青藏高原氣象因子與施肥對青稞產(chǎn)量的影響

甘子鵬，徐海燕，薛守業(yè)，李莉莎，張 博，李小明，梁冰妍，種碧瑩，劉桂民，吳曉東

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青藏高原冰凍圈觀測研究站，蘭州 730000)

【研究意義】近年來，隨著品種改良的大力推進(jìn)，各個種植區(qū)都已經(jīng)明確了適宜當(dāng)?shù)刈顑?yōu)的青稞品種，例如西藏自治區(qū)自2015年以來主推藏青2000品種，青海則主要種植康青7號、甘青5號等當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種。實(shí)際上，目前青稞區(qū)種植區(qū)的品種幾乎都由當(dāng)?shù)卣y(tǒng)一配送，可以認(rèn)為各地種植的青稞都是最適宜當(dāng)?shù)貤l件的品種。因此，明確氣候和栽培管理方式對青稞產(chǎn)量的影響對于提高青稞產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義。【前人研究進(jìn)展】過去40年間，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的不斷提高，世界谷類作物物總產(chǎn)量從8億t增加到23億t[1]。但是，截至2014年，全球人口總數(shù)已經(jīng)達(dá)到72億，其中仍有8億人處于長期的饑餓狀態(tài)[2]。隨著未來全球人口數(shù)量增加和居民生活水平提高，到本世紀(jì)中葉，全球糧食的需求量預(yù)計(jì)將會比目前增加至少70%[3]。除了人口增加和生活水平提高帶來的糧食需求壓力之外，氣候變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是另一大潛在威脅[1]。過去100年來全球地表溫度升高了0.74 ℃[4]，自19世紀(jì)90年代以來全球變暖幅度明顯升高，預(yù)計(jì)未來100年內(nèi)全球氣溫可能升高1.1～ 6.4 ℃[5]。農(nóng)作物的生長和發(fā)育高度依賴當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，氣候變化勢必影響農(nóng)作物最終產(chǎn)量[6-7]。例如，氣候變化導(dǎo)致全球一些主要糧倉的產(chǎn)量停滯或產(chǎn)量下降[8]，在半干旱地區(qū)，降雨量和溫度的微小變化或過熱都可能對作物產(chǎn)量產(chǎn)生巨大影響[9]。明確氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響程度以及應(yīng)該如何采取措施來應(yīng)對已經(jīng)成為各國政府和科學(xué)家高度重視的問題[10]。青藏高原是世界上最大的高原生態(tài)系統(tǒng)。受全球氣候變化的影響，自20世紀(jì)50年代以來，青藏高原的氣候變暖速度幾乎是全球平均速度的兩倍[11]。青稞(Hordeumvulgare)是青藏高原的主要作物之一[12]，是藏民族傳統(tǒng)的主糧[13]。到2018年西藏自治區(qū)青稞種植面積占糧食作物種植面積的77%[14]，青海省青稞種植面積占同年全省糧食作物面積的16.27%。甘南藏區(qū)自治區(qū)青稞占全州農(nóng)作物種植面積的28%，產(chǎn)量約占全州糧食總產(chǎn)量的35%[15]。青藏高原氣候變暖速度的增加會對農(nóng)作物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定的影響，例如，氣候變暖使作物可生長發(fā)育的時間延長，青藏高原東北部草地地上生物量對月平均氣溫和降水變化的響應(yīng)顯著[16]。弓開元[17]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原大部分降水增多地區(qū)青稞產(chǎn)量與不同生育期降水量顯著負(fù)相關(guān)，平均最高溫度的升高則普遍會導(dǎo)致青稞減產(chǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文通過大范圍的調(diào)查，獲取青藏高原各地的青稞產(chǎn)量、氣象和品種數(shù)據(jù)，分析氣候因子及施肥管理方式和青稞產(chǎn)量的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究旨在量化氣候和施肥方式對青稞產(chǎn)量的影響，從而為未來氣候變化情景下青藏高原的青稞種植及管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東南地區(qū)(90°84′～104°12′E，28.02°14′～38°21′N), 日照多，氣溫低，日較差大，年平均氣溫由東南的20 ℃向西北遞減至-6 ℃以下。本研究從西藏自治區(qū)、青海省和甘肅省的甘南藏族自治州分別選擇了21、20和5個共46個青稞種植縣市作為研究采樣點(diǎn)(圖1)。

圖1 青藏高原采樣點(diǎn)

從國家氣象信息中心—中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) (http://data.cma.cn)下載采樣地2018年青稞生長季(4—9月)[18]平均氣溫、平均相對濕度、降水量、日照時數(shù)等站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，然后用ArcGIS 10.2對研究區(qū)進(jìn)行空間插值，得到研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)。

1.2 青稞產(chǎn)量和品種數(shù)據(jù)收集

本研究選擇以青稞為研究對象，于2018年10—12月實(shí)地收集當(dāng)年46個縣市收獲的青稞產(chǎn)量信息為研究材料，青稞產(chǎn)量數(shù)據(jù)是根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)查情況獲得同步收集了青稞種植過程中37個縣市主要的化肥施用信息，并用GPS測定調(diào)查區(qū)海拔高度和經(jīng)緯度。由于每個調(diào)查區(qū)的各地青稞產(chǎn)量和管理方式差異較大，在當(dāng)?shù)剡x擇3戶以及以上的農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查，獲得當(dāng)?shù)匾话闱闆r下的當(dāng)年青稞產(chǎn)量和管理方式，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。青稞品種信息是基于實(shí)地調(diào)查獲取(表1)。

表1 青稞品種信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先用ArcGIS 10.2對青稞產(chǎn)量空間分布進(jìn)行分析，用R 4.0.3對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；用SPSS 26進(jìn)行單因素方差分析，然后用R 4.0.3進(jìn)行聚類分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞產(chǎn)量的空間分布

青藏高原青稞品種西藏自治區(qū)以藏青2000為主，青海省以昆侖15號和柴青1為主，甘南藏族自治州以甘青6號為主。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2變化。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上從西到東青稞產(chǎn)量呈降低趨勢，青海省青稞產(chǎn)量整體趨勢上高于西藏自治區(qū)和甘南藏族自治州，為100～425 kg/667 m2，西藏自治區(qū)青稞產(chǎn)量在75～325 kg/667 m2，甘南藏族自治州青稞產(chǎn)量整體趨勢上最低，為90～175 kg/667 m2。青海省青稞產(chǎn)量在烏蘭縣和玉樹市最高，分別為400和425 kg/667 m2，在澤庫縣和斑瑪縣最低，為100 kg/667 m2。西藏自治區(qū)青稞產(chǎn)量在朗縣和達(dá)孜區(qū)最高，為325 kg/667 m2，在索縣的亞拉鎮(zhèn)、榮布鎮(zhèn)和左貢縣最低，為75 kg/667 m2。甘南藏族自治州青稞產(chǎn)量在合作市和夏河縣最高，為175 kg/667 m2，在舟曲縣最低，為90 kg/667 m2(圖2)。

圖2 2018年青稞產(chǎn)量空間分布

2.2 不同環(huán)境條件下青稞產(chǎn)量差異

如圖3-a所示，海拔2200～2600、2600～3000、3000～3400、3400～3800 m的青稞產(chǎn)量顯著高于海拔3800～4200 m(P<0.05)，其中在海拔3000～3400 m最高，在海拔3800～4200 m最低；青稞產(chǎn)量在降水量150～250 mm明顯高于550～650 mm，不同降水之間青稞產(chǎn)量差異不顯著(圖3-b)；青稞產(chǎn)量在平均溫度13～15 ℃最高，在7～9 ℃最低，不同平均溫度之間青稞產(chǎn)量差異不顯著(圖3-c)；青稞產(chǎn)量在日照時數(shù)1100～1300 h顯著高于700～900 h(圖3-d，P<0.05)。

圖3 不同環(huán)境條件下青稞產(chǎn)量差異

2.3 研究區(qū)氣候區(qū)劃

采用生長季積溫(℃)、平均溫度(℃)、相對濕度(%)、總降水(mm)、日照時數(shù)(h)作為區(qū)劃指標(biāo)，通過聚類分析中K均值聚類方法將研究區(qū)37個縣市劃分氣候條件存在明顯差異的2個氣候區(qū)(圖4)。2個氣候區(qū)氣候條件差異明顯，其中第1氣候區(qū)：積溫、平均溫度、相對濕度、降水、日照時數(shù)分別在2262.1 ℃、14.8 ℃ 、53.9%、312.6 mm、1153.4 h左右；第2氣候區(qū)：積溫、平均溫度、相對濕度、降水、日照時數(shù)分別在1667.6 ℃、10.8 ℃、62.3%、428.6 mm、900.9 h左右。第1氣候區(qū)平均溫度和日照時數(shù)都顯著高于第2氣候區(qū)，而第2氣候區(qū)降水和相對濕度極顯著高于第1氣候區(qū)。

圖4 基于氣象數(shù)據(jù)使用PAM算法的聚類圖

2.4 施肥方式與青稞產(chǎn)量

第1氣候區(qū)青稞品種以柴青1號、昆侖15號和藏青2000為主，第2氣候區(qū)以藏青2000為主。不同氣候區(qū)青稞產(chǎn)量差異顯著，第1氣候區(qū)青稞產(chǎn)量顯著高于第2氣候區(qū)(P<0.05，圖5)。同一氣候區(qū)不同施肥方式青稞產(chǎn)量變化明顯，其中第1氣候區(qū)青稞產(chǎn)量在170～260 kg/667 m2，柴青1號產(chǎn)量顯著高于北青9號、昆侖15號和藏青2000。第2氣候區(qū)青稞藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。青稞產(chǎn)量在無施肥時最低，在化肥施用下最高，較無施肥對照，農(nóng)家肥和化肥配合施用下青稞產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)，化肥施用下的青稞產(chǎn)量顯著提高(P<0.05，圖6)。

圖5 氣候區(qū)青稞產(chǎn)量變化特征

圖6 氣候區(qū)不同施肥方式青稞產(chǎn)量變化特征

3 討 論

青稞主要生長在西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州等地，其生長發(fā)育受到品種的影響[19]。例如，聶戰(zhàn)聲等[20]基于天祝青稞品種混雜和退化嚴(yán)重的問題，對16個青稞品種對環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有4個品種綜合性狀表現(xiàn)良好，分別是藏青25、甘青4號、北青7號和甘青5號。近幾十年來，青稞品種改良和推廣方面開展了很多工作，目前各地種植的品種都是當(dāng)?shù)乇憩F(xiàn)最好的品種，本研究進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中西藏自治區(qū)以藏青2000為主，青海省以昆侖15號和柴青1號為主，甘南藏族自治州以甘青6號為主。因而，各地青稞的產(chǎn)量差異也就主要取決于當(dāng)?shù)氐臍庀蠛凸芾項(xiàng)l件。因此，本研究通過大范圍的空間調(diào)查，調(diào)查了青藏高原46個縣市的青稞產(chǎn)量、品種及37縣市的施肥方式，研究氣候變化背景下氣象因子與施肥方式對青稞產(chǎn)量的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上青稞產(chǎn)量從西到東呈降低趨勢，青海省青稞昆侖15號和柴青1號產(chǎn)量整體趨勢上高于西藏自治區(qū)藏青2000和甘南藏族自治州甘青6號。

氣候變暖會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性[21]，可能會降低一些農(nóng)作物產(chǎn)量[22]。研究發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)青稞藏青2000產(chǎn)量隨海拔升高而減少，甘青6號產(chǎn)量因降水多而較少，與H?gy等[23]對大麥研究結(jié)果基本一致。白羿雄等[24]研究認(rèn)為，輕度水分脅迫促進(jìn)青稞根系生長，重度水分脅迫起抑制作用且不利于其穗部發(fā)育，進(jìn)而降低產(chǎn)量。侯亞紅等[25]研究發(fā)現(xiàn)，水分充足條件下，藏青25能夠維持相對較強(qiáng)的光合作用,為青稞的高產(chǎn)提供了充足的光合產(chǎn)物,利于增加生物產(chǎn)量,提高籽粒產(chǎn)量。本研究中青稞產(chǎn)量隨平均溫度和日照時數(shù)的增加呈增加趨勢，柴青1號、昆侖14號和北青9號產(chǎn)量都因日照時數(shù)充足而較高。關(guān)衛(wèi)星等[19]也研究發(fā)現(xiàn)，青稞隨日照強(qiáng)度增加產(chǎn)量增加，當(dāng)日照充足時，產(chǎn)量較高。說明青稞在高海拔地區(qū)海拔較低、溫度偏高、日照充足和降水較少的地區(qū)產(chǎn)量較高。本研究進(jìn)一步對研究區(qū)37縣市進(jìn)行氣候劃分，發(fā)現(xiàn)青稞產(chǎn)量隨著氣候條件的變化而差異顯著，進(jìn)一步說明在品種確定的前提下，氣候條件是影響其產(chǎn)量的重要因素。本研究中青稞更適合生長在積溫較高、平均溫度較高、相對濕度適中、降水適中、日照時數(shù)充足的地區(qū)，日照充足和降水適中的氣候條件有利于青稞增產(chǎn)。

本研究對37個縣市的青稞施肥方式進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)相似氣候條件下青稞柴青1號產(chǎn)量顯著高于北青9號、昆侖15號和藏青2000，藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。與Mctaggart等[26]在冬麥的研究基本一致。馬生蘭等[27]也研究發(fā)現(xiàn)，噴施葉面肥均可提高青稞的有效穗和千粒重,促使青稞穗長、穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)增加,從而促進(jìn)青稞增產(chǎn)。過去幾十年來，西藏青稞產(chǎn)量隨著化肥的增加有了大幅的提高[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，使用農(nóng)家肥的產(chǎn)量略低于化肥，但是產(chǎn)量無顯著差異。盡管本研究區(qū)域中農(nóng)家肥的使用量不易確定，但是考慮到農(nóng)家肥的可獲得性，因此可能與農(nóng)家肥的使用量相對不足有關(guān)?？紤]到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境，青稞種植區(qū)的化肥施用量需要逐步降低。有機(jī)肥因具有養(yǎng)分均衡，釋放緩慢持久，保肥保水，可以改良土壤等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高青稞產(chǎn)量和品質(zhì)[29-30]。

4 結(jié) 論

本研究調(diào)查了青藏高原46個縣市的青稞產(chǎn)量、品種及37縣市的施肥方式來研究氣候變化背景下氣象因子與施肥方式對青稞產(chǎn)量的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上青稞產(chǎn)量從西到東呈降低趨勢，青海省青稞昆侖15號和柴青1號產(chǎn)量整體趨勢上高于西藏自治區(qū)藏青2000和甘南藏族自治州甘青6號。

青藏高原青稞藏青2000產(chǎn)量隨海拔升高而減少，甘青6號產(chǎn)量因降水多而較少，柴青1號、昆侖14號和北青9號產(chǎn)量都因日照時數(shù)充足而較高。相似氣候條件下青稞柴青1號產(chǎn)量顯著高于北青9號、昆侖15號和藏青2000，藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。為了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，選擇在3800 m以下的地區(qū)發(fā)展青稞種植業(yè)，并結(jié)合有機(jī)肥的施用量是未來青稞發(fā)展的重要方向。