玉米是湖南第一大旱粮作物, 目前种植面积虽接近330×103 hm², 总产达到128.6×10⁴ t左右, 但与实际需求 (约700 ×10⁴ t) 相比, 存在很大的差距, 因而, 发展玉米生产市场潜力巨大。此外, 湖南玉米单产较低, 全省平均仅4500 kg/hm²左右, 比全国平均水平4950 kg/hm²低450 kg/hm²左右。造成单产较低的主要原因是布局不够合理和移栽期安排欠妥。

以往农作物气候区划研究主要利用气候要素作为区划因子, 采用等级划分的方法^[1-9], 较适合气候资源差异明显的地区, 为当地作物布局提供了有用信息和参考。近年来, 陆魁东等利用气象灾害指标进行了湖南一季超级稻种植气候区划^[10], 区划效果较理想。湖南气候资源相对丰富, 气候资源基本能够适应春玉米生长的需求, 但不同生育期的气象灾害制约着春玉米的稳产和高产。试验证明湖南春玉米生育期内干旱、高温、连阴雨是制约玉米高产的主要因子, 因此, 本文通过对湖南春玉米生育期气象灾害因子的系统分析, 利用其年次概率^[11]作为区划指标, 从回避气象灾害风险角度, 为玉米生产合理布局及防灾避灾提供科学依据和方法。

本文所用的资料来自湖南省气象局档案馆, 包括1961—2004年3月中旬至4月上旬日降水量≥0.1 mm的降水日数、日照时数和6—7月的降水量、逐日最高气温≥35 ℃的资料。利用统计方法计算了玉米苗期连阴雨和吐丝-成熟期干旱、高温热害3种灾害的年次概率。

在灾害出现概率分析中, 引进了年次概率的定义, 年次概率是某灾害发生的年次数与统计资料的总年数之比, 即P=N/n×100%, 其中P为年次概率, N为统计时段某灾害出现的总年数, n为统计时段年数。

春季连阴雨是一种常见的气象灾害, 如果连阴雨天气出现在玉米播种或育苗期, 就会造成玉米烂种、出苗率低、生长缓慢甚至发生死苗现象。根据《气象灾害术语和分级》^[12]中的连阴雨定义：3月中旬至4月上旬日降水量≥0.1 mm连续7 d或以上, 且过程日平均日照时数 < 1 h。

根据1961—2004年历史气象资料分析, 各站连阴雨年次概率计算结果见图 1。由图 1可见, 湖南全省玉米生育期连阴雨发生概率比较高, 平均值为58.7%。但各站连阴雨发生概率分布极不均匀, 最少的慈利为23.3%, 最多的蓝山、安仁两站发生年次概率为86.7%。年次概率较低的地方主要在澧水流域、沅水中下游及洞庭湖区, 为50%以下; 株洲、衡阳、郴州及永州大部分地方年次概率在66%以上, 其他地方连阴雨的年次概率在50%~66%。

图 1

图 1. 春玉米播种-出苗期连阴雨年次概率地域分布 Fig 1. The regiond probability distribution of protracted rain spell from spring maize sowing to seeding stage

湘中以南地区大多数年份于6月下旬雨季结束, 湘西大多数年份于7月中旬雨季结束。如果雨季结束比常年偏早或雨季降水偏少, 就会出现干旱。玉米在灌浆成熟期受到干旱危害, 会致使叶片提前枯黄甚至死亡, 籽粒瘦瘪, 千粒重明显下降, 导致减产或绝收。如2005年6月上旬至7月上旬, 湘西北降水量比常年同期偏少60%~90%, 导致玉米产量减少30%左右, 水利条件差的地方甚至绝收。这里采用农业缺水率指标^[13-14]来评价春玉米生殖生长期干旱状况, 即当吐丝-成熟期降水量 (R) 少于农作物需水量 (E) 称为干旱, 干旱程度用缺水量 (D) 与需水量 (E) 之比 (即农业缺水率) 表示。其中, 作物需水量：E=0.16∑t, 作物缺水量：D=R-E, 式中, ∑t是吐丝-成熟期积温。当E > R时, D < 0, 干旱发生, 生殖生长期缺水率 (K₁):K₁=D/E。

另外, 前期降水对玉米生殖生长期干旱程度也有影响, 如果玉米营养生长期内降水明显偏少, 对玉米种植区内特别是丘陵山区蓄水不利, 后期供给也明显会受到影响。因此, 结合玉米营养生长期 (春季) 降水距平 (K₂) 进行修订, 当K₂ < -0.30时^[12], 会明显加大玉米生殖期干旱概率 (即K₂+0.30 < 0时, 春旱发生)。在此定义综合干旱指数^[15]：K=K₁+(K₂+0.30), K < 0表示玉米生殖生长期发生干旱。

湖南省各站玉米生殖生长期内各地干旱发生年次概率的计算结果见图 2。各地干旱发生年次概率在4.6%~45.5%之间, 呈湘西、湘中以南偏多, 资水流域及洞庭湖区偏少的分布趋势。衡阳、郴州中部、永州局部及怀化中部等地干旱年次概率在33%以上, 其中衡阳部分地区在40%以上。湘东北、资水流域及湘西北和湘南两地部分地区在25%以下, 其中龙山、平江、安化、桃江、新邵、洞口、涟源等低于10%。其他地区在25%~33%之间。

图 2

图 2. 玉米生殖生长期干旱年次概率地域分布 Fig 2. The regional drought probability distribution in maize growth period for reproduction

湖南省春玉米吐丝-成熟期一般为6月上旬至7月底, 不同地区略有区别, 湘西和湘东南山地为6月中旬至7月下旬, 其他地方的春玉米为6月上旬至7月中旬。玉米生殖生长期内遭遇高温天气, 影响花粉活力, 造成灌浆期缩短, 此外, 高温加剧干旱的发展。根据田间试验结果, 高温天气对处于灌浆成熟期的玉米影响很大, 产量会受到明显的影响。以日最高气温≥35 ℃持续5 d或以上的高温天气 (气象上称为高温热害) 作为危害指标。

湖南省各站玉米吐丝-成熟期高温热害发生年次概率的计算结果见图 3。由图 3可见, 全省春玉米在吐丝-成熟期高温热害发生年次概率为0~81.8%不等, 平均为41.6%。湖南高温热害年次概率高值区在衡阳大部、株洲中南部等地, 在66%以上, 其中衡阳市最高为81.8%。年次概率次高值区在沅水中下游河谷地带、长沙东部、湘潭、株洲北部及永州大部分地方, 年次概率为50%~66%之间。桑植、永顺、古丈一片、常德、益阳两市的中南部、岳阳南部及邵阳县、东安、道县一带高温热害的年次概率为33%~50%。滨湖地区、湘西边缘、湘西南丘陵山区、湘东南山地等在33%以下, 其中个别较高海拔低于20%。

图 3

图 3. 春玉米吐丝-成熟期高温热害地域分布 Fig 3. The regiond probability distribution of high temperature damage from spring maize spin to mature period

综合考虑春玉米苗期的连阴雨、吐丝-成熟期的干旱、高温热害影响。以干旱年次概率 (P_d) 和高温热害年次概率 (P_h) 作为主要区划指标, 以连阴雨年次概率 (P_c) 作为次要指标进行春玉米生产气候区划。

以往的气候区划研究中, 作为区划指标的各气象要素是按整数分级的, 综合各要素后再按整数分级, 就会造成级别跳跃过大, 容易产生分区误差。在此基础上本文对单要素引入了机械工程学的“无级变速”原理^[16]进行如下改进:各气象要素在分区或评分时, 不再按整数分级, 而让分区指标区划评分保留多个小数位, 这样更容易考察各区划分级的细微递变。根据各灾害因子对玉米生长的影响程度进行区划评分 (表 1)。

表 1

表 1 玉米种植气候区划分级指标 Table 1 The classification indexex of maize planting climatic regionalization

表 1 玉米种植气候区划分级指标 Table 1 The classification indexex of maize planting climatic regionalization

根据田间试验结果, 考虑干旱对玉米产量形成影响程度和湖南省生殖生长期干旱年次概率分布情况, 设干旱发生年次概率为25%时区划评分为1, 因此, 干旱发生年次概率评分指数为K_d=P_d/0.25 (P_d为干旱年次概率); 同理, 设高温热害发生年次概率为30%时区划评分为1, 连阴雨发生年次概率为50%时区划评分为1, 则高温热害发生年次概率评分指数为K_h=P_h/0.30 (P_h为高温热害年次概率), 连阴雨发生年次概率评分指数为K_c=P_c/0.50 (P_c为连阴雨年次概率)。各灾害因子区划评分指数累加为综合分区指数:K=K_d+K_h+K_c。根据综合分区指数把全省春玉米划分如下4个区域:最适宜区、适宜区、较适宜区、次适宜区。

根据以上分区原则, 将湖南省分为4个玉米种植气候生态区域 (图 4)。

图 4

图 4. 湖南省玉米种植生态气候分区图 Fig 4. The ecological climate distribution of maize plant

最适宜区:春玉米最适宜区主要分布在洞庭湖区、娄底、邵阳两地、龙山、保靖、花垣一片、永州南部及湘南山区等地。这些地区吐丝-成熟期降水较多, 干旱发生年次概率较低, 高温热害不明显, 苗期连阴雨大部分地方较少。

适宜区:春玉米适宜区主要分布在湘中以北除了以上最适宜区地方, 即沅水流域、澧水流域、资水和湘江两水下游; 湘南部分丘陵山地等也是适宜区。

较适宜区:主要分布在株洲、衡阳、永州和郴州两地中北部除次适宜区以外的地方。包括株洲市郊、醴陵、衡山、祁东、祁阳、冷水滩、永州市郊、双牌、新田、宁远、嘉禾、永兴等地。

次适宜区:主要在衡阳盆地、株洲中部和郴州市郊区等平原丘陵区域, 包括衡东、衡阳市郊、衡南、常宁、耒阳、郴州市郊、安仁、攸县、茶陵等地。

1) 从区划结果来看, 湖南总体上都适宜春玉米种植。只有衡阳盆地及株洲中部是春玉米的次适宜区, 其他地方均适宜种植春玉米。

2) 从区划结果与实际产量对比分析比较, 湖南玉米的高产区均在最适宜区和适宜区内, 如浏阳、邵东、汨罗等地是湖南玉米的高产县。玉米的低产区大多都在较适宜区和次适宜区, 如攸县、衡南县、绥宁县等玉米低产县。只有湘东南山地的桂东、汝城玉米低产区在最适宜区范围内, 与实际情况不吻合, 主要原因是这些地方玉米生长期内光、温资源不足, 加之土壤肥力较差的缘故。

3) 玉米吐丝-成熟期干旱是玉米生殖生长期内的主要气象灾害, 高温热害也对玉米灌浆影响很大。特别是以衡阳为中心的周边地区为较适宜区或次适宜区, 是全省受干旱和高温热害最严重的地方, 但光温潜力比较大, 所以水源充足的地方可发展春玉米。

4) 湘西等地干旱相对较低, 是玉米种植适宜区域, 但水利条件较差, 这些地方种植春玉米应采取相应的农业技术措施。本文仅从气候生态气象灾害指标角度对湖南省玉米种植进行了区划, 其中也仅考虑灾害的年次概率, 没有考虑灾害强度及土壤和栽培条件等其它因素, 有待于进一步研究。