1971-2017年隴中地區(qū)氣候變化及其對(duì)旱地春小麥產(chǎn)量的影響

逯玉蘭,李 廣,閆麗娟,聶志剛,茹曉雅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

隨著世界氣候的變化，全球海陸表面的平均溫度呈上升趨勢(shì)[1]，降水也會(huì)發(fā)生一定程度的變化。旱地春小麥?zhǔn)屈S土丘陵溝壑區(qū)域主要的糧食作物之一,其生長(zhǎng)發(fā)育主要受降水和溫度的影響,進(jìn)而影響最終產(chǎn)量[2-3],且在干旱地區(qū)降水效應(yīng)更加明顯[4]。小麥的產(chǎn)量形成以光合作用為基礎(chǔ),而光合效率又與溫度有著緊密的聯(lián)系,適宜的溫度能夠提高光合速率,但過(guò)高的溫度會(huì)造成小麥早衰或早熟,進(jìn)而影響產(chǎn)量。降水對(duì)旱地春小麥的產(chǎn)量形成起著決定性的作用，干旱缺水是旱地農(nóng)業(yè)區(qū)制約春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素，尤其是在小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，缺水會(huì)導(dǎo)致小麥嚴(yán)重減產(chǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響研究已經(jīng)很多。對(duì)1986-2014年臨汾的降水和小麥農(nóng)藝性狀資料的分析結(jié)果顯示，降水變化對(duì)冬小麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量都有很大的影響[5]。對(duì)河北平原春季氣溫、降水效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥氣候產(chǎn)量與降水量呈正相關(guān),與溫度也顯著相關(guān),高溫是小麥減產(chǎn)的主要因素[6]。通過(guò)多元回歸分析，在華北平原，影響冬小麥產(chǎn)量的兩個(gè)主要因子是溫度和太陽(yáng)輻射,出苗至抽穗期,溫度升高對(duì)冬小麥產(chǎn)量有正效應(yīng); 抽穗至成熟階段,溫度升高對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)[7]。在河南省,抽穗-成熟期影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子是日最高氣溫,而在返青-抽穗期是日最低氣溫[8]。對(duì)晉南1961-2015年的逐日氣溫、降水量及日照時(shí)數(shù)資料分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)小麥產(chǎn)量與生育期的降水量呈顯著正相關(guān)，與氣溫的相關(guān)性較小[9]。綜上所述,過(guò)去大量的研究主要集中在溫度或者水分變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響,并且大多數(shù)只關(guān)注小麥整個(gè)生育期氣候變化對(duì)其生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響,而不同生育階段氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響雖有報(bào)道,但基于作物模型研究小麥生長(zhǎng)發(fā)育各個(gè)階段溫度(包括日均溫、日均最高溫和日均最低溫)、降水對(duì)小麥產(chǎn)量的影響報(bào)道尚少。

鑒于此,本研究利用APSIM模型模擬旱地春小麥的生育期和產(chǎn)量,分析全生育期和不同生育階段溫度(日均溫、日均最高溫和日均最低溫)、降水對(duì)產(chǎn)量的影響,以期為隴中地區(qū)旱地春小麥的合理栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究區(qū)屬于隴中黃土高原,為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，主要輪作方式是春小麥與豌豆輪作,一年一熟制。海拔為2 000 m,年平均降雨量391 mm,年平均氣溫6.4 ℃,年蒸發(fā)量1 531 mm,年均太陽(yáng)輻射592.9 kJ·m-2,年日照時(shí)數(shù) 2 476.6 h,無(wú)霜期140 d,年均≥0 ℃積溫 2 934 ℃,年均≥10 ℃積溫2 239 ℃。

1.2 APSIM簡(jiǎn)介

APSIM模型是由澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APARU)聯(lián)合開發(fā)研制的，用于模擬旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中各主要組分的機(jī)理模型[10-11]。該模型主要由4部分組成:(1)生物物理模塊,用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的生物和物理過(guò)程; (2)管理模塊,輸入水、肥、耕作等管理措施; (3)數(shù)據(jù)輸入輸出模塊,用于模擬過(guò)程中數(shù)據(jù)的輸入、輸出; (4)中心引擎,用于控制模塊間信息的傳遞。此外，該模型還包括APSFRONT、APSIM-explore、APSGRAPH、APSIM-Qutlook、APSRUDO、APSTOOL等輔助用戶界面,用于模型構(gòu)建、測(cè)試、顯示模擬結(jié)果等。

1.2.1 氣候模塊參數(shù)設(shè)置

APSIM模型的基礎(chǔ)是氣候模塊,因此建立精確、合理的氣候模塊是整個(gè)模型應(yīng)用的關(guān)鍵。模型運(yùn)行所需的最基本的一組逐日氣象要素變量包括逐日最高氣溫(℃)、逐日最低氣溫(℃)、逐日降水量(mm)和逐日太陽(yáng)輻射量(MJ·m-2)。本研究應(yīng)用的1971-2017年的氣候資料是由定西水保所氣象觀測(cè)站自動(dòng)測(cè)定的。組建氣候模塊的其他參數(shù)都較容易獲取,逐日太陽(yáng)輻射量難以得到,需將觀測(cè)日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)輻射值,具體計(jì)算公式[12]如下：

δ=0.409×sin(2π/365×J-1.39)

(1)

ws=arcos(-tanδ×tanφ)

(2)

dr=1+0.033×cos(2π/365×J)

(3)

Ra=37.6×dr×(ws×sinφ×sinδ+cosφ×cosδ×sinws)

(4)

N=24/π×ws

(5)

Rns=0.77×(0.25+0.5×n/N) ×Ra

城市總體規(guī)劃的涉水部分內(nèi)容主要體現(xiàn)在城市公共供水廠和污水處理廠的規(guī)模確定，大多利用城市給水規(guī)范、室外給水規(guī)范、采用人均綜合生活用水指標(biāo)、排水系數(shù)等粗略估算，缺乏其他相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如 GDP、工業(yè)增加值、三產(chǎn)、建筑指標(biāo)、耕地、湖泊數(shù)據(jù)等。水資源論證規(guī)劃用水合理性困難較大。

(6)

式中，δ代表太陽(yáng)赤緯(Rad),J代表日序,φ代表當(dāng)?shù)鼐暥?ws代表日落的角度(Rad),dr代表日地相對(duì)距離,Ra代表晴空太陽(yáng)輻射 (MJ·m-2·d-1),N代表最大天文日照時(shí)數(shù)(h),n代表逐日日照時(shí)數(shù)(h),Rns代表日凈短波輻射(MJ·m-2·d-1)。

1.2.2 土壤模塊參數(shù)設(shè)置

根據(jù)在試驗(yàn)地測(cè)定的土壤物理參數(shù)建立土壤模塊,不同土層的土壤物理參數(shù)包括容重、田間最大持水量、萎蔫系數(shù)等(表1)。

表1 土壤參數(shù)

1.2.3 作物屬性模塊參數(shù)設(shè)置

APSIM模型采用的是通用作物生長(zhǎng)模型來(lái)模擬各種一年生和多年生作物的生長(zhǎng),不同作物的模型參數(shù)值不同。作物屬性模塊主要包括小麥的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、品種遺傳參數(shù)、產(chǎn)量形成和植株形態(tài)等參數(shù)[13](表2)。

表2 作物屬性模塊參數(shù)

1.2.4 管理模塊參數(shù)設(shè)置

管理模塊的參數(shù)是根據(jù)田間試驗(yàn)設(shè)置的,包括播種參數(shù)、耕作措施等。本研究中的具體管理措施：播種日期3月15日,播種深度30 mm,播種量187.5 kg·hm-2,播種行間距250 mm,收獲日期以模型模擬為主。

1.3 氣候數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

本研究中應(yīng)用的1971-2017年的氣候資料是由定西水保所氣象觀測(cè)站自動(dòng)測(cè)定的。降水量和氣溫是根據(jù)1971-2017年春小麥各生育時(shí)期逐日的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)整理而得,生育期和產(chǎn)量數(shù)據(jù)是運(yùn)用APSIM模型模擬得到的，并利用Excel 2010和DPS 17.10軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量的變化

2.1.1 年降水量及旱地春小麥全生育期降水量的變化趨勢(shì)

近47年來(lái),隴中地區(qū)年降水量呈下降趨勢(shì),全年降水量?jī)A向率為-4.639 mm·10 a-1,年降水量在年際間波動(dòng)大(圖1)。20世紀(jì)70年代至80年代中期年總降水量波動(dòng)較大,極端降水出現(xiàn)的頻率較高，如1979年總降水量達(dá)到了547.1 mm,而1982年總降水量?jī)H為245.7 mm；1984-1996年總降水量穩(wěn)定,1997年總降水量突降為264.4 mm,1998年降水又突增為414.1 mm,1999-2002年總降水量遞減；2003-2017年總降水量波動(dòng)也較大,極端降水出現(xiàn)的頻率又增加,如2003年降水突增為471.1 mm,2004年又下降為326.9 mm,年降水量由2008年的390.2 mm突降為2009年的294.3 mm,由2014年的474.8 mm突降為2015年的282.5 mm,2017年又由2016年的275.9 mm突增為401 mm。

圖1 1971-2017年全年降水量和生育期降水量變化趨勢(shì)

春小麥全生育期降水量呈略微下降趨勢(shì),生育期降水量?jī)A向率為-1.304 mm·10 a-1,生育期降水量年際間波動(dòng)較大。1971-1982年生育期降水量波動(dòng)較大,極端降水出現(xiàn)的頻率很高,如1977年的生育期降水量為這47年中最大值,達(dá)到了286.3 mm,而1982年的生育期降水量為這47年中最小值,僅為56.3 mm。1983-1997年生育期降水量變化比較平穩(wěn),1998年以后生育期降水量波動(dòng)又加大,1998年出現(xiàn)了極端降水,生育期降水量為252.7 mm,2000年又突降為111.9 mm,2009年生育期降水量為79.3 mm,2013年為249.7 mm。

2.1.2 旱地春小麥不同生育階段降水量的變化趨勢(shì)

旱地春小麥不同生育階段的降水量變化趨勢(shì)不同(表3)。 在8個(gè)生育階段中，出苗-分蘗期、拔節(jié)-孕穗期和灌漿-成熟期的降水量均不同程度下降，其中灌漿-成熟期下降幅度最大,傾向率為-2.995 mm·10 a-1; 分蘗-拔節(jié)期、抽穗-開花期、開花-灌漿期和播種-出苗期的降水量均不同程度上升，其中前兩個(gè)階段上升幅度較大,傾向率分別為1.855和1.684 mm·10 a-1; 孕穗-抽穗期降水量保持平穩(wěn)?？梢?隴中地區(qū)旱地春小麥全生育期降水量的減少主要由灌漿-成熟期降水量減少導(dǎo)致的。

表3 旱地春小麥不同生育階段降水量的傾向率

2.2 氣溫的變化

2.2.1 全年日均溫、日均最高溫和日均最低溫的變化趨勢(shì)

從圖2可以看出。近47年來(lái),隴中地區(qū)全年日均溫變化范圍為5.62～9.13 ℃,最低值和最高值分別出現(xiàn)在1976年和2016年,氣溫總體呈上升趨勢(shì),平均每10年升高0.59 ℃; 全年日均最高溫的傾向率為0.487 ℃·10 a-1,也呈增溫趨勢(shì),變化范圍為12.47～16.51 ℃,最低值和最高值分別出現(xiàn)在1984年和2016年; 全年日均最低溫變化幅度最大,平均每10年升高0.72 ℃,變化范圍為0.057～3.59 ℃,最低值和最高值分別出現(xiàn)在1976年和2015年?？傊?隴中地區(qū)的全年氣溫呈上升趨勢(shì),氣候變暖,與全球氣候變暖的趨勢(shì)保持一致。

圖2 1971-2017年全年日均溫、日均最高溫和日均最低溫的變化趨勢(shì)

2.2.2 旱地春小麥全生育期日均溫、日均最高溫和日均最低溫的變化趨勢(shì)

在1971-2017年間，春小麥全生育期日均溫、日均最高溫和日均最低溫都呈上升趨勢(shì)(圖3),三個(gè)指標(biāo)的傾向率分別為0.611、0.513和 0.783 ℃·10 a-1,變化范圍分別為11.41～ 14.98、18.16～22.26和18.77～21.7 ℃,最低值分別出現(xiàn)在1976年、1986年和1977年,最高值分別出現(xiàn)在2013年、2016年和2009年。綜上可知,隴中地區(qū)小麥生育期日均溫的升高主要是由生育期日均最低溫的逐年增加導(dǎo)致的。

圖3 1971-2017年旱地春小麥全生育期日均溫、日均最高溫和日均最低溫的變化趨勢(shì)

2.2.3 旱地春小麥不同生育階段日均溫、日均最高溫和日均最低溫的變化趨勢(shì)

在旱地小麥的8個(gè)生育階段中，日均溫、日均最高溫和日均最低溫均有上升趨勢(shì)(表4),其中每個(gè)階段的日均最低溫上升趨勢(shì)最明顯,增溫幅度最大,日均最高溫的增溫幅度最小,日均溫的變化幅度居中。每個(gè)生育階段的日均溫增加的主要原因是此生育階段的日均最低溫逐年增加。

表4 旱地春小麥不同生育階段氣溫的傾向率

2.3 APSIM模型檢驗(yàn)

利用2011-2017年連續(xù)7年的產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)模型的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)(圖4),所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都分布在±15%誤差線內(nèi),產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值的決定系數(shù)r2為0.970 9,歸一化均方根誤差NRMSE為7.505%,表明模型能夠很好地模擬旱地春小麥產(chǎn)量。

圖4 小麥產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值的相關(guān)分析

2.4 旱地春小麥產(chǎn)量與全生育期不同氣候因子的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明,旱地春小麥全生育期降水量與產(chǎn)量的相關(guān)性最高,呈極顯著正相關(guān)(r=0.576 1,P=0.000 1),表明全生育期降水量的增加可以大大提高旱地小麥的產(chǎn)量; 全生育期日均最高溫與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=0.286 4,P=0.050 0),說(shuō)明全生育期最高溫的升高對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)不利; 而全生育期日均溫和日均最低溫與產(chǎn)量分別呈不顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.2479(P=0.092 9)和-0.1596(P= 0.283 8)。

2.5 旱地春小麥產(chǎn)量與不同生育階段氣候因子的相關(guān)性

由表5可知,旱地春小麥8個(gè)生育階段的降水量與產(chǎn)量都呈正相關(guān)。其中，灌漿-成熟期的降水量與產(chǎn)量的相關(guān)性最高，達(dá)極顯著水平；拔節(jié)-孕穗期的降水量與產(chǎn)量的相關(guān)性次高,達(dá)顯著水平。播種-出苗期和出苗-分蘗期的日均溫與產(chǎn)量呈正相關(guān),其他6個(gè)生育階段的日均溫與產(chǎn)量均呈負(fù)相關(guān)。其中，灌漿-成熟期的日均溫與產(chǎn)量的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平；拔節(jié)-孕穗期的日均溫與產(chǎn)量的相關(guān)性也達(dá)到了極顯著水平; 灌漿-成熟期的最高溫與產(chǎn)量的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平；拔節(jié)-孕穗期的日均最高溫與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，分蘗-拔節(jié)期、孕穗-抽穗期、抽穗-開花期和開花-灌漿期的日均最高溫與產(chǎn)量均呈負(fù)相關(guān),但均未達(dá)到顯著水平；播種-出苗期和出苗-分蘗期的日均最高溫與產(chǎn)量呈正相關(guān),也未達(dá)顯著水平。旱地春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的8個(gè)階段的日均最低溫與產(chǎn)量的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。其中，灌漿-成熟期的日均最低溫與產(chǎn)量的相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)為 -0.257 5；孕穗-抽穗期的日均最低溫與產(chǎn)量的相關(guān)性最小,相關(guān)系數(shù)只有0.000 1?？傊?，與旱地春小麥產(chǎn)量顯著相關(guān)的氣候因子有拔節(jié)-孕穗期降水量、灌漿-成熟期降水量、拔節(jié)-孕穗期日均溫、灌漿-成熟期日均溫、拔節(jié)-孕穗期日均最高溫和灌漿-成熟期日均最高溫。重要相關(guān)性的生育階段氣候因子和產(chǎn)量之間的散點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 相關(guān)性高生育階段的氣候因子和小麥產(chǎn)量之間的散點(diǎn)圖

表5 旱地春小麥產(chǎn)量與不同生育階段及全生育期氣候因子的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 隴中地區(qū)氣候變化趨勢(shì)

降水量和氣溫是反映氣候變化的兩大要素。張涵丹等認(rèn)為，定西市1960-2004年間氣溫呈上升趨勢(shì),在之后的一段時(shí)期內(nèi)氣溫將持續(xù)上升,降水量呈下降趨勢(shì),且以夏秋季節(jié)下降為主[14]。裴彬研究表明，近30年來(lái)甘肅地區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì),降水呈減少趨勢(shì),氣候變化存在區(qū)域差異,中部地區(qū)有由濕變干的趨勢(shì),北部與南部地區(qū)有由干變濕的趨勢(shì)[15]。本研究結(jié)果顯示，近47年來(lái),隴中地區(qū)的全年降水量和旱地小麥全生育期的降水量都呈減少趨勢(shì),全年和全生育期的日均溫、日均最高溫和日均最低溫都呈增加趨勢(shì),說(shuō)明該地區(qū)的氣候朝著暖干化的方向變化。全年和旱地春小麥全生育期內(nèi)日均最低溫的增速略高于日均溫,日均溫略高于日均最高溫,并且生育期內(nèi)溫度的增速高于全年,說(shuō)明研究區(qū)氣溫上升主要是日均最低溫的逐年增加導(dǎo)致的。不同生育階段的降水量變化趨勢(shì)不同,其中灌漿-成熟期降水量的減少對(duì)生育期降水量影響最大。由此可見,本研究對(duì)研究區(qū)的氣候變化趨勢(shì)的分析與前人的研究結(jié)果一致。為保證該地區(qū)旱地春小麥增產(chǎn),建議以后栽培抗旱性強(qiáng)、耐高溫的小麥品種。

3.2 氣候變化對(duì)旱地春小麥產(chǎn)量的影響

研究顯示,氣候變化對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響至關(guān)重要。裴雪霞等[9]認(rèn)為，小麥的產(chǎn)量與降水量,尤其是與生育期內(nèi)的降水量相關(guān)性高,這與本研究旱地春小麥全生育期降水量與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)的結(jié)果可相互印證。小麥的產(chǎn)量不僅與全生育期降水總量有關(guān),還與各生育階段的降水量有關(guān),而且后者對(duì)小麥產(chǎn)量的影響更為深刻。張秀云等[16]研究表明,半干旱區(qū)小麥需水的關(guān)鍵時(shí)期是5月中、下旬,這個(gè)時(shí)期正值小麥的拔節(jié)期; 李廣等[13]的研究結(jié)果顯示，6-7月份的降水是影響定西地區(qū)旱地春小麥的關(guān)鍵因子,6-7月份是旱地春小麥的灌漿-成熟期,這與本研究得到的產(chǎn)量與拔節(jié)-孕穗期的降水量呈顯著正相關(guān),與灌漿-成熟期的降水量呈極顯著正相關(guān)的結(jié)果一致,該時(shí)期的降水下降幅度最大,降水減少對(duì)增產(chǎn)的影響也最大。相關(guān)研究表明,高溫不僅會(huì)對(duì)高光合器官造成損壞,降低光合速率,還會(huì)縮短生育期,減少光合作用的時(shí)間,對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素產(chǎn)生不利的影響[17-18]。本研究中，日均溫、日均最高溫和日均最低溫的增加對(duì)小麥產(chǎn)量存在一定程度的負(fù)效應(yīng),與全生育期日均最高溫呈顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步研究表明,灌漿-成熟期的日均溫和日均最高溫都與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān),該時(shí)期的溫度有明顯的上升趨勢(shì),并且增溫對(duì)產(chǎn)量的不利影響也最為凸顯; 拔節(jié)-孕穗期日均溫和日均最高溫與產(chǎn)量的相關(guān)性分別達(dá)到了極顯著和顯著水平; 8個(gè)生育階段的日均最低溫與產(chǎn)量的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。因此,在研究區(qū)旱地春小麥的大田管理中,應(yīng)著重考慮拔節(jié)-孕穗期和灌漿-成熟期,以期減少降水和氣溫變化對(duì)產(chǎn)量的不利影響。雖然降水和溫度這兩個(gè)氣候因子的時(shí)空分布難以控制,但是可以掌握其變化規(guī)律并加以合理地利用,對(duì)小麥生產(chǎn)的調(diào)控和預(yù)測(cè)產(chǎn)量具有重要的意義。