董智強(qiáng)，李曼華，李楠，薛曉萍，陳辰，張繼波，趙紅，侯英雨，潘志華

山東夏玉米土壤干旱閾值研究與影響評(píng)價(jià)

董智強(qiáng)1，李曼華1，李楠1，薛曉萍1，陳辰1，張繼波1，趙紅1，侯英雨2，潘志華3

（1山東省氣候中心，濟(jì)南 250031；2國(guó)家氣象中心，北京 100081；3中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

【】確定山東夏玉米土壤水分的適宜閾值范圍與干旱脅迫閾值，定量化評(píng)估不同程度干旱對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，從而為提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，緩解干旱脅迫的不利影響等提供依據(jù)?；谒挚刂圃囼?yàn)結(jié)果，確定夏玉米苗期、穗期與花粒期的土壤水分適宜與不適宜閾值范圍；以土壤相對(duì)濕度驅(qū)動(dòng)WOFOST作物機(jī)理模型，明確無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標(biāo)；通過(guò)設(shè)置不同干旱程度與持續(xù)天數(shù)，完成定量化的干旱影響評(píng)價(jià)。（1）夏玉米苗期、穗期與花粒期的土壤水分適宜閾值范圍分別為62%—91%、66%—92%與68%—94%，不適宜閾值范圍分別為＜62%、＜66%及＜68%；（2）苗期無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標(biāo)分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為57%、52%、49%與45%；（3）苗期干旱對(duì)夏玉米總?cè)~重、總莖重與最大葉面積指數(shù)的影響最大，穗期與花粒期干旱對(duì)總穗重影響最大，其中穗期重旱將導(dǎo)致不能形成最終產(chǎn)量。確定了夏玉米不同發(fā)育期的土壤水分閾值指標(biāo)，夏玉米穗期與花粒期干旱對(duì)于產(chǎn)量形成的影響更為顯著。

夏玉米；干旱；閾值；土壤濕度

0 引言

【研究意義】山東省是中國(guó)糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)。夏玉米是山東最主要的糧食作物之一，其播種面積與總產(chǎn)分別占全國(guó)總播種面積與總產(chǎn)的7.3%與7.8%[1-2]。山東夏玉米的產(chǎn)量變化，對(duì)于保障地區(qū)乃至全國(guó)糧食安全，具有舉足輕重的作用。干旱是對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)影響面最廣、影響程度最嚴(yán)重的自然災(zāi)害[3]，資料顯示2003—2013年干旱造成我國(guó)農(nóng)作物的受災(zāi)面積約占總受災(zāi)面積的51.9%[4]。干旱同樣是制約山東夏玉米穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，不僅影響夏玉米的播種與出苗，還對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成造成嚴(yán)重的影響[5]。山東夏玉米生育期間氣溫高、蒸發(fā)量大，且降水分布不均，階段性干旱頻繁發(fā)生，加之夏玉米是需水較多且對(duì)干旱比較敏感的作物，受土壤水分盈虧的影響較大，干旱已成為這一地區(qū)影響范圍最大、造成產(chǎn)量損失最重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[6-9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】夏玉米全生育期對(duì)水分均比較敏感，尤其是拔節(jié)期、抽雄吐絲期等，水分不足將導(dǎo)致產(chǎn)量及品質(zhì)顯著降低[10-11]。夏玉米受干旱脅迫的影響與干旱程度、持續(xù)時(shí)間及生育進(jìn)程等密切相關(guān)，特別是需水關(guān)鍵期受旱程度越重、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，不利影響會(huì)越大[12-14]，夏玉米產(chǎn)量波動(dòng)的不確定性也隨之增大[15]。玉米受旱后生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，光合速率等生理指標(biāo)顯著降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16-18]。玉米對(duì)土壤水分脅迫具有復(fù)雜的調(diào)控反饋機(jī)制，適度的水分虧缺并不能造成減產(chǎn)[19]。在特定的條件下，土壤干旱存在一個(gè)臨界閾值，干旱程度未超過(guò)該閾值時(shí)，作物對(duì)干旱產(chǎn)生適應(yīng)性的變化，生理過(guò)程受影響程度較小，恢復(fù)正常供水后不減產(chǎn)[20-21]；但當(dāng)干旱程度超過(guò)該閾值，作物將受到永久性的損害，恢復(fù)正常供水后，生理指標(biāo)也不能恢復(fù)正常，產(chǎn)量顯著降低[22-23]。【本研究切入點(diǎn)】已有對(duì)于土壤干旱閾值的研究中，大多以田間控水試驗(yàn)為主[20, 24-25]，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行等級(jí)確定[26]，或結(jié)合作物機(jī)理模型進(jìn)行干旱脅迫影響模擬[27]。而針對(duì)山東土壤干旱閾值的研究相對(duì)較少，或是在相鄰地區(qū)確定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，在本地進(jìn)行干旱等級(jí)的驗(yàn)證[26]，或是以本地試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果為基準(zhǔn)，多以干旱影響評(píng)估為主[28-29]，均缺乏本地化閾值指標(biāo)的定量研究與確定?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究結(jié)合已有大田水分控制試驗(yàn)結(jié)果，確定夏玉米苗期（出苗—拔節(jié)期）、穗期（拔節(jié)—抽雄期）與花粒期（抽雄—成熟期）等3個(gè)關(guān)鍵生育期的適宜土壤水分閾值范圍；并應(yīng)用WOFOST作物機(jī)理模型，以土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，確定夏玉米3個(gè)關(guān)鍵生育期的無(wú)旱、輕旱、中旱及重旱閾值指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，分析不同發(fā)育期內(nèi)不同干旱持續(xù)天數(shù)，對(duì)夏玉米最大葉面積指數(shù)、地上部干物重等生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的影響，為山東夏玉米干旱脅迫的定量化影響評(píng)估提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文應(yīng)用的氣象資料包括山東省2010—2015年逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度等基本氣象資料；農(nóng)業(yè)資料包括泰安等10個(gè)夏玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2010—2015年的發(fā)育期及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)資料，其中泰安、濟(jì)陽(yáng)、聊城、菏澤、莒縣、濰坊、高密等觀測(cè)站以鄭單958為主要觀測(cè)品種，淄博、膠州與萊陽(yáng)主要觀測(cè)品種分別為登海605、魯?shù)?2號(hào)及敦玉8號(hào)；各觀測(cè)站歷年播種期與所在地適播期一致，田間管理方式與所在地高產(chǎn)方式一致。

水分控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括德州市夏津氣象觀測(cè)站（36°59′N(xiāo)，116°01′E，海拔27.4 m）2013—2015年的試驗(yàn)資料。該研究區(qū)土壤為黃棕壤土，前茬作物為冬小麥，0—50 cm土壤田間持水量為22.3%，土壤容重為1.58 g·cm-3，凋萎系數(shù)為5.4%[30]。試驗(yàn)品種為主栽品種鄭單958，播種方式為人工播種，播種時(shí)間與當(dāng)?shù)叵挠衩走m播期一致，其中2013年為6月21日，2014和2015年均為6月10日。其他管理方式與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)方式保持一致。

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)控水梯度（T1—T5），其中T1處理為4個(gè)重復(fù)，T2—T5處理均為3個(gè)重復(fù)，共16個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為28 m2（4 m×7 m），小區(qū)之間設(shè)置隔離帶，小區(qū)四周鋪設(shè)防滲膜，防止小區(qū)間土壤水分水平交換；通過(guò)遮雨棚阻隔自然降水，應(yīng)用土鉆烘干法算出土壤相對(duì)濕度，各處理水分控制生育階段及土壤相對(duì)濕度指標(biāo)如表1所示。其中T1處理在2013、2014與2015年，分別在花粒期、苗期與穗期將土壤相對(duì)濕度控制在40%以下；T2處理分別在3年中3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，將土壤相對(duì)濕度控制在40%—60%之間；T3處理2013年在苗期與花粒期將土壤相對(duì)濕度控制在40%—60%之間，2014年在苗期與穗期控制在40%—60%之間，而2015年在穗期與花粒期控制在40%—60%之間；T4處理2013年各生育時(shí)期土壤相對(duì)濕度均控制在60%以上，2014與2015年控制在60%—80%之間；T5處理2013年各生育時(shí)期保持自然狀態(tài)，2014年與2015年均控制在80%以上（表1）。觀測(cè)項(xiàng)目包括夏玉米出苗期、3葉期、7葉期、拔節(jié)期、抽雄期、開(kāi)花期、吐絲期、乳熟期、成熟期等生育時(shí)期，以及主要生育時(shí)期各器官干物重，果穗長(zhǎng)、果穗粗、穗粒重、百粒重、理論產(chǎn)量等產(chǎn)量結(jié)構(gòu)指標(biāo)[30]，各觀測(cè)項(xiàng)目均按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[31]的要求進(jìn)行觀測(cè)，取樣方式為隨機(jī)取樣。

表1 不同年份試驗(yàn)小區(qū)水分控制設(shè)計(jì)

1.2 土壤水分閾值確定方法

基于之前學(xué)者的相關(guān)研究成果，本文針對(duì)土壤水分適宜閾值范圍的確定，以不同發(fā)育期夏玉米地上部干物重為主要指標(biāo)。該指標(biāo)不僅能衡量有機(jī)物積累及營(yíng)養(yǎng)成分多寡[7, 32]，還能夠充分反映夏玉米的生理特性[33]，是其生長(zhǎng)發(fā)育狀況的綜合表征，且在不同生育時(shí)期之間具備較強(qiáng)的可比性。結(jié)合水分控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，分別構(gòu)建歷年各生育時(shí)期干物重與土壤相對(duì)濕度的二次回歸擬合模型，結(jié)合80%保證率原理[34-35]，分別確定土壤相對(duì)濕度適宜閾值范圍的上、下限，適宜閾值下限即對(duì)應(yīng)不適宜閾值范圍；再將不同年份間得到的共同閾值范圍，確定為各生育時(shí)期的適宜與不適宜閾值范圍。

土壤干旱閾值指標(biāo)的確定，是基于本地化驗(yàn)證后的WOFOST機(jī)理模型[36]，以土壤相對(duì)濕度為驅(qū)動(dòng)因子[37]；針對(duì)苗期、穗期與花粒期3個(gè)發(fā)育階段，以土壤相對(duì)濕度每單位變化引起總穗重變化的幅度（與潛在總穗重相比較，即減產(chǎn)率）為依據(jù)；參考已有農(nóng)業(yè)氣象評(píng)價(jià)指標(biāo)[38]，分別將無(wú)減產(chǎn)、減產(chǎn)5%、減產(chǎn)10%與減產(chǎn)20%對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)濕度，作為無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標(biāo)。

WOFOST模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和世界糧食研究中心共同開(kāi)發(fā)研制，以作物的同化作用、呼吸作用、蒸騰作用及干物質(zhì)分配等生理生態(tài)過(guò)程為模擬基礎(chǔ)，用于模擬特定土壤和氣候條件下作物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)解釋性模型。該模型以日為時(shí)間步長(zhǎng)，可動(dòng)態(tài)、定量模擬潛在、水分限制和養(yǎng)分限制3種水平下的作物生長(zhǎng)狀態(tài)[39-41]。由于該模型機(jī)理性強(qiáng)、源代碼開(kāi)放、調(diào)參相對(duì)簡(jiǎn)便，已經(jīng)在相關(guān)研究中發(fā)揮了重要的作用[42-44]。前期研究中，根據(jù)10個(gè)夏玉米觀測(cè)站的觀測(cè)資料與田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用決定系數(shù)（2）、歸一化均方根誤差（n）與相對(duì)誤差（）等指標(biāo)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該模型對(duì)山東夏玉米生育時(shí)期與產(chǎn)量形成的較準(zhǔn)確模擬，其中對(duì)出苗期、開(kāi)花期和成熟期的模擬誤差絕大多數(shù)站點(diǎn)均小于5 d，2分別在0.43—0.99、0.77—0.99 與0.51—0.99，n分別在0.3%—1.9%、0.4%—2.3%與0.7%—3.2%；絕大多數(shù)觀測(cè)站點(diǎn)產(chǎn)量模擬2在0.68—0.99，與n均小于10%[36]。

1.3 干旱影響評(píng)價(jià)方法

針對(duì)輕旱、中旱與重旱，分別在苗期、穗期與花粒期設(shè)置連續(xù)干旱3、5、10、15與20 d共5個(gè)干旱處理，依據(jù)模擬得到的地上部總干物重（TAGP）、總穗重（TWSO）、總?cè)~重（TWLV）、總莖重（TWST）與最大葉面積指數(shù)（MAXLAI）等指標(biāo)，分別與無(wú)旱狀況下進(jìn)行對(duì)比，從而明確不同程度干旱及其持續(xù)天數(shù)的影響。

2 結(jié)果

2.1 適宜閾值確定

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建各年夏玉米苗期、穗期及花粒期受旱條件下的干物重與土壤相對(duì)濕度的二次回歸擬合模型（圖1—3）。結(jié)果表明，2013與2014年夏玉米苗期適宜閾值范圍分別為62%—93%和61%—91%，不適宜閾值范圍分別為＜62%和＜61%；確定夏玉米苗期的適宜閾值范圍為62%—91%，不適宜閾值范圍為＜62%。2014與2015年夏玉米穗期適宜閾值范圍分別為66%—95%和64%—92%，不適宜閾值范圍分別為＜66%和＜64%；確定夏玉米穗期的適宜閾值范圍為66%—92%，不適宜閾值范圍為＜66%。2013與2015年夏玉米花粒期適宜閾值范圍分別為64%—95%和68%—94%，不適宜閾值范圍分別為＜64%和＜68%；確定夏玉米花粒期的適宜閾值范圍為68%—94%，不適宜閾值范圍為＜68%（表2）。

圖1 2013與2014年夏玉米苗期干物重與土壤相對(duì)濕度關(guān)系（p＜0.05）

圖2 2014與2015年夏玉米穗期干物重與土壤相對(duì)濕度關(guān)系（p＜0.05）

圖3 2013與2015年夏玉米花粒期干物重與土壤相對(duì)濕度關(guān)系（p＜0.05）

2.2 干旱閾值確定

根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果得到不適宜的土壤相對(duì)濕度，是較粗略的范圍，為進(jìn)一步確定不同發(fā)育階段的干旱閾值指標(biāo)，根據(jù)減產(chǎn)率的變化，確定了無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標(biāo)。圖4是夏玉米苗期、穗期與花粒期土壤相對(duì)濕度單位變化引起的減產(chǎn)率變化，通過(guò)對(duì)各方程解析，確定夏玉米苗期無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標(biāo)分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為57%、52%、49%與45%（表3）。

表2 各年不同發(fā)育階段適宜與不適宜土壤相對(duì)濕度閾值范圍

表3 夏玉米不同發(fā)育期干旱閾值指標(biāo)確定

2.3 干旱影響定量評(píng)價(jià)

在確定各發(fā)育階段干旱閾值的基礎(chǔ)上，對(duì)不同程度干旱及其不同持續(xù)天數(shù)的影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。以全省10個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的平均播種期與成熟期為依據(jù)，確定夏玉米的發(fā)育期日序在177—262。由此依據(jù)各生育期間的積溫狀況，確定苗期、穗期與花粒期的日序如表4所示，其中苗期在177—196，穗期在214—233，花粒期在243—262。

表4 夏玉米苗期、穗期與花粒期劃定（日序）

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)輕旱、中旱與重旱，分別在苗期、穗期與花粒期設(shè)置連續(xù)干旱3、5、10、15與20 d共5個(gè)干旱處理，依據(jù)模擬得到的地上部總干物重（TAGP）、總穗重（TWSO）、總?cè)~重（TWLV）、總莖重（TWST）與最大葉面積指數(shù)（MAXLAI）等指標(biāo)，分別與無(wú)旱狀況下進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，隨著輕旱持續(xù)天數(shù)的增加，各指標(biāo)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中TAGP減少幅度在3.2%—8.5%；TWLV與TWST減幅分別在3.9%—20.7%與3.7%—18.4%；MAXLAI減幅在3.0%—17.6%；TWSO減少幅度最小，且各持續(xù)天數(shù)間變化幅度不大，基本維持在2.9%左右。同樣，隨著中旱持續(xù)天數(shù)的增加，TAGP減幅在1.7%—17.0%；TWLV與TWST減幅分別為5.7%—40.8%與4.8%—36.6%；MAXLAI減幅在3.9%—37.1%；TWSO減幅最小，隨持續(xù)天數(shù)增加，最大減產(chǎn)幅度達(dá)6.1%。隨著重旱持續(xù)天數(shù)的增加，TAGP減幅在2.4%—31.8%；TWLV與TWST減幅分別在7.8%—60.1%與6.7%—55.3%；MAXLAI減幅在5.5%—56.8%；TWSO減幅在0.2%—18.8%（表5）。

圖4 夏玉米減產(chǎn)率與苗期、穗期及花粒期土壤相對(duì)濕度單位變化的關(guān)系

表6是穗期輕旱與中旱不同持續(xù)天數(shù)下，夏玉米各生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的變化程度。從中可以看出，隨著輕旱持續(xù)天數(shù)的增加，各指標(biāo)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中TAGP減幅在1.1%—6.7%；TWLV與TWST減幅分別在3.0%—8.2%與2.8%—7.8%；MAXLAI減幅在2.7%—9.9%；TWSO減幅在0.1%—6.0%。隨著中旱持續(xù)天數(shù)的增加，TAGP減幅在2.4%—17.1%；TWLV與TWST減幅分別在6.7%—20.7%與6.2%—19.9%；MAXLAI減幅在6.1%—29.6%；TWSO減幅在0.4%—15.5%。

穗期是夏玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)發(fā)生重旱，將導(dǎo)致夏玉米抽不出穗，形成不了最終產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，夏玉米重旱條件下，從持續(xù)3 d開(kāi)始，到持續(xù)20 d，各指標(biāo)均無(wú)變化，即說(shuō)明夏玉米穗期重旱發(fā)生，導(dǎo)致不能形成最終產(chǎn)量。

表5 苗期輕旱、中旱與重旱不同持續(xù)天數(shù)的各指標(biāo)變化程度

表中TAGP、TWSO、TWLV、TWST、MAXLAI分別代表地上部總干物重、總穗重、總?cè)~重、總莖重與最大葉面積指數(shù)。下同

The abbreviation of TAGP, TWSO, TWLV, TWST and MAXLAI represent the total above ground production, total dry weight of storage organs, total dry weight of leaves, total dry weight of stems and maximum leaf area index, respectively. The same as below

表6 穗期輕旱與中旱不同持續(xù)天數(shù)的各指標(biāo)變化程度

表7是花粒期輕旱、中旱與重旱不同持續(xù)天數(shù)下，夏玉米各生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的變化程度。結(jié)果表明，隨著輕旱持續(xù)天數(shù)的增加，各指標(biāo)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中TAGP減幅在0.7%—0.9%；TWLV與MAXLAI均無(wú)變化；TWST減幅為0.2%—0.3%；TWSO減幅在1.1%—1.3%。同樣，隨著中旱持續(xù)天數(shù)的增加，各指標(biāo)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中TAGP減幅在1.6%—2.9%；TWLV與MAXLAI無(wú)變化；TWST減幅為0.5%—0.7%；TWSO減幅在2.3%—4.1%。隨著重旱持續(xù)天數(shù)的增加，各指標(biāo)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中TAGP減幅在2.8%—7.8%；TWLV減幅均為0.1%；TWST減幅為0.8%—1.6%；MAXLAI無(wú)變化；TWSO減幅在4.0%—11.3%。

表7 花粒期輕旱、中旱與重旱不同持續(xù)天數(shù)的各指標(biāo)變化程度

綜上，苗期干旱對(duì)夏玉米總?cè)~重、總莖重與最大葉面積指數(shù)影響最大，穗期與花粒期干旱對(duì)總穗重影響最大，且穗期重旱將導(dǎo)致不能形成最終產(chǎn)量。

3 討論

土壤相對(duì)濕度作為表征農(nóng)業(yè)干旱的重要指標(biāo)之一，可以綜合反映土壤水分狀況和地表水文過(guò)程的大部分信息[45]，在準(zhǔn)確預(yù)報(bào)農(nóng)業(yè)干旱狀況、農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[46]，也是農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中最常用、最有效的指標(biāo)之一，能夠用于大田作物全生育期的土壤水分監(jiān)測(cè)[47]。相較于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）[48]、作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）[49]等常用干旱指標(biāo)，土壤相對(duì)濕度更為直觀，對(duì)于確定灌溉時(shí)間與灌溉量等具有較大的參考價(jià)值。

相關(guān)研究在設(shè)置控水試驗(yàn)時(shí)，以土壤相對(duì)濕度（55±5）%作為夏玉米輕度水分脅迫指標(biāo)，（35±5）%作為重度水分脅迫指標(biāo)，并以此為依據(jù)明確了夏玉米生長(zhǎng)的光譜特征與植被指數(shù)等指標(biāo)，在水分脅迫下的差異顯著[50]。該研究的控水設(shè)置與本文通過(guò)減產(chǎn)率確定的輕旱與重旱閾值指標(biāo)基本一致，這在一定程度上反映了本文干旱閾值指標(biāo)的有效性。同樣，已有研究表明，土壤濕度在70%—90%時(shí)，夏玉米苗期的光合速率和蒸騰速率受土壤水分影響很小，而當(dāng)土壤濕度低于70%時(shí)，光合速率和蒸騰速率會(huì)迅速下降[51]，這與本文確定的夏玉米苗期適宜土壤相對(duì)濕度范圍也較為一致。

WOFOST模型對(duì)發(fā)育期模擬的依據(jù)是“積溫學(xué)說(shuō)”，即作物完成某一發(fā)育進(jìn)程，其所需的積溫是一定的[41]。在模擬過(guò)程中，當(dāng)積溫達(dá)到時(shí)，該發(fā)育期即開(kāi)始，不受水分脅迫等影響。本文在評(píng)價(jià)干旱對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育的影響過(guò)程中，也未考慮干旱對(duì)于發(fā)育期的影響，在之后的研究中，如要提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要進(jìn)一步考慮發(fā)育進(jìn)程的可能變化范圍。本文中夏玉米土壤濕度相關(guān)閾值的確定與前期WOFOST模型的本地化驗(yàn)證等，均是以田間土壤水分控制試驗(yàn)的結(jié)果為主要依據(jù)，受處理設(shè)置與樣本容量等限制，對(duì)于更細(xì)致的閾值指標(biāo)優(yōu)化研究，可以結(jié)合更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，并在業(yè)務(wù)工作中進(jìn)行驗(yàn)證。

WOFOST模型缺少對(duì)作物補(bǔ)償效應(yīng)的反映，即夏玉米受干旱脅迫影響后，各生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)會(huì)降低，而復(fù)水后各指標(biāo)又會(huì)升至正常水平[44]。為此，針對(duì)模型補(bǔ)償效應(yīng)模塊的建立或算法的調(diào)整等，將在下一步的工作中進(jìn)行深入研究。

已有研究結(jié)果表明，在氣候變暖的背景下，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致田間蒸散量增加，土壤相對(duì)濕度隨之明顯下降[52]，干旱出現(xiàn)頻次及影響程度加大，最終影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程與產(chǎn)量形成[53-55]；在未來(lái)氣候情景下，夏玉米生產(chǎn)仍將面臨較大的干旱風(fēng)險(xiǎn)[56]。在此背景下，希望本文的相關(guān)閾值指標(biāo)與評(píng)估結(jié)果，能夠?yàn)榻档拖挠衩赘珊碉L(fēng)險(xiǎn)、提高資源利用效率等提供依據(jù)。但同時(shí)，土壤水分對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，還受到氣象因子、土壤肥力、土壤理化性質(zhì)、種植管理方式等多因素的限制，再將本文確定的相關(guān)閾值應(yīng)用到不同地區(qū)時(shí)，還需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際種植情況，對(duì)相關(guān)閾值指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文以土壤相對(duì)濕度為指標(biāo)，依據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果，確定了山東省夏玉米苗期適宜和不適宜的土壤相對(duì)濕度范圍，分別為62%—91%和＜62%；穗期適宜和不適宜土壤相對(duì)濕度范圍，分別為66%—92%和＜66%；花粒期適宜和不適宜土壤相對(duì)濕度范圍，分別為68%—94%和＜68%。應(yīng)用WOFOST作物機(jī)理模型，確定了夏玉米苗期無(wú)旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標(biāo)分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標(biāo)分別為57%、52%、49%與45%。通過(guò)設(shè)置不同干旱程度及其持續(xù)時(shí)間，明確苗期干旱對(duì)夏玉米總?cè)~重、總莖重與最大葉面積指數(shù)的影響最大；穗期與花粒期干旱對(duì)總穗重影響最大，對(duì)于產(chǎn)量形成的影響更為顯著。

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The thresholds of soil drought and its impacts on summer maize in Shandong province

DONG Zhiqiang1, LI Manhua1, LI Nan1, XUE Xiaoping1, CHEN Chen1, ZHANG jibo1, ZHAO Hong1, HOU Yingyu2, PAN Zhihua3

(1Shandong Provincial Climate Center, Ji’nan 250031;2National meteorological center, Beijing 100081;3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193)

【】This study was aimed to determine the suitable range and the drought stress thresholds of soil water on summer maize in Shandong Province, and to evaluate the effects of different drought degrees on growth and development and yield formation of summer maize quantitatively. So as to provide a basis for improving the utilization efficiency of agricultural water resources and alleviating the adverse impacts of drought stress. 【】Based on the data from field experiments, the suitable and unsuitable ranges of soil moisture were determined for the seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize. By the model of WOFOST, the drought stress thresholds were analyzed with the relative water content as the driving factor. And the drought effects were assessed quantitatively through different drought degrees and their duration days. 【】(1) The suitable ranges of soil water during seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize were 62%-91%, 66%-92% and 68%-94%, respectively. And the unsuitable ranges were less than 62%, 66% and 68%, respectively. (2) The thresholds of no drought, light drought, medium drought and severe drought during seedling stage were 53%, 50%, 45% and 40%, respectively. The thresholds of different drought degrees during ear stage were 58%, 48%, 43% and 37%, respectively. The thresholds of different drought degrees during grain stage were 57%, 52%, 49% and 45%, respectively. (3) The drought happened during seedling stage had the greatest effects on the total leaf weight, total stem weight and maximum leaf area index. The drought happened during ear stage and grain stage had the greatest effects on the total ear weight. And the severe drought during ear stage would result in the failure of final yield formation. 【】The suitable ranges of soil water and the drought thresholds of summer maize were brought to light in Shandong. The drought happened during ear stage and grain stage of summer maize had more significant impacts on yield formation.

summer maize; drought; thresholds; soil moisture

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.007

2020-05-14；

2020-07-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0301004）、公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201506001）、山東省自然科學(xué)基金（ZR2018BD024）、山東省氣象局氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目重點(diǎn)課題（2017sdqxz02）、“十三五”山東重大氣象工程項(xiàng)目（魯發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2017〕97號(hào)）

董智強(qiáng)，E-mail：zhiqiangdong@cau.edu.cn。通信作者薛曉萍，E-mail：xxpdhy@163.com

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）