金塔地區(qū)春小麥不同生育期熱量指數(shù)的驗證與預測

劉惠云 于永波 王勝

摘 要：該文利用1964-2014年逐月氣溫資料構建了金塔地區(qū)春小麥不同生育期的熱量指數(shù)，對不同生育期熱量指數(shù)和小麥產(chǎn)量資料進行驗證預測，通過驗證分析小麥發(fā)育期間的熱量狀況與發(fā)育情況進行檢驗對比，結果可以看出，所有生育期熱量模型與小麥的生長發(fā)育情況相關性均較高，且穩(wěn)定性較好。

關鍵詞：春小麥；熱量指數(shù)；預測模型

中圖分類號 S512.1 文獻標識碼 A 文章編號 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。春小麥是金塔縣主要的糧食作物之一，其生態(tài)過程、發(fā)育節(jié)律、品質優(yōu)劣與產(chǎn)地氣候息息相關，特別是自20世紀80年代后期以來，黑河流域氣候發(fā)生了明顯變化，對作物的生長環(huán)境產(chǎn)生了明顯擾動，小麥生產(chǎn)的不穩(wěn)定因素隨之增加。國內不少學者在氣候變化對作物生育方面影響開展了大量研究，結果表明，溫室氣體增加引起的全球氣候變暖對植物的碳氮比、光合作用、發(fā)育速度、干物質積累等均產(chǎn)生了直接和間接影響。因對水、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題，周廣勝與張新時用區(qū)域熱量指數(shù)（RTI）和區(qū)域濕潤指數(shù)（RMI）對中國氣候植被分類進行了初步的定量研究，預測了未來氣候變暖條件下中國植被的變化趨勢。為此，筆者擬通過系統(tǒng)的定位觀測試驗，研究小麥生理生態(tài)過程特點及其與氣候之間的內在相互關系，對于合理利用金塔地區(qū)氣候、土地、水資源，科學規(guī)劃小麥生產(chǎn)、促進小麥的增產(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 試驗設在金塔縣農(nóng)機中心試驗場，試驗挑選了甘春11號、甘春20號品系作為本次試驗的試驗材料。前茬種植小麥，麥收后機翻滅茬，泡足冬水，試驗地肥力中等。為保證試驗結果的準確性，小麥在整個生育期未噴灑丁酯、矮壯素等農(nóng)藥，在小麥成熟后統(tǒng)計多年單收單打計產(chǎn)。

1.2 資料來源 研究所需的資料主要有氣象資料和小麥生長及產(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)育期觀測資料、產(chǎn)量因素；時間序列也是1984-2014年；氣象災害及病蟲害調查資料主要包括災害調查日期、災害名稱、受害期、受害程度及對產(chǎn)量影響情況、災害綜合評定，時間序列是1984-2014年。

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

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

2 結果與分析

通過查閱資料結合金塔縣小麥生長發(fā)育多年觀測的對比，金塔縣小麥各個生育期生長發(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、最低和適宜溫度計算各發(fā)育期逐日熱量指數(shù)，并用各個發(fā)育期內的平均溫度計算出各個發(fā)育階段的熱量指數(shù)，之后建立4個發(fā)育階段熱量指數(shù)，其大小可以直接反映不同發(fā)育階段熱量條件對作物生長發(fā)育的影響。

表1

2.1 各個生育期熱量指數(shù)年際變化特征 圖1給出了各個生育熱量指數(shù)距平曲線，由圖1可以看出，各個生育期熱量指數(shù)基本在1984-1999年出現(xiàn)負距平，并在1997年左右各個發(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 各個生育熱量指數(shù)距平曲線

2.2 各個發(fā)育階段熱量指數(shù)與小麥產(chǎn)量的檢驗

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

小麥起著至關重要的影響。

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

2.2.2 各個生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量的突變分析 本文運用Mann-Kendall法對小麥各個生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量進行突變分析，利用Mann-Kendall法對小麥平平均產(chǎn)量進行了突變性檢測，見圖2。由圖2所給的突變檢驗結果可以看到：UB與UF曲線相交于2001年附近之后，UF線逐漸呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢直至2014年，超過了顯著性水平（u0.1=1.96），這段時期產(chǎn)量表現(xiàn)為增加；說明產(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

2.2.3 各個生育期熱量指數(shù)的小波分析 本文運用小波分析對小麥各個生育期熱量指數(shù)與多年小麥產(chǎn)量進行突變分析。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)量變化存在多時間尺度結構。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)出的變化波動較大，周期變化不明顯，因此不再進行分析。

圖3 小麥平平均產(chǎn)量小波分析

2.3 小麥各個發(fā)育階段熱量指數(shù)與產(chǎn)量的檢驗 利用1984-2004年各個生育期熱量指數(shù)與小麥產(chǎn)量進行逐步回歸分析，建立預測小麥生長季熱量指數(shù)的統(tǒng)計預測模型。在假定用30a樣本建立的相關統(tǒng)計關系穩(wěn)定的前提下，前20a資料用于模型建立和回代檢驗，后10a資料作為獨立樣本用于試報檢驗。其線性方程為：

表3 小麥產(chǎn)量實際值與預測值對比（kg/667m2）

圖4 小麥預測值與實際值

用前20a熱量指數(shù)用于模型建立的回歸方程回代檢驗，通過散點圖發(fā)現(xiàn)真實值與預測值擬合度較高，其R2=0.641（圖4）。

3 結論

通過驗證分析小麥發(fā)育期間的熱量狀況與發(fā)育情況進行檢驗對比，結果表明，金塔地區(qū)小麥熱量指數(shù)模型預測的平均相對誤差都在7%以下，說明各模型都具有較好的預測能力。其中，成熟期的相對誤差最小，平均在2%以下，預測效果最好，出苗期的平均誤差最大，也都在4.5%～7%。通過本文模型研究小麥生理生態(tài)過程特點及其與氣候之間的內在相互關系，對于合理利用金塔地區(qū)氣候、土地、水資源，科學規(guī)劃小麥生產(chǎn)、促進小麥增產(chǎn)、合理規(guī)劃使用土地方面都具有積極意義。

參考文獻

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