耿金劍，周廣勝*，宋艷玲，任三學，趙花榮，周懷林，宋興陽，田曉麗
1.中國氣象科學研究院，北京 100081
2.河北固城農業(yè)氣象國家野外科學觀測研究站，河北保定 072656
玉米是我國第一大糧食作物，其高產穩(wěn)產對于保障國家糧食安全具有重要意義[1]。在全球氣候變化背景下，氣候資源的改變對玉米生長發(fā)育和高產穩(wěn)產產生了顯著影響[2]。播期主要通過影響有效積溫調節(jié)玉米生長發(fā)育，播期推遲會導致玉米全生育期縮短[3]。光合有效輻射和氣溫是影響葉片凈光合速率的主要氣象因素，適宜播期可促進光合速率，利于干物質形成積累[4]。播期通過溫度條件影響玉米干物質累積和轉運，適宜早播可以提高有效積溫生產效率，維持更長干物質累積時間，播期推遲，籽粒灌漿期累積干物質降低，造成減產[5-6]。綜上，不同播期通過調節(jié)玉米生育期內的光溫水等氣候資源配置影響玉米生長發(fā)育過程，最終影響產量形成，連續(xù)性田間分期播種試驗是研究玉米生產和發(fā)展適應氣候變化、保證高產穩(wěn)產的關鍵手段[7-8]。
多年連續(xù)、不同播期玉米全生育期的生理生態(tài)觀測數據是多種方法評估玉米長勢監(jiān)測和適應氣候變化影響程度的重要參數，可以為研究玉米生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化研究提供數據支撐[9-10]。目前，關于玉米適應氣候變化的數據集多為單一播期年際變化的生育期、生物量、葉面積和土壤水分數據集產品，尚無連續(xù)多年基于同一品種玉米分期播種試驗形成的包含生育期、生物量、葉面積指數、灌漿速率、產量、土壤水分、光合生理、光譜反射率等在內的綜合性玉米農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化數據集產品。
河北固城農業(yè)氣象國家野外科學觀測研究站（簡稱固城站）圍繞農業(yè)—氣象—生態(tài)相互作用，以華北平原農田生態(tài)系統(tǒng)為核心研究對象，是唯一以農業(yè)氣象為特色的國家級農田生態(tài)系統(tǒng)長期試驗與觀測平臺。本數據集整合了固城站2018–2021 年四個播期（常規(guī)播期提前10 天（播期A，6 月8 日）、常規(guī)播期（播期B，6 月18 日）、常規(guī)播期推遲10 天（播期C，6 月28 日）、常規(guī)播期推遲20 天（播期D，7 月8 日））夏玉米不同生育期的生物量、葉面積指數、光合生理、光譜特征、土壤水分、灌漿速率、產量構成的年際、年內變化數據，以期為研究玉米生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化研究的農業(yè)氣象業(yè)務服務指標的修訂、農業(yè)氣象模擬模型的改進及區(qū)域應用、農業(yè)氣象適用技術的開發(fā)提供科學依據。
1.1 采樣點介紹
固城站位于華北平原北部灌溉高產農業(yè)區(qū)的河北省定興縣固城鎮(zhèn)東(39° 08" N, 115° 48" E)，海拔15.2 m，自有土地9.5 hm2，是集野外監(jiān)測、研究、試驗、示范、教學和科普于一體的綜合支撐平臺。固城站所在地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，氣候溫暖，水熱同季，多年平均氣溫12.2 ℃，多年平均年降水量528 mm，降水主要集中于6–9 月份，多年平均日照時數2264 小時，近年地下水位約15 m。固城站土地類型為沙壤土，0–30 cm 土層平均有機碳含量為9.46 g·kg-1，全氮含量為0.96 g·kg-1，全磷含量為1.04 g·kg-1，全鉀含量為17.28 g·kg-1，0–200 cm 土層平均土壤容重為1.37g·cm-3，田間持水量為22.7%，玉米平均產量在650 kg/畝。
采樣地布設在固城站分期播種試驗場內，是固城站長期定位觀測樣地，試驗場地平整，四周設有2 m 保護帶且為相同土地利用類型的農田，試驗場內常規(guī)施肥，采用噴灌方式灌溉，滿足旱澇災害的防御和農業(yè)病蟲害防治要求，固城站分期播種試驗場如圖1 所示。
圖1 固城站分期播種試驗場Figure 1 Staging seeding test site of Gucheng Station
1.2 樣地設計
樣地總面積780 m2(30 m×26 m)，共設置16 個小區(qū)，每個小區(qū)面積30 m2(6 m×5 m)，保護行設在樣地周邊，寬度2 m，樣地邊設有試驗標牌。玉米品種是廉玉1 號，種植密度4000 株/畝，行距50 cm，株距35 cm。每個小區(qū)施底肥量2.5 kg，復合肥品牌為綠得利（N-P2O5-K2O，26-14-5，總養(yǎng)分≥45%），播種時肥料一次性施入。病蟲害防治采用農藥防治。A、B、C、D 四個播期試驗的所有觀測均在小區(qū)A1–A3、B1–B3、C1–C3、D1–D3 中進行，A4、B4、C4、D4 四個小區(qū)用于產量要素測定，不進行任何觀測，分期播種試驗場不同播期樣地分布如圖2 所示。
圖2 分期播種試驗場不同播期樣地分布圖Figure 2 Plot distribution of different sowing dates in staging seeding test sites
1.3 數據采集方法
1.3.1 發(fā)育期觀測
按不同播期順序觀測玉米播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、抽穗、開花、吐絲、乳熟、成熟各發(fā)育期的普遍期。觀測標準按《農業(yè)氣象觀測規(guī)范 玉米》[11]進行。
1.3.2 生長狀況及干物重測定
（1）株高：在不同播期玉米七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟4 個發(fā)育普遍期測定。拔節(jié)期及其以前，從土壤表面量至植株葉子伸直后的最高葉尖；
拔節(jié)期以后，量至最上部一片展開葉的基部葉枕，抽穗后量至穗頂。每個小區(qū)順序測定5 株（莖），求平均后記錄株高。記錄單位（cm），取小數1 位。
（2）地上部分干重：在不同播期玉米三葉、七葉、拔節(jié)、抽穗、乳熟、成熟普遍期測定。每個小區(qū)順序取3 株，將莖稈、葉鞘、葉、穗分開，烘干后稱取干重，并求取平均值。記錄單位（g/株），取小數2 位。
（3）葉面積指數：在不同播期玉米三葉、七葉、拔節(jié)、抽穗、乳熟、成熟普遍期測定。在葉片鮮重稱量完成后，測定所取植株的綠葉的葉面積，并求取平均值。記錄單位（cm2/株），取小數2 位，換算成葉面積指數。
（4）密度：在不同播期玉米七葉和乳熟期測定。按照《農業(yè)氣象觀測規(guī)范 玉米》要求，分別計算出1 米內行數和1 米株數，換算成每平方米株數。記錄單位（株/m2），取整數。
1.3.3 光合生理參數測定
在不同播期玉米七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟階段各選擇一個晴朗天氣測定。隨機選擇長勢良好的植株，測定時間從日出前1 小時左右開始，至日落后1 小時左右結束，每2 小時測定1 次。選擇長勢健康的葉片，抽穗前選擇從上至下第1 片完全展開葉，抽雄后選擇穗位葉測定。每次測定3 個重復值（3 片葉）。測定儀器采用Li-6400 系列產品（采用自然光）。
1.3.4 光譜特征測定
在不同播期玉米三葉、七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟、成熟階段各選擇一個晴朗天氣測定。測定作物冠層光譜，測定內容為不同波段的反射率，波段范圍為350–2000 nm，測量時間是10:30–14:00，每次測定3 個重復，每次重復測3 個樣點觀各觀測10 次，取平均值作為該重復的冠層光譜反射率，測定儀器采用地物光譜儀（FieldSpec3），觀測值剔除3 個水汽吸收帶（1350～1400 nm、1800～1950 nm、2430～2500 nm）的光譜反射率大于1 的異常值。
1.3.5 土壤濕度測定
從不同播期玉米播種至成熟期間的每旬逢3 和8 號、播種期和成熟期當天測定。測定深度為0.5 m，分5 層。測點選擇小區(qū)中央（每個小區(qū)每次取1 個樣本，分期播種試驗第4 列）。土壤濕度測定統(tǒng)一采用烘干法。
1.3.6 灌漿速率測定
在不同播期玉米開花始期，每輪處理（不分小區(qū)）選擇同日開花、大小一致的30 株掛牌，并注明日期。開花后第10 天起每5 天取樣1 次，直至成熟。每個處理觀測獲取7 次灌漿速率數據，如在玉米達到成熟期后未獲得7 次灌漿速率數據，則繼續(xù)觀測。每次取2 個果穗，取下籽粒，數出總粒數，放入鋁盒稱鮮重，烘干后稱干重。求取每穗籽粒干重。記錄單位（g/穗），取小數3 位。
1.3.7 產量結構測定
在玉米成熟期測定。測定項目包括莖粗、果穗粗、果穗長、雙穗率、株籽粒數、百粒重、莖稈重、籽粒與莖稈比。在每個小區(qū)連續(xù)取5 株，脫粒數出總粒數并求取株籽粒數，晾曬風干后稱取百粒重，方法參照《農業(yè)氣象觀測規(guī)范 玉米》。
1.4 數據觀測的幾點說明
（1）2021 年玉米試驗光譜觀測因為儀器故障原因導致播期A 和播期處理B 觀測至開花期，播期C 觀測至抽雄期，播期D 觀測至拔節(jié)期。
（2）因作物光合作用觀測受天氣狀況影響大，2019 年玉米播期B 七葉期和2020 年播期A 七葉期未能觀測，其他生育期光合作用觀測受天氣狀況影響較大時第二天進行補測，保證數據準確可靠。
本數據集為2018–2021 年華北北部不同播期對玉米生長發(fā)育的影響數據集，作物為夏玉米。數據集主要內容及各字段含義見表1。
表1 2018–2021 年華北北部玉米農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化試驗數據表字段含義Table 1 Field meaning of the experimental data table of maize agroecosystem adaptation to climate change in the northern part of North China from 2018 to 2021
本數據集的質量控制貫穿試驗過程的各個環(huán)節(jié)，嚴格按照《農業(yè)氣象觀測規(guī)范 玉米》進行，觀測數據從場地布局、田間采樣、野外數據觀測、實驗室分析、數據記錄、數據復核等步驟都由臺站專業(yè)技術人員進行質量控制和檢驗。
數據生產過程中的質量控制措施有：
（1）數據觀測獲取
固城站2018–2021 年試驗觀測人員均為熟練掌握觀測項目的一線專業(yè)技術人員，且四年連續(xù)未更換人員。不同播期玉米處理的生長狀況、干物質測定、光合生理參數和光譜特征是按照每個播期處理達到相應生育期后分開觀測，數據代表不同播期處理玉米在氣象條件影響下的各生育期真實數據。樣本采樣時嚴格按照觀測規(guī)范選擇長勢均勻具有代表性的植株，避免因發(fā)生病蟲害導致的植株個體差異導致的數據誤差。數據觀測后利用統(tǒng)計方法及時進行復核，對異常數據進行剔除補測，保證數據準確可靠。
（2）數據記錄存檔
數據觀測后及時準確記錄調查時間、調查人員、調查樣地、天氣狀況等試驗調查信息。觀測原始數據記錄有專門記錄本，要求做到數據真實、記錄規(guī)范、書寫清晰，原始數據記錄如有更改需備注原因，原始數據記錄后及時轉化成電子文檔儲存。
試驗過程中實時準確記錄試驗樣地的栽培措施（播種日期、播種量、深度等）、田間管理記錄（施肥情況、灌溉情況、病蟲害防治情況等）、天氣狀況記錄（災害性天氣發(fā)生的時間、種類、持續(xù)時間、構成災害的主要氣象要素等）等輔助數據信息。
（3）數據質量審核
觀測數據經過一線觀測技術人員、數據分析人員、臺站負責人等多個環(huán)節(jié)審核，觀測數據記錄后提交數據分析人員及時與歷史觀測數據進行比較，評價觀測數據的準確性、年際可比性和連續(xù)性，發(fā)現可疑異常數據及時補救，最后交由固城站站長進行數據審核儲存。
河北固城農業(yè)氣象國家野外科學觀測研究站是唯一以農業(yè)氣象為特色的國家野外科學觀測研究站，本文提供的華北北部玉米生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化試驗數據集可為玉米生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化研究的相關農業(yè)氣象業(yè)務服務指標的修訂、農業(yè)氣象模擬模型的改進及區(qū)域應用、農業(yè)氣象適用于技術的開發(fā)提供數據支撐。
數據集現儲存在科學數據銀行（https://www.scidb.cn/），因項目研究成果需要，數據共享設置保護期，保護期至論文正式出版。保護期內，訪客僅能訪問數據的元數據，而無法下載獲取數據文件。保護期后，數據自動轉為開放獲取狀態(tài)，所有訪客均可訪問其元數據和下載數據文件。讀者如需要進一步了解其他作物方面的觀測數據，可與本文的通信作者聯(lián)系。
致 謝
感謝河北固城農業(yè)氣象國家野外觀測研究站觀測人員在試驗管理觀測中付出的辛勤和努力。
數據作者分工職責
耿金劍（1990—），男，河北保定人，碩士，助理研究員，研究方向是氣候變化和氣候資源高效利用。主要承擔工作：數據采集、數據整理和論文撰寫。
周廣勝（1965—），男，江蘇高淳人，博士，研究員，研究方向是生態(tài)氣象和農業(yè)氣象等。主要承擔工作：實驗設計、數據質量控制。
宋艷玲（1974—），女，河北秦皇島人，博士，正研級高級工程師，研究方向是農業(yè)氣象等。主要承擔工作：實驗設計、數據質量控制。
任三學（1965—），男，甘肅隴南人，本科，高級工程師，研究方向是農業(yè)氣象等。主要承擔工作：數據采集、數據分析。
趙花榮（1968—），女，甘肅隴南人，本科，高級工程師，研究方向是農業(yè)氣象等。主要承擔工作：數據采集、數據整理。
周懷林（1990—），男，江西吉安人，博士后，研究方向是農業(yè)應對氣候變化。主要承擔工作：數據采集。
宋興陽（1991—），男，甘肅臨澤人，博士，助理研究員，研究方向是生態(tài)氣象等。主要承擔工作：數據采集。
田曉麗（1986—），女，河北石家莊人，本科，助理工程師，研究方向是試驗觀測。主要承擔工作：數據采集。
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