不同生育期干旱對玉米生長及產量的影響模擬

黃巖 李晶 王瑩 張曉月 李雨鴻 焦敏 周斌 王賀然

摘要 利用作物生長模型模擬苗期、拔節期和灌漿期發生不同時長干旱（用連續無雨日數表示）時玉米的生長過程，分析單一發育期干旱發生干旱對玉米產量的影響。結果表明，苗期發生5～40 d的持續干旱，對玉米籽粒灌漿無明顯影響，最終產量無明顯變化。拔節期或灌漿期分別發生5～40 d的持續干旱，均會對玉米籽粒灌漿產生負面影響，并最終導致產量下降，且干旱持續時間越長對灌漿的影響越早，減產越嚴重。當玉米拔節期持續干旱5～10 d時，2013年和2016年的最終產量均無明顯變化;持續干旱15～20 d時，2013年減產10%以內，2016年減產20%以內。持續干旱25～40 d時，2013年減產15%～62%，2016年減產30%～67%。當玉米灌漿期持續干旱5～30 d時，2013年玉米產量基本無明顯影響;當玉米灌漿期持續干旱5～10 d時，2016年玉米產量基本無明顯影響;當玉米灌漿期持續干旱15～30 d時，2016年玉米減產1.8%～8.20%。可見，拔節期同等程度干旱造成的玉米減產幅度均大于苗期和灌漿期干旱。

關鍵詞 干旱;作物模型;產量;影響模擬

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）06-047-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.017

Impact Simulation of Drought on Maize Growth and Yield in Different Growth Stages

HUANG Yanet al（Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing Center of Liaoning Province，Shenyang，Liaoning 110166）

Abstract In order to explore the impacts of drought occurred in single development stage respectively on the growth formation and yield of maize，the growth formation and yield were simulated by WOFOST under different drought grades at seedling stage，jointing stage and filling stage. The drought grades were indicated by the number of no rain days. The results showed that 5 days to 40 days continuous drought occurred at single development stage affected on the growth and yield formation. The longer the drought period was，the larger yield reduction rate got. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the seedling stage. And the reduction rate was also not obvious changed when continuous drought for 5-10 days，occurred at the jointing stage. The reduction rate was 1.37% and 6.54%，7.55% and 18.78%，16.81% and 32.96%，33.28% and 52.96%，53.22% and 60.17%，61.09% and 66.84% when continuous drought for 15 days，20 days，25 days，30 days，35 days，40 days，occurred at the jointing stage of 2013 and 2016，respectively. The reduction rate was not obvious changed when continuous drought for 5-40 days，occurred at the filling stage of 2013. The yield reduction rate was 1.80%-8.20% when continuous drought for 15-30 days occurred at the filling stage. The results indicated that yield reduction was more significant when drought occurred at the jointing stage than that at the other two stages. The results could provide scientific basis for maize planting and drought disaster mitigation in the northeast of China.

Key words Drought;Crop model;Yield;Impact simulation

玉米是我國三大糧食作物和重要飼料作物之一，玉米播種面積約占我國耕地面積的20%，產量約占全國糧食總產量的25%[1]。1951—2000年東北地區南部向干旱發展，這顯然與全球氣候變暖的大背景有關[2]。干旱對玉米的生長發育產生影響從而最終導致產量下降，一般可使玉米減產20%～30%，是影響玉米生產的重要因素[3]。玉米產量下降的程度不但取決于干旱的嚴重程度，還取決于干旱發生時玉米的生長階段。干旱發生的程度、持續時間及生育進程的不同，對玉米產量的影響有所不同[4]。不同生育時期干旱的研究結果表明，任何生育時期的土壤干旱均會導致玉米減產，其中拔節期干旱減產較重，苗期相對較輕[5]。初夏旱對春玉米的產量影響較大，春旱和伏旱對春玉米產量、初夏旱和伏旱對夏玉米產量影響均較小[6]。目前，玉米在不同發育階段受到不同程度干旱影響下產量的定量響應特征研究較少，運用作物模型進行玉米干旱模擬研究能夠較好地彌補田間水分控制試驗的不足，同時能夠更加細致地模擬不同發育階段受到干旱影響的玉米產量的定量變化。因此，筆者擬基于WOFOST作物生長模型，模擬分析不同持續日數干旱對東北地區玉米產量的影響，為區域防災減災提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

試驗地為遼寧省錦州農業氣象試驗站。錦州所在區域屬典型溫帶季風型氣候，年平均氣溫9.5℃，1月平均氣溫-8.0℃，7月平均氣溫24.4℃，年均降水量565.9 mm，主要作物玉米的生育期為5—9月，土壤為典型棕壤。土壤凋萎濕度為0.105 cm3/cm3，田間持水量為0.361 cm3/cm3，飽和含水量為0.519 cm3/cm3。

1.2 干旱模擬試驗研究

供試玉米品種為丹玉39。干旱模擬時段選擇在玉米的苗期、拔節期和灌漿期，模擬時間從苗期、拔節期和灌漿期的第5 d開始，設置玉米生長季內單一發育期發生干旱3種處理情景。單一發育期發生干旱指在正常年景下苗期、拔節期和灌漿期分別發生持續時間為5、10、15、20、25、30、35和40 d的干旱，苗期分別記為M05、M10、M15、M20、M25、M30、M35、M40，拔節期分別記為B05、B10、B15、B20、B25、B30、B35、B40，灌漿期分別記為G05、G10、G15、G20、G25、G30、G35、G40。該研究將干旱定義為在正常降水條件下，從控水開始，將氣象要素中的降水量均設定為0，其余氣象要素不變。

1.3 減產率的計算

以2013、2016年為模擬年份，同時為了使其更接近正常年份，模擬時將2013、2016年氣象要素中的逐日降水量以多年平均值（1981—2010年）替代，其他要素均采用2013、2016年的逐日實測值，并將其記為CK，相應地其模擬產量值記為Yck（kg/hm2）。干旱條件下模擬的產量與正常年份的模擬產量作對比得到減產率，即

Di=×100（1）

式中，Di為第i年不同程度干旱下（干旱持續日數為5、10、15、20、25、30、35、40 d等）的減產率（%），若Di為正數，則為增產率;Ydi為第i年不同程度干旱下模擬的產量（kg/hm2）。

1.4 作物模型及其適宜性檢驗

1.4.1 模型簡介 WOFOST模型是荷蘭開發的一個著名的機理性模型，描述作物的基本生理過程，包括光合作用、呼吸作用等，并描述這些過程如何受環境影響，模擬步長為日。模型采用“積溫法”，以溫度為驅動，模擬作物發育過程。

1.4.2 模型參數的調試與確定 準確的參數是模擬結果準確和穩定的前提，需根據歷史資料，進行模型參數的本地化。作物模型參數主要包括作物參數和土壤參數。作物參數又包括發育參數和生長參數。發育參數主要包括不同發育階段所需的有效積溫和光周期影響因子等，這些參數是作物品種的固有屬性，該研究主要根據前人研究成果和實際發育期計算得到。生長參數主要包括光合速率、呼吸速率、比葉面積、光合產物轉化系數、干物質分配系數及葉片衰老系數等，這些參數的確定主要來自于田間試驗數據，并采用“試錯法”進行訂正和確定。土壤參數主要包括與土壤本身特性相關的物理參數和初始條件，如凋萎濕度、田間持水量、飽和含水量、飽和導水率、下滲速率以及初始土壤水分含量等，這些參數主要根據實際田間土壤成分測定結果而獲得，部分參數依據前人研究成果而定。

為確保參數本地化后的模型不受典型氣象災害年、氣候變化等的影響，以及以后區域化應用，選擇2010、2011年的氣象數據和農業氣象觀測數據進行參數本地化。結果顯示，玉米開花天數模擬值與實測值相差2 d，玉米成熟天數模擬值與實測值相差2 d，產量模擬值與實測值均方根誤差為166.88 kg/hm2。由此可見，模型對玉米生長發育及產量模擬效果較好，參數本地化具有較好的初步效果。

1.4.3 模型適宜性檢驗 通過模型模擬結果與實測結果的圖形比較以及各項評價指標來評價模型在錦州的適宜性。采用以下統計量作為檢驗模型的指標：模擬值與實測值間的決定系數（R2）、歸一化均方根誤差（NRMSE）。其中，R2可反映模擬值與實測值間的一致性，其值愈接近1說明模擬效果愈好;NRMSE值反映了模擬值與實測值間的絕對誤差和相對誤差，其值愈小，表明誤差值愈小[7]。以2012—2017年連續6年的發育期和同期產量對確定的模型參數進行適宜性檢驗，結果見表1和圖1。

2 結果與分析

2.1 苗期干旱對玉米產量的影響模擬

由圖2可知，當玉米苗期持續干旱5～40 d時，最終產量比CK略增。可見，如果苗期發生干旱，對玉米最終產量沒有產生負面影響，這與紀瑞鵬等[1]的研究一致。

2.2 拔節期干旱對玉米產量的影響模擬

由圖3可知，當玉米拔節期持續干旱5～10 d時，2013年和2016年的最終產量均無明顯變化;持續干旱15、20、25、30、35、40 d時，2013年分別減產1.37%、7.55%、16.81%、33.28%、53.22%和61.09%，2016年分別減產6.54%、18.78%、32.96%、52.96%、60.17%和66.84%。可見，拔節期發生15～40 d的持續干旱，會對玉米籽粒灌漿產生負面影響，并最終導致產量降低，且干旱持續時間越長，對灌漿的影響越早，減產越嚴重。

2.3 灌漿期干旱對玉米產量的影響模擬

由圖4可知，當玉米灌漿期持續干旱5～20 d時，2013年的最終產量無明顯變化;持續干旱25、30 d時，2013年分別減產0.09%和0.12%，基本無影響;當玉米灌漿期持續干旱5～10 d時，2016年的最終產量無明顯變化;持續干旱15、20、25和30 d時，2016年分別減產1.75%、3.87%、6.06%和8.10%。可見，灌漿期發生干旱對玉米的影響與前期生長狀況等多方面因素有關。總體看，灌漿期發生15～30 d的持續干旱，會對玉米籽粒灌漿產生負面影響，并最終導致產量降低，且干旱持續時間越長，對灌漿的影響越早，減產越嚴重。與拔節期相比，灌漿期發生相同持續時間的干旱，其受影響程度和減產幅度均小于拔節期。

3 結論與討論

玉米苗期、拔節期和灌漿期分別發生持續日數相同的干旱時，拔節期干旱對玉米產量的影響程度最大，苗期影響最小。表明玉米苗期較為耐旱，拔節以后對水分虧缺的敏感性增強。具體表現為當玉米苗期持續干旱5～40 d時，2013、2016年模擬最終產量略增。當玉米拔節期持續干旱5～10 d時，2013年和2016年玉米的最終產量均無明顯變化;持續干旱15～20 d時，2013年減產10%以內，2016年減產20%以內。持續干旱25～40 d時，2013年減產15%～62%，2016年減產30%～67%。當玉米灌漿期持續干旱5～10 d時，2013年和2016年玉米的最終產量基本無明顯影響;當玉米灌漿期持續干旱15～30 d時，2013年玉米產量無明顯影響，2016年玉米減產1.8%～8.2%。

干旱對作物的危害程度與其發生的生育階段、持續時間長短以及作物的自身品種特性如品種類型等有關。玉米生育期需水量與品種、氣候等多方面因素有關，在不同生長發育期，其需水量也不盡相同。苗期水分脅迫結束后，植株可快速地部分或全部彌補前期干旱所減少的生長量，而且苗期適當干旱可促進玉米根系的發育，從而增強抗旱能力[5]。拔節期后，需水逐漸增多，抽雄吐絲期是玉米的水分臨界期，如果這時供水不足或不及時，對產量影響很大[8]。該研究對苗期、拔節期、灌漿期不同階段干旱進行模擬試驗，從模擬結果上看，當玉米在苗期、拔節期和灌漿期分別發生干旱，且發生持續日數相同的干旱時，拔節期干旱對產量形成的影響程度最大。即苗期較為耐旱，拔節以后玉米對水分虧缺越來越敏感，灌漿期影響較小。這一研究結論與白向歷等[5，9]的研究結果相一致，符合玉米全生育期需水規律。因此，玉米拔節至抽孕穗期要及時補充水分，以滿足其正常生長發育需要。

該研究采用數值模擬的方法，研究結論是針對單站的結果，且干旱的影響效應還與選擇的玉米品種熟型有關，相關研究有待進一步深入。

參考文獻

[1] 紀瑞鵬，車宇勝，朱永寧，等. 干旱對東北春玉米生長發育和產量的影響[J]. 應用生態學報，2012（11）：3021-3026.

[2] 謝安，孫永罡，白人海. 中國東北近50年干旱發展及對全球氣候變暖的響應[J]. 地理學報，2003（S1）：75-82.

[3] 齊偉，張吉旺，王空軍，等. 干旱脅迫對不同耐旱性玉米雜交種產量和根系生理特性的影響[J]. 應用生態學報，2010，21（1）：48-52.

[4] 白莉萍，隋方功，孫朝暉，等. 土壤水分脅迫對玉米形態發育及產量的影響[J]. 生態學報，2004（7）：1556-1560.

[5] 白向歷，孫世賢，楊國航，等. 不同生育時期水分脅迫對玉米產量及生長發育的影響[J]. 玉米科學，2009（2）：60-63.

[6] 欒慶祖，葉彩華，莫志鴻，等. 基于WOFOST模型的玉米干旱損失評估：以北京為例[J]. 中國農業氣象，2014，35（3）：311-316.

[7] 劉志娟，楊曉光，王靜，等. APSIM玉米模型在東北地區的適應性[J]. 作物學報，2012，38（4）：740-746.

[8] 張建平，何永坤，王靖，等. 不同發育期干旱對玉米籽粒形成與產量的影響模擬[J]. 中國農業氣象，2015，36（1）：43-49.

[9] 張淑杰，張玉書，紀瑞鵬，等. 東北地區玉米干旱時空特征分析[J]. 干旱地區農業研究，2011（1）：231-236.

責任編輯：鄭丹丹