區(qū)域（臨汾）水分相關(guān)氣象因子變化及其對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

亢秀麗　靖華　馬愛平　王裕智　崔歡虎

摘要：為有效提供氣候變化未來情景相適應(yīng)的栽培途徑，對(duì)1987-2017年區(qū)域（臨汾）與水分相關(guān)的降水量、氣溫、10 cm地溫、蒸發(fā)量、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)7個(gè)氣象因子開展了動(dòng)態(tài)變化、因子間相關(guān)性及其對(duì)小麥產(chǎn)量的影響研究。結(jié)果表明：各年小麥生育期氣象因子動(dòng)態(tài)變化特征為降水量、平均氣溫和平均10 cm地溫呈遞增趨勢(shì)，而蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度和平均風(fēng)速則呈遞減趨勢(shì);小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬，各月份蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。各年小麥生育期氣象因子間相關(guān)性為平均氣溫與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)，平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關(guān)，相關(guān)氣象因子間的變異系數(shù)為降水量>蒸發(fā)量>平均風(fēng)速>平均相對(duì)濕度>平均地溫>日照時(shí)數(shù)>平均氣溫;小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)、月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關(guān)。各氣象因子與小麥產(chǎn)量的相關(guān)性為各年小麥生育期平均氣溫、平均10 cm地溫、日照時(shí)數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，而平均相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、平均風(fēng)速則與產(chǎn)量呈正相關(guān)，降水量與產(chǎn)量均呈正相關(guān)，其中不同階段降水量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為生產(chǎn)年度>生育期>休閑期。該項(xiàng)研究可為小麥生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：氣候變化;氣象因子;小麥產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S161，S512.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas18030032

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，山西小麥年播種面積約66.7萬hm2，是山西的第二大糧食作物。因此，小麥產(chǎn)量的豐歉直接左右著全省糧食總產(chǎn)量。全球變暖己成為公認(rèn)的事實(shí)。近年來，廣大科技工作者從不同空間尺度開展了氣候變化對(duì)小麥生產(chǎn)的影響研究，在大區(qū)級(jí)空間尺度下楊建瑩等開展了氣候變化背景下華北地區(qū)冬小麥生育期的變化特征研究，姬興杰、寧金花等分別開展了氣候變化對(duì)北方冬麥區(qū)生育期、氣候變率和變化特征研究，申雙和等開展了氣候變化情景下黃淮海冬麥區(qū)降水量及其適宜度變化分析等;在省級(jí)小麥主產(chǎn)區(qū)空間尺度下，河北開展有了氣溫變化對(duì)冬小麥發(fā)育期分析、山東開展了氣溫變化對(duì)最佳適播期的影響、河南開展了地溫變化對(duì)產(chǎn)量的影響及降水量的時(shí)空演變特征、陜西開展了氣溫和C02濃度變化對(duì)產(chǎn)量影響的模擬分析、甘肅開展了冬春地溫變化對(duì)小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的相關(guān)分析、江蘇開展了近50年氣候干濕特征研究、新疆開展了額爾齊斯河流域氣溫日較差變化特征及影響因子分析;與此同時(shí)，山西省開展了氣溫、降水變化的特征及趨勢(shì)分析、冬小麥主要發(fā)育期特征及對(duì)氣候變暖的響應(yīng)、降水氣溫變化對(duì)旱地小麥農(nóng)藝性狀的影響等。以上這些研究成果以不同氣象因子為對(duì)象，研究了氣候變化對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期、農(nóng)藝技術(shù)措施（播種期）及產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀的影響，對(duì)大區(qū)級(jí)及各省小麥應(yīng)對(duì)氣候變化提供了理論指導(dǎo)。但以上較多研究主要集中在單一或兩個(gè)氣象因子對(duì)小麥生產(chǎn)的影響研究，特別是個(gè)別氣象因子變化研究是自然年度間的變化，缺乏小麥生育期間或生產(chǎn)年度多氣象因子的變化研究，而小麥生產(chǎn)系統(tǒng)受氣候變化的影響是多氣象因子共同作用的結(jié)果?；诖耍卷?xiàng)研究篩選了與水分相關(guān)的降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度7個(gè)氣象因子，開展小麥生育期或生產(chǎn)年度各關(guān)鍵氣象因子動(dòng)態(tài)變化特征、氣象因子間相關(guān)性及其對(duì)產(chǎn)量的影響研究，以期較全面地解析不同氣象因子對(duì)小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，為未來氣候變化情景提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基地概況

試驗(yàn)基地位于臨汾盆地堯都區(qū)，海拔457.0 m，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候?qū)?。主要?dú)夂蛱卣鳛樗募痉置?、冬冷夏熱、雨熱同期、旱多澇少。夏季受到海洋性暖濕氣團(tuán)的控制，成為多雨季節(jié)，且雨季時(shí)間較短，冬、春、秋季在干燥大陸性氣團(tuán)的控制之下，氣候干燥，雨雪稀少。試驗(yàn)基地為雨養(yǎng)條件，地勢(shì)平坦，土壤質(zhì)地為輕壤土質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)材料及來源

氣象資料來源于臨汾國(guó)家基本氣象站，主要采集了臨汾近30年（1987年6月中旬-2017年6月上旬）與水分相關(guān)的生育期降水量、休閑期降水量、生產(chǎn)年度降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度9個(gè)氣象因子，共獲取30組數(shù)據(jù);小麥產(chǎn)量來源于國(guó)家黃淮海北片山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所旱地試驗(yàn)點(diǎn)，其產(chǎn)量年度數(shù)據(jù)與氣象年度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，共獲取30個(gè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。其中1988-1990年、1991-1997年、1998-2017年小麥品種分別為‘秦麥3號(hào)’（‘渭麥5號(hào)’）、‘晉麥33號(hào)’、‘晉麥47號(hào)’。

1.3 時(shí)段劃分及各氣象因子數(shù)據(jù)計(jì)算方法

（1）時(shí)段劃分。根據(jù)臨汾小麥播種期（上年9月26-28日播種，10月上旬出苗）、收獲期（次年6月7-8日）特點(diǎn)，將小麥生產(chǎn)劃分為休閑期、生育期、生產(chǎn)年度，其中休閑期為上年6月中旬至9月，生育期為上年10月至次年6月上旬，生產(chǎn)年度為上年6月中旬至次年6月上旬;自然年度為每年的1月至12月。

（2）各氣象因子數(shù)據(jù)計(jì)算方法。各年小麥生育期相關(guān)氣象因子計(jì)算方法：平均氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度計(jì)算方法為上年10、11、12月，次年1、2、3、…、5、6月（上旬）各月均值總和除以9的平均值;降水量、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)計(jì)算方法為上年10、11、12月，次年l、2、3、…、5、6月（上旬）各月總量的總和;各年小麥生育期相關(guān)氣象因子每年獲取1個(gè)數(shù)據(jù)，30年共獲取30組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中含平均氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、生育期降水量、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)7個(gè)數(shù)據(jù)。

各年小麥生產(chǎn)年度、休閑期降水量及其他相關(guān)氣象因子計(jì)算方法：休閑期降水量為上年6（中、下旬）、7、8、9月各月降水量的總和;各年生產(chǎn)年度降水量為上年6（中、下旬）、7、8、9、…、12月，次年l、2、3、…、5、6月（上旬）各月降水量的總和;各年小麥生產(chǎn)年度各月平均氣溫為上年6、7、8、…、12月至次年1、2、3、…、5月各月均氣溫各年總和除以30年的平均值，12個(gè)月共獲取12個(gè)數(shù)據(jù);各月（各月對(duì)應(yīng)關(guān)系同上）蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值，12個(gè)月共獲取12個(gè)數(shù)據(jù);各季節(jié)[冬季上年12月、次年1、2月，春季次年3、4、5月，夏季上年6、7、8月，秋季上年9、10、11月]平均氣溫為各對(duì)應(yīng)月份月均氣溫各年總和除以30年的平均值，再3個(gè)月的平均值相加之和除以3，4個(gè)季節(jié)共獲取4個(gè)數(shù)據(jù);各季節(jié)平均（各季節(jié)各月對(duì)應(yīng)關(guān)系同上）蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值，再3個(gè)月的平均值相加之和，4個(gè)季節(jié)共獲取4個(gè)數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

資料數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS平臺(tái)操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域（臨汾）相關(guān)氣象因子動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 各年小麥生育期相關(guān)氣象因子動(dòng)態(tài)變化由圖1—4看出，1987-2017年小麥生育期相關(guān)氣象因子的動(dòng)態(tài)變化不同。

（1）平均氣溫、蒸發(fā)量氣象因子變化特點(diǎn)。由圖l看出，平均氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而蒸發(fā)量則為下降趨勢(shì)。平均氣溫因子，8℃<1988-1997年<9℃，9℃≤1998-2002年

（2）平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)氣象因子變化特點(diǎn)。由圖2看出，平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。平均風(fēng)速因子，1988-1997年間在1.68—1.81 m/s區(qū)間，而1998-2017在1.41—1.44 m/s區(qū)間;日照時(shí)數(shù)因子，1988-2002年間在1423.66—1403.28 h區(qū)間，而2003-2017年間則低于1400 h。

（3）生育期、休閑期降水量氣象因子變化特點(diǎn)。由圖3看出，生育期、休閑期降水量變化趨勢(shì)不明顯。生育期降水量因子，160 mm≤1988-1997年≤170 mm，150 mm≤1998-2012年≤160 mm， 170 mm≤2013-2017年≤180 mm，1998-2017年間生育期間降水有增加趨勢(shì);休閑期降水量因子，除2003-2007年間降水在360 mm外，其他時(shí)段均維持在250—300 mm間。

（4）平均10 cm地溫、平均相對(duì)濕度氣象因子變化特點(diǎn)。由圖4看出，平均10 cm地溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而平均相對(duì)濕度則為下降趨勢(shì)。平均10 cm地溫因子，1988-1997年間在9.25—10.01℃區(qū)間，而1998-2017年間呈上升趨勢(shì)，維持在10.34—11.20℃區(qū)間。平均相對(duì)濕度因子，1988-2012年間呈直線下降，由1988-1992年間的62.64%下降到2008-2012年間的50.69%，2013-2017年間較2008-2012年間略有上升，但上升幅度較小。

2.1.2 生產(chǎn)年度各季節(jié)、月份蒸發(fā)量氣象因子動(dòng)態(tài)變化由圖5、6看出，小麥生產(chǎn)年度四季的冬季、秋季、春季、夏季蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升，生產(chǎn)年度的l、2、3、…、12月的蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升，隨氣溫的下降而下降。

2.1.3 各年小麥生育期相關(guān)氣象因子及休閑期、生產(chǎn)年度降水量因子的變異系數(shù)關(guān)系由表1看出，各年小麥生育期不同氣象因子的變異系數(shù)存在差異。降水量變異系數(shù)最大，其中以休閑期>生育期>生產(chǎn)年度，其次分別為蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均10 cm地溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫，其中平均氣溫在7個(gè)氣象因子中變異系數(shù)最小。

2.2 小麥生產(chǎn)不同時(shí)段相關(guān)氣象因子與蒸發(fā)量及其他氣象因子間的相關(guān)性

2.2.1 小麥生育期相關(guān)氣象因子對(duì)蒸發(fā)量的影響由表2看出，各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)對(duì)蒸發(fā)量的影響不同。各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫均與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)，平均10 cm地溫決定系數(shù)大于平均氣溫的決定系數(shù)即平均10 cm地溫對(duì)蒸發(fā)量的相關(guān)性大于平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的相關(guān)性。各年小麥生育期平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均與蒸發(fā)量呈正相關(guān)，平均風(fēng)速?zèng)Q定系數(shù)大于日照時(shí)數(shù)的決定系數(shù)即平均風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)量的影響大于日照時(shí)數(shù)對(duì)蒸發(fā)量的影響。

2.2.2 小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的影響由表2看出，生產(chǎn)年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的影響不同。對(duì)蒸發(fā)量的影響為各季節(jié)平均氣溫>各月平均氣溫。

2.2.3 其他氣象因子間的相關(guān)性由表2看出，各年小麥生育期平均風(fēng)速與平均氣溫、各年小麥生育期平均10 cm地溫與相對(duì)濕度二者均呈負(fù)相關(guān)，表明各年小麥生育期平均風(fēng)速大小直接影響著各年小麥生育期平均氣溫，各年小麥生育期平均10 cm地溫的升高會(huì)降低各年小麥生育期的平均相對(duì)濕度。

2.3 相關(guān)氣象因子與產(chǎn)量的線性關(guān)系

2.3.1 各年降水量氣象因子對(duì)產(chǎn)量的影響由表3得出，生產(chǎn)年度、各年休閑期、小麥生育期的降水量對(duì)小麥產(chǎn)量的影響程度不同。各時(shí)段降水量對(duì)產(chǎn)量均呈正相關(guān)，即各時(shí)段降水量的增加對(duì)產(chǎn)量均有正向效應(yīng)，各時(shí)段降水量對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性為生產(chǎn)年度>生育期>休閑期。

2.3.2 各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響由表3看出，各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響均呈負(fù)相關(guān)，即隨著日照時(shí)數(shù)增加、氣溫、10 cm地溫升高產(chǎn)量呈降低的趨勢(shì)，三者對(duì)產(chǎn)量的相關(guān)性依次為日照時(shí)數(shù)>10 cm地溫>平均氣溫。

2.3.3 各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)量的影響由表3看出，各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)量的影響均呈正相關(guān)，即隨著蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度的增加產(chǎn)量呈升高的趨勢(shì)，三者對(duì)產(chǎn)量的相關(guān)性依次為平均相對(duì)濕度>平均風(fēng)速>蒸發(fā)量。

3 結(jié)論與討論

區(qū)域（臨汾）相關(guān)氣象因子資料動(dòng)態(tài)變化分析表明，1987-2017年中各年小麥生育期降水量、平均氣溫和平均lOcm地溫呈遞增趨勢(shì)，蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度呈遞減趨勢(shì);1987-2017年小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬，各月蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。關(guān)于本區(qū)域降水量，20世紀(jì)50、60、70、80、90年代、21世紀(jì)前10年及近7年的自然年度年平均降水量分別為513.6、535.0、500.5、467.1、438.5、459.8、467.5 mm，可以看出20世紀(jì)50、60、70年平均降水量≥500 mm，至20世紀(jì)90年代年均降水量跌至450 mm以下，而進(jìn)入21世紀(jì)前10年及近7年降水量則呈上升趨勢(shì)，但仍未突破500 mm;因此，從這個(gè)區(qū)間看年降水量總體呈降低趨勢(shì)，而本項(xiàng)研究采集區(qū)間為1987年6月中旬一2017年6月上旬，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)小麥生育期降水量增加趨勢(shì)。其他相關(guān)氣象因子如平均氣溫、平均地溫、蒸發(fā)量等在較大區(qū)間的變化動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與本項(xiàng)研究采集區(qū)間趨勢(shì)表現(xiàn)一致。

統(tǒng)計(jì)區(qū)域（臨汾）相關(guān)氣象因子間相關(guān)性表明：1987-2017年中各年小麥生育期蒸發(fā)量隨平均氣溫的升高呈降低趨勢(shì)，即平均氣溫與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)，這與申雙和對(duì)全國(guó)近45年（自然年度）的氣溫與蒸發(fā)量的研究結(jié)果相一致;而小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)、各月份的蒸發(fā)量則隨平均氣溫的升高呈上升趨勢(shì)，即各季節(jié)、各月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關(guān)，這與各年小麥生育期平均氣溫與蒸發(fā)量的結(jié)果不相一致，分析其原因，主要是由于其間各年小麥生育期平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關(guān)，而各年小麥生育期平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈降低趨勢(shì)，且二者的變異系數(shù)大于平均氣溫的變異系數(shù)，即由于各年小麥生育期平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的降幅大于各年小麥生育期平均氣溫的升高幅度而抵消了溫度對(duì)蒸發(fā)量的正效應(yīng)。本項(xiàng)研究用統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)，而申雙和等通過彭曼公式中能量平衡項(xiàng)和空氣動(dòng)力項(xiàng)驗(yàn)證了風(fēng)速降低、日照時(shí)數(shù)減少是年蒸發(fā)量降低的主要原因。

分析研究區(qū)域相關(guān)氣象因子對(duì)小麥產(chǎn)量的相關(guān)性表明，生產(chǎn)年度、生育期和休閑期降水量對(duì)產(chǎn)量均呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為：生產(chǎn)年度>生育期>休閑期，這與崔歡虎等對(duì)山西浮山縣小麥單產(chǎn)與全年降水量關(guān)系的研究結(jié)果一致。各年小麥生育期平均氣溫、平均地溫和日照時(shí)數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，各年小麥生育期平均相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、平均風(fēng)速與產(chǎn)量呈正相關(guān)。其中平均風(fēng)速可能是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子，由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致平均氣溫和平均地溫上升而降低小麥產(chǎn)量，由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致蒸發(fā)量降低而降低小麥產(chǎn)量，由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致平均相對(duì)濕度上升而提高小麥產(chǎn)量，而有關(guān)風(fēng)速衍生其他氣象因子的變化而對(duì)小麥產(chǎn)量的影響相關(guān)研究較少。

本項(xiàng)研究應(yīng)用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量解析小麥生育期間的蒸發(fā)量及其與其他因子間的相關(guān)性，是基于周林等開展的氣候變暖對(duì)黃淮海平原冬小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響的數(shù)值模擬研究結(jié)果“高溫加大了土壤蒸發(fā)”。本課題開展的小麥冬前地溫提升模擬方法（2017年）也較好地驗(yàn)證了地溫升高會(huì)誘發(fā)土壤蒸發(fā)量的增加，而本項(xiàng)研究也表明氣溫與地溫高度正相關(guān)。