氣候變化背景下播期對東北春玉米資源利用、生育進(jìn)程、產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

孔慶偉張書萍

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心, 遼寧 沈陽 110034; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所,遼寧 沈陽 110161)

全球氣候變暖已是不爭的事實(shí),極端天氣事件發(fā)生頻率明顯增加[1]。 聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告研究指出,自1950年以來,由于全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的大幅增長導(dǎo)致大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度顯著上升,從而引起全球氣候變暖的現(xiàn)象。 東北地區(qū)是中國重要的玉米主產(chǎn)區(qū),位于世界三大“黃金玉米帶”。 氣候變化導(dǎo)致我國東北地區(qū)玉米的潛在產(chǎn)量減產(chǎn)趨勢越加明顯。 適宜的播種時(shí)間是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)的必要條件之一,合理的播期可與當(dāng)?shù)毓?、熱和水資源充分匹配,從而提高光溫生產(chǎn)潛力和水分利用效率,最終,在確保穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)上,提高產(chǎn)量潛力和資源利用效率。 本文從氣候變化現(xiàn)狀與趨勢分析、播期設(shè)置與氣候因子匹配、播期與光溫生產(chǎn)潛力和水分利用效率的關(guān)系、播期對東北春玉米生育進(jìn)程、產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、籽粒品質(zhì)的影響以及現(xiàn)存問題與展望等方面進(jìn)行了系統(tǒng)綜述,以期為制定應(yīng)對東北地區(qū)氣候變化趨利避害關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 氣候變化現(xiàn)狀與未來趨勢

1880～2012年期間,全球大氣平均溫度升高了0.85 ℃[2]。 在全球變暖的背景下,1909年至今約百年,中國陸地平均增溫幅度高于全球[3]。 東北春玉米在我國玉米生產(chǎn)中一直占有重要地位[4]。 同時(shí),由于該地區(qū)地理緯度高,溫度與水分對該地區(qū)影響較大,因此,該地區(qū)的光照、溫度和水分等氣象因子對玉米生產(chǎn)的影響備受國內(nèi)外同行關(guān)注[4,5]。 在全球氣候變化的大背景下,東北地區(qū)每10年氣溫上升平均為0.3 ℃[6],不同季節(jié)均呈增溫趨勢[7],增溫速率:冬季＞夏季[8]。 東北地區(qū)的極端高溫出現(xiàn)的頻次逐年增加[9],而降雨量則呈減少趨勢[10],且年際間降水量波動(dòng)較大[11]。 1961～2010年東北地區(qū)干旱災(zāi)害呈顯著上升趨勢[12],暖干化趨勢明顯[13]。 2014年,我國東北和華北地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱氣候事件,對我國玉米總產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國玉米總產(chǎn)較上年減產(chǎn)1%[14]。 氣候變化導(dǎo)致我國東北地區(qū)玉米的潛在產(chǎn)量下降[15],減產(chǎn)原因有相關(guān)學(xué)者認(rèn)為是水分減少導(dǎo)致[16],東北大部分地區(qū)干旱給玉米產(chǎn)量帶來的風(fēng)險(xiǎn)隨播種至成熟時(shí)間逐漸增大[17]。

科學(xué)家們預(yù)測未來氣候?qū)?huì)持續(xù)增暖,到21 世紀(jì)末,全球氣溫還將上升0.3～4.8 ℃[18],且未來的氣候系統(tǒng)將會(huì)變得更加復(fù)雜。 在未來氣候變化背景下,相關(guān)研究預(yù)估我國玉米等主要糧食作物產(chǎn)量都是以減產(chǎn)為主[19]。 未來東北地區(qū)降水空間差異會(huì)變大[20],這對我國未來的糧食安全十分不利。 未來東北地區(qū)氣溫與降水不能較好的自然匹配,會(huì)對玉米生產(chǎn)造成許多不利影響[21],例如,夏季干旱將加重玉米減產(chǎn)的可能性[17,22]。

2 播期設(shè)置與氣候因子匹配

播期調(diào)控可以充分利用氣候資源,特別是在全球氣候變化的背景下,適期播種可以趨利避害,提高產(chǎn)量[5]。合理的播期設(shè)置可以使玉米生長與光、溫、水等氣象資源高效匹配,為玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的關(guān)鍵階段創(chuàng)造良好的外部環(huán)境條件,從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[23]。 播種時(shí)間偏早或偏晚均會(huì)影響玉米生長和資源利用效率[24]。 氣候條件直接影響玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量,玉米高產(chǎn)與氣候因子適宜匹配密切相關(guān)[25]。 東北三省是中國受全球氣候變化影響最敏感的地區(qū)之一,近50年間平均每10年增溫0.38 ℃[26]。 設(shè)置合理播期,可提高當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源利用效率[27],趨利避害,實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[28]。 合理播期可以增加玉米吐絲后的積溫[29]。 適期早播可以充分利用積溫,減小低溫對玉米籽粒灌漿的影響[30];隨著播期推遲,玉米生育期間氣溫逐漸升高[31]。 高緯度地區(qū)主要采取將播種期提前,通過栽種更晚熟的品種,充分利用熱量資源,獲得更高的產(chǎn)量[22]。 生育期內(nèi)氣溫日較差對粒重增加有促進(jìn)作用,開花期降水間接影響產(chǎn)量形成[32]。 適當(dāng)提高抽雄至成熟階段溫度,可增加粒重,從而提高產(chǎn)量[33],籽粒灌漿期,提高光照可顯著提高玉米產(chǎn)量。 劉行等(2021)研究表明,玉米生育期平均溫度和生長度日,每10年的平均增幅分別為0.27 ℃和23.48 ℃,與我國其他地區(qū)相比,東北地區(qū)增加較顯著[34]。 東北地區(qū)玉米生產(chǎn)也受水分條件制約[35]。 經(jīng)研究,東北地區(qū)有效降水在灌漿期逐年減少,灌溉需水量增加[34]。 增溫導(dǎo)致的干旱會(huì)限制玉米的生長發(fā)育,與增溫對產(chǎn)量的正效應(yīng)相比,干旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)更為明顯[16]。 東北三省限制玉米產(chǎn)量的氣象因子不同,黑龍江省和吉林省主要受溫度影響,遼寧省則對降水量和日照時(shí)數(shù)反應(yīng)較敏感[36]。

3 播期對提高玉米光溫生產(chǎn)潛力和水分利用效率的作用

光溫生產(chǎn)潛力是指在水分、土壤肥力、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等條件適宜的情況下,由當(dāng)?shù)剌椛浜蜏囟葲Q定的作物最大產(chǎn)量。 適宜播期有利于提高玉米生產(chǎn)潛力[4],東北地區(qū)品種敏感參數(shù)值每增加10 ℃·d,玉米光溫生產(chǎn)潛力平均提高207.77 kg/hm2,玉米播期推遲5～15 d,光溫生產(chǎn)潛力增幅較高[4]。 土壤水分作為重要的生態(tài)因子之一,對于氣候環(huán)境因子特別是降水和氣溫的變化十分敏感。 路海東等(2015)研究表明,通過播期的調(diào)整可以改變雨養(yǎng)旱作春玉米在不同生長發(fā)育階段的土壤水分含量,可將玉米的需水關(guān)鍵時(shí)期和降水高峰期相匹配,能夠提高水分利用效率,最終達(dá)到節(jié)水增效的目的[37]。 孫宏勇等(2018)研究表明,由于不同播期降雨時(shí)間分布不均,春玉米的水分利用效率隨著播期的延遲呈逐漸增加[38]。

4 播期對東北春玉米生育進(jìn)程的影響

薛宏偉(2020)在黑龍江研究表明,隨播期推遲,玉米生育期縮短。 適當(dāng)早播可以延緩生育進(jìn)程,保證營養(yǎng)物質(zhì)的積累,促進(jìn)植株生長發(fā)育,提高產(chǎn)量[39]。 李文科等(2013)在吉林春玉米研究表明,隨著播期推遲,玉米生殖生長期所需的天數(shù)沒有顯著變化,營養(yǎng)生長期縮短[40]。蔡福等(2015)對遼寧省南部地區(qū)春玉米研究表明,適當(dāng)?shù)耐聿タ蓪⒋河衩赘魃谥糜谶m宜的溫度條件中[41]。趙先麗等(2017)在遼寧省南部研究表明,播種時(shí)間每推遲1 d,春玉米整個(gè)生長期長度平均縮短約0.395 d,營養(yǎng)生長期平均縮短約0.585 d,生殖生長期平均延長約0.235 d。 不同播期處理間,營養(yǎng)生長期長度差異最顯著,隨播期推遲,玉米產(chǎn)量呈先增加后減少趨勢。 對春玉米生育期長度影響較大的氣象因子為氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等[5]。 而呂曉等(2019)在遼寧錦州試驗(yàn)得出,過早播種不一定會(huì)導(dǎo)致玉米生育期提前[42]。

5 播期對東北春玉米產(chǎn)量的影響

氣候變化對春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量呈正效應(yīng)。 白帆等(2020)對東北三省春玉米研究表明,在充分灌溉條件下,20 世紀(jì)90年代和21 世紀(jì)初玉米適宜播期較20 世紀(jì)80年代有提前趨勢,其中20 世紀(jì)90年代提前趨勢更明顯[43]。 宮秀杰等(2019)在黑龍江哈爾濱研究表明,最遲播種時(shí)間為5 月6 日,在5 月6 日后播種,玉米產(chǎn)量均呈降低趨勢。 如果在正常播種期遭遇低溫冷害等極端天氣延遲播種時(shí),應(yīng)選擇中熟品種播種,確保產(chǎn)量安全[26]。 薛宏偉(2020)在黑龍江省哈爾濱研究表明,隨著播期推遲,產(chǎn)量先增后減[39]。 曹玉軍等(2016)在吉林研究表明,調(diào)整播期可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn),濕潤區(qū)適宜早播,半濕潤和半干旱地區(qū)適宜晚播[44]。 曹慶軍等(2013)在吉林省中部研究表明,玉米最佳播期在5 月7 日左右[45],而李文科等(2013)在吉林省西南部研究表明,玉米適宜播期在5 月中旬左右[40]。 于吉琳等(2013)在遼寧省研究指出,4 月25 日播種下產(chǎn)量較5 月中下旬播種下產(chǎn)量平均提高23.5%[46]。 米娜等(2016)在遼寧省錦州地區(qū)研究指出,玉米的最佳播期為4 月25 日～5 月10 日[47]。 趙先麗等(2017)在遼寧省莊河地區(qū)研究表明,春玉米產(chǎn)量隨播期的推遲,呈現(xiàn)先增后減的趨勢[5]。 劉紅(2020)在遼寧省鐵嶺市研究得出,播期提前理論上是可行的。 播期提前5 d 或10 d,配合生殖生長期灌溉,可降低減產(chǎn)幅度[22]。

6 播期對東北春玉米養(yǎng)分吸收利用與籽粒品質(zhì)的影響

6.1 土壤與植株養(yǎng)分積累

土壤肥力是土壤生產(chǎn)力的綜合反映,其豐缺情況直接影響著作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量。 由于播期的不同,使作物所處的溫度和降水條件不同,溫度的變化會(huì)對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響,而土壤養(yǎng)分的積累和有效性受降水量變化影響。 同時(shí),氣候變化也可通過對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響,進(jìn)而改變土壤水、結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況[48]。 調(diào)整播期,可通過直接影響作物生長期內(nèi)的溫度和降水,從而間接影響土壤養(yǎng)分狀態(tài)。

播期調(diào)控植株氮磷鉀吸收,主要是在不同播期下,生育期內(nèi)氣候條件產(chǎn)生變化所致,在早播處理下玉米的氮磷鉀吸收量顯著高于晚播處理,播期對干物質(zhì)積累的影響幅度高于對養(yǎng)分積累量的影響幅度[48]。 展文潔等(2021)在吉林省中部農(nóng)安縣研究指出,干物質(zhì)量與氮素累積量對產(chǎn)量形成有影響,提升氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量可有效促進(jìn)增產(chǎn)[49]。 張萌(2020)以京農(nóng)科728 和MC812 為試驗(yàn)材料,在5 月1 日、5 月10 日、5 月20 日 和5 月30 日 播種,研究表明,播期對春玉米養(yǎng)分的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)有顯著影響。玉米的植株氮素積累量以5 月30 日播種處理最高;磷素積累量以5 月20 日播種處理較低,其余各處理無顯著差異;植株鉀素的積累量以5 月10 日播種處理最高。 玉米植株的氮素和磷素的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對籽粒貢獻(xiàn)率均5月20 日和5 月30 日播種較高。 京農(nóng)科728 各器官的鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對籽粒的貢獻(xiàn)率以5 月1 日播種處理最大,MC812 以5 月20 日和5 月30 日播期處理下的鉀素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對籽粒貢獻(xiàn)率最大。 在不同播期處理下,玉米的養(yǎng)分收獲指數(shù)和生產(chǎn)效率均以5 月30 日播種處理較高,100 kg 籽粒的養(yǎng)分吸收量以5 月30 日播種處理較低[48]。

6.2 籽粒品質(zhì)

薛宏偉(2020)在黑龍江省研究表明,隨播期推遲,先玉696 籽粒蛋白質(zhì)含量降低,在4 月20 日播種時(shí)含量較高;其淀粉和油分含量增加,在5 月18 日播種時(shí)含量最高;籽粒粗脂肪、可溶性蛋白、可溶性糖、水分含量則呈先增加后降低趨勢,在5 月4 日播種時(shí)含量較高。 可見,播期推遲對玉米籽粒中蛋白質(zhì)含量影響較大,脂肪含量有所下降,如果能夠進(jìn)行適時(shí)早播,那么,玉米籽粒中蛋白質(zhì)、脂肪、糖分含量均會(huì)隨之增多。 另外,在黑龍江哈爾濱地區(qū),“適時(shí)晚播+低密度種植”,可促進(jìn)籽粒脂肪含量增加、提高品質(zhì)[39]。

7 問題與展望

7.1 模型預(yù)測

量化氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,探究應(yīng)對氣候變化的農(nóng)藝措施對保障未來糧食安全具有重要意義。 目前,世界上許多國家已經(jīng)研發(fā)了玉米等多作物模型。 如美國的Hybird-Maize 模型[50]、澳大利亞的APSIM 模型以及荷蘭的WOFOST 模型等[51,52]。 在模型應(yīng)用中還存在如下問題:第一,模擬結(jié)果有一定偏差。 例如,APSIM 等模型對玉米播種深度、病蟲害、草害、臭氧等與作物生長的一些因素考慮不足;第二,研究方法有局限[53]。 玉米品種及田間管理措施隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展在變化,且田間管理也會(huì)因政策和天氣等原因而改變,模型中的統(tǒng)一設(shè)定與實(shí)際情況存在一定偏差,增加了模擬結(jié)果的不確定性。上述兩點(diǎn),需要在今后的相關(guān)工作中,進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

7.2 研究方法

第一,大田試驗(yàn)方面,應(yīng)在不同氣候區(qū),結(jié)合多年定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展播期對玉米生育進(jìn)程、資源利用、產(chǎn)量構(gòu)成因子及產(chǎn)量的影響研究,進(jìn)一步明確玉米生長發(fā)育、光、熱、水等資源與植株生長匹配關(guān)系,量化播期對不同類型土壤溫度、水分等因子的調(diào)控效應(yīng),明確土壤環(huán)境變化對玉米生長發(fā)育的影響。 第二,在氣候變化影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究方面,相關(guān)數(shù)據(jù)的來源大多數(shù)是基于歷史氣候數(shù)據(jù),在利用最新氣候模式預(yù)測未來不同情景下氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響相關(guān)研究還比較欠缺。 今后,應(yīng)結(jié)合氣候變化和模型調(diào)參更新數(shù)據(jù)源,提高預(yù)測精準(zhǔn)性。 第三,目前,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中應(yīng)對氣候變化的增產(chǎn)措施比較單一,由于氣候變化的區(qū)域性和不確定性,今后,應(yīng)在區(qū)域尺度探究多種管理措施的交互作用下,研究應(yīng)對氣候變化、保障糧食產(chǎn)量的有效措施[19]。