張掖市春小麥產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)分析*

李 強(qiáng) ，褚 超 ，張 婷

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021；2.張掖市氣象局，甘肅 張掖 734000；3.甘肅省氣象設(shè)備公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著全球氣候變暖，我國(guó)西北地區(qū)的氣候也呈現(xiàn)出持續(xù)增暖的趨勢(shì)[1]，氣候變化直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。張掖市位于我國(guó)甘肅西北部，河西走廊的中段，有“桑麻之地，魚(yú)米之鄉(xiāng)”的美稱(chēng)，盛產(chǎn)小麥、水稻、瓜果、油料、蔬菜等，其中小麥種植以一年一熟的中晚熟春小麥為主。張掖市為典型的溫帶大陸性干旱氣候，光熱資源充足且干燥少雨，屬于我國(guó)氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，氣候變化勢(shì)必對(duì)春小麥等農(nóng)作物的物候期、產(chǎn)量、品質(zhì)等造成影響。課題組對(duì)張掖市1993—2020年的春小麥物候、產(chǎn)量及同期氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討春小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)，為合理利用春小麥生育期氣候資源、促進(jìn)其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

文中涉及的春小麥播種面積、產(chǎn)量資料來(lái)源于張掖市氣象局提供的1993—2020年的整理數(shù)據(jù)，并選取張掖市氣象局同期氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用線性擬合、一元二次回歸方程、相關(guān)性等數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法分析張掖市氣候變化趨勢(shì)及其與春小麥產(chǎn)量之間的相關(guān)性以及氣候變化對(duì)春小麥生產(chǎn)造成的影響。

采用Excel軟件對(duì)氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并做出時(shí)間分布特征圖，利用氣候傾向率法研究分析出張掖市1993—2020年氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣候因素的年際間變化趨勢(shì)，用Xi表示樣本量n的第i年日照時(shí)數(shù)，ti表示Xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間，構(gòu)建Xi和ti之間的一元線性回歸方程：

式中，a表示常數(shù)，b為回歸系數(shù)。回歸系數(shù)b表示變量X的變化趨勢(shì)傾向，當(dāng)b＞0時(shí)，說(shuō)明隨著時(shí)間t的增加，X趨于上升；當(dāng)b＜0時(shí)，表示隨著時(shí)間t的增加，X趨于下降；b值的大小表示上升或下降的速率。

2 結(jié)果分析

2.1 春小麥產(chǎn)量變化及氣象影響因子

張掖市春小麥通常在3月中旬開(kāi)始播種，根據(jù)張掖市農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站1993—2020年春小麥物候期觀測(cè)資料可知，張掖市春小麥生育期為116 d～126 d，平均為124 d，為中晚熟品種，要求≥0 ℃的積溫為1 800℃·d～2 000 ℃·d。4月上旬出苗率達(dá)到78.6%，4月下旬至5月上旬全部進(jìn)入分蘗期，5月下旬到6月為抽穗—開(kāi)花期，7月上旬為乳熟期，7月中旬春小麥成熟收獲。春小麥生長(zhǎng)前期可耐低溫，因此當(dāng)日平均氣溫≥0 ℃時(shí)即可播種，春季氣溫回升快的年份播種較早；幼穗分化期要求有一定的低溫，才能延長(zhǎng)幼穗分化時(shí)長(zhǎng)，促進(jìn)幼穗的充分發(fā)育，易形成大穗，以氣溫在9 ℃～12 ℃為宜，有利于增多結(jié)實(shí)小穗數(shù)量；灌漿期要求氣溫為16 ℃～19 ℃，可促進(jìn)春小麥灌漿，使灌漿期延長(zhǎng)，達(dá)到籽粒飽滿的目標(biāo)，獲得千粒重。春小麥全生育期要求降水量為300 mm～350 mm，其中拔節(jié)至孕穗期間對(duì)水分的需求最大，以降水量達(dá)到100 mm～150 mm為宜，是春小麥生長(zhǎng)發(fā)育期間的需水臨界期，生長(zhǎng)后期則不宜有過(guò)多的降水，否則易導(dǎo)致春小麥貪青晚熟和徒長(zhǎng)倒伏。春小麥為長(zhǎng)日照農(nóng)作物，充足的光照有利于植株生長(zhǎng)和開(kāi)花授粉，加快灌漿進(jìn)程，促進(jìn)光合作用和干物質(zhì)積累以及生長(zhǎng)后期的籽粒脫水和成熟。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，張掖市春小麥種植面積明顯減少，其中1993年種植面積最多，達(dá)到30.97萬(wàn)畝，之后的種植面積呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)，2010年以后每年種植面積均在10.0萬(wàn)畝以下，2020年種植面積最少，僅為3.35萬(wàn)畝。但張掖市春小麥單產(chǎn)量變化較大，1993—2020年間春小麥單產(chǎn)量整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，傾向率為27.892 kg/（畝·10 a），2014年單產(chǎn)量最高，達(dá)到590.6 kg/畝。

在不考慮種植地、種植技術(shù)、品種等因素的前提下，氣象條件是導(dǎo)致張掖市春小麥產(chǎn)量出現(xiàn)波動(dòng)變化的主要因素。通過(guò)對(duì)春小麥生育期的光、溫、水等氣象因子與產(chǎn)量的相關(guān)性進(jìn)行分析得出，影響春小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃訛?月中旬至4月上旬及5月下旬至6月的日平均氣溫、5月中旬至下旬的降水量、5月下旬至6月的日照時(shí)數(shù)，如表1所示。

表1 張掖市1993—2020年春小麥各生育期氣象因子與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

2.2 春小麥對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

張掖市近28年春小麥播種期主要在3月中旬，最早在3月6日（1998年），最晚是在3月22日（2011年），對(duì)應(yīng)的單產(chǎn)量分別為496.4 kg/畝、570.3 kg/畝。單產(chǎn)量最高為590.6 kg/畝（2014年），播種期為3月18日，最低則是1994年的436.2 kg/畝，說(shuō)明過(guò)早或過(guò)晚播種均不利于春小麥產(chǎn)量增加，通常氣溫穩(wěn)定在3 ℃～5 ℃時(shí)為春小麥最適宜的播種時(shí)期[3]。

根據(jù)張掖市1993—2020年年平均氣溫、春季平均氣溫及春小麥生育期變化分析，如圖1所示，20世紀(jì)90年代年平均氣溫為7.8 ℃，進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫出現(xiàn)明顯的升高，前10年的年平均氣溫達(dá)到8.5 ℃，2020年的年平均氣溫升至8.6 ℃，總體上氣溫趨于變暖的傾向率為0.454 ℃/10 a。四季氣溫變化中，以冬、春季氣溫升高最為明顯，其中春季氣候傾向率為0.688 ℃/10 a。春季氣溫升高使得春小麥播種提前，生育期縮短，物候期顯著提前。春小麥在1993—2000年平均生育期為127 d，2001—2010年縮短了1 d，平均126 d，2011—2020年僅為122 d，較前10年減少4 d，與90年代相比縮短了5 d。近28年間張掖市春小麥從播種到成熟需要116 d～136 d，生育期最長(zhǎng)、最短年份相差20 d，分別出現(xiàn)在1993年和2011年。在不考慮品種的情況下，春小麥的生育期長(zhǎng)短與期間的平均氣溫有直接的關(guān)系，兩者之間存在著負(fù)相關(guān)，1993年氣溫較常年偏低1.7 ℃，而2011年氣溫較常年偏高0.1 ℃。

圖1 張掖市1993—2020年年平均氣溫、春季平均氣溫及春小麥生育期變化

2.3 春小麥對(duì)降水量變化的響應(yīng)

1993—2020年間張掖市年平均降水量為133.6 mm，氣候干燥，該地區(qū)農(nóng)業(yè)多為灌溉農(nóng)業(yè)。相關(guān)研究表明，春小麥生長(zhǎng)期的長(zhǎng)短基本上不受降水量變化的影響[4]，尤其是在以灌溉為主的干旱地區(qū)，降水量不是影響春小麥物候期變化的主要因子。但如果出現(xiàn)長(zhǎng)期干旱，會(huì)導(dǎo)致庫(kù)塘蓄水量不足，再加上冬季降雪偏少，就會(huì)使春小麥種植區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺水現(xiàn)象。根據(jù)上述相關(guān)性分析得出的春小麥產(chǎn)量與5月中旬至下旬的降水量呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明5月中旬至下旬過(guò)多的降水會(huì)影響春小麥的正常抽穗、開(kāi)花。如圖2所示，分析張掖市近28年來(lái)春小麥主要生長(zhǎng)期（3—7月）降水量及5月中旬至下旬降水量變化可知，3—7月降水量出現(xiàn)略減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.787 mm/10 a，而5月中旬至下旬的降水量趨于增多，氣候傾向率為2.668 mm/10 a。春小麥抽穗—開(kāi)花期需要晴朗的天氣，陰雨天氣過(guò)多會(huì)影響其開(kāi)花和花粉散發(fā)過(guò)程。

圖2 張掖市1993—2020年3—7月、5月中旬至下旬降水量變化

2.4 春小麥對(duì)日照變化的響應(yīng)

光照是春小麥進(jìn)行光合作用的主要能量來(lái)源，也是影響春小麥進(jìn)行光合作用的重要?dú)夂蛞蛩?，日照時(shí)數(shù)的減少對(duì)春小麥三葉—分蘗期、拔節(jié)—孕穗期和乳熟期長(zhǎng)度及時(shí)期的提前有著正向作用[5]。抽穗—開(kāi)花期是春小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，溫光條件較好時(shí)有利于春小麥孕穗和抽穗、開(kāi)花。如圖3所示，通過(guò)對(duì)張掖市1993—2020年春小麥生長(zhǎng)期（3—7月）的日照時(shí)數(shù)及各生育期日照時(shí)數(shù)變化特征進(jìn)行分析可知，張掖市近28年中3—7月的日照時(shí)數(shù)及春小麥三葉—分蘗期、拔節(jié)—孕穗期和乳熟期的日照時(shí)數(shù)均呈現(xiàn)略減少趨勢(shì)，其中拔節(jié)—孕穗期的日照時(shí)數(shù)減少幅度最大，氣候傾向率為-11.062 h/10 a，其次是乳熟期，減少趨勢(shì)為-3.702 h/10 a，3—7月及三葉—分蘗期的日照時(shí)數(shù)氣候變化傾向率分別為-1.953 h/10 a、-1.554 h/10 a。這說(shuō)明張掖市在近28年春小麥生長(zhǎng)期間，4月中旬至5月下旬、7月上旬陰雨天氣增多，5月底至6月抽穗—開(kāi)花期間日照時(shí)數(shù)充足，其變化趨勢(shì)符合春小麥生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光照條件的要求，有利于獲取優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物。

圖3 張掖市1993—2020年3—7月日照時(shí)數(shù)及春小麥三葉—分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—開(kāi)花期和乳熟期日照時(shí)數(shù)

3 結(jié)論和討論

在全球氣候變暖的大背景下，張掖市氣候也隨之發(fā)生了變化，氣溫升高、降水量減少，氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì)。張掖市為中晚熟春小麥種植區(qū)，春小麥前期生長(zhǎng)可耐一定的低溫，后期生長(zhǎng)要求較高溫度，拔節(jié)至孕穗期間對(duì)水分的需求量最大，抽穗至開(kāi)花期間需要晴朗、光照充足的天氣，“光熱水”合理匹配可獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物[6-10]。

1）1993—2020年張掖市春小麥種植面積顯著減少，但單產(chǎn)量呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在不考慮品種、種植技術(shù)等方面的影響下，3月中旬至4月上旬的日平均氣溫、5月下旬至6月的日平均氣溫、5月中旬至下旬的降水量、5月下旬至6月的日照時(shí)數(shù)等是影響春小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

2）1993—2020年張掖市年平均氣溫緩慢上升，氣候趨于變暖，氣候傾向率為0.454 ℃/10 a。四季氣溫變化中，春季氣候傾向率為0.688 ℃/10 a，增溫明顯，春季氣溫升高使得春小麥播種提前，生育期縮短，物候期顯著提前。由于張掖市氣候干燥少雨，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本依靠灌溉，近28年張掖市3—7月降水量出現(xiàn)略減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.787 mm/10 a，5月中旬至下旬的降水量趨于增多，如果出現(xiàn)集中強(qiáng)降水則不利于春小麥開(kāi)花和花粉散發(fā)。張掖市近28年春小麥生長(zhǎng)期間，4月中旬至5月下旬及7月上旬陰雨天氣增多，5月底至6月抽穗—開(kāi)花期間日照時(shí)數(shù)充足，基本符合春小麥對(duì)光照條件的需求。

3）影響春小麥產(chǎn)量的因素比較復(fù)雜，尤其是現(xiàn)代科技的發(fā)展使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不再“靠天吃飯”。因此要在遵循地方農(nóng)業(yè)氣候資源特征的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)氣候變化論證，建立農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御機(jī)制，選育優(yōu)良春小麥品種，改善耕作制度，推廣滴灌、低產(chǎn)田改良等農(nóng)業(yè)技術(shù)，做好肥水管理及病蟲(chóng)害防治等工作，提高春小麥單產(chǎn)量、總產(chǎn)量。