適合內(nèi)蒙古河套地區(qū)的低溫冷害動態(tài)監(jiān)測指標(biāo),農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

適合內(nèi)蒙古河套地區(qū)的低溫冷害動態(tài)監(jiān)測指標(biāo),農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文河套灌區(qū)是我們國家最大的自流灌區(qū),位于內(nèi)蒙古高原中部黃河沿岸的平原地區(qū),西到賀蘭山,東至呼和浩特市以東,北到狼山、大青山、南界鄂爾多斯高原,得天獨厚的氣候和引黃灌溉條件使其成為內(nèi)蒙古重要農(nóng)業(yè)區(qū)和商品糧基地.當(dāng)前玉米的種植面積已占到糧食作物播種面積的50%,主導(dǎo)著全區(qū)糧食的豐歉.區(qū)域內(nèi)日照充足,熱量資源豐富,10℃以上活動積溫3100~3650℃d,無霜期140~162天,呈現(xiàn)西高東低變化,偏東地區(qū)冷害風(fēng)險較大.隨著氣候變暖內(nèi)蒙和東北地區(qū)的玉米氣候資源顯著增加[1-2],不同品種熟型玉米分布界限北移明顯[3],增加了玉米低溫冷害發(fā)生的風(fēng)險.研究區(qū)歷史上曾發(fā)生太多次不同程度的低溫冷害,近20年有3次范圍較大的冷害(1991、1995和2007年),平均減產(chǎn)5-10%,華而不實1991和1995年土默川地區(qū)、2007年巴彥淖爾市前山地區(qū)較為嚴(yán)重,減產(chǎn)15%以上.由于生長期較長品種播種面積的增大和溫度的波動性加強,低溫對玉米穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的影響重新遭到關(guān)注.低溫冷害是我們國家北方地區(qū)主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)禍之一,在東北地區(qū)發(fā)生比擬嚴(yán)重和頻繁.關(guān)于玉米低溫冷害指標(biāo)、機理的研究已有很多報道,主要是以積溫負(fù)距平、發(fā)育延遲天數(shù)和生物量損失為基礎(chǔ),多數(shù)指標(biāo)基于東北地區(qū)建立[4-11],并在冷害預(yù)測、監(jiān)測、評估中起著重要作用.當(dāng)前的指標(biāo)以氣候?qū)W意義的靜態(tài)指標(biāo)居多,缺乏從經(jīng)過和機制方面考慮,局域性較強,難以推廣應(yīng)用到其它區(qū)域[11-13].因而,需要針對不同地區(qū)、不同發(fā)育時段建立能客觀描繪敘述低溫冷害發(fā)生規(guī)律的指標(biāo),以到達(dá)動態(tài)監(jiān)測、評估的目的.文中利用河套地區(qū)近20a的玉米發(fā)育期、產(chǎn)量和溫度資料,根據(jù)不同品種類型和發(fā)育進(jìn)程,采用相對活動積溫距平計算方式方法,綜合考慮冷害的階段性和延續(xù)性,制定合適內(nèi)蒙古河套地區(qū)應(yīng)用的低溫冷害動態(tài)監(jiān)測指標(biāo),為及時監(jiān)測、評估和有效防御低溫冷害造成的危害提供科學(xué)根據(jù)和技術(shù)支撐.1材料與方式方法1.1資料來源和處理河套灌區(qū)12個氣象站1991-2020年4~10月逐日氣溫和臨河市、準(zhǔn)格爾旗、土左旗3個農(nóng)業(yè)氣象觀測站資料來源于內(nèi)蒙古氣象信息中心,相應(yīng)地區(qū)歷年產(chǎn)量資料和2002-2018年內(nèi)蒙古玉米品比試驗資料分別來源于內(nèi)蒙古統(tǒng)計局和內(nèi)蒙古種子管理站.1.1.1發(fā)育期資料挑選比擬臨河、準(zhǔn)格爾旗近10年與近20年各發(fā)育期平均出現(xiàn)日期看出,近10年發(fā)育期略有推后,相差0-3天,相差2天以內(nèi)的發(fā)育時段占89%,總體變化不大.考慮到氣候變化和品種更新的影響,兼顧各站資料年限(土左旗發(fā)育期資料有14年),選用近10年(2001-2018年)資料分析各站玉米發(fā)育期正常年份平均出現(xiàn)日期代表多年平均狀況.1.1.2產(chǎn)量資料處理玉米氣象產(chǎn)量波動系數(shù)采用(1)式計算,即:式中:It為t年的波動系數(shù);Yt為t年實際產(chǎn)量(kg/hm);Yw為t年趨勢產(chǎn)量(kg/hm),采用線性或多項式擬合.選擇氣象產(chǎn)量波動系數(shù)小于0的年份作為減產(chǎn)年.1.2相對活動積溫距平計算方式方法根據(jù)積溫原理,玉米完成某一發(fā)育期所需的積溫相對固定[9],其生長發(fā)育進(jìn)程中某時段熱量的知足程度可用該時段積溫距平占總生育期積溫的比率,即相對活動積溫距平來表示:式中:TXJ為相對活動積溫距平,Ti為i發(fā)育時段實測活動積溫(℃d),TOi為i發(fā)育時段標(biāo)準(zhǔn)活動積溫(℃d),TO為從出苗到成熟需要的總的標(biāo)準(zhǔn)活動積溫(℃d).1.3玉米品種適宜種植區(qū)域劃分為了確定各站點適宜種植的品種類型和正確選取冷害指標(biāo),需要進(jìn)行玉米品種種植區(qū)域劃分.根據(jù)代表站點資料分析,玉米出苗日期平均為5月12日,成熟日期平均為9月20日,以近20年出苗-成熟期間的活動積溫平均值為基準(zhǔn),參考內(nèi)蒙古玉米品種區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[14],以10℃活動積溫2850℃d、2750℃d為下限,劃分研究區(qū)玉米晚熟、中晚熟和中熟品種主要種植區(qū)域(表1).2低溫冷害指標(biāo)確實定2.1玉米平均發(fā)育日期和活動積溫下限確實定統(tǒng)計近10年各站10℃活動積溫累積進(jìn)程,去掉積溫明顯偏低年(臨河、土左旗和準(zhǔn)格爾旗分別去掉2010年、2003年和2006年),平均后作為該地區(qū)玉米不同生長階段所需的積溫(表2).參考品比試驗結(jié)果(表3),得出臨河玉米發(fā)育進(jìn)程能夠代表晚熟品種,土左旗和準(zhǔn)格爾可分別代表中晚熟和中熟品種.綜合表2和表3結(jié)果,參考各站1991-2018年不同時段積溫的平均值,得出河套地區(qū)玉米主要品種在正常氣候條件下各發(fā)育期普遍出現(xiàn)時間和所需的活動積溫(視作標(biāo)準(zhǔn)活動積溫)(表4).2.2相對活動積溫距平指標(biāo)確定基于延遲型冷害發(fā)生特點和生產(chǎn)實際,選擇發(fā)育期間隔日數(shù)20~30天的時段和抽雄-吐絲期6個發(fā)育時段制定冷害指標(biāo).考慮到指標(biāo)的通用性,采用固定時段積溫缺少量衡量.利用晚熟區(qū)3個站、中晚熟區(qū)6個站和中熟區(qū)3個站20年的日平均氣溫資料,以表4中的發(fā)育日期統(tǒng)計實測活動積溫Ti,與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)活動積溫TOi和TO比擬計算出各時段各年的相對積溫距平,根據(jù)積溫減少幅度,參考?xì)v史低溫冷害發(fā)生情況,確定出晚熟、中晚熟和中熟品種各生育階段輕度、中度和重度相對活動積溫距平冷害指標(biāo)(表5).2.3積溫指數(shù)等級指標(biāo)表5閾值反映了作物生長到某個階段積溫的相對虧缺程度,牽涉到低溫累積和高溫補償效應(yīng),但對不同時段低溫疊加作用或連續(xù)性的影響考慮缺乏.而低溫冷害是一個時間積累性農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)禍[5].在作物的全生育期中,任何時段出現(xiàn)的低溫都有可能使得發(fā)育期延遲,但能否最終成災(zāi),取決于低溫持續(xù)時間的長短和低溫的嚴(yán)重程度.通過分析歷史資料,低溫冷害的發(fā)生與低溫出現(xiàn)時段的多少或低溫持續(xù)時間長短關(guān)系密切,相關(guān)程度大于低溫強度,采用相關(guān)系數(shù)法對TXJ指標(biāo)進(jìn)行修正,得出下面積溫指數(shù)計算方式方法:式中:Ki為當(dāng)下時段積溫指數(shù),Si為當(dāng)下時段TXJ指標(biāo)判定的低溫出現(xiàn)的次數(shù),i=1-6;Dij為當(dāng)下時段冷害等級,j=1-3,分別表示輕度、中度和重度.參考減產(chǎn)程度對K值進(jìn)行等級劃分:當(dāng)Ki=2．4－3．1時，輕度冷害減產(chǎn)0～5%;3．2－4．0時，中度冷害減產(chǎn)5～10%;4．1以上時，重度冷害減產(chǎn)10%以上。積溫指數(shù)等級指標(biāo)不僅反映了作物生長經(jīng)過中積溫虧缺程度,也考慮了階段溫度的持續(xù)影響和后期溫度的補償效應(yīng).3指標(biāo)檢驗和應(yīng)用3.1歷史回代檢驗采用公式(2)、(3)和表5計算各站不同時段的積溫指數(shù),并與相應(yīng)等級指標(biāo)比擬,得出冷害等級指數(shù)斷定結(jié)果(表6):近20年共發(fā)生不同程度低溫冷害60站次,華而不實重度冷害占31.7%,中輕度占68.3%,低溫年與減產(chǎn)年的一致率為68.3%.區(qū)域上看,1991年有10個站出現(xiàn)了冷害,均造成減產(chǎn),1993、1995、2003、2004年有8個站同時出現(xiàn)冷害,發(fā)生率67%以上,屬全區(qū)域性冷害年;1992年有7站出現(xiàn)冷害,發(fā)生率58.3%,為區(qū)域性冷害,除2004年外71%的地區(qū)出現(xiàn)減產(chǎn),講明大范圍的低溫冷害常造成減產(chǎn),且回代檢驗的準(zhǔn)確性較高.3.2指標(biāo)的外推檢驗對2018-2020年冷害發(fā)生判別表示清楚,2020年河套偏南地區(qū)發(fā)生較嚴(yán)重低溫冷害,造成不同程度的減產(chǎn),華而不實準(zhǔn)格爾旗、土左旗、臨河區(qū)較為嚴(yán)重,減產(chǎn)15%以上,呼和浩特市、包頭較輕,發(fā)生區(qū)域占到67%.2018年準(zhǔn)格爾發(fā)生了輕度冷害,外推檢驗冷害年與減產(chǎn)的一致性為85.7%(表7).冷害判定與氣象減產(chǎn)率的一致性表示清楚所建指有較好的準(zhǔn)確性.4討論河套灌區(qū)玉米低溫冷害以延遲型冷害為主,危害特點是低溫出如今營養(yǎng)生長期則會延遲抽穗,若發(fā)生在籽粒構(gòu)成期,則使凈光合能力降低,導(dǎo)致作物灌漿不充分而減產(chǎn).但在作物生長經(jīng)過中,低溫既能夠累積加重危害,可以以得到后期高溫?zé)崃康膹浹a而減輕危害,因而,低溫冷害的發(fā)生是一個連續(xù)的系統(tǒng)經(jīng)過,對它的監(jiān)測預(yù)測也應(yīng)當(dāng)是動態(tài)的.以往的指標(biāo)多以靜態(tài)為主,文中基于6個關(guān)鍵發(fā)育期建立的指標(biāo)反映了生長季各階段低溫累積效應(yīng)和高溫補償效益,基本知足了低溫冷害動態(tài)監(jiān)測的需要.然而,不同生長階段玉米對一樣溫度的敏感性不同,本指標(biāo)沒有考慮溫度熱效益的影響,需要今后進(jìn)一步研究,以加強指標(biāo)的代表性和準(zhǔn)確性.冷害的危害程度一般以減產(chǎn)率來判別.與我們國家東部地區(qū)相比,河套地區(qū)玉米低溫冷害的危害相對較輕,為了能客觀反映研究區(qū)冷害發(fā)生,文中設(shè)定的減產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)較東北地區(qū)低5%,即減產(chǎn)率0~5%、5~10%、10~15%分別為輕度、中度和重度冷害.冷害判定結(jié)果與氣象減產(chǎn)率的一致性比擬高,但要到達(dá)完全一致是很困難的,由于氣象產(chǎn)量的波動受多種氣候因子的影響,區(qū)分單一氣象要素對產(chǎn)量的影響特別困難.冷害年作物產(chǎn)量的降低不僅與低溫有關(guān),而且會伴隨有霜凍、干旱、病蟲害等其它災(zāi)禍,常造成減產(chǎn)幅度與冷害程度不一致的現(xiàn)象,同時發(fā)生冷害后也未必都造成減產(chǎn)[15],低溫冷害發(fā)生與氣象減產(chǎn)年的一致性,除了受氣象產(chǎn)量的模擬偏差,品種熟性選擇誤差,指標(biāo)本身的判定能力等影響外,還會遭到低溫發(fā)生時段與程度差異的影響,若冷害發(fā)生在敏感期且比擬嚴(yán)重,即便后期熱量充足也會對產(chǎn)量造成影響[16],而在抽雄-吐絲和灌漿初期熱量充足,其它時期的低溫對產(chǎn)量影響較輕.2004年土默川地區(qū)低溫明顯,主要是玉米生長前期熱量缺乏,生育期雖有推后但在吐絲前后日平均溫度較高,平均為24.3℃,且晚霜出現(xiàn)的晚而未造成明顯減產(chǎn).由此看出,利用減產(chǎn)年來判定冷害發(fā)生存在一定的不確定性,尋找其它生物指標(biāo)來輔助判定冷害影響特別必要.5結(jié)論通過分析項目區(qū)玉米的發(fā)育進(jìn)程和10℃的活動積溫,確定出晚熟、中晚熟和中熟玉米品種主要發(fā)育期在氣候正常年份平均出現(xiàn)的日期和標(biāo)準(zhǔn)活動積溫;并基于相對活動積溫距平(TXJ)指標(biāo)建立了積溫指數(shù)計算方式方法,既刻畫出冷害的階段性和延續(xù)性,也反映了不同時段低溫疊加作用,可用于描繪敘述玉米延遲型冷害的發(fā)生發(fā)展.該指標(biāo)在玉米生長發(fā)育各時期均可進(jìn)行冷害判別,后一次判別可看作是對前一次判別的修訂和補充,越接近成熟期,判別結(jié)果越準(zhǔn)確.這一指標(biāo)為實現(xiàn)玉米低溫冷害發(fā)生風(fēng)險和災(zāi)損評估的動態(tài)化提供科學(xué)根據(jù),也為河套地區(qū)玉米生產(chǎn)和減災(zāi)等農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供一個新的技術(shù)手段.以下為參考文獻(xiàn)[1]張存厚,李云鵬,李興華,等.內(nèi)蒙古近30年10℃積溫變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2018,23(5):100-105.[2]胡燕宇,延軍平,李雙雙.大東北地區(qū)暖溫帶北界對氣候變暖的響應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2020,27(5):107-113.[3]賈建英,郭建平.東北地區(qū)近46年氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2018,25(10):109-115.[4]馬樹慶,劉玉英,王琪.玉米低溫冷害動態(tài)評估和預(yù)測方式方法[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2006,17(10):1905-1910.[5]李祎君,王春乙.東北地區(qū)玉米低溫冷害綜合指標(biāo)研究[J].自然災(zāi)禍學(xué)報,2007,16(6):15-20.[6]劉布春,王石立,莊立偉,等.基于東北玉米區(qū)域動力模型的低溫冷害預(yù)報應(yīng)用研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2003,14(5):616-625.[7]郭建平,田志會,張涓涓.東北地區(qū)玉米熱量指數(shù)的預(yù)測模型研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2003,14(5):626-633.[8]朱海霞,紀(jì)仰慧,閆平,等.黑龍江省玉米低溫冷害發(fā)生風(fēng)險趨勢及預(yù)報模型[J].氣象科技,2018,38(3):368-372.[9]郭建平,馬樹慶.農(nóng)作物低溫冷害監(jiān)測預(yù)測理論和實踐[M].北京:氣象出版社,2018:36-38.[10]馬樹慶,龔祝香,王琪.中國東北地區(qū)玉米低溫冷害風(fēng)險評估[J].自然災(zāi)禍學(xué)報,2003,12(3):137-141.[11]高曉容,王春乙,張繼權(quán).氣候變暖對東北玉米低溫冷害分布規(guī)律的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2020,32(7):2110-2118.[12]王遠(yuǎn)皓,王春乙,張雪芬.作物低溫冷害指標(biāo)及風(fēng)險評估研究進(jìn)展[J].氣象科技,2008,36(3):310