肖登攀， 齊永青， 柏會子， 沈彥俊

(1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北石家莊 050011； 2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050022

近幾十年來，河北平原區(qū)種植結(jié)構(gòu)趨向單一化，以冬小麥—夏玉米一年兩熟輪作的種植制度為主體[1]。受降水季節(jié)性差異的影響，冬小麥的水分生態(tài)適應(yīng)性較差，存在需水關(guān)鍵期和降水盛期不符的問題[2]。平均條件下，冬小麥生育期內(nèi)降水量120 mm左右，夏玉米生育期內(nèi)降水量300 mm左右，導(dǎo)致冬小麥生育期水分虧缺約300 mm，需要進(jìn)行灌溉來保證產(chǎn)量，而夏玉米只要適時播種，自然降水一定程度上可滿足其對水分的需求[3]。因此，灌溉是該地區(qū)一年兩熟種植制度獲得穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的保證[3-4]。一般情況下，作物灌溉導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)用水占總用水的70%以上，其中有85%以上的灌溉用水來自地下水。持續(xù)的高耗水種植模式已導(dǎo)致河北平原區(qū)水資源大量消耗，使得地表水幾近枯竭，同時地下水位也以年均0.8 m的速度迅速下降[5-7]。相關(guān)研究表明，河北省1984—2008年間用于糧食生產(chǎn)的凈地下水消耗達(dá)1 390億m3，獲得的糧食增產(chǎn)效益為1.9億t，主要集中消耗在河北省中南部平原，引起中南部平原的地下水位平均下降達(dá)7.4 m，引發(fā)地下水位下降的貢獻(xiàn)達(dá)到80%以上[8]。因此，該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用存在常規(guī)作物生長與降水耦合性差、種植結(jié)構(gòu)不合理等問題[9]。

鑒于高耗水作物種植制度對區(qū)域水資源的影響，政府決策者和相關(guān)科研人員均提出縮減冬小麥種植面積，進(jìn)而減少灌溉耗水來解決研究區(qū)的水資源危機(jī)，最終實現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用[10-11]。一定程度上，縮減冬小麥種植面積，勢必會對糧食產(chǎn)量帶來影響，但部分影響可以通過改善玉米種植條件、增加玉米產(chǎn)量來彌補(bǔ)[12]。通常情況下，沒有冬小麥種植的農(nóng)田，單季玉米可以提前播種，從而可以保證玉米生育期充足的有效積溫和籽粒充足的灌漿時間，達(dá)到玉米增產(chǎn)的目的[13-14]。李向嶺等通過設(shè)置不同播期的玉米種植試驗指出，播期間產(chǎn)量差異表現(xiàn)為早播玉米(5月3日)>中播玉米(5月28日)>晚播玉米(6月22日)[15]，并分析了不同生態(tài)因子和產(chǎn)量之間的關(guān)系，指出生育期有效積溫和吐絲后期的有效積溫對玉米產(chǎn)量影響最大。本研究基于作物機(jī)制模型(APSIM)評估河北平原地區(qū)早播玉米的產(chǎn)量潛力，并進(jìn)一步比較夏玉米和早播玉米的生長物候過程，分析早播玉米生長過程中的氣候條件。其主要研究結(jié)果對研究區(qū)實踐種植制度調(diào)整，保證糧食生產(chǎn)安全具有重要的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 作物機(jī)理模型介紹

采用當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的APSIM模型系統(tǒng)對作物生長過程進(jìn)行模擬研究。APSIM(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型)是澳大利亞系列作物模型的總稱，由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織(CSIRO)和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組(APSRU)在過去20多年內(nèi)開發(fā)的，是能夠模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各主要組分的機(jī)理模型。APSIM模型可用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中作物生長過程及土壤水氮動態(tài)，特別適用于評價農(nóng)作系統(tǒng)生產(chǎn)潛力及耕作措施的經(jīng)濟(jì)效益受氣候波動和環(huán)境變化的影響。本研究使用APSIM 7.4版本。

APSIM模型運行需要輸入數(shù)據(jù)資料包括土壤資料和氣象資料。其中，模型土壤參數(shù)主要包括水動力學(xué)參數(shù)和物理參數(shù)2個部分，前者包括飽和含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)、排水系數(shù)、徑流曲線數(shù)等；后者主要包括土壤類型、質(zhì)地、容重、養(yǎng)分狀況等。模型所需氣象數(shù)據(jù)包括逐日太陽輻射、最高溫度、最低溫度、降水量。另外，模型在模擬過程中還需要設(shè)定作物品種參數(shù)和具體的田間管理措施。其中作物品種參數(shù)包括生育期各階段的積溫、光周期、潛在灌漿速率、光能利用效率以及與作物籽粒相關(guān)的參數(shù)。田間管理措施主要包括播種深度、播種量、行距、播期、施肥、灌溉時間、施肥量、灌溉量[16-17]、作物殘茬處理等資料。

1.2 作物模型參數(shù)校正與驗證

本研究主要利用田間定位試驗結(jié)果對作物模型中的品種參數(shù)進(jìn)行校正與驗證。研究組已在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站連續(xù)開展3年(2014—2016年)的夏玉米和早播玉米田間對比試驗，分別觀測了不同生長季的夏玉米和早播玉米的物候期(主要包括播種期、抽穗期、開花期、成熟期)、生物量和籽粒產(chǎn)量，同時還利用中子儀觀測玉米生長過程中土壤含水量變化。基于多年田間定位試驗結(jié)果對作物品種參數(shù)進(jìn)行了校正和驗證，具體參數(shù)校正過程和驗證結(jié)果詳見文獻(xiàn)[18]。模型驗證結(jié)果表明，APSIM模型能夠較好地模擬研究區(qū)夏玉米和早播玉米的物候過程和籽粒產(chǎn)量。模型中主要夏玉米和早播玉米品種參數(shù)見表1。

表1 APSIM模型中夏玉米和早播玉米品種參數(shù)值[18]

1.3 模型模擬情景設(shè)置

本研究利用校正好參數(shù)的APSIM模型在河北平原區(qū)典型站點欒城站、南宮站開展夏玉米和早播玉米生長過程模擬研究。其中夏玉米管理措施參照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的管理模式，每年播種期為6月14日，整個生長季施肥2次，分別在播種期施氮肥(尿素)150 kg/hm2，拔節(jié)期增施氮肥90 kg/hm2；分別于播種期、灌漿期進(jìn)行灌溉2次，每次灌溉量為40 mm。早播玉米播種期在5月10日(比夏玉米提前播種35 d)，施肥管理與夏玉米相同，分別在播種期、拔節(jié)期施尿素150、90 kg/hm2；不同的是早播玉米的灌溉設(shè)置了2種情況，第1種(早播玉米1)與夏玉米相同，在播種期和灌漿期灌溉2次，每次灌溉量為40 mm；第2種(早播玉米2)灌溉時間不變，每次灌溉量增加至60 mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本研究氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象信息中心氣象資料室的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，包括最高溫度、最低溫度、日照時數(shù)和降雨量。模型中所需輻射數(shù)據(jù)根據(jù)日照時數(shù)換算獲得，其換算方程采用埃斯屈朗方程(Angstrom Equation)[19]。具體計算方程見式(1)：

R=RA×[a+b×(n/N)]。

(1)

式中：R為實際接收的逐日太陽輻射量；RA為大氣上界的太陽總輻射，其值與緯度和1年中的日序呈函數(shù)關(guān)系；n和N分別是實測日照時數(shù)和晴天每日最長日照時數(shù)；a和b為經(jīng)驗系數(shù)，取值決定于地理位置和緯度。

為分析玉米不同生育期氣候條件變化，把玉米整個生育期(WGP)分為營養(yǎng)生長階段(播種期—開花期，VGP)和生殖生長階段(開花期—成熟期，RGP)，分別對3個不同生長階段(營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段、全生育期)的氣候因子(溫度、輻射、降雨)進(jìn)行計算和分析。本研究還探討了玉米開花階段的氣候條件，把模型模擬開花期的±10 d設(shè)定為玉米開花階段。

本研究數(shù)據(jù)資料采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過Origin軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米和早播玉米物候和產(chǎn)量特征

早播玉米播種期(5月10日，DOY130)比夏玉米播種期(6月14日，DOY165)提前35 d。從表2可以看出，欒城、南宮2個站點的夏玉米開花期比早播玉米開花期分別提前29.8 d、30.6 d，早播玉米營養(yǎng)生長階段比夏玉米延長了5.2 d(欒城)、4.4 d(南宮)(表2)。欒城、南宮2個站點的夏玉米成熟期比早播玉米成熟期分別提前9.8、10.8 d，導(dǎo)致早播玉米生殖生長階段比夏玉米延長20.0 d(欒城)、19.8 d(南宮)。早播玉米整個生育期比夏玉米長25.3 d(欒城)、24.2 d(南宮)。結(jié)果表明，早播玉米與夏玉米相比，不論在營養(yǎng)生長階段還是在生殖生長階段其生育期均延長。在一定程度上，作物生長過程延長有利于作物干物質(zhì)的積累和籽粒產(chǎn)量的形成[20]。

從圖1可以看出，在相同的施肥和灌溉條件下，早播玉米明顯比夏玉米具有產(chǎn)量優(yōu)勢。欒城、南宮2個站點夏玉米產(chǎn)量范圍分別為6 085～9 526 kg/hm2、6 150～9 234 kg/hm2，平均產(chǎn)量分別為7 575 kg/hm2、7 618 kg/hm2。而早播玉米的產(chǎn)量范圍為7 525～11 520 kg/hm2(欒城)、7 899～11 497 kg/hm2(南宮)，平均產(chǎn)量分別為9 529、9 500 kg/hm2。由此可知，在相同的管理水平下，欒城、南宮2個站點早播玉米比夏玉米產(chǎn)量分別提高了25.8%、24.7%。本研究還分析了早播玉米灌溉量由每次40 mm增加至60 mm后的產(chǎn)量潛力，欒城、南宮2個站點早播玉米2(灌溉2次，每次灌溉60 mm)的產(chǎn)量比早播玉米1(灌溉2次，每次灌溉40 mm)的產(chǎn)量分別增加520、539 kg/hm2，分別增產(chǎn)5.5%、5.7%。表明早播玉米在增加灌溉的條件下，還有一定的產(chǎn)量增加潛力。早播玉米由于生育期較長，比夏玉米具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢。如果在一年一季玉米的種植條件下，早播玉米明顯比夏玉米更具有選擇優(yōu)勢。

表2 夏玉米和早播玉米的物候特征

注：表中日期利用儒歷日(DOY)表示，即1月1日值為1，1月2日值為2，以此類推。

2.2 夏玉米和早播玉米不同生長階段氣候條件

早播玉米由于播種期提前，使其整個生長過程均比夏玉米提前(圖2)。因此，夏玉米和早播玉米生長過程處于不同的時期，各生長階段的氣候條件也存在較大差異(圖3)。從圖3可知，早播玉米3個生長階段(VGP、RGP和WGP)的平均太陽輻射值均高于夏玉米(圖3-A)。有研究指出，過去30年地表太陽輻射降低對華北地區(qū)夏玉米生產(chǎn)帶來顯著的負(fù)面效應(yīng)[21]，因此，玉米早播對于改善其生長過程中的輻射條件具有重要作用。由于早播玉米整個生長階段的提前，使得營養(yǎng)生長階段進(jìn)入一個氣溫相對較低的時期，而生殖生長階段則進(jìn)入一個氣溫更高的時期，最終導(dǎo)致在營養(yǎng)生長階段，早播玉米的最高溫度、最低溫度均低于夏玉米，而生殖生長階段則正好相反(圖3-B、圖3-C)。對于整個生育期而言，早播玉米和夏玉米生長過程中的平均最高溫度沒有顯著差別，而播種期提前使得平均最低溫度呈降低趨勢(圖3-C)。一般而言，溫度的升高會使得作物生育期縮短，進(jìn)而縮短作物光合作用和有機(jī)物積累的過程。同時，當(dāng)溫度超過作物各生長階段的所需最優(yōu)溫度時，對作物生長也會帶來負(fù)面影響。過去幾十年，氣溫的升高已經(jīng)對研究區(qū)的玉米生產(chǎn)帶來負(fù)面影響，因此，雖然播種期提前使得營養(yǎng)生長階段氣溫降低，而產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期生殖生長階段的溫度卻呈升高趨勢，這使得早播玉米會在更大程度上面臨高溫對玉米生長帶來的脅迫。對降雨而言，早播玉米在營養(yǎng)生長階段的降雨量低于夏玉米，而在生殖生長階段和整個生育期的降雨量高于夏玉米(圖3-D)，整體上對改善水分條件具有積極作用。

一般情況下，玉米開花期對高溫和降雨更加敏感。高溫和陰雨天氣都會對花粉的傳播和授粉產(chǎn)生負(fù)面影響。通過對比分析夏玉米和早播玉米開花期的最高溫度和降雨發(fā)現(xiàn)，早播玉米開花期的溫度比夏玉米增加約1 ℃左右(圖4-B)，早播玉米花期的降雨量也要比夏玉米高(圖4-B)，表明早播玉米與夏玉米相比，在開花階段更容易受到高溫和陰雨天氣的影響。

3 結(jié)論與討論

本研究基于參數(shù)校正好的作物機(jī)制模型模擬了早播玉米、夏玉米的物候過程和產(chǎn)量水平?；谀Ｐ湍M結(jié)果，玉米早播各個生長階段歷時均顯著延長，尤其是生殖生長階段(RGP)延長達(dá)到20 d。相關(guān)研究也指出，夏玉米生育期隨播期推遲而縮短，播期平均每推遲1 d，整個生育期縮短0.2～0.6 d[22]。本研究生殖生長階段大幅度延長，除氣候條件和作物品種等原因外，更重要的是人為延遲玉米收獲，使得玉米能夠充分灌漿，達(dá)到足夠的生理成熟。在一年兩熟的種植制度下，由于冬小麥要搶時播種，通常情況下夏玉米沒有達(dá)到充分的灌漿水平就被收獲，對產(chǎn)量形成具有嚴(yán)重的負(fù)面影響。張寧等研究指出，播期每提前1 d，灌漿歷時能夠延長0.74 d，使得千粒質(zhì)量增加10.0%～14.8%，產(chǎn)量增加9.0%～13.9%[13]。因此，生殖生長階段是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，早播玉米生殖生長階段的延長有助于玉米籽粒充分灌漿，有利于獲得高產(chǎn)。同樣的水肥管理水平下，本研究結(jié)果表明早播玉米產(chǎn)量比夏玉米增加24.7%～25.8%，如果適當(dāng)增加灌溉，早播玉米產(chǎn)量還將增加5.5%～5.7%。

通過對比分析早播玉米和夏玉米生長過程中的氣候條件，早播玉米生長過程中的輻射水平明顯高于夏玉米，在輻射減弱對玉米生長產(chǎn)生負(fù)面影響的背景下[21]，改善輻射條件對玉米生產(chǎn)具有積極意義。在氣候變暖背景下，早播玉米與夏玉米相比，其生殖生長階段和開花階段的溫度均呈升高趨勢，尤其是最高溫度。通常情況下，玉米在生殖生長階段和花期容易受到高溫脅迫而導(dǎo)致減產(chǎn)[23]，尤其是開花期，高溫可能導(dǎo)致花粉喪失授粉能力。玉米早播不僅沒有避開高溫期，而把這2個生長階段提前到溫度更高的環(huán)境下，勢必對產(chǎn)量的形成具有負(fù)面影響。因此，在早播玉米選擇品種的時候，要更加關(guān)注生育期長和耐(抗)高溫脅迫的品種。