伏旱与土壤湿度对春玉米和冬小麦产量的影响

2020-09-14张红妮张天峰车向军

湖北农业科学 2020年13期

张红妮张天峰车向军

摘要：利用甘肃省庆阳市黄土高原8个气象站1971—2018年共48年伏期降水量资料，分析了伏期降水和伏旱的空间分布特征、伏期降水的时间变化规律以及伏旱与春玉米和次年冬小麦产量的关系，用以代表黄土高原塬区董志塬上的西峰农业气象试验站1994—2018年春玉米田和1986—2015年冬小麦田伏期土壤相对湿度资料，分析了伏期土壤相对湿度与春玉米和冬小麦产量等的关系。结果表明，伏期降水量最少的是镇原气象站，为123.7 mm，次少的是环县气象站，为125.3 mm，最多的是正宁气象站，为162.5 mm，次多的是华池气象站，为149.9 mm。伏期降水量由东向西递减。伏旱频率最高的是合水、庆城、华池，为41.7%，伏旱频率最低的是宁县，为31.1%，频率从东北向西南递减。伏期降水量20世纪70年代降水偏少，80、90年代偏多，21世纪头10年偏少，2011—2018年偏多。伏期多雨年份比伏旱年份春玉米平均单产高960.0 kg/hm2;冬小麦平均单产高1 599.0 kg/hm2。伏期土壤相对湿度大年比小年玉米平均单产高2 287.5 kg/hm2;冬小麦平均单产高705.5 kg/hm2。

关键词：伏期干旱;土壤相对湿度;春玉米;冬小麦;庆阳黄土高原

Abstract： Using the precipitation data from the eight weather stations of Qingyang LOESS plateau from 1971 to 2018， the spatial distribution characteristics of the precipitation and drought were first analyzed， and the time change laws of precipitation were analyzed. The relationship between drought， spring corn and winter wheat yield was analyzed. It is then used to represent the data of soil relative humidity in the winter wheat field from spring 1994 to 2018 and winter wheat field from 1986 to 2015 at the Xifeng Agricultural meteorological experimental station on the Dongzhi plateau in the loess plateau. The relationship between soil relative humidity and spring corn and winter wheat production is analyzed. The results showed that the lowest precipitation was 123.7 mm in Zhenyuan weather station， 125.3 mm in Huanxian weather station， 162.5 mm in Zhengning weather station， and 149.9 mm in Huachi weather station. Precipitation decreases from East to West. The highest frequency of drought is 41.7% in Heshui， Qingcheng and Huachi， and 31.1% in Ningxian county， and the frequency decreases from northeast to southwest. Precipitation was less in the 1970s， more in the 1980s and 1990s， less in the 2020s， and more in 2011—2018. The average yield of corn per hectare was 960.0 kg/hm2 higher than that of the spring of the drought; The average yield height of winter wheat is 1 599.0 kg/hm2. The average yield of maize is 2287.5 kg/hm2 higher than that of soil relative humidity. The average yield height of winter wheat is 705.5 kg/hm2.

Key words：peripheral drought; relative soil humidity; spring corn; winter wheat; Qingyang loess plateau

庆阳黄土高原位于甘肃省东部，素有“陇东粮仓”之称，属雨养农业区。干旱对农业生产的影响范围广，时间长，危害重。由于长期无雨或少雨导致土壤和河流缺水，进而影响农作物生长甚至枯死，造成人畜饮水困难等灾害现象。该区自然降水变率较大，时空分布极不均匀，在作物的主要生长季节雨量变化相差很大。最多年份和最少年份的同月雨量相差几倍甚至十几倍。伏期（7月11日至8月20日，41 d）干旱（以下简称伏旱）指伏天出现较长时段的高温、晴热、少雨天气而发生的干旱，其时间虽短仅占全年的11.2%，但它是庆阳黄土高原的主要气候灾害之一，对以冬小麦和春玉米为主的夏、秋粮产量有较大影响。此时冬小麦正处收墒期，播前土壤底墒对其播种、出苗影响较大，进而影响次年冬小麦的产量。伏期更是春玉米等大秋作物需水量最多、耐旱力最差的时期，春玉米正处抽雄、开花、吐丝、灌浆、乳熟的关键发育期，对干旱最为敏感。作物的水分临界期出现旱害将影响作物的发育，特别是产量。春玉米的水分临界期主要发生在抽雄前“大喇叭口”期，这时的干旱即“卡脖子旱”。“大喇叭口”期遭遇干旱，对春玉米穗分化极为不利。春玉米开花、吐丝期最怕旱，开花、吐丝期的前后15 d即“大喇叭口”期和子粒形成期，在这时出现旱情会严重抑制雄花的正常发育及授精授粉和灌浆乳熟，干旱严重时可直接造成减产甚至绝收。关于伏旱，科研工作者已经做了很多研究，吴爱敏等[1]根据水分平衡原理，利用降水量和蒸发量两要素，定义伏旱指数，通过对伏期降水量、伏旱指数的分析，总结了庆阳黄土高原伏旱的时空分布等变化特征。董大学等[2]通过黄土高原塬区冬小麦产量与底墒关系的分析，得出黄土高原南部地区冬小麦产量与播前底墒相关性强，播前底墒和生育期降水均与产量有良好的相关性，可用于次年冬小麦产量趋势预测和建立数学模型。通过黄土高原塬区播前底墒变化和生育期差别供水对冬小麦产量、耗水量以及水分利用效率的影响，得出播前底墒对冬小麦产量具有决定性作用，产量随底墒线性增加[3-25]。研究利用1971—2018年庆阳黄土高原8个气象站的伏期降水量资料，分析了庆阳黄土高原伏期降水的年代际变化规律、伏旱出现的频率及时空分布特征，同时利用代表庆阳黄土高原塬区董志塬上的西峰農业气象试验站作物观测地段，伏期1994—2018年春玉米田0～50 cm、1986—2015年冬小麦田0～100 cm平均土壤相对湿度资料，分析了伏期土壤相对湿度与春玉米、次年冬小麦产量的关系，进而为分析庆阳黄土高原伏旱和伏期土壤湿度对粮食作物产量的影响提供理论依据，对于安排该地作物布局、加强田间管理及粮食作物的增产都有一定的积极作用。

1 资料与研究方法

1.1 资料来源

庆阳黄土高原8个气象站的降水资料来自甘肃省庆阳市气象局资料室，土壤相对湿度和作物发育期资料来源于西峰农业气象试验站，其中春玉米为覆膜玉米。冬小麦一般9月中下旬播种，次年6月中下旬成熟，产量以成熟年份为当年记录，伏期为播前收墒期。春玉米播种期为4月中下旬，成熟期为9月上中旬，伏期正处抽雄、开花、吐丝、灌浆和乳熟期。春玉米和冬小麦产量资料均来源于庆阳市统计局。

1.2 分析方法

利用庆阳黄土高原8个气象站的相关气象资料和作物发育期资料进行分析，采用Microsoft Excel 2003、Surfer绘图软件进行数据分析、制图，通过计算降水距平百分率统计伏旱出现的频率，分析伏旱的空间分布特征，进而从伏期区域平均降水量中各选取3个多雨年份和3个干旱年份，对伏旱与春玉米、次年冬小麦产量的关系进行分析。同樣以董志塬上的西峰农业气象试验站所测作物地段土壤相对湿度记录为庆阳黄土高原塬区代表点，通过统计春玉米田和冬小麦田平均土壤相对湿度资料，从伏期平均土壤相对湿度中各选取3个土壤相对湿度大年和3个土壤相对湿度小年，对伏期土壤相对湿度与春玉米和次年冬小麦产量的关系进行了分析。

2 结果与分析

2.1 伏期降水的空间分布特征

要分析伏旱的空间分布特征，就必须先分析伏期降水的空间分布特征。利用1971—2018年共48年庆阳黄土高原8个气象站的伏期降水资料（统一取每年的7月11日至8月20日，共41 d）为基础，分析了庆阳黄土高原7县1区伏期降水空间分布特点（图1），由图1可见，伏期降水量最少的是镇原气象站，为123.7 mm，次少的是环县气象站，为125.3 mm，最多的是正宁气象站，为162.5 mm，次多的是华池气象站，为149.9 mm。伏期降水量由东向西递减。

2.2 伏旱的频率分布特征

利用1971—2018年共48年庆阳黄土高原8个气象站伏期降水资料，计算降水距平百分率作为伏旱指标，以降水距平百分率小于-20%为伏旱年，通过频率出现时空分布特征，分析得出庆阳黄土高原伏旱的空间分布特征（图2）。由图2可见知，合水、庆城、华池伏旱出现频率最高，为41.7%，宁县伏旱出现频率最低，为31.1%，伏旱出现频率由东北向西南递减。

2.3 伏期降水量的时间变化规律

利用1971—2018年共48年庆阳黄土高原8个气象站的伏期降水，计算区域平均降水量，再计算降水距平百分率，由其时间演变曲线（图3）可以看出，伏期降水量年际变化很明显，对比48年的资料发现，虽然各县（区）的平均降水量相差不大，但多雨年份和伏旱年份的降水量差别较大，最多的年份是1988年，为266.2 mm，最少的年份是1972年，为67.6 mm，最多年份是最少年的3.9倍，说明庆阳黄土高原伏期降水的变率较大。1971—1974年降水偏少，1975年降水偏多，1976—1977年降水偏少，1978年降水偏多，1979年降水偏少，1980—1982年降水偏多，1983—1987年降水偏少，1988—1990年降水偏多，1991年降水偏少，1992—1993年降水偏多，1994年降水偏少，1995—1996年降水偏多，1997—1998年降水偏少，1999年降水偏多，2000—2002年降水偏少，2003—2004年降水偏多，2005—2007年降水偏少，2008—2011年降水偏多，2012年降水偏少，2013年降水偏多，2014—2016年降水偏少，2017—2018年降水偏多。

2.4 伏旱与春玉米、冬小麦产量的关系

从1971—2018年伏期区域平均降水量中各选取了3个多雨年和3个干旱年，多雨年依次是1988、1992和1996年，干旱年份依次是1972、1986和1994年，对伏旱与春玉米、次年冬小麦产量的关系进行分析。表1为伏期多雨年份和干旱年份降水量与春玉米、冬小麦产量的对比。由表1可知，多雨年份平均降水量248.5 mm，干旱年份平均降水量为68.9 mm，多雨年份平均降水量是干旱年份的3.6倍。多雨年份春玉米平均单产为3 886.5 kg/hm2，干旱年份为2 926.0 kg/hm2，多雨年份比干旱年份玉米平均单产高960.5 kg/hm2，说明伏期降水量多，玉米产量就高;伏期降水量少，易形成“卡脖子旱”，玉米产量也就低。特别是对没有采取抗旱措施的春播玉米产量影响更大，主要表现为穗粒数和百粒重降低。多雨年份冬小麦次年平均单产为2 486.0 kg/hm2，干旱年份冬小麦次年平均单产为886.5 kg/hm2，多雨年比干旱年份冬小麦平均单产高1 599.5 kg/hm2。

2.5 伏期土壤相对湿度与春玉米产量的关系

以庆阳黄土高原塬区董志塬上的西峰农业气象试验站春玉米观测地段所测土壤相对湿度记录为代表，从1994—2018年西峰伏期春玉米田0～50 cm平均土壤相对湿度中各选取3个土壤相对湿度大年和3个土壤相对湿度小年，土壤相对湿度大年依次是1996、2013和2018年，土壤相对湿度小年依次是2011、2017和2001年，对伏期春玉米田土壤相对湿度与春玉米产量的关系进行分析。表2为伏期春玉米田土壤相对湿度大年和土壤相对湿度小年与春玉米产量的对比。由表2可知，伏期土壤相对湿度大年春玉米平均单产为6 754.5 kg/hm2，小年平均单产为4 467.0 kg/hm2，土壤相对湿度大年比小年春玉米平均单产高2 287.5 kg/hm2，这说明伏期春玉米田土壤相对湿度大，春玉米产量就高，土壤相对湿度小，春玉米产量也就低。春玉米伏期土壤相对湿度与产量形成关系密切，伏期是春玉米抽雄、开花和吐丝（西峰农业气象试验站历年作物发育期资料显示，平均日期7月15日至7月18日）、灌浆、乳熟（平均日期8月13日）的关键时期，穗期春玉米生长旺盛，加之气温较高，植株蒸腾蒸发量大，需水量较大，“大喇叭口”期为雌穗小花分化阶段，对水分反应十分敏感，土壤水分缺乏会引起“卡脖子旱”，使雌穗小花减少，造成雌雄不协调，影响正常授粉，抑制花丝伸长，缩短散粉时间，使结实率降低，导致秃尖、秕粒或缺粒，使穗粒数减少。同时伏期春玉米正处于子粒灌浆阶段，是春玉米子粒增重的关键时期，土壤水分是否适宜，对春玉米产量形成影响较大，充足的土壤水分供给可以有效延长灌浆时间，防止植株早衰，提高灌浆强度，促进子粒干物质积累，增加穗粒数，使子粒饱满，百粒重提高，从而促进产量增加。西峰农业气象试验站经多年观测，总结出春玉米田最适宜的土壤相对湿度指标为60%～85%。

2.6 伏期土壤相对湿度与次年冬小麦产量的关系

同样，以黄土高原塬区董志塬上的西峰农业气象试验站冬小麦观测地段所测土壤相对湿度记录为代表，从1986—2015年伏期冬小麦田0～100 cm土壤相对湿度中各选取了3个土壤相对湿度大年和3个土壤相对湿度小年，土壤相对湿度大年依次是2013、1990和2005年，土壤相对湿度小年依次是1995、1997和2001年，对伏期冬小麦田土壤相对湿度与次年冬小麦产量的关系进行分析（表3）。由表3可知，伏期土壤相对湿度大年次年冬小麦平均单产为3 225.5 kg/hm2，小年平均单产为2 520.0 kg/hm2，土壤相对湿度大年比小年次年冬小麦平均单产高705.5 kg/hm2，这说明伏期冬小麦田土壤相对湿度大，次年冬小麦产量就高，土壤相对湿度小，次年冬小麦产量也就低。伏期正是次年冬小麦播前收墒期，播前底墒对冬小麦的作用尤其重要，二者关系密切，西峰农业气象试验站经多年观测，总结出冬小麦播种时最适宜的土壤相对湿度指标为65%～80%。在此土壤水分下，冬小麦不仅出苗快、出苗齐，而且能促进冬前分蘖。反之播前土壤干旱或过湿，可造成弱苗，叶片出生缓慢、瘦小或早期变黄，不发生次生根，冬前不分蘖或分蘖极少，造成全田总茎数不足。土壤相对湿度大于90%则土壤水分过多，土壤空气不足，根系生长受限制;土壤相对湿度小于50%则土壤水分不足，根易早衰，抑制分蘖的产生，都不利于冬小麦苗期生长。在黄土高原塬区气候条件下充足的播前底墒是旱作冬小麦高产的关键因素，充足的土壤水分能有效保证冬小麦良好的出苗状况并促进其分蘖，最终提升成熟期单位面积有效穗数，从而使产量得到提高。所谓“麦收隔年墒”“三伏多雨好种麦”等农谚也充分说明播前底墒是冬小麦增产的重要保障，播前底墒在很大程度上决定次年冬小麦产量的高低。

3 结论

伏期降水量最少的是镇原气象站，为123.7 mm，次少的是环县气象站，为125.3 mm，最多的是正宁气象站，为162.5 mm，次多的是华池气象站，为149.9 mm。伏期降水量由东向西递减。

伏旱频率最高的是合水、庆城、华池，为41.7%，伏旱频率最低的是宁县，为31.1%，频率从东北向西南递减。

伏期降水量20世纪70年代偏少，80、90年代偏多，21世纪头10年偏少，2011—2018年偏多。

伏期多雨年份比干旱年份春玉米平均单产高960.5 kg/hm2，冬小麦平均单产高1 599.5 kg/hm2。

伏期土壤相对湿度大年比小年春玉米平均单产高2 287.5 kg/hm2，次年冬小麦平均单产高705.5 kg/hm2。播前底墒在很大程度上决定次年冬小麦产量的高低。

参考文献：

[1] 吴爱敏，董安详，郭江勇. 陇东伏旱的气候变化及预报[J]. 干旱气象，2004，22（2）：57-61.

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