北疆制種玉米關鍵生育期氣象指標研究

李繼輝，向 導，楊明鳳

（新疆烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆石河子 832000）

良種是高效農業的基礎，是農業發展的“芯片”，是糧食安全的根本保障。根據2021—2025 年中國種子行業全景調研結果，中國主要農作物種子實現品種自主良種選育覆蓋率超過97%，玉米自主品種播種面積占90%以上，對農業增產的貢獻率達到45%［1］。種子繁育生產中，在技術保障的前提下，地理環境及自然氣候條件是種子質量的決定因素［2-4］，因此，開展種子繁育氣象關鍵期及指標研究，對種子繁育基地的選擇和種子發展具有重要意義。適宜的地理環境、氣候條件是優質農產品的基本保障，與氣溫、降水、日照關系密切［2，5］。殷雪蓮等［6］從氣候條件分析的角度對張掖市制種玉米氣候品質技術進行認證，根據制種玉米氣候區劃綜合評價玉米生長期氣候條件，認證制種玉米氣候品質優良等級。作物產地優良品質氣候鑒定和作物氣候關鍵期以及氣象指標研究是一項新課題，金志鳳等［7］、劉瑞娜等［8］開展了浙江省和安徽省地方茶葉氣候品質評價，并確定關鍵期氣候指標。北疆是溫帶大陸性干旱半干旱氣候，氣溫溫差較大，日照充足，降水少，氣候干燥，年均氣溫-4～9 ℃，4—9 月降水量在150 mm 左右，無霜期在140～185 d。由于特殊的氣候條件，北疆地區成為玉米制種基地，供應全國。本研究利用2021—2022 年新疆北疆地區制種玉米產量資料、物候期資料，采用積分回歸方法和氣候診斷分析方法，研究北疆制種玉米生長期氣候關鍵期和氣候因子對產量的貢獻以及關鍵期氣象指標，旨在為北疆地區制種玉米優良品質品牌創建氣候鑒定奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 資料來源

制種玉米播種面積、產量資料來源于烏魯木齊市統計局，制種玉米物候期、氣象資料來源于新疆維吾爾自治區氣象局氣象信息服務中心，包括烏魯木齊、阿勒泰、塔城、昌吉、伊犁、博爾塔拉、石河子等地區逐日平均氣溫、日照時數和降水量。資料年限為2021—2022年。按照北疆地區玉米播種（4 月下旬）至成熟期（9 月上旬），將生長期以旬為單位劃分為14 個時段，分別計算各生育時段的平均氣溫、日照時數和降水量。

1.2 花期調查與試驗

從試驗田選5 株玉米，每天7：00—20：00，每隔1 h 調查1 次玉米雄穗開花數量，連續調查至雄穗開花結束，按每日每時統計玉米雄穗開花數量。玉米花粉活力測定在氣候箱內進行，10：00 左右采集花粉，將花粉置于人工氣候箱內，測試不同溫度、濕度下花粉的存活時間。

1.3 產量資料處理

作物產量可視為由自然和非自然因素影響的結果，因此可將作物產量y（實際產量）分解為趨勢產量和氣象產量［9-11］。趨勢產量yt（也稱為技術產量）代表歷史時期社會生產力水平的產量分量，氣象產量ym是主要由天氣氣候條件決定的短周期變化波動產量，分解實際產量得到的氣象產量作為產量預報的因變量，氣象產量計算式如下。

趨勢產量是假定在氣象條件正常的情況下，起決定因素的是品種改良、栽培技術措施的逐漸改善、管理水平的現代化等。一般情況下，趨勢產量通常為時間（年份）的正函數，在時間序列上變化較平穩，特別是在較大的地域范圍時更平穩。本研究根據實際產量采用二次多項式回歸法模擬北疆制種玉米趨勢產量，趨勢產量方程式為yt=1.519x2-5 882.3x+0.000 006（R2=0.975 9），式中x為年份。

1.4 積分回歸分析方法

作物氣象產量ym是由作物全生育期內氣溫、光照、水分（大氣降水）氣象條件共同影響的結果。氣象產量的積分回歸法［12，13］模型如下。

式中，ym為氣象產量；c為積分常數；i=1，2，3，…，τ；τ為玉米生育期逐旬時段；t為時間段；αTi為標準化氣溫、αRi為標準化降水、αSi為標準化日照隨時間t演變對產量影響的連續函數，表示t至t+Δt時段內標準化氣溫Ti(t)、標準化降水量Ri(t)和標準化日照時數Si(t)變化值對制種玉米產量形成的影響效應，即氣象要素每變化一個標準化單位對制種玉米氣象產量影響的平均值。

某時段或全生育期的溫、光、水氣象條件對氣象產量的影響系數計算式如下。

式中，α(m)為制種玉米播種期至某生育階段或至9 月上旬氣象要素對氣象產量的影響系數；m為制種玉米播種至某生育階段的旬數；αi(t)為第i旬氣象要素對氣象產量的影響系數，其計算式如下。

根據氣象產量與制種玉米全生育期溫、光、水氣象要素對氣象產量影響系數的相關性，建立各旬的制種玉米產量動態預報模型。利用DPS 數據處理系統計算逐旬積分回歸影響系數。當影響系數αi(t)＞0 時，氣象要素對氣象產量呈正效應；當αi(t)＜0時，氣象要素對氣象產量呈負效應。

2 結果與分析

2.1 北疆制種玉米生育期

北疆制種玉米4 月下旬播種，5 月上旬出苗，拔節期在6 月下旬，7 月中旬進入抽雄開花期，8 月中旬灌漿乳熟期，成熟期在9 月上旬。全生育期在135 d左右。

2.2 制種玉米產量與氣候因子的關系

新疆北疆地區2021—2022 年制種玉米生育期逐旬溫、光、水積分回歸影響系數與氣象產量的復相關系數R2為0.965 3，F為7.56，通過了0.01 水平的顯著性檢驗。如圖1 所示，氣溫對制種玉米氣象產量影響最明顯，其次是日照時數，降水量對氣象產量的影響相對較小。

圖1 北疆地區制種玉米生長季溫、光、水積分回歸影響系數

氣溫對北疆地區制種玉米產量的影響系數呈“兩峰一谷”型，日照時數、降水量影響系數為“單峰”型。北疆制種玉米苗期氣溫要素是影響制種玉米生長的第一溫度關鍵期，正效應波峰出現在5 月上旬，標準化氣溫每升高1 個單位，對制種玉米產量的影響系數為7.5，春季氣溫多變，常出現寒潮、霜凍和“倒春寒”天氣，氣溫升高有利于制種玉米苗全苗壯。抽雄開花期氣溫要素是影響制種玉米生長的第二溫度關鍵期，負效應波谷出現在7 月中旬，標準化氣溫每升高1 個單位，影響系數為-10.9，7 月高溫超過35 ℃，相對濕度低于60%開花減少，雄穗不能正常散粉，雌穗不能正常受精，而造成減產。這種因高溫干旱導致花粉喪失授粉能力的現象，稱為高溫殺雄［14］。制種玉米灌漿乳熟期氣溫要素是影響制種玉米生長第三關鍵期，正效應波峰出現在8 月中旬，標準化氣溫每升高1個單位，影響系數為9.1，秋季氣溫下降過快或初霜過早嚴重影響制種玉米的產量和質量，較高的氣溫延長制種玉米生長期，有利于籽粒飽滿和成熟度。

北疆地區光照資源豐富，是中國境內高值區之一［15］。在7 月上旬之前，光照對北疆地區制種玉米產量影響呈正效應，影響系數逐漸增加。7 月中下旬是制種玉米光照關鍵期，正效應巔峰出現在7 月中旬，標準化光照每變化1 個單位，影響系數為7.5。7 月中下旬開花期光照不足，將影響玉米生殖器官分化與光合作用，高溫寡照復合因素可造成玉米雌穗滯育，引發玉米空稈現象。

北疆地區年降水量在200 mm，玉米生長季降水量在150 mm 左右［16］，農作物需水主要來自灌溉。雖然降水量是制種玉米非主要影響因子，但7 月中下旬的降水仍呈正效應，正效應波峰出現在7 月中旬，標準化降水每升高1個單位，影響系數為5.5。7月中下旬制種玉米抽雄開花授粉期，此時北疆正值高溫時段，大氣降水可增加空氣濕度，緩解高溫對花粉的傷害，因此7 月中下旬也成為制種玉米的降水關鍵期。

2.3 制種玉米溫度關鍵期及氣象指標

2.3.1 播種出苗期 根據2021—2022 年制種玉米播種期的計算分析，播種期氣溫高，出苗速度加快，所用天數少。由圖2 可知，平均氣溫與出苗天數呈非線性指數函數關系，相關系數為-0.966 1（P＜0.01）。春季氣溫逐漸升高的過程中，平均氣溫12 ℃播種，出苗需20 d以上；14 ℃播種，需16 d；14～15 ℃播種，需15～20 d；18 ℃以上播種，出苗僅需7～9 d。不同溫度播種，出苗的速率則不同。由圖3 可知，平均氣溫與出苗速率呈非線性對數函數關系，相關系數為0.985 9（P＜0.01）。在恒溫狀態下，12 ℃播種，出苗需要29 d；14 ℃播種，出苗需要17 d；16 ℃播種，出苗需要12 d；≥18 ℃播種，出苗需要7～9 d。由此可見，北疆制種玉米適宜播種期在4 月下旬至5 月上旬，耕層土壤相對濕度在60%～70%，播期適宜溫度為≥12 ℃，最適溫度為18 ℃，這與文獻［17，18］的研究結果一致。氣溫低于8 ℃、土壤相對濕度＞85%，種子發芽緩慢易造成粉種，連續低溫、凍害天氣影響種子萌發和出苗整齊度，甚至出現花期不遇現象，增加了空稈率。

圖2 氣溫變化對玉米播種至出苗天數的影響

圖3 氣溫變化對玉米出苗速率的影響

苗期適宜溫度在18～20 ℃，生物學下限溫度為8～10 ℃，0 ℃幼苗受凍，-2 ℃是受凍致死臨界溫度。玉米苗期北疆地區少雨干旱地表層濕度小，因灌溉底墑較為充足，故使根系下扎能力增強，有益于發根和形成壯苗。

2.3.2 抽雄開花期 玉米抽雄開花散粉開始至散粉結束，需要8～10 d。由圖4 可知，第4 天開花量達到峰值，開花量占植株開花總量的65.6%，第6 天開花量開始迅速減少，開花期可維持10 d 左右。每日散粉量與雄穗開花保持一致，即開花多散粉量就多。圖5 是雄穗開花的日變化過程，在1 d 當中，7：00—20：00 是開花時間，北疆地區上午10：00 是開花最多的時間。觀察發現，晴天開花量在氣溫為20～26 ℃時達到最大。玉米花粉存活時間與溫度呈負相關，與空氣濕度呈正相關。低溫高濕環境花粉存活時間長，而高溫低濕環境花粉加速死亡。濕度在60%～90%，溫度為15 ℃，花粉可存活6 h 以上；溫度為20 ℃，花粉可存活4～5 h；溫度在25～28 ℃，花粉可存活3 h；當溫度為35 ℃時，花粉可存活10～15 min；當溫度在40 ℃以上，濕度在30%以下，花粉存活不超過4 min。高溫干旱花粉存活時間短，玉米難以授粉，增加了空稈率［19，20］。

圖4 玉米雄穗逐日開花量統計

圖5 玉米雄穗逐時開花統計

3 討論

1）通過溫、光、水三要素對制種玉米產量影響系數進行分析，制種玉米生長過程中有3 個溫度關鍵期、1 個光照關鍵期、1 個降水關鍵期。5 月上旬苗期和8 月中旬對制種玉米產量的影響系數為正效應；7月中旬玉米抽雄開花授粉期，氣溫升高對制種玉米產量的影響系數為負效應；7 月中下旬抽雄開花授粉期的光照和降水量對產量的影響系數為正效應。北疆制種玉米氣候關鍵期的分析結果，與解志佳等［20］、王森等［5］、李學文等［21］的研究結果相吻合。制種玉米苗期低溫和春季霜凍、開花期的高溫與秋季低溫對產量的影響達到極顯著水平，開花期的高溫熱害和寡照少雨易造成制種玉米花粉死亡以及花期不孕現象［22，23］，空稈率增加，從而影響制種玉米產量。

2）根據作物生長過程分析作物氣候關鍵期，生物學意義明確。運用積分回歸方法分析作物全生育期氣象要素變化對作物產量的影響，是動態分析方法，可直接體現出作物的氣候關鍵期，該方法也可作為作物產量動態預報方法參與到產量預報業務中［13，24，25］。

3）北疆地區制種玉米品質優良，可創建地標性品牌。地標性品牌的創建，氣候品質認證必不可少，氣候品質認證是評價氣候的特殊性，特殊的氣候條件養育著特征的產品，體現出特殊氣候的價值。氣候品質認證是掌握地方氣候變化特征，掌握氣象災害的發生規律及防御意識的過程，也是發揮環境優勢提升農產品知名度和增加效益的基礎［26，27］。

4 結論

1）氣溫對北疆制種玉米產量的影響較大，苗期和灌漿乳熟期氣溫為正效應關鍵期，抽雄開花期高溫為負效應關鍵期。開花期光照對制種玉米產量呈正效應關鍵期。雖然北疆地區多屬于灌溉農業，抽雄開花授粉期自然降水量仍然呈正效應關鍵期。

2）播種期要根據春季氣溫變化來確定，≥12 ℃是北疆地區制種玉米播種的適宜溫度，播種后氣溫回升快，出苗整齊。氣溫低于8 ℃，如果后期氣溫回升較慢，種子發芽受到抑制，出苗整齊度下降，易造成制種玉米花期不遇現象。

3）制種玉米抽雄開花授粉期適宜溫度在20～26 ℃，適宜空氣相對濕度為60%～90%。開花散粉期一般維持8～10 d，在高溫干旱狀態下，開花期將縮短。在有光照的條件下，玉米雄穗全天都有花朵開放，北疆地區玉米散粉在7：00—22：00，比東北地區晚2 h 左右，以上午8：00—11：00 開花較多，下午逐漸減少。