玉米、小麥和水稻種植氣象服務圖示應用

孫倩倩 王也 袁東敏 閔裕秋 隋偉輝

（1 中國氣象局華風氣象傳媒集團，北京 100081；2 南京信息工程大學，南京 210044）

0 引言

我國是世界上自然災害易發、多發的國家之一。由于地處季風氣候區，各地氣溫、降水等氣象環境條件的年際變化較大，干旱、低溫冷害、冰雹、高溫等氣象災害頻頻發生。而農業是氣候影響最敏感的領域之一，頻率高、強度大的農業氣象災害給中國農業帶來巨大的經濟損失[1-2]。因此掌握農業氣象災害的特點和發生規律，對于防御氣象災害、提高防災減災的能力，保障農業增產具有十分重要的意義。

農業市場的發展方向開始向分工精細化過渡，因而對農業氣象信息的需求也日趨提高。另外，農業氣象信息產品往往缺少圖形匹配，影響了科學普及和提示服務的效果。因此提供具體的農業氣象災害信息，應該逐漸向著精細化、圖形化的方向發展，將農業氣象研究的科技成果通過圖集形式向農民進行傳播，增強農業氣象災害科普宣傳力度，提升為農服務的效果。

1 研究思路

目前關于農業氣象災害研究成果眾多，不過普遍是以單一災種對作物的影響為研究對象，但作物在不同生長發育時期或階段所遭受的氣象災害有所差異，對最終產量的影響也有不同[3-5]。針對這一短板，本文分析提煉了玉米、小麥、水稻這三種作物的不同生長發育期的高影響天氣，給出相應服務提示，并通過Surfer、Photoshop等軟件進行圖形產品開發，建立科普宣傳圖集，電視、網站、微博、微信等媒體均可以使用發布，通過全媒體進行廣泛傳播，也可以提高受眾的接受度。

2 玉米不同生育期災害性天氣分析

我國31 個省（市、區）都有玉米種植，從東北平原起，經黃淮海平原，至西南地區，形成了一條中國玉米帶[6]。在玉米整個生長期中，干旱、澇災、低溫冷害、高溫熱害是其易發生的幾種災害（圖1）[7]。

圖1 玉米發育期高影響天氣 Fig. 1 High-impact weather in the corn development

2.1 干旱

每年4—5月，正是東北、西北、華北等地春玉米播種的季節，若發生春季干旱，對出苗和苗期生長不利。而初夏（5月下旬—6月上、中旬）正是華北等地麥茬玉米、夏玉米的播種季節，此時若上述3旬的旬降水量不足20 mm，總雨量不足50 mm，或表層土壤濕度占田間持水量≤60%，將造成玉米晚播或出苗不好（圖2）。

圖2 玉米干旱指標 Fig. 2 Drought susceptibility index of corn

當植株開始進入旺盛生長階段，對水分要求迫切，抽雄前10天至后20天，是水分的臨介期，穗分化及開花期正是伏旱和伏秋連旱易發生期。干旱嚴重時，7月下旬—8月中旬，連續2旬的旬雨量不能滿足玉米需求，將造成雄穗與雌穗抽出時間間隔太長，授粉不良，果穗籽粒少；雄穗和雌穗抽不出來，雌穗部分不育甚至空桿。

抽雄—成熟期，土壤濕度占田間持水的百分率小于60%時開始受旱，小于40%時嚴重受旱，將造成花粉死亡，花絲干枯，不能受粉[8-9]。

2.2 澇災

從出苗至七葉期易受澇害，當土壤水分過多或積水時，會使根部受害，甚至死亡。當田間持水量90%以上持續3 d時，玉米三葉期表現紅、細、瘦弱，生長停止；連續降雨大于5 d時，苗弱黃或死亡。

大喇叭期以后，耐澇性逐漸提高。但花期7月下旬—8月中旬雨量之和大于200 mm，或8月上旬的雨量大于100 mm時，就會影響玉米的正常開花授粉，造成大量禿頂和空粒。

玉米中后期，耐澇性較強。若地面淹水深度10 mm并持續3 d，只要葉片露出水面都不會死亡，不過產量會受到很大的影響。但若出現大于10 d的連陰雨天氣，玉米光合作用減弱，植株瘦弱常出現空桿（圖3）[10-11]。

圖3 玉米澇災指標 Fig. 3 Flood susceptibility index of corn

2.3 低溫冷害

玉米的低溫冷害主要發生區域是在東北三省和內蒙古，可分兩種情況：一是夏季低溫，持續時間較長使抽穗期推遲，在持續低溫得影響下玉米灌漿期縮短，在早霜到來時籽粒不能正常成熟，如果早霜提前到來，則遭受低溫減產更為嚴重；二是秋季降溫早，使籽粒灌漿期縮短，玉米生育前期溫度不低，但秋季降溫過早，降溫強度強、速度快，初霜到來早，灌漿期氣溫低，灌漿速度緩慢，且灌漿期明顯縮短，籽粒不能正常成熟而減產[12-13]。

圖4 玉米低溫冷害指標 Fig. 4 Chill index of corn

2.4 高溫熱害

黃淮海地區6—9月是一年中溫度最高和降水最集中的季節。特別是7月下旬—8月上旬，是一年中平均氣溫最高的時間段，常出現極端高溫天氣（圖5）。而這時黃淮海玉米處在孕穗至吐絲授粉時期，是產量形成的關鍵期，對在地作物的后期產量形成影響較大[14]。

圖5 玉米高溫熱害指標 Fig. 5 High temperature damage index of corn

綜上四種氣象災害，得到玉米生育關鍵期重點氣象服務提示（表1）。

3 小麥不同生育期災害性天氣分析

小麥是一種溫帶長日照植物，其適應范圍較廣，自18°—50°N，從平原到海拔4000 m的高度均有栽培。我國小麥按種植季節可劃分為三個區域：春小麥區，主要分布在長城以北；北方冬小麥區，主要分布在秦嶺、淮河以北，長城以南；南方冬麥區，主要分布在秦嶺淮河以南[15]。

按照災害的嚴重程度排列，對小麥影響最嚴重的幾種災害依次為：干旱、凍害、霜凍、濕害、大風、熱害（干熱風、雨后青枯）、爛場雨（圖6）。

3.1 干旱

小麥干旱災害是我國麥區，尤其是北方冬麥區的主要農業氣象災害。播種出苗期容易出現夾秋旱，一般是出現在9—11月，氣溫持續偏高、降水稀少、空氣干燥、蒸發旺盛，導致土壤迅速失水。播種期出現干旱會影響根、葉的生長，出苗的時間推遲，嚴重的種子不能發芽。越冬期若發生干旱將使次生根的發育明顯受阻。返青拔節期干旱將使生長發育遲緩。抽穗開花期以及灌漿成熟期如果發生干旱會直接影響到小麥的產量，干旱較嚴重時，畝產量會顯著減少[16-17]。

表1 玉米生育關鍵期重點氣象服務提示 Table 1 Main meteorological service tips in the corn development

圖6 小麥發育期高影響天氣 Fig. 6 High-impact weather in the wheat development

3.2 凍害

小麥凍害是小麥與溫度關系的反應，是小麥在不同生育時期環境溫度低于其三基點溫度的下限溫度，使其生育受阻的一種氣象災害現象。

11 月中下旬—12月中旬，最低氣溫驟降10 ℃左右，達-10 ℃以下，持續 2～3 d，小麥的幼苗未經過抗寒性鍛煉，抗凍能力較差，極易形成初冬凍害。12 月下旬—翌年2 月中旬處在小麥越冬期，持續低溫或因天氣反常造成凍融交替而形成的小麥凍害。2月下旬—3月中旬，小麥返青至拔節期間，麥苗植株生長加快，抗寒力明顯下降，如遇寒流侵襲則易造成凍害，此類凍害發生較為頻繁且程度較重，是黃淮麥區的主要凍害類型。3月下旬—4月中旬，小麥在拔節至抽穗期間，對低溫極為敏感，氣溫回暖后又突然下降形成的霜凍，極易形成霜凍凍害（圖7）[18-20]。

圖7 冬小麥凍害類型 Fig. 7 Cold injury types of winter wheat

3.3 濕害

濕害是南方小麥產區穩定持續增產的主要障礙因子，隨著降雨量的增加，濕害程度也會有相應加重，單產相應降低。以拔節-成熟期發生濕害損失最重，尤其是長江中下游由于湖泊較多，地下水位較高，小麥生育期降雨偏多，大大超出小麥一生總的需水量，造成不同程度的濕害。

夏季爛場雨多發生在5月下旬—6月中旬，發生嚴重洪澇災害使得小麥受到較大損失的，均為爛場雨[21-22]。

3.4 大風

在小麥生育中后期，因受氣候因素或是栽培措施不當，易造成小麥大面積發生倒伏，嚴重影響小麥成熟，造成減產。氣候因素是，在小麥灌漿末期，由于先后陰雨，伴隨大于5～6級的陣風或大風，可使小麥大面積發生倒伏。

3.5 干熱風

干熱風是小麥生長發育后期，即開花、灌漿、乳熟階段，一種高溫低濕并伴有一定風力的農業氣象災害，麥株的芒、穗、葉片和莖稈等部位均可受害。較為嚴重的干熱風平均10年1～2次，而一般區域性干熱風幾乎年年都有發生。一般年份干熱風可使小麥減產1～2成，嚴重年份減產3成以上[23-24]。

綜上幾種氣象災害，得到小麥生育關鍵期重點氣象服務提示（表2）。

4 水稻

水稻是一種喜溫、喜濕的短日照作物，除海拔在2600 m以上的青藏高原以及東北、西北高山地區外，南起海南島崖縣，北至黑龍江黑河都可種植水稻[25]。在其生育期內，干旱、低溫冷害、高溫熱害、澇害為最主要的幾種災害（圖8）。

表2 小麥生育關鍵期重點氣象服務提示Table 2 Main meteorological service tips in the wheat development

圖8 水稻發育期高影響天氣及主要影響期 Fig. 8 High-impact weather in the rice development and main influencing periods

4.1 干旱

幼苗期，由于秧苗在移栽過程中，根系受損，新根發育剛開始，吸收力弱，而葉片蒸騰作用仍繼續進行，因而此時耐旱力較弱。分蘗前期由于移栽之后新根逐漸長出，耐旱能力較剛移栽后要強一些，但后期，分蘗需水量提高，干旱則容易導致植株分蘗數減少，植株矮小。孕穗期，幼植需要大量的水分和養分，如果水分供應不足，則花粉粒發育受阻，穎花數減少，穎花退化，結實粒數減少，產量降低。抽穗開花期需水量仍比較大，抗旱力較弱，干旱會影響授粉。乳熟期，水稻大量光合作用積累干物質，養分形成和運轉集中，都需要適量的水分，此時抗旱能力較弱，干旱則容易造成灌漿不飽滿，秕粒增多，蠟熟期則影響較小[26-27]。

4.2 低溫冷害

水稻作為喜溫作物，對于熱量需求較高，低溫冷害是水稻生長期間主要氣象災害之一，我國所有稻區都可能受到低溫冷害的威脅。水稻生長季內，低溫冷害主要出現在三個時段，也可以稱之為是水稻“三寒”（圖9）。

圖9 水稻低溫冷害指標 Fig. 9 Chill index of rice

“清明寒”即倒春寒，一般出現在3月中旬—4月上旬，影響南方早稻的播種育秧，若是出現在播種前，則會導致播種期延遲，若是播種之后，則容易引起早稻爛種、爛秧，還可能影響早稻分蘗和幼穗分化。

“小滿寒”也稱“五月寒”，是指5月出現連續3 d或以上日平均氣溫≤20 ℃的低溫天氣。在5月前期出現，會影響早稻的返青分蘗，會引起生育期推遲，減少有效分蘗。出現在5月下旬—6月上旬，則主要影響早稻孕穗揚花，花粉粒不能正常成熟，不能受精而造成空粒、癟粒。

“秋分寒”即“寒露風”，是指寒露節氣前后，我國南部秋季晚稻開花期間，強冷空氣侵入引起顯著降溫，影響水稻開花、授粉、受精和灌漿，使水稻結實率和品質下降而減產的一種低溫危害[28-29]。由于水稻品種的差異，寒露風的致災指標也有所不同，粳稻適于在高緯度或高海拔種植，耐寒性較好，在抽穗至開花期，當日平均氣溫連續3 d低于20 ℃，或2 d低于18 ℃時，容易遭受寒露風災害；而秈稻適宜在低緯度、低海拔濕熱地區種植，不耐寒，當日平均氣溫連續3 d低于22 ℃，或2 d低于20 ℃時，就容易致災[30]。

4.3 高溫熱害

高溫熱害一般是在水稻抽穗結實期，氣溫超過水稻正常生育溫度上限，影響正常開花結實，造成空秕粒率上升而減產甚至絕收。在我國北方稻區，水稻生長期內，很少有高溫危害。而在南方稻區，內陸地區高溫熱害影響大于沿海，尤其在長江流域多地，水稻容易遭受高溫熱害，導致水稻生育期縮短，灌漿不足，結實率下降，稻米品變差[31-32]。其中抽穗開花期是水稻對高溫最敏感的生育階段，其次為灌漿結實期和孕穗期，營養生長期高溫影響最小。

4.4 澇害

水稻屬于水田作物，有著較強的耐澇能力，在一定的淹水環境中，還有利于水稻的生長，但在長期淹水的環境仍會受到傷害。一方面可能會造成植株倒伏、莖稈折斷、葉片根系受損等直接傷害；另一方面，在淹水的環境下，氧氣和光照不足，光合速率和呼吸作用減弱，會導致光合產量降低，從而影響產量。

水稻孕穗期和抽穗開花期對淹水的反應最為敏感，耐澇性差，淹水后損失嚴重，其次是灌漿期和幼穗分化期；而分蘗期和成熟期耐澇性較強，淹水3～4 d影響還不大。淹水對于水稻生殖生長影響要更大一些，此時淹水將影響幼穗發育，容易出現爛穗、畸形穗等現象。乳熟期是水稻干物質積累、形成產量的關鍵時期，淹水會阻礙胚乳發育，導致空秕粒增加，米質下降。而在蠟熟期和完熟期，水稻灌漿完成之后，淹水影響不大，但可能會由于長期淹水，谷粒浸泡導致發炎霉爛而引起減產[33-34]。

綜上幾種氣象災害，得到水稻生育關鍵期重點氣象服務提示（表3）。

表3 水稻生育關鍵期重點氣象服務提示 Table 3 Main meteorological service tips in the rice development