何俊欧¹, 凌霄霞¹, 张建设³, 张萌¹, 马迪^1,2, 孙梦¹, 刘永忠¹, 展茗^1,*, 赵明^2,*
1 华中农业大学植物科学技术学院 / 农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室, 湖北武汉 430070

²中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态重点实验室, 北京 100081

³湖北省农业技术推广总站, 湖北武汉 430070

^* 通讯作者(Corresponding authors): 展茗, E-mail: zhanming@mail.hzau.edu.cn; 赵明, E-mail: zhaomingcau@163.net 第一作者联系方式: E-mail: 357783403@qq.com
收稿日期:2016-10-24 接受日期:2017-04-19网络出版日期:2017-05-23基金:本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300308)和中央高校基本科研业务费专项项目(2662015PY067)资助

摘要利用湖北省低丘平原区8个长期基准气象台站35年(1980—2014)气象资料, 对湖北省不同区域春玉米、夏玉米及秋玉米的需水量、旱涝发生频率及其年际变化趋势进行了分析。结果表明玉米各生育阶段需水量区域间差异较小, 而不同种植季玉米间差异较大。秋玉米需水量显著低于春玉米和夏玉米, 春玉米需水量与夏玉米相近, 且三季玉米的需水量随年份呈显著下降趋势, 尤其是以鄂中地区需水量下降最多, 平均达 -18.62 mm (10a)^-1。鄂北、鄂中及鄂东南区域三季玉米播种-拔节阶段均以发生涝灾为主, 其中重涝发生频率较高; 鄂北及鄂中地区三季玉米拔节-完熟期主要以发生轻度干旱为主, 尤其是灌浆期间旱灾发生频率较高; 在鄂东南春玉米与夏玉米拔节-吐丝期间涝灾发生频率要高于旱灾, 灌浆期间三季玉米均以旱灾较多, 尤其是夏玉米与秋玉米旱灾要重于春玉米。各地区三季玉米不同生育时期旱涝年际变化趋势不显著。从降低旱涝胁迫风险考虑, 建议鄂北地区主要发展夏玉米、鄂中及鄂东南地区主要发展春玉米, 适当控制秋玉米面积; 三季玉米拔节前均要注意防涝, 拔节后注意防旱。

关键词:玉米; 需水量; 水分盈亏指数; 旱涝频率; 年际变化趋势
Temporal-spatial Variation of Crop Water Requirement and Frequency of Drought and Waterlogging Disasters during Maize Growth Stages in Low Hilly Plain Area of Hubei Province in Last 35 Years
HE Jun-Ou¹, LING Xiao-Xia¹, ZHANG Jian-She³, ZHANG Meng¹, MA Di^1,2, SUN Meng¹, LIU Yong-Zhong¹, ZHAN Ming^1,*, ZHAO Ming^2,*
1 Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture / College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

²Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology of Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

³Agricultural Technology Extension Station of Hubei Province, Wuhan 430070, China

Fund:This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300308) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2662015PY067).
AbstractBased on 35-year (1980-2014) meteorological data from eight benchmark long-term meteorological stations in low hilly plain area of Hubei province, we analyzed the temporal-spatial variation in water requirement and frequency of drought and waterlogging disasters in different growing stages of spring, summer and autumn maize in northern, central and southeastern regions of Hubei province. The water requirement at each growth stage of a certain maize season was similar among the three regions, but much different among maize seasons. The water requirement was obviously lower in autumn maize than in spring and summer maize, and similar between spring maize and summer maize. Maize water requirement in three production regions showed a significant downward trend in the process of year by year, especially in the area of central region, with a climate tendency rate of -18.62 mm (10a)^-1. The maize in three planting seasons could easily encounter waterlogging during the period from sowing to jointing in each production region, with a higher occurrence frequency of heavy waterlogging. Light drought mainly occurred during the period from jointing to maturity in maize in three planting seasons in northern and central Hubei, whereas heavy drought occurred during maize grain filling period. In the region of southeastern Hubei, waterlogging occurrence frequency was higher than that of drought from jointing to silking in spring and summer maize. However, drought easily came up during grain filling period of maize in three planting seasons, especially summer maize and autumn maize met more frequent drought than spring maize in this period. The interannual variation of drought and waterlogging at different maize growth stages of three planting seasons in each region was not significant. Considering the mitigation in drought and waterlogging impact, it is recommended to preferentially develop summer maize in northern region, and spring maize in central and southeastern regions of Hubei province. Meanwhile, our study suggests that in production we should prevent waterlogging before maize jointing and drought after maize jointing in low hilly plain area of Hubei province.

Keyword:Maize; Water requirement; Crop water surplus deficit index; Drought and waterlogging frequency; Interannual variation tendency
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作物需水量通常指在适宜的土壤水分和肥力水平下, 作物经过正常生长发育, 获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和。而在实际计算中一般认为作物需水量在数量上等于高产水平下的植株蒸腾量与棵间蒸发量之和^{[1, 2]}。作物需水量的估算和预测是评价作物水分利用及水分胁迫程度的基础^[3], 对于制定合理的节水灌溉制度, 研究区域农业水资源的供需平衡关系, 对于气候变化响应及应对措施的决策有重要意义^{[4, 5]}。国内外对作物需水量的估算方法较多^[6], 如FAO-56双作物系数法^[7]、双涌源能量守恒模型^[8]、神经网络技术估算法^[9]等。目前认为比较精确且应用最多的是FAO推荐的Penman-Monteith法^[7], 在我国得到了验证^[10]及广泛应用^{[3, 4, 11, 12]}。农业旱涝主要由降水异常引起的, 作物受旱涝的程度主要受其需水量与土壤供水量平衡的影响。目前在农业旱涝研究上通常用两类指标来反映其发生程度与规律, 第一类是降水量指标, 如降水距平百分率^[13]、标准化降水指数^[14]、Z指数^[15]等, 这类指标能够反映水分供应的情况; 第二类指标如综合气象干旱指数CI ^[16]、相对湿润度指数^[17]、作物水分盈亏指数^[3]等, 能够反映水分供需的变化。其中作物水分盈亏指数(CWSDI)是最常用的作物旱涝诊断指标之一^{[12, 18]}, 能够较好地反映土壤、植物和气象三方面因素对作物的综合影响, 比较真实地反映出作物水分亏缺状况^[19]。
湖北省地处长江中游, 光、热、水资源丰富, 属于一年两熟和三熟的多熟制区域, 80%的土地面积为玉米适宜种植区^{[20, 21]}, 可种植春玉米、夏玉米和秋玉米。春玉米生长季多为3月至8月, 夏玉米多为5月至10月, 秋玉米多为7月至11月上旬。作为重要的饲料用粮, 湖北玉米产需缺口较大, 玉米种植效益较高, 加之湖北省种植业结构的调整, 拉动了近年来湖北玉米的快速发展^[20]]。2014年湖北玉米种植面积为64.2万公顷, 总产为293万吨, 分别比2003年增加了47.0%和42.8%^[22], 其发展速度超过了第一大作物的水稻与第二大作物小麦。湖北玉米生产对促进当地畜牧业的可持续发展及种植业合理调整均有重要的意义。虽然湖北省降水资源丰富, 但年内及年际间分配不均, 且变率大, 需水关键期往往与降水多的时段不重合, 常导致渍涝、干旱发生, 对产量影响较大^[23]。目前针对北方玉米主产区旱涝灾害时空变化规律及其对玉米生产影响的研究较多^{[3, 12, 19]}, 但针对长江中游低丘平原区不同种植季玉米需水规律及旱涝灾害的研究却较少。本研究将利用湖北低丘平原区1980— 2014年8个地面气象台站的逐日气象资料, 分析不同种植季玉米需水量的时空变化特点及年际变化趋势, 并结合玉米不同生育期内有效降水量分析玉米水分盈缺指数, 评价旱涝发生规律, 为湖北省玉米生产的合理区域布局、防灾减灾、气候变化响应等提供基础数据与决策依据。
1 材料与方法1.1 研究区域与气象数据来源选取湖北省低丘平原区有完整35年历史气象资料的8个基准气象台站1980— 2014年观测的气象资料, 包括鄂北的老河口、枣阳; 鄂中的荆州、钟祥、天门; 鄂东南的英山、黄石、嘉鱼等。各站点的地理位置、经度、纬度及海拔高度见图1。鄂西南及鄂西北为海拔500 m以上的山地春玉米区, 不列为本文研究区域。气象资料包括平均本站气压、日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、平均水汽压、相对湿度、平均风速等。上述气象资料来自中国气象局国家气象信息中心(http://data. cma.cn/)。
图1
Fig 1

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	图1 研究区气象站点的分布(经度° E, 纬度° N, 海拔高度m) Laohekou: 老河口; Zaoyang: 枣阳; Zhongxiang: 钟祥; Tianmen: 天门; Jingzhou: 荆州; Jiayu: 嘉鱼; Huangshi: 黄石; Yingshan: 英山。Fig 1 Distribution of meteorological stations (Longitude° E, Latitude° N, Altitude m) in the studied area

1.2 研究方法1.2.1 玉米生育阶段的确定 湖北省玉米按播种时间可分为春玉米、夏玉米和秋玉米^[24]。根据当地的生产习惯, 鄂东南春玉米的播种期定为3月15日和3月25日; 鄂中春玉米的播种期定为3月20日和3月30日; 鄂北春玉米的播种期定为3月25日和4月5日。各区域油后夏玉米的播种时间一般为5月20日左右, 麦后夏玉米的播种时间一般为6月5日左右。本文选定5月20日和6月5日作为夏玉米的播种期; 各区域秋玉米一般为7月20日播种。温度是影响作物生长发育进程的重要环境因子, 作物完成某个生育阶段需要一定的积温, 因此积温被用于推断作物各个生育时期出现的一种常见指标^[25]。本文以湖北省推广的早中熟玉米品种郑单958为例, 根据作者2012年和2013年在湖北省东南及中部区域开展的分期播种试验, 获得其各生育阶段需要的≥ 10℃有效积温(表1)。根据播种期和阶段积温来推算各区域气象台站1980— 2014年玉米拔节、吐丝、乳熟、完熟等出现的日期。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 郑单958各个生育阶段≥ 10℃有效积温 Table 1 Effective accumulated temperature (≥ 10℃) for different developmental stages of Zhengdan 958 (° C d) 生育时期 Growth period 春玉米 Spring maize 夏玉米 Summer maize 秋玉米 Autumn maize 播种-拔节 Sowing to jointing 273 346 433 拔节-吐丝 Jointing to silking 357 450 338 吐丝-乳熟 Silking to milking 465 532 348 乳熟-完熟 Milking to maturity 427 397 268 总计 Total 1522 1725 1387

表1 郑单958各个生育阶段≥ 10℃有效积温 Table 1 Effective accumulated temperature (≥ 10℃) for different developmental stages of Zhengdan 958 (° C d)

1.2.2 玉米需水量 采用联合国粮农组织(FAO)推荐的方法^[7]计算玉米需水量(ET_c)。
ET_c = K_c × ET₀
式中, ET_c为作物需水量(mm d^-1); ET₀为参考作物日蒸散量(mm d^-1), 利用FAO (1998)修订的Penman-Monteith公式计算研究区域各站点参考作物蒸散量(ET₀)^[7]。K_c为作物系数, 采用1998年FAO推荐的分段单值平均法计算^[3]。根据该方法, 把玉米全生育期作物系数变化过程概化为在4个阶段的3个值(K_{c ini}, K_{c mid}, K_{c end}), 如图2所示, K_{c ini} = 0.3, K_{c mid} = 1.2, K_{c end} = 0.5。
K_ci= K_{c prev}+ [(i - ∑ (L_prev) / L_stage] × (K_{c next}- K_{c prev})
式中, K_ci为第i天的作物系数; i为整个生育期间隔的天数之日序数; L为生育期间隔天数; K_{c prev}为i天之前生育期的作物系数; K_{c next}为i天之后生育期的作物系数; L_stage为i天所处生育期间隔日数; ∑ (L_prev)为i天之前的所有生育期间隔日数的总和。
1.2.3 水分盈亏指数及旱涝等级的确定 在农业气象研究领域, 为了准确反映玉米各生育阶段的需水特性及水分供应状况, 通常基于作物水分亏缺指数构建玉米生育阶段水分盈亏指数CWSDI (crop water surplus deficit index)表征水分盈亏程度^[3]。
图2
Fig. 2

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图2 玉米全生育期作物系数变化Fig. 2 Changes of crop coefficient during the whole growth period of maize

CWSDI_i = (P_ei- ET_ci)/ET_ci × 100
式中, CWSDI_i为第i生育阶段水分盈亏指数(%); P_ei为第i生育阶段有效降水量(mm); ET_ci为第i生育阶段的作物需水量(mm)。当CWSDI_i> 0时第i生育阶段水分盈余; 当CWSDI_i = 0时水分收支平衡; 当CWSDI_i < 0时水分亏缺。水分盈亏指数包含了降水量和作物需水量两项因子, 能反映实际供水量与作物最大水分需要量的平衡关系, 可以较好地表征作物旱涝状况。
对于旱作物, 有效降雨量指总降雨量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分雨量, 不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的部分。国内外对有效降水量的估算方法较多^[26]。本文采用国内常用的经验公式法, 该方法计算简便, 被国内的一些****采用^[27]。
P_ei= α _j∙ P_i
式中, P_ei为i日有效降水量(mm); P_i为i日降水量(mm); α _j为有效利用系数。一般情况下, 当P_i ≤ 5 mm时α _j = 0; 当5 mm < P_i ≤ 50 mm时α _j = 0.9; 当P_i > 50 mm时α _j = 0.75。
参考高晓容等^[3]旱涝等级划分标准, 确定玉米各生育阶段标准为重涝CWSDI > 85%, 轻涝45% < CWSDI ≤ 85%, 正常-45% < CWSDI ≤ 45%, 轻旱-85% < CWSDI ≤ -45%, 重旱CWSDI ≤ -85%。统计不同区域气象台站各年份旱涝等级的发生频率。
1.2.4 趋势检验 玉米需水量、水分盈亏指数、气温、降水、风速、湿度等年际变化趋势, 可用气候趋势系数和气候倾向率反映^{[28, 29]}。气候趋势系数(r_xt)为n个时刻(年)所对应的要素序列与自然数列1, 2, …, n的相关系数。

式中, n为年数; x_i为第i年要素值; 为样本均值; = (n + 1)/2。通常使用t检验法检验气候趋势是否显著。如果n个时刻所对应的要素序列与自然数列显著相关, 表示该要素气候趋势存在明显增加(减少)趋势。
将玉米需水量或气象要素(x)的长期变化趋势采用线性回归方程分析。
= a₀+a₁t, a₁= d ₁/dt
式中, t为年份序列号(t = 1, 2, …, n); a₀为常数; a₁为回归系数, 当a₁为正或负时要素在计算时段内线性增加或减弱。10a₁称为气候倾向率(T_r), 表示要素每10年的变化率, 其中正值表示要素呈增加趋势, 负值呈减少趋势。

2 结果与分析2.1 不同种植季玉米需水量的时空变化及其影响因子分析湖北省玉米的需水量约为300~440 mm, 不同种植季玉米各生育阶段需水量差别较大(表2)。对同一季玉米而言, 玉米全生育期需水量及各生育阶段需水量区域间差异不显著; 就同一区域而言, 不同种植季玉米各个生育阶段需水量差异较明显(P < 0.05)。播种-拔节期间, 鄂北、鄂中及鄂东南等3个种植区域均表现出春玉米需水量显著高于夏玉米与秋玉米, 在鄂中及鄂东南区域秋玉米该阶段需水量又显著高于夏玉米。在拔节-吐丝阶段春玉米需水量与夏玉米相当, 均显著高于秋玉米。在吐丝-乳熟阶段, 以夏玉米的需水量最高, 秋玉米的需水量显著低于春玉米与夏玉米。在乳熟-完熟阶段, 鄂北地区三季玉米需水量差异不明显, 而鄂中和鄂东南地区春玉米和夏玉米的需水量相当, 但均明显多于秋玉米。从整个生育期看, 3个区域均表现出秋玉米需水量显著低于春玉米和夏玉米, 而春玉米需水量与夏玉米差异不显著。
由表2可知, 玉米不同生育阶段需水量年际间普遍呈下降趋势, 不同生育阶段及区域间有差异。在鄂北地区, 三季玉米全生育期的需水量随年份均呈显著下降趋势, 尤以秋玉米下降最快, 其总需水量的下降主要发生在吐丝后, 吐丝前没有显著变化; 春玉米除吐丝-乳熟阶段需水量没有变化外, 其余生育阶段的需水量均呈显著下降趋势, 程度相当; 而该区域夏玉米各个生育阶段的需水量均显著下降, 以吐丝-乳熟阶段下降最快。在鄂中地区, 三季玉米的需水量均随年份呈显著下降趋势, 下降程度与鄂北地区相当, 其中春玉米与夏玉米各个生育阶段均呈显著下降趋势, 均以吐丝-乳熟阶段下降最快; 而秋玉米除拔节-吐丝阶段外, 其余生育阶段的需水量均随年份显著下降。在鄂东南区, 春玉米与夏玉米的总需水量没有出现年际间下降趋势; 而秋玉米下降趋势明显, 其下降程度明显低于鄂北及鄂中地区, 主要在拔节-吐丝及乳熟-完熟阶段下降明显。在鄂东南区, 春玉米播种-拔节、夏玉米乳熟-完熟阶段的需水量也有显著下降, 但总需水量没有变化。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 35年来不同种植季玉米各生育阶段的平均需水量(WR, mm)及其气候倾向率[Tr, mm (10a)-1] Table 2 Water requirement (WR, mm) and climate tendency rate [Tr, mm (10a)-1] at each growth stage of maize planted in different seasons during 35 years 种植季 Planting season 播种-拔节SJ 拔节-吐丝JS 吐丝-乳熟SM 乳熟-完熟MM 全生育期WP 需水量 WR 倾向率 Tr 需水量 WR 倾向率 Tr 需水量 WR 倾向率 Tr 需水量 WR 倾向率 Tr 需水量 WR 倾向率 Tr 鄂北 Northern Hubei 春玉米 Spring maize 50.6± 6.0 a -4.22* 105.0± 7.7 a -3.17* 176.8± 10.0 bc -3.15ns 103.6± 10.3 a -4.26* 436.1± 22.8 a -14.81* 夏玉米 Summer maize 33.9± 2.4 c -1.46* 102.8± 8.0 a -3.92* 183.9± 17.1 ab -6.47* 94.3± 6.4 a -2.73* 414.9± 27.5 a -14.59* 秋玉米 Autumn maize 37.0± 3.5 bc -1.12ns 71.7± 7.6 b -2.42ns 117.6± 9.2 d -5.76* 92.5± 21.3 a -12.11* 318.8± 29.8 b -21.41* 鄂中 Central Hubei 春玉米 Spring maize 47.1± 5.3 a -3.54* 99.7± 8.2 a -3.50* 170.0± 12.1 c -6.28* 105.9± 10.5 a -5.19* 422.8± 26.8 a -18.52* 夏玉米 Summer maize 32.0± 2.7 c -1.72* 103.6± 9.2 a -4.35* 193.6± 16.5 a -6.08* 96.3± 7.0 a -3.02* 425.6± 27.8 a -15.18* 秋玉米 Autumn maize 39.0± 3.7 b -1.28* 74.2± 7.1 b -2.00ns 116.1± 10.1 d -7.63* 74.0± 16.6 b -11.23* 303.3± 28.2 b -22.15* 鄂东南 Southeastern Hubei 春玉米 Spring maize 45.6± 4.4 a -2.19* 100.2± 7.4 a -0.66ns 173.1± 10.2 bc 0.16ns 106.3± 9.9 a -1.32ns 425.2± 19.8 a -4.01ns 夏玉米 Summer m 32.5± 2.2 c -0.37ns 104.6± 8.6 a -0.95ns 194.5± 13.3 a -0.89ns 95.7± 6.9 a -2.57* 427.3± 22.8 a -4.77ns 秋玉米 Autumn maize 39.4± 2.9 b 0.05ns 73.7± 6.7 b -2.35* 115.6± 7.6 d -2.97* 67.8± 10.2 b -4.50* 296.5± 18.5 b -9.77* Data are shown in mean± SD of three replicates. In each column, values followed by different letters are significantly different among treatments at P < 0.05. SJ: Sowing to Jointing; JS: Jointing to Silking; SM: Silking to Milking; MM: Milking to Maturity; WP: whole growth period; WR: water requirement; Tr: climate tendency rate [mm (10a)-1]. * and * * indicate significance at P< 0.05 and P < 0.01, respectively. ns: no significance. 数据为3次重复的平均值± 标准差。同一列内数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05)。SJ: 播种-拔节; JS: 拔节-吐丝; SM: 吐丝-乳熟; MM: 乳熟-完熟; WP: 全生育期; WR: 需水量; Tr: 气候倾向率[mm (10a)-1]。* 和* * 分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平上差异显著, ns表示不显著。

表2 35年来不同种植季玉米各生育阶段的平均需水量(WR, mm)及其气候倾向率[Tr, mm (10a)-1] Table 2 Water requirement (WR, mm) and climate tendency rate [Tr, mm (10a)-1] at each growth stage of maize planted in different seasons during 35 years

相关分析表明, 气温、降水、风速及相对湿度均对玉米需水量有显著影响(表3)。气温对玉米需水量的影响表现出不同种植季及生育阶段的差异性。春玉米播种-拔节阶段需水量与气温呈极显著负相关, 而乳熟-完熟阶段则呈显著正相关; 夏玉米播种-拔节阶段需水量与气温呈极显著负相关, 而拔节-乳熟阶段则呈显著正相关; 秋玉米吐丝前的需水量与气温呈显著正相关, 而吐丝后则呈极显著负相关。降水对玉米需水量的影响也表现出季节差异。春玉米乳熟后、夏玉米拔节后及秋玉米拔节前需水量均与降水呈显著负相关, 而秋玉米乳熟后的需水量则与降水显著正相关。风速与玉米需水量表现出较一致的正相关, 尤其是夏玉米整个生育阶段的需水量均与风速显著正相关, 春玉米与秋玉米主要是在苗期与乳熟后受风速影响显著。相对湿度则与春玉米乳熟后、夏玉米拔节后、秋玉米拔节前的需水量显著负相关。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 玉米需水量与气象因子的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between maize water requirement and meteorological factors 种植季 Planting season 生育时期 Growth stage 气温 Air temperature 降水 Precipitation 风速 Wind speed 相对湿度 Relative humidity 春玉米 Spring maize 播种-拔节SJ -0.913* * 0.294 0.349* 0.344 拔节-吐丝JS -0.208 -0.062 0.427* * -0.203 吐丝-乳熟SM -0.139 -0.233 0.253 -0.018 乳熟-完熟MM 0.645* * -0.735* * 0.641* * -0.624* * 夏玉米 Summer maize 播种-拔节SJ -0.498* * 0.069 0.448* * 0.178 拔节-吐丝JS 0.386* -0.533* * 0.581* * -0.367* 吐丝-乳熟SM 0.495* * -0.715* * 0.427* -0.535* 乳熟-完熟MM 0.282 -0.364* 0.521* * -0.398* 秋玉米 Autumn maize 播种-拔节SJ 0.543* * -0.656* * 0.411* -0.546* * 拔节-吐丝JS 0.443* * -0.537* * 0.316 -0.557* * 吐丝-乳熟SM -0.536* * 0.013 0.305 -0.119 乳熟-完熟MM -0.950* * 0.416* 0.591* * 0.234 * and * * indicate significance at P< 0.05 and P < 0.01, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 2. * 和* * 分别表示在P< 0.05和P < 0.01水平上显著。缩写同表2。

表3 玉米需水量与气象因子的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between maize water requirement and meteorological factors

从表4看出玉米各生育阶段四类气象要素表现出不同的年际变化趋势。气温的年际趋势普遍上升, 鄂北、鄂中春玉米拔节前及吐丝-乳熟阶段、夏玉米吐丝前及乳熟-完熟阶段, 秋玉米吐丝后等阶段气温升高趋势显著; 而在鄂东南区, 主要是春玉米拔节前及秋玉米吐丝后趋势明显。除鄂东南春玉米拔节前及秋玉米乳熟后降水有显著下降趋势外, 其他生育阶段及鄂中、鄂北地区均没有明显的变化趋势。风速普遍呈下降趋势, 有显著下降趋势的区域及时期包括鄂北秋玉米乳熟-完熟阶段, 鄂中的春玉米吐丝前、夏玉米拔节前及秋玉米拔节后, 鄂东南春玉米及夏玉米拔节前。相对湿度也呈普遍下降趋势, 下降趋势显著的区域及时期包括鄂北及鄂中的春玉米拔节前及吐丝后、鄂东南春玉米拔节前; 鄂北及鄂中的夏玉米; 鄂北秋玉米拔节前、鄂中秋玉米吐丝前及乳熟后、鄂东南秋玉米乳熟后。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 35年不同区域玉米各生育期气象要素的气候倾向率(Tr) Table 4 Climate tendency rate (Tr) of meteorological factors at each growth stage of maize during 35 years 种植季 Planting season 生育时期 Growth stage 气温 Air temperature [° C (10a)-1] 降水 Precipitation [mm (10a)-1] 风速 Wind speed [m s-1 (10a)-1] 相对湿度 Relative humidity [% (10a)-1] 鄂北NH 鄂中CH 鄂东南 SH 鄂北 NH 鄂中 CH 鄂东南SH 鄂北NH 鄂中CH 鄂东南SH 鄂北 NH 鄂中CH 鄂东南SH 春玉米 Spring maize 播种-拔节SJ 0.60* 0.56* 0.52* -3.61 -3.85 -20.83* -0.02 -0.19* -0.09* -3.01* -2.63* -2.47* 拔节-吐丝JS -0.16 -0.26 -0.29 -3.51 0.30 5.69 -0.05 -0.18* -0.10* -1.67 -1.57 -0.22 吐丝-乳熟SM 0.35* 0.42* 0.09 -8.89 -15.66 -30.67 -0.02 -0.18* -0.10* -3.23* -3.46* -1.20 乳熟-完熟MM 0.25 0.20 0.04 4.95 -3.55 15.22 -0.03 -0.14 -0.09* -1.43* -1.51* -0.21 夏玉米 Summer maize 播种-拔节SJ 0.51* 0.50* 0.21 -7.82 -3.40 -9.42 -0.05 -0.21* -0.11* -2.45* -2.57* -0.47 拔节-吐丝JS 0.49* 0.53* 0.34 3.07 -12.17 -14.51 -0.02 -0.09 -0.08* -1.62* -2.30* -1.11 吐丝-乳熟SM 0.35 0.33 0.27 -1.50 -5.49 -2.62 0.02 -0.08 -0.03 -1.60* -1.71* -0.65 乳熟-完熟MM 0.48* 0.52* 0.27 2.66 -2.56 -3.83 0.00 -0.08 -0.06 -1.23 -1.49* -0.28 秋玉米 Autumn maize 播种-拔节SJ 0.28 0.30 0.29 -7.84 -7.27 -7.68 0.00 -0.08 -0.02 -1.59* -1.81* -0.97 拔节-吐丝JS 0.28 0.34 0.16 7.77 -1.06 -1.72 0.02 -0.10* -0.05 -1.63 -1.89* -0.18 吐丝-乳熟SM 0.45 0.66* 0.60* -1.81 -6.79 -7.58 -0.02 -0.10* -0.06 -0.76 -1.40 -0.96 乳熟-完熟MM 1.76* 1.63* 1.06* -7.27 -13.71 -15.11* -0.09* -0.14* -0.01 -0.89 -2.18* -1.82* * indicates significance at P< 0.05. NH: northern Hubei; CH: central Hubei; SH: southeastern Hubei. Other abbreviations are the same as these given in Table 2. * 表示0.05水平差异显著。NH: 鄂北; CH; 鄂中; SH: 鄂东南。其他缩写同表2。

表4 35年不同区域玉米各生育期气象要素的气候倾向率(Tr) Table 4 Climate tendency rate (Tr) of meteorological factors at each growth stage of maize during 35 years

2.2 不同区域玉米各生育期水分盈亏指数的变化从表5看出, 春玉米播种— 拔节期间各生产区域CWSDI均大于0, 出现水分盈余, 且由鄂北向鄂东南水分的盈余增加; 在鄂北及鄂中地区春玉米拔节-乳熟期间CWSDI均小于0, 出现水分亏缺, 而在鄂东南地区该阶段表现为水分盈余。夏玉米播种至拔节期间3个地区均出现水分盈余; 夏玉米拔节-吐丝期间, 在鄂北地区水分亏缺, 而在鄂中及鄂东南区为水分盈余; 夏玉米吐丝-完熟期在3个地区均表现为水分亏缺。秋玉米播种-拔节时期3个地区CWSDI均大于0, 水分盈余较多; 而秋玉米拔节至完熟阶段, 三地区均表现为水分亏缺, 尤其是吐丝-乳熟期间水分亏缺较多。不同区域玉米各生育阶段水分盈亏指数年际变化趋势不尽相同, 但趋势差异均不显著。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 35年来不同区域玉米各生育期平均水分盈亏指数(CWSDI, %)及其气候倾向率[Tr, % (10a)-1] Table 5 Crop water surplus deficit index (CWSDI) and climate tendency rate (Tr, % [10a]-1) at each growth stage of maize in different regions during 35 years 种植季 Planting season 地区 Region 播种-拔节SJ 拔节-吐丝JS 吐丝-乳熟SM 乳熟-完熟MM CWSDI Tr CWSDI Tr CWSDI Tr CWSDI Tr 春玉米 Spring maize 鄂北NH 2.0 e 1.6ns -41.0 c -1.9ns -58.2 b -4.8ns -13.7 bc 8.2ns 鄂中CH 84.6 cd 1.6ns -15.7 bc 3.8ns -30.4 b -7.3ns 3.6 b 2.4ns 鄂东南SH 195.0 b -31.4ns 14.7 b 5.8ns 5.0 a -17.6ns 30.7 a 16.6ns 夏玉米 Summer maize 鄂北NH 61.4 de -17.9ns -13.4 bc 6.4ns -44.5 b 0.7ns -33.9 bc 5.0ns 鄂中CH 144.5 bc 1.6ns 17.4 b -8.0ns -42.6 b -1.6ns -31.7 bc -1.7ns 鄂东南SH 264.2 a -26.1ns 70.3 a -12.4ns -37.5 b -2.0ns -21.4 bc -2.7ns 秋玉米 Autumn maize 鄂北NH 118.7 cd -15.5ns -22.6 bc 12.0ns -57.8 b 0.8ns -53.1 c -4.0ns 鄂中CH 117.6 cd -12.6ns -13.7 bc -0.5ns -67.7 b -3.7ns -28.7 bc -7.4ns 鄂东南SH 124.2 cd -22.2ns -7.4 bc -0.5ns -62.0 b -5.7ns -36.5 bc -16.3ns In each column, values followed by different letters are significantly different among treatments at P < 0.05. ns: no significance. Abbreviations are the same as those given in Table 2 and Table 3. 同一列内数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05)。ns表示不显著。缩写同表2与表3。

表5 35年来不同区域玉米各生育期平均水分盈亏指数(CWSDI, %)及其气候倾向率[Tr, % (10a)-1] Table 5 Crop water surplus deficit index (CWSDI) and climate tendency rate (Tr, % [10a]-1) at each growth stage of maize in different regions during 35 years

2.3 不同区域玉米旱涝发生频率从图3看出, 在鄂北地区, 春玉米播种-拔节阶段旱灾和涝灾发生频率基本相当, 分别为20.7%和21.5%; 春玉米拔节-完熟期间旱灾发生较多, 平均为49.3%, 以轻旱为主, 且吐丝-乳熟期间最易发生旱灾, 影响春玉米灌浆。该区域夏玉米播种-拔节阶段旱涝灾害发生频率达70.0%, 其中重涝发生频率占55.1%; 拔节-吐丝时期旱涝灾害发生频率为53.6%, 其中旱灾发生频率占67.9%; 吐丝-完熟时期旱灾发生频率平均为55.0%, 其中轻旱发生频率平均占81.6%。该区域秋玉米播种-拔节阶段主要发生涝灾, 其中重涝发生频率高达54.3%; 拔节-吐丝阶段旱涝灾害发生频率为65.7%, 其中旱灾发生频率占71.7%; 吐丝-完熟阶段主要以旱灾为主, 其中轻旱发生频率平均为50.0%。
图3
Fig. 3

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	图3 不同区域种植季玉米各时期旱涝频率分布 HW: 重涝; LW: 轻涝; LD: 轻旱; HD: 重旱。其他缩写同表2。Fig. 3 Drought and waterlogging frequency distribution at each growth stage of maize planted in different seasons in different regions HW: heavy waterlogging; LW: light waterlogging; LD: light drought; HD: heavy drought. Other abbreviations are the same as those given in Table 2.

在鄂中地区, 春玉米播种-拔节阶段主要发生涝灾, 其中重涝发生频率为45.7%; 拔节-乳熟阶段旱涝灾害发生频率平均为43.6%, 其中轻旱发生频率平均占65.7%; 乳熟-完熟阶段旱涝灾害发生频率为61.4%, 其中旱灾以轻旱为主, 涝灾中重涝和轻涝发生频率相当。该区域夏玉米播种-拔节阶段主要发生涝灾, 其中重涝发生频率达61.0%; 拔节-吐丝阶段旱涝灾害发生频率为53.8%, 其中旱灾以轻旱为主, 涝灾以重涝为主; 吐丝-完熟阶段旱灾发生频率平均为53.8%, 其中轻旱发生频率平均占67.7%。
该区域秋玉米播种-拔节阶段涝灾发生频率为58.1%, 其中重涝发生频率占81.9%; 拔节-吐丝阶段旱灾发生频率为43.8%, 其中轻旱和重旱发生频率相当; 吐丝-完熟阶段旱灾发生频率平均为64.8%, 其中轻旱发生频率平均占65.4%。
在鄂东南地区, 春玉米播种-拔节阶段主要发生涝灾, 其中重涝发生频率高达74.3%; 拔节-吐丝阶段旱涝灾害发生频率为43.8%, 其中旱灾以轻旱程度为主, 涝灾以轻涝程度为主; 吐丝-完熟阶段旱涝灾害发生频率平均为46.2%, 其中旱灾以轻旱程度为主, 涝灾以重涝程度为主。该区域夏玉米播种-拔节阶段主要发生涝灾, 其中重涝发生频率高达78.1%; 拔节-吐丝阶段涝灾发生频率为44.7%, 其中重涝发生频率占74.5%; 吐丝-完熟阶段旱灾发生频率平均为50.0%, 其中轻旱发生频率平均占80.7%。该区域秋玉米播种-拔节期间涝灾发生频率为58.1%, 其中重涝发生频率占83.6%; 拔节-吐丝阶段旱涝灾害发生频率为59.0%, 其中旱灾发生频率占66.1%; 吐丝-乳熟阶段旱灾发生频率达70.5%, 其中轻旱发生频率占58.2%; 乳熟-完熟阶段旱灾发生频率为58.1%, 其中轻旱和重旱发生频率相差不大。

3 讨论玉米需水量是玉米栽培管理、制定灌溉制度的依据, 在我国玉米主产区得到了较多的关注^{[3, 5, 30]}, 而对长江中游玉米需水量却鲜有研究报道。肖俊夫等^[30]研究发现春玉米的需水量高于夏玉米, 且区域间的变化较大, 变化在400~700 mm之间, 夏玉米需水量变化在350~400 mm。本研究表明湖北省的春玉米需水量约430 mm左右, 与黄淮海区春玉米需水量相当^[31], 但区域间变异较小。湖北省夏玉米的需水量与春玉米相当, 区域上的变异也较小, 要高于北方夏玉米需水量^{[30, 31]}。湖北省3个生产区域春玉米、夏玉米和秋玉米需水量最大的时期均为吐丝— 乳熟时期, 这与王宏等^[32]研究结果一致。湖北省各种植季玉米需水量具有明显的年际变化规律, 1980— 2014年间, 鄂中、鄂北三季玉米需水量随年份均呈显著下降趋势, 尤以秋玉米下降趋势最明显, 达22 mm (10a)^-1, 而鄂东南区域玉米需水量则没有显著的年际变化(表2)。也有研究表明黄淮海、华北地区、四川盆地玉米需水量近50年来存在显著的年际下降趋势^{[31, 33, 34]}。而东北地区玉米需水量在近50年内没有明显的年际变化^[3]。
玉米需水量的变化除与田间栽培管理措施有关外, 还与气候等环境因子的变化有关。郝振纯等^[35]研究表明长江流域中游区域潜在蒸散量呈下降趋势, 这也可能是导致该区域玉米需水量年际间显著下降的原因。有研究表明玉米需水量与气温正相关^{[31, 36]}, 而刘晓英等^[33]]研究认为气温对华北地区玉米需水量的变化没有显著影响。本研究表明湖北省春玉米乳熟-完熟、夏玉米拔节-乳熟及秋玉米播种至吐丝阶段需水量与气温正相关, 此期处于每年6月下旬至8月上旬的高温期, 高温导致玉米蒸腾及蒸发加大, 需水量增加; 而春玉米和夏玉米播种-拔节期以及秋玉米吐丝-完熟期的需水量与气温呈显著负相关, 这可能是由于该阶段气温显著升高(表4), 玉米生育期变短^[37], 需水量减少。可见, 作物需水量与气温的关系具时空差异性, 还需要更多的研究去验证, 以便为深入认识气候变暖对作物的复杂影响提供更多的证据。本研究中湖北春玉米、夏玉米及秋玉米某些生育阶段的需水量与风速呈正相关, 与降水和相对湿度呈负相关(表3), 该规律与前人研究结果^{[31, 36]}基本一致。玉米需水量变化是受太阳辐射、温度、平均风速、平均相对湿度、降水综合影响的结果^[31]。闫苗祥等^[38]研究认为, 玉米生育期内气温随年份呈增加趋势, 相对湿度随年份呈减少趋势, 本文研究表明湖北省不同种植季玉米各时期气温随年份呈显著增加趋势, 降水、风速以及相对湿度呈显著减少趋势。刘晓英等^[33]认为华北地区日照与风速减小是玉米需水量下降的主要原因。黄淮海区玉米需水量的下降则与降水及风速的下降有关^[31]。本研究表明鄂中及鄂北地区春玉米、夏玉米需水量年际下降趋势明显, 可能是该阶段风速及相对湿度随年份显著下降所致(表4)。
玉米受旱涝影响的程度主要是玉米需水量、当地有效降水量、地形土壤蓄水能力等综合作用的结果, 具有明显的季节性与区域性特征。利用水分盈亏指数法, 高晓容等^[3]发现东北玉米抽雄前旱涝发生频率较低, 但抽雄后中度旱涝发生频率较高, 且今年来有干旱化的趋势; 淮河流域夏玉米各生育阶段均有不同程度的水分亏缺, 尤以中部地区干旱化程度较重^[39]; 张玉芳等^[40]研究发现四川盆地玉米全生育期干旱风险重度区主要集中在盆中浅丘区、盆东平行岭谷区大部及盆南丘陵区部分区域。黄晚华等^[41]发现湖南春玉米干旱频率较高的时段主要在玉米抽雄– 吐丝阶段及其后的生育阶段, 且随生育期后移干旱频率明显增加, 以轻旱程度为主, 以湘中南的衡阳及周边一带干旱频率最高。本文研究表明湖北不同区域各种植季玉米播种-拔节阶段主要以发生涝灾为主, 其余时期均主要发生旱灾频率较高, 与湖南省春玉米的旱涝规律较相似^[41]。另外, 湖北不同区域各季玉米的水分盈亏指数(CWSDI)没有明显的年际变化趋势, 说明玉米旱涝发生频率没有变化。而隋月等^[42]利用水分亏缺指数(CWDI)研究表明, 长江中下游地区春玉米在七叶到拔节阶段的干旱强度明显增加, 在吐丝后到乳熟阶段呈减小趋势; 夏玉米在拔节到乳熟阶段的干旱呈减轻趋势。该研究中水分亏缺指数(CWDI)的计算主要用于干旱等级划分, 没有考虑水分盈余时造成的涝渍影响, 这可能是与本研究的某些结果不尽一致的原因。
4 结论湖北省低丘平原区不同种植季玉米需水量有较大差异, 其中春玉米与夏玉米需水量相当, 而秋玉米需水量则明显减少。各季玉米需水量在鄂中及鄂北地区均有显著的年际下降趋势, 但其旱涝发生频率则年际变化不显著。从近35年湖北玉米旱涝发生规律看, 鄂中及鄂东南春玉米苗期渍害发生频率较高, 拔节后主要以发生干旱为主; 鄂北春玉米苗期渍害相对较轻, 而吐丝-乳熟阶段干旱程度要重于鄂中及鄂东南地区。在3个区域夏玉米与秋玉米苗期均以发生涝灾为主, 拔节后以发生干旱为主。然而, 与春玉米及夏玉米相比, 秋玉米在拔节— 乳熟阶段发生重旱的频率要高于夏玉米及春玉米。从减少干旱风险及防灾投入考虑, 建议在鄂北地区主要发展夏玉米、鄂中及鄂东南地区主要发展春玉米, 适当控制秋玉米面积。在鄂东南及鄂中地区, 要注意玉米苗期的防涝, 生育中后期防旱; 在鄂北地区主要注意防旱。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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