冬小麦晚霜冻害冠层气象因素相关关系研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 2基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2 0 1 2 B A D 2 0 B 0 0)资助。作者简介:程婉莹(1 9 8 9),女(汉族),硕士,研究方向:农业防灾减灾(E-m a i l:c h w y 1 5 9 7 4 1 8 3 8 7 21 6 3.c o m)。通讯作者:王春艳(1 9 7 1),女,博士,副研究员,研究方向:农业防灾减灾(E-m a i l:w a n g c h u n y a n c a a s.c n)。冬小麦晚霜冻害冠层气象因素相关关系研究程婉莹1,王春艳2,马娇丽1(1.贵州农业职业学院,贵阳5 5 1 4 0
2、 0;2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京1 0 0 0 8 1)摘 要:通过监测河南省商丘市冬小麦拔节末期-孕穗期农田近地面04 0c m不同高度上的农田气象要素,分析这一时期近地面日最低气温和日最低叶温的变化规律,以及各气象要素对这两项指标的影响和二者之间的关系。结果表明,降温过程中日最低气温不同高度的温度呈对数递减趋势,日最低叶温不同高度的温度呈线性递减规律;不同高度上日最低气温变化受5c m处空气湿度的影响;不同高度的日最低叶温受5 c m、1 0 c m处空气温度和所在高度的日最低温影响;叶气温差受01 0 c m日最低气温、01 0c m土壤温度、2 0 c m以下深度
3、土壤水分以及所在层次的日最低气温的综合影响。关键词:冬小麦;晚霜冻害;近地面农田小气候中图分类号:S5 1 2.1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 8-2 2 3 9(2 0 2 3)0 3-0 0 2 8-0 8S t u d yo nt h eC o r r e l a t i o nB e t w e e nM e t e o r o l o g i c a lF a c t o r so fL a t eF r o s tD a m a g e i nW i n t e rWh e a tC a n o p yC H E N G W a n y i n g1,WA N GC h
4、u n y a n2,MAJ i a o l i1(1.G u i z h o uV o c a t i o n a l c o l l e g eo fA g r i c u l t u r a l,G u i y a n gG u i z h o u5 5 1 4 0 0,C h i n a;2.I n s t i t u t eo fA g r i c u l t u r a lR e s o u r c e sa n dR e g i o n a lP l a n n i n g,C AA S.B e i j i n g1 0 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a
5、 c t:T h r o u g hm o n i t o r i n g t h e f a r m l a n dm e t e o r o l o g i c a l e l e m e n t s a t d i f f e r e n t h e i g h t s o f 0-4 0c mn e a r t h eg r o u n d f r o mt h e l a t e j o i n t i n g s t a g e t o t h e b o o t i n g s t a g e o fw i n t e rw h e a t i nS h a n g q i uC
6、 i t y,H e n a nP r o v i n c e,t h ec h a n g e l a wo f t h e d a i l ym i n i m u mt e m p e r a t u r e n e a r t h e g r o u n d a n d t h e d a i l ym i n i m u ml e a f t e m p e r a t u r e d u r i n gt h i sp e r i o dw a s a n a l y z e d,a sw e l l a s t h e i m p a c t o f v a r i o u sm
7、 e t e o r o l o g i c a l e l e m e n t s o n t h e s e t w o i n d i c a t o r s a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m.T h e r e s u l t s s h o wt h a t:D u r i n g t h e c o o l i n gp r o c e s s,t h e t e m p e r a t u r e a t d i f f e r e n th e i g h t so f t h e d a i l y
8、m i n i m u mt e m p e r a t u r e s h o w s a l o g a r i t h m i c d e c r e a s i n g t r e n d,w h i l e t h e t e m p e r a t u r e a t d i f-f e r e n th e i g h t so f t h ed a i l ym i n i m u ml e a f t e m p e r a t u r es h o w sa l i n e a rd e c r e a s i n gt r e n d;T h ev a r i a t i
9、 o no fd a i l ym i n i m u mt e m p e r a t u r e a td i f f e r e n th e i g h t sw a s i n f l u e n c e db ya i rh u m i d i t ya t5c m;T h ed a i l ym i n i m u ml e a ft e m p e r a t u r e a t d i f f e r e n th e i g h t sw a s i n f l u e n c e db y t h e a i r t e m p e r a t u r e a t 5c
10、ma n d1 0c m,a sw e l l a s t h ed a i l ym i n i m u mt e m p e r a t u r e a t t h e c o r r e s p o n d i n gh e i g h t;T h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e n l e a v e s a n d a i r i s c o m-p r e h e n s i v e l ya f f e c t e db yt h ed a i l ym i n i m u mt e m p e r a
11、 t u r eo f0-1 0c m,s o i l t e m p e r a t u r eo f0-1 0c m,s o i lm o i s t u r eb e l o w2 0c md e p t h,a n d t h ed a i l ym i n i m u mt e m p e r a t u r e a t t h e c o r r e s p o n d i n g l e v e l.K e yw o r d s:w i n t e rw h e a t;l a t e f r o s t;n e a r-s u r f a c em i c r o c l i
12、m a t e 霜冻害指较温暖时期因冷空气突然入侵或地表骤然辐射冷却使植株体温降至0以下,使正在生长发育的作物受到冻害导致减产、品质下降或绝收的灾害1。霜冻害按发生的时间分为早霜冻和晚霜冻。晚霜冻害对我国小麦生产有很大的影响,黄淮海平原地区是我国主要的冬小麦种植区,也是晚霜冻害多发区2。小麦晚霜冻害主要危害北方冬麦区幼穗分化进入药隔形成期和四分体时期的小麦。目前对冬小麦晚霜冻害的研究主要有以下六个方面3:冬小麦晚霜冻害的影响及危害(包括产量及产量82程婉莹 等:冬小麦晚霜冻害冠层气象因素相关关系研究 耕作与栽培 第4 3卷 第3期构成要素4-5、植物学特征6、生理生化反应7)、冬小麦晚霜冻害致
13、灾成因(包括气象环境要素8-9、人为因素1 0、小麦抗霜冻能力1 1-1 3)、冬小麦晚霜冻害灾害指标(包括形态学指标1 4-1 6、气象学指标1 7-1 8、综合指数指标1 9-2 1)、冬小麦晚霜冻害时空分布特征2,1 7-1 8、冬小麦晚霜冻害的监测预警4,1 9,2 1及冬小麦晚霜冻害防控措施1 1-1 2,2 2。庞锡富等2 3研究得出,冬小麦晚霜冻害于药隔期形成,主要是气候因素与冠层遮挡、主茎及分蘖生长发育、高度有关。王夏8通过试验得出冬小麦霜冻害对低温敏感的时期是雌雄蕊末期到药隔初期。冯玉香等2 4研究得出,冬小麦叶片冻结后是否受到伤害是由最低叶温来决定的,幼穗是否受伤与最低叶温
14、的关系相当密切。刘红杰等1 2,2 5通过分析气温、地温、相对湿度、风速与草面温度,发现各气象因子与草面温度呈极显著相关关系,对霜冻害的发生及轻重程度起关键作用;通过分析农田最低气温与小气候中其他气象因子的关系,分析其相关性,利用这些因子模拟晚霜冻害易发时段冬小麦冠层内最低气温估算模型。孟雷等9通过设置不同土壤表层湿度,探究冬小麦晚霜冻害冠层光谱特征,分析不同土壤表层湿度下冬小麦晚霜冻害对产量的影响,结果表明,冬小麦产量随土壤表层湿度降低而呈减少趋势。可见,霜冻害发生是多种气象因子相互影响,最终作用于冬小麦幼穗的结果。目前,很多学者包括气象部门已研究出预测霜冻害的规范和标准,但在农业生产实际中
15、发现,这些规范和标准往往以所在地区的百叶箱日最低气温来对冬小麦晚霜冻害灾害等级进行划分,这与冬小麦是否受害以及受害程度存在一定的差距。利用传统的农业灾害监测手段难以做到及时、准确、高效地预防冬小麦晚霜冻害及鉴定受灾程度。而对冬小麦晚霜冻害进行快速、准确的监测,对灾害进行高效率的预报预警,可为政府部门、一线冬小麦生产单位指导生产提供科学依据,从而将晚霜冻害对冬小麦产量的损失减少到最低。本研究对黄淮地区冬小麦晚霜冻害易发时段农田小气候的各气象因子进行监测,分析不同高度上空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度变化规律,研究农田小气候的各气象要素对叶温、气温变化的影响。从而为冬小麦晚霜冻害提供一些科学
16、依据。为冬小麦晚霜冻害的预防预警提供数据支持。1 材料与方法1.1 研究地域概况本试验以豫麦1 8号为材料,在河南省商丘市农林科学研究院(3 4.4 N,1 1 5.7 E)试验田进行。河南省商丘市农林科学院地处黄淮麦区。黄淮麦区冬小麦播种面积占全国小麦总播种面积的3 5%4 0%。商丘市年平均日照时数19 4 4h,年平均气温1 4.2,年平均降水量6 2 3mm,光温资源丰富,但降水分布不均,南北差异大,气象灾害发生频繁,特别是小麦受晚霜冻的危害较严重,严重时可造成3 0%5 0%的减产,给当地冬小麦的高产和稳产带来较大的影响。1.2 实验仪器安排及数据获取试验于2 0 1 4年1 0月1
17、 4日播种,一周后出苗,出苗整齐,出苗后采用与附近大田相同的田间管理。拔节期后在大田中随机选取三个地点,每个点安装一套田间监视器,拔节后监测各项气象要素。监测项目及安装情况见表1、表2。表1 田间监视器传感器信息监测项目符号单位传感器型号精确度土壤水分RHs%T D C 2 1 0 I3%a土壤温度TsJ WB/H 2 e 2 9/A0.5%空气温湿度Ta/RHa/%J WS K E-6 A C X X3%a叶温TlH t 1 3 20.10.2风速Um/sF S-A 1-3 00.1m/s表2 监测项目及安装情况监测项目监测高度(深度)监测方法空气温度5c m、1 0c m、2 0c m、3
18、 0c m、4 0 c m、2m空气湿度5c m、1 0c m、2 0c m、3 0c m、4 0 c m、2m土壤温度0c m、-5c m、-1 0c m、-2 0 c m、-3 0 c m、-4 0 c m全 天 候 监 测,每5m i n采集一次数据土壤水分含量-5c m、-1 0c m、-2 0c m、-3 0 c m、-4 0 c m叶温1 0 c m、2 0c m、3 0 c m、4 0 c m风速2m、0.8 5m、0.5m 通过端子 和S T C把所有 传 感 器 串 联,再 通 过R TU把数据传回服务器,编程把所获取的数字变成测定的温湿度、风速。大田小麦3月1 2日1 5日
19、开始拔节,3月3 1日株高为4 55 0 c m,幼穗高度为2 02 5 c m。5月1日开花,株高达7 5c m,穗高也达7 5c m(抽穗期)。2 0 1 5年6月1 5日进行收获测产。晚霜冻害发生的时期为4月上中旬,受冻影响最大部位为幼穗,因为农田气温变化的复杂性,故设立田间监视器监测农田中不同高度温度的变化。92耕作与栽培,2 0 2 3,4 3(3):2 8-3 4,3 8.h t t p:/g z z p.g z n y z y x y.c n T i l l a g ea n dC u l t i v a t i o n V o l.4 3 N o.0 3 J u n.2 0 2
20、 3晚霜冻害发生在0 5:0 00 7:0 0时阶段。田间监视器每5m i n测定一个数据,根据当年获取的气象数据来看,晚霜冻害发生的时间在4月1日2 1日之间。本试验所有数据均采用E x c e l软件进行数据处理,S A S软件进行统计分析,E x c e l软件进行图表绘制。2 结果与分析2.1 大田不同高度的日最低温变化规律为了更真实地反映夜晚降温过程,根据低温出现的时间选择前一天的1 2:0 0时到后一天的1 2:0 0时日最低温方案,绘出不同层次日最低温变化图。从图1可看出,这一阶段共有5次升温、降温过程。降温和升温过程都有类似的变化规律。图1 4月1日4月2 1日日最低温变化2.
21、2 大田不同高度的日最低叶温的变化规律在3株冬小麦上找到4片(1 0c m、2 0c m、3 0c m、4 0c m处)长势较好的叶片,在叶片背面避开叶脉处,用专业胶水把贴片式叶温传感器粘在叶片上,每5m i n测定一次植株的叶温,再运用和空气温度相同的处理方法,得到的日最低叶温变化如图2。图2 4月1日4月2 1日日最低叶温变化 从图2可看出,不同高度的叶温之间的差别不大,只有在降温过程中不同高度的日最低叶温出现稍许差别。从4月1日2 1日这个阶段的变化规律来说,和日最低气温的变化规律是一致的,但不同高度上的叶温和气温相比,变化更小,除3个降温过程中不同高度的叶温有差别外,其他时间不同高度上
22、日最低叶温基本相同。这说明植株受外界温度的影响且本身具有一定的调节性。2.3 大田不同高度的各环境要素的关系分析2.3.1 大田不同高度的风速变化从5个降温-升温过程可看出,不同高度上的降温过程都是从温度相同降低,温度越高降得越快。不同高度上的温度呈指数分布。升温过程和降温过程正好相反,高度越高温度升得越快。到达顶点时不同高度温度一致。根据其他学者的研究可知,大田不同高度温度的变化受其他小气候因素的影响,所以在大田监视器系统中加入了冠层,0.8 5m,2m,3个层次上的风速监测,考虑到风对晚霜冻害的影响主要发生在夜间,所以截取前一天2 0:0 0时到第二天0 8:0 0时的风速平均,排除风速对
23、不同高度层之间温度变化的影响。从表3可看出,5个降温过程的最低温度出现时的风速都很小,只有4月1 3日2m处最高风速达3.5m/s,影响农田小气候的冠层风速和0.8 5m处风速都很小,所以本研究中农田不同高度的温度变化不受风速的干扰。2.3.2 土壤温度变化情况土壤温度也是一个很重要的环境因素,它影响植株的地下部分,且间接地影响了地上环境,土壤温度的变化及其程度的大小决定于热量收支各项的变化。由于土壤表层与下层土壤进行热量交换,因此下层土壤的温度也有日变化,所以在0c m、5c m、1 0c m、2 0 c m、3 0 c m、4 0c m土壤深度处安装传感器,测定土壤不同层次上的温度变化并进
24、行土壤日最低温的分析。从图3可看出,日最低土壤温度的变化规律和日最低空气温度的变化规律一致,但不同层次上的温度变化差异明显,土层深度越小则变化越明显。这是因为地表与下层土壤进行热量交换,因此下层土壤与地表温度变化相比较,土壤表面温度日较差最大,深度越深,温度日较差越小,日最低土壤温度跟日最低气温变化规律的相关性越强(即日最低气温降幅越大,日最低气温降幅越大)。地下3 0c m和4 0c m处的土壤温度变化基本不受日最低气温的影响,且这两层的土壤温度差异不大,基本维持在1 11 3之间。土壤温度即使是地表温度在空气温度最低点时土壤地表温度都在5以上,相对气温来说都要高很多。2.3.3 土壤水分变
25、化情况土壤水分和空气湿度的联系非常密切,水分的作03程婉莹 等:冬小麦晚霜冻害冠层气象因素相关关系研究 耕作与栽培 第4 3卷 第3期表3 3个不同高度上的夜间平均风速时间/(月-日)冠层风速/(m/s)0.8 5m风速/(m/s)2m风速/(m/s)0 4-0 10.5 01.5 52.6 90 4-0 20.0 30.4 30.9 40 4-0 30.0 00.0 00.0 40 4-0 40.0 10.0 70.2 80 4-0 50.0 00.0 00.0 50 4-0 60.0 10.3 30.7 40 4-0 70.0 00.3 40.9 90 4-0 80.0 00.0 10.1
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