河西走廊中部光能資源變化對玉米制種業的影響

褚超 殷雪蓮 萬巧銳 狄增文 雷俊

摘要 基于河西走廊中部1981—2020年玉米生長季逐日日照時數以及同期玉米發育期、播種面積和產量資料，采用回歸、Mann-Kendall檢驗和距平法分析玉米生長季光能資源變化特征及其對制種玉米生長發育和制種規模產生的影響。結果表明，1981—2020年河西走廊中部春玉米生長季內光能資源總體呈波動下降趨勢。光照強度和光照時間均在前20年隨時間呈上升趨勢，后20年呈下降趨勢。20世紀80年代年太陽總輻射為負距平，90年代為正距平，21世紀以來波動較大，但多以負距平為主。生長季4—6月日照時數呈上升趨勢，7—9月呈下降趨勢。春玉米播種期略有提前，成熟期推后速率為1.49 d/10 a，全生育期延長。玉米全生育期生長日數與同期日照時數均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為2.87 d/10 a和9.61 h/10 a，兩者存在顯著正相關。近40年河西走廊中部玉米制種面積和規模明顯增加，種植面積遞增率為0.23×104 hm2/a，近10年年平均播種面積為8.93×104 hm2，現有規范化玉米制種企業近70家，雜交品種900多個。光能資源等農業氣候資源的變化導致河西中部玉米生長發育的變化，從而對制種生產的管理措施和農事活動產生一定影響，在玉米制種過程中尤其要關注氣候變化，做到趨利避害，促進河西玉米制種業健康持續發展。

關鍵詞 光能資源;春玉米;生長發育;制種;河西走廊中部

中圖分類號 S 162? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0220-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.060

Influence of Radiation Resource Change on Maize Seed Industry in Central Hexi Corridor

CHU Chao1，2，YIN Xue-lian1，WAN Qiao-rui1 et al

（1.Zhangye Meteorological Bureau， Zhangye， Gansu 734000; 2. Zhangye National Climate Observatory， Zhangye， Gansu 734000）

Abstract Based on the daily sunshine hours of maize growing season in central Hexi Corridor from 1981 to 2020 and the data of growth period， planting area and yield in the same period， the variation characteristics of radiation resources in maize growing season and its influence on the maize growth and seed production scale were analyzed by regression， Mann-Kendall test and anomaly method. The results showed that the radiation energy resources showed a fluctuating downward trend during the growing season of spring maize in central Hexi Corridor from 1981 to 2020. The light duration and intensity increased with time in the first 20 years and decreased in the last 20 years. The total solar radiation was negative anomalies in the 1980s and positive anomalies in the 1990s. Since the 21st century， the total solar radiation fluctuated greatly， but most of them were negative anomaly. During the growing season， the sunshine hours increased from April to June， and decreased from July to September. The sowing date of spring maize was slightly advanced， the rate of maturity was 1.49 d/10a， and the whole growth period was prolonged. The growth days and sunshine hours in the whole growth period of maize showed an increasing trend， and the climate tendency rates were 2.87 d/10a and 9.61 h/10a， respectively， and there was a significant positive correlation between the two.In recent 40 years， the area and scale of maize seed production in the central Hexi Corridor increased significantly， and the increasing rate of planting area was 0.23×104 hm2/a， and the average annual planting area in the past 10 years was 8.93×104 hm2. At present， there were nearly 70 standardized maize seed production enterprises and more than 900 hybrid varieties. The change of agricultural climate resources such as radiation energy resources leads to the change of maize growth and development in the central Hexi corridor， which has a certain impact on the management measures and agricultural activities of seed production. In the process of maize seed production， we should pay special attention to the climate change， so as to pursue the advantages and avoid the disadvantages， and promote the healthy and sustainable development of maize seed industry in Hexi Corridor.

Key words Radiation resources;Spring maize;Growth;Seed production;Central Hexi Corridor

基金項目 2020年度甘肅省高等學校產業支撐引導項目（2020C-34）;2020年度干旱氣象科學研究基金項目（IAM202009）;2021年度甘肅省科技計劃項目（20JR10RG823）。

作者簡介 褚超（1987—），男，山東棗莊人，工程師，從事農業氣象以及氣候變化方面的研究。

收稿日期 2021-06-01

種業是國家重要的基礎性、戰略性核心產業，是保障國家糧食安全、提高糧食品質、改善農產品結構的根本要素，也是農業供給側改革的重要組成部分[1]。近年來，玉米制種業已成為河西中部地區重要的支柱產業，也是一大特色產業，種植歷史已有300多年，目前種植面積達近百萬畝，生產能力達到滿足全國玉米制種市場50%的要求，每年提供的玉米種子占整個市場份額的40%，因此也是現在全國最大的玉米制種基地，已成為我國制種玉米四大主產區之一。

氣候資源對玉米生長有著重要的影響，適宜的氣候資源有利于制種玉米優質高產，其中光能資源是重要的影響因素。光能是農作物生長發育和產量、品質形成的能量源泉，在植物體內干物質中，有90%左右是直接或間接地來自光合作用的產物。目前有關光能資源的研究多集中在多時空尺度的年季光能資源變化[2-9]、玉米生育期內光熱水條件變化[10-19]等方面，而針對光能資源對制種玉米生產影響的研究尚不多見。筆者利用河西走廊中部1981—2020年玉米生育期逐日日照時數以及同期玉米發育期、產量資料，從光照強度和光照時間2個方面分析制種玉米生長季光能資源變化特征及其對玉米制種業產生的影響，認識玉米生產中的主要光能資源問題，對指導制種玉米生產、防災減災有重要的現實意義。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選用河西中部（張掖市）1981—2020年玉米播種面積、產量和生長季（4—9月）逐日日照時數資料，以及1984—2020年玉米生育期資料，玉米為制種玉米，春性，中早熟，觀測對象為母本，抽雄開花期為父本。氣象數據選取距離玉米觀測點較近的氣象站。氣象和玉米生育期資料來源于張掖市氣象局，為實際觀測值。玉米播種面積和產量資料來自張掖市統計局。

1.2 研究方法

將玉米生育期劃分為出苗—拔節期（營養生長期）、拔節—吐絲期（營養生長與生殖生長并進期，簡稱并進期）、吐絲—成熟期（生殖生長期）3個階段。

①采用目前應用比較廣泛的基于日照觀測指標的太陽總輻射氣候學方法[20]，計算公式為Q=Q0（a+bS），式中，Q表示月太陽總輻射（MJ/m2）;Q0是月天文總輻射值（MJ/m2）;S是日照百分率（%）;a和b為經驗系數。

②采用一元線性回歸、距平法和Mann-Kendall檢驗[21]分析光能資源變化趨勢，即xt=a0+a1t，t=1，2，…，n，式中，xt為氣象要素的擬合值;a1×10稱為氣候傾向率，表示氣象要素每10年的變化率。

③對春玉米產量采用正交多項式擬合趨勢方程的方法，分離出趨勢產量（Yt）和氣象產量（Yw）。

④用回歸分析求取春玉米關鍵生長階段太陽總輻射、日照時數與生長日數和氣象產量的回歸系數，分析光能資源在各個生育期對春玉米生長的影響情況。

2 光能資源變化分析

2.1 太陽總輻射

從圖1a可以看出，近40年來張掖市春玉米生長季太陽總輻射總體呈下降趨勢，且具有明顯的波動性，但下降趨勢不明顯，氣候傾向率僅為-3.98 MJ/（m2·10 a）;太陽總輻射最少的年份為2010年，僅為3 687.20 MJ/m2，最多的年份為1990年，為4 059.87 MJ/m2，最多年比最少年多10.11%。1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年春玉米生長季太陽總輻射擬合方程分別為y=23.672x+3 684.8、y=4.868x+3 901.1、y=-17.938x+3 933.9、y=-12.251x+3 900，各年代年平均太陽總輻射分別為3 814.96、3 927.90、3 835.20、3 832.62 MJ/m2。從Mann-Kendall檢驗結果看，1981—2020年張掖市春玉米生長季太陽總輻射沒有出現顯著的突變現象。可見，張掖市玉米生長季太陽總輻射變化1981—1990年上升較為明顯，1991—2000年呈波動性上升，趨勢不明顯，后20年呈顯著下降趨勢。張掖市春玉米生長季太陽總輻射距平變化呈現較為明顯的年代特征（圖1 b），20世紀80年代為負距平，90年代為正距平，21世紀以來波動較大，但多以負距平為主。

2.2 日照時數

近40年來張掖市春玉米生長季日照時數隨時間變化具有一定的波動性，線性擬合方程為y=-0.087 6x+1 675.9（圖2）;

1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年春玉米生長季日照時數擬合方程分別為y=16.508x+1 555.6、y=3.753x+1 706.6、y=-12.932x+1 726.1、y=-7.688x+1 709.9。由此可見，近40年來張掖市春玉米生長季日照時數總體為下降趨勢，但前20年隨時間呈上升趨勢，后20年呈下降趨勢。從生長季內各月日照時數來看，4、5、6月日照時數呈上升趨勢，氣候傾向率分別為7.00、1.16、1.01 h/10 a;7月為下降趨勢，但幅度較小，氣候傾向率僅為-0.10 h/10 a;8、9月為下降趨勢，氣候傾向率分別為-4.91、-5.04 h/10 a。

3 光能資源變化對玉米制種業的影響

3.1 對玉米生長的影響

玉米是喜光作物，光能資源的增加有利于延長玉米的全生育期，發育期天數增加，使得玉米的產量和品質有了明顯提高[22]。1981—2020年河西中部玉米播種期略有提前，但變化速率不大，為0.71 d/10 a;1981—2007年玉米播期提前較多，變化速率為3.53 d/10 a;2008年以來，變化較小;成熟期推后較多，變化速率為1.49 d/10 a。這表明河西中部玉米播期提前，成熟期延后，全生育期延長。對玉米產量和光能資源的變化進行分析，發現玉米產量隨日照時數增多略有增長，但相關性較差，主要是由于氣象產量是由氣象因子綜合作用引起的，且玉米產量受種植制度、耕作方式、農業投入以及品種等影響較大。經研究發現（表1），1984—2020年河西中部春玉米全生育期生長日數與同期日照時數均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為2.87 d/10 a和9.61 h/10 a，兩者存在顯著正相關。其中，1984—1995年日照時數和生長日數呈上升趨勢，而1996—2007和2008—2020年春玉米日照時數呈現下降趨勢、生長日數呈上升趨勢，可見河西中部春玉米出苗—成熟期生長日數和同期日照時數在1984—1995年存在正相關，在1996—2007和2008—2020年存在負相關。

光能資源的變化對河西中部制種玉米生長發育的影響因生長階段不同而有所差異。在營養生長期（出苗—拔節期），1984—2020年春玉米生長日數與同期日照時數均呈下降趨勢，兩者存在正相關;1984—1995和1996—2007年日照時數和生長日數均呈上升趨勢，2008—2020年日照時數和生長日數均呈下降趨勢，表明河西中部制種玉米營養生長階段日照時數和生長日數存在顯著正相關。

在營養生長和生殖生長并進期（拔節—吐絲期），1984—2020年春玉米生長日數與同期日照時數均呈上升趨勢，兩者存在正相關;1984—1995和1996—2007年日照時數和生長日數均呈上升趨勢，而2008—2020年日照時數和生長日數呈負相關;由此可知，河西中部制種玉米營養生長和生殖生長并進期日照時數和生長日數在1984—1995和1996—2007年呈正相關，在2008—2020年呈負相關，這種負相關性可能是雜交玉米品種的變化和其他氣象要素綜合作用造成的。

在生殖生長期（吐絲—成熟期），1984—2020年春玉米生長日數與同期日照時數均呈上升趨勢，兩者存在正相關;1984—1995和2008—2020年日照時數和生長日數均呈上升趨勢，而1996—2007年生長日數和日照時數均呈下降趨勢，表明河西中部制種玉米生殖生長階段日照時數和生長日數存在顯著正相關，生長日數對同期日照時數的增加表現為明顯的延長趨勢。

3.2 對玉米制種規模的影響

近40年河西走廊中部春玉米種植區域擴展，面積明顯增加（圖3）。在氣候暖濕化背景下，由于光能資源與水熱條件的綜合作用，玉米種植上限高度已由海拔1 500 m提升到海拔2 000 m左右，張掖市適宜種植區由20世紀80年代的荒漠綠洲擴展到近2 000 m海拔的沿山區，向東南延伸近 50 km[23]。近40年河西走廊中部春玉米種植面積增加迅猛，1981—2020年春玉米種植面積遞增率為0.23×104 hm2/a。20世紀80年代張掖市春玉米年平均播種面積為1.72×104 hm2，90年代年平均播種面積為2.55×104 hm2，2001—2010年年平均播種面積為4.76×104 hm2，而2011—2020年年平均播種面積猛增至8.93×104 hm2，其中大部分為制種玉米，成為該區域內播種面積最大的作物。同時，制種企業的規模也在不斷發展壯大，現有規范化玉米制種企業70多家，雜交品種900多個，制種面積近6 700 hm2，占全省玉米制種面積的73%左右，占全國玉米制種面積的36%左右。

3.3 對玉米種植方式的影響

河西走廊中部玉米制種主要采用父母本雜交制種技術，這種技術是根據雙親花期差別進行父母本分期、錯期播種，使父母本花期相遇，完成雜交授粉，得到具備雙親優良性狀的玉米種子。這種制種方法決定了制種玉米的生長發育比傳統常規玉米對光能資源的變化更敏感，種植措施比常規玉米更嚴格，在制種過程中需要嚴格執行制種規程。其中對玉米種子產量、純度和發芽率影響較大的生產過程，如播種、去雄、收獲、晾曬等對光能等農業氣候資源尤為敏感，在生產過程中需根據當地光、熱、水等條件推測發育期，適時早播種，充分利用氣候資源;父母本分期、錯期播種，保證花期相遇;花期及時去雄，保證種子純度;適時早收獲，避開早霜凍對種子的不利影響;及早烘干晾曬，避免種子受凍影響發芽率。另外，根據氣候預測做好施肥、噴藥、灌溉等農事活動，同時還要預防因氣象條件變化引起的氣象災害、病蟲草害等，做到趨利避害，促進河西玉米制種業健康持續發展。

4 結論

通過對河西走廊中部1981—2020年玉米生長季光照強度和光照時間的變化特征及其對制種玉米生長發育和玉米制種規模影響的統計分析，得出以下結論：

（1）1981—2020年河西走廊中部春玉米生長季內光能資源總體呈波動下降趨勢。光照強度和光照時間均在前20年隨時間呈上升趨勢，后20年呈下降趨勢。20世紀80年代年太陽總輻射為負距平，90年代為正距平，21世紀以來波動較大，但多以負距平為主。從生長季內各月日照時數來看，4—6月日照時數呈上升趨勢，7—9月呈下降趨勢。

（2）春玉米播種期略有提前，成熟期推后速率為1.49 d/10 a，全生育期延長。1984—2020年河西中部春玉米全生育期生長日數與同期日照時數均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為2.87 d/10 a和9.61 h/10 a，兩者存在顯著正相關。對玉米產量和光能資源的變化進行分析，發現玉米產量隨日照時數增多略有增長，但相關性較差，主要是由于氣象產量是由氣象因子綜合作用引起的，且玉米產量受種植制度、耕作方式、農業投入以及品種等影響較大。

（3）1981—2020年河西走廊中部春玉米制種面積和規模明顯增加。近40年春玉米種植面積遞增率為0.23×104 hm2/a，近10年年平均播種面積為8.93×104 hm2。現有規范化玉米制種企業近70家，雜交品種900多個，制種面積近百萬畝，占全省玉米制種面積的73%左右，占全國玉米制種面積的36%左右。

（4）光能資源等農業氣候資源的變化導致河西中部玉米生長發育的變化，從而對制種生產的管理措施和農事活動產生一定影響，在玉米制種過程中尤其要關注氣候變化，保證制種玉米優質高產。

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