伏旱與土壤濕度對春玉米和冬小麥產(chǎn)量的影響

張紅妮 張?zhí)旆? 車向軍

摘要：利用甘肅省慶陽市黃土高原8個氣象站1971—2018年共48年伏期降水量資料，分析了伏期降水和伏旱的空間分布特征、伏期降水的時間變化規(guī)律以及伏旱與春玉米和次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系，用以代表黃土高原塬區(qū)董志塬上的西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站1994—2018年春玉米田和1986—2015年冬小麥田伏期土壤相對濕度資料，分析了伏期土壤相對濕度與春玉米和冬小麥產(chǎn)量等的關(guān)系。結(jié)果表明，伏期降水量最少的是鎮(zhèn)原氣象站，為123.7 mm，次少的是環(huán)縣氣象站，為125.3 mm，最多的是正寧氣象站，為162.5 mm， 次多的是華池氣象站，為149.9 mm。伏期降水量由東向西遞減。伏旱頻率最高的是合水、慶城、華池，為41.7%，伏旱頻率最低的是寧縣，為31.1%，頻率從東北向西南遞減。伏期降水量20世紀(jì)70年代降水偏少，80、90年代偏多，21世紀(jì)頭10年偏少，2011—2018年偏多。伏期多雨年份比伏旱年份春玉米平均單產(chǎn)高960.0 kg/hm2;冬小麥平均單產(chǎn)高1 599.0 kg/hm2。伏期土壤相對濕度大年比小年玉米平均單產(chǎn)高2 287.5 kg/hm2;冬小麥平均單產(chǎn)高705.5 kg/hm2。

關(guān)鍵詞：伏期干旱;土壤相對濕度;春玉米;冬小麥;慶陽黃土高原

Abstract： Using the precipitation data from the eight weather stations of Qingyang LOESS plateau from 1971 to 2018， the spatial distribution characteristics of the precipitation and drought were first analyzed， and the time change laws of precipitation were analyzed. The relationship between drought， spring corn and winter wheat yield was analyzed. It is then used to represent the data of soil relative humidity in the winter wheat field from spring 1994 to 2018 and winter wheat field from 1986 to 2015 at the Xifeng Agricultural meteorological experimental station on the Dongzhi plateau in the loess plateau. The relationship between soil relative humidity and spring corn and winter wheat production is analyzed. The results showed that the lowest precipitation was 123.7 mm in Zhenyuan weather station， 125.3 mm in Huanxian weather station， 162.5 mm in Zhengning weather station， and 149.9 mm in Huachi weather station. Precipitation decreases from East to West. The highest frequency of drought is 41.7% in Heshui， Qingcheng and Huachi， and 31.1% in Ningxian county， and the frequency decreases from northeast to southwest. Precipitation was less in the 1970s， more in the 1980s and 1990s， less in the 2020s， and more in 2011—2018. The average yield of corn per hectare was 960.0 kg/hm2 higher than that of the spring of the drought; The average yield height of winter wheat is 1 599.0 kg/hm2. The average yield of maize is 2287.5 kg/hm2 higher than that of soil relative humidity. The average yield height of winter wheat is 705.5 kg/hm2.

Key words：peripheral drought; relative soil humidity; spring corn; winter wheat; Qingyang loess plateau

慶陽黃土高原位于甘肅省東部，素有“隴東糧倉”之稱，屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響范圍廣，時間長，危害重。由于長期無雨或少雨導(dǎo)致土壤和河流缺水，進(jìn)而影響農(nóng)作物生長甚至枯死，造成人畜飲水困難等災(zāi)害現(xiàn)象。該區(qū)自然降水變率較大，時空分布極不均勻，在作物的主要生長季節(jié)雨量變化相差很大。最多年份和最少年份的同月雨量相差幾倍甚至十幾倍。伏期（7月11日至8月20日，41 d） 干旱（以下簡稱伏旱）指伏天出現(xiàn)較長時段的高溫、晴熱、少雨天氣而發(fā)生的干旱，其時間雖短僅占全年的11.2%，但它是慶陽黃土高原的主要氣候災(zāi)害之一，對以冬小麥和春玉米為主的夏、秋糧產(chǎn)量有較大影響。此時冬小麥正處收墑期，播前土壤底墑對其播種、出苗影響較大，進(jìn)而影響次年冬小麥的產(chǎn)量。伏期更是春玉米等大秋作物需水量最多、耐旱力最差的時期，春玉米正處抽雄、開花、吐絲、灌漿、乳熟的關(guān)鍵發(fā)育期，對干旱最為敏感。作物的水分臨界期出現(xiàn)旱害將影響作物的發(fā)育，特別是產(chǎn)量。春玉米的水分臨界期主要發(fā)生在抽雄前“大喇叭口”期，這時的干旱即“卡脖子旱”?！按罄瓤凇逼谠庥龈珊担瑢Υ河衩姿敕只瘶O為不利。春玉米開花、吐絲期最怕旱，開花、吐絲期的前后15 d即“大喇叭口”期和子粒形成期，在這時出現(xiàn)旱情會嚴(yán)重抑制雄花的正常發(fā)育及授精授粉和灌漿乳熟，干旱嚴(yán)重時可直接造成減產(chǎn)甚至絕收。關(guān)于伏旱，科研工作者已經(jīng)做了很多研究，吳愛敏等[1]根據(jù)水分平衡原理，利用降水量和蒸發(fā)量兩要素，定義伏旱指數(shù)，通過對伏期降水量、伏旱指數(shù)的分析，總結(jié)了慶陽黃土高原伏旱的時空分布等變化特征。董大學(xué)等[2]通過黃土高原塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量與底墑關(guān)系的分析，得出黃土高原南部地區(qū)冬小麥產(chǎn)量與播前底墑相關(guān)性強，播前底墑和生育期降水均與產(chǎn)量有良好的相關(guān)性，可用于次年冬小麥產(chǎn)量趨勢預(yù)測和建立數(shù)學(xué)模型。通過黃土高原塬區(qū)播前底墑變化和生育期差別供水對冬小麥產(chǎn)量、耗水量以及水分利用效率的影響，得出播前底墑對冬小麥產(chǎn)量具有決定性作用，產(chǎn)量隨底墑線性增加[3-25]。研究利用1971—2018年慶陽黃土高原8個氣象站的伏期降水量資料，分析了慶陽黃土高原伏期降水的年代際變化規(guī)律、伏旱出現(xiàn)的頻率及時空分布特征，同時利用代表慶陽黃土高原塬區(qū)董志塬上的西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站作物觀測地段，伏期1994—2018年春玉米田0～50 cm、1986—2015年冬小麥田0～100 cm平均土壤相對濕度資料，分析了伏期土壤相對濕度與春玉米、次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系，進(jìn)而為分析慶陽黃土高原伏旱和伏期土壤濕度對糧食作物產(chǎn)量的影響提供理論依據(jù)，對于安排該地作物布局、加強田間管理及糧食作物的增產(chǎn)都有一定的積極作用。

1 資料與研究方法

1.1 資料來源

慶陽黃土高原8個氣象站的降水資料來自甘肅省慶陽市氣象局資料室，土壤相對濕度和作物發(fā)育期資料來源于西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站，其中春玉米為覆膜玉米。冬小麥一般9月中下旬播種，次年6月中下旬成熟，產(chǎn)量以成熟年份為當(dāng)年記錄，伏期為播前收墑期。春玉米播種期為4月中下旬，成熟期為9月上中旬，伏期正處抽雄、開花、吐絲、灌漿和乳熟期。春玉米和冬小麥產(chǎn)量資料均來源于慶陽市統(tǒng)計局。

1.2 分析方法

利用慶陽黃土高原8個氣象站的相關(guān)氣象資料和作物發(fā)育期資料進(jìn)行分析，采用Microsoft Excel 2003、Surfer繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、制圖，通過計算降水距平百分率統(tǒng)計伏旱出現(xiàn)的頻率，分析伏旱的空間分布特征，進(jìn)而從伏期區(qū)域平均降水量中各選取3個多雨年份和3個干旱年份，對伏旱與春玉米、次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析。同樣以董志塬上的西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站所測作物地段土壤相對濕度記錄為慶陽黃土高原塬區(qū)代表點，通過統(tǒng)計春玉米田和冬小麥田平均土壤相對濕度資料，從伏期平均土壤相對濕度中各選取3個土壤相對濕度大年和3個土壤相對濕度小年，對伏期土壤相對濕度與春玉米和次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行了分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 伏期降水的空間分布特征

要分析伏旱的空間分布特征，就必須先分析伏期降水的空間分布特征。利用1971—2018年共48年慶陽黃土高原8個氣象站的伏期降水資料（統(tǒng)一取每年的7月11日至8月20日，共41 d）為基礎(chǔ)，分析了慶陽黃土高原7縣1區(qū)伏期降水空間分布特點（圖1），由圖1可見，伏期降水量最少的是鎮(zhèn)原氣象站，為123.7 mm，次少的是環(huán)縣氣象站，為125.3 mm，最多的是正寧氣象站，為162.5 mm，次多的是華池氣象站，為149.9 mm。伏期降水量由東向西遞減。

2.2 伏旱的頻率分布特征

利用1971—2018年共48年慶陽黃土高原8個氣象站伏期降水資料，計算降水距平百分率作為伏旱指標(biāo)，以降水距平百分率小于-20%為伏旱年，通過頻率出現(xiàn)時空分布特征，分析得出慶陽黃土高原伏旱的空間分布特征（圖2）。由圖2可見知，合水、慶城、華池伏旱出現(xiàn)頻率最高，為41.7%，寧縣伏旱出現(xiàn)頻率最低，為31.1%，伏旱出現(xiàn)頻率由東北向西南遞減。

2.3 伏期降水量的時間變化規(guī)律

利用1971—2018年共48年慶陽黃土高原8個氣象站的伏期降水，計算區(qū)域平均降水量，再計算降水距平百分率，由其時間演變曲線（圖3）可以看出，伏期降水量年際變化很明顯，對比48年的資料發(fā)現(xiàn)，雖然各縣（區(qū)）的平均降水量相差不大，但多雨年份和伏旱年份的降水量差別較大，最多的年份是1988年，為266.2 mm，最少的年份是1972年，為67.6 mm，最多年份是最少年的3.9倍，說明慶陽黃土高原伏期降水的變率較大。1971—1974年降水偏少，1975年降水偏多，1976—1977年降水偏少，1978年降水偏多，1979年降水偏少，1980—1982年降水偏多，1983—1987年降水偏少，1988—1990年降水偏多，1991年降水偏少，1992—1993年降水偏多，1994年降水偏少，1995—1996年降水偏多，1997—1998年降水偏少，1999年降水偏多，2000—2002年降水偏少，2003—2004年降水偏多，2005—2007年降水偏少，2008—2011年降水偏多，2012年降水偏少，2013年降水偏多，2014—2016年降水偏少，2017—2018年降水偏多。

2.4 伏旱與春玉米、冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系

從1971—2018年伏期區(qū)域平均降水量中各選取了3個多雨年和3個干旱年，多雨年依次是1988、1992和1996年，干旱年份依次是1972、1986和1994年，對伏旱與春玉米、次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析。表1為伏期多雨年份和干旱年份降水量與春玉米、冬小麥產(chǎn)量的對比。由表1可知，多雨年份平均降水量248.5 mm，干旱年份平均降水量為68.9 mm，多雨年份平均降水量是干旱年份的3.6倍。多雨年份春玉米平均單產(chǎn)為3 886.5 kg/hm2，干旱年份為2 926.0 kg/hm2，多雨年份比干旱年份玉米平均單產(chǎn)高960.5 kg/hm2，說明伏期降水量多，玉米產(chǎn)量就高;伏期降水量少，易形成“卡脖子旱”，玉米產(chǎn)量也就低。特別是對沒有采取抗旱措施的春播玉米產(chǎn)量影響更大，主要表現(xiàn)為穗粒數(shù)和百粒重降低。多雨年份冬小麥次年平均單產(chǎn)為2 486.0 kg/hm2，干旱年份冬小麥次年平均單產(chǎn)為886.5 kg/hm2，多雨年比干旱年份冬小麥平均單產(chǎn)高1 599.5 kg/hm2。

2.5 伏期土壤相對濕度與春玉米產(chǎn)量的關(guān)系

以慶陽黃土高原塬區(qū)董志塬上的西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站春玉米觀測地段所測土壤相對濕度記錄為代表，從1994—2018年西峰伏期春玉米田0～50 cm平均土壤相對濕度中各選取3個土壤相對濕度大年和3個土壤相對濕度小年，土壤相對濕度大年依次是1996、2013和2018年，土壤相對濕度小年依次是2011、2017和2001年，對伏期春玉米田土壤相對濕度與春玉米產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析。表2為伏期春玉米田土壤相對濕度大年和土壤相對濕度小年與春玉米產(chǎn)量的對比。由表2可知，伏期土壤相對濕度大年春玉米平均單產(chǎn)為6 754.5 kg/hm2，小年平均單產(chǎn)為4 467.0 kg/hm2，土壤相對濕度大年比小年春玉米平均單產(chǎn)高2 287.5 kg/hm2，這說明伏期春玉米田土壤相對濕度大，春玉米產(chǎn)量就高，土壤相對濕度小，春玉米產(chǎn)量也就低。春玉米伏期土壤相對濕度與產(chǎn)量形成關(guān)系密切，伏期是春玉米抽雄、開花和吐絲（西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站歷年作物發(fā)育期資料顯示，平均日期7月15日至7月18日）、灌漿、乳熟（平均日期8月13日）的關(guān)鍵時期，穗期春玉米生長旺盛，加之氣溫較高，植株蒸騰蒸發(fā)量大，需水量較大，“大喇叭口”期為雌穗小花分化階段，對水分反應(yīng)十分敏感，土壤水分缺乏會引起“卡脖子旱”，使雌穗小花減少，造成雌雄不協(xié)調(diào)，影響正常授粉，抑制花絲伸長，縮短散粉時間，使結(jié)實率降低，導(dǎo)致禿尖、秕?；蛉绷?，使穗粒數(shù)減少。同時伏期春玉米正處于子粒灌漿階段，是春玉米子粒增重的關(guān)鍵時期，土壤水分是否適宜，對春玉米產(chǎn)量形成影響較大，充足的土壤水分供給可以有效延長灌漿時間，防止植株早衰，提高灌漿強度，促進(jìn)子粒干物質(zhì)積累，增加穗粒數(shù)，使子粒飽滿，百粒重提高，從而促進(jìn)產(chǎn)量增加。西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站經(jīng)多年觀測，總結(jié)出春玉米田最適宜的土壤相對濕度指標(biāo)為60%～85%。

2.6 伏期土壤相對濕度與次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系

同樣，以黃土高原塬區(qū)董志塬上的西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站冬小麥觀測地段所測土壤相對濕度記錄為代表，從1986—2015年伏期冬小麥田0～100 cm土壤相對濕度中各選取了3個土壤相對濕度大年和3個土壤相對濕度小年，土壤相對濕度大年依次是2013、1990和2005年，土壤相對濕度小年依次是1995、1997和2001年，對伏期冬小麥田土壤相對濕度與次年冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析（表3）。由表3可知，伏期土壤相對濕度大年次年冬小麥平均單產(chǎn)為3 225.5 kg/hm2，小年平均單產(chǎn)為2 520.0 kg/hm2，土壤相對濕度大年比小年次年冬小麥平均單產(chǎn)高705.5 kg/hm2，這說明伏期冬小麥田土壤相對濕度大，次年冬小麥產(chǎn)量就高，土壤相對濕度小，次年冬小麥產(chǎn)量也就低。伏期正是次年冬小麥播前收墑期，播前底墑對冬小麥的作用尤其重要，二者關(guān)系密切，西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站經(jīng)多年觀測，總結(jié)出冬小麥播種時最適宜的土壤相對濕度指標(biāo)為65%～80%。在此土壤水分下，冬小麥不僅出苗快、出苗齊，而且能促進(jìn)冬前分蘗。反之播前土壤干旱或過濕，可造成弱苗，葉片出生緩慢、瘦小或早期變黃，不發(fā)生次生根，冬前不分蘗或分蘗極少，造成全田總莖數(shù)不足。土壤相對濕度大于90%則土壤水分過多，土壤空氣不足，根系生長受限制;土壤相對濕度小于50%則土壤水分不足，根易早衰，抑制分蘗的產(chǎn)生，都不利于冬小麥苗期生長。在黃土高原塬區(qū)氣候條件下充足的播前底墑是旱作冬小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，充足的土壤水分能有效保證冬小麥良好的出苗狀況并促進(jìn)其分蘗，最終提升成熟期單位面積有效穗數(shù)，從而使產(chǎn)量得到提高。所謂“麥?zhǔn)崭裟陦劇薄叭嘤旰梅N麥”等農(nóng)諺也充分說明播前底墑是冬小麥增產(chǎn)的重要保障，播前底墑在很大程度上決定次年冬小麥產(chǎn)量的高低。

3 結(jié)論

伏期降水量最少的是鎮(zhèn)原氣象站，為123.7 mm，次少的是環(huán)縣氣象站，為125.3 mm，最多的是正寧氣象站，為162.5 mm，次多的是華池氣象站，為149.9 mm。伏期降水量由東向西遞減。

伏旱頻率最高的是合水、慶城、華池，為41.7%，伏旱頻率最低的是寧縣，為31.1%，頻率從東北向西南遞減。

伏期降水量20世紀(jì)70年代偏少，80、90年代偏多，21世紀(jì)頭10年偏少，2011—2018年偏多。

伏期多雨年份比干旱年份春玉米平均單產(chǎn)高960.5 kg/hm2，冬小麥平均單產(chǎn)高1 599.5 kg/hm2。

伏期土壤相對濕度大年比小年春玉米平均單產(chǎn)高2 287.5 kg/hm2，次年冬小麥平均單產(chǎn)高705.5 kg/hm2。播前底墑在很大程度上決定次年冬小麥產(chǎn)量的高低。

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