氣候暖干化對半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量形成的影響

張秀云，王鶴齡，雷俊

1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所//甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室//中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020；2. 甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000

氣候暖干化對半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量形成的影響

張秀云1,2，王鶴齡1，雷俊2

1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所//甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室//中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020；2. 甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000

利用1986─2013年典型黃土高原半干旱區(qū)春小麥（Triticum aestivum Linn.）試驗資料，結(jié)合試驗區(qū)氣象站1958─2013年氣候要素觀測數(shù)據(jù)，研究氣候變化對春小麥產(chǎn)量形成的影響，為應對氣候變化提供科學依據(jù)。結(jié)果表明：1958─2013年試驗區(qū)降水量呈下降趨勢，氣候傾向率為-10.966 mm/10 a；降水量年際波動大，變異系數(shù)為20.3%。春小麥主要生長發(fā)育時段的3─6月降水量也呈減少趨勢，3─6月降水量變異系數(shù)為33.2%。試驗區(qū)氣溫呈極顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.378 ℃/10a。春小麥生長季干燥指數(shù)也呈上升趨勢。20世紀90年代后暖干化特征明顯。試驗區(qū)春小麥產(chǎn)量與5月下旬─6月上旬氣溫呈極顯著負相關（r=-0.492，P<0.01），氣溫偏高，小花分化速度加快，有效小花減少，無效小花增加，結(jié)實率降低，導致春小麥產(chǎn)量下降。試驗區(qū)春小麥產(chǎn)量與其生長季降水呈顯著正相關（r=0.306，P<0.05），說明黃土高原半干旱區(qū)小麥全生育期降水不足是影響春小麥產(chǎn)量的主要氣候因素。而春小麥產(chǎn)量形成對5月中旬─5月下旬降水量的變化尤為敏感，此時段是小花開始分化到花粉母細胞四分體形成時的水分臨界期，是春小麥需水關鍵期，降水量減少，部分花粉和胚珠不育，結(jié)實率顯著下降，產(chǎn)量降低。結(jié)論：降水量是影響春小麥產(chǎn)量形成的關鍵氣候因子；而氣溫增高是春小麥產(chǎn)量形成的主要限制因子。黃土高原半干旱區(qū)氣候暖干化背景下，春小麥產(chǎn)量呈下降趨勢；氣候因素對春小麥發(fā)育和產(chǎn)量的負效應增大，產(chǎn)量的不確定性增加。

半干旱區(qū)；氣候暖干旱；春小麥；產(chǎn)量

IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第五次評估報告指出，全球氣候系統(tǒng)變暖的事實是毋庸置疑的。全球地表溫度（陸地和海洋的地表溫度數(shù)據(jù)）持續(xù)上升，1880─2012年全球平均地表溫度升高了0.85 ℃（0.65～1.06 ℃）。1951─2012年，全球地表溫度的升高速率為 0.12 ℃/10a（0.08～0.14 ℃/10a），幾乎是1880年以來升溫速率的2倍。全球過去30年，每10年地表溫度的升高速率均是1850年以來最快的。在北半球，1983─2012年可能是最近1400年來氣溫最高的30年。21世紀末全球平均地表溫度在 1986—2005年的基礎上將升高0.35～4.8 ℃（IPCC，2013，2012）。位于北半球的中高緯度區(qū)域，若地表氣溫上升1～3 ℃，預計糧食作物產(chǎn)量呈略增趨勢；如果增溫高于此閾值，該區(qū)域糧食作物產(chǎn)量則會降低（Lobell和Asner，2003；張存杰等，2014）。1961年以來中國區(qū)域性氣象干旱事件頻次趨多（黃小燕等，2014）。1949─2013年中國干旱造成的農(nóng)業(yè)受災面積呈增加趨勢（王勁松等，2012）。

中國北方春小麥（Triticum aestivum Linn.）生長季內(nèi)氣溫普遍增加，春小麥生育期間和灌漿期的平均氣溫顯著升高，有效積溫顯著增加，導致生育期顯著縮短（俄有浩等，2013）。在氣候變暖的背景下，春小麥發(fā)育期發(fā)生變化，其乳熟到成熟期間隔日數(shù)遞減率為-2～-3 d/10a、全生育期間隔日數(shù)遞減率為-4～-5 d/10a（姚玉璧等，2011）。播種期普遍推遲，其原因除氣溫升高的因素外，土壤濕度降低是播種期推遲的主要原因之一（董智強等，2012）。氣候變暖使高寒陰濕雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥生育期縮短、產(chǎn)量有所提高；溫度升高在春小麥各發(fā)育階段過程中的效應不盡相同，產(chǎn)量形成及產(chǎn)量構(gòu)成要素對各生育階段變暖的響應也存在差異。研究表明，春小麥開花-乳熟期的氣溫與產(chǎn)量呈顯著的相關性（趙鴻等，2008）。隨著播期的推遲，春小麥播種至抽穗期的天數(shù)也明顯減少，全生育期縮短；千粒質(zhì)量和籽粒最大灌漿速度均呈先升高后降低的趨勢（張凱等，2012）。

西北黃土高原半干旱區(qū)地處東亞季風邊緣區(qū)，是中國東西水分梯度帶和南北熱量梯度帶的交叉區(qū)，屬于氣候變化的敏感地帶，農(nóng)業(yè)、生態(tài)和自然環(huán)境十分脆弱（張強等，2008）。農(nóng)業(yè)對氣候變化的響應十分敏感，氣候暖干化對不同作物、不同生育時段的影響不盡相同（蒲金涌等，2006；姚玉璧等，2010；鄧振鏞等，2008）。半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量對氣候變暖、氣溫升高的響應特征，以及如何適應與應對這種變化，是該區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究的重要問題之一。

1 試驗區(qū)域與方法

1.1 試驗區(qū)域

試驗設在甘肅省中部半干旱氣候區(qū)的定西市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗站。試驗地海拔高度 1896.7 m。氣候平均值取1981─2010年這30年統(tǒng)計平均值，試驗區(qū)歷年平均氣溫7.2 ℃，其中1年中最熱月為7月（平均氣溫19.3 ℃），1年中最冷月為1月（平均氣溫-6.9 ℃）。全年降水量為377.5 mm；降水主要集中于每年夏季（6─8月），夏季降水量為205.7 mm，占年降水量的54.5%；春、秋季降水量接近，分別為83.7、79.1 mm；冬季最少，為9.0 mm；雨熱同季。年平均日照時數(shù) 2437.7 h；平均無霜期天數(shù)為140 d，最長無霜期天數(shù)183 d，最短無霜期天數(shù)99 d。

1.2 試驗取樣

1986─2013年的28年間，在春小麥生育階段對發(fā)育狀況及產(chǎn)量構(gòu)成要素進行連續(xù)定位觀測。試驗取樣地段為旱作耕地，未灌溉，品系和作物栽培管理與大田相同。每次取樣為4個重復。主要取樣測定的項目包括作物發(fā)育階段、植株高度、密度和葉面積指數(shù)，生長量包括葉片、莖、株和穗的生物量鮮質(zhì)量、干質(zhì)量，產(chǎn)量構(gòu)成要素等。

氣候變化背景分析及氣候因素對比分析數(shù)據(jù)來源于定西市安定區(qū)氣象站，要素年代為建站以來（1958─2013年）地面氣象觀測資料。

1.3 統(tǒng)計分析

氣候要素的趨勢傾向率估計（魏鳳英，2007）：

式中：Xi為氣候要素變量，用ti表示Xi所對應的時間；a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)；n為樣本量。b的10年變化稱為氣候傾向率。

小波分析也稱多分辨分析，它的主要功能是表達時間函數(shù)在時間—頻率域中的局部化特征，是一種時、頻多分辨率研究分析工具。小波基（母波）有許多類，文中選用限邊界Morlet小波能量譜表達（吳洪寶和吳蕾，2005）。

產(chǎn)量與旬氣象要素積分回歸模式（馮定原，1988）為：

式中：Yi為產(chǎn)量；c為積分回歸常數(shù)；x(t)為氣候要素；a(t)為氣候變化對產(chǎn)量的影響函數(shù)或稱偏回歸系數(shù)，其大小可反映氣候變量對作物產(chǎn)量影響的效應。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候背景分析

2.1.1 降水量

1958─2013年試驗區(qū)逐年降水量為波動減少特征（圖 1(a)），歷年降水量遞減氣候傾向率為-10.966 mm/10a（P<0.10）。最大年降水量為720.1 mm（出現(xiàn)于1967年）；最小年降水量為245.7 mm（出現(xiàn)于1982年）。逐年降水量距平百分率的變幅為-34.8%～91.0%。就年代際而言，20世紀60年代偏多且最多，降水量距平百分率為18.7%（表1）；90年代初至21世紀初持續(xù)偏少。降水量年代際振蕩在 20世紀 60年代最大，降水量變異系數(shù)為28.3%；70年代次之，降水量變異系數(shù)為21.3%。

圖1 試驗區(qū)域降水量歷年曲線及小波分析Fig. 1 The annual precipitation change and wavelet analyses in the experiment area(1958─2013)

表1 試驗區(qū)各年代際降水量距平百分率及氣溫距平Table 1 Every decadal anomaly percent of precipitation and temperature departure in the experiment area

冬季（12月至翌年1─2月）降水量歷年趨勢變化呈略增加特征，遞增速率為 0.349 mm/10a（P>0.10），其氣候傾向率未通過信度檢驗；冬季降水量變異系數(shù)最大，為54.4%。春季（3─5月）降水量歷年趨勢變化呈減少特征，遞減率為-2.742 mm/10a（P>0.10），其氣候傾向率也未通過信度檢驗；春季降水量變異系數(shù)次之，為44.8%。夏季（6─8月）降水量年際變化也呈略減少趨勢，線性擬合氣候傾向率為-2.01 mm/10a（P>0.10），同樣未通過信度性檢驗；夏季降水量變異系數(shù)較小，為25.9%。秋季（9─11月）降水量趨勢變化呈減少特征，遞減率為-6.644 mm/10a（P<0.05）；秋季降水量變異系數(shù)為40.8%。由此可見，研究區(qū)年降水量的減少主要發(fā)生在秋季。春小麥主要生長發(fā)育階段（3─6月）降水量亦呈減少特征，遞減率為-10.506 mm/10 a（P>0.10），其氣候傾向率未通過信度檢驗；3─6月降水量變異系數(shù)為33.2%。

試驗區(qū)歷年降水量存在顯著的3 a和6～7 a的周期振蕩（圖1(b)），3 a周期于1963─1973年的時域內(nèi)信度檢驗顯著且振蕩較強，于 1967─1968年為中心的時域內(nèi)振蕩最強。6～7 a的周期振蕩于1973─1988年周期顯著且振蕩較強，在1978─1979年中心的時域內(nèi)振蕩最強。

2.1.2 氣溫

1958─2013年試驗區(qū)歷年氣溫顯著上升（圖2a），氣溫遞增率為 0.378 ℃/10a（P<0.01）。氣溫變化曲線的Cubic擬合函數(shù)呈先降后升型特征，20世紀70年代之后氣溫明顯上升。

圖2 試驗區(qū)氣溫距平及干燥指數(shù)年際變化曲線Fig. 2 Interannual change curve of temperature departure and aridity index in the experiment area

氣溫距平在20世紀60年代、70年代和80年代為負距平，其值分別是-0.5、-0.4和-0.2 ℃。90年代后為正距平，其中90年代為0.5 ℃、2000─2010年和2010─2013年均為1.3 ℃。

各季節(jié)氣溫均呈顯著增溫特征，冬季增溫率最大，為0.492 ℃/10a（P<0.01）；秋季增溫率次之，為0.373 ℃/10a（P<0.01）；夏季增溫率為0.345 ℃/10a（P<0.01）；春氣溫線性擬合氣候傾向率最小為0.311 ℃/10a（P<0.01）；春小麥主要生長發(fā)育階段（3─6月）氣溫性擬合氣候傾向率為0.378 ℃/10a（P<0.01，表2）。

表2 試驗區(qū)各季節(jié)降水量、氣溫氣候傾向率Table 2 The Climate ration of trend precipitation and temperature in seasons in the experiment area

2.1.3 干燥指數(shù)變化

1958─2013年試驗區(qū)歷年作物生長季干燥指數(shù)呈上升趨勢（圖 2(b)），干燥指數(shù)遞增率為0.170/10a（P<0.10）。

20世紀60年代試驗區(qū)春小麥生育期干燥指數(shù)有所下降；20世紀60年代和80年代干燥指數(shù)相對偏低；20世紀90年代后干燥指數(shù)增加，試驗區(qū)域暖干化特征明顯。

2.2 春小麥產(chǎn)量形成與氣候變化的關系

2.2.1 春小麥產(chǎn)量與氣候變化的關系

春小麥產(chǎn)量年際變化曲線呈波動下降趨勢（圖3），氣候傾向率為-9.086 g/(m2·(10a)-1)，但P>0.10，未通過顯著性檢驗。

圖3 試驗地春小麥產(chǎn)量年際變化Fig. 3 The annual spring wheat yields in the experiment area

試驗區(qū)春小麥產(chǎn)量與5月下旬─6月上旬氣溫呈極顯著負相關（r=-0.492，P<0.01，表 3）。該時段春小麥處于拔節(jié)末期到孕穗期，是營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化的關鍵階段，正值小花分化期到四分體形成發(fā)育。小麥每穗一般分化140～150 朵小花，但小花結(jié)實率通常不到20%，提高健全小花數(shù)可提高結(jié)實率。如果氣溫在適宜的范圍內(nèi)偏低有利于延長小花分化的時間，提高健全小花分化率；但氣溫若偏高，則小花分化速度加快，有效小花減少，無效小花增加，結(jié)實率降低，影響產(chǎn)量形成?？梢?，黃土高原半干旱區(qū)5月下旬─6月上旬是氣溫影響春小麥生長發(fā)育的關鍵期，氣候變暖及氣溫偏高，將導致春小麥產(chǎn)量下降。

表3 春小麥產(chǎn)量與氣候因子的相關分析Table 3 Correlation analysis of spring wheat yields against different climatic factors

試驗區(qū)春小麥產(chǎn)量與其生長季降水呈顯著正相關（r=0.306，P<0.05），說明黃土高原半干旱區(qū)小麥全生育期降水不足是影響春小麥產(chǎn)量形成的主要氣候因素，即降水量減少，產(chǎn)量下降。5月降水量對產(chǎn)量形成的影響更大（r=0.383，P<0.05）；而春小麥產(chǎn)量形成對5月中旬─5月下旬降水量的變化響應尤為敏感（r=0.401，P<0.05）；此時段是小花開始分化到花粉母細胞四分體形成時的水分臨界期，如果水分供應不足將導致小花大量退化，部分花粉和胚珠不育，結(jié)實率顯著下降，影響產(chǎn)量。試驗區(qū)降水量減少，春小麥產(chǎn)量下降。

試驗區(qū)5月下旬─6月上旬日照與春小麥產(chǎn)量呈顯著的負相關（r=-0.471，P<0.01）。一般而言，在水分充足，氣溫適宜的條件下，加強田間光照可使每穗健全小花數(shù)增加；但在黃土高原半干旱區(qū)日照時數(shù)增加時，往往會出現(xiàn)降水減少、氣溫偏高的狀況，造成對春小麥發(fā)育不利的影響，故該時段日照與春小麥產(chǎn)量呈負相關。

統(tǒng)計分析表明，黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量波動主要受氣候變化的影響，其他生態(tài)及土壤環(huán)境等干擾因素雖有影響但未通過顯著性檢驗。春小麥生長發(fā)育階段氣候變暖，氣溫增加，降水減少，對試驗區(qū)春小麥產(chǎn)量形成造成不利的影響。

春小麥產(chǎn)量與其全生育期、3─6月、5月、5月中下旬降水量呈顯著正相關；與5月下旬─6月上旬氣溫和5月下旬─6月上旬日照呈極顯著負相關。各個氣候因素對春小麥產(chǎn)量的影響程度可通過通徑分析判斷。表3給出了各因子對春小麥產(chǎn)量形成的直接通徑系數(shù)，結(jié)果反映出各因子的直接貢獻由大到小依次為：C6>C4>C5>C2>C3>C1。

可見，試驗區(qū)5月中旬至5月下旬是春小麥水分供應關鍵期，該時段的降水變化是關鍵影響因子；春末夏初氣溫變化是影響該區(qū)春小麥產(chǎn)量的主要制約因子。

2.2.2 各時段氣候要素影響特征分布

從 3─7月逐旬氣溫對產(chǎn)量的積分回歸影響函數(shù)分布圖（圖 4）可知，除苗期和成熟期外，由于氣候變暖，各時段熱量充足，3─7月逐旬氣溫對春小麥產(chǎn)量形成為負貢獻，氣溫每增高1 ℃，春小麥產(chǎn)量降低7～15 g·m-2。孕穗期-抽穗期氣溫對產(chǎn)量的負作用尤為顯著，旬平均氣溫每升高1 ℃，產(chǎn)量降低12～15 g·m-2。

黃土高原半干旱區(qū)降水量總體不足，除出苗期和成熟期略呈負貢獻外，其余時段均為正貢獻，拔節(jié)—孕穗期正效應尤為顯著，旬降水量每增加 1 mm，產(chǎn)量可增加10～22 g·m-2。成熟期降水量對春小麥產(chǎn)量形成又轉(zhuǎn)為負貢獻。

圖4 旬氣候要素與春小麥產(chǎn)量積分回歸Fig. 4 The integral regression between spring wheat yields and ten-day period average Climate factor

就光照而言，在水分供應充足，氣溫適宜時，春小麥田間群體光照增加，光合作用加快。但半干旱區(qū)日照時數(shù)偏多時段伴隨降水偏少、氣溫偏高，導致春小麥生長發(fā)育受到影響，因此，出現(xiàn)部分時段日照時數(shù)對小麥產(chǎn)量有負面作用。

2.3 春小麥產(chǎn)量氣候模式

在試驗分析的基礎上，建立春小麥產(chǎn)量氣候式：Y=863.15+0.30C2-28.63C5-1.68C6

式中：Y為擬合產(chǎn)量；其余符號見表3，即C2為3─6月降水量，C5為5月下旬─6月上旬氣溫，C6為5月下旬─6月上旬日照時數(shù)。其線性化后相關系數(shù)為r=0.576，F(xiàn)=3.96> F0.05，n=28。

3 結(jié)論

（1）1958─2013年試驗區(qū)降水量呈波動的下降趨勢，降水量氣候傾向率為-10.966 mm/10a。20世紀60年代降雨偏多且最多，90年代初至21世紀初持續(xù)偏少。試驗區(qū)年降水量的減少主要在秋季。春小麥主要生長發(fā)育時段的 3─6月降水量也呈減少趨勢。1958─2013年試驗區(qū)氣溫呈極顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.378 ℃/10a。20世紀70年代后氣溫顯著上升，春小麥生長季干燥指數(shù)也呈上升趨勢；90年代后暖干化特征明顯。

（2）試驗區(qū)域5月中、下旬是春小麥需水關鍵期，此時段是小花分化到四分體形成的水分臨界期，降水量減少使得有效小花減少，無效小花增加，部分花粉和胚珠不育，結(jié)實率顯著下降，產(chǎn)量降低。該時段是春小麥產(chǎn)量形成的敏感期、關鍵期，水分供應是影響該區(qū)域春小麥產(chǎn)量的關鍵氣候因子；而5月下旬─6月上旬氣溫升高是春小麥生長的主要制約因子。黃土高原半干旱區(qū)氣候變暖、降水量減少，氣候暖干旱導致春小麥產(chǎn)量下降。

（3）逐旬氣候因子對產(chǎn)量的影響函數(shù)分布表明，由于氣候變暖，氣溫對春小麥發(fā)育的影響除出苗期和成熟期略呈正貢獻外，其他各時段逐旬氣溫對產(chǎn)量形成均表現(xiàn)為負效應；降水量影響函數(shù)時域分布，與氣溫呈反位相分布特征，除了出苗期和成熟期降水量對產(chǎn)量的形成略呈負效應之外，其他時段均為正效應。

（4）黃土高原半干旱區(qū)氣候暖干旱化背景下，春小麥產(chǎn)量呈下降趨勢；氣候因素對作物發(fā)育和產(chǎn)量的負效應增大，春小麥產(chǎn)量的不確定性增加。

IPCC. 2012. Summary for Policymakers [M]//Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation. A Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 1-19.

IPCC. 2013. Climate Change 2013: the Physical Science Basis [M/OL]. Cambridge: Cambridge University Press. [2013-09-30]. http://www. ipcc.ch/report/ar5/wg1/#.Uq_tD7KBRR1.

LOBELL D B, ASNER G P. 2003. Climate and management contributions to recent trends in US agricultural yields [J]. Science, 299(5609): 1032-1032.

鄧振鏞, 張強, 蒲金涌, 等. 2008. 氣候變暖對中國西北地區(qū)農(nóng)作物種植的影響[J]. 生態(tài)學報, 28(8): 3760-3768.

董智強, 潘志華, 安萍莉, 等. 2012. 北方農(nóng)牧交錯帶春小麥生育期對氣候變化的響應——以內(nèi)蒙古武川縣為例[J]. 氣候變化研究進展, 8(4): 265-271.

俄有浩, 霍治國, 馬玉平, 等. 2013. 中國北方春小麥生育期變化的區(qū)域差異性與氣候適應性[J]. 生態(tài)學報, 33(19): 6295-6302.

馮定原. 1988. 農(nóng)業(yè)氣象預報和情報方法[M]. 北京: 氣象出版社: 97-108.

黃小燕, 王小平, 王勁松, 等. 2014. 中國大陸 1960─2012年持續(xù)干旱日數(shù)的時空變化特征[J]. 干旱氣象, 32(3): 326-333.

蒲金涌, 姚小英, 鄧振鏞, 等. 2006. 氣候變暖對甘肅冬油菜種植的影響[J]. 作物學報, 32(9): 1397-1401.

王勁松, 李耀輝, 王潤元, 等. 2012. 我國氣象干旱研究進展評述[J]. 干旱氣象, 30(4): 497-508.

魏鳳英. 2007. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M]. 北京: 氣象出版社: 175-181.

吳洪寶, 吳蕾. 2005. 氣候變率診斷和預測方法[M]. 北京: 氣象出版社: 208-244.

姚玉璧, 王潤元, 鄧振鏞, 等. 2010. 黃土高原半干旱區(qū)氣候變化及其對馬鈴薯生長發(fā)育的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 21(2): 379-385.

姚玉璧, 王潤元, 楊金虎, 等. 2011. 黃土高原半干旱區(qū)氣候變化對春小麥生長發(fā)育的影響——以甘肅定西為例 [J]. 生態(tài)學報, 31(15): 4225-4234.

張存杰, 王勝, 宋艷玲, 等. 2014. 我國北方地區(qū)冬小麥干旱災害風險評估[J]. 干旱氣象, 32(6): 883-893.

張凱, 李巧珍, 王潤元, 等. 2012. 播期對春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 31(2): 324-331.

張強, 鄧振鏞, 趙映東, 等. 2008. 全球氣候變化對我國西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響[J]. 生態(tài)學報, 28(3): 1210-1218.

趙鴻, 何春雨, 李鳳民, 等. 2008. 氣候變暖對高寒陰濕地區(qū)春小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 27(12): 2111-2117.

Impacts of Climate Warming and Drying on Spring Wheat Yield in A Semi-arid Region

ZHANG Xiuyun1,2, WANG Heling1, LEI JUN2
1. Lanzhou Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration//Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province// Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2. Dingxi Meteorological Bureau of Gansu Province, Dingxi 743000, China

The impacts of climate change on spring wheat yield is studied by using experimental data of spring wheat of typical semi-arid regions on Loess Plateau in 1986─2013, with the combination of meteorological observing data gained from meteorological stations in experimental regions in 1958─2013. It provide the scientific basis for coping climate change. Results showed that, there is a declining trend on precipitation in experimental regions in 1958─2013; the climate tendency rate is -10.966 mm/10 a; annual fluctuation of precipitation is large and the variation coefficient is 20.3%. Precipitation has a declining trend from March to June, which is the main growth period for spring wheat, the variation coefficient of precipitation during March and June is 33.2%. The temperature in experimental region has a very obvious ascending trend and the climate tendency rate is 0.378 ℃/10 a. The aridity index of spring wheat is also showing an ascending trend. After the 90s of twentieth century, the warming and drying character was becoming obvious. Spring wheat yield in experimental regions had an extremely obvious negative relation with the temperature in last ten days of May and first ten days of June(r=-0.492, P<0.01). Higher temperature leads to a higher velocity of blossom differentiation, useful blossom decrease and useless blossom increase, maturing rate decrease and all these caused the decrease in spring wheat yields. The yields of spring wheat in experimental regions have an obvious positive relation with its seasonal precipitation(r=0.306, P<0.05), which demonstrate that the lack of precipitation during spring wheat’s whole growing period in semi-arid regions of Loess Plateau is the main factor which influence the yields, a decrease in precipitation caused the decrease of yields of spring wheat. Meanwhile, the yields of spring wheat are extremely sensitive to the changes of precipitation during the middle ten days and late ten days in May, this time period is water critical period for the blossom to start differentiation to the formation of pollen in tetrad of metrocyte, it is a period which is critical for the water supply of spring wheat, so the decrease of precipitation will result in a sterile ovule and blossom, and finally the obvious decrease of maturing rate and yields. Precipitation is the key climatic factor of the yields forming while increasing in temperature is the main restriction factor of the yields forming of spring wheat. Understand the background of climate warming and drying in semi-arid regions on Loess Plateau, the yield of spring wheat have a declining tendency; negative effect of climatic factors on the growth and yields forming of spring wheat is increasing and the uncertainty of yields increased.

semi-arid region; climate warming and drying; spring wheat; yield

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.004

Q142.2；X16；S162.5

A

1674-5906（2015）04-0569-06

張秀云，王鶴齡，雷俊. 氣候暖干化對半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量形成的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(4): 569-574.

ZHANG Xiuyun, WANG Heling, LEI JUN. Impacts of Climate Warming and Drying on Spring Wheat Yield in A Semi-arid Region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 569-574.

國家自然科學基金項目（41305134）；國家公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106029）

張秀云（1963生），女，高級工程師，主要從事應用氣象業(yè)務研究。E-mail: yaoyubi_099@sina.com

2014-10-10