劉思華，李 晶，黃晚華**，汪天穎，李民華

湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差特征及限制因子分析*

劉思華1，李 晶1，黃晚華1**，汪天穎1，李民華2

（1. 湖南省氣象科學(xué)研究所，長沙 410118；2. 湖南省懷化市氣象局，懷化 418000）

應(yīng)用逐級訂正模型，按照“光、溫”逐級衰減的方法，逐日計(jì)算湖南省春玉米的光合生產(chǎn)潛力，通過每日溫度有效系數(shù)訂正得到逐日光溫生產(chǎn)潛力，并累積得到春玉米全生育期內(nèi)1987?2016年光溫生產(chǎn)潛力。計(jì)算71個(gè)春玉米主產(chǎn)縣光溫潛力產(chǎn)量差，即主產(chǎn)縣實(shí)際單產(chǎn)與對應(yīng)氣象站點(diǎn)光溫生產(chǎn)潛力的差值。結(jié)果表明：累積日照時(shí)數(shù)對春玉米光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的影響有限，3月下旬日照顯著增加但光溫生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量差顯著下降，其區(qū)域分布集中在湘西南和湘南等地。積溫對春玉米光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的影響較廣，特別是高溫的限制作用，春玉米全生育期、3月下旬、6?7月積溫在全省絕大部分地區(qū)均顯著增加，且與光溫潛力和產(chǎn)量差呈顯著負(fù)相關(guān)。表明氣候變化影響下，高溫限制作用加強(qiáng)，湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力顯著降低。目前湖南西部地區(qū)實(shí)際單產(chǎn)較低，光溫潛力產(chǎn)量差較高，春玉米產(chǎn)量有較大提升空間。

光溫生產(chǎn)潛力；產(chǎn)量差；高溫；春玉米

作物生產(chǎn)潛力是指在一定時(shí)期內(nèi)單位土地面積上，在最優(yōu)管理?xiàng)l件[1]下，作物可能獲得的最高產(chǎn)量[2]。產(chǎn)量差是指實(shí)際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量的差值，以不同的作物生產(chǎn)潛力產(chǎn)量水平為上限，可以得到不同等級的產(chǎn)量差[3]，灌溉農(nóng)業(yè)一般以光溫生產(chǎn)潛力作為上限產(chǎn)量。劉志娟[4]、王連喜[5]等分別應(yīng)用作物模型[6]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚7]等方法在全國各地如云南[8]、四川和青海[9]、山西[10]、東北三省[11]、華北地區(qū)[12]、湖南計(jì)算了玉米[13]、小麥、水稻等作物的生產(chǎn)潛力[14]或產(chǎn)量差[15]。機(jī)制法[16]也稱逐級訂正模型[17]，是一種應(yīng)用普遍的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谌珖鳾18]、三江地區(qū)[19]、黑龍江[20]、河南[21]、湖南[22]、江西的水稻[23]、玉米、大豆等作物中均有應(yīng)用，以往多以逐年[24]、逐月、逐旬或分生育期進(jìn)行計(jì)算，逐日計(jì)算的較少見報(bào)道。

玉米是湖南省主要旱糧作物，種植面積和產(chǎn)量僅次于水稻[25]，近年來種植面積不斷增加。湖南以春玉米為主，占總面積的90%以上[26]，但產(chǎn)量水平較低，受氣象因子影響明顯[27]。而氣候變化，特別是溫度對作物產(chǎn)量影響較大[28]，錢錦霞等[29]研究發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)春玉米產(chǎn)量與各生育期平均氣溫相關(guān)性有正有負(fù)。湖南省春玉米生育后期受副熱帶高壓影響，高溫?zé)岷︻l發(fā)，探索玉米生產(chǎn)潛力及其限制因子，努力提高單產(chǎn)水平是玉米研究的重要方向和任務(wù)[30]。因此，本研究通過機(jī)制法，假設(shè)葉面積指數(shù)在生育期內(nèi)逐日線性演變，逐日計(jì)算、訂正、累積湖南省春玉米1987?2016年光溫生產(chǎn)潛力，及其與實(shí)際產(chǎn)量的產(chǎn)量差，分生育期探討日照和積溫對光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的影響，并分析其在全省和各春玉米主產(chǎn)縣的具體表現(xiàn)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)為湖南省95個(gè)氣象觀測站1987?2016年的逐日資料，包括氣溫、日照時(shí)數(shù)、站點(diǎn)信息資料，來源于湖南省氣象信息中心。生育期資料通過積溫法推算，其中各站點(diǎn)的播種日期分別為其穩(wěn)定通過8℃的初日（80%保證率）。產(chǎn)量資料為湖南省各縣1987?2016年數(shù)據(jù)，來源于湖南省統(tǒng)計(jì)局。

1.2 光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算

式（4）、（5）中，T為日平均氣溫（℃），T1、T0、T2分別為玉米當(dāng)日所處生育期的下限溫度（℃）、最適溫度（℃）、上限溫度（℃）。綜合文獻(xiàn)資料和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[31]，湖南省春玉米三基點(diǎn)溫度如表1所示。

1.3 產(chǎn)量差計(jì)算

表1 湖南省春玉米三基點(diǎn)溫度（℃）

通過式（1）?式（6）計(jì)算1987?2016年湖南省春玉米的光溫生產(chǎn)潛力、光溫潛力產(chǎn)量差，分析每10a氣候傾向率、空間分布及限制因子，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[32]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

研究數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用線性傾向率、Pearson相關(guān)系數(shù)和t檢驗(yàn)進(jìn)行變化趨勢分析；空間分布圖通過GIS的普通克里金插值得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米光溫生產(chǎn)潛力特征分析

2.1.1 時(shí)空變化

湖南省春玉米95個(gè)氣象觀測站1987?2016年光溫生產(chǎn)潛力平均值如圖1a所示，其年際間變化在14807（2010年）～21857kg·hm?2（1997年），呈極顯著下降趨勢（R=?0.52，P<0.01），氣候傾向率為1044kg·hm?2·10a?1。

湖南省春玉米1987?2016年氣象觀測站平均光溫生產(chǎn)潛力的空間分布如圖1b所示。由圖可見，其空間變化在13051（郴州）～28540kg·hm?2（桂東）。高值區(qū)主要集中在湘西部分地區(qū)和湘南局地，低值區(qū)主要集中在湘中偏南和湘中偏東。相關(guān)性分析顯示，春玉米光溫生產(chǎn)潛力與各站積溫（R=?0.88，P<0.001）、累積日照時(shí)數(shù)（R=?0.50，P<0.001）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與各站海拔高度（R=0.78，P<0.001）呈極顯著正相關(guān)。這可能與日照時(shí)數(shù)較多時(shí)，溫度升高，而高海拔山區(qū)高溫限制更少、生育期延長等因素有關(guān)。

圖1 1987?2016年湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力的時(shí)（a）、空（b）分布

注：圖b中帶圓圈站點(diǎn)表示光溫生產(chǎn)潛力線性變化趨勢（kg·hm?2·10a?1）通過0.05顯著性檢驗(yàn)。下同。

Note: Arrows with circle in Fig.b represent significant linear trend (kg·ha?1·10y?1, P<0.05). The same as below.

由圖1b還可見，1987?2016年湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力除炎陵外，99%（94個(gè)）的站點(diǎn)表現(xiàn)為下降趨勢；62%（59個(gè)）的站點(diǎn)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，氣候傾向率為每10a下降749（汝城）～2931kg·hm?2（資興），空間分布與光溫生產(chǎn)潛力分布高度相似（R=0.33，P<0.01）。相關(guān)分析顯示，95站光溫生產(chǎn)潛力線性趨勢與各站積溫（R=0.34，P<0.001）、累積日照時(shí)數(shù)（R=0.27，P<0.01）呈顯著正相關(guān)。由此可知，湖南省春玉米生長季內(nèi)積溫少、累積日照時(shí)數(shù)低的地區(qū)，光溫生產(chǎn)潛力線性變化速率小，氣候傾向率下降數(shù)值大，這可能與湖南省近30a春玉米生長季內(nèi)積溫極顯著增加（R=0.67，P<0.001），湘西等山區(qū)高溫限制更小有關(guān)。

2.1.2 限制因子

1987?2016年湖南省春玉米生育期內(nèi)累積日照時(shí)數(shù)和積溫與時(shí)間（R1）、光溫生產(chǎn)潛力（R2）的相關(guān)性如表2所示。由表可見，在全生育期（3月21日?7月31日）內(nèi)，1987?2016年全省平均累積日照時(shí)數(shù)變化趨勢（R1）及其與光溫生產(chǎn)潛力的相關(guān)性（R2）均不顯著，從全省95個(gè)站點(diǎn)來看，相關(guān)性顯著的站點(diǎn)少于13%。全省平均積溫呈顯著增加趨勢，99%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且變化趨勢一致，68%的站點(diǎn)對光溫生產(chǎn)潛力有顯著降低作用。

3月下旬，湖南省春玉米大多處于播種?出苗期。近30a累積日照時(shí)數(shù)顯著增加，95%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且變化趨勢一致，24%的站點(diǎn)累積日照時(shí)數(shù)與光溫生產(chǎn)潛力呈顯著負(fù)相關(guān)，主要集中在湘西南、湘中、湘南。研究期內(nèi)全省范圍內(nèi)積溫顯著增加，99%站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且變化趨勢一致，52%的站點(diǎn)積溫與光溫生產(chǎn)潛力呈顯著負(fù)相關(guān)，主要集中在湘西、湘中、湘南，基本跟累積日照時(shí)數(shù)與光溫生產(chǎn)潛力顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域重合并有所擴(kuò)展。這表明，近30a湖南省3月下旬的光熱資源顯著增加，對于省內(nèi)部分地區(qū)，過多的日照和過高的積溫，可能導(dǎo)致土壤墑情下降，不利于春玉米根系向下伸展，影響蹲苗、壯苗。

4月上旬?5月中旬，湖南省春玉米大多處于出苗?拔節(jié)期。由表2可知，研究期內(nèi)累積日照時(shí)數(shù)變化趨勢不明顯且對光溫生產(chǎn)潛力影響不大，通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)少于13%；全省區(qū)域內(nèi)積溫顯著增加，60%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且變化趨勢一致，但積溫對光溫生產(chǎn)潛力的影響較小，通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)少于4%。

表2 1987?2016年湖南省春玉米各生育期累積日照時(shí)數(shù)、積溫與時(shí)間和光溫生產(chǎn)潛力的相關(guān)關(guān)系

注：*、**分別表示相關(guān)系數(shù)通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。R1為氣象因子與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)，N1為R1通過顯著性檢驗(yàn)的主產(chǎn)縣數(shù)量；R2為氣象因子與光溫生產(chǎn)潛力的相關(guān)系數(shù)，N2為R2通過顯著性檢驗(yàn)的主產(chǎn)縣數(shù)量。下同。

Note：*is P<0.05，**is P<0.01. R1is the correlation coefficient between each factor and year, N1is the number of counties in Hunan province whose R1is significant. R2is the correlation coefficient between each factor and light-temperature potential productivity, N2is the number of counties in Hunan province whose R2is significant. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month. The same as below.

5月中旬?6月中旬，湖南省春玉米大多處于拔節(jié)?抽雄期。近30a來36%的站點(diǎn)累積日照時(shí)數(shù)顯著減少，55%的站點(diǎn)累積日照時(shí)數(shù)與光溫生產(chǎn)潛力呈顯著正相關(guān)，主要集中在湘西南部、湘南、湘中部分地區(qū)。研究期內(nèi)積溫對光溫生產(chǎn)潛力的影響不大，通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)少于2%。這表明，近30a湖南省5月中旬?6月中旬累積日照時(shí)數(shù)的下降是春玉米光溫生產(chǎn)潛力下降的部分原因。

6?7月，湖南省春玉米大多處于抽雄?成熟期。由表2可知，研究期內(nèi)累積日照時(shí)數(shù)的變化趨勢不明顯，且對光溫生產(chǎn)潛力影響不大，通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)少于18%。全省范圍內(nèi)積溫顯著增加，55%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且變化趨勢一致，對光溫生產(chǎn)潛力有顯著降低作用，94%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)且相關(guān)性一致。這表明，近30a湖南省6?7月積溫的顯著增加，對絕大部分地區(qū)的春玉米光溫生產(chǎn)潛力有顯著降低作用。

2.2 實(shí)際產(chǎn)量和產(chǎn)量差特征分析

2.2.1 實(shí)際產(chǎn)量和產(chǎn)量差

湖南省春玉米71個(gè)主產(chǎn)縣平均實(shí)際產(chǎn)量（kg·hm?2）在1987?2016年極顯著增加（R=0.92，P<0.001），氣候傾向率為1152kg·hm?2·10a?1；平均光溫潛力產(chǎn)量差極顯著波動下降（R=?0.79，P<0.001），氣候傾向率為2251kg·hm?2·10a?1（趨勢圖略）。

1987?2016年湖南省春玉米71個(gè)主產(chǎn)縣實(shí)際產(chǎn)量的空間分如圖2a所示。由圖可見，其空間變化在1776（永州市寧遠(yuǎn)縣）～5956kg·hm?2（岳陽市汨羅市）。高值區(qū)主要集中在湘東中部和北部，低值區(qū)主要集中在湘西偏北。相關(guān)性分析顯示，71縣春玉米光溫生產(chǎn)潛力與各縣實(shí)際產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=?0.32，P<0.01），與各縣種植面積呈極顯著正相關(guān)（R=0.44，P<0.001）。這表明，湖南省春玉米的大面積種植區(qū)與光溫生產(chǎn)潛力的高值區(qū)基本重合，但目前實(shí)際產(chǎn)量較低，可能與土壤條件、耕種水平、山區(qū)田間管理不便等有關(guān)。由圖還可見，全省范圍內(nèi)春玉米實(shí)際產(chǎn)量呈一致上升趨勢，97%的站點(diǎn)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，高值區(qū)主要集中在衡邵盆地、湘南、湘東北。

1987?2016年湖南省71個(gè)春玉米主產(chǎn)縣光溫潛力產(chǎn)量差的空間分布如圖2b所示。由圖可見，其空間變化在9393（郴州市蘇仙區(qū)）～25131kg·hm?2（郴州市汝城縣）。高值區(qū)主要集中在湘西和湘東南局地，低值區(qū)主要集中在湘中偏南和湘中偏東。相關(guān)性分析顯示，產(chǎn)量差空間分布與光溫生產(chǎn)潛力高度相似（R=0.97，P<0.001）。由圖還可見，全省范圍內(nèi)春玉米光溫潛力產(chǎn)量差呈一致下降趨勢，99%的站點(diǎn)通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其空間分布與光溫生產(chǎn)潛力線性趨勢相似（R=0.80，P<0.001）。

圖2 1987?2016年湖南省春玉米實(shí)際單產(chǎn)（a）和光溫潛力產(chǎn)量差（b）平均值及其線性變化趨勢的空間分布

2.2.2 影響因子

1987?2016年湖南省春玉米生育期內(nèi)累積日照時(shí)數(shù)和積溫與時(shí)間、產(chǎn)量差的相關(guān)系數(shù)如表3所示。由表可知，湖南省春玉米絕大部分主產(chǎn)縣全生育期積溫、3月下旬積溫、6?7月積溫與光溫潛力產(chǎn)量差呈顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)合光溫生產(chǎn)潛力的影響因子分析可知，特定生育期內(nèi)的溫度上升，顯著降低了湖南省春玉米的光溫潛力，同時(shí)，研究期內(nèi)湖南省春玉米實(shí)際單產(chǎn)呈極顯著上升趨勢，光溫潛力產(chǎn)量差的顯著下降是氣象因子影響光溫生產(chǎn)潛力和實(shí)際單產(chǎn)顯著上升共同作用的結(jié)果。

另外，3月下旬累積日照時(shí)數(shù)顯著增加，是部分站點(diǎn)產(chǎn)量差降低的原因，這部分站點(diǎn)主要集中在湘中及其以南地區(qū)；5月中旬?6月中旬累積日照時(shí)數(shù)降低（不顯著），是部分站點(diǎn)產(chǎn)量差降低的原因，這部分站點(diǎn)主要集中在湘西、湘西南、湘南地區(qū)。

表3 1987?2016年湖南省春玉米不同生育期部分氣象指標(biāo)與光溫潛力產(chǎn)量差的相關(guān)性分析

注：R1同上，R3為與氣象因子與光溫潛力產(chǎn)量差的相關(guān)系數(shù)，N3為R3通過顯著性檢驗(yàn)的主產(chǎn)縣數(shù)量。

Note：R1is the same as Table 2, R3is the correlation coefficient between each factor and yield gap, N3is the number of counties in Hunan province whose R3is significant.

3 結(jié)論與討論

（1）近30a湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力和光溫潛力產(chǎn)量差均呈顯著降低趨勢，全省大部分站點(diǎn)表現(xiàn)一致。這與鐘新科等[24]在東北地區(qū)春玉米氣候潛力、劉志娟等[15]在東北三省春玉米產(chǎn)量差上的研究結(jié)論一致。

（2）近30a湖南省累積日照時(shí)數(shù)的變化對光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的影響有限；3月下旬在湘中和湘南部分地區(qū)呈顯著負(fù)相關(guān)，5月中旬?6月中旬在湘西、湘西南和湘南呈顯著正相關(guān)。這可能與近30a日照時(shí)數(shù)變化趨勢不明顯有關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果與馬雅麗等[10]在山西玉米與生態(tài)氣候因子的研究中指出的日照影響小，且存在一定負(fù)效應(yīng)的結(jié)論一致。

（3）近30a湖南省積溫變化影響較廣，春玉米全生育期、3月下旬、6?7月全省大部分地區(qū)積溫顯著增加，與光溫生產(chǎn)潛力和光溫潛力產(chǎn)量差呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明，高溫可能是湖南省春玉米潛力及產(chǎn)量差的重要限制因子。湖南省西部山區(qū)春玉米目前實(shí)際單產(chǎn)較低，高溫限制較小，光溫潛力和產(chǎn)量差較高，具有較大提升空間。這與錢錦霞等[29]在東北地區(qū)的春玉米產(chǎn)量與乳熟?成熟期平均氣溫呈負(fù)相關(guān)的研究結(jié)論一致。

（4）受氣候變化影響，高溫限制作用加強(qiáng)，湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力顯著下降，依此找出溫光條件對光溫生產(chǎn)潛力的顯著相關(guān)作用及其主要限制因子。將主要限制因子對光溫潛力產(chǎn)量差的影響進(jìn)行驗(yàn)證，亦發(fā)現(xiàn)較好的相關(guān)性。但是實(shí)際單產(chǎn)的顯著增加受農(nóng)業(yè)種植技術(shù)等生產(chǎn)力水平因素影響過大，且湖南省春玉米生產(chǎn)數(shù)據(jù)僅有30a資料，難以剔除生產(chǎn)力水平影響，提取與氣象條件密切相關(guān)的氣象產(chǎn)量。因此，對光溫潛力產(chǎn)量差的限制因子分析還有待進(jìn)一步深入。

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Characteristics and Limiting Factors of Light-temperature Potential Productivity and Yield Gap of Spring Maize in Hunan Province

LIU Si-hua1, LI Jing1, HUANG Wan-hua1, WANG Tian-ying1, LI Min-hua2

(1.Hunan Meteorological Research Institute, Changsha 410118, China; 2.Meteorological Bureau in Huaihua, Hunan Province, Huaihua 418000)

The stepwise correcting model was applied to calculate the light and temperature potentials of spring maize in Hunan Province from 1987 to 2016. Firstly, the daily light potential productivity was calculated, then the daily light-temperature potential productivity was obtained by correcting it using daily temperature effective coefficient. Finally, the daily values were accumulated to get the yearly light-temperature potential productivity. And the yield gap between actual yield and light-temperature potential productivity was calculated in the 71 major counties. The results showed that the effects of sunshine hours on light-temperature potential productivity and yield gap was limited. In the last ten-day of March, there were significantly negative correlations between accumulated sunshine hours and light-temperature potential productivities, yield gap, and the areas mainly distributed in Southwest and South Hunan. However, the accumulated temperature had wide effects on light-temperature potential productivity and yield gap, especially the limiting effects of high temperature. In the whole growth period, the last ten-day of March, and period from June to July, there were remarkable negative correlations between accumulated temperature and light-temperature potential productivity, yield gap in most areas of the province. In conclusion, affecting by climate change, the limiting effects of high temperature was strengthened, and the light-temperature potential productivity of spring maize was significantly reduced in Hunan Province. With the highest yield gap and the highest light-temperature potential productivity in west area of Hunan, there would be a large improvement space for spring maize yield.

Light-temperature potential productivity；Yield gap；High temperature；Spring maize

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.02.004

劉思華,李晶,黃晚華,等.湖南省春玉米光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差特征及限制因子分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(2):94-101

2019?07?21

黃晚華，E-mail：huangwh2008@163.com

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300101-05）；國家自然基金（31571560）；湖南省氣象局面上項(xiàng)目（XQKJ19B056）

劉思華，E-mail：lhczhc@qq.com