氣候變化對冬小麥生產(chǎn)潛力的影響

張怡

摘要：使用豫東地區(qū)代表站點(diǎn)近50年的氣象觀測資料和冬小麥的農(nóng)業(yè)氣象觀測資料，分析了該地區(qū)近50年來的氣候變化特征，結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象觀測資料，利用氣候適宜度函數(shù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法（AEZ），計(jì)算冬小麥氣候適宜度和氣候生產(chǎn)潛力，分析該地區(qū)氣候變化對冬小麥的產(chǎn)量和氣候適宜性的影響，并提出相應(yīng)的生產(chǎn)建議。結(jié)果表明，隨著耕植傳統(tǒng)改進(jìn)、經(jīng)濟(jì)投入和技術(shù)水平大幅提升，實(shí)際產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)潛力僅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制約條件已經(jīng)越來越弱，相對于充裕光照資源而言，熱量條件則成為決定灌溉農(nóng)田最高生產(chǎn)力水平的主要因素。在21世紀(jì)氣候整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區(qū)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均會維持增加，有利于豫東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的提高。建議進(jìn)一步加大對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入，通過擴(kuò)大農(nóng)田有效灌溉面積、秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜、選育抗逆品種、加強(qiáng)突發(fā)病蟲害防控和提高土地規(guī)模化經(jīng)營等措施，提升生產(chǎn)單體應(yīng)對氣候變化的能力。

關(guān)鍵詞：氣候變化；冬小麥；氣候生產(chǎn)潛力；產(chǎn)量

中圖分類號： S162.5+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0270-05

氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種植制度、作物的生產(chǎn)潛力和作物產(chǎn)量的影響具有明顯的地域性[10-14]，地區(qū)的氣候變化造成該地區(qū)的氣象災(zāi)害頻率與強(qiáng)度不斷加大，從而形成的不穩(wěn)定性體現(xiàn)在了地區(qū)社會生產(chǎn)，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面。研究表明，冬小麥在生長發(fā)育過程中，受到各種氣象要素尤其是熱量、水分、光照等氣候要素的影響[10-12]，對冬小麥產(chǎn)量變化的氣候影響分析顯得尤其重要。

豫東地區(qū)地處黃淮海平原的中心地區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)性氣候，四季變化明顯，土層深厚，土壤肥力較高，加之光熱資源充足，雨熱同期，光熱水資源匹配較好，是我國冬小麥生產(chǎn)的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一。本研究利用該地區(qū)8個(gè)代表氣象觀測站點(diǎn)近50年的氣象觀測資料，通過研究該地區(qū)的氣候變化、氣候生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量的響應(yīng)變化，以期為該地區(qū)應(yīng)對未來氣候變化，充分利用氣候資源及指導(dǎo)冬小麥生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

本研究所使用的氣象觀測資料來源于豫東地區(qū)8個(gè)國家氣象觀測站（永城、夏邑、虞城、商丘、柘城、寧陵、睢縣、民權(quán)）1991—2015年的近25年氣溫、降水、日照等觀測資料及同期冬小麥生長期土壤水分觀測值、冬小麥各發(fā)育期觀測資料和冬小麥實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法（AEZ）從農(nóng)業(yè)氣候資源角度分析，首先計(jì)算光合生產(chǎn)潛力（YQ），再對光合生產(chǎn)潛力進(jìn)行溫度訂正得到光溫生產(chǎn)潛力（YT），最后對光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行水分因素校正最終得到氣候生產(chǎn)潛力（YW），參照熊偉等的方法計(jì)算如下[10-14]：

YQ=∑Qj×εα（1-ρ）（1-γ）Φ（1-ω）（1-χ）-1H-1S；（1）

YT=YQ×f（T）；（2）

YW=YT×f（W）。（3）

式中：YQ為光合生產(chǎn)潛力；YT為光溫生產(chǎn)潛力；f（T）為溫度有效系數(shù)；YW為氣候生產(chǎn)潛力；f（W）為水分有效系數(shù)。

式（1）中，Qj為各月總輻射量（J/m2），采用逐日輻射模型[12-14]推算，研究地區(qū)平均取值34.26°N，115.38°E，時(shí)間為上一年10月1日至當(dāng)年6月30日；ε為光合輻射占總輻射的比例，華北為0.49；α為作物群體吸收率，α=（1-a-β）×f（L），a為冬小麥生長季作物群體葉面反射率，平均取值 0.08，β為冬小麥作物群體對太陽輻射的漏射率，取0.06，f（L）為葉面積時(shí)間變化動(dòng)態(tài)訂正函數(shù)，取值0.55；ρ為冬小麥非光合器官對太陽輻射的無效吸收部分，取0.1；γ為超過光飽點(diǎn)的限制率，在自然條件下一般不受光飽和限制，取0；Φ為光合作用量子轉(zhuǎn)化效率，取0.224；ω為冬小麥呼吸消耗占光合產(chǎn)物的比例，溫帶取0.3；χ為水分和無機(jī)灰分含量，根據(jù)河南省實(shí)際情況取0.05；H為形成單位質(zhì)量干物質(zhì)所需的能量，等于干物質(zhì)燃燒熱，取17.2 MJ/kg；S為經(jīng)濟(jì)系數(shù)或冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)，取0.41。

溫度有效系數(shù)是各月溫度影響訂正數(shù)。由于各種作物生長期對熱量的需要不同，故溫度訂正系數(shù)不一致。根據(jù)研究表明，冬小麥的溫度訂正系數(shù)為

f（T）=0t<3 ℃

t/323 ℃≤t<21 ℃

2-t/3021 ℃≤t≤32 ℃

0t>32 ℃。（4）

式中：t為冬小麥生長季內(nèi)各月的平均溫度。

作物氣候生產(chǎn)潛力（YW）是指作物在光、溫和自然降水3種因子組合條件下的產(chǎn)量潛力，是在有限的降水條件下作物所能實(shí)現(xiàn)的最大生產(chǎn)力，又稱光溫水生產(chǎn)潛力或降水生產(chǎn)潛力。它是通過水分校正系數(shù)對光溫生產(chǎn)潛力（YT）修正后獲得的，該修正主要是反映水分不足對產(chǎn)量的影響。冬小麥生長季水分有效系數(shù)f（W）的計(jì)算公式為

f（W）=1-|ΔWj|WjΔWj<0

1ΔWj≥0。（5）

式中：ΔWj為農(nóng)田水分盈虧額，ΔWj=Rj-Wj，Wj=KjEj；Rj為各旬降水量；Wj為各日作物理論需水量；ΔWj≥0時(shí)，即降水量能滿足玉米生長所需；Kj為時(shí)段內(nèi)作物需水系數(shù)（表1）；Ej為參考作物蒸散量，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）1998年推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算逐日參考蒸散量，然后累加所得。

ΔYT=YQ-YT；（6）

ΔYW=YT-YW；（7）

ΔY=YT-Y；（8）

η（T）=Y/YT。（9）

式中，ΔYT為溫度增產(chǎn)潛力；ΔYW為水分增產(chǎn)潛力；ΔY為實(shí)際增產(chǎn)潛力；η（T）為光熱資源利用效率。

2冬小麥生產(chǎn)潛力的變化

從圖1可以看出，光合生產(chǎn)潛力受到日照因素的影響最為明顯，所以和年日照時(shí)數(shù)變化非常一致，均是20世紀(jì)90年代初期上升，隨后開始明顯下降，直到2005年前后下降趨勢才開始放緩，歷年光合生產(chǎn)潛力平均為25 966.77 kg/hm2，氣候傾向率為-974.35 kg/（hm2·10年），最大值出現(xiàn)在1994年，為27 860.31 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2003年，為23 261.82 kg/hm2；光溫生產(chǎn)潛力的歷年平均為 10 017.41 kg/hm2，氣候傾向率為676.99 kg/（hm2·10年），最大值出現(xiàn)在2014年，為13 285.74 kg/hm2，最小值和光合生產(chǎn)潛力一樣出現(xiàn)在2003年，為7 599.01 kg/hm2。氣候生產(chǎn)潛力的歷年平均為6 736.29 kg/hm2，氣候傾向率為 1 227.7 kg/（hm2·10年），大于光溫生產(chǎn)潛力的增加速度，最大值與光溫生產(chǎn)潛力一樣出現(xiàn)在2014年，為11 722.65 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2001年僅為 3 387.07 kg/hm2，甚至低于同年的實(shí)際產(chǎn)量 5 430.00 kg/hm2，這主要是由于冬小麥生產(chǎn)灌溉抗旱能力提升的結(jié)果。endprint

光溫生產(chǎn)潛力代表的是作物在水肥條件處于最適狀態(tài)時(shí)，由光溫因素組合所決定的產(chǎn)量水平，反映了最高投入水平下特定作物在1個(gè)地區(qū)的灌溉農(nóng)田能達(dá)到的產(chǎn)量上限。而隨著地區(qū)平均溫度的上升和關(guān)鍵生育期降水的增加，光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均是一個(gè)主體上升的過程，且變化較為一致。

溫度增產(chǎn)潛力（即光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的差值）歷年平均為15 949.36 kg/hm2，氣候傾向率為 -1 651.3 kg/（hm2·10年），最大值出現(xiàn)在1993年，為18 855.53 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2012年，為12 230.94 kg/hm2。水分增產(chǎn)潛力（即光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的差值）歷年平均為3 281.11 kg/hm2，氣候傾向率[-550.76 kg/（hm2·10年）]小于溫度增產(chǎn)的潛力的傾向率，這也說明溫度增高對生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)高于降水的變化，最大值出現(xiàn)在2001年，為8 600.36 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2014年，為1 563.09 kg/hm2。氣候的變化中日照減少、溫度上升和關(guān)鍵期降水的增加，造成光合生產(chǎn)潛力主體下降及光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力主體上升，溫度增產(chǎn)潛力和水分增產(chǎn)潛力均在波動(dòng)下降。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然降水和土壤肥力的制約條件已經(jīng)越來越弱，甚至出現(xiàn)了實(shí)際產(chǎn)量大于氣候生產(chǎn)潛力的情況，因此使用冬小麥實(shí)際產(chǎn)量與光溫生產(chǎn)潛力的差值代表實(shí)際增產(chǎn)潛力，從而進(jìn)行相關(guān)研究也變得更有意義。

實(shí)際增產(chǎn)潛力歷年平均為4 495.43 kg/hm2，氣候傾向率為-1 213.3 kg/（hm2·10年），最大值出現(xiàn)在1994年，為 9 558.32 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2010年，為 1 149.47 kg/hm2。從圖1可以看出，光熱資源利用效率（實(shí)際產(chǎn)量與光溫生產(chǎn)潛力的比值）和實(shí)際增產(chǎn)潛力位相鏡像相反，特別是在2010年已達(dá)0.857 7。由此可知，實(shí)際產(chǎn)量的提高速度已經(jīng)超過了光溫生產(chǎn)潛力的提高速度，造成了光熱資源利用效率的不斷上升和實(shí)際增產(chǎn)潛力的逐漸下降。

從“1”節(jié)公式中可以看出，光溫生產(chǎn)潛力的高低是由光照和熱量2個(gè)因素共同決定的。氣候生產(chǎn)潛力不僅與光照和熱量條件有關(guān)，更重要的是取決于作物生育期的自然降水對作物需水的滿足程度，但與全年降水的變化并不必然相關(guān)（表2、表3）。對水資源不足地區(qū)的旱地農(nóng)田作物而言，氣候生產(chǎn)潛力反映了現(xiàn)階段某地區(qū)最大的生產(chǎn)能力，具有很大的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)價(jià)值，但是灌溉農(nóng)田中氣候生產(chǎn)潛力則有較大的局限性。

3未來氣候變化對豫東地區(qū)冬小麥生產(chǎn)影響

隨著氣象要素的變化，氣候生產(chǎn)潛力將隨之波動(dòng)。溫度與降水是2個(gè)主要因素量，由于這兩者的變化在時(shí)空上是同時(shí)發(fā)生的，結(jié)合相關(guān)研究，依據(jù)年均溫度上升或下降3、2、

5.4%左右；21世紀(jì)末期，溫度維持較大增幅，降水量穩(wěn)定略增，Yw值的增幅僅為114%左右（增加1%），而YT值則大幅增加到9.3%左右（增加3.9%）。由此可見，在21世紀(jì)氣候上整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區(qū)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均會維持增加，有利于豫東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的提高。

4農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議

在面對21世紀(jì)氣候上整體向“暖濕型”變化的未來，可以提出以下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議[18-22]：（1）進(jìn)一步加大對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入，加快高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)，穩(wěn)步擴(kuò)大農(nóng)田有效灌溉面積，提高農(nóng)業(yè)的裝備水平，切實(shí)提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，不斷提高對氣候變化的應(yīng)變能力和抗災(zāi)減災(zāi)水平，確保農(nóng)業(yè)特別是糧食生產(chǎn)持續(xù)健康發(fā)展。（2）目前，灌溉仍然是保障糧食安全生產(chǎn)的重要手段[24]。旱地冬小麥需水量的50%左右是靠土壤蓄水滿足中后期冬小麥的需求。因此，最大限度地蓄保冬小麥生長期外的自然降水，就成為旱地冬小麥高產(chǎn)的潛力所在。通過秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜技術(shù)增加土壤保水能力，在大旱之年應(yīng)積極推廣旱地龍、抗旱保水劑等拌種。追肥時(shí)，應(yīng)于早春土壤返漿時(shí)，趁墑開溝追施。（3）選育抗逆品種，采用穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)技術(shù)。針對未來氣候變化對農(nóng)業(yè)的可能影響，分析未來光、溫、水資源重新分配和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的新格局，改進(jìn)作物品種布局，有計(jì)劃地培育和選用抗旱、抗?jié)?、抗高溫和低溫等抗逆品種，采用防災(zāi)抗災(zāi)、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的技術(shù)措施，預(yù)防可能加重的農(nóng)業(yè)病蟲害。（4）加強(qiáng)農(nóng)作物病蟲害防控[25]，預(yù)防氣候變化下病蟲害突發(fā)態(tài)勢，氣象、農(nóng)業(yè)部門要加強(qiáng)對氣候變化情況、病蟲害發(fā)生趨勢等信息的發(fā)布工作，及時(shí)做好預(yù)警、預(yù)測，及時(shí)準(zhǔn)確地為農(nóng)民提供氣象、災(zāi)害信息，提高農(nóng)民的防災(zāi)、抗災(zāi)能力。（5）規(guī)范土地經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)，提高土地規(guī)模化經(jīng)營水平。健全農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)市場，加強(qiáng)農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)管理服務(wù)，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營水平。鼓勵(lì)農(nóng)民專業(yè)合作社、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)、家庭農(nóng)場等農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)組織參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，加快農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化、機(jī)械化、現(xiàn)代化發(fā)展速度。解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在勞動(dòng)力緊張、勞動(dòng)力素質(zhì)低、對農(nóng)業(yè)新成果和新技術(shù)接受能力低等制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的問題，提高生產(chǎn)單體抵御氣象災(zāi)害的能力。

5結(jié)論

隨著耕植傳統(tǒng)改進(jìn)、經(jīng)濟(jì)投入和技術(shù)水平大幅提升，實(shí)際產(chǎn)量已達(dá)5 521.98 kg/hm2，這與氣候生產(chǎn)潛力僅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制約條件已經(jīng)越來越弱，相對于充裕光照資源而言，熱量條件則成為決定灌溉農(nóng)田最高生產(chǎn)力水平的主要因素。

在21世紀(jì)氣候上整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區(qū)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均會維持增加，有利于豫東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的提高。

建議進(jìn)一步加大對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入，加快高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)，穩(wěn)步擴(kuò)大農(nóng)田有效灌溉面積；通過秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜技術(shù)增加土壤保水能力；培育和選用抗旱、抗?jié)?、抗高溫和低溫等抗逆品種；加強(qiáng)氣候變化下農(nóng)作物突發(fā)病蟲害防控；規(guī)范土地經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)，提高土地規(guī)?；?jīng)營水平，提升生產(chǎn)單體應(yīng)對氣候變化的能力。endprint

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