全生育期气象要素变化对作物产量的影响，是动态分析方法，可直接体现出作物的气候关键期，该方法也可作为作物产量动态预报方法参与到产量预报业务中［13，24，25］。

3）北疆地区制种玉米品质优良，可创建地标性品牌。地标性品牌的创建，气候品质认证必不可少，气候品质认证是评价气候的特殊性，特殊的气候条件养育着特征的产品，体现出特殊气候的价值。气候品质认证是掌握地方气候变化特征，掌握气象灾害的发生规律及防御意识的过程，也是发挥环境优势提升农产品知名度和增加效益的基础［26，27］。

4 结论

1）气温对北疆制种玉米产量的影响较大，苗期和灌浆乳熟期气温为正效应关键期，抽雄开花期高温为负效应关键期。开花期光照对制种玉米产量呈正效应关键期。虽然北疆地区多属于灌溉农业，抽雄开花授粉期自然降水量仍然呈正效应关键期。

2）播种期要根据春季气温变化来确定，≥12 ℃是北疆地区制种玉米播种的适宜温度，播种后气温回升快，出苗整齐。气温低于8 ℃，如果后期气温回升较慢，种子发芽受到抑制，出苗整齐度下降，易造成制种玉米花期不遇现象。

3）制种玉米抽雄开花授粉期适宜温度在20～26 ℃，适宜空气相对湿度为60%～90%。开花散粉期一般维持8～10 d，在高温干旱状态下，开花期将缩短。在有光照的条件下，玉米雄穗全天都有花朵开放，北疆地区玉米散粉在7：00—22：00，比东北地区晚2 h 左右，以上午8：00—11：00 开花较多，下午逐渐减少。