金塔地區(qū)春小麥不同生育期熱量指數(shù)的驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

劉惠云 于永波 王勝

摘 要：該文利用1964-2014年逐月氣溫資料構(gòu)建了金塔地區(qū)春小麥不同生育期的熱量指數(shù)，對(duì)不同生育期熱量指數(shù)和小麥產(chǎn)量資料進(jìn)行驗(yàn)證預(yù)測(cè)，通過(guò)驗(yàn)證分析小麥發(fā)育期間的熱量狀況與發(fā)育情況進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果可以看出，所有生育期熱量模型與小麥的生長(zhǎng)發(fā)育情況相關(guān)性均較高，且穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞：春小麥；熱量指數(shù)；預(yù)測(cè)模型

中圖分類(lèi)號(hào) S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）14-37-03

金塔地區(qū)氣候具有升溫快，熱效率高，光資源豐富，日較差大，降水少，空氣干燥等特點(diǎn)。春小麥?zhǔn)墙鹚h主要的糧食作物之一，其生態(tài)過(guò)程、發(fā)育節(jié)律、品質(zhì)優(yōu)劣與產(chǎn)地氣候息息相關(guān)，特別是自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，黑河流域氣候發(fā)生了明顯變化，對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生了明顯擾動(dòng)，小麥生產(chǎn)的不穩(wěn)定因素隨之增加。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者在氣候變化對(duì)作物生育方面影響開(kāi)展了大量研究，結(jié)果表明，溫室氣體增加引起的全球氣候變暖對(duì)植物的碳氮比、光合作用、發(fā)育速度、干物質(zhì)積累等均產(chǎn)生了直接和間接影響。因?qū)λ?、土地、氣候等資源的不合理利用，引發(fā)綠洲萎縮、土地沙漠化等一系列問(wèn)題，周廣勝與張新時(shí)用區(qū)域熱量指數(shù)（RTI）和區(qū)域濕潤(rùn)指數(shù)（RMI）對(duì)中國(guó)氣候植被分類(lèi)進(jìn)行了初步的定量研究，預(yù)測(cè)了未來(lái)氣候變暖條件下中國(guó)植被的變化趨勢(shì)。為此，筆者擬通過(guò)系統(tǒng)的定位觀測(cè)試驗(yàn)，研究小麥生理生態(tài)過(guò)程特點(diǎn)及其與氣候之間的內(nèi)在相互關(guān)系，對(duì)于合理利用金塔地區(qū)氣候、土地、水資源，科學(xué)規(guī)劃小麥生產(chǎn)、促進(jìn)小麥的增產(chǎn)、規(guī)劃使用土地方面具有積極意義。

1 資料與研究方法

1.1 供試材料 試驗(yàn)設(shè)在金塔縣農(nóng)機(jī)中心試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)挑選了甘春11號(hào)、甘春20號(hào)品系作為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)材料。前茬種植小麥，麥?zhǔn)蘸髾C(jī)翻滅茬，泡足冬水，試驗(yàn)地肥力中等。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，小麥在整個(gè)生育期未噴灑丁酯、矮壯素等農(nóng)藥，在小麥成熟后統(tǒng)計(jì)多年單收單打計(jì)產(chǎn)。

1.2 資料來(lái)源 研究所需的資料主要有氣象資料和小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量資料。氣象資料主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均溫度，時(shí)間序列為1984-2014年；作物資料主要包括小麥品種及熟性、發(fā)育期觀測(cè)資料、產(chǎn)量因素；時(shí)間序列也是1984-2014年；氣象災(zāi)害及病蟲(chóng)害調(diào)查資料主要包括災(zāi)害調(diào)查日期、災(zāi)害名稱(chēng)、受害期、受害程度及對(duì)產(chǎn)量影響情況、災(zāi)害綜合評(píng)定，時(shí)間序列是1984-2014年。

1.3 研究方法 主要采用了線(xiàn)性氣候傾向估計(jì)法[1-2]、小波分析法和Mann-Kendall法進(jìn)行突變檢測(cè)[3-4]。為了得到一個(gè)能避免其它非熱量因素的干擾，真正反映地區(qū)熱量條件對(duì)作物影響的指標(biāo)，就必須充分結(jié)合作物的生長(zhǎng)發(fā)育特性，提出有明確生物學(xué)意義的新模型[5]。為此，通過(guò)查閱相關(guān)資料對(duì)計(jì)算小麥生產(chǎn)潛力公式中的熱量訂正系數(shù)公式進(jìn)行改進(jìn)后，獲得了如下計(jì)算小麥熱量指數(shù)的公式：

式中：T為各個(gè)生育期的逐月平均氣溫；T1、T2、T0分別為該時(shí)段內(nèi)小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需的下限溫度、上限溫度和適宜溫度。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)查閱資料結(jié)合金塔縣小麥生長(zhǎng)發(fā)育多年觀測(cè)的對(duì)比，金塔縣小麥各個(gè)生育期生長(zhǎng)發(fā)育所需的下限溫度、上限溫度和適宜溫度如表1。根據(jù)各發(fā)育期的最高、最低和適宜溫度計(jì)算各發(fā)育期逐日熱量指數(shù)，并用各個(gè)發(fā)育期內(nèi)的平均溫度計(jì)算出各個(gè)發(fā)育階段的熱量指數(shù)，之后建立4個(gè)發(fā)育階段熱量指數(shù)，其大小可以直接反映不同發(fā)育階段熱量條件對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

表1

2.1 各個(gè)生育期熱量指數(shù)年際變化特征 圖1給出了各個(gè)生育熱量指數(shù)距平曲線(xiàn)，由圖1可以看出，各個(gè)生育期熱量指數(shù)基本在1984-1999年出現(xiàn)負(fù)距平，并在1997年左右各個(gè)發(fā)育期熱量指數(shù)明顯低于多年平均值，而2000年以后大都以正距平為主，在緩慢上升。

圖1 各個(gè)生育熱量指數(shù)距平曲線(xiàn)

2.2 各個(gè)發(fā)育階段熱量指數(shù)與小麥產(chǎn)量的檢驗(yàn)

2.2.1 各個(gè)生育期熱量指數(shù)與小麥產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù) 冬季積溫與小麥各生育期始期相關(guān)分析結(jié)果如表2。由表2可知，金塔春小麥熱量指數(shù)其多年產(chǎn)量對(duì)比為正相關(guān)，都通過(guò)了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中分葉-拔節(jié)期熱量指數(shù)相關(guān)性最高為0.812，說(shuō)明拔節(jié)-抽穗期熱量的積累對(duì)春

小麥起著至關(guān)重要的影響。

表2 各個(gè)生育期熱量指數(shù)與小麥多年產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)

2.2.2 各個(gè)生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量的突變分析 本文運(yùn)用Mann-Kendall法對(duì)小麥各個(gè)生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量進(jìn)行突變分析，利用Mann-Kendall法對(duì)小麥平平均產(chǎn)量進(jìn)行了突變性檢測(cè)，見(jiàn)圖2。由圖2所給的突變檢驗(yàn)結(jié)果可以看到：UB與UF曲線(xiàn)相交于2001年附近之后，UF線(xiàn)逐漸呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)直至2014年，超過(guò)了顯著性水平（u0.1=1.96），這段時(shí)期產(chǎn)量表現(xiàn)為增加；說(shuō)明產(chǎn)量在2001年之后出現(xiàn)了顯著的突變。

圖2 小麥平平均產(chǎn)量M-K突變曲線(xiàn)

2.2.3 各個(gè)生育期熱量指數(shù)的小波分析 本文運(yùn)用小波分析對(duì)小麥各個(gè)生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量進(jìn)行突變分析。圖3顯示了小麥平均產(chǎn)量Morlet小波變換特征。由圖3可以看出，產(chǎn)量變化存在多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)。特別是在大尺度8～16a周期震蕩非常明顯，在此尺度上產(chǎn)量經(jīng)歷了“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多”6個(gè)循環(huán)交替，1990年以前、1997-1999年、2004-2010年產(chǎn)量較少，1991-1996年、2000-2003年、2014年產(chǎn)量較多。4a以下的尺度，產(chǎn)量呈現(xiàn)出的變化波動(dòng)較大，周期變化不明顯，因此不再進(jìn)行分析。

圖3 小麥平平均產(chǎn)量小波分析

2.3 小麥各個(gè)發(fā)育階段熱量指數(shù)與產(chǎn)量的檢驗(yàn) 利用1984-2004年各個(gè)生育期熱量指數(shù)與小麥產(chǎn)量進(jìn)行逐步回歸分析，建立預(yù)測(cè)小麥生長(zhǎng)季熱量指數(shù)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。在假定用30a樣本建立的相關(guān)統(tǒng)計(jì)關(guān)系穩(wěn)定的前提下，前20a資料用于模型建立和回代檢驗(yàn)，后10a資料作為獨(dú)立樣本用于試報(bào)檢驗(yàn)。其線(xiàn)性方程為：

表3 小麥產(chǎn)量實(shí)際值與預(yù)測(cè)值對(duì)比（kg/667m2）

圖4 小麥預(yù)測(cè)值與實(shí)際值

用前20a熱量指數(shù)用于模型建立的回歸方程回代檢驗(yàn)，通過(guò)散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)真實(shí)值與預(yù)測(cè)值擬合度較高，其R2=0.641（圖4）。

3 結(jié)論

通過(guò)驗(yàn)證分析小麥發(fā)育期間的熱量狀況與發(fā)育情況進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，金塔地區(qū)小麥熱量指數(shù)模型預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差都在7%以下，說(shuō)明各模型都具有較好的預(yù)測(cè)能力。其中，成熟期的相對(duì)誤差最小，平均在2%以下，預(yù)測(cè)效果最好，出苗期的平均誤差最大，也都在4.5%～7%。通過(guò)本文模型研究小麥生理生態(tài)過(guò)程特點(diǎn)及其與氣候之間的內(nèi)在相互關(guān)系，對(duì)于合理利用金塔地區(qū)氣候、土地、水資源，科學(xué)規(guī)劃小麥生產(chǎn)、促進(jìn)小麥增產(chǎn)、合理規(guī)劃使用土地方面都具有積極意義。

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