湖南省春玉米光溫生產潛力和產量差特征及限制因子分析*

劉思華，李 晶，黃晚華**，汪天穎，李民華

湖南省春玉米光溫生產潛力和產量差特征及限制因子分析*

劉思華1，李 晶1，黃晚華1**，汪天穎1，李民華2

（1. 湖南省氣象科學研究所，長沙 410118；2. 湖南省懷化市氣象局，懷化 418000）

應用逐級訂正模型，按照“光、溫”逐級衰減的方法，逐日計算湖南省春玉米的光合生產潛力，通過每日溫度有效系數訂正得到逐日光溫生產潛力，并累積得到春玉米全生育期內1987?2016年光溫生產潛力。計算71個春玉米主產縣光溫潛力產量差，即主產縣實際單產與對應氣象站點光溫生產潛力的差值。結果表明：累積日照時數對春玉米光溫生產潛力和產量差的影響有限，3月下旬日照顯著增加但光溫生產潛力及產量差顯著下降，其區域分布集中在湘西南和湘南等地。積溫對春玉米光溫生產潛力和產量差的影響較廣，特別是高溫的限制作用，春玉米全生育期、3月下旬、6?7月積溫在全省絕大部分地區均顯著增加，且與光溫潛力和產量差呈顯著負相關。表明氣候變化影響下，高溫限制作用加強，湖南省春玉米光溫生產潛力顯著降低。目前湖南西部地區實際單產較低，光溫潛力產量差較高，春玉米產量有較大提升空間。

光溫生產潛力；產量差；高溫；春玉米

作物生產潛力是指在一定時期內單位土地面積上，在最優管理條件[1]下，作物可能獲得的最高產量[2]。產量差是指實際產量與潛在產量的差值，以不同的作物生產潛力產量水平為上限，可以得到不同等級的產量差[3]，灌溉農業一般以光溫生產潛力作為上限產量。劉志娟[4]、王連喜[5]等分別應用作物模型[6]、經驗模型[7]等方法在全國各地如云南[8]、四川和青海[9]、山西[10]、東北三省[11]、華北地區[12]、湖南計算了玉米[13]、小麥、水稻等作物的生產潛力[14]或產量差[15]。機制法[16]也稱逐級訂正模型[17]，是一種應用普遍的經驗模型，在全國[18]、三江地區[19]、黑龍江[20]、河南[21]、湖南[22]、江西的水稻[23]、玉米、大豆等作物中均有應用，以往多以逐年[24]、逐月、逐旬或分生育期進行計算，逐日計算的較少見報道。

玉米是湖南省主要旱糧作物，種植面積和產量僅次于水稻[25]，近年來種植面積不斷增加。湖南以春玉米為主，占總面積的90%以上[26]，但產量水平較低，受氣象因子影響明顯[27]。而氣候變化，特別是溫度對作物產量影響較大[28]，錢錦霞等[29]研究發現東北地區春玉米產量與各生育期平均氣溫相關性有正有負。湖南省春玉米生育后期受副熱帶高壓影響，高溫熱害頻發，探索玉米生產潛力及其限制因子，努力提高單產水平是玉米研究的重要方向和任務[30]。因此，本研究通過機制法，假設葉面積指數在生育期內逐日線性演變，逐日計算、訂正、累積湖南省春玉米1987?2016年光溫生產潛力，及其與實際產量的產量差，分生育期探討日照和積溫對光溫生產潛力和產量差的影響，并分析其在全省和各春玉米主產縣的具體表現。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數據為湖南省95個氣象觀測站1987?2016年的逐日資料，包括氣溫、日照時數、站點信息資料，來源于湖南省氣象信息中心。生育期資料通過積溫法推算，其中各站點的播種日期分別為其穩定通過8℃的初日（80%保證率）。產量資料為湖南省各縣1987?2016年數據，來源于湖南省統計局。

1.2 光溫生產潛力計算

式（4）、（5）中，T為日平均氣溫（℃），T1、T0、T2分別為玉米當日所處生育期的下限溫度（℃）、最適溫度（℃）、上限溫度（℃）。綜合文獻資料和實際生產經驗[31]，湖南省春玉米三基點溫度如表1所示。

1.3 產量差計算

表1 湖南省春玉米三基點溫度（℃）

通過式（1）?式（6）計算1987?2016年湖南省春玉米的光溫生產潛力、光溫潛力產量差，分析每10a氣候傾向率、空間分布及限制因子，采用t檢驗進行顯著性檢驗[32]。

1.4 數據分析

研究數據用Excel進行統計分析，采用線性傾向率、Pearson相關系數和t檢驗進行變化趨勢分析；空間分布圖通過GIS的普通克里金插值得到。

2 結果與分析

2.1 春玉米光溫生產潛力特征分析

2.1.1 時空變化

湖南省春玉米95個氣象觀測站1987?2016年光溫生產潛力平均值如圖1a所示，其年際間變化在14807（2010年）～21857kg·hm?2（1997年），呈極顯著下降趨勢（R=?0.52，P<0.01），氣候傾向率為1044kg·hm?2·10a?1。

湖南省春玉米1987?2016年氣象觀測站平均光溫生產潛力的空間分布如圖1b所示。由圖可見，其空間變化在13051（郴州）～28540kg·hm?2（桂東）。高值區主要集中在湘西部分地區和湘南局地，低值區主要集中在湘中偏南和湘中偏東。相關性分析顯示，春玉米光溫生產潛力與各站積溫（R=?0.88，P<0.001）、累積日照時數（R=?0.50，P<0.001）呈極顯著負相關，與各站海拔高度（R=0.78，P<0.001）呈極顯著正相關。這可能與日照時數較多時，溫度升高，而高海拔山區高溫限制更少、生育期延長等因素有關。

圖1 1987?2016年湖南省春玉米光溫生產潛力的時（a）、空（b）分布

注：圖b中帶圓圈站點表示光溫生產潛力線性變化趨勢（kg·hm?2·10a?1）通過0.05顯著性檢驗。下同。

Note: Arrows with circle in Fig.b represent significant linear trend (kg·ha?1·10y?1, P<0.05). The same as below.

由圖1b還可見，1987?2016年湖南省春玉米光溫生產潛力除炎陵外，99%（94個）的站點表現為下降趨勢；62%（59個）的站點通過0.05水平的顯著性檢驗，氣候傾向率為每10a下降749（汝城）～2931kg·hm?2（資興），空間分布與光溫生產潛力分布高度相似（R=0.33，P<0.01）。相關分析顯示，95站光溫生產潛力線性趨勢與各站積溫（R=0.34，P<0.001）、累積日照時數（R=0.27，P<0.01）呈顯著正相關。由此可知，湖南省春玉米生長季內積溫少、累積日照時數低的地區，光溫生產潛力線性變化速率小，氣候傾向率下降數值大，這可能與湖南省近30a春玉米生長季內積溫極顯著增加（R=0.67，P<0.001），湘西等山區高溫限制更小有關。

2.1.2 限制因子

1987?2016年湖南省春玉米生育期內累積日照時數和積溫與時間（R1）、光溫生產潛力（R2）的相關性如表2所示。由表可見，在全生育期（3月21日?7月31日）內，1987?2016年全省平均累積日照時數變化趨勢（R1）及其與光溫生產潛力的相關性（R2）均不顯著，從全省95個站點來看，相關性顯著的站點少于13%。全省平均積溫呈顯著增加趨勢，99%的站點通過顯著性檢驗且變化趨勢一致，68%的站點對光溫生產潛力有顯著降低作用。

3月下旬，湖南省春玉米大多處于播種?出苗期。近30a累積日照時數顯著增加，95%的站點通過顯著性檢驗且變化趨勢一致，24%的站點累積日照時數與光溫生產潛力呈顯著負相關，主要集中在湘西南、湘中、湘南。研究期內全省范圍內積溫顯著增加，99%站點通過顯著性檢驗且變化趨勢一致，52%的站點積溫與光溫生產潛力呈顯著負相關，主要集中在湘西、湘中、湘南，基本跟累積日照時數與光溫生產潛力顯著負相關的區域重合并有所擴展。這表明，近30a湖南省3月下旬的光熱資源顯著增加，對于省內部分地區，過多的日照和過高的積溫，可能導致土壤墑情下降，不利于春玉米根系向下伸展，影響蹲苗、壯苗。

4月上旬?5月中旬，湖南省春玉米大多處于出苗?拔節期。由表2可知，研究期內累積日照時數變化趨勢不明顯且對光溫生產潛力影響不大，通過顯著性檢驗的站點少于13%；全省區域內積溫顯著增加，60%的站點通過顯著性檢驗且變化趨勢一致，但積溫對光溫生產潛力的影響較小，通過顯著性檢驗的站點少于4%。

表2 1987?2016年湖南省春玉米各生育期累積日照時數、積溫與時間和光溫生產潛力的相關關系

注：*、**分別表示相關系數通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗。R1為氣象因子與時間的相關系數，N1為R1通過顯著性檢驗的主產縣數量；R2為氣象因子與光溫生產潛力的相關系數，N2為R2通過顯著性檢驗的主產縣數量。下同。

Note：*is P<0.05，**is P<0.01. R1is the correlation coefficient between each factor and year, N1is the number of counties in Hunan province whose R1is significant. R2is the correlation coefficient between each factor and light-temperature potential productivity, N2is the number of counties in Hunan province whose R2is significant. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month. The same as below.

5月中旬?6月中旬，湖南省春玉米大多處于拔節?抽雄期。近30a來36%的站點累積日照時數顯著減少，55%的站點累積日照時數與光溫生產潛力呈顯著正相關，主要集中在湘西南部、湘南、湘中部分地區。研究期內積溫對光溫生產潛力的影響不大，通過顯著性檢驗的站點少于2%。這表明，近30a湖南省5月中旬?6月中旬累積日照時數的下降是春玉米光溫生產潛力下降的部分原因。

6?7月，湖南省春玉米大多處于抽雄?成熟期。由表2可知，研究期內累積日照時數的變化趨勢不明顯，且對光溫生產潛力影響不大，通過顯著性檢驗的站點少于18%。全省范圍內積溫顯著增加，55%的站點通過顯著性檢驗且變化趨勢一致，對光溫生產潛力有顯著降低作用，94%的站點通過顯著性檢驗且相關性一致。這表明，近30a湖南省6?7月積溫的顯著增加，對絕大部分地區的春玉米光溫生產潛力有顯著降低作用。

2.2 實際產量和產量差特征分析

2.2.1 實際產量和產量差

湖南省春玉米71個主產縣平均實際產量（kg·hm?2）在1987?2016年極顯著增加（R=0.92，P<0.001），氣候傾向率為1152kg·hm?2·10a?1；平均光溫潛力產量差極顯著波動下降（R=?0.79，P<0.001），氣候傾向率為2251kg·hm?2·10a?1（趨勢圖略）。

1987?2016年湖南省春玉米71個主產縣實際產量的空間分如圖2a所示。由圖可見，其空間變化在1776（永州市寧遠縣）～5956kg·hm?2（岳陽市汨羅市）。高值區主要集中在湘東中部和北部，低值區主要集中在湘西偏北。相關性分析顯示，71縣春玉米光溫生產潛力與各縣實際產量呈極顯著負相關（R=?0.32，P<0.01），與各縣種植面積呈極顯著正相關（R=0.44，P<0.001）。這表明，湖南省春玉米的大面積種植區與光溫生產潛力的高值區基本重合，但目前實際產量較低，可能與土壤條件、耕種水平、山區田間管理不便等有關。由圖還可見，全省范圍內春玉米實際產量呈一致上升趨勢，97%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗，高值區主要集中在衡邵盆地、湘南、湘東北。

1987?2016年湖南省71個春玉米主產縣光溫潛力產量差的空間分布如圖2b所示。由圖可見，其空間變化在9393（郴州市蘇仙區）～25131kg·hm?2（郴州市汝城縣）。高值區主要集中在湘西和湘東南局地，低值區主要集中在湘中偏南和湘中偏東。相關性分析顯示，產量差空間分布與光溫生產潛力高度相似（R=0.97，P<0.001）。由圖還可見，全省范圍內春玉米光溫潛力產量差呈一致下降趨勢，99%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗，其空間分布與光溫生產潛力線性趨勢相似（R=0.80，P<0.001）。

圖2 1987?2016年湖南省春玉米實際單產（a）和光溫潛力產量差（b）平均值及其線性變化趨勢的空間分布

2.2.2 影響因子

1987?2016年湖南省春玉米生育期內累積日照時數和積溫與時間、產量差的相關系數如表3所示。由表可知，湖南省春玉米絕大部分主產縣全生育期積溫、3月下旬積溫、6?7月積溫與光溫潛力產量差呈顯著負相關。結合光溫生產潛力的影響因子分析可知，特定生育期內的溫度上升，顯著降低了湖南省春玉米的光溫潛力，同時，研究期內湖南省春玉米實際單產呈極顯著上升趨勢，光溫潛力產量差的顯著下降是氣象因子影響光溫生產潛力和實際單產顯著上升共同作用的結果。

另外，3月下旬累積日照時數顯著增加，是部分站點產量差降低的原因，這部分站點主要集中在湘中及其以南地區；5月中旬?6月中旬累積日照時數降低（不顯著），是部分站點產量差降低的原因，這部分站點主要集中在湘西、湘西南、湘南地區。

表3 1987?2016年湖南省春玉米不同生育期部分氣象指標與光溫潛力產量差的相關性分析

注：R1同上，R3為與氣象因子與光溫潛力產量差的相關系數，N3為R3通過顯著性檢驗的主產縣數量。

Note：R1is the same as Table 2, R3is the correlation coefficient between each factor and yield gap, N3is the number of counties in Hunan province whose R3is significant.

3 結論與討論

（1）近30a湖南省春玉米光溫生產潛力和光溫潛力產量差均呈顯著降低趨勢，全省大部分站點表現一致。這與鐘新科等[24]在東北地區春玉米氣候潛力、劉志娟等[15]在東北三省春玉米產量差上的研究結論一致。

（2）近30a湖南省累積日照時數的變化對光溫生產潛力和產量差的影響有限；3月下旬在湘中和湘南部分地區呈顯著負相關，5月中旬?6月中旬在湘西、湘西南和湘南呈顯著正相關。這可能與近30a日照時數變化趨勢不明顯有關。相關性分析結果與馬雅麗等[10]在山西玉米與生態氣候因子的研究中指出的日照影響小，且存在一定負效應的結論一致。

（3）近30a湖南省積溫變化影響較廣，春玉米全生育期、3月下旬、6?7月全省大部分地區積溫顯著增加，與光溫生產潛力和光溫潛力產量差呈顯著負相關。這表明，高溫可能是湖南省春玉米潛力及產量差的重要限制因子。湖南省西部山區春玉米目前實際單產較低，高溫限制較小，光溫潛力和產量差較高，具有較大提升空間。這與錢錦霞等[29]在東北地區的春玉米產量與乳熟?成熟期平均氣溫呈負相關的研究結論一致。

（4）受氣候變化影響，高溫限制作用加強，湖南省春玉米光溫生產潛力顯著下降，依此找出溫光條件對光溫生產潛力的顯著相關作用及其主要限制因子。將主要限制因子對光溫潛力產量差的影響進行驗證，亦發現較好的相關性。但是實際單產的顯著增加受農業種植技術等生產力水平因素影響過大，且湖南省春玉米生產數據僅有30a資料，難以剔除生產力水平影響，提取與氣象條件密切相關的氣象產量。因此，對光溫潛力產量差的限制因子分析還有待進一步深入。

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Characteristics and Limiting Factors of Light-temperature Potential Productivity and Yield Gap of Spring Maize in Hunan Province

LIU Si-hua1, LI Jing1, HUANG Wan-hua1, WANG Tian-ying1, LI Min-hua2

(1.Hunan Meteorological Research Institute, Changsha 410118, China; 2.Meteorological Bureau in Huaihua, Hunan Province, Huaihua 418000)

The stepwise correcting model was applied to calculate the light and temperature potentials of spring maize in Hunan Province from 1987 to 2016. Firstly, the daily light potential productivity was calculated, then the daily light-temperature potential productivity was obtained by correcting it using daily temperature effective coefficient. Finally, the daily values were accumulated to get the yearly light-temperature potential productivity. And the yield gap between actual yield and light-temperature potential productivity was calculated in the 71 major counties. The results showed that the effects of sunshine hours on light-temperature potential productivity and yield gap was limited. In the last ten-day of March, there were significantly negative correlations between accumulated sunshine hours and light-temperature potential productivities, yield gap, and the areas mainly distributed in Southwest and South Hunan. However, the accumulated temperature had wide effects on light-temperature potential productivity and yield gap, especially the limiting effects of high temperature. In the whole growth period, the last ten-day of March, and period from June to July, there were remarkable negative correlations between accumulated temperature and light-temperature potential productivity, yield gap in most areas of the province. In conclusion, affecting by climate change, the limiting effects of high temperature was strengthened, and the light-temperature potential productivity of spring maize was significantly reduced in Hunan Province. With the highest yield gap and the highest light-temperature potential productivity in west area of Hunan, there would be a large improvement space for spring maize yield.

Light-temperature potential productivity；Yield gap；High temperature；Spring maize

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.02.004

劉思華,李晶,黃晚華,等.湖南省春玉米光溫生產潛力和產量差特征及限制因子分析[J].中國農業氣象,2020,41(2):94-101

2019?07?21

黃晚華，E-mail：huangwh2008@163.com

“十三五”國家重點研發計劃（2016YFD0300101-05）；國家自然基金（31571560）；湖南省氣象局面上項目（XQKJ19B056）

劉思華，E-mail：lhczhc@qq.com