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Temporal and spatial variation of the optimal sowing dates of summer maize based on both statistical and processes models in Henan Province, China.

基于统计和过程模型的河南省夏玉米最适播种期时空分布特征


播种期是影响夏玉米产量的重要因素,研究夏玉米最适播种期的时空分布特征对指导夏玉米生产有重要意义.本文应用统计模型和APSIMMaize过程模型分析了河南省夏玉米最适播种期的时空分布特征.结果表明: 河南省夏玉米的最适播种期为5月30日至6月13日,南早北晚,北部地区以6月4日至13日播种为宜,西部山区应在5月30日左右播种,南部地区应尽量保证在6月8日前播种.晚熟品种‘农大108’应比中熟品种‘丹玉13’至少提前播种2 d,气候变暖背景下若收获期可推迟1周,则最适播种期将至少推迟3 d.在生长季降水偏少年型下,夏玉米应较正常年型晚播7 d左右;而在生长季降水偏多年型下,夏玉米应早播7 d左右.1971—2010年,河南省夏玉米最适播种期变化趋势不显著,但是由于温度变化和品种改良对冬小麦成熟期的影响,导致河南省驻马店以南地区、中部的伊川、内乡、南阳,以及北部的林州和西部的三门峡地区夏玉米可播种期提前,可播种范围扩大.统计方法和APSIM模型计算的夏玉米最适播种期在76.7%的研究站点无显著差异.结合两种方法,北部地区应保证需水关键期降水充足和灌浆期温度适宜,做到“见雨即播”.南部地区在满足上述两个指标的条件下,应在播种期降水达到一定有效值时进行播种,对于南部和偏南部地区,该有效值分别为3.9和8.3 mm.

Sowing date is one of the vital factors for determining crop yield. In this study, temporal and spatial variation of optimal sowing date of summer maize was analyzed by statistical model and the APSIM-Maize model in Henan Province, China. The results showed that average summer maize optimal sowing dates ranged from May 30 to June 13 across Henan Province with earlier sowing before June 8 in the southern part and later sowing from June 4 to June 13 in the northern part. The optimal sowing date in mountain area of western Henan Province should be around May 30. Latematuring variety Nongda 108 should be planted at least two days earlier than middle-maturing variety Danyu 13. Under climate warming background, maize sowing should be postponed for at least 3 days if maize harvesting date could be delayed for a week. It was proposed that sowing should be delayed for about a week for a yearly less precipitation pattern while advanced for about a week for a yearly more precipitation pattern compared to the normal one. Across Henan Province, the optimal sowing dates of summer maize showed no significant change trend in 1971-2010, while the potential sowing period had been extended for some regions, such as south from Zhumadian, Yichuan, Neixiang and Nanyang in the middle part of Henan, Linzhou in the northern Henan and Sanmenxia in the western Henan, as a result from advanced maturity of winter wheat due to increasing temperature and winter wheat cultivar change. Optimal sowing dates at 76.7% of the study stations showed no significant difference between the two methods. It was recommended that the northern Henan should sow maize immediately after any rainfall and replant afterward, while the southern Henan should not sow maize until that there were valid precipitation (3.9 mm and 8.3 mm for upper south and south parts, respectively) during sowing period, both required enough precipitation during key water requirement period and optimal temperature during grain-filling period.


全 文 :基于统计和过程模型的河南省夏玉米
最适播种期时空分布特征∗
谈美秀1 王  靖1∗∗ 余卫东2 赫  迪1 王  娜1 戴  彤1 孙  岩3 唐建昭1 常  清1
( 1中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193; 2河南省气象科学研究所中国气象局⁃河南省农业气象保障与应用技术重点
实验室, 郑州 450003; 3北京大学城市与环境学院, 北京 100871)
摘  要  播种期是影响夏玉米产量的重要因素,研究夏玉米最适播种期的时空分布特征对指
导夏玉米生产有重要意义.本文应用统计模型和 APSIM⁃Maize 过程模型分析了河南省夏玉米
最适播种期的时空分布特征.结果表明: 河南省夏玉米的最适播种期为 5 月 30 日至 6 月 13
日,南早北晚,北部地区以 6月 4日至 13日播种为宜,西部山区应在 5月 30日左右播种,南部
地区应尽量保证在 6月 8日前播种.晚熟品种‘农大 108’应比中熟品种‘丹玉 13’至少提前播
种 2 d,气候变暖背景下若收获期可推迟 1周,则最适播种期将至少推迟 3 d.在生长季降水偏
少年型下,夏玉米应较正常年型晚播 7 d左右;而在生长季降水偏多年型下,夏玉米应早播 7 d
左右.1971—2010年,河南省夏玉米最适播种期变化趋势不显著,但是由于温度变化和品种改
良对冬小麦成熟期的影响,导致河南省驻马店以南地区、中部的伊川、内乡、南阳,以及北部的
林州和西部的三门峡地区夏玉米可播种期提前,可播种范围扩大.统计方法和 APSIM 模型计
算的夏玉米最适播种期在 76.7%的研究站点无显著差异.结合两种方法,北部地区应保证需水
关键期降水充足和灌浆期温度适宜,做到“见雨即播” .南部地区在满足上述两个指标的条件
下,应在播种期降水达到一定有效值时进行播种,对于南部和偏南部地区,该有效值分别为
3.9和 8.3 mm.
关键词  夏玉米; 需水关键期; 降水年型; 统计模型; APSIM
∗国家自然科学基金项目(41101046)、中国气象局⁃河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室开放研究基金项目(AMF201203)和全国
涉农引智平台项目(2015z007)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: wangj@ cau.edu.cn
2015⁃02⁃11收稿,2015⁃09⁃11接受.
文章编号  1001-9332(2015)12-3670-09  中图分类号  S16, S35  文献标识码  A
Temporal and spatial variation of the optimal sowing dates of summer maize based on both
statistical and processes models in Henan Province, China. TAN Mei⁃xiu1, WANG Jing1, YU
Wei⁃dong2, HE Di1, WANG Na1, DAI Tong1, SUN Yan3, TANG Jian⁃zhao1, CHANG Qing1
( 1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193,
China; 2China Meteorological Administration⁃Henan Province Key Laboratory of Agrometeorological
Safeguard and Applied Technique, Henan Institute of Meteorological Sciences, Zhengzhou 450003,
China; 3College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China) .
⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(12): 3670-3678.
Abstract: Sowing date is one of the vital factors for determining crop yield. In this study, temporal
and spatial variation of optimal sowing date of summer maize was analyzed by statistical model and
the APSIM⁃Maize model in Henan Province, China. The results showed that average summer maize
optimal sowing dates ranged from May 30 to June 13 across Henan Province with earlier sowing be⁃
fore June 8 in the southern part and later sowing from June 4 to June 13 in the northern part. The
optimal sowing date in mountain area of western Henan Province should be around May 30. Late⁃
maturing variety Nongda 108 should be planted at least two days earlier than middle⁃maturing varie⁃
ty Danyu 13. Under climate warming background, maize sowing should be postponed for at least 3
days if maize harvesting date could be delayed for a week. It was proposed that sowing should be de⁃
layed for about a week for a yearly less precipitation pattern while advanced for about a week for a
应 用 生 态 学 报  2015年 12月  第 26卷  第 12期                                                           
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2015, 26(12): 3670-3678
yearly more precipitation pattern compared to the normal one. Across Henan Province, the optimal
sowing dates of summer maize showed no significant change trend in 1971-2010, while the poten⁃
tial sowing period had been extended for some regions, such as south from Zhumadian, Yichuan,
Nei⁃xiang and Nanyang in the middle part of Henan, Linzhou in the northern Henan and Sanmenxia
in the western Henan, as a result from advanced maturity of winter wheat due to increasing tempera⁃
ture and winter wheat cultivar change. Optimal sowing dates at 76.7% of the study stations showed
no significant difference between the two methods. It was recommended that the northern Henan
should sow maize immediately after any rainfall and replant afterward, while the southern Henan
should not sow maize until that there were valid precipitation (3.9 mm and 8.3 mm for upper south
and south parts, respectively) during sowing period, both required enough precipitation during key
water requirement period and optimal temperature during grain⁃filling period.
Key words: summer maize; critical period of water requirement; yearly precipitation pattern; sta⁃
tistical model; APSIM.
    玉米是世界上三大粮食作物之一,2012 年我国
玉米播种面积已达到粮食总播种面积的 31.5%.河
南省是我国重要的玉米产区,玉米播种面积和产量
分别占全国的 28.5%和 8.5%[1] .播种面积和产量之
间的巨大差异说明河南省玉米单产仍有很大的提升
空间,合理安排播种期是提高产量的重要途径之一.
播种期能够影响玉米生育期内的光、温、水资源
的综合搭配.夏玉米需水关键期的降水量[2-3]、灌浆
期温度[3-4]以及苗期土壤湿度[5-8]对玉米的生长发
育和产量形成有重要作用[4,9-17] .邓彪等[2]对四川资
阳的春玉米需水关键期需水量研究指出,抽雄前 20
d左右为玉米的需水关键期,此期缺水会导致玉米
果穗小、籽粒少,严重时甚至导致不抽穗,从而造成
大幅减产.朱自玺[4]对河南省夏玉米高产的热量条
件研究表明,灌浆的温度应稳定在 20℃以上,当温
度下降到 18 ℃以下时,籽粒重的日增量可降低
50%以上.张艳红[8]研究表明,当玉米播种时的底墒
水为 15 mm时,基本能保证夏玉米的出苗,而当底
墒水少于 10 mm时,无法满足正常出苗的需要.在土
壤和管理措施相同的情况下,不同播种期的玉米在
产量上具有显著差异[16-17] .
目前对夏玉米适宜播种期的研究主要采用大田
试验法[15-22],局限于单个站点和个别年份的试验结
果,较少提供大区域的研究结果.区域作物适宜播种
期的确定对作物空间布局和应对气候变化有重要意
义.国外已经有较多研究应用作物生长模型分析了
作物的适宜播种期[10-11,23],但在我国鲜有研究报道
应用作物生长模型分析玉米的最适播种期.因此,本
研究尝试应用统计学方法和 APSIM 模型分析河南
省夏玉米最适播种期的时间和空间分布特征,并对
两种方法进行比较,以期为河南省夏玉米生产过程
中的管理决策提供一定的科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区域概况
河南省(31°23′—36°22′ N、110°21′—116°39′ E)
位于我国中东部,黄河中下游.全省总面积约 1.67×
107 hm2,常用耕地面积 7.2×106 hm2 .河南省地势西
高东低,间有陷落盆地,中部和东部为辽阔的黄淮海
冲积大平原.属于北亚热带与暖温带过渡区气候,具
有四季分明、雨热同期的特点.全省太阳辐射年总量
4600~5000 MJ·m-2,年日照时数 2000 ~ 2400 h;年
平均气温在 12 ~ 16℃,1 月平均气温-3 ~ 3 ℃,7 月
平均气温 24 ~ 29 ℃,≥0 ℃活动积温 4300 ~ 5400
℃·d,≥10 ℃活动积温 4300 ~ 4900 ℃·d;年平均
降水量 500~900 mm.夏玉米生长季内,全省年平均
太阳辐射量为 1457 ~ 1575 MJ·m-2,≥0 ℃活动积
温 2914~3181℃·d,平均降水量 250~780 mm.
1􀆰 2  资料来源
研究站点分布如图 1 所示.30 个气象站点的地
理要素资料与 1971—2010 年逐日气象数据均来自
中国气象局,气象数据包括日平均气温(℃)、日最
高气温(℃)、日最低气温(℃)、日降水量(mm)、日
照时数( h)、日平均相对湿度 (%)和日平均风速
(m·s-1);河南省作物资料来自河南省气象局的农
业气象观测站,包括玉米品种、品种类型、播种期、成
熟期、播种密度以及产量构成.模型在模拟不同播种
期产量时的调参和验证数据来源于文献[24].
1􀆰 3  最适播种期的确定方法
1􀆰 3􀆰 1统计方法  夏玉米的最早播种期和最晚播种
期采用站点实际播种资料中的最早和最晚播种期,
河南省夏玉米最早播种期为 5月 17日,最晚播种期
为 7月 18日.
夏玉米的适宜播种期应满足3个条件:1)需水
176312期                谈美秀等: 基于统计和过程模型的河南省夏玉米最适播种期时空分布特征       
图 1  研究区域及站点分布
Fig.1  Study area and distribution of study stations.
关键期(抽雄前 20 d)降水要在 80 mm以上[2,25];2)
灌浆期平均温度 20 ℃以上[4];3)播种前一周或播
种后 3 d有 20 mm 的降水量[25-26] .3 个条件的重要
性依次降低.本研究中,需水关键期设定为播种后
41~ 60 d[2,25],灌浆期设定为播种后 66 ~ 95 d[4,25] .
因此夏玉米的最适播种期计算公式如下:

sow+60
i = (sow+41)
P i ≥ 80 mm (1)

30 ∑
sow+95
j = (sow+66)
T j ≥ 20 ℃ (2)

sow+3
k = sow-7
Pk ≥ 20 mm (3)
式中:sow代表夏玉米播种期;P i和 Pk分布代表第 i
天和第 k天的日降水量(mm);T j表示第 j 天的日平
均温度(℃).在夏玉米最早与最晚播种期之间,最先
同时满足 3个条件的日期即为该站点该年的最适播
种期.
对于不能满足需水关键期需水量的年份,需水
关键期内降水量最高的播期即为该年的最适播种
期.对于无法达到条件 3的年份,最先同时满足条件
1和 2的播期即为该年的最适播种期.
1􀆰 3􀆰 2 APSIM模型模拟方法  APSIM模型是澳大利
亚联邦科工组织(CSIRO)和农业生产系统研究组
(APSRU)联合研制开发的农业生产系统模型[27],
已在世界多个国家和地区进行了适应性检验[27-32] .
在我国,APSIM能够准确模拟华北平原冬小麦生育
期的变化[28]、夏玉米的生育期和产量变化[29],在模
拟东北地区玉米生产[32]、黄土高原轮作系统产量和
水分动态[33-34]、华北平原小麦⁃玉米连作系统[27],以
及黄土高原不同耕作措施对产量的影响中均具有良
好的适用性[35] .
表 1  APSIM模型中的玉米品种参数
Table 1  Parameters of maize varieties used in the APSIM
model
参数
Parameter
代码
Code
丹玉 13
Danyu 13
农大 108
Nongda 108
最大穗粒数
Maximum grain number per head
head_grain_no_max 575 600
灌浆速率
Grain⁃filling rate ( mg·grain-1
·d-1)
grain_gth_rate 10 10
出苗到青年期结束的有效积温
Thermal time required from
emergence to end of juvenile
(℃·d)
tt_emerg_to endjuv 185 190
光周期斜率
Photoperiod slope (℃·h-1)
photoperiod_slope 10 10
开花到成熟期有效积温
Thermal time required from flow⁃
ering to maturity (℃·d)
tt_flower_to_maturi⁃
ty
680 720
旗叶到开花期有效积温
Thermal time required from flag
leaf to flowering (℃·d)
tt_flag_to_flower 10 10
开花到开始灌浆的有效积温
Thermal time required from
flowering to starting grain filling
(℃·d)
tt_ flower_ to_ start _
grain
130 130
    利用河南省 30个站点的实际播种资料,选择种
植最广泛且连续种植年份最多的玉米中熟品种‘丹
玉 13’以及近年推广较多的晚熟品种‘农大 108’作
为研究品种,品种参数如表 1 所示[29] .播种密度设
为理论最适密度 97500株·hm-2,行距为 60 cm[29] .
根据河南省的实际播种资料,冬小麦的 30年平
均播种期为 10 月 15 日.为了不影响冬小麦的正常
播种且避免初霜冻的影响,本文设定夏玉米的最晚
收获期为冬小麦播种前 15 天,即 9 月 30 日.利用
APSIM模型模拟最早播种期与最晚播种期之间各
个播种期的最终产量,产量最高的播种期则为该年
份的最适播种期.
调参和验证时,采用产量的模拟值与实测值之
间的归一化均方根误差(NRMSE)作为评价指标.计
算公式如下:
NRMSE = 1
n∑

i = 1
(Si - Oi) 2 /􀭺O × 100% (4)
式中:Si为各播种期产量的模拟值;Oi为各播种期产
量的实测值;􀭺O 为各播种期产量的平均值;n 为样
本数.
1􀆰 3􀆰 3两种方法的差异显著性分析   统计方法与
APSIM模型模拟方法之间差异的显著性检验采用
成对数据 t检验法,也称逐对比较法,对每个站点的
两种方法结果差异进行统计检验.检验方法如下:当
统计量 t满足式(5)时,即认为两种方法差异显著.
2763                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷
| t | =
􀭵d
s / n
≥ta / 2(n-1) (5)
式中: 􀭵d表示每对数据差值的平均值;s 表示每对数
据差值的标准差;n 表示组数,为 40;α 表示显著性
水平,本文取 0.05.查表知 tα / 2(40-1)= 2.0227.
1􀆰 4  降水年型的划分
根据玉米生长季(6—9月)的降水量,以降水距
平百分率( Ipa)作为降水年型的划分指标:
Ipa =(R i-􀭵R) / 􀭵R×100% (6)
式中:R i表示第 i 年 6—9 月的降水总量;􀭵R 表示
1971—2010年 R i的平均值.当-25%≤Ipa<25%时为
正常年型,<-25%为降水偏少年型,≥25%为降水偏
多年型[25] .
2  结果与分析
2􀆰 1  模型的调参与验证
为了验证 APSIM 模型模拟播种期对夏玉米产
量影响的能力,从而确定其模拟最适播种期的可行
性,利用刘战东等[24]大田试验的管理措施和产量数
据,用前 4个播种期的数据对模型进行调参,确定的
品种参数如表 2所示.调参结果显示,产量的模拟值
与实测值的 NRMSE为 6.3%.
    用其余 3个播种期的产量进行验证,结果表明,
产量的模拟值与实测值之间的 NRMSE为 12.3%,且
在 2009年 5月 17 日至 7 月 18 日之间的最优播期
为 6月 6日,而试验结果表明 6 月 5 日播种的产量
最高,证明 APSIM模型能够很好地模拟播种期变化
对产量的影响.
2􀆰 2  夏玉米最适播种期的空间分布
河南省夏玉米最适播种期的空间分布特征如图
2 所示,统计模型计算的夏玉米最适播种期呈明显
的南早北晚纬向分布特征(图 2a),潢川、固始、信阳
和栾川最适播种期较早,在 5月 29日之前,汤阴、新
乡、封丘、沁阳、伊川和三门峡最适播种期较晚,在 6
月 9日之后.APSIM 模型计算的夏玉米最适播种期
没有明显的纬向分布特征(图 2b、c),西部的栾川最
适播种期最早,河南省大部地区以 5月 30日至 6 月
13日播种为宜.相比统计模型,APSIM 模型计算的
最适播种期更为集中,全省最适播种期范围(13 d)
较统计模型(20 d)稍窄.当最晚收获期不变、品种由
中熟改为晚熟时,全省夏玉米最适播种期应至少提
前 2 d,以保证晚熟品种成熟.但统计模型无法反映
品种变化对最适播种期的影响.
对 30个站点两种方法获得的最适播种期进行
差异分析,结果表明,巩义、太康、泛区、方城、南阳、
信阳和固始 7个站点的两种方法差异显著,其他 23
个站点差异不显著,差异不显著站点数占总站点数
表 2  郑单 958的品种参数
Table 2  Parameters of the maize variety Zhengdan 958
参数
Parameter
代码
Code
郑单 958
Zhengdan 958
最大穗粒数
Maximum grain number per head
head_grain_no_max 630
灌浆速率
Grain⁃filling rate (mg·grain-1·d-1)
grain_gth_rate 10.5
出苗到青年期结束的有效积温
Thermal time required from emergence
to end of juvenile (℃·d)
tt_emerg_to endjuv 250
光周期斜率
Photoperiod slope (℃·h-1)
photoperiod_slope 19
开花到成熟期有效积温
Thermal time required from flowering
to maturity (℃·d)
tt_flower_to_maturity 1200
旗叶到开花期有效积温
Thermal time required from flag leaf
to flowering (℃·d)
tt_flag_to_flower 10
开花到开始灌浆有效积温 (℃·d)
Thermal time required from flowering
to starting grain filling
tt_flower_to_start_grain 240
图 2  1971—2010河南省平均夏玉米最适播种期的空间分布
Fig.2  Spatial distribution of optimal sowing date of summer maize in Henan Province averaged from 1971 to 2010.
a) 统计方法 Statistical method; b) APSIM模型,品种为丹玉 13 APSIM, variety⁃Danyu 13; c) APSIM模型,品种为农大 108 APSIM, variety⁃Nongda
108.
376312期                谈美秀等: 基于统计和过程模型的河南省夏玉米最适播种期时空分布特征       
的 76.7%.对于两种方法差异显著的站点,APSIM 模
拟的最适播种期均比统计方法偏晚 7 d以上.
2􀆰 3  夏玉米最适播种期的时间变化特征
对 1971—2010年各站点由统计模型和 APSIM
模型计算的最适播种期进行趋势分析,结果表明,
90%的站点由统计模型计算的夏玉米最适播种期提
前,其中林州、封丘、巩义和南阳站点显著提前(P
<0.05),林州和封丘提前最多,平均 5.9 d·(10 a) -1 .
仅杞县、商丘、驻马店和潢川站点的最适播种期推
迟,但均未达到 95%显著性水平.APSIM模型计算的
最适播种期变化趋势与统计模型不同,50%的站点
提前,其中,潢川站平均提前 2.5 d·(10 a) -1,但所
有站点均不显著;50%的站点推迟,仅林州站推迟显
著[3.5 d·(10 a) -1].
2􀆰 4  收获期推迟对最适播种期的影响
在气候变暖背景下,近年来“两晚”技术,即冬
小麦播种期适当推迟与夏玉米适当晚收,在华北平
原得到了广泛宣传与推广[36-37] .收获期的推迟意味
着夏玉米可播种时间范围的扩展.将‘丹玉 13’的最
晚收获期推迟 1 周,绝大部分站点最适播种期将至
少推迟 3 d(图 3).
2􀆰 5  不同降水年型对夏玉米最适播种期的影响
比较夏玉米生长季(6—9月)降水偏少、正常和
偏多年型下两种方法计算的夏玉米最适播种期(图
4)可知,统计模型计算的最适播种期随着降水增多
图 3  两种收获期下河南省夏玉米的最适播种期
Fig.3  Distribution of optimal sowing date of summer maize in
Henan Province based on different harvesting dates.
a) 09-30; b) 10-07.
具有明显的提前趋势,且在整个研究区域的变化趋
势一致.降水偏少年型下,夏玉米较正常年型应晚播
7 d左右;降水偏多年型下,较正常年型应早播 7 d
左右.APSIM模型计算的夏玉米最适播种期受降水
年型的影响较复杂,最南部的潢川和固始受降水变
化影响较小,以内乡、方城、泛区、和永城沿线为分界
的偏南部区域,其夏玉米最适播种期在降水偏多和
偏少的年型下均较正常年型下偏早,而偏北部区域
在正常年型下播种偏早,其他年型下均较晚.
2􀆰 6  适宜播期推荐指标
对各站点夏玉米生长季的 6—9 月降水进行统
计,得到河南省夏玉米生长季的降水分布(图 5)按
递增顺序可分为 A~D 4个区.利用 APSIM模拟的各
个站点各年的最适播种期,对各个播期条件下的播
种期降水、需水关键期降水、灌浆期温度进行统计,
得到各区域 3 个指标的 80%保证率(表 3).结合
APSIM模型,对统计指标根据区域进行适当调整.对
于河南省偏北部的 A区和 B 区,夏玉米生长的主要
限制因子为需水关键期的降水和灌浆期温度,在保
证需水灌浆期降水分别达到 46.5 和 53.5 mm 的情
况下,灌浆期温度应达到 22.5 ℃以上,做到“见雨即
播”;而对于偏南部的 C区和 D区,夏玉米生长季降
水较充足,需水关键期降水应达到 62 mm,同时灌浆
期温度分别应达到 26.4 和 23.1 ℃ .其次,为了提高
夏玉米的出苗率,播种期降水应分别达到 3.9 和 8.3
mm.因此,将统计方法和 APSIM 模型结合推荐如下
的最适播种期指标:
A区: ∑
sow+60
i = (sow+41)
P i ≥ 46.5 mm,
    1
30 ∑
sow+95
j = (sow+66)
T j ≥ 22.5 ℃
B区: ∑
sow+60
i = (sow+41)
P i ≥ 53.5 mm,
表 3  各区域 APSIM模拟的最适播种期气象条件 80%保证
率值
Table 3   Meteorological index with 80% guarantee rate
during different stages of optimal sowing dates simulated by
APSIM in each region
区域
Zone
播种期降水
Precipitation
during
sowing period
(mm)
需水关键期降水
Precipitation
during
key water
requirement
period (mm)
灌浆期温度
Temperature
during grain
filling period
(℃)
A 2.1 46.5 22.5
B 1.3 53.5 22.5
C 3.9 62.8 26.4
D 8.3 62.9 23.1
4763                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 4  3种年型下两种方法最适播种期的分布
Fig.4  Distribution of optimal sowing date under three different yearly precipitation patterns by the two methods.
A: 统计模型 Statistical model; B: APSIM模型 APSIM model. a) 降水偏少年份 Less precipitation; b) 正常年份 Normal precipitation; c) 降水偏多
年份 More precipitation.
图 5  夏玉米生长季(6—9月)降水量分布
Fig.5   Distribution of growing season precipitation of summer
maize (June-September).
        1
30 ∑
sow+95
j = (sow+66)
T j ≥ 22.5 ℃
C区: ∑
sow+60
i = (sow+41)
P i ≥ 62 mm,
    1
30 ∑
sow+95
j = (sow+66)
T j ≥26.4 ℃, ∑
sow+3
k = sow-7
Pk ≥3.9 mm
D区: ∑
sow+60
i = (sow+41)
P i ≥ 62 mm,
    1
30 ∑
sow+95
j = (sow+66)
T j ≥23.1 ℃, ∑
sow+3
k = sow-7
Pk ≥8.3 mm
3  讨    论
当前的气候和农业措施背景下,可以完全保证
河南省夏玉米的成熟,因此播种期对其成熟并不构
成影响.但气候变化带来的极端事件,尤其是降水的
变化,却对夏玉米的产量造成很大影响.通过调整播
种期可以有效地减轻夏玉米生育期间不利气象条件
的影响,尤其是拔节⁃抽穗期是夏玉米生长的需水关
键期,对产量的影响格外明显.通过播期调整进入需
水关键期的时间,可以使降水得到更有效的利用,同
时也是产量达到最大的必要条件.张宁等[17]研究表
明,河北省夏玉米播种期每提前 1 d,灌浆期延长
0􀆰 74 d,千粒重增加 10% ~ 14.8%,产量提高 9% ~
13􀆰 9%.
本文通过统计模型和 APSIM 模型计算了
1971—2010年河南省夏玉米最适播种期的时空变
化特征,及品种熟性变化、收获期推迟和不同降水年
型对最适播种期的影响.结果表明,河南省多年夏玉
米的平均最适播种期为 5 月 30 日至 6 月 13 日,北
部地区较南部和中部地区播种较晚,北部地区以 6
月 4日至 13 日播种为宜,西部山区应在 5 月 30 日
左右播种,南部地区应尽量保证在 6 月 8 日前播种.
这与前人的华北平原夏玉米应在 5 月 25 日至 6 月
15日播种的研究结果一致[22,27,34] .玉米品种熟性和
收获期是影响最适播种期的重要因素.本文分析了
品种熟性和收获期变化对最适播种期的影响,结果
表明,当夏玉米品种由中熟改为晚熟时,最适播种期
应至少提前 2 d;而当收获期推迟 1 周时,最适播种
576312期                谈美秀等: 基于统计和过程模型的河南省夏玉米最适播种期时空分布特征       
期将至少推迟 3 d.两种方法对河南省夏玉米的最适
播种期分析结果显示,当采用晚熟品种‘农大 108’
时,APSIM模型结果相比于统计模型,北部偏早,中
部偏晚,建议北部采用套种方式尽量把播种期提前,
以充分利用热量资源.在生长季降水偏少的年型下,
估算的适宜播种期偏晚,主要原因是降水偏少的年
型下降水主要集中在 6 月以后,晚播有利于夏玉米
的出苗以及更好地利用后期的水热资源.李杰[38]在
安徽省淮北地区进行夏玉米适宜播种期的大田试验
结果表明,晚熟夏玉米应在 6 月 25 日前播种,中熟
品种应在 6月底前播种,而早熟品种应在 7月 10 日
前播种,在旱涝年份,播种应推迟至 7月 15日前,与
本文结果一致.
近年来,气候变化对作物的影响成为研究焦点.
研究表明,气候变暖背景下,春玉米种植界限有北移
西延的趋势,且早熟品种逐渐被晚熟品种代
替[39-40] .本研究结果表明,河南省绝大部分地区夏
玉米的最适播种期变化均不显著,反映气候变化对
河南省过去 40年的夏玉米最适播种期没有显著影
响.李树岩等[41]对河南省夏玉米生长季的农业气候
资源变化的分析指出,1961—2008 年夏玉米生育期
间降水无明显变化.这是气候变化对夏玉米最适播
种期没有显著影响的主要原因.由于温度变化和品
种改良对冬小麦成熟期造成的影响,导致河南省驻
马店以南地区、中部的伊川、内乡、南阳、及北部的林
州和西部山区的三门峡夏玉米可播种期提前,可播
种范围扩大.
对统计模型和 APSIM 模型两种方法计算的夏
玉米最适播种期进行差异分析,结果表明,76.7%的
站点差异不显著.这主要是因为夏玉米生长发育主
要受生长季降水的影响,两种方法计算夏玉米最适
播种期时,均是降水的权重较大,但由于模型更细致
地考虑了每日的降水、气温和日照等气象要素,故导
致一些站点的两种方法存在一定差异.模型方法考
虑要素更为全面,并可以考虑品种变化的影响,但需
要进行品种参数确定,计算过程较复杂.结合 APSIM
最适播种期可对常用的统计方法进行调整.北部区
域应保证需水关键期降水充足和灌浆期温度适宜,
在满足上述两个指标的情况下,做到“见雨即播”,
后期根据出苗情况可进行适当的补苗措施.南部区
域降水和温度均较北部地区充足,需水关键期降水
应在 62 mm以上,C 区和 D区关键期温度应分别超
过 26和 23 ℃,在满足这两个条件的基础上,播种前
后降水应分别达到 3.9 和 8.3 mm 的情况下才播种.
进一步研究应详细分析两种方法对冬小麦⁃夏玉米
轮作系统的影响,以及轮作系统下两种作物的适宜
播种期,为华北平原小麦⁃玉米轮作系统的增产提供
科学建议.
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作者简介  谈美秀,女,1992年生,硕士研究生. 主要从事气
候变化影响与适应研究. E⁃mail: may_tanmeixiu@ sina.com
责任编辑  杨  弘
8763                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷