董志塬區(qū)氣象干旱特征及其對(duì)作物產(chǎn)量的影響

周海香，胡夢(mèng)，劉文兆，寧婷婷

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100； 2.西北師范大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)， 陜西 楊凌 712100； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

IPCC第五次報(bào)告[1]指出全球平均陸地和海洋表面的溫度在1880—2012年間以每10年0.12℃的速率上升，多年平均升溫幅度達(dá)0.85℃，氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)都強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，而地表氣溫上升，部分地區(qū)降水減少引起的高溫?zé)崂?，干旱等一系列極端氣候事件已成為可持續(xù)發(fā)展中面臨的重大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年因受旱災(zāi)而導(dǎo)致的作物減產(chǎn)達(dá)到2.6×1010kg[2]。Wang等[3]的研究表明中國(guó)大陸自1950年以來(lái)，干旱事件風(fēng)險(xiǎn)呈增加趨勢(shì)。Zhai等[4]研究指出自20世紀(jì)90年代中期，中國(guó)北方各流域干旱發(fā)生的頻率在增加?？紤]干旱發(fā)展的不同階段和研究范圍，一般將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱等[5-6]。其中，氣象干旱是由異常氣候條件下缺水所引起的，降水是其主要影響因子。而干燥度[7]作為表征一個(gè)地區(qū)干濕程度的綜合指標(biāo)，可從降水、氣溫、輻射等氣象要素的時(shí)空組合來(lái)反映區(qū)域氣候的整體變化[8]，廣泛應(yīng)用于地理學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科研究中，在全球變化研究中已成為一個(gè)經(jīng)常涉及到的氣候指標(biāo)，尤其是在氣候變化、干旱化和荒漠化等的研究之中[9]。降水量是決定干旱的一個(gè)主要因子，降水距平[10]是表征其變化的一個(gè)主要指標(biāo)，在評(píng)價(jià)氣象干旱中也常常用到。

董志塬位于慶陽(yáng)市中南部，是“隴東糧倉(cāng)”的主體，農(nóng)業(yè)在區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中所占比重較大，而干旱是限制該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一[11]。已有許多學(xué)者就隴東黃土高原氣候因子對(duì)糧食產(chǎn)量的影響做了研究。姚玉璧等[12-13]用氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等因子表征了氣候變化對(duì)隴東黃土高原春玉米和冬小麥產(chǎn)量的影響，He等[14]用APSIM模型模擬了在品種、管理措施等其它因素不變的情況下，降水和溫度變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，認(rèn)為在1961—2010年降水量下降、氣溫上升的背景下，隴東黃土高原糧食產(chǎn)量受氣候變化影響的趨勢(shì)變率為-104 kg·10a-1。本文由干燥度并結(jié)合其主要組分——降水量，以地處董志塬腹地的西峰區(qū)為例，分析氣象干旱對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，以期為氣候變化背景下的糧食安全與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

董志塬是黃土高原地區(qū)黃土沉積較厚，面積最大的黃土塬，其東西夾于馬蓮河與蒲河之間，南以涇河為界與涇川縣相望，北以教子川至蔡廟溝為界與慶城縣相接。該區(qū)位于半干旱與半濕潤(rùn)過(guò)渡區(qū)[15]，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫，降水集中，冬季嚴(yán)寒，雨雪較少，多年平均降水量約為550 mm，多年平均氣溫約為8.9℃(1955—2013)。土壤以黑壚土為主，蓄水抗旱，適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。至2010年，董志塬區(qū)耕地面積113 300 hm2[16]，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。

董志塬主要種植冬小麥、春玉米和馬鈴薯等糧食作物，一年一熟。冬小麥一般為前一年9月下旬播種，當(dāng)年6月下旬末、7月初收獲；春玉米為4月下旬播種，9月下旬收獲；馬鈴薯則為4月中下旬播種，10月上旬收獲。

2 資料來(lái)源與研究方法

氣象數(shù)據(jù)選取西峰區(qū)氣象站(35°44′N，107°38′E)1955—2013年的觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括：10 m高處風(fēng)速(m·s-1)、日平均氣溫(℃)、日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、日平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)(h)、日降水量(mm)、本站大氣壓和日實(shí)際水汽壓(kPa)。小麥、玉米和馬鈴薯產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅省農(nóng)村年鑒》[17]。

潛在蒸散量取FAO56-Penman-Monteith模型計(jì)算得到的參考作物蒸散量ET0[18]，干燥度AI為分析時(shí)段ET0與降水量P之比[9]。公式如下：

(1)

(2)

式中，T為日平均氣溫(℃)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)；Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，在一日之內(nèi)，近似為0；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)；u2表示2 m處風(fēng)速(m·s-1)，為觀測(cè)高度10 m處風(fēng)速的0.75倍；es表示飽和水汽壓(kPa)；本文計(jì)算中使用的實(shí)際水汽壓ea(kPa)為飽和水汽壓es與相對(duì)濕度的乘積。

本文用干燥度和降水距平兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析董志塬氣象干旱特征。用回歸分析方法說(shuō)明不同時(shí)間尺度干燥度和降水量變化與冬小麥、春玉米和馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)系，從而探討董志塬區(qū)1955—2013年地表干濕狀況變化的時(shí)程特征，分析氣象干旱對(duì)糧食產(chǎn)量的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 董志塬氣象干旱特征

近60年來(lái)，董志塬干燥度多年平均值為1.81，多年平均降水量為550.6 mm，降水主要集中在7—9月份，其中，7月份降水量最大，平均值為115.9 mm；12月份最小，平均值為34.6 mm。如圖1所示，在1995年，干燥度呈現(xiàn)最大值3.22時(shí)，降水量負(fù)距平也達(dá)到最大值(-216.9 mm)。干燥度的變化不僅取決于降水，還與氣溫、風(fēng)速、水汽壓等影響潛在蒸散的氣象因子變化密切相關(guān)。從圖1中可看出，1985年之前，降水距平和干燥度起伏較平緩，降水距平與干燥度距平平均絕對(duì)值分別為88.1和0.33，1985年之后二者起伏加大，距平平均絕對(duì)值分別為96.0和0.38。從整體上看，董志塬降水量以0.89 mm·a-1的速率呈微弱下降趨勢(shì)，干燥度以0.005/a的速率呈微弱上升趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)二者變化趨勢(shì)都不顯著。1995年和1997年干燥度與降水距平都出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的極值點(diǎn)。

圖1董志塬1955—2013年干燥度和降水距平圖

Fig.1 The varieties of aridity index and precipitation anomaly in Dongzhi Loess Tableland from 1955 to 2013

3.2 董志塬氣象干旱對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

董志塬作為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量小且季節(jié)分配不均是制約當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)的主要因素。20世紀(jì)90年代以來(lái)，本區(qū)降水量逐年減少，干旱災(zāi)害頻發(fā)，糧食產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響[19]。圖2為董志塬1991—2013年間冬小麥、春玉米和馬鈴薯三種作物的單位面積產(chǎn)量。23年間冬小麥、春玉米和馬鈴薯的年平均產(chǎn)量分別為2 950.8、6 813.8 kg·hm-2和3 528.1 kg·hm-2(馬鈴薯產(chǎn)量為其鮮重的20%)。冬小麥、春玉米和馬鈴薯單位面積產(chǎn)量在近23年都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。三種作物的產(chǎn)量在2002年之前波動(dòng)較大，之后則平穩(wěn)上升，其中春玉米產(chǎn)量的波動(dòng)最大。1997年甘肅省發(fā)生比較嚴(yán)重的春旱和夏秋連旱，尤其是隴東地區(qū)旱情最嚴(yán)重[20]，該年嚴(yán)重的氣象干旱影響了春玉米和馬鈴薯的產(chǎn)量，而當(dāng)年冬小麥卻沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減產(chǎn)。

冬小麥、春玉米和馬鈴薯三種作物的休閑期(冬小麥為7—9月(前一年)，春玉米為10月—次年3月，馬鈴薯為11月—次年3月)和生育期各有不同的水熱供給條件。冬小麥生育期為前一年10月至當(dāng)年6月，在其生育期內(nèi)，董志塬降水較少，生育期內(nèi)的降水量不能滿足其生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分，所以播前雨季土壤貯存的水分對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育就比較重要，而董志塬的雨季卻處于春玉米和馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期內(nèi)。

圖2董志塬1991—2013年冬小麥、春玉米和馬鈴薯單位面積產(chǎn)量圖

Fig.2 The yield of winter wheat, spring maize and potato from 1991 to 2013 in Dongzhi Loess Tableland

故分析氣象干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響時(shí)，冬小麥休閑期(前一年7—9月)和生育期的氣象干旱都要考慮，而在春玉米和馬鈴薯休閑期，董志塬降水量少，對(duì)其產(chǎn)量的影響比較小，而雨季就在其生育期內(nèi)，故分析春玉米和馬鈴薯氣象干旱對(duì)其產(chǎn)量的影響則主要分析生育期(4—10月)階段的影響。將三種作物不同時(shí)間段的干燥度和累積降水量分別與產(chǎn)量做回歸分析，逐步縮短時(shí)間尺度，可得到對(duì)作物產(chǎn)量影響比較大的關(guān)鍵時(shí)段。冬小麥在整個(gè)休閑期(7—9月份)及7、8、9各月份與生育期中任何階段組合的干燥度和累積降水量都對(duì)產(chǎn)量的影響達(dá)到了顯著水平，10月、11月及12月到5月的干燥度和累積降水量對(duì)產(chǎn)量影響也達(dá)到顯著水平，但10、11月、12月分別到3月、4月及到6月的干燥度和累積降水量對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著。說(shuō)明影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)間段可能為休閑期和5月。對(duì)各月份干燥度和降水量與產(chǎn)量做回歸分析，發(fā)現(xiàn)8、9月的干燥度和降水量對(duì)產(chǎn)量的影響比較顯著，而前一年7月、10—11月與當(dāng)年4月、5月和6月單獨(dú)月份的氣象干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不顯著，說(shuō)明5月份及之前降水量的累積作用使其表現(xiàn)出了對(duì)冬小麥產(chǎn)量的顯著影響。從表1可看出，在8—9月份，干燥度對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，同時(shí)，降水量對(duì)冬小麥的產(chǎn)量的影響也達(dá)到極顯著的水平。8—9月份干燥度每上升0.1個(gè)單位，冬小麥的產(chǎn)量下降約63.6 kg·hm-2，降水量每下降10 mm，冬小麥的產(chǎn)量下降約68 kg·hm-2。

表1 不同時(shí)段氣象干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響顯著性分析

注：a表示線性回歸方程常數(shù)項(xiàng)，b表示一次項(xiàng)系數(shù)，R2為決定系數(shù)，*表示顯著(P<0.05)，**表示極顯著(P<0.01)。下同。

Note: a, b andR2mean the constant, the slope and the determination coefficient in regression equations, respectively. * meansP<0.05, ** meansP<0.01. The same below.

對(duì)春玉米做同樣的分析，發(fā)現(xiàn)7月份為春玉米氣象干旱對(duì)產(chǎn)量影響的關(guān)鍵時(shí)段。表2表示全生育期和各時(shí)段春玉米產(chǎn)量變化對(duì)氣象干旱的響應(yīng)。從表中可看出，春玉米生育期的干燥度和累積降水量對(duì)產(chǎn)量的影響顯著，7月份干燥度對(duì)其產(chǎn)量影響達(dá)到顯著水平，而降水量對(duì)產(chǎn)量影響不顯著。6—7月干燥度對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，相同時(shí)段的降水量也對(duì)其產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平，說(shuō)明6—7月份累積降水量對(duì)產(chǎn)量的影響比較大，而在4月、5月、8月和9月，氣象干旱對(duì)其產(chǎn)量的影響不顯著。在6—7月，干燥度每上升0.1個(gè)單位，春玉米的產(chǎn)量下降65.9 kg·hm-2，同時(shí)段降水每下降10 mm，春玉米的產(chǎn)量下降103.1 kg·hm-2。

表2 不同時(shí)段氣象干旱對(duì)春玉米產(chǎn)量影響顯著性分析

6月份的干燥度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平，見(jiàn)表3。干燥度每上升0.1個(gè)單位，馬鈴薯產(chǎn)量減少9.6 kg，而在同時(shí)段，降水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響卻沒(méi)有達(dá)到顯著水平。在4—5月、7—10月，干燥度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響不顯著，在研究時(shí)段內(nèi)，整個(gè)生育期降水量的變化對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響也不顯著。說(shuō)明在6月份，影響馬鈴薯產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃硬⒎鞘墙邓?，而是影響潛在蒸散的氣象因子的變化。?月份日最低溫、日最高溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等因子與馬鈴薯產(chǎn)量做回歸分析，結(jié)果表明：6月份日照時(shí)數(shù)的變化對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表3 不同時(shí)段氣象干旱對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響的顯著性分析

4 討 論

本文研究了董志塬1955—2013年的氣象干旱特征。近60年來(lái)，董志塬降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，干燥度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明近60年來(lái)董志塬區(qū)氣候在逐漸變干。1995年干燥度達(dá)到最大值，降水量負(fù)距平也達(dá)到最大值，是董志塬最干旱的一年。自1997年之后，董志塬變干趨勢(shì)在減緩。

董志塬冬小麥生育期主要處于干旱少雨時(shí)段，雨季大部分不在其生育期內(nèi)，生育期的降水量不能滿足冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分，因而其生長(zhǎng)發(fā)育主要靠消耗上一年雨季土壤貯存的水分，表現(xiàn)出冬小麥的產(chǎn)量變化受播前降水量影響顯著[21-22]。尤其在1997年發(fā)生嚴(yán)重氣象干旱時(shí)，春玉米和馬鈴薯都表現(xiàn)出明顯的減產(chǎn)，而冬小麥卻沒(méi)有，更是驗(yàn)證了這一結(jié)論。在6—7月份，氣象干旱對(duì)春玉米產(chǎn)量影響很大，是因?yàn)楸緯r(shí)期為春玉米的拔節(jié)——抽雄期，這個(gè)時(shí)期，玉米達(dá)到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)都在進(jìn)行的時(shí)期，植株生理活動(dòng)機(jī)能增強(qiáng)，新陳代謝最為旺盛，是玉米生長(zhǎng)階段中需水最高的時(shí)期[23]，而這期間，董志塬恰好處于雨季，降水量的大小對(duì)其產(chǎn)量影響非常大。在6月份，干燥度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響比較顯著，但本時(shí)期降水量變化對(duì)其產(chǎn)量的影響卻不顯著，說(shuō)明6月份降水量變化對(duì)其產(chǎn)量的影響不如其它氣象因子變化對(duì)產(chǎn)量的影響顯著?；貧w分析結(jié)果表明顯著影響6月份馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的氣象因子為日照時(shí)數(shù)，這是因?yàn)轳R鈴薯屬于抗旱作物[24]，生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需水量不高，而在董志塬，4—10月份降水量約為500 mm，生育期降水量能滿足其需水要求。在馬鈴薯需水量較大的分枝期(6月)[25]、塊莖生長(zhǎng)期[24,26-27](6月下旬—7月上旬)和塊莖膨大期[27-29](7月中下旬)，研究區(qū)降水量豐富，能滿足馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育所需水分，使其不受水分虧缺的影響。在氣候經(jīng)歷暖干化的董志塬地區(qū)，近23年作物產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，是因?yàn)樽魑锂a(chǎn)量的變化不僅受到了氣象條件的影響，也受生產(chǎn)水平和管理措施的提高、高產(chǎn)品種不斷培育結(jié)果的影響。氣象因素和非氣象因素對(duì)本區(qū)作物產(chǎn)量變化影響所占的比重，還需進(jìn)一步的研究。

在分析氣象因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度時(shí)，國(guó)內(nèi)外有許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)大量研究。其中，也不乏有許多學(xué)者將作物產(chǎn)量分解成氣象產(chǎn)量、趨勢(shì)產(chǎn)量與隨機(jī)項(xiàng)，提取出氣象產(chǎn)量，再分析氣候因子對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系。分離趨勢(shì)產(chǎn)量的方法有很多，主要有：3年或5年滑動(dòng)平均法[30-31]、Logistic生長(zhǎng)曲線法[32]、多項(xiàng)式擬合法[33]和HP濾波法[34]等，還有直接用積分回歸[13]、用趨勢(shì)產(chǎn)量與氣候影響因子乘積[35]表示氣象產(chǎn)量等方法。王桂芝等[34]用中國(guó)小麥、水稻、玉米等產(chǎn)量數(shù)據(jù)比較了HP濾波法、5年滑動(dòng)平均和Logistic曲線擬合趨勢(shì)產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)HP方法擬合效果比較好；房世波[36]用新疆、河南、河北、山東、湖南和湖北幾個(gè)省份的棉花產(chǎn)量資料，提出了擬合趨勢(shì)產(chǎn)量的三個(gè)原則，比較了5年滑動(dòng)平均與二次多項(xiàng)式曲線方法，發(fā)現(xiàn)二次多項(xiàng)式曲線法比較適合分離趨勢(shì)產(chǎn)量。但是，二次多項(xiàng)式曲線有一個(gè)明顯的先下降(上升)后上升(下降)趨勢(shì)，與實(shí)際情況不符。Logistic 曲線函數(shù)擬合法分離趨勢(shì)產(chǎn)量時(shí)在一定程度上會(huì)夸大社會(huì)技術(shù)等因素對(duì)糧食增產(chǎn)的作用，從而產(chǎn)生氣候?qū)Z食增產(chǎn)都是反作用的現(xiàn)象，不符合實(shí)際情況[34]，曲線擬合法和濾波法不可避免的會(huì)出現(xiàn)擬合的趨勢(shì)產(chǎn)量中包含氣象因子的作用[37]。分離趨勢(shì)產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量的方法眾多，不同的分離方法會(huì)產(chǎn)生不同、甚至相反的結(jié)果[36]，這對(duì)分析氣象因子對(duì)產(chǎn)量影響上可能有很大的影響。李月英等[38]和張繼權(quán)[39]在分析冬小麥產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)氣象要素的關(guān)系時(shí)，用原始產(chǎn)量與氣象因子做相關(guān)分析，找出對(duì)產(chǎn)量影響顯著的氣象因子。使用原始產(chǎn)量分析氣象因子對(duì)產(chǎn)量的影響可以避免不合理的產(chǎn)量分離方法造成的結(jié)果誤差。當(dāng)然，如何把非氣象因子對(duì)產(chǎn)量的影響分離開來(lái)，仍是一個(gè)問(wèn)題。

5 結(jié) 論

1) 近60年來(lái)，董志塬降水量呈下降趨勢(shì)，干燥度呈上升趨勢(shì)。干燥度多年平均值為1.81，干燥度最大值出現(xiàn)在1995年，相應(yīng)年份的降水量負(fù)距平也達(dá)到了最大值(-216.9 mm)。干燥度的上升趨勢(shì)和降水量的下降趨勢(shì)表明在研究時(shí)段董志塬的氣候有干化傾向。

2) 在休閑期，干燥度和降水量都對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平，表明董志塬降水集中分布在7—9月份的特征，使得冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需水分主要依賴于播前底墑。

3) 在6—7月份，干燥度、累積降水量對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響達(dá)到了顯著水平，其中，7月份為其產(chǎn)量對(duì)氣象干旱最敏感的月份。在6—7月份，春玉米處于需水量較大的拔節(jié)——抽雄期，對(duì)氣象干旱比較敏感。

4) 在6月份，干燥度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平，但降水量對(duì)其產(chǎn)量的影響卻未達(dá)到顯著水平，而日照時(shí)數(shù)成為影響其產(chǎn)量變化的關(guān)鍵因子。相比于冬小麥和春玉米而言，馬鈴薯抗旱性比較強(qiáng)，董志塬在其生育期的降水量能滿足其生長(zhǎng)發(fā)育所需水分。因此，在研究時(shí)段內(nèi)，生育期的降水變化對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量影響不顯著。

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