潘東華 ，賈慧聰，張萬昌，尹圓圓

(1. 民政部國家減災中心，北京 100124；2. 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所中科院數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094；3. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

基于野外試驗的玉米干旱脆弱性研究

潘東華1，賈慧聰2，張萬昌2，尹圓圓3

(1. 民政部國家減災中心，北京 100124；2. 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所中科院數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094；3. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

基于人工控制田間試驗的方法，選取河北黃驊基地為試驗區(qū)，通過觀測玉米每個生長階段在不同干旱強度下的生物量損失數(shù)值，分析了不同干旱程度對玉米營養(yǎng)器官生長和生物量的影響，構建了玉米受旱的5個生育期自然脆弱性曲線。結果表明，對玉米株高影響最大的生育期是拔節(jié)期。根系對輕度缺水反應不敏感。不同生育期的干旱脅迫對玉米地上器官鮮重的影響大于對根系的影響。在輕旱致災下，出苗-拔節(jié)期的生物量損失風險最高；在重旱致災下，拔節(jié)-抽雄期的生物量損失風險最高。

野外試驗；脆弱性曲線；玉米旱災；河北黃驊；生育期

玉米是需水量較高的旱田作物之一，土壤水分狀況對玉米的生理過程具有重要的影響。關于水分脅迫對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量造成的影響已有較多的研究[1-6]，多數(shù)研究結果表明，土壤水分脅迫抑制玉米的生長發(fā)育，降低光合性能，從而導致減產(chǎn)。但限于土壤水分條件控制的困難，水分控制層段、時期與指標不同，尤其對各生育期水分脅迫對玉米生長發(fā)育及物質(zhì)累積與分配影響的研究較少。

并不是所有災害歷史事件都有數(shù)據(jù)記錄，當指標方法不夠規(guī)范、評價結果不能夠達到充分可信度的時候，脆弱性曲線為脆弱性的評價提供了新的思路。脆弱性曲線也稱為脆弱性函數(shù)或災損率曲線[7]，最早出現(xiàn)于1964年，用來衡量不同強度的各災種與其相應損失(率)之間的關系，主要以曲線、曲面或者表格的形式表現(xiàn)出來。脆弱性曲線真正面對承災體個體，可從根本上解決脆弱性評價結果針對性不強、可操作性不強等特點，通過承災體自身個體的脆弱性反映區(qū)域總體脆弱性特征[8-10]。因此，開展“作物自然脆弱性曲線”研究可以從微觀角度刻畫旱災，為深入研究農(nóng)業(yè)旱災風險提供新的思路和方法[11]。

本文認為玉米干旱脆弱性是受干旱影響的玉米應對干旱的一種內(nèi)在特性，是特定品種玉米本身特有的自然物理屬性，通過確定玉米干旱致災強度和產(chǎn)量損失率之間的關系，可以得出特定品種玉米的自然脆弱性曲線。將每個玉米旱災致災強度打擊下的損失值，進行非線性擬合可得到該種玉米旱災的脆弱性曲線。

1 試驗設計

1.1 自然地理條件

本文選取河北黃驊野外試驗基地進行系統(tǒng)的小區(qū)覆膜玉米水分脅迫試驗。該區(qū)域多年平均降水量626.5 mm，年降水量75%集中在夏季，年平均氣溫12 ℃，年平均無霜期194 d。黃驊試驗基地供試土壤為濱海鹽土，厚度150 cm，田間持水量32%，容重為1.50 g/cm3，表層≤0.01 mm的物理黏粒占7%～10%；表層有機質(zhì)0.598%～1.286%；全氮量0.032%～0.742%；全鹽量0.501 3%～3.990 1%[12]。黃驊試驗基地提供試驗面積100 m2。分析試驗基地1～11月每日降雨量分布(圖1)可知，夏季(6-8月)降水量為444.5 mm，約占總降水量的69.6%。

圖1 試驗基地降雨量分析(1-11月)

1.2 試驗材料與種植

試驗選取的玉米品種為隆源六號，春播生育期120 d左右，為當?shù)刂髟云贩N。試驗小區(qū)規(guī)格為寬2 m，長3 m，設計5個試驗處理，3個重復，共計15個小區(qū)。種植小區(qū)周圍設有保護行，且用塑料膜隔離，防止水分側(cè)滲；小區(qū)由西向東依次編為1～5#，種植小區(qū)在此基礎按重復編號。種植方式采用膜側(cè)溝種壟蓋栽培技術，即選用寬度40 cm的微膜，起壟、蓋膜、播種一次完成，地膜蓋在壟背上，玉米種在壟溝里，每畝用膜1.6 kg，株距間隔30 cm。由于膜側(cè)溝種壟蓋玉米實行寬窄行種植，寬行74 cm、窄行40 cm，基本株數(shù)在每畝4 000株。4月28日播種，9月10日收獲。

1.3 試驗方案

選定“土壤含水量占田間持水量的百分比”作為評價玉米不同干旱致災強度的指標。試驗按0～100 cm土層土壤水分含量設計5個處理，土壤含水量分別為田間持水量的90%(輕度干旱W90)、75%(中度干旱W75)、60%(重度干旱W60)、40%(極重度干旱W40)。以水分適宜處理(CK)作對照，重復3次。各處理土壤水分目標實行全程控制，每5 d測定補充1次水，各處理每次灌水量采用水表控制。為了控制玉米各生育階段的水分供應狀況，在拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花和乳熟五個時期進行水分控制(拔節(jié)期前各小區(qū)水分條件一致)。采用“灌溉梯度遞減”的灌溉方式進行灌溉(表1)。

表1 干旱強度設計處理

1.4 試驗基本參數(shù)獲取

試驗對土壤、作物有關參數(shù)均定期進行測定，包括：用取土樣烘干法測定玉米根系層土壤含水量，每10 d測定1次且在灌水前后加測。生育期內(nèi)定期、定點取代表性植株5株調(diào)查測定株高、葉面積、鮮重、干物重等求得平均值，收獲期小區(qū)計產(chǎn)，所得數(shù)據(jù)進行方差分析。作物株高用鋼卷尺測量，葉面積測定取樣本植株每片完全展開葉的完整的綠色葉片長度(cm)和最大寬度(cm)，葉面積用長×寬×系數(shù)的方法求得(玉米的校正系數(shù)為0.70)。

2 干旱脅迫對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

2.1 不同干旱程度對玉米營養(yǎng)器官生長的影響

在干旱水分脅迫下，玉米一個可以測得的生理反應就是生長緩慢，阻礙植株的高度發(fā)展。圖2表明，不同時期不同程度的干旱程度都導致玉米株高降低，但所造成的影響程度不同。在拔節(jié)期受旱對玉米株高的影響最大，其中的特旱處理僅為無旱處理的63.38%，該期輕旱和中旱處理的玉米高度為無旱的97.18%和80.28%，說明干旱程度越高，對玉米株高的影響也越顯著。在進入抽雄期后，玉米由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變，因此該階段及其以后的干旱對玉米株高的影響不明顯。

針對干旱脅迫對玉米根長的影響(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)，只有特旱程度下，根長才會明顯降低，其他程度的受旱反而有促進根系下扎、根量增加的作用。根系對輕度缺水反應不敏感，尤其在苗期階段輕度控水反而有利于根系生長，增加根葉比，對最終產(chǎn)量有益。

由圖4和圖5可以得出，隨著生育期的進程，玉米地上部鮮重和地下鮮重呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。不同生育期的干旱程度對玉米地上器官鮮重的影響大于對根系的影響。抽雄-乳熟期是對玉米地上部鮮重、地下部鮮重影響最大的生育期。分析表明，抽雄期是玉米一生對水分反應最敏感的時期，在該期發(fā)生特旱的干旱脅迫時，相比沒有干旱脅迫，地上部鮮重下降37.9%，而地下部鮮重下降37.5%。

2.2 不同干旱程度對玉米生物量的影響

本文計算的玉米日生物量是地上部與地下部的總重量。由圖6可知，隨著生育期的進程，5個時段的生物量都呈現(xiàn)出逐漸增長然后保持平穩(wěn)的趨勢，生物量在乳熟-成熟期達到最大。拔節(jié)期是玉米株體形成的重要時期，植株生長旺盛，玉米需水強烈，此期受旱對對產(chǎn)量的影響較大。而抽雄期為玉米的需水臨界期，該期的干旱對產(chǎn)量損失產(chǎn)生重大影響。進入乳熟期后，玉米仍需要較多的水分，此時玉米的光合作用和蒸騰都在旺盛進行，同時大量的營養(yǎng)物質(zhì)從莖葉向果穗運移，此期受旱玉米植株生物量減產(chǎn)風險仍較高。進入成熟期后，干旱脅迫對玉米的減產(chǎn)風險基本不變。因此，拔節(jié)-抽雄期對水分脅迫的敏感性最高，這可以作為減輕旱災風險水平，選擇田間灌水時期以及灌水數(shù)量的重要依據(jù)，以達到最優(yōu)的玉米產(chǎn)量結果。

3 干旱脆弱性曲線的構建

通過定期觀測土壤相對濕度和玉米的生育期、葉面積、株高、莖粗、生物量等。得出每個生長季的干旱致災強度和因旱生物量損失率，通過非線性統(tǒng)計模型多次擬合，回歸出5個生育期玉米各自受旱的自然脆弱性曲線(圖7)。

圖2 不同生育期干旱強度對株高的影響

圖3 不同生育期干旱強度對根長的影響

圖4 不同生育期干旱強度對地上部鮮重的影響

圖5 不同生育期干旱強度對根重的影響

圖6 黃驊試驗區(qū)玉米不同生育期對應生物量變化

圖7 不同生育階段玉米旱災自然脆弱性曲線

玉米生物量的積累取決于光合性能的高低，由于光合性能的諸多因素均受到土壤水分狀況的影響，因此，不同生育時期在不同的干旱脅迫強度下，玉米生物量的積累會發(fā)生明顯的變化。播種-出苗期：玉米受旱程度無論是輕旱還是重度干旱，生物量損失率都比較小?？梢姡缙诘挠衩啄秃敌詮?，表明苗期階段輕度控水有利于根系生長的規(guī)律一致。出苗-拔節(jié)期：此時期玉米受旱的損失率加大，因為該期是玉米株體形成的重要階段，根、莖、葉等營養(yǎng)器官迅速生長。隨著受旱程度的加大，玉米植株營養(yǎng)體的生長受抑，特旱的損失率達到31.5%。拔節(jié)-抽雄期：此時期玉米由營養(yǎng)生長向生殖生長過渡，干旱的脅迫對玉米的生殖生長影響明顯，特旱的損失率達到41.4%。抽雄-乳熟期：此時期玉米仍需要較多的水分，如果干旱脅迫，易造成籽粒發(fā)育不完全，造成減產(chǎn)，特旱的損失率達到36.1%。乳熟-成熟期：此期的干旱脅迫明顯影響果穗長度、粗度、結實花數(shù)以及穗粒數(shù)，特旱的損失率達到35.9%。

對比分析不同程度干旱致災強度下各生育期的損失風險水平，可知拔節(jié)-抽雄期是玉米生物量損失的高風險時期，而播種-出苗期的玉米受旱損失風險較低。

4 結論與討論

(1)基于人工控制田間試驗的方法，選取黃驊基地為試驗區(qū)，通過觀測玉米每個生長階段，在不同干旱強度下的生物量損失數(shù)值，經(jīng)過計算模擬可為農(nóng)作物生長模型的校準參數(shù)提供來源，為模擬結果提供實證檢驗，加強了基礎性的實驗支持。

(2)結果表明，對玉米株高的影響最大的生育期是拔節(jié)期。根系對輕度缺水反應不敏感，尤其在苗期階段輕度控水反而有利其生長。不同生育期的干旱脅迫對玉米地上器官鮮重的影響大于對根系的影響。在輕旱致災下，出苗-拔節(jié)期的生物量損失風險最高；在重旱致災下，拔節(jié)-抽雄期的生物量損失風險最高。

(3)針對玉米旱災高風險的生育時段，接下來應考慮不同生育階段的農(nóng)事活動，綜合各地玉米水分管理的經(jīng)驗，提出有利于減輕農(nóng)業(yè)旱災風險的適應性對策。

[1] 鄭盛華，嚴昌榮. 水分脅迫對玉米苗期生理和形態(tài)特性的影響[J]. 生態(tài)學報，2006，26(4)：1138-1143.

[2] 張淑杰，張玉書，紀瑞鵬，等. 水分脅迫對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響研究[J]. 中國農(nóng)學通報，2011，27(12)：68-72.

[3] 張玉書，米娜，陳鵬獅，等. 土壤水分脅迫對玉米生長發(fā)育的影響研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報，2012，28(3)：1-7.

[4] 王智威，牟思維 ，閆麗麗，等. 水分脅迫對春播玉米苗期生長及其生理生化特性的影響[J]. 西北植物學報，2013，33(2)：343-351.

[5] 任麗雯，馬興祥. 石羊河流域水分脅迫對玉米生長發(fā)育指標和產(chǎn)量的影響[J]. 干旱氣象，2014，32(5)：760-772.

[6] Singh B R，Singh D P．Agronomic and physiological responses of sorghum，maize and pearl millet to irrigation [J]． Field Crops Research，1995，42: 57-67.

[7] Zornitsa Popova, Milena Kercheva. CERES model application for increasing preparedness to climate variability in agricultural planning risk analyses [J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2005, 30: 117-124.

[8] Jia H C, Wang JA, Cao CX, et al. Maize drought disaster risk assessment of China based on EPIC model[J]．International Journal of Digital Earth, 2012, 5 (6), 488-515.

[9] 賈慧聰，王靜愛，潘東華，等. 基于EPIC模型的黃淮海夏玉米旱災風險評價[J].地理學報，2011，66(5)：643-652.

[10]潘東華，袁藝，賈慧聰，等.我國典型區(qū)因旱飲水困難人口快速評估模型研究[J].災害學，2014, 29(3)： 34-39.

[11]Pan DH, Jia HC. Drought disaster risk assessment of the Yellow River Basin based on historical drought information in GIS environment [J]. Disaster Advances, 2012, 5(4):90-94.

[12]李恒哲，郭年冬，陳召亞，等. 縣域耕地資源價值綜合評價及動態(tài)分析-以河北省黃驊市為例[J].土壤通報，2015，46(6)：1334-1340.

ResearchontheMaizeDroughtVulnerabilityBasedonFieldExperiment

PAN Donghua1, JIA Huicong2, ZHANG Wanchang2and YIN Yuanyuan3

(1.NationalDisasterReductionCenterofChina,MinistryofCivilAffairsofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100124,China; 2.StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences.Beijing100094,China; 3.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)

Basedonanartificialcontrollingfieldexperiment,takingHuanghuacityofHebeiProvincebaseastheexperimentalsite,theeffectofdifferentdroughtdegreeonmaizegrowthofvegetativeorgansandbiomasswereanalyzed,thephysicalmaizedroughtvulnerabilitycurvesofthefivestageswereconstructed.Theresultsshowthat,themostimpactgrowthperiodofmaizeplantheightwasthejointingstage.Rootsystemwasnotsensitivetosmalldegreeofwatershortage.Theeffectofdroughtstressatdifferentstagesofcornonthegroundorgansfreshweightisgreaterthanthatofrootsystem.Underthelowdroughthazard-inducingdegree,emergence-jointingstagehasthehighestbiomasslossrisk.Underthehighdroughthazard-inducingdegree,jointingtotasselingstagehasthehighestbiomasslossrisk.

fieldexperiment;physicalvulnerabilitycurves;maizedrought;HuanghuacityofHebeiProvince;growthstage

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.026.]

2016-08-24

2016-10-10

國家自然科學基金項目(41471428；41671505)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFA0602302;2016YFB0502502);中國氣象局蘭州干旱氣象研究所資助項目(IAM201609)

潘東華(1981-)，男，漢族，江蘇丹陽人，博士，副研究員，主要從事干旱災害評估與風險防范研究與管理研究.E-mail: pandonghua@ndrcc.gov.cn

賈慧聰(1981-)，女，漢族，山東聊城人，博士，副研究員，主要從事GIS&RS在自然災害風險分析中的應用研究. E-mail: jiahc@radi.ac.cn

X43；S423；P53 文摘標志碼：A

1000-811X(2017)02-0150-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.026

潘東華，賈慧聰，張萬昌，等. 基于野外試驗的玉米干旱脆弱性研究[J]. 災害學，2017，32(2)：150-153,180. [PAN Donghua, JIA Huicong and ZHANG Wanchang, et al. Research on the Maize Drought Vulnerability Based on Field Experiment[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：150-153,180.