河套灌区是我国最大的自流灌区,位于内蒙古高原中部黄河沿岸的平原地区,西到贺兰山,东至呼和浩特市以东,北到狼山、大青山、南界鄂尔多斯高原,得天独厚的气候和引黄灌溉条件使其成为内蒙古重要农业区和商品粮基地.目前玉米的种植面积已占到粮食作物播种面积的 50%,主导着全区粮食的丰歉.
区域内日照充足,热量资源丰富,10℃以上活动积温 3100 ~ 3650℃·d,无霜期 140 ~ 162 天,呈现西高东低变化,偏东地区冷害风险较大.随着气候变暖内蒙和东北地区的玉米气候资源显着增加[1 -2],不同品种熟型玉米分布界线北移明显[3],增加了玉米低温冷害发生的风险.研究区历史上曾发生过多次不同程度的低温冷害,近 20 年有 3 次范围较大的冷害( 1991、1995 和 2007 年) ,平均减产 5 - 10%,其中 1991 和1995 年土默川地区、2007 年巴彦淖尔市前山地区较为严重,减产 15% 以上.由于生长期较长品种播种面积的增大和温度的波动性增强,低温对玉米稳产、高产的影响重新受到关注.
低温冷害是我国北方地区主要农业气象灾害之一,在东北地区发生比较严重和频繁.关于玉米低温冷害指标、机理的研究已有许多报道,主要是以积温负距平、发育延迟天数和生物量损失为基础,多数指标基于东北地区建立[4 -11],并在冷害预测、监测、评估中起着重要作用.目前的指标以气候学意义的静态指标居多,缺乏从过程和机制方面考虑,局域性较强,难以推广应用到其它区域[11 -13].因此,需要针对不同地区、不同发育时段建立能客观描述低温冷害发生规律的指标,以达到动态监测、评估的目的.文中利用河套地区近 20a 的玉米发育期、产量和温度资料,按照不同品种类型和发育进程,采用相对活动积温距平计算方法,综合考虑冷害的阶段性和延续性,制定适合内蒙古河套地区应用的低温冷害动态监测指标,为及时监测、评估和有效防御低温冷害造成的危害提供科学依据和技术支撑.
1 材料与方法
1. 1 资料来源和处理
河套灌区 12 个气象站 1991 -2012 年 4 ~10 月逐日气温和临河市、准格尔旗、土左旗 3 个农业气象观测站资料来源于内蒙古气象信息中心,相应地区历年产量资料和 2002 -2011 年内蒙古玉米品比试验资料分别来源于内蒙古统计局和内蒙古种子管理站.
1. 1. 1 发育期资料筛选
比较临河、准格尔旗近 10 年与近 20 年各发育期平均出现日期看出,近 10 年发育期略有推后,相差 0- 3 天,相差 2 天以内的发育时段占 89% ,总体变化不大.考虑到气候变化和品种更新的影响,兼顾各站资料年限( 土左旗发育期资料有 14 年) ,选用近 10 年( 2001 -2010 年) 资料分析各站玉米发育期正常年份平均出现日期代表多年平均状况.
1. 1. 2 产量资料处理
玉米气象产量波动系数采用( 1) 式计算,即:
式中: It为 t 年的波动系数; Yt为 t 年实际产量( kg/hm²) ; Yw为 t 年趋势产量( kg/hm²) ,采用线性或多项式拟合.选择气象产量波动系数小于 0 的年份作为减产年.
1. 2 相对活动积温距平计算方法
根据积温原理,玉米完成某一发育期所需的积温相对固定[9],其生长发育进程中某时段热量的满足程度可用该时段积温距平占总生育期积温的比率,即相对活动积温距平来表示:
式中: TXJ为相对活动积温距平,∑Ti为 i 发育时段实测活动积温( ℃·d) ,∑TOi为 i 发育时段标准活动积温( ℃·d) ,∑TO 为从出苗到成熟需要的总的标准活动积温( ℃·d) .
1. 3 玉米品种适宜种植区域划分为了确定各站点适宜种植的品种类型和正确选取冷害指标,需要进行玉米品种种植区域划分.根据代表站点资料分析,玉米出苗日期平均为5 月 12 日,成熟日期平均为 9月 20 日,以近 20 年出苗 - 成熟期间的活动积温平均值为基准,参考内蒙古玉米品种区划标准[14],以≥10℃ 活动积温 2850℃ ·d、2750℃ ·d 为下限,划分研究区玉米晚熟、中晚熟和中熟品种主要种植区域( 表1) .
2 低温冷害指标的确定
2. 1 玉米平均发育日期和活动积温下限的确定
统计近10 年各站≥10℃活动积温累积进程,去掉积温明显偏低年( 临河、土左旗和准格尔旗分别去掉2 010年、2003年和2006年) ,平均后作为该地区玉米不同生长阶段所需的积温( 表2 ) .参考品比试验结果( 表 3) ,得出临河玉米发育进程可以代表晚熟品种,土左旗和准格尔可分别代表中晚熟和中熟品种.
综合表 2 和表 3 结果,参考各站 1991 -2010 年不同时段积温的平均值,得出河套地区玉米主要品种在正常气候条件下各发育期普遍出现时间和所需的活动积温( 视作标准活动积温) ( 表 4) .
2. 2 相对活动积温距平指标确定
基于延迟型冷害发生特点和生产实际,选择发育期间隔日数 20 ~30 天的时段和抽雄 - 吐丝期 6 个发育时段制定冷害指标.考虑到指标的通用性,采用固定时段积温缺少量衡量.利用晚熟区 3 个站、中晚熟区 6 个站和中熟区 3 个站 20 年的日平均气温资料,以表 4 中的发育日期统计实测活动积温∑Ti,与相应的标准活动积温∑TOi和∑TO 比较计算出各时段各年的相对积温距平,按照积温减少幅度,参考历史低温冷害发生情况,确定出晚熟、中晚熟和中熟品种各生育阶段轻度、中度和重度相对活动积温距平冷害指标( 表 5) .
2. 3 积温指数等级指标
表 5 阈值反映了作物生长到某一阶段积温的相对亏缺程度,涉及到低温累积和高温补偿效应,但对不同时段低温叠加作用或连续性的影响考虑不足.而低温冷害是一个时间积累性农业气象灾害[5].在作物的全生育期中,任何时段出现的低温都有可能使得发育期延迟,但是否最终成灾,取决于低温持续时间的长短和低温的严重程度.通过分析历史资料,低温冷害的发生与低温出现时段的多少或低温持续时间长短关系密切,相关程度大于低温强度,采用相关系数法对 TXJ指标进行修正,得出以下积温指数计算方法:
式中: Ki为当前时段积温指数,Si为当前时段 TXJ指标判断的低温出现的次数,i =1 -6; Dij为当前时段冷害等级,j =1 -3,分别表示轻度、中度和重度.
参考减产程度对 K 值进行等级划分: 当 Ki= 2． 4 － 3． 1 时，轻度冷害 减产 0 ～ 5% ; 3． 2 － 4． 0 时，中度冷害 减产 5 ～ 10% ; 4． 1 以上时，重度冷害 减产 10% 以上。 积温指数等级指标不仅反映了作物生长过程中积温亏缺程度,也考虑了阶段温度的持续影响和后期温度的补偿效应.
3 指标检验和应用
3. 1 历史回代检验
采用公式( 2) 、( 3) 和表 5 计算各站不同时段的积温指数,并与相应等级指标比较,得出冷害等级指数判定结果( 表 6) : 近 20 年共发生不同程度低温冷害 60 站次,其中重度冷害占 31. 7%,中轻度占 68. 3%,低温年与减产年的一致率为 68. 3%.区域上看,1991 年有 10 个站出现了冷害,均造成减产,1993、1995、2003、2004 年有 8 个站同时出现冷害,发生率 67% 以上,属全区域性冷害年; 1992 年有 7 站出现冷害,发生率 58. 3%,为区域性冷害,除 2004 年外 71%的地区出现减产,说明大范围的低温冷害常造成减产,且回代检验的准确性较高.
3. 2 指标的外推检验
对 2011 - 2012 年冷害发生判别表明,2012 年河套偏南地区发生较严重低温冷害,造成不同程度的减产,其中准格尔旗、土左旗、临河区较为严重,减产 15%以上,呼和浩特市、包头较轻,发生区域占到 67%.2011 年准格尔发生了轻度冷害,外推检验冷害年与减产的一致性为 85. 7%( 表 7) .冷害判断与气象减产率的一致性表明所建指有较好的准确性.
4 讨论
河套灌区玉米低温冷害以延迟型冷害为主,危害特点是低温出现在营养生长期则会延迟抽穗,若发生在籽粒形成期,则使净光合能力降低,导致作物灌浆不充分而减产.但在作物生长过程中,低温既可以累积加重危害,也可以得到后期高温热量的弥补而减轻危害,因此,低温冷害的发生是一个连续的系统过程,对它的监测预测也应当是动态的.以往的指标多以静态为主,文中基于 6 个关键发育期建立的指标反映了生长季各阶段低温累积效应和高温补偿效益,基本满足了低温冷害动态监测的需要.然而,不同生长阶段玉米对相同温度的敏感性不同,本指标没有考虑温度热效益的影响,需要今后进一步研究,以增强指标的代表性和准确性.
冷害的危害程度一般以减产率来判别.与我国东部地区相比,河套地区玉米低温冷害的危害相对较轻,为了能客观反映研究区冷害发生,文中设定的减产标准较东北地区低 5%,即减产率 0 ~5%、5 ~10%、10 ~ 15% 分别为轻度、中度和重度冷害.冷害判断结果与气象减产率的一致性比较高,但要达到完全一致是很困难的,因为气象产量的波动受多种气候因子的影响,区分单一气象要素对产量的影响十分困难.冷害年作物产量的降低不仅与低温有关,而且会伴随有霜冻、干旱、病虫害等其它灾害,常造成减产幅度与冷害程度不一致的现象,同时发生冷害后也未必都造成减产[15],低温冷害发生与气象减产年的一致性,除了受气象产量的模拟偏差,品种熟性选择误差,指标本身的判断能力等影响外,还会受到低温发生时段与程度差异的影响,若冷害发生在敏感期且比较严重,即使后期热量充足也会对产量造成影响[16],而在抽雄 -吐丝和灌浆初期热量充足,其它时期的低温对产量影响较轻.2004 年土默川地区低温明显,主要是玉米生长前期热量不足,生育期虽有推后但在吐丝前后日平均温度较高,平均为 24. 3℃,且晚霜出现的晚而未造成明显减产.由此看出,利用减产年来判断冷害发生存在一定的不确定性,寻找其它生物指标来辅助判断冷害影响十分必要.
5 结论
通过分析项目区玉米的发育进程和≥10℃的活动积温,确定出晚熟、中晚熟和中熟玉米品种主要发育期在气候正常年份平均出现的日期和标准活动积温; 并基于相对活动积温距平( TXJ) 指标建立了积温指数计算方法,既刻画出冷害的阶段性和延续性,也反映了不同时段低温叠加作用,可用于描述玉米延迟型冷害的发生发展.该指标在玉米生长发育各时期均可进行冷害判别,后一次判别可看作是对前一次判别的修订和补充,越接近成熟期,判别结果越准确.这一指标为实现玉米低温冷害发生风险和灾损评估的动态化提供科学依据,也为河套地区玉米生产和减灾等农业气象服务提供一个新的技术手段.
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