適合內蒙古河套地區的低溫冷害動態監測指標-藏刊網

河套灌區是我國最大的自流灌區,位于內蒙古高原中部黃河沿岸的平原地區,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蒙古重要農業區和商品糧基地.目前玉米的種植面積已占到糧食作物播種面積的 50%,主導著全區糧食的豐歉.

區域內日照充足,熱量資源豐富,10℃以上活動積溫 3100 ~ 3650℃·d,無霜期 140 ~ 162 天,呈現西高東低變化,偏東地區冷害風險較大.隨著氣候變暖內蒙和東北地區的玉米氣候資源顯著增加[1 -2],不同品種熟型玉米分布界線北移明顯[3],增加了玉米低溫冷害發生的風險.研究區歷史上曾發生過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 5 - 10%,其中 1991 和1995 年土默川地區、2007 年巴彥淖爾市前山地區較為嚴重,減產 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增強,低溫對玉米穩產、高產的影響重新受到關注.

低溫冷害是我國北方地區主要農業氣象災害之一,在東北地區發生比較嚴重和頻繁.關于玉米低溫冷害指標、機理的研究已有許多報道,主要是以積溫負距平、發育延遲天數和生物量損失為基礎,多數指標基于東北地區建立[4 -11],并在冷害預測、監測、評估中起著重要作用.目前的指標以氣候學意義的靜態指標居多,缺乏從過程和機制方面考慮,局域性較強,難以推廣應用到其它區域[11 -13].因此,需要針對不同地區、不同發育時段建立能客觀描述低溫冷害發生規律的指標,以達到動態監測、評估的目的.文中利用河套地區近 20a 的玉米發育期、產量和溫度資料,按照不同品種類型和發育進程,采用相對活動積溫距平計算方法,綜合考慮冷害的階段性和延續性,制定適合內蒙古河套地區應用的低溫冷害動態監測指標,為及時監測、評估和有效防御低溫冷害造成的危害提供科學依據和技術支撐.

1 材料與方法

1. 1 資料來源和處理

河套灌區 12 個氣象站 1991 -2012 年 4 ~10 月逐日氣溫和臨河市、準格爾旗、土左旗 3 個農業氣象觀測站資料來源于內蒙古氣象信息中心,相應地區歷年產量資料和 2002 -2011 年內蒙古玉米品比試驗資料分別來源于內蒙古統計局和內蒙古種子管理站.

1. 1. 1 發育期資料篩選

比較臨河、準格爾旗近 10 年與近 20 年各發育期平均出現日期看出,近 10 年發育期略有推后,相差 0- 3 天,相差 2 天以內的發育時段占 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\\( 土左旗發育期資料有 14 年\\) ,選用近 10 年\\( 2001 -2010 年\\) 資料分析各站玉米發育期正常年份平均出現日期代表多年平均狀況.

1. 1. 2 產量資料處理

玉米氣象產量波動系數采用\\( 1\\) 式計算,即:

式中: It為 t 年的波動系數; Yt為 t 年實際產量\\( kg/hm2\\) ; Yw為 t 年趨勢產量\\( kg/hm2\\) ,采用線性或多項式擬合.選擇氣象產量波動系數小于 0 的年份作為減產年.

1. 2 相對活動積溫距平計算方法

根據積溫原理,玉米完成某一發育期所需的積溫相對固定[9],其生長發育進程中某時段熱量的滿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 發育時段實測活動積溫\\( ℃·d\\) ,∑TOi為 i 發育時段標準活動積溫\\( ℃·d\\) ,∑TO 為從出苗到成熟需要的總的標準活動積溫\\( ℃·d\\) .

1. 3 玉米品種適宜種植區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,需要進行玉米品種種植區域劃分.根據代表站點資料分析,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,參考內蒙古玉米品種區劃標準[14],以≥10℃ 活動積溫 2850℃ ·d、2750℃ ·d 為下限,劃分研究區玉米晚熟、中晚熟和中熟品種主要種植區域\\( 表1\\) .

2 低溫冷害指標的確定

2. 1 玉米平均發育日期和活動積溫下限的確定

統計近10 年各站≥10℃活動積溫累積進程,去掉積溫明顯偏低年\\( 臨河、土左旗和準格爾旗分別去掉2 010年、2003年和2006年\\) ,平均后作為該地區玉米不同生長階段所需的積溫\\( 表2 \\) .參考品比試驗結果\\( 表 3\\) ,得出臨河玉米發育進程可以代表晚熟品種,土左旗和準格爾可分別代表中晚熟和中熟品種.

綜合表 2 和表 3 結果,參考各站 1991 -2010 年不同時段積溫的平均值,得出河套地區玉米主要品種在正常氣候條件下各發育期普遍出現時間和所需的活動積溫\\( 視作標準活動積溫\\) \\( 表 4\\) .

2. 2 相對活動積溫距平指標確定

基于延遲型冷害發生特點和生產實際,選擇發育期間隔日數 20 ~30 天的時段和抽雄 - 吐絲期 6 個發育時段制定冷害指標.考慮到指標的通用性,采用固定時段積溫缺少量衡量.利用晚熟區 3 個站、中晚熟區 6 個站和中熟區 3 個站 20 年的日平均氣溫資料,以表 4 中的發育日期統計實測活動積溫∑Ti,與相應的標準活動積溫∑TOi和∑TO 比較計算出各時段各年的相對積溫距平,按照積溫減少幅度,參考歷史低溫冷害發生情況,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\\( 表 5\\) .

2. 3 積溫指數等級指標

表 5 閾值反映了作物生長到某一階段積溫的相對虧缺程度,涉及到低溫累積和高溫補償效應,但對不同時段低溫疊加作用或連續性的影響考慮不足.而低溫冷害是一個時間積累性農業氣象災害[5].在作物的全生育期中,任何時段出現的低溫都有可能使得發育期延遲,但是否最終成災,取決于低溫持續時間的長短和低溫的嚴重程度.通過分析歷史資料,低溫冷害的發生與低溫出現時段的多少或低溫持續時間長短關系密切,相關程度大于低溫強度,采用相關系數法對 TXJ指標進行修正,得出以下積溫指數計算方法:

式中: Ki為當前時段積溫指數,Si為當前時段 TXJ指標判斷的低溫出現的次數,i =1 -6; Dij為當前時段冷害等級,j =1 -3,分別表示輕度、中度和重度.

參考減產程度對 K 值進行等級劃分:
當 Ki= 2． 4 － 3． 1 時，輕度冷害減產 0 ～ 5% ;
3． 2 － 4． 0 時，中度冷害減產 5 ～ 10% ;
4． 1 以上時，重度冷害減產 10% 以上。
積溫指數等級指標不僅反映了作物生長過程中積溫虧缺程度,也考慮了階段溫度的持續影響和后期溫度的補償效應.

3 指標檢驗和應用

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,并與相應等級指標比較,得出冷害等級指數判定結果\\( 表 6\\) : 近 20 年共發生不同程度低溫冷害 60 站次,其中重度冷害占 31. 7%,中輕度占 68. 3%,低溫年與減產年的一致率為 68. 3%.區域上看,1991 年有 10 個站出現了冷害,均造成減產,1993、1995、2003、2004 年有 8 個站同時出現冷害,發生率 67% 以上,屬全區域性冷害年; 1992 年有 7 站出現冷害,發生率 58. 3%,為區域性冷害,除 2004 年外 71%的地區出現減產,說明大范圍的低溫冷害常造成減產,且回代檢驗的準確性較高.

3. 2 指標的外推檢驗

對 2011 - 2012 年冷害發生判別表明,2012 年河套偏南地區發生較嚴重低溫冷害,造成不同程度的減產,其中準格爾旗、土左旗、臨河區較為嚴重,減產 15%以上,呼和浩特市、包頭較輕,發生區域占到 67%.2011 年準格爾發生了輕度冷害,外推檢驗冷害年與減產的一致性為 85. 7%\\( 表 7\\) .冷害判斷與氣象減產率的一致性表明所建指有較好的準確性.

4 討論

河套灌區玉米低溫冷害以延遲型冷害為主,危害特點是低溫出現在營養生長期則會延遲抽穗,若發生在籽粒形成期,則使凈光合能力降低,導致作物灌漿不充分而減產.但在作物生長過程中,低溫既可以累積加重危害,也可以得到后期高溫熱量的彌補而減輕危害,因此,低溫冷害的發生是一個連續的系統過程,對它的監測預測也應當是動態的.以往的指標多以靜態為主,文中基于 6 個關鍵發育期建立的指標反映了生長季各階段低溫累積效應和高溫補償效益,基本滿足了低溫冷害動態監測的需要.然而,不同生長階段玉米對相同溫度的敏感性不同,本指標沒有考慮溫度熱效益的影響,需要今后進一步研究,以增強指標的代表性和準確性.

冷害的危害程度一般以減產率來判別.與我國東部地區相比,河套地區玉米低溫冷害的危害相對較輕,為了能客觀反映研究區冷害發生,文中設定的減產標準較東北地區低 5%,即減產率 0 ~5%、5 ~10%、10 ~ 15% 分別為輕度、中度和重度冷害.冷害判斷結果與氣象減產率的一致性比較高,但要達到完全一致是很困難的,因為氣象產量的波動受多種氣候因子的影響,區分單一氣象要素對產量的影響十分困難.冷害年作物產量的降低不僅與低溫有關,而且會伴隨有霜凍、干旱、病蟲害等其它災害,常造成減產幅度與冷害程度不一致的現象,同時發生冷害后也未必都造成減產[15],低溫冷害發生與氣象減產年的一致性,除了受氣象產量的模擬偏差,品種熟性選擇誤差,指標本身的判斷能力等影響外,還會受到低溫發生時段與程度差異的影響,若冷害發生在敏感期且比較嚴重,即使后期熱量充足也會對產量造成影響[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量影響較輕.2004 年土默川地區低溫明顯,主要是玉米生長前期熱量不足,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℃,且晚霜出現的晚而未造成明顯減產.由此看出,利用減產年來判斷冷害發生存在一定的不確定性,尋找其它生物指標來輔助判斷冷害影響十分必要.

5 結論

通過分析項目區玉米的發育進程和≥10℃的活動積溫,確定出晚熟、中晚熟和中熟玉米品種主要發育期在氣候正常年份平均出現的日期和標準活動積溫; 并基于相對活動積溫距平\\( TXJ\\) 指標建立了積溫指數計算方法,既刻畫出冷害的階段性和延續性,也反映了不同時段低溫疊加作用,可用于描述玉米延遲型冷害的發生發展.該指標在玉米生長發育各時期均可進行冷害判別,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,判別結果越準確.這一指標為實現玉米低溫冷害發生風險和災損評估的動態化提供科學依據,也為河套地區玉米生產和減災等農業氣象服務提供一個新的技術手段.

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