何俊歐凌霄霞張建設張 萌馬 迪,孫 夢劉永忠 展 茗,*趙 明華中農業(yè)大學植物科學技術學院 / 農業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 湖北武漢 40070;中國農業(yè)科學院作物科學研究所 / 農業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室, 北京 0008;湖北省農業(yè)技術推廣總站, 湖北武漢 40070

近35年湖北省低丘平原區(qū)玉米需水量及旱澇時空變化

何俊歐1凌霄霞1張建設3張 萌1馬 迪1,2孫 夢1劉永忠1展 茗1,*趙 明2,*
1華中農業(yè)大學植物科學技術學院 / 農業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 湖北武漢 430070;2中國農業(yè)科學院作物科學研究所 / 農業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室, 北京 100081;3湖北省農業(yè)技術推廣總站, 湖北武漢 430070

利用湖北省低丘平原區(qū)8個長期基準氣象臺站35年(1980—2014)氣象資料, 對湖北省不同區(qū)域春玉米、夏玉米及秋玉米的需水量、旱澇發(fā)生頻率及其年際變化趨勢進行了分析。結果表明玉米各生育階段需水量區(qū)域間差異較小, 而不同種植季玉米間差異較大。秋玉米需水量顯著低于春玉米和夏玉米, 春玉米需水量與夏玉米相近, 且三季玉米的需水量隨年份呈顯著下降趨勢, 尤其是以鄂中地區(qū)需水量下降最多, 平均達 -18.62 mm (10a)–1。鄂北、鄂中及鄂東南區(qū)域三季玉米播種-拔節(jié)階段均以發(fā)生澇災為主, 其中重澇發(fā)生頻率較高; 鄂北及鄂中地區(qū)三季玉米拔節(jié)-完熟期主要以發(fā)生輕度干旱為主, 尤其是灌漿期間旱災發(fā)生頻率較高; 在鄂東南春玉米與夏玉米拔節(jié)-吐絲期間澇災發(fā)生頻率要高于旱災, 灌漿期間三季玉米均以旱災較多, 尤其是夏玉米與秋玉米旱災要重于春玉米。各地區(qū)三季玉米不同生育時期旱澇年際變化趨勢不顯著。從降低旱澇脅迫風險考慮, 建議鄂北地區(qū)主要發(fā)展夏玉米、鄂中及鄂東南地區(qū)主要發(fā)展春玉米, 適當控制秋玉米面積; 三季玉米拔節(jié)前均要注意防澇, 拔節(jié)后注意防旱。

玉米; 需水量; 水分盈虧指數; 旱澇頻率; 年際變化趨勢

作物需水量通常指在適宜的土壤水分和肥力水平下, 作物經過正常生長發(fā)育, 獲得高產時的植株蒸騰、棵間蒸發(fā)以及構成植株體的水量之和。而在實際計算中一般認為作物需水量在數量上等于高產水平下的植株蒸騰量與棵間蒸發(fā)量之和[1-2]。作物需水量的估算和預測是評價作物水分利用及水分脅迫程度的基礎[3], 對于制定合理的節(jié)水灌溉制度, 研究區(qū)域農業(yè)水資源的供需平衡關系, 對于氣候變化響應及應對措施的決策有重要意義[4-5]。國內外對作物需水量的估算方法較多[6], 如FAO-56雙作物系數法[7]、雙涌源能量守恒模型[8]、神經網絡技術估算法[9]等。目前認為比較精確且應用最多的是FAO推薦的Penman-Monteith法[7], 在我國得到了驗證[10]及廣泛應用[3-4,11-12]。農業(yè)旱澇主要由降水異常引起的, 作物受旱澇的程度主要受其需水量與土壤供水量平衡的影響。目前在農業(yè)旱澇研究上通常用兩類指標來反映其發(fā)生程度與規(guī)律, 第一類是降水量指標, 如降水距平百分率[13]、標準化降水指數[14]、Z指數[15]等, 這類指標能夠反映水分供應的情況; 第二類指標如綜合氣象干旱指數CI[16]、相對濕潤度指數[17]、作物水分盈虧指數[3]等, 能夠反映水分供需的變化。其中作物水分盈虧指數(CWSDI)是最常用的作物旱澇診斷指標之一[12,18], 能夠較好地反映土壤、植物和氣象三方面因素對作物的綜合影響, 比較真實地反映出作物水分虧缺狀況[19]。

湖北省地處長江中游, 光、熱、水資源豐富, 屬于一年兩熟和三熟的多熟制區(qū)域, 80%的土地面積為玉米適宜種植區(qū)[20-21], 可種植春玉米、夏玉米和秋玉米。春玉米生長季多為3月至8月, 夏玉米多為5月至10月, 秋玉米多為7月至11月上旬。作為重要的飼料用糧, 湖北玉米產需缺口較大, 玉米種植效益較高, 加之湖北省種植業(yè)結構的調整, 拉動了近年來湖北玉米的快速發(fā)展[20]。2014年湖北玉米種植面積為 64.2萬公頃, 總產為 293萬噸, 分別比2003年增加了47.0%和42.8%[22], 其發(fā)展速度超過了第一大作物的水稻與第二大作物小麥。湖北玉米生產對促進當地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及種植業(yè)合理調整均有重要的意義。雖然湖北省降水資源豐富, 但年內及年際間分配不均, 且變率大, 需水關鍵期往往與降水多的時段不重合, 常導致漬澇、干旱發(fā)生, 對產量影響較大[23]。目前針對北方玉米主產區(qū)旱澇災害時空變化規(guī)律及其對玉米生產影響的研究較多[3,12,19], 但針對長江中游低丘平原區(qū)不同種植季玉米需水規(guī)律及旱澇災害的研究卻較少。本研究將利用湖北低丘平原區(qū)1980—2014年8個地面氣象臺站的逐日氣象資料, 分析不同種植季玉米需水量的時空變化特點及年際變化趨勢, 并結合玉米不同生育期內有效降水量分析玉米水分盈缺指數, 評價旱澇發(fā)生規(guī)律, 為湖北省玉米生產的合理區(qū)域布局、防災減災、氣候變化響應等提供基礎數據與決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與氣象數據來源

選取湖北省低丘平原區(qū)有完整35年歷史氣象資料的8個基準氣象臺站1980—2014年觀測的氣象資料, 包括鄂北的老河口、棗陽; 鄂中的荊州、鐘祥、天門; 鄂東南的英山、黃石、嘉魚等。各站點的地理位置、經度、緯度及海拔高度見圖1。鄂西南及鄂西北為海拔500 m以上的山地春玉米區(qū), 不列為本文研究區(qū)域。氣象資料包括平均本站氣壓、日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、平均水汽壓、相對濕度、平均風速等。上述氣象資料來自中國氣象局國家氣象信息中心(http://data. cma.cn/)。

1.2 研究方法

1.2.1 玉米生育階段的確定 湖北省玉米按播種時間可分為春玉米、夏玉米和秋玉米[24]。根據當地的生產習慣, 鄂東南春玉米的播種期定為3月15日和3月25日; 鄂中春玉米的播種期定為3月20日和3月30日; 鄂北春玉米的播種期定為3月25日和4月5日。各區(qū)域油后夏玉米的播種時間一般為5月20日左右, 麥后夏玉米的播種時間一般為6月5日左右。本文選定5月20日和6月5日作為夏玉米的播種期; 各區(qū)域秋玉米一般為7月20日播種。溫度是影響作物生長發(fā)育進程的重要環(huán)境因子, 作物完成某個生育階段需要一定的積溫, 因此積溫被用于推斷作物各個生育時期出現的一種常見指標[25]。本文以湖北省推廣的早中熟玉米品種鄭單958為例,根據作者2012年和2013年在湖北省東南及中部區(qū)域開展的分期播種試驗, 獲得其各生育階段需要的≥10℃有效積溫(表1)。根據播種期和階段積溫來推算各區(qū)域氣象臺站1980—2014年玉米拔節(jié)、吐絲、乳熟、完熟等出現的日期。

圖1 研究區(qū)氣象站點的分布(經度°E, 緯度°N, 海拔高度m)Fig 1 Distribution of meteorological stations (Longitude°E, Latitude°N, Altitude m) in the studied area

表1 鄭單958各個生育階段≥10℃有效積溫Table 1 Effective accumulated temperature (≥10℃) for different developmental stages of Zhengdan 958 (°C d)

1.2.2 玉米需水量 采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的方法[7]計算玉米需水量(ETc)。

式中, ETc為作物需水量(mm d–1); ET0為參考作物日蒸 散 量 (mm d–1), 利 用 FAO (1998)修 訂 的Penman-Monteith公式計算研究區(qū)域各站點參考作物蒸散量(ET0)[7]。Kc為作物系數, 采用1998年FAO推薦的分段單值平均法計算[3]。根據該方法, 把玉米全生育期作物系數變化過程概化為在 4個階段的 3個值(Kcini, Kcmid, Kcend), 如圖2所示, Kcini= 0.3,Kcmid= 1.2, Kcend= 0.5。

式中, Kci為第i天的作物系數; i為整個生育期間隔的天數之日序數; L為生育期間隔天數; Kcprev為i天之前生育期的作物系數; Kcnext為i天之后生育期的作物系數; Lstage為 i天所處生育期間隔日數; ∑(Lprev)為i天之前的所有生育期間隔日數的總和。

1.2.3 水分盈虧指數及旱澇等級的確定 在農業(yè)氣象研究領域, 為了準確反映玉米各生育階段的需水特性及水分供應狀況, 通?；谧魑锼痔澣敝笖禈嫿ㄓ衩咨A段水分盈虧指數 CWSDI (crop water surplus deficit index)表征水分盈虧程度[3]。

圖2 玉米全生育期作物系數變化Fig. 2 Changes of crop coefficient during the whole growth period of maize

式中, CWSDIi為第i生育階段水分盈虧指數(%); Pei為第i生育階段有效降水量(mm); ETci為第i生育階段的作物需水量(mm)。當CWSDIi＞ 0時第i生育階段水分盈余; 當 CWSDIi= 0時水分收支平衡; 當CWSDIi＜ 0時水分虧缺。水分盈虧指數包含了降水量和作物需水量兩項因子, 能反映實際供水量與作物最大水分需要量的平衡關系, 可以較好地表征作物旱澇狀況。

對于旱作物, 有效降雨量指總降雨量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要的那部分雨量, 不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分。國內外對有效降水量的估算方法較多[26]。本文采用國內常用的經驗公式法, 該方法計算簡便, 被國內的一些學者采用[27]。

式中, Pei為 i日有效降水量(mm); Pi為 i日降水量(mm); αj為有效利用系數。一般情況下, 當 Pi≤ 5 mm時αj= 0; 當5 mm ＜ Pi≤ 50 mm時αj= 0.9; 當Pi＞ 50 mm時αj= 0.75。

參考高曉容等[3]旱澇等級劃分標準, 確定玉米各生育階段標準為重澇 CWSDI ＞ 85%, 輕澇 45% ＜CWSDI ≤ 85%, 正常-45% ＜ CWSDI ≤ 45%, 輕旱-85% ＜ CWSDI ≤ -45%, 重旱CWSDI ≤ -85%。統計不同區(qū)域氣象臺站各年份旱澇等級的發(fā)生頻率。1.2.4 趨勢檢驗 玉米需水量、水分盈虧指數、氣溫、降水、風速、濕度等年際變化趨勢, 可用氣候趨勢系數和氣候傾向率反映[28-29]。氣候趨勢系數(rxt)為n個時刻(年)所對應的要素序列與自然數列1, 2, …, n的相關系數。

式中, n為年數; xi為第i年要素值;x為樣本均值;t = (n + 1)/2。通常使用t檢驗法檢驗氣候趨勢是否顯著。如果 n個時刻所對應的要素序列與自然數列顯著相關, 表示該要素氣候趨勢存在明顯增加(減少)趨勢。

將玉米需水量或氣象要素(x)的長期變化趨勢采用線性回歸方程分析。

式中, t為年份序列號(t = 1, 2, …, n); a0為常數; a1為回歸系數, 當 a1為正或負時要素在計算時段內線性增加或減弱。10a1稱為氣候傾向率(Tr), 表示要素每10年的變化率, 其中正值表示要素呈增加趨勢, 負值呈減少趨勢。

2 結果與分析

2.1 不同種植季玉米需水量的時空變化及其影響因子分析

湖北省玉米的需水量約為300～440 mm, 不同種植季玉米各生育階段需水量差別較大(表2)。對同一季玉米而言, 玉米全生育期需水量及各生育階段需水量區(qū)域間差異不顯著; 就同一區(qū)域而言, 不同種植季玉米各個生育階段需水量差異較明顯(P ＜0.05)。播種–拔節(jié)期間, 鄂北、鄂中及鄂東南等3個種植區(qū)域均表現出春玉米需水量顯著高于夏玉米與秋玉米, 在鄂中及鄂東南區(qū)域秋玉米該階段需水量又顯著高于夏玉米。在拔節(jié)–吐絲階段春玉米需水量與夏玉米相當, 均顯著高于秋玉米。在吐絲–乳熟階段, 以夏玉米的需水量最高, 秋玉米的需水量顯著低于春玉米與夏玉米。在乳熟–完熟階段, 鄂北地區(qū)三季玉米需水量差異不明顯, 而鄂中和鄂東南地區(qū)春玉米和夏玉米的需水量相當, 但均明顯多于秋玉米。從整個生育期看, 3個區(qū)域均表現出秋玉米需水量顯著低于春玉米和夏玉米, 而春玉米需水量與夏玉米差異不顯著。

由表 2可知, 玉米不同生育階段需水量年際間普遍呈下降趨勢, 不同生育階段及區(qū)域間有差異。在鄂北地區(qū), 三季玉米全生育期的需水量隨年份均呈顯著下降趨勢, 尤以秋玉米下降最快, 其總需水量的下降主要發(fā)生在吐絲后, 吐絲前沒有顯著變化;春玉米除吐絲–乳熟階段需水量沒有變化外, 其余生育階段的需水量均呈顯著下降趨勢, 程度相當;而該區(qū)域夏玉米各個生育階段的需水量均顯著下降,以吐絲–乳熟階段下降最快。在鄂中地區(qū), 三季玉米的需水量均隨年份呈顯著下降趨勢, 下降程度與鄂北地區(qū)相當, 其中春玉米與夏玉米各個生育階段均呈顯著下降趨勢, 均以吐絲–乳熟階段下降最快; 而秋玉米除拔節(jié)–吐絲階段外, 其余生育階段的需水量均隨年份顯著下降。在鄂東南區(qū), 春玉米與夏玉米的總需水量沒有出現年際間下降趨勢; 而秋玉米下降趨勢明顯, 其下降程度明顯低于鄂北及鄂中地區(qū), 主要在拔節(jié)-吐絲及乳熟-完熟階段下降明顯。在鄂東南區(qū), 春玉米播種–拔節(jié)、夏玉米乳熟–完熟階段的需水量也有顯著下降, 但總需水量沒有變化。

表2 35年來不同種植季玉米各生育階段的平均需水量(WR, mm)及其氣候傾向率[Tr, mm (10a)–1]Table 2 Water requirement (WR, mm) and climate tendency rate [Tr, mm (10a)–1] at each growth stage of maize planted in different seasons during 35 years

相關分析表明, 氣溫、降水、風速及相對濕度均對玉米需水量有顯著影響(表 3)。氣溫對玉米需水量的影響表現出不同種植季及生育階段的差異性。春玉米播種-拔節(jié)階段需水量與氣溫呈極顯著負相關, 而乳熟-完熟階段則呈顯著正相關; 夏玉米播種-拔節(jié)階段需水量與氣溫呈極顯著負相關, 而拔節(jié)-乳熟階段則呈顯著正相關; 秋玉米吐絲前的需水量與氣溫呈顯著正相關, 而吐絲后則呈極顯著負相關。降水對玉米需水量的影響也表現出季節(jié)差異。春玉米乳熟后、夏玉米拔節(jié)后及秋玉米拔節(jié)前需水量均與降水呈顯著負相關, 而秋玉米乳熟后的需水量則與降水顯著正相關。風速與玉米需水量表現出較一致的正相關,尤其是夏玉米整個生育階段的需水量均與風速顯著正相關, 春玉米與秋玉米主要是在苗期與乳熟后受風速影響顯著。相對濕度則與春玉米乳熟后、夏玉米拔節(jié)后、秋玉米拔節(jié)前的需水量顯著負相關。

表3 玉米需水量與氣象因子的相關系數Table 3 Correlation coefficients between maize water requirement and meteorological factors

從表4看出玉米各生育階段四類氣象要素表現出不同的年際變化趨勢。氣溫的年際趨勢普遍上升,鄂北、鄂中春玉米拔節(jié)前及吐絲–乳熟階段、夏玉米吐絲前及乳熟-完熟階段, 秋玉米吐絲后等階段氣溫升高趨勢顯著; 而在鄂東南區(qū), 主要是春玉米拔節(jié)前及秋玉米吐絲后趨勢明顯。除鄂東南春玉米拔節(jié)前及秋玉米乳熟后降水有顯著下降趨勢外, 其他生育階段及鄂中、鄂北地區(qū)均沒有明顯的變化趨勢。風速普遍呈下降趨勢, 有顯著下降趨勢的區(qū)域及時期包括鄂北秋玉米乳熟–完熟階段, 鄂中的春玉米吐絲前、夏玉米拔節(jié)前及秋玉米拔節(jié)后, 鄂東南春玉米及夏玉米拔節(jié)前。相對濕度也呈普遍下降趨勢,下降趨勢顯著的區(qū)域及時期包括鄂北及鄂中的春玉米拔節(jié)前及吐絲后、鄂東南春玉米拔節(jié)前; 鄂北及鄂中的夏玉米; 鄂北秋玉米拔節(jié)前、鄂中秋玉米吐絲前及乳熟后、鄂東南秋玉米乳熟后。

2.2 不同區(qū)域玉米各生育期水分盈虧指數的變化

從表 5看出, 春玉米播種—拔節(jié)期間各生產區(qū)域CWSDI均大于0, 出現水分盈余, 且由鄂北向鄂東南水分的盈余增加; 在鄂北及鄂中地區(qū)春玉米拔節(jié)-乳熟期間 CWSDI均小于 0, 出現水分虧缺, 而在鄂東南地區(qū)該階段表現為水分盈余。夏玉米播種至拔節(jié)期間3個地區(qū)均出現水分盈余; 夏玉米拔節(jié)-吐絲期間, 在鄂北地區(qū)水分虧缺, 而在鄂中及鄂東南區(qū)為水分盈余; 夏玉米吐絲-完熟期在3個地區(qū)均表現為水分虧缺。秋玉米播種-拔節(jié)時期 3個地區(qū)CWSDI均大于 0, 水分盈余較多; 而秋玉米拔節(jié)至完熟階段, 三地區(qū)均表現為水分虧缺, 尤其是吐絲–乳熟期間水分虧缺較多。不同區(qū)域玉米各生育階段水分盈虧指數年際變化趨勢不盡相同, 但趨勢差異均不顯著。

2.3 不同區(qū)域玉米旱澇發(fā)生頻率

從圖3看出, 在鄂北地區(qū), 春玉米播種–拔節(jié)階段旱災和澇災發(fā)生頻率基本相當, 分別為 20.7%和21.5%; 春玉米拔節(jié)–完熟期間旱災發(fā)生較多, 平均為49.3%, 以輕旱為主, 且吐絲–乳熟期間最易發(fā)生旱災,影響春玉米灌漿。該區(qū)域夏玉米播種–拔節(jié)階段旱澇災害發(fā)生頻率達70.0%, 其中重澇發(fā)生頻率占55.1%; 拔節(jié)–吐絲時期旱澇災害發(fā)生頻率為53.6%, 其中旱災發(fā)生頻率占67.9%; 吐絲–完熟時期旱災發(fā)生頻率平均為55.0%, 其中輕旱發(fā)生頻率平均占81.6%。該區(qū)域秋玉米播種–拔節(jié)階段主要發(fā)生澇災, 其中重澇發(fā)生頻率高達 54.3%; 拔節(jié)–吐絲階段旱澇災害發(fā)生頻率為65.7%, 其中旱災發(fā)生頻率占 71.7%; 吐絲–完熟階段主要以旱災為主, 其中輕旱發(fā)生頻率平均為50.0%。

表4 35年不同區(qū)域玉米各生育期氣象要素的氣候傾向率(Tr)Table 4 Climate tendency rate (Tr) of meteorological factors at each growth stage of maize during 35 years

表5 35年來不同區(qū)域玉米各生育期平均水分盈虧指數(CWSDI, %)及其氣候傾向率[Tr, % (10a)–1]Table 5 Crop water surplus deficit index (CWSDI) and climate tendency rate (Tr, % [10a]–1) at each growth stage of maize in different regions during 35 years

在鄂中地區(qū), 春玉米播種-拔節(jié)階段主要發(fā)生澇災, 其中重澇發(fā)生頻率為 45.7%; 拔節(jié)-乳熟階段旱澇災害發(fā)生頻率平均為 43.6%, 其中輕旱發(fā)生頻率平均占65.7%; 乳熟-完熟階段旱澇災害發(fā)生頻率為 61.4%, 其中旱災以輕旱為主, 澇災中重澇和輕澇發(fā)生頻率相當。該區(qū)域夏玉米播種-拔節(jié)階段主要發(fā)生澇災, 其中重澇發(fā)生頻率達 61.0%; 拔節(jié)-吐絲階段旱澇災害發(fā)生頻率為 53.8%, 其中旱災以輕旱為主, 澇災以重澇為主; 吐絲-完熟階段旱災發(fā)生頻率平均為53.8%, 其中輕旱發(fā)生頻率平均占67.7%。該區(qū)域秋玉米播種-拔節(jié)階段澇災發(fā)生頻率為58.1%, 其中重澇發(fā)生頻率占 81.9%; 拔節(jié)-吐絲階段旱災發(fā)生頻率為 43.8%, 其中輕旱和重旱發(fā)生頻率相當; 吐絲-完熟階段旱災發(fā)生頻率平均為 64.8%,其中輕旱發(fā)生頻率平均占65.4%。

圖3 不同區(qū)域種植季玉米各時期旱澇頻率分布Fig. 3 Drought and waterlogging frequency distribution at each growth stage of maize planted in different seasons in different regions

在鄂東南地區(qū), 春玉米播種-拔節(jié)階段主要發(fā)生澇災, 其中重澇發(fā)生頻率高達 74.3%; 拔節(jié)-吐絲階段旱澇災害發(fā)生頻率為 43.8%, 其中旱災以輕旱程度為主, 澇災以輕澇程度為主; 吐絲-完熟階段旱澇災害發(fā)生頻率平均為 46.2%, 其中旱災以輕旱程度為主, 澇災以重澇程度為主。該區(qū)域夏玉米播種-拔節(jié)階段主要發(fā)生澇災, 其中重澇發(fā)生頻率高達78.1%; 拔節(jié)-吐絲階段澇災發(fā)生頻率為 44.7%, 其中重澇發(fā)生頻率占74.5%; 吐絲-完熟階段旱災發(fā)生頻率平均為 50.0%, 其中輕旱發(fā)生頻率平均占80.7%。該區(qū)域秋玉米播種-拔節(jié)期間澇災發(fā)生頻率為 58.1%, 其中重澇發(fā)生頻率占 83.6%; 拔節(jié)-吐絲階段旱澇災害發(fā)生頻率為 59.0%, 其中旱災發(fā)生頻率占 66.1%; 吐絲-乳熟階段旱災發(fā)生頻率達 70.5%,其中輕旱發(fā)生頻率占58.2%; 乳熟-完熟階段旱災發(fā)生頻率為58.1%, 其中輕旱和重旱發(fā)生頻率相差不大。

3 討論

玉米需水量是玉米栽培管理、制定灌溉制度的依據, 在我國玉米主產區(qū)得到了較多的關注[3,5,30],而對長江中游玉米需水量卻鮮有研究報道。肖俊夫等[30]研究發(fā)現春玉米的需水量高于夏玉米, 且區(qū)域間的變化較大, 變化在400～700 mm之間, 夏玉米需水量變化在350～400 mm。本研究表明湖北省的春玉米需水量約 430 mm左右, 與黃淮海區(qū)春玉米需水量相當[31], 但區(qū)域間變異較小。湖北省夏玉米的需水量與春玉米相當, 區(qū)域上的變異也較小, 要高于北方夏玉米需水量[30-31]。湖北省 3個生產區(qū)域春玉米、夏玉米和秋玉米需水量最大的時期均為吐絲—乳熟時期, 這與王宏等[32]研究結果一致。湖北省各種植季玉米需水量具有明顯的年際變化規(guī)律, 1980—2014年間, 鄂中、鄂北三季玉米需水量隨年份均呈顯著下降趨勢, 尤以秋玉米下降趨勢最明顯, 達22 mm (10a)–1, 而鄂東南區(qū)域玉米需水量則沒有顯著的年際變化(表2)。也有研究表明黃淮海、華北地區(qū)、四川盆地玉米需水量近50年來存在顯著的年際下降趨勢[31,33-34]。而東北地區(qū)玉米需水量在近50年內沒有明顯的年際變化[3]。

玉米需水量的變化除與田間栽培管理措施有關外, 還與氣候等環(huán)境因子的變化有關。郝振純等[35]研究表明長江流域中游區(qū)域潛在蒸散量呈下降趨勢,這也可能是導致該區(qū)域玉米需水量年際間顯著下降的原因。有研究表明玉米需水量與氣溫正相關[31,36],而劉曉英等[33]研究認為氣溫對華北地區(qū)玉米需水量的變化沒有顯著影響。本研究表明湖北省春玉米乳熟-完熟、夏玉米拔節(jié)-乳熟及秋玉米播種至吐絲階段需水量與氣溫正相關, 此期處于每年6月下旬至8月上旬的高溫期, 高溫導致玉米蒸騰及蒸發(fā)加大,需水量增加; 而春玉米和夏玉米播種-拔節(jié)期以及秋玉米吐絲-完熟期的需水量與氣溫呈顯著負相關,這可能是由于該階段氣溫顯著升高(表4), 玉米生育期變短[37], 需水量減少?？梢? 作物需水量與氣溫的關系具時空差異性, 還需要更多的研究去驗證, 以便為深入認識氣候變暖對作物的復雜影響提供更多的證據。本研究中湖北春玉米、夏玉米及秋玉米某些生育階段的需水量與風速呈正相關, 與降水和相對濕度呈負相關(表 3), 該規(guī)律與前人研究結果[31,36]基本一致。玉米需水量變化是受太陽輻射、溫度、平均風速、平均相對濕度、降水綜合影響的結果[31]。閆苗祥等[38]研究認為, 玉米生育期內氣溫隨年份呈增加趨勢, 相對濕度隨年份呈減少趨勢, 本文研究表明湖北省不同種植季玉米各時期氣溫隨年份呈顯著增加趨勢, 降水、風速以及相對濕度呈顯著減少趨勢。劉曉英等[33]認為華北地區(qū)日照與風速減小是玉米需水量下降的主要原因。黃淮海區(qū)玉米需水量的下降則與降水及風速的下降有關[31]。本研究表明鄂中及鄂北地區(qū)春玉米、夏玉米需水量年際下降趨勢明顯, 可能是該階段風速及相對濕度隨年份顯著下降所致(表4)。

玉米受旱澇影響的程度主要是玉米需水量、當地有效降水量、地形土壤蓄水能力等綜合作用的結果, 具有明顯的季節(jié)性與區(qū)域性特征。利用水分盈虧指數法, 高曉容等[3]發(fā)現東北玉米抽雄前旱澇發(fā)生頻率較低, 但抽雄后中度旱澇發(fā)生頻率較高, 且今年來有干旱化的趨勢; 淮河流域夏玉米各生育階段均有不同程度的水分虧缺, 尤以中部地區(qū)干旱化程度較重[39]; 張玉芳等[40]研究發(fā)現四川盆地玉米全生育期干旱風險重度區(qū)主要集中在盆中淺丘區(qū)、盆東平行嶺谷區(qū)大部及盆南丘陵區(qū)部分區(qū)域。黃晚華等[41]發(fā)現湖南春玉米干旱頻率較高的時段主要在玉米抽雄－吐絲階段及其后的生育階段, 且隨生育期后移干旱頻率明顯增加, 以輕旱程度為主, 以湘中南的衡陽及周邊一帶干旱頻率最高。本文研究表明湖北不同區(qū)域各種植季玉米播種–拔節(jié)階段主要以發(fā)生澇災為主, 其余時期均主要發(fā)生旱災頻率較高,與湖南省春玉米的旱澇規(guī)律較相似[41]。另外, 湖北不同區(qū)域各季玉米的水分盈虧指數(CWSDI)沒有明顯的年際變化趨勢, 說明玉米旱澇發(fā)生頻率沒有變化。而隋月等[42]利用水分虧缺指數(CWDI)研究表明,長江中下游地區(qū)春玉米在七葉到拔節(jié)階段的干旱強度明顯增加, 在吐絲后到乳熟階段呈減小趨勢; 夏玉米在拔節(jié)到乳熟階段的干旱呈減輕趨勢。該研究中水分虧缺指數(CWDI)的計算主要用于干旱等級劃分, 沒有考慮水分盈余時造成的澇漬影響, 這可能是與本研究的某些結果不盡一致的原因。

4 結論

湖北省低丘平原區(qū)不同種植季玉米需水量有較大差異, 其中春玉米與夏玉米需水量相當, 而秋玉米需水量則明顯減少。各季玉米需水量在鄂中及鄂北地區(qū)均有顯著的年際下降趨勢, 但其旱澇發(fā)生頻率則年際變化不顯著。從近35年湖北玉米旱澇發(fā)生規(guī)律看, 鄂中及鄂東南春玉米苗期漬害發(fā)生頻率較高, 拔節(jié)后主要以發(fā)生干旱為主; 鄂北春玉米苗期漬害相對較輕, 而吐絲–乳熟階段干旱程度要重于鄂中及鄂東南地區(qū)。在 3個區(qū)域夏玉米與秋玉米苗期均以發(fā)生澇災為主, 拔節(jié)后以發(fā)生干旱為主。然而, 與春玉米及夏玉米相比, 秋玉米在拔節(jié)—乳熟階段發(fā)生重旱的頻率要高于夏玉米及春玉米。從減少干旱風險及防災投入考慮, 建議在鄂北地區(qū)主要發(fā)展夏玉米、鄂中及鄂東南地區(qū)主要發(fā)展春玉米,適當控制秋玉米面積。在鄂東南及鄂中地區(qū), 要注意玉米苗期的防澇, 生育中后期防旱; 在鄂北地區(qū)主要注意防旱。

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Temporal-spatial Variation of Crop Water Requirement and Frequency of Drought and Waterlogging Disasters during Maize Growth Stages in Low Hilly Plain Area of Hubei Province in Last 35 Years

HE Jun-Ou1, LING Xiao-Xia1, ZHANG Jian-She3, ZHANG Meng1, MA Di1,2, SUN Meng1, LIU Yong-Zhong1, ZHAN Ming1,*, and ZHAO Ming2,*
1Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture / College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;2Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology of Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;3Agricultural Technology Extension Station of Hubei Province, Wuhan 430070, China

Based on 35-year (1980-2014) meteorological data from eight benchmark long-term meteorological stations in low hilly plain area of Hubei province, we analyzed the temporal-spatial variation in water requirement and frequency of drought and waterlogging disasters in different growing stages of spring, summer and autumn maize in northern, central and southeastern regions of Hubei province. The water requirement at each growth stage of a certain maize season was similar among the three regions, but much different among maize seasons. The water requirement was obviously lower in autumn maize than in spring and summer maize, and similar between spring maize and summer maize. Maize water requirement in three production regions showed a significant downward trend in the process of year by year, especially in the area of central region, with a climate tendency rate of -18.62 mm (10a)–1. The maize in three planting seasons could easily encounter waterlogging during the period from sowing to jointing in each production region, with a higher occurrence frequency of heavy waterlogging. Light drought mainly occurred during the period from jointing to maturity in maize in three planting seasons in northern and central Hubei, whereasheavy drought occurred during maize grain filling period. In the region of southeastern Hubei, waterlogging occurrence frequency was higher than that of drought from jointing to silking in spring and summer maize. However, drought easily came up during grain filling period of maize in three planting seasons, especially summer maize and autumn maize met more frequent drought than spring maize in this period. The interannual variation of drought and waterlogging at different maize growth stages of three planting seasons in each region was not significant. Considering the mitigation in drought and waterlogging impact, it is recommended to preferentially develop summer maize in northern region, and spring maize in central and southeastern regions of Hubei province. Meanwhile, our study suggests that in production we should prevent waterlogging before maize jointing and drought after maize jointing in low hilly plain area of Hubei province.

Maize; Water requirement; Crop water surplus deficit index; Drought and waterlogging frequency; Interannual variation tendency

(

): 2016-10-24; Accepted(接受日期): 2017-04-19; Published online(網絡出版日期): 2017-05-23.

10.3724/SP.J.1006.2017.01536

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300308)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項項目(2662015PY067)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300308) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2662015PY067).

*通訊作者(Corresponding authors): 展茗, E-mail: zhanming@mail.hzau.edu.cn; 趙明, E-mail: zhaomingcau@163.net

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URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170523.1856.002.html