山東夏玉米土壤干旱閾值研究與影響評價

董智強，李曼華，李楠，薛曉萍，陳辰，張繼波，趙紅，侯英雨，潘志華

山東夏玉米土壤干旱閾值研究與影響評價

董智強1，李曼華1，李楠1，薛曉萍1，陳辰1，張繼波1，趙紅1，侯英雨2，潘志華3

（1山東省氣候中心，濟南 250031；2國家氣象中心，北京 100081；3中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

【】確定山東夏玉米土壤水分的適宜閾值范圍與干旱脅迫閾值，定量化評估不同程度干旱對夏玉米生長發育和產量形成的影響，從而為提高農業水資源利用效率，緩解干旱脅迫的不利影響等提供依據?；谒挚刂圃囼灲Y果，確定夏玉米苗期、穗期與花粒期的土壤水分適宜與不適宜閾值范圍；以土壤相對濕度驅動WOFOST作物機理模型，明確無旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標；通過設置不同干旱程度與持續天數，完成定量化的干旱影響評價。（1）夏玉米苗期、穗期與花粒期的土壤水分適宜閾值范圍分別為62%—91%、66%—92%與68%—94%，不適宜閾值范圍分別為＜62%、＜66%及＜68%；（2）苗期無旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標分別為57%、52%、49%與45%；（3）苗期干旱對夏玉米總葉重、總莖重與最大葉面積指數的影響最大，穗期與花粒期干旱對總穗重影響最大，其中穗期重旱將導致不能形成最終產量。確定了夏玉米不同發育期的土壤水分閾值指標，夏玉米穗期與花粒期干旱對于產量形成的影響更為顯著。

夏玉米；干旱；閾值；土壤濕度

0 引言

【研究意義】山東省是中國糧食作物和經濟作物的重點產區。夏玉米是山東最主要的糧食作物之一，其播種面積與總產分別占全國總播種面積與總產的7.3%與7.8%[1-2]。山東夏玉米的產量變化，對于保障地區乃至全國糧食安全，具有舉足輕重的作用。干旱是對我國農業影響面最廣、影響程度最嚴重的自然災害[3]，資料顯示2003—2013年干旱造成我國農作物的受災面積約占總受災面積的51.9%[4]。干旱同樣是制約山東夏玉米穩產與高產的主要災害之一，不僅影響夏玉米的播種與出苗，還對其生長發育與產量形成造成嚴重的影響[5]。山東夏玉米生育期間氣溫高、蒸發量大，且降水分布不均，階段性干旱頻繁發生，加之夏玉米是需水較多且對干旱比較敏感的作物，受土壤水分盈虧的影響較大，干旱已成為這一地區影響范圍最大、造成產量損失最重的農業氣象災害之一[6-9]。【前人研究進展】夏玉米全生育期對水分均比較敏感，尤其是拔節期、抽雄吐絲期等，水分不足將導致產量及品質顯著降低[10-11]。夏玉米受干旱脅迫的影響與干旱程度、持續時間及生育進程等密切相關，特別是需水關鍵期受旱程度越重、持續時間越長，不利影響會越大[12-14]，夏玉米產量波動的不確定性也隨之增大[15]。玉米受旱后生長發育受到抑制，光合速率等生理指標顯著降低，最終導致產量下降[16-18]。玉米對土壤水分脅迫具有復雜的調控反饋機制，適度的水分虧缺并不能造成減產[19]。在特定的條件下，土壤干旱存在一個臨界閾值，干旱程度未超過該閾值時，作物對干旱產生適應性的變化，生理過程受影響程度較小，恢復正常供水后不減產[20-21]；但當干旱程度超過該閾值，作物將受到永久性的損害，恢復正常供水后，生理指標也不能恢復正常，產量顯著降低[22-23]?！颈狙芯壳腥朦c】已有對于土壤干旱閾值的研究中，大多以田間控水試驗為主[20, 24-25]，并結合統計模型進行等級確定[26]，或結合作物機理模型進行干旱脅迫影響模擬[27]。而針對山東土壤干旱閾值的研究相對較少，或是在相鄰地區確定指標的基礎上，在本地進行干旱等級的驗證[26]，或是以本地試驗數據結果為基準，多以干旱影響評估為主[28-29]，均缺乏本地化閾值指標的定量研究與確定?！緮M解決的關鍵問題】本研究結合已有大田水分控制試驗結果，確定夏玉米苗期（出苗—拔節期）、穗期（拔節—抽雄期）與花粒期（抽雄—成熟期）等3個關鍵生育期的適宜土壤水分閾值范圍；并應用WOFOST作物機理模型，以土壤相對濕度數據驅動模型，確定夏玉米3個關鍵生育期的無旱、輕旱、中旱及重旱閾值指標；在此基礎上，分析不同發育期內不同干旱持續天數，對夏玉米最大葉面積指數、地上部干物重等生長發育指標的影響，為山東夏玉米干旱脅迫的定量化影響評估提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文應用的氣象資料包括山東省2010—2015年逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、平均風速、空氣相對濕度等基本氣象資料；農業資料包括泰安等10個夏玉米農業氣象觀測站2010—2015年的發育期及產量結構資料，其中泰安、濟陽、聊城、菏澤、莒縣、濰坊、高密等觀測站以鄭單958為主要觀測品種，淄博、膠州與萊陽主要觀測品種分別為登海605、魯丹22號及敦玉8號；各觀測站歷年播種期與所在地適播期一致，田間管理方式與所在地高產方式一致。

水分控制試驗數據包括德州市夏津氣象觀測站（36°59′N，116°01′E，海拔27.4 m）2013—2015年的試驗資料。該研究區土壤為黃棕壤土，前茬作物為冬小麥，0—50 cm土壤田間持水量為22.3%，土壤容重為1.58 g·cm-3，凋萎系數為5.4%[30]。試驗品種為主栽品種鄭單958，播種方式為人工播種，播種時間與當地夏玉米適播期一致，其中2013年為6月21日，2014和2015年均為6月10日。其他管理方式與當地高產方式保持一致。

試驗共設置5個控水梯度（T1—T5），其中T1處理為4個重復，T2—T5處理均為3個重復，共16個小區，每個小區面積為28 m2（4 m×7 m），小區之間設置隔離帶，小區四周鋪設防滲膜，防止小區間土壤水分水平交換；通過遮雨棚阻隔自然降水，應用土鉆烘干法算出土壤相對濕度，各處理水分控制生育階段及土壤相對濕度指標如表1所示。其中T1處理在2013、2014與2015年，分別在花粒期、苗期與穗期將土壤相對濕度控制在40%以下；T2處理分別在3年中3個生育時期內，將土壤相對濕度控制在40%—60%之間；T3處理2013年在苗期與花粒期將土壤相對濕度控制在40%—60%之間，2014年在苗期與穗期控制在40%—60%之間，而2015年在穗期與花粒期控制在40%—60%之間；T4處理2013年各生育時期土壤相對濕度均控制在60%以上，2014與2015年控制在60%—80%之間；T5處理2013年各生育時期保持自然狀態，2014年與2015年均控制在80%以上（表1）。觀測項目包括夏玉米出苗期、3葉期、7葉期、拔節期、抽雄期、開花期、吐絲期、乳熟期、成熟期等生育時期，以及主要生育時期各器官干物重，果穗長、果穗粗、穗粒重、百粒重、理論產量等產量結構指標[30]，各觀測項目均按照《農業氣象觀測規范》[31]的要求進行觀測，取樣方式為隨機取樣。

表1 不同年份試驗小區水分控制設計

1.2 土壤水分閾值確定方法

基于之前學者的相關研究成果，本文針對土壤水分適宜閾值范圍的確定，以不同發育期夏玉米地上部干物重為主要指標。該指標不僅能衡量有機物積累及營養成分多寡[7, 32]，還能夠充分反映夏玉米的生理特性[33]，是其生長發育狀況的綜合表征，且在不同生育時期之間具備較強的可比性。結合水分控制試驗數據資料，分別構建歷年各生育時期干物重與土壤相對濕度的二次回歸擬合模型，結合80%保證率原理[34-35]，分別確定土壤相對濕度適宜閾值范圍的上、下限，適宜閾值下限即對應不適宜閾值范圍；再將不同年份間得到的共同閾值范圍，確定為各生育時期的適宜與不適宜閾值范圍。

土壤干旱閾值指標的確定，是基于本地化驗證后的WOFOST機理模型[36]，以土壤相對濕度為驅動因子[37]；針對苗期、穗期與花粒期3個發育階段，以土壤相對濕度每單位變化引起總穗重變化的幅度（與潛在總穗重相比較，即減產率）為依據；參考已有農業氣象評價指標[38]，分別將無減產、減產5%、減產10%與減產20%對應的土壤相對濕度，作為無旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標。

WOFOST模型是荷蘭瓦赫寧根大學和世界糧食研究中心共同開發研制，以作物的同化作用、呼吸作用、蒸騰作用及干物質分配等生理生態過程為模擬基礎，用于模擬特定土壤和氣候條件下作物生長的動態解釋性模型。該模型以日為時間步長，可動態、定量模擬潛在、水分限制和養分限制3種水平下的作物生長狀態[39-41]。由于該模型機理性強、源代碼開放、調參相對簡便，已經在相關研究中發揮了重要的作用[42-44]。前期研究中，根據10個夏玉米觀測站的觀測資料與田間試驗數據，應用決定系數（2）、歸一化均方根誤差（n）與相對誤差（）等指標，已經實現了該模型對山東夏玉米生育時期與產量形成的較準確模擬，其中對出苗期、開花期和成熟期的模擬誤差絕大多數站點均小于5 d，2分別在0.43—0.99、0.77—0.99 與0.51—0.99，n分別在0.3%—1.9%、0.4%—2.3%與0.7%—3.2%；絕大多數觀測站點產量模擬2在0.68—0.99，與n均小于10%[36]。

1.3 干旱影響評價方法

針對輕旱、中旱與重旱，分別在苗期、穗期與花粒期設置連續干旱3、5、10、15與20 d共5個干旱處理，依據模擬得到的地上部總干物重（TAGP）、總穗重（TWSO）、總葉重（TWLV）、總莖重（TWST）與最大葉面積指數（MAXLAI）等指標，分別與無旱狀況下進行對比，從而明確不同程度干旱及其持續天數的影響。

2 結果

2.1 適宜閾值確定

依據試驗數據，分別構建各年夏玉米苗期、穗期及花粒期受旱條件下的干物重與土壤相對濕度的二次回歸擬合模型（圖1—3）。結果表明，2013與2014年夏玉米苗期適宜閾值范圍分別為62%—93%和61%—91%，不適宜閾值范圍分別為＜62%和＜61%；確定夏玉米苗期的適宜閾值范圍為62%—91%，不適宜閾值范圍為＜62%。2014與2015年夏玉米穗期適宜閾值范圍分別為66%—95%和64%—92%，不適宜閾值范圍分別為＜66%和＜64%；確定夏玉米穗期的適宜閾值范圍為66%—92%，不適宜閾值范圍為＜66%。2013與2015年夏玉米花粒期適宜閾值范圍分別為64%—95%和68%—94%，不適宜閾值范圍分別為＜64%和＜68%；確定夏玉米花粒期的適宜閾值范圍為68%—94%，不適宜閾值范圍為＜68%（表2）。

圖1 2013與2014年夏玉米苗期干物重與土壤相對濕度關系（p＜0.05）

圖2 2014與2015年夏玉米穗期干物重與土壤相對濕度關系（p＜0.05）

圖3 2013與2015年夏玉米花粒期干物重與土壤相對濕度關系（p＜0.05）

2.2 干旱閾值確定

根據田間試驗結果得到不適宜的土壤相對濕度，是較粗略的范圍，為進一步確定不同發育階段的干旱閾值指標，根據減產率的變化，確定了無旱、輕旱、中旱與重旱的閾值指標。圖4是夏玉米苗期、穗期與花粒期土壤相對濕度單位變化引起的減產率變化，通過對各方程解析，確定夏玉米苗期無旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標分別為57%、52%、49%與45%（表3）。

表2 各年不同發育階段適宜與不適宜土壤相對濕度閾值范圍

表3 夏玉米不同發育期干旱閾值指標確定

2.3 干旱影響定量評價

在確定各發育階段干旱閾值的基礎上，對不同程度干旱及其不同持續天數的影響進行定量評價。以全省10個農業氣象觀測站的平均播種期與成熟期為依據，確定夏玉米的發育期日序在177—262。由此依據各生育期間的積溫狀況，確定苗期、穗期與花粒期的日序如表4所示，其中苗期在177—196，穗期在214—233，花粒期在243—262。

表4 夏玉米苗期、穗期與花粒期劃定（日序）

在此基礎上，針對輕旱、中旱與重旱，分別在苗期、穗期與花粒期設置連續干旱3、5、10、15與20 d共5個干旱處理，依據模擬得到的地上部總干物重（TAGP）、總穗重（TWSO）、總葉重（TWLV）、總莖重（TWST）與最大葉面積指數（MAXLAI）等指標，分別與無旱狀況下進行對比。結果表明，隨著輕旱持續天數的增加，各指標均表現為減少趨勢，其中TAGP減少幅度在3.2%—8.5%；TWLV與TWST減幅分別在3.9%—20.7%與3.7%—18.4%；MAXLAI減幅在3.0%—17.6%；TWSO減少幅度最小，且各持續天數間變化幅度不大，基本維持在2.9%左右。同樣，隨著中旱持續天數的增加，TAGP減幅在1.7%—17.0%；TWLV與TWST減幅分別為5.7%—40.8%與4.8%—36.6%；MAXLAI減幅在3.9%—37.1%；TWSO減幅最小，隨持續天數增加，最大減產幅度達6.1%。隨著重旱持續天數的增加，TAGP減幅在2.4%—31.8%；TWLV與TWST減幅分別在7.8%—60.1%與6.7%—55.3%；MAXLAI減幅在5.5%—56.8%；TWSO減幅在0.2%—18.8%（表5）。

圖4 夏玉米減產率與苗期、穗期及花粒期土壤相對濕度單位變化的關系

表6是穗期輕旱與中旱不同持續天數下，夏玉米各生長發育指標的變化程度。從中可以看出，隨著輕旱持續天數的增加，各指標均表現為減少趨勢，其中TAGP減幅在1.1%—6.7%；TWLV與TWST減幅分別在3.0%—8.2%與2.8%—7.8%；MAXLAI減幅在2.7%—9.9%；TWSO減幅在0.1%—6.0%。隨著中旱持續天數的增加，TAGP減幅在2.4%—17.1%；TWLV與TWST減幅分別在6.7%—20.7%與6.2%—19.9%；MAXLAI減幅在6.1%—29.6%；TWSO減幅在0.4%—15.5%。

穗期是夏玉米營養生長到生殖生長過渡的關鍵時期，此時發生重旱，將導致夏玉米抽不出穗，形成不了最終產量。本研究結果表明，夏玉米重旱條件下，從持續3 d開始，到持續20 d，各指標均無變化，即說明夏玉米穗期重旱發生，導致不能形成最終產量。

表5 苗期輕旱、中旱與重旱不同持續天數的各指標變化程度

表中TAGP、TWSO、TWLV、TWST、MAXLAI分別代表地上部總干物重、總穗重、總葉重、總莖重與最大葉面積指數。下同

The abbreviation of TAGP, TWSO, TWLV, TWST and MAXLAI represent the total above ground production, total dry weight of storage organs, total dry weight of leaves, total dry weight of stems and maximum leaf area index, respectively. The same as below

表6 穗期輕旱與中旱不同持續天數的各指標變化程度

表7是花粒期輕旱、中旱與重旱不同持續天數下，夏玉米各生長發育指標的變化程度。結果表明，隨著輕旱持續天數的增加，各指標均表現為減少趨勢，其中TAGP減幅在0.7%—0.9%；TWLV與MAXLAI均無變化；TWST減幅為0.2%—0.3%；TWSO減幅在1.1%—1.3%。同樣，隨著中旱持續天數的增加，各指標均表現為減少趨勢，其中TAGP減幅在1.6%—2.9%；TWLV與MAXLAI無變化；TWST減幅為0.5%—0.7%；TWSO減幅在2.3%—4.1%。隨著重旱持續天數的增加，各指標均表現為減少趨勢，其中TAGP減幅在2.8%—7.8%；TWLV減幅均為0.1%；TWST減幅為0.8%—1.6%；MAXLAI無變化；TWSO減幅在4.0%—11.3%。

表7 花粒期輕旱、中旱與重旱不同持續天數的各指標變化程度

綜上，苗期干旱對夏玉米總葉重、總莖重與最大葉面積指數影響最大，穗期與花粒期干旱對總穗重影響最大，且穗期重旱將導致不能形成最終產量。

3 討論

土壤相對濕度作為表征農業干旱的重要指標之一，可以綜合反映土壤水分狀況和地表水文過程的大部分信息[45]，在準確預報農業干旱狀況、農業抗旱減災實踐中得到了廣泛應用[46]，也是農業氣象業務服務中最常用、最有效的指標之一，能夠用于大田作物全生育期的土壤水分監測[47]。相較于標準化降水指數（SPI）[48]、作物水分虧缺指數（CWDI）[49]等常用干旱指標，土壤相對濕度更為直觀，對于確定灌溉時間與灌溉量等具有較大的參考價值。

相關研究在設置控水試驗時，以土壤相對濕度（55±5）%作為夏玉米輕度水分脅迫指標，（35±5）%作為重度水分脅迫指標，并以此為依據明確了夏玉米生長的光譜特征與植被指數等指標，在水分脅迫下的差異顯著[50]。該研究的控水設置與本文通過減產率確定的輕旱與重旱閾值指標基本一致，這在一定程度上反映了本文干旱閾值指標的有效性。同樣，已有研究表明，土壤濕度在70%—90%時，夏玉米苗期的光合速率和蒸騰速率受土壤水分影響很小，而當土壤濕度低于70%時，光合速率和蒸騰速率會迅速下降[51]，這與本文確定的夏玉米苗期適宜土壤相對濕度范圍也較為一致。

WOFOST模型對發育期模擬的依據是“積溫學說”，即作物完成某一發育進程，其所需的積溫是一定的[41]。在模擬過程中，當積溫達到時，該發育期即開始，不受水分脅迫等影響。本文在評價干旱對其生長發育的影響過程中，也未考慮干旱對于發育期的影響，在之后的研究中，如要提高評估結果的準確性，還需要進一步考慮發育進程的可能變化范圍。本文中夏玉米土壤濕度相關閾值的確定與前期WOFOST模型的本地化驗證等，均是以田間土壤水分控制試驗的結果為主要依據，受處理設置與樣本容量等限制，對于更細致的閾值指標優化研究，可以結合更多的試驗數據結果，并在業務工作中進行驗證。

WOFOST模型缺少對作物補償效應的反映，即夏玉米受干旱脅迫影響后，各生長發育指標會降低，而復水后各指標又會升至正常水平[44]。為此，針對模型補償效應模塊的建立或算法的調整等，將在下一步的工作中進行深入研究。

已有研究結果表明，在氣候變暖的背景下，氣溫升高會導致田間蒸散量增加，土壤相對濕度隨之明顯下降[52]，干旱出現頻次及影響程度加大，最終影響作物的生長發育進程與產量形成[53-55]；在未來氣候情景下，夏玉米生產仍將面臨較大的干旱風險[56]。在此背景下，希望本文的相關閾值指標與評估結果，能夠為降低夏玉米干旱風險、提高資源利用效率等提供依據。但同時，土壤水分對夏玉米生長發育的影響，還受到氣象因子、土壤肥力、土壤理化性質、種植管理方式等多因素的限制，再將本文確定的相關閾值應用到不同地區時，還需結合當地實際種植情況，對相關閾值指標進一步優化驗證。

4 結論

本文以土壤相對濕度為指標，依據田間試驗結果，確定了山東省夏玉米苗期適宜和不適宜的土壤相對濕度范圍，分別為62%—91%和＜62%；穗期適宜和不適宜土壤相對濕度范圍，分別為66%—92%和＜66%；花粒期適宜和不適宜土壤相對濕度范圍，分別為68%—94%和＜68%。應用WOFOST作物機理模型，確定了夏玉米苗期無旱、輕旱、中旱與重旱閾值指標分別為53%、50%、45%與40%，穗期各程度干旱閾值指標分別為58%、48%、43%與37%，花粒期各程度干旱閾值指標分別為57%、52%、49%與45%。通過設置不同干旱程度及其持續時間，明確苗期干旱對夏玉米總葉重、總莖重與最大葉面積指數的影響最大；穗期與花粒期干旱對總穗重影響最大，對于產量形成的影響更為顯著。

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The thresholds of soil drought and its impacts on summer maize in Shandong province

DONG Zhiqiang1, LI Manhua1, LI Nan1, XUE Xiaoping1, CHEN Chen1, ZHANG jibo1, ZHAO Hong1, HOU Yingyu2, PAN Zhihua3

(1Shandong Provincial Climate Center, Ji’nan 250031;2National meteorological center, Beijing 100081;3College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193)

【】This study was aimed to determine the suitable range and the drought stress thresholds of soil water on summer maize in Shandong Province, and to evaluate the effects of different drought degrees on growth and development and yield formation of summer maize quantitatively. So as to provide a basis for improving the utilization efficiency of agricultural water resources and alleviating the adverse impacts of drought stress. 【】Based on the data from field experiments, the suitable and unsuitable ranges of soil moisture were determined for the seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize. By the model of WOFOST, the drought stress thresholds were analyzed with the relative water content as the driving factor. And the drought effects were assessed quantitatively through different drought degrees and their duration days. 【】(1) The suitable ranges of soil water during seedling stage, ear stage and grain stage of summer maize were 62%-91%, 66%-92% and 68%-94%, respectively. And the unsuitable ranges were less than 62%, 66% and 68%, respectively. (2) The thresholds of no drought, light drought, medium drought and severe drought during seedling stage were 53%, 50%, 45% and 40%, respectively. The thresholds of different drought degrees during ear stage were 58%, 48%, 43% and 37%, respectively. The thresholds of different drought degrees during grain stage were 57%, 52%, 49% and 45%, respectively. (3) The drought happened during seedling stage had the greatest effects on the total leaf weight, total stem weight and maximum leaf area index. The drought happened during ear stage and grain stage had the greatest effects on the total ear weight. And the severe drought during ear stage would result in the failure of final yield formation. 【】The suitable ranges of soil water and the drought thresholds of summer maize were brought to light in Shandong. The drought happened during ear stage and grain stage of summer maize had more significant impacts on yield formation.

summer maize; drought; thresholds; soil moisture

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.007

2020-05-14；

2020-07-29

國家重點研發計劃（2017YFD0301004）、公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201506001）、山東省自然科學基金（ZR2018BD024）、山東省氣象局氣象科學技術研究項目重點課題（2017sdqxz02）、“十三五”山東重大氣象工程項目（魯發改農經〔2017〕97號）

董智強，E-mail：zhiqiangdong@cau.edu.cn。通信作者薛曉萍，E-mail：xxpdhy@163.com

（責任編輯 楊鑫浩）