劉煥才， 史書(shū)琦， 李 曼， 張艷芳， 韓 麗

（1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030031；2.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710062）

糧食安全是國(guó)家安全的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定的基石［1］。玉米作為我國(guó)主要糧食作物之一，2020 年國(guó)內(nèi)玉米產(chǎn)量達(dá)到2.66×109t，約占全國(guó)糧食產(chǎn)量的38.93%。隨著糧食需求量增長(zhǎng)、耕地面積的剛性減少，提高玉米單產(chǎn)成為保障我國(guó)糧食安全的重要途徑之一［2］。相關(guān)學(xué)者針對(duì)玉米單產(chǎn)的影響因素研究主要涉及自然因素和人為因素兩方面［3-4］。在自然因素方面，氣候變化背景下，干旱、強(qiáng)降水和高溫等因素對(duì)玉米性狀、單產(chǎn)影響顯著［5］，且表現(xiàn)出明顯地域差異，例如：李祎君［6］利用通徑分析法探討氣象災(zāi)害對(duì)東北平原玉米單產(chǎn)及品質(zhì)的影響，提出干旱已成為威脅玉米氣候產(chǎn)量的首要災(zāi)害；江銘諾［7］等利用世界糧食作物研究模型（WOFOST）、奇異值分解（SVD）等方法分析華北平原不同區(qū)域夏玉米潛在產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域夏玉米潛在產(chǎn)量減少與太陽(yáng)總輻射下降有關(guān)；陳上［8］基于美國(guó)的農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移決策支持系統(tǒng)（DSSAT）和機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)黃土高原玉米產(chǎn)量，認(rèn)為降水的年內(nèi)分配不均和頻發(fā)的干旱是限制玉米產(chǎn)量的主要因素；Chen等［9］基于DSSATCERES-Maize模型和極端氣候指數(shù)探討長(zhǎng)江流域雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)玉米單產(chǎn)對(duì)氣候變化的響應(yīng)，指出溫度與玉米單產(chǎn)的相關(guān)性最高。在人為因素方面，合理的灌溉、施肥和播期等因素是玉米增產(chǎn)的重要途徑，例如：Meng 等［10］通過(guò)探討凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率變化與灌水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)適宜的灌水量有利于提高玉米干物質(zhì)積累量和單產(chǎn)；吳曉麗等通過(guò)研究不同施肥模式下玉米各器官對(duì)氮、鋅的吸收和累積，得出合理的施肥量和施肥技術(shù)可提高肥料利用率，進(jìn)而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的結(jié)論［11-13］；薛慶禹等［14］通過(guò)設(shè)置不同播期下夏玉米的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)夏玉米生育期隨播期推遲而縮短。

目前，眾多學(xué)者普遍選用各類作物模型研究作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及產(chǎn)量［15］，例如：澳大利亞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬器（APSIM）、美國(guó)的農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移決策支持系統(tǒng)（DSSAT）、聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織發(fā)布的作物-水生產(chǎn)力模型（AquaCrop）、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)與國(guó)際水稻研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的作物生長(zhǎng)模擬系統(tǒng)（ORYZA）。其中，DSSAT模型作為全球應(yīng)用最廣泛的作物模型之一，能夠在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合考慮作物、環(huán)境和管理措施三者間的相互關(guān)系［16］，對(duì)特定區(qū)域作物品種的遺傳參數(shù)進(jìn)行本地化調(diào)試。在我國(guó)，多地已經(jīng)利用該模型開(kāi)展了相關(guān)研究工作，并取得良好適用效果，如：韓智博等［17］利用DSSAT 模型開(kāi)展未來(lái)氣候變化對(duì)黑河流域玉米產(chǎn)量的影響研究，并提出玉米的適應(yīng)性措施；王興鵬等［18］基于DSSAT 模型開(kāi)展南疆地區(qū)膜下滴灌種植模式下的棉花灌溉定額研究，為播期及生育期灌溉管理提供借鑒。

西北干旱區(qū)土地資源豐富，光熱充足，是我國(guó)糧食生產(chǎn)的戰(zhàn)略后備區(qū)，但以干旱缺水為代表的眾多因素長(zhǎng)期制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)［19］。地處疏勒河流域中游地區(qū)的甘肅省玉門市作為我國(guó)西北干旱區(qū)的典型農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)和重要玉米產(chǎn)區(qū)，目前的研究多集中于氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響，而將自然和人為因素對(duì)玉米性狀及氣候產(chǎn)量影響定量化的綜合研究較少［20-22］。自然因素主要通過(guò)最高溫、最低溫、太陽(yáng)輻射和CO2等影響因子對(duì)糧食作物的生長(zhǎng)發(fā)育和結(jié)實(shí)率產(chǎn)生重要影響［5-9］；另一方面，自然因素對(duì)糧食生長(zhǎng)發(fā)育的作用會(huì)受到農(nóng)戶田間管理行為的影響［23-24］，即人為因素，例如：價(jià)格支持政策、包膜控釋肥、噴滴灌、調(diào)整農(nóng)時(shí)、補(bǔ)種補(bǔ)苗和覆蓋棚膜等，可見(jiàn)自然因素和人為因素會(huì)共同作用于玉米性狀和產(chǎn)量。因此，基于數(shù)據(jù)可獲取性，本文選取最高溫、最低溫、太陽(yáng)輻射、降水、風(fēng)速等自然因素和化肥施用量、有效灌溉面積等人為因素，利用DSSAT-CERES-Maize 模型定量評(píng)估其對(duì)玉米性狀及氣候單產(chǎn)的影響，以此探究當(dāng)?shù)赜衩椎倪m宜生長(zhǎng)條件，為疏勒河流域乃至西北干旱區(qū)保障糧食安全提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省玉門市（39°40′～41°00′N，96°15′～98°30′E）位于疏勒河流域中游、河西走廊西端。該地光照充足，熱量豐沛，但降水偏少，屬大陸性中溫帶干旱氣候［25］。玉米作為當(dāng)?shù)刂饕Z食作物之一，播種面積約占糧食作物總播種面積的26.76%，研究區(qū)玉米物候期尺度下的氣象因子均值為：最高溫29.01 ℃，最低溫13.52 ℃，風(fēng)速3.37 m·s-1，降水量56.85 mm。受區(qū)域降水少、年內(nèi)年際變化大、蒸發(fā)大等因素影響，玉米生長(zhǎng)用水高度依賴灌溉，疏勒河是其灌溉用水的主要水源。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取的數(shù)據(jù)類型有氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)和田間管理數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)溫室共享平臺(tái)，包括1990—2020 年玉門逐日氣象數(shù)據(jù)（最高溫、最低溫、風(fēng)速、降水量和日照時(shí)數(shù)）。土壤屬性數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database）的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集（http://vdb.soil.csdb.cn/），包括玉門地區(qū)的土壤質(zhì)地組成、有機(jī)質(zhì)含量、容重和土層全氮含量等。田間管理數(shù)據(jù)涉及生長(zhǎng)階段、施肥和灌溉等要素的技術(shù)信息，主要通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲?。ū?）。

表1 田間管理要素技術(shù)信息Tab.1 Technical information of field management elements

1.3 研究方法

1.3.1 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射對(duì)玉米的光合作用有重要作用，是作物生長(zhǎng)模型的關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)，其演變與日序時(shí)次的日照時(shí)長(zhǎng)存在較高一致性［26］，因此本文基于日照時(shí)數(shù)利用埃斯屈郎經(jīng)驗(yàn)公式［27］計(jì)算太陽(yáng)輻射。計(jì)算公式如下：

式中：δ為太陽(yáng)傾角（rad）；J為日序；dr為日地相對(duì)距離；Ф為緯度（rad）；Ws為日落時(shí)角（rad）；Rmax為地球外輻射（MJ·m-2）；Rs為太陽(yáng)輻射（MJ·m-2）；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)（h）；N為最大可能日照時(shí)數(shù)（h）；n/N為相對(duì)日照；as、bs為回歸常數(shù)（as=0.25、bs=0.5），當(dāng)陰天（n=0）時(shí)，到達(dá)地球表面的地球外輻射的透過(guò)系數(shù)為as；當(dāng)晴天（n=N）時(shí)，到達(dá)地球表面的地球外輻射透過(guò)系數(shù)為as+bs。

1.3.2 非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法目前，長(zhǎng)期趨勢(shì)分析包括增長(zhǎng)和下降趨勢(shì)的確定，研究表明，在分析趨勢(shì)時(shí)，由于變量總體分布無(wú)法精確，非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法是效果較好的常用方法之一［28］。非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法［29］（M-K檢驗(yàn)）是計(jì)算序列數(shù)據(jù)長(zhǎng)期趨勢(shì)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，該方法無(wú)需數(shù)據(jù)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布［30］，可有效消除數(shù)據(jù)相關(guān)性和異常值對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響［31］，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱［32］。具體步驟如下：

設(shè)X1、X2、X3、…、Xn為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（UFK）公式為：

式中：S為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量；VAR(S)為統(tǒng)計(jì)量S的方差；Xi、Xj分別為i、j年相應(yīng)的測(cè)量值，i＞j，UF1=0。按時(shí)間序列X的逆序Xn，Xn-1，Xn-2，…,X1，重復(fù)上述計(jì)算，得到UBK，即：UBK=-UFK（K=n,n-1, …, 1），UB1=0。若UFK＞0，表示序列呈上升趨勢(shì)；若UFK＜0，表示呈下降趨勢(shì)；當(dāng)UFK或UBK≥U0.05=±1.96 時(shí)，表示通過(guò)了0.05 置信度顯著性檢驗(yàn)；當(dāng)UFK或UBK≥U0.01=±2.56時(shí)，表示通過(guò)了0.01置信度顯著性檢驗(yàn)；UFK=UBK的交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)。

1.3.3 玉米氣候單產(chǎn)的分離方法玉米單產(chǎn)與農(nóng)田種植技術(shù)、土壤肥力和病蟲(chóng)害等因素密切相關(guān)，為分析氣象因子與單產(chǎn)的關(guān)系，本文利用5 a滑動(dòng)平均法［32］分離趨勢(shì)單產(chǎn)與氣候單產(chǎn)。對(duì)于樣本容量為n的單產(chǎn)序列，5 a滑動(dòng)平均序列表示為：

設(shè)立科創(chuàng)板，是將資本市場(chǎng)進(jìn)一步細(xì)分，可促進(jìn)A股市場(chǎng)分化，主板市場(chǎng)上不去，海外市場(chǎng)又太擁擠，一些海外的中概股公司要回歸國(guó)內(nèi)資本市場(chǎng)，也沒(méi)有完全對(duì)應(yīng)的承接?？苿?chuàng)板將提供一個(gè)新的資本市場(chǎng)入口。同時(shí)有利于克服相當(dāng)一部分高科技上市公司（即俗稱“獨(dú)角獸”）估值偏低的弊端。實(shí)際上，高科技企業(yè)才是推動(dòng)股市繁榮的根本力量。單獨(dú)設(shè)立科創(chuàng)板，將充分肯定其客觀價(jià)值，推動(dòng)上市公司脫虛向?qū)?，回歸資本市場(chǎng)的本質(zhì)屬性，客觀反映經(jīng)濟(jì)，擴(kuò)大直接融資，刺激科技創(chuàng)新，利好實(shí)體經(jīng)濟(jì)。

式中：Y(w)為玉米氣候單產(chǎn)（kg·hm-2）；Y為實(shí)際單產(chǎn)（kg·hm-2）；Y(t)為趨勢(shì)單產(chǎn)（kg·hm-2），Yj(t)為第j年趨勢(shì)產(chǎn)量滑動(dòng)平均值（kg·hm-2）；k為滑動(dòng)平均時(shí)間步長(zhǎng)，取k=5；xj-k+1為滑動(dòng)步長(zhǎng)年間第（j-k+1）年的實(shí)際單產(chǎn)（kg·hm-2）。

1.3.4 敏感度分析本文將影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，分析玉米性狀、氣候單產(chǎn)對(duì)其敏感度［33］，公式如下：

式中：Pheno 為玉米性狀或氣候單產(chǎn)；Tmax為最高溫（℃）；Tmin為最低溫（℃）；SRAD為太陽(yáng)輻射（MJ·m-2）；PRCP 為降水量（mm）；WIND 為風(fēng)速（m·s-1）；Fer 為施肥量（t）；Irr 為有效灌溉面積（hm2）；β0為截距項(xiàng)；β1、β2、β3、β4、β5、β6和β7分別為氣象單產(chǎn)或性狀對(duì)最高溫、最低溫、太陽(yáng)輻射、降水量、風(fēng)速、施肥量和有效灌溉面積的敏感度。若β＞0，說(shuō)明影響因子對(duì)玉米氣象單產(chǎn)或性狀表現(xiàn)出正向敏感度，為促進(jìn)效應(yīng)；若β＜0，則說(shuō)明影響因子對(duì)玉米氣象單產(chǎn)或性狀表現(xiàn)出負(fù)向敏感度，為抑制效應(yīng)；且|β|越大表示氣象玉米單產(chǎn)和性狀對(duì)影響因子越敏感?；诒疚闹杏衩讱庀髥萎a(chǎn)及性狀對(duì)影響因子的敏感度變化范圍為-0.85～0.85，為方便比較，將敏感度進(jìn)行A～-A 分級(jí)排序，共計(jì)17 級(jí)，相鄰兩級(jí)間相差0.1，由大到小依次為：A＞B＞C＞D＞E＞F＞G＞H＞I＞-H＞-G＞-F＞-E＞-D＞-C＞-B＞-A，其中I級(jí)敏感度的變化范圍為-0.05～0.05。

1.3.5 CERES-Maize模型CERES-Maize 是DSSAT模型中的子模型，通過(guò)以日為時(shí)間步長(zhǎng)模擬玉米在不同種植模式下性狀、單產(chǎn)動(dòng)態(tài)形成過(guò)程。模型輸入數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物品種遺傳參數(shù)以及農(nóng)田管理實(shí)踐數(shù)據(jù)等，其中受數(shù)據(jù)可獲得性影響，太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)需根據(jù)日照時(shí)數(shù)估算獲得；玉米品種特性遺傳參數(shù)通過(guò)最大似然估計(jì)模塊GLUE模擬獲得，包括：P1（從出苗到幼年結(jié)束所需的積溫）、P2（光周期敏感參數(shù)）、P5（灌漿特性參數(shù)）、G2（單株最大穗粒數(shù)）、G3（最大灌漿速率參數(shù)）和PHINT（完成一片葉生長(zhǎng)所需參數(shù)）。本文中，模型的輸出數(shù)據(jù)涉及包括玉米單產(chǎn)在內(nèi)的17 種玉米性狀，根據(jù)各類性狀與影響因子的相關(guān)程度對(duì)相關(guān)性狀進(jìn)行分類（表2），其中，收獲時(shí)單產(chǎn)和籽粒氮是反映玉米生產(chǎn)系統(tǒng)質(zhì)量的核心性狀［34］；影響玉米物質(zhì)積累的各生長(zhǎng)階段物積速率和時(shí)長(zhǎng)是玉米籽粒氮、單產(chǎn)的反映性狀［35-39］。

表2 影響因子及其相關(guān)玉米性狀Tab.2 Influencing factors and related maize traits

作物參數(shù)調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，本文利用“試錯(cuò)法”對(duì)玉門市的玉米參數(shù)值進(jìn)行3 次調(diào)試［40-41］，每次調(diào)試采用30000 次運(yùn)轉(zhuǎn)，使其模擬單產(chǎn)等無(wú)限趨近于實(shí)際單產(chǎn)。使用歸一化均方根差（nRMSE）來(lái)度量模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)差異程度，并用一致性指數(shù)（D）檢驗(yàn)?zāi)M值和實(shí)測(cè)值的吻合度［42］，公式如下：

式中：Pi和Oi分別為模擬值和觀測(cè)值；Oˉ為觀測(cè)平均值；i為序列值；n為樣本數(shù)。若nRMSE 值低于10%時(shí)，則模擬值與觀測(cè)值的相對(duì)誤差小，模擬精度高；若nRMSE 值介于10%～20%，則模擬效果較好；若nRMSE 值介于20%～30%，則模擬效果一般；若nRMSE 值高于30%，則表明模擬效果差。D值越接近1，表明模擬值與觀測(cè)值的一致性越高，模型的模擬效果越好，反之亦然。

通過(guò)1990—2020 年玉米實(shí)際單產(chǎn)與模擬單產(chǎn)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)（圖1），nRMSE 值為0.22%，D值為0.99，說(shuō)明其品種參數(shù)對(duì)玉米單產(chǎn)的模擬精度高，可用于研究區(qū)玉米生產(chǎn)潛力模擬研究。

圖1 單產(chǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果Fig.1 Fitting results of simulated and measured yield per unit area

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米性狀及單產(chǎn)對(duì)影響因子的敏感度

圖2 1990—2020年玉門市玉米各生長(zhǎng)階段氣象因子的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.2 Mann-Kendall of meteorological factors at each growth stage of maize in Yumen City from 1990 to 2020

2.1.2 水肥時(shí)間變化特征玉門市玉米化肥施用量變化趨勢(shì)可分為2 個(gè)階段（圖3），第一階段為1990—2012年，玉米化肥施用量隨著年份增加呈現(xiàn)出極顯著增加趨勢(shì)，用量增加了259.00%；第二階段為2013—2020 年，化肥施用量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，用量減少了29.79%。玉米有效灌溉面積總體上呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，其中1990—1991、2005—2009、2017—2020年增速較大，分別為118.65 hm2·a-1、57.46 hm2·a-1、42.99 hm2·a-1，其余年份增速則較為緩慢。

圖3 1990—2020年玉門市玉米化肥施用量和有效灌溉面積Fig.3 Fertilizer application amount and effective irrigated area of maize in Yumen City from 1990 to 2020

2.1.3 玉米單產(chǎn)時(shí)間變化特征將玉米的實(shí)際單產(chǎn)分離為趨勢(shì)單產(chǎn)和氣候單產(chǎn)（圖4），1990—2020 年玉米實(shí)際單產(chǎn)多年平均值為10078.75 kg·hm-2，總體呈小幅增加趨勢(shì)。趨勢(shì)單產(chǎn)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在20世紀(jì)90 年代，當(dāng)?shù)卣焖偻茝V優(yōu)質(zhì)品種、制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件管理辦法，旱地農(nóng)田建設(shè)有一定成效，因此單產(chǎn)增速較快；2000—2005年由于水資源利用效率較低，玉米單產(chǎn)呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)；進(jìn)入2006 年后，隨著玉米制種品種更新?lián)Q代和農(nóng)田水利建設(shè)有一定成效［43］，單產(chǎn)變化較小，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。氣候單產(chǎn)多年來(lái)平均值為190.35 kg·hm-2，呈現(xiàn)出不顯著減少趨勢(shì)，但波動(dòng)較大，變化范圍為-2071.64～1158.21 kg·hm-2，其中1992 年和2019 年為豐產(chǎn)年，2002年和2020年是較為明顯的低產(chǎn)年。

圖4 玉米實(shí)際單產(chǎn)、趨勢(shì)單產(chǎn)以及氣候單產(chǎn)年際變化Fig.4 Interannual variations of actual yield per unit area,trend yield per unit area and climate yield per unit area

2.1.4 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)影響因子的敏感度玉米不同性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)影響因子響應(yīng)程度存在差異，降水表現(xiàn)尤為明顯，籽粒氮和氣候單產(chǎn)等對(duì)其有較高敏感度，但收獲時(shí)器官占比和全生育期蒸騰量對(duì)其敏感度都較低；最高溫是對(duì)性狀影響程度最大的影響因子，其中粒數(shù)、籽粒氮和氣候單產(chǎn)都表現(xiàn)為較高正向敏感度（表3）。

表3 物候期玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)影響因子的敏感度Tab.3 Sensitivity of maize traits and climatic yield per unit area to meteorological influencing factors at phenological period

分別選取敏感度排序靠前的3個(gè)影響因子作為玉米性狀及氣候單產(chǎn)的關(guān)鍵影響因子，分析在玉米各生長(zhǎng)階段，氣候單產(chǎn)及性狀對(duì)關(guān)鍵影響因子敏感度可知（表4）。僅氣候單產(chǎn)而言，對(duì)最高溫和降水表現(xiàn)出強(qiáng)正向敏感度，對(duì)最低溫表現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)向敏感度；玉米性狀則對(duì)穗期花粒期最低溫、化肥施用量和有效灌溉面積表現(xiàn)為強(qiáng)正向敏感度，穗期、花粒期最高溫表現(xiàn)為強(qiáng)負(fù)向敏感度。在不同生長(zhǎng)階段，同一性狀對(duì)相同影響因子響應(yīng)程度也存在差異，其中穗期氣象因子敏感度最高，因此穗期是對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育造成影響的關(guān)鍵時(shí)期。

表4 各生長(zhǎng)階段玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)影響因子敏感度Tab.4 Sensitivity of maize traits and climatic yield per unit area to influencing factors at each growth stage

2.2 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)影響因子的敏感性試驗(yàn)

為進(jìn)一步定量化探究最高溫、最低溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和水肥等影響因子對(duì)玉米性狀及氣候單產(chǎn)的影響程度，選擇氣候條件、玉米單產(chǎn)最接近多年平均值的2017 年為典型年份開(kāi)展相關(guān)敏感性模擬試驗(yàn)，影響因子的參數(shù)設(shè)置參考當(dāng)?shù)貙?shí)際情況（表5）。

表5 影響因子參數(shù)設(shè)置Tab.5 Parameter setting of influencing factors

2.2.1 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)溫度因子的敏感性低溫和高溫均會(huì)影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育，當(dāng)溫度變化＜-1.28 ℃時(shí)，低溫將會(huì)導(dǎo)致花粒期物積速率降低，苗穗期時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)，根、果重占比降低，莖重占比增加，最終引起氣候單產(chǎn)降低；當(dāng)溫度變化＞1.12 ℃時(shí)，高溫延長(zhǎng)了苗穗期時(shí)長(zhǎng)，玉米果重占比降低，根、莖、葉重占比增加，使得籽粒氮和氣候單產(chǎn)表現(xiàn)出降低趨勢(shì)（圖5）。因此，玉門市玉米的適宜溫度變化范圍為-1.28～1.12 ℃，即：最高溫變化范圍為14.80～38.72 ℃，最低溫變化范圍為-0.38～22.32 ℃，在此范圍內(nèi)，溫度升高將加快玉米苗穗期物積速率，縮短苗穗期時(shí)長(zhǎng)，增加果重占比，使得玉米氣候單產(chǎn)和籽粒氮增加。

圖5 溫度變化時(shí)玉米性狀及氣候單產(chǎn)變化率Fig.5 Change rate of maize traits and climatic yield per unit area under temperature change

2.2.2 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)太陽(yáng)輻射因子的敏感性當(dāng)太陽(yáng)輻射變化＞-0.15 MJ·m-2時(shí)，隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，苗期物積速率加快、時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)，穗期物積速率無(wú)明顯表現(xiàn)但時(shí)長(zhǎng)縮短，花粒期物積速率和時(shí)長(zhǎng)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)（圖6），在此基礎(chǔ)上，在太陽(yáng)輻射變化＞0.30 MJ·m-2時(shí)，隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，粒重/葉面積、粒數(shù)/葉面積、籽粒氮和氣候單產(chǎn)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。因此，玉門市玉米的適宜太陽(yáng)輻射變化幅度為：0.30～0.50 MJ·m-2，即：太陽(yáng)輻射變化范圍為3.93～25.15 MJ·m-2，在此范圍內(nèi)，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，花前干物質(zhì)積累量增加，花后玉米生長(zhǎng)發(fā)育運(yùn)輸速率加快，使得玉米籽粒氮和氣候單產(chǎn)上升。

圖6 太陽(yáng)輻射變化時(shí)玉米性狀及氣候單產(chǎn)變化率Fig.6 Change rate of maize traits and climatic yield per unit area under the change of solar radiation

當(dāng)太陽(yáng)輻射變化＜-0.15 MJ·m-2時(shí)，受弱光條件影響，玉米穗期物積速率降低、時(shí)長(zhǎng)增加，導(dǎo)致花粒期物積速率和時(shí)長(zhǎng)、粒重/葉面積、粒數(shù)/葉面積、籽粒氮、氣候單產(chǎn)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。

2.2.3 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)風(fēng)速因子的敏感性風(fēng)速過(guò)大或過(guò)小均不利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育。當(dāng)風(fēng)速變化≤-0.39 m·s-1時(shí)，隨風(fēng)速增大，盡管苗穗期物積速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但花粒期物積速率和時(shí)長(zhǎng)均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，進(jìn)而引起玉米蒸騰量和籽粒氮減少（圖7）；當(dāng)風(fēng)速變化≥0.30 m·s-1時(shí)，隨風(fēng)速增大，苗穗期時(shí)長(zhǎng)縮短，花粒期時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)，籽粒氮上升，但全生育期蒸騰量過(guò)度下降，物質(zhì)積累量較少，氣候單產(chǎn)減少。

當(dāng)風(fēng)速變化介于-0.39～0.30 m·s-1時(shí)，隨風(fēng)速增大，苗穗期物積速率表現(xiàn)為波動(dòng)趨勢(shì)，時(shí)長(zhǎng)為減少趨勢(shì)；蒸騰量由增加轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少趨勢(shì)；花粒期物積速率和時(shí)長(zhǎng)、氣候單產(chǎn)、籽粒氮均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。因此，研究區(qū)玉米的適宜風(fēng)速變化為：-0.39～0.30 m·s-1，即：風(fēng)速變化范圍為0～3.81 m·s-1，隨風(fēng)速增大，花粒期物積速率上升，時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)，籽粒氮和氣候單產(chǎn)上升。

2.2.4 玉米性狀及氣候單產(chǎn)對(duì)水肥因子的敏感性玉米的氣候單產(chǎn)、籽粒氮、籽粒數(shù)和籽粒重均隨水肥施入量的增加呈現(xiàn)出“中高周低”的分布特征（圖8），按各性狀數(shù)值大小，將水肥處理分為5級(jí)：（1）W1F1；（2）W0F1、W1F0、W1F2、W2F1；（3）W0F2、W2F0；（4）W2F2；（5）W0F0。當(dāng)水肥投入量處于W1F1（灌溉15 mm，施肥10 kg·hm-2）時(shí)，玉米各性狀數(shù)值達(dá)到最大，即：中等程度的灌溉和施肥有助于增產(chǎn)。但無(wú)水、無(wú)肥、高水或高肥均會(huì)引起玉米不同程度減產(chǎn)，其中，當(dāng)灌溉量處于W1或施肥量處于F1時(shí)，減少幅度最??；當(dāng)灌溉施肥量處于W0F0（灌溉0 mm，施肥0 kg·hm-2）時(shí)，減少幅度最大。盡管合理灌溉施肥條件對(duì)玉米性狀有明顯的促進(jìn)作用，但不同性狀對(duì)水肥的響應(yīng)程度不同，由大到小排序?yàn)闅夂騿萎a(chǎn)＞籽粒數(shù)＞籽粒氮＞籽粒重。

圖8 水肥變化時(shí)玉米性狀及氣候單產(chǎn)變化Fig.8 Changes of maize traits and climatic yield per unit area under the change of water and fertilizer

3 討論

最高溫、最低溫、降水等自然因素和化肥施用量、有效灌溉面積等人為因素在玉米生長(zhǎng)發(fā)育中起著關(guān)鍵作用［44］，但由于地理環(huán)境差異，不同地區(qū)玉米對(duì)主要影響因子的響應(yīng)形式存在差異［45］。本文指出地處西北地區(qū)的疏勒河中游地區(qū)玉米性狀和氣候單產(chǎn)對(duì)苗期最高溫表現(xiàn)為正向敏感度，這是由于苗期最高溫并未超過(guò)幼苗適宜生長(zhǎng)的上限溫度35～40 ℃［46］，因此，最高溫的適當(dāng)升高可以提高該地區(qū)玉米幼苗發(fā)芽率、根重占比和物質(zhì)積累速率［47］；相反，近31 a 來(lái)，當(dāng)?shù)孛缙谧畹蜏氐南孪逌囟确秶鸀?1.5～7.5 ℃，盡管亦呈現(xiàn)一定程度的增加趨勢(shì)，但總體仍低于玉米苗期最低溫的適宜下限溫度6～10 ℃［46］，不利于玉米增產(chǎn)。由于玉米屬于喜溫作物，穗期、花粒期最低溫適當(dāng)?shù)脑黾涌梢约涌煳镔|(zhì)積累速率，從而提高玉米單產(chǎn)［48］；相反，在降水稀少的西北內(nèi)陸地區(qū)，穗期、花粒期極端高溫會(huì)加快水分蒸發(fā)速率，縮短生育期長(zhǎng)度，使玉米減產(chǎn)［49］。除此之外，降水、有效灌溉面積和化肥施用量在全生育期對(duì)玉米性狀和氣候單產(chǎn)均起到正向促進(jìn)作用，其中玉米是生育期內(nèi)需水較多的旱作作物［50］，特別是對(duì)于西北干旱區(qū)而言，有效降水的增多可以大大促進(jìn)干物質(zhì)積累、植株吐絲和授粉，降低水脅迫產(chǎn)生的可能性［51］，同時(shí)合理灌溉也可以緩解降水不足對(duì)玉米單產(chǎn)的負(fù)面影響［52］，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育。2013年以來(lái)玉門市化肥施用量顯著降低，但由于農(nóng)田水利建設(shè)的有效推進(jìn)，可提高化肥利用效率，進(jìn)而釋放玉米高產(chǎn)潛力［53］。

由此可見(jiàn)，該地區(qū)極端惡劣的自然條件使得當(dāng)?shù)赜衩仔誀詈蜌夂騿萎a(chǎn)對(duì)眾多自然因素和人為因素都存在極高敏感度，表現(xiàn)出一定獨(dú)特性。因此，為保障疏勒河中游地區(qū)的糧食安全，根據(jù)本文研究，該地區(qū)需提高應(yīng)對(duì)極端高溫或極端降水等事件的能力，同時(shí)建議高效利用疏勒河流域的熱量資源，通過(guò)地表覆膜、調(diào)整播期、土地秋翻等人工保溫措施，規(guī)避低溫脅迫，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)推行節(jié)水灌溉、秸稈還田等農(nóng)田管理措施，提高水資源利用效率，改善土壤肥力，提高玉米生產(chǎn)潛力，發(fā)展與氣候變化相適應(yīng)的優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)。

4 結(jié)論

本文在研究我國(guó)疏勒河中游地區(qū)玉米種植對(duì)氣象因子與水肥因子的敏感度基礎(chǔ)上，利用DSSATCERES-Maize模型定量評(píng)估主要影響因子對(duì)玉米性狀和氣候單產(chǎn)的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）1990—2020年地處疏勒河中游地區(qū)的玉門市最高溫、最低溫和降水量變化呈上升趨勢(shì)，太陽(yáng)輻射和風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，氣候暖濕化特征顯著。玉米化肥施用量1990—2012 年呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，2013—2020年呈現(xiàn)出減少的變化趨勢(shì)，有效灌溉面積則呈現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢(shì)。

（2）玉米實(shí)際單產(chǎn)總體呈現(xiàn)出小幅增加趨勢(shì)，其中趨勢(shì)單產(chǎn)受政府快速推廣優(yōu)質(zhì)品種和農(nóng)田水利建設(shè)等政策的影響，呈現(xiàn)出增加-減少-穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；玉米氣候單產(chǎn)總體上則呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，但波動(dòng)較大，敏感度分析結(jié)果表明，其對(duì)最高溫和降水表現(xiàn)出強(qiáng)正向敏感度，對(duì)最低溫表現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)向敏感度；玉米性狀的敏感度分析結(jié)果表明，其對(duì)化肥施用量、有效灌溉面積和穗期、花粒期的最低溫表現(xiàn)為強(qiáng)正向敏感度，對(duì)穗期、花粒期最高溫表現(xiàn)為強(qiáng)負(fù)向敏感度。

（3）通過(guò)主要影響因子對(duì)玉米性狀、氣候單產(chǎn)影響模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，最高溫、最低溫、風(fēng)速和水肥因子與性狀、氣候單產(chǎn)存在“倒U型”關(guān)系，即：隨著上述影響因子數(shù)值的增大，其對(duì)玉米性狀、氣候單產(chǎn)的影響由促進(jìn)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐种菩?yīng)；太陽(yáng)輻射與性狀、氣候單產(chǎn)存在“U 型”關(guān)系，即：隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，對(duì)玉米性狀和氣候單產(chǎn)的影響由抑制效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)效應(yīng)。疏勒河中游地區(qū)玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育的適宜條件為：最高溫（14.80～38.72 ℃）、最低溫（-0.38～22.32 ℃）、太陽(yáng)輻射（3.93～25.15 MJ·m-2）、風(fēng)速（0～3.81 m·s-1）以及實(shí)際降水基礎(chǔ)上的灌溉量（15 mm）和施肥量（10 kg·hm-2）。