基于生態(tài)區(qū)域法的運城市冬小麥生產(chǎn)潛力估算及其氣象影響因子分析

徐 偉，楊文彪，祁澤偉，劉凱凱，高志強，林 文，薛建福

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801）

據(jù)報道，世界上約有6.9 億人遭受饑餓，平均每年增加1 000 萬[1]。如何提高糧食總產(chǎn)量，仍是眾多科學家、政治家和公眾關注的焦點問題。但近幾年來，世界人均耕地面積逐漸縮減，按照近幾年世界耕地面積變化趨勢預測，到2050 年世界人均耕地面積將降至0.151 hm2[2]。在世界人均耕地面積減少的大背景下，我國固守1.2 億hm2耕地紅線，但未來20 a 隨著城市化發(fā)展和人口的增長，仍會導致糧食供需矛盾的加劇[3]。通過運用與實際產(chǎn)量相關性最大的潛力模型，可為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高糧食生產(chǎn)能力提供一定的理論依據(jù)[4]。要想挖掘現(xiàn)有耕地面積的作物產(chǎn)量潛力，首先要明確生產(chǎn)潛力，明確由地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候決定的產(chǎn)量提升空間[5]。計算不同時空的光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，可以反映不同氣候背景下作物產(chǎn)量所能達到的上限，而將不同的氣象要素與生產(chǎn)潛力進行回歸分析，則可以了解不同區(qū)域氣象要素與作物產(chǎn)量的相關性。

小麥是山西省重點糧食作物，2009—2012 年山西省小麥產(chǎn)值呈現(xiàn)持續(xù)上漲狀態(tài)，年均產(chǎn)值增長率約為15.84%[6]。山西省冬小麥種植主要集中在山西南部的運城市和臨汾市，其中，2018 年運城市冬小麥種植面積占全省冬小麥種植面積的46.53%[7]。冬小麥生產(chǎn)潛力主要由當?shù)剞r(nóng)業(yè)氣候決定，不同氣候因素對冬小麥生產(chǎn)潛力的限制會隨地區(qū)不同而產(chǎn)生差異[8]。已有的山西冬小麥生產(chǎn)潛力研究主要集中在縣域尺度[9-10]，或從全省的層面對山西冬小麥生產(chǎn)潛力及氣象因子進行分析。但選用的氣象站點較少，年份較短，并未針對冬小麥主產(chǎn)區(qū)進行細致分析[11]。因此，本研究針對運城市的冬小麥生產(chǎn)潛力變化趨勢及相關氣象因子進行進一步分析。

本研究采用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法估算了運城市冬小麥生產(chǎn)潛力，并對該地區(qū)氣象因子與生產(chǎn)潛力進行回歸分析，明確近幾年運城市不同縣、市和區(qū)的冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，明確運城冬小麥產(chǎn)量上限，為縮小該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量差奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域及方法

本研究著重對運城市冬小麥生產(chǎn)潛力進行探索，同時對生產(chǎn)潛力的氣象限制因素進行挖掘，探究運城市冬小麥生長區(qū)氣象要素對冬小麥生產(chǎn)潛力的限制。通過農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法研究了生產(chǎn)潛力，對運城市13 個縣、市和區(qū)1997—2016 年冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力進行估算，探究近20 a 來冬小麥生產(chǎn)潛力變化的基本趨勢，明確降雨量、日照時數(shù)、溫度等氣象因子對冬小麥生產(chǎn)潛力的影響。

研究涉及的運城市13 個縣、市和區(qū)分別為河津、稷山、絳縣、臨猗、平陸、芮城、萬榮、聞喜、夏縣、新絳、鹽湖、永濟和垣曲；涉及的氣象站點的氣象數(shù)據(jù)（1997—2016 年）包括日均最低溫度、日均風速、日降水量、日平均溫度、日均最高溫度、日照時數(shù)、日均相對空氣濕度等氣象指標，全部由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供[12]。

1.2 生產(chǎn)潛力的計算

評價冬小麥生產(chǎn)潛力的指標有光溫生產(chǎn)潛力、光合生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力等。本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域模型對光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力進行計算[13]。此外，根據(jù)生產(chǎn)潛力衰減機制[14]和冬小麥不同生育階段的水分情況，對冬小麥氣候生產(chǎn)潛力進行估算。

1.2.1 光合生產(chǎn)潛力計算 光合生產(chǎn)潛力是利用輻射資料和地理位置信息計算的標準作物可能存在的潛在產(chǎn)量[11]。本研究通過日照時數(shù)和站點地理位置等信息換算對冬小麥光合生產(chǎn)潛力相關的太陽短波輻射量進行計算[15]。

式中，Rns指地表凈短波輻射（MJ/（m2·d））；Ra指晴空太陽輻射（MJ/（m2·d））；dr指太陽與對球相對距離；δ 指太陽赤緯（rad）；Ws指日落時角（rad）；N指最大天文日照時數(shù)（h）；n指日照時數(shù)（h）；φ 指測點緯度（rad）；J指日序。

在獲得基本的輻射資料數(shù)據(jù)之后，采用數(shù)值法來推算冬小麥光合生產(chǎn)潛力。

式中，y指光合生產(chǎn)潛力（kg/（hm2·d））；yc為生育期間全晴天時，標準作物總干物質(zhì)產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；yo指生育期間全陰天時，標準作物總干物質(zhì)產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；F指云覆蓋度。公式（1）中的生育期全陰天和全晴天標準作物總干物質(zhì)產(chǎn)率由劉建棟等[16]針對我國黃淮海作物特征，對其進行了修訂。

1.2.2 光溫生產(chǎn)潛力計算 通過標準作物干物質(zhì)光合生產(chǎn)潛力以及矯正后的作物種類、溫度條件、收獲指數(shù)、生育期對光溫生產(chǎn)潛力進行計算[13]。

其中，Y指光溫生產(chǎn)潛力（kg/hm2）；L指作物生育期葉面積訂正系數(shù)；N指凈干物質(zhì)生產(chǎn)訂正系數(shù)；H指作物收獲指數(shù)；G指作物全生育期天數(shù)；ym指作物的干物質(zhì)生產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；yc和yo同公式（7）。

1.2.3 氣候生產(chǎn)潛力計算 氣候生產(chǎn)潛力通過在較理想土壤肥力條件下，由光照、溫度和降水3 個因素決定的作物最大產(chǎn)量進行計算[17]。

式中，Yw指作物氣候生產(chǎn)潛力（kg/hm2）；I1與u1分別指作物生長前期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率；I2與u2分別指作物生長中期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率；I3與u3分別指作物生長后期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率。

產(chǎn)量降低率通過各生育階段水分虧缺率計算得出[17]。

其中，u為產(chǎn)量降低率；k為產(chǎn)量反應系數(shù)，在不同生育階段有所不同，主要表征相對產(chǎn)量降低與相對耗水量虧缺之間的關系；ETa指作物各生育階段實際耗水量（mm）；ETm指作物各生育階段實際需水量（mm）；Kc指作物需水系數(shù)；PE指參考蒸散量（mm）。

當ETm小于生育階段降水量與播前30 d 土壤有效儲水量時，ETa＝ETm；當ETm大于生育階段降水量與播前30 d 土壤有效儲水量時，ETm＝P×ST，其中，P指降水量（mm/d），ST指播前土壤有效儲水量（mm）。

其中，n1指播前有效降水量天數(shù)（d）。當ST＜0時，播前土壤有效儲水量記為0。

冬小麥需水量（ETc）計算采用FAO 推薦的雙作物系數(shù)法[15]?？紤]了作物蒸騰作用和土壤蒸發(fā)作用的影響，采用基作物系數(shù)（Kcb）描述植物蒸騰作用，土壤水分蒸發(fā)系數(shù)（Ke）描述土壤表面的蒸發(fā)作用。

式中，ETc指作物需水量（mm/d）；ET0指作物參考蒸散量（mm/d）；Kcb指基作物系數(shù)；Ke指土壤水分蒸發(fā)系數(shù)。

作物參考蒸散量采用Penman-Monteith 方程計算獲得。

式中，Δ 指蒸汽壓曲線斜率；Rn指太陽凈輻射（MJ/（m2·d））；G指土壤熱通量（MJ/（m2·d））；γ 指濕度計算常數(shù)；T指2 m 高處日平均溫度（℃）；U指2 m高處日平均風速（m/s）；ea指實際蒸汽壓（KPa）；es指飽和蒸汽壓（KPa）。

基作物系數(shù)（Kcb）定義為土壤表面干燥時，作物蒸散量相對于參考蒸散量（ETc/ET0）的比值，但蒸散量以潛在速率發(fā)生，即水沒有限制蒸騰作用。一定條件下具體Kcb值如表1 所示[15]。

表1 半濕潤氣候下冬小麥基作物系數(shù)

但對于空氣濕度（RHmin）不在40%～50%或日均風速（U）不在1.7～2.3 m/s 的氣候條件下的，大于0.45 的作物生長中期和生長后期基作物系數(shù)必須使用以下公式進行調(diào)整。

其中，Kcbadj指公式調(diào)整后的作物基系數(shù)值；Kcb的值即表中的值（大于0.45 的作物生長中期和生長后期基作物系數(shù)）；U指日均風速（m/s）（作物生長中后期風速在1～6 m/s 時）；RHmin指相對最小濕度（作物生長中后期濕度為20%～80%時）；h指作物生長中后期平均高度（m）（作物生長中后期濕度為20%～80%時）。

土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke）是作物蒸散量（ETc）的一部分。在表土濕潤、降雨或灌溉后，Ke值最大。在土壤表面干燥的地方，土壤表面附近沒有水蒸發(fā)時，Ke很小，接近于0。當表層土壤干燥時，可供蒸發(fā)的水減少，蒸發(fā)的減少開始與表層土壤中剩余的水量成正比。

其中，Ke指土壤蒸發(fā)系數(shù)；Kcb指基作物系數(shù)；Kcmax為降雨或灌溉時Kc的最大值；Kr指無因次蒸發(fā)減少系數(shù)取決于表土耗水（蒸發(fā)）的累積深度；few指土壤暴露和濕潤的部分，即蒸發(fā)發(fā)生最多的那部分土壤表面。

在土壤濕潤的地方，土壤蒸發(fā)的速率最大，但是基作物系數(shù)（Kc＝Kcb＋Ke）不能超過最大值Kcmax。

其中，Kcb、U、RHmin和h的意義同公式（20），Kcmax表示取公式（23）和（24）中數(shù)值帶入后所得結(jié)果中最大的值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中數(shù)據(jù)整理及圖表繪制主要采用Microsoft Excel 2016 進行，其中各項生產(chǎn)潛力根據(jù)各站點逐日氣象數(shù)據(jù)等進行計算。氣象因子回歸及顯著性分析采用SPSS 16.0 軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素變化趨勢

由圖1 可知，1997—2016 年運城市13 個地區(qū)的平均年日照時數(shù)和空氣濕度有極顯著下降趨勢，日均最低溫度呈現(xiàn)極顯著上升趨勢，日均風速呈現(xiàn)顯著上升趨勢，其他氣象要素變化趨勢不明顯，未達到顯著水平。

2.2 冬小麥生產(chǎn)潛力變化趨勢

本研究中的運城市冬小麥生產(chǎn)潛力為運城市13 個縣、市和區(qū)生產(chǎn)潛力的平均值。利用生態(tài)區(qū)域法逐級計算運城市1997—2016 年的冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，其中，光合生產(chǎn)潛力為79.40～90.36 t/hm2，光溫生產(chǎn)潛力為8.14～9.08 t/hm2，氣候生產(chǎn)潛力為5.20～6.63 t/hm2。20 a 中冬小麥光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力有下降趨勢，但未達到顯著水平，氣候生產(chǎn)潛力有顯著下降趨勢（P＜0.05）（圖2）。

2.3 冬小麥生產(chǎn)潛力與氣象因子的相關分析

光合生產(chǎn)潛力主要受太陽輻射量的影響，且與實際產(chǎn)量差別較大，因此，本研究對運城市冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的氣象影響因子進行了分析。對運城市1997—2016 年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、日均相對濕度、日均風速和年降雨量7 個氣象因子與該地區(qū)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的回歸分析發(fā)現(xiàn)，影響運城市冬小麥光溫生產(chǎn)潛力的氣象因子主要是年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度和日均相對濕度（圖3），冬小麥光溫生產(chǎn)潛力與年日照時數(shù)和日均相對濕度呈極顯著正相關（P＜0.01），與日均溫度、日均最高溫度和日均最低溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）。

影響運城市冬小麥氣候生產(chǎn)潛力的氣象因子主要是年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、日均相對濕度和年降雨量（圖4），其中，冬小麥氣候生產(chǎn)潛力與年日照時數(shù)、日均相對濕度和年降雨量呈極顯著正相關（P＜0.01），與日均溫度、日均最高溫度和日均最低溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）。

3 結(jié)論與討論

運城市近20 a 來冬小麥平均生產(chǎn)潛力為7.3 t/hm2，其中，平均光溫生產(chǎn)潛力為8.7 t/hm2，氣候生產(chǎn)潛力為5.9 t/hm2。劉?；ǖ萚18]研究認為，全球小麥平均生產(chǎn)潛力為6.7 t/hm2，而我國華北平原冬小麥光溫生產(chǎn)潛力為8.1～8.4 t/hm2[19]。本研究中運城市冬小麥生產(chǎn)潛力較全球平均值高，也高于我國華北平原小麥生產(chǎn)潛力。不同區(qū)域冬小麥生產(chǎn)潛力的差異主要是由地理位置引起的氣候差異引起的，如地勢的高低引起輻射條件差異，導致光溫生產(chǎn)潛力不同[10]，因此，不同區(qū)域冬小麥生產(chǎn)潛力一般不同。

日照時數(shù)是指陽光在沒有云層遮蓋時照射到地面的時間，日照時數(shù)長短直接決定植物進行有效光合作用的時間，同時地面溫度和空氣溫度也隨之改變，溫度直接影響了冬小麥同化物的積累和生育期進程[20-21]，因此，日照時數(shù)和溫度與冬小麥生產(chǎn)潛力均呈極顯著相關。冬小麥灌漿速度受日均最高溫度影響較大。

1997—2016 年運城市氣候生產(chǎn)潛力有明顯的降低趨勢，且與降雨量呈顯著正相關，這可能與山西省自然降雨并不能完全滿足冬小麥生育期需水量，水分缺乏會導致光合作用受到影響，同化物積累受限，進而影響冬小麥產(chǎn)量[22]有關。年日照時數(shù)和相對空氣濕度呈現(xiàn)極顯著的減退趨勢，日均最低溫度有極顯著上升趨勢，均極顯著影響冬小麥生產(chǎn)潛力，這可能與氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)顯著下降趨勢有關。本研究對1997—2016 年運城市冬小麥生產(chǎn)潛力的變化趨勢進行了分析，但最近幾年的數(shù)據(jù)還有待補充，此外也需要適當增加數(shù)據(jù)的時間跨度，對生產(chǎn)潛力總體變化趨勢進行更加準確地描述。此外，本研究中作物生育期內(nèi)需水量按照作物對地面的覆蓋程度劃分為3 個階段，以區(qū)分不同時間點降雨多少對冬小麥生長的影響。今后的研究中可對不同小麥生長階段的需水量進一步進行討論，以更加準確地評價冬小麥生產(chǎn)潛力。