影響小麥產(chǎn)量的氣象因素分析及產(chǎn)量氣象模型研究

郭春強(qiáng)　張振永　齊雙麗　王君　段宸宇　喬冀良　黃杰　曹燕燕

摘? ? 要：為充分合理有效利用氣候資源，預(yù)測預(yù)報主要?dú)夂蛞蛩兀ㄆ骄鶜鉁?、降雨量、日照時數(shù)）對小麥產(chǎn)量的影響，根據(jù)河南省漯河市1987—2017年小麥產(chǎn)量和生育期內(nèi)的月平均氣溫（℃）、降雨量（mm）、日照時數(shù)（h·d^-1）等氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過滑動平均模擬法對小麥氣象產(chǎn)量進(jìn)行計算，建立氣象產(chǎn)量模型。結(jié)果表明，1987—2017年，小麥生育期內(nèi)各月平均氣溫、降雨量和日照時數(shù)均呈先下降后上升的趨勢，最低值均出現(xiàn)在1月，最高值均出現(xiàn)在5月;其中平均氣溫尤其是3—5月份即冬小麥返青后至成熟期間的平均氣溫對小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用達(dá)顯著水平（P<0.05），日照時數(shù)在小麥苗期（10月份），降雨量在小麥返青期（3月份）對小麥產(chǎn)量的負(fù)作用達(dá)顯著水平（P<0.05）;根據(jù)氣溫、降雨量和光照等氣象要素指標(biāo)，建立氣象產(chǎn)量預(yù)測模型，其結(jié)果亦表現(xiàn)為平均氣溫影響較大，且為正向作用，其次是降雨量和日照時數(shù)，二者均為負(fù)向作用。

關(guān)鍵詞：小麥;產(chǎn)量;氣象因素;氣象模型

中圖分類號：S512.1， S16 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.04.009

Analysis of Meteorological Factors Affecting Wheat Yield and Study of Its Yield Meteorological Model

GUO Chunqiang1， ZHANG Zhenyong1， QI Shuangli1， WANG Jun1， DUAN Chenyu2， QIAO Jiliang1， HUANG Jie1， CAO Yanyan1

（1.Luohe Academy of Agricultural Sciences， Luohe， Henan 462000， China; 2.Wuyang County Meteorological Bureau， Wuyang， Henan 462400， China）

Abstract： In order to make full and effective use of climatic resources， the effects of main climatic factors （mean temperature， rainfall， sunshine hours） on wheat yield were forecasted. According to the monthly mean temperature（℃） and rainfall（mm）， sunshine hours （h·d-1） of growth period and wheat yield in 1987—2017 in Luohe City， Henan Province， the statistical analysis was carried out， and the yield meteorological model of wheat was established by means of the sliding average simulation method. The results showed that in 1987—2017， the monthly mean temperature， rainfall and sunshine hours of wheat decreased first and then increased， the lowest values appeared in January and the highest values appeared in May. The average temperature，when the winter wheat growth period was from turning green stage to maturity stage（March to May）， had significant positive effects on winter wheat yield， while the sunshine hours in seedling period （October）， and rainfall in turning green period （March） had significant negative effects on winter wheat yield. According to the meteorological factors such as temperature， rainfall and sunshine hours， the forecast model of meteorological output was established. The results showed that the average temperature had a great influence on the promotion of winter wheat yield， followed by precipitation and sunshine hours， which had a negative influence on the yield of winter wheat.

Key words： ?wheat; yield; meteorological factors; meteorological model

小麥產(chǎn)量除了與種子、化肥、耕作制度等有關(guān)外，還與農(nóng)業(yè)氣候資源息息相關(guān)，氣候要素的變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成會造成顯著影響[1-8]。孫芳等[9]、武艷娟等[10]、李永華等[11]研究認(rèn)為降雨是影響糧食作物產(chǎn)量的因素之一。地域不同，氣溫、降雨量、光照等對小麥產(chǎn)量的影響也不同。漯河市位居豫中南部，屬于南北氣候過渡帶，氣候要素年際間變化大。小麥?zhǔn)卿鸷邮兄饕Z食作物，近年來低溫冷害、陰雨寡照等自然災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，這種氣候資源變化的不穩(wěn)定性，對小麥的穩(wěn)產(chǎn)構(gòu)成潛在威脅。有關(guān)氣象因素對作物產(chǎn)量的影響[11-13]報道較多，而有關(guān)影響小麥產(chǎn)量的氣象因素產(chǎn)量模型尚未見報道。

本文通過對影響小麥產(chǎn)量的氣象因素進(jìn)行分析，探討氣候資源變化對小麥生長發(fā)育的影響，并建立影響小麥產(chǎn)量因素的氣象模型，為充分合理利用氣候資源，進(jìn)行小麥產(chǎn)量預(yù)測預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用1987—2017年河南省漯河市小麥產(chǎn)量及相應(yīng)年代的氣象資料，分別來源于漯河市農(nóng)業(yè)局和漯河市氣象局。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

氣象產(chǎn)量可用公式y(tǒng)w=y- y_t-e表示，其中yw為氣象產(chǎn)量，y為實際產(chǎn)量， y_t為趨勢產(chǎn)量，e為隨機(jī)因素影響的產(chǎn)量。采用滑動平均模擬法平滑去掉因氣象因素導(dǎo)致的產(chǎn)量短期波動，求出趨勢產(chǎn)量，從而得出氣象產(chǎn)量。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素的描述性統(tǒng)計分析

河南省漯河市小麥一般為冬小麥品種，其生育期為10月—第2年5月，將1987—2017年冬小麥生育期內(nèi)的平均氣溫、降雨量和日照時數(shù)進(jìn)行計算，見表1。

2.1.1 氣溫?1987—2017年，小麥生育期內(nèi)月份間平均氣溫呈先降后升的趨勢，其最低值出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在5月;各月平均氣溫變異系數(shù)與氣溫變化相反，呈先升后降的趨勢，1月變異系數(shù)最高，5月變異系數(shù)最低，10月和4月變異系數(shù)亦相對較低，均小于10%;用相對極差（相對極差=極差/數(shù)值平均值）表示數(shù)值的離散程度[14]，相對極差在0.24～4.66之間。由此可以看出，1月份氣溫變化較大，對小麥越冬基數(shù)影響較大，10月、4月、5月溫度相對穩(wěn)定，有利于穩(wěn)定小麥基本苗和促進(jìn)小麥籽粒灌漿。

2.1.2 降雨量?小麥生育期內(nèi)各月平均降雨量與平均氣溫一樣，呈先降后升的趨勢，其最低值亦出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在5月;各月平均降雨量變異系數(shù)均較大，介于64.84%～118.32%之間，其最大變異系數(shù)出現(xiàn)在1月，最小值出現(xiàn)在4月;小麥生育期內(nèi)降雨量相對極差在2.39～4.37之間，3月和4月最小，12月份最大，說明降雨量在12月份相對集中，而3月和4月降雨量較分散，3月份是小麥拔節(jié)、兩極分化時期，是需水量最大的時期，此時期有效降雨有利于小麥幼穗分化、減少小花退化，增加穗粒數(shù)，可為來年小麥產(chǎn)量提供豐收保障。

2.1.3 平均日光照時數(shù)?小麥生育期內(nèi)月平均日照時數(shù)亦呈先降后升的趨勢，其最小值出現(xiàn)在1月，最大值出現(xiàn)在5月;變異系數(shù)在12.30%～31.45%之間，其中最大值出現(xiàn)在2月，最小值出現(xiàn)在4月;相對極差在0.42～1.42之間。綜合說明，小麥生育期內(nèi)越冬期-返青期，根系活力弱，葉片光合作用減小;4—5月處于小麥抽穗揚(yáng)花灌漿階段，日光照多，根系活力增強(qiáng)，葉片光合作用增強(qiáng)，對于提高小麥籽粒千粒質(zhì)量具有重要作用。

2.2 相關(guān)性分析

對1987—2017年冬小麥生育期內(nèi)的平均氣溫、降雨量和日照時數(shù)3個氣象因素之間及各氣象因素與產(chǎn)量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，見表2。

2.2.1 氣象因素指標(biāo)間相關(guān)性?平均氣溫與降雨量各生育期均呈負(fù)相關(guān)，說明在小麥生育期內(nèi)，降雨量增多時，平均氣溫會明顯下降，其中12月呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），3月和5月呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）;平均氣溫與光照生育期內(nèi)各月均呈正相關(guān)，說明隨著平均氣溫的升高，平均日光照時數(shù)增加，其中1月、3月、5月呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），11月和2月呈顯著正相關(guān)（P<0.05）;生育期內(nèi)各月降雨量與光照均呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）負(fù)相關(guān)，說明降雨量多的月份，平均日光照時數(shù)下降較為明顯。

2.2.2 氣象因素與產(chǎn)量相關(guān)性?從整個小麥生育期對產(chǎn)量的影響來看，播種出苗期（10月份），光照與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），而光照又與降雨量顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），說明此階段，光照時數(shù)少而降雨量多，有利于小麥苗期生長發(fā)育，可保證足夠的基本苗;11月—第2年2月氣象因素與產(chǎn)量相關(guān)不明顯;返青拔節(jié)期（3月），平均氣溫與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)（P<0.01），降雨量與產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），而光照又與平均氣溫極顯著正相關(guān)（P<0.05），說明在此階段，平均氣溫上升快、光照充足，降雨量少，有利于小麥返青拔節(jié)，加快兩極分化進(jìn)程;4月份小麥生長從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，平均氣溫與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），說明溫度的升高有利于加快生育進(jìn)程，及早進(jìn)入小麥灌漿期;5月份小麥進(jìn)入灌漿期，平均氣溫與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），平均氣溫又與降雨量極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），而與光照極顯著正相關(guān)（P<0.01），此時氣溫和日照時數(shù)增加、降雨量減少有利于增強(qiáng)小麥光合作用，促進(jìn)籽粒灌漿。

2.3 氣象產(chǎn)量分析及模型建立

2.3.1 氣象產(chǎn)量分析?氣象產(chǎn)量是氣象要素影響小麥的產(chǎn)量，其計算公式為：y_t=y- ?y_t-e，e在實際應(yīng)用中可忽略不計，因此，氣象產(chǎn)量等于小麥實際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量的差，即yy_w=y - ?y_t。筆者通過對漯河市1987—2017年的31個樣本統(tǒng)計，用13年平滑模擬來分析氣象因素對小麥產(chǎn)量的影響，以反映出因歷史發(fā)展、技術(shù)提升等因素對小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。采用13年滑動平均產(chǎn)量作為某一年的趨勢產(chǎn)量：

式中， ?y_t表示第t年的趨勢產(chǎn)量，y_t表示第t年的產(chǎn)量。趨勢產(chǎn)量是常年小麥產(chǎn)量的總趨勢曲線所對應(yīng)的產(chǎn)量，與實際產(chǎn)量有差異，其差可以看作是氣象因素影響所致，因此，氣象產(chǎn)量可以是正值，也可以是負(fù)值。如果第t年的氣象產(chǎn)量為正值，表示的是：與常年相比，該年的氣象條件有利于增加產(chǎn)量;反之，該年的氣象條件不利于增加產(chǎn)量。

由圖1可知，1987年、1989年、1992年、1993年、1996年、1997年、1999年、2001年、2004年、2006年、2007年、2008年、2009年、2010年、2015年、2016年、2017年氣象條件較為有利于小麥產(chǎn)量的增加。

2.3.2 氣象產(chǎn)量模型建立?氣象產(chǎn)量主要是由氣溫、降雨量、光照等決定[15-16]，氣象產(chǎn)量模型的建立是根據(jù)生育期內(nèi)氣象因素之間的相關(guān)性，采用多元線性回歸法對模型變量進(jìn)行相關(guān)分析，并能夠充分表現(xiàn)出主要?dú)庀笠蛩貙Ξa(chǎn)量的影響。模型如下：

y^w=αtr+βrf+γss+μ

式中，yw為小麥氣象產(chǎn)量，tr為月平均氣溫，rf為月平均降雨量，ss為月平均日光照時間，μ為誤差。α、β、γ分別為氣溫、降雨量和日光照時數(shù)的系數(shù)。

通過對漯河市1987—2017年氣象因素和氣象產(chǎn)量進(jìn)行多元線性回歸分析，建立產(chǎn)量氣象模型如下：

y^w=-840.993+228.358tr-2.369rf-0.603ss

模型R²=0.198，P=0.048<0.05，說明該模型能夠反映主要?dú)庀笠蜃訉π←湲a(chǎn)量的影響;模型中的系數(shù)亦可說明，平均氣溫是氣象產(chǎn)量的主要影響因素，其作用為正向，其次是降雨量和日光照時數(shù)，二者作用均為負(fù)相。

3 結(jié)論與討論

氣象因子的變化對小麥生產(chǎn)帶來復(fù)雜的影響，氣溫波動較大，降雨分布不均，光照減少，都是影響小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素，在以后的生產(chǎn)實踐中應(yīng)加以重視，邵立威等[17]和張學(xué)林等[18]通過調(diào)整播期和品種布局、改進(jìn)生產(chǎn)措施等途徑降低氣候條件的不利影響，適應(yīng)氣候變化。本研究通過對河南省漯河市1987—2017年小麥生育期內(nèi)的平均氣溫、降雨量和光照等農(nóng)業(yè)氣候資源變化進(jìn)行分析表明，小麥生育期內(nèi)主要?dú)夂蛸Y源呈先降后升的趨勢，但不同氣象因子波動幅度差異較為明顯。

有關(guān)氣象因素對小麥產(chǎn)量的影響方面，羅家傳等[19]對小麥主要性狀與日照的相關(guān)性研究表明，單產(chǎn)與各時段日照時數(shù)呈較明顯的正相關(guān)，春季日照時數(shù)增加，可使小麥兩極分化提前，這與本文相吻合。本研究對1987—2017年漯河地區(qū)小麥生育期內(nèi)的相關(guān)氣象指標(biāo)與小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析表明，影響小麥生長發(fā)育的氣象因素中，平均氣溫尤其是3—5月份即冬小麥返青后至成熟期間的平均氣溫對小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用較為明顯，最有可能成為決定小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素;日照時數(shù)在小麥苗期（10月份），降雨量在小麥返青期（3月份）對小麥產(chǎn)量也會有明顯負(fù)作用;根據(jù)氣溫、降雨量和光照等氣象要素指標(biāo)，運(yùn)用產(chǎn)量滑動平均法計算趨勢產(chǎn)量，并建立氣象產(chǎn)量預(yù)測模型，其結(jié)果亦表現(xiàn)為平均氣溫影響較大，且為正向作用，其次是降雨量和日照時數(shù)，二者均為負(fù)向作用。

本文僅從氣象因素對小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析，可為小麥產(chǎn)量短期預(yù)測，以及提高其產(chǎn)量的方法提供了理論基礎(chǔ)，但對于氣象因素對小麥生理性狀和目標(biāo)性狀等方面的影響，有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王位泰，張?zhí)旆?，蒲金涌，?黃土高原中部冬小麥生長對氣候變暖和春季晚霜凍變化的響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2011，32（1）：6-11.

[2]包佳婧，李雪冰.2014年臨河區(qū)春小麥全生育期農(nóng)業(yè)氣象條件評述[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2015，43（6）：100-101.

[3]裴磊，劉莉，劉新月，等.氣象因素對旱地小麥品種灌漿特性影響的研究[J].北方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，44（6）：67-72.

[4]孟自力，朱倩，閆向泉，等.豫東地區(qū)小麥生育期氣候演變特征及光溫水協(xié)調(diào)性分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（8）：1362-1366.

[5]安曉東，靖金蓮，閻翠萍，等.冬小麥不同品種倒春寒抗性差異鑒定分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（2）：156-159，171.

[6]郭瑞，季書勤，王漢芳，等.氣候變化對河南省中、北部冬小麥播期和越冬的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（1）：37-40.

[7]杜黎君，蘇晴，孫海燕，等.2010年小麥成熟期推遲的氣候因子探析[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（5）：47-51.

[8]葉彩華，欒慶祖，胡寶昆，等.北京農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征及其對不同種植模式玉米各生育期的影響[J].自然資源學(xué)報，2010，25（8）：1350-1364.

[9]孫芳，楊修，林而達(dá)，等.中國小麥對氣候變化的敏感性和脆弱性研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，43（4）：692-696.

[10]武艷娟，李玉娥，劉運(yùn)通，等.寧夏氣象災(zāi)害變化及其對糧食產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（4）：491-495.

[11]李永華，高陽華，張建平，等.氣候波動對重慶水稻產(chǎn)量的影響及對策[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（1）：75-78.

[12]李彩俠，王雅珍，王永祎.黑龍江省主要作物產(chǎn)量變化及其與氣候因子的關(guān)系[J].雞西大學(xué)學(xué)報，2015，15（2）：55-57.

[13]耿婷，付偉，陳長青.近20年來江蘇省冬小麥生育進(jìn)程和產(chǎn)量對氣候變暖的響應(yīng)[J].麥類作物學(xué)報，2012，32（6）：1183-1191.

[14]許世衛(wèi)，喻聞，劉淑云，等.冬小麥單產(chǎn)與氣象因素關(guān)系研究[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報，2013，3（10）：45-51.

[15]李克南，楊曉光，劉志娟，等.全球氣候變化對中國種植制度可能影響分析Ⅲ.中國北方地區(qū)氣候資源變化特征及其對種植制度界限的可能影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（10）：2088-2097.

[16]趙錦，楊曉光，劉志娟，等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅱ.南方地區(qū)氣候要素變化特征及對種植制度界限可能影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（9）：1860-1867.

[17]邵立威，王艷哲，苗文芳，等.品種與密度對華北平原夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2011，26（3）：182-188.

[18]張學(xué)林，張許，王群，等.秸稈還田配施氮肥對夏玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010 （9）：69-73.

[19]羅家傳，張旭遠(yuǎn)，崔曉東，等.小麥主要性狀與氣象因子相關(guān)性分析[J].河南科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（5）：6-9.