農(nóng)業(yè)氣候資源變化對隴東塬區(qū)旱作糧食的影響分析

周忠文，劉 英，張謀草，張?zhí)旆?，王燕凌，張紅妮，韓 博

（1甘肅省慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000；2甘肅省合水縣氣象局，甘肅合水 745400）

0 引言

氣候變化的影響是多尺度、全方位、多層次的，目前已成為地球科學領(lǐng)域的熱點問題，丁一匯、秦大河等[1-5]許多學者使用不同方法開展研究，揭露了中國氣候變暖的事實，謝金南、鄧振鏞等[6-10]對西北地區(qū)的氣候變化特征進行過系統(tǒng)研究。糧食生產(chǎn)與氣候變化有密切的聯(lián)系，持續(xù)的升溫下，一些地方會出現(xiàn)更多洪澇災(zāi)害，沖擊糧食生產(chǎn)，一些地方則會持續(xù)干旱，同樣給農(nóng)業(yè)帶來影響。隴東塬區(qū)位于胡煥庸線和博臺線交匯處，是中國半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)。隴東氣候如何變化，是社會各界普遍關(guān)心的問題，直接關(guān)系自然災(zāi)害防御、生態(tài)環(huán)境保護、“隴東糧倉”振興和經(jīng)濟發(fā)展等重大社會問題。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及其應(yīng)對已經(jīng)列為穩(wěn)定中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要戰(zhàn)略任務(wù)，前人對隴東地區(qū)冬小麥玉米氣候生產(chǎn)力方面做了大量研究工作[11-15]，但氣候資源變化對區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)的影響研究不多，本文擬通過探討隴東塬區(qū)糧食生產(chǎn)對全球氣候變化的最新響應(yīng)，開展相關(guān)研究為保證隴東區(qū)域糧食安全提供參考依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 試驗資料來源

氣溫、降水、日照等氣象資料取自于西峰國家基準氣侯站，冬小麥、玉米等生物資料取自于西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗站，氣象觀測場與生物觀測場毗鄰，符合平行觀測要求，能代表隴東塬區(qū)氣候和生物類型。產(chǎn)量資料取自于慶陽市統(tǒng)計局。

1.2 計算分析方法

運用Microsoft Excel 2003軟件工具，采用5日滑動平均法計算初終日期，采用三次多項式回歸擬合氣候產(chǎn)量，綜合運用趨勢分析、相關(guān)分析、回歸分析、概率分析等方法，分析農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征及其80%保證率下的影響。

2 農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征

2.1 日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的農(nóng)業(yè)氣候資源

2.1.1 日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初日變化 采用5日滑動平均法計算了西峰站1961—2020年日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初日出現(xiàn)日期，并對其初日日期變化趨勢分析，得出日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初日日期變化呈現(xiàn)提前趨勢（圖1），即每10年分別提前2.6天和2.2天，0℃和10℃初日均通過R為0.01的顯著性檢驗，變化趨勢明顯。其中日均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日最早出現(xiàn)在2月4日（2004年），最晚出現(xiàn)在3月27日（1982年）；日均氣溫穩(wěn)定通過10℃初日最早出現(xiàn)在4月3日（1974年），最晚出現(xiàn)在5月17日（1979年）。

圖1 1961—2020年西峰站日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初日日期變化

2.1.2 日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的終日變化 西峰站1961—2020年日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的終日出現(xiàn)日期，并對其終日日期變化趨勢分析，得出日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的終日日期變化呈現(xiàn)推后趨勢（圖2），即每10年分別推后1.4天和2.7天，0℃終日通過R為0.05的顯著性檢驗，10℃的終日通過R為0.001的極顯著性檢驗。其中日均氣溫穩(wěn)定通過0℃終日最早出現(xiàn)在11月5日（1962年），最晚出現(xiàn)在12月12日（2010年）；日均氣溫穩(wěn)定通過10℃終日最早出現(xiàn)在9月1日（1972年），最晚出現(xiàn)在10月30日（2009年）。

圖2 1961—2020年西峰站日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的終日日期變化

2.1.3 日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃初終日期間持續(xù)日數(shù)變化 1961—2020年西峰站日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃初終日期間持續(xù)天數(shù)變化呈現(xiàn)極顯著增加趨勢（圖3）。即每10年分別增加4.1天和5.0天，均通過R為0.001極顯著性檢驗。日均氣溫穩(wěn)定0℃初終日期間4）可知，不同年代的同一初日為3月8日、終日為11月13日的日均氣溫穩(wěn)定通過0℃期間降水量隨年代的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，其年降水量最少的年份是1997年(305.9 mm)；年降水量最多的年份是2003年(806.6 mm)。不同年代的同一初日為5月4日、終日為9月29日的日均氣溫穩(wěn)定通過10℃期間降水量隨年代的增加也呈現(xiàn)遞減趨勢，其年降水量最少的年份是持續(xù)天數(shù)最少是226天（1962年），最多是303天（2002年）；日均氣溫穩(wěn)定10℃初終日期間持續(xù)天數(shù)最少是129天（1972年），最多是209天（2009年）。

圖3 1961—2020年西峰站日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初終日期間持續(xù)天數(shù)變化

圖4 1961—2020年西峰站80%保證率日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初終日期間降水量變化曲線

2.2 80%保證率下降水量變化

80%保證率下，1961—2020年西峰站日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃初終日期間的降水量變化曲線（圖1997年(229.7 mm)；年降水量最多的年份是2013年(648.8 mm)。但不論是0℃初終日期間還是10℃初終日期間降水量的這種遞減趨勢均不明顯，未通過顯著性檢驗。

2.3 80%保證率下積溫變化

80%保證率下，1961—2010年西峰站不同年代同一0℃初終日期和10℃初終日期間積溫變化曲線（圖5），由此可知，同一0℃初終日期和10℃初終日期間≥0℃和≥10℃積溫隨年代增加均呈現(xiàn)增加趨勢，其增加速率分別以每年10.3℃和5.3℃增加，且均通過0.001極顯著水平檢驗，其中≥0℃積溫最少年份為1976年(3231.0℃)，最多年份為2006年(4051.7℃)；≥10℃積溫最少年份為1964年(2417.3℃)，最多年份為2017年(2959.8℃)。

圖5 1961—2020年西峰站80%保證率日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初終日期間≥0℃和≥10℃積溫變化曲線

2.4 80%保證率下日照時數(shù)變化

80%保證率下，1961—2010年西峰站不同年代同一0℃初終日期和10℃初終日期間日照時數(shù)變化曲線（圖6）。由此可知，同一0℃初終日期和10℃初終日期間日照時數(shù)隨年代增加均呈現(xiàn)遞減趨勢，其遞減速率分別以每年0.9 h和2.3 h，且0℃初終日期間日照時數(shù)變化未通過顯著水平檢驗，10℃初終日期間日照時數(shù)變化通過0.01顯著水平檢驗。其中0℃初終日期間日照時數(shù)最少年份為1975年(1445.5 h)，最多年份為1997年(1972.4 h)；10℃初終日期間日照時數(shù)最少年份為2020年(821.9 h)，最多年份為1965年(1288.9 h)。

圖6 1961—2020年西峰站80%保證率日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初終日期間日照時數(shù)變化曲線

3 農(nóng)業(yè)氣候資源變化對糧食的影響

3.1 對冬小麥發(fā)育期的影響

1981—2020年冬小麥生育期年際變化（圖7）可見，40年來，小麥的播種期呈推遲趨勢，氣候傾向率為2.01d/10a，成熟期呈提前趨勢，氣候傾向率為-3.53d/10a，造成了冬小麥生育期明顯縮短。但越冬開始期呈推遲趨勢，氣候傾向率為1.66 d/10 a，這樣就彌補了遲播造成的冬前生長期縮短現(xiàn)象，保證了冬前分蘗和壯苗。返青期呈提前趨勢，氣候傾向率為-1.28 d/10 a，彌補了早成熟的影響，保證了小麥生長成熟。播期推遲、成熟提前，生育期縮短主要是越冬期的縮短，有效生長期并沒有縮短，這就為小秋作物收獲后的秋播工作贏得了時間，有效擴大了小麥種植面積。

圖7 隴東塬區(qū)1981—2021年冬小麥生育期年際變化

3.2 對玉米發(fā)育期的影響

從圖8可見，1990—2020年來，玉米的播種期呈弱的推遲趨勢，氣候傾向率為0.78 d/10 a，近年來氣候變暖，夏季熱量資源增加，玉米播種普遍后推，也是為了回避和應(yīng)對春末晚霜凍影響；成熟期呈提早趨勢，氣候傾向率為-0.41 d/10 a，這有效回避了氣候暖濕化特別是秋季連陰雨的影響，也為秋播順利開展贏得時間。播期推遲、成熟提前，導(dǎo)致玉米生長期縮短，氣候傾向率分別為-1.19 d/10 a，夏季熱量資源增加保證了玉米生長，但生育期縮短對玉米品質(zhì)有不利影響。

圖8 隴東塬區(qū)1990—2020年玉米生育期年際變化

3.3 對作物產(chǎn)量的影響

由氣候產(chǎn)量變化圖可見（圖9），隴東塬區(qū)1981—2020年來冬小麥產(chǎn)量呈弱的增加趨勢，增加趨勢為52.4 kg/(10 a·hm2)。小麥產(chǎn)量最大值出現(xiàn)在1993年，為1186.1kg/hm2；最小值出現(xiàn)在2000年，為-2226.9kg/hm2；振幅3413 kg/hm2。分析原因發(fā)現(xiàn)，1993年沒有出現(xiàn)明顯氣象災(zāi)害，小麥生育期內(nèi)光溫水配合較好，所以獲得高產(chǎn)；1999—2000年發(fā)生冬春連旱，越冬死亡多，返青生長差，最終減產(chǎn)嚴重。總體來看，氣候變暖，有效積溫增加，可生長期延長，種植界限西伸北抬，對發(fā)展農(nóng)業(yè)是有利的，這與本人以前的研究結(jié)論一致[16]。

圖9 隴東塬區(qū)小麥和玉米氣候產(chǎn)量變化圖

隴東塬區(qū)1991—2020年來玉米氣候產(chǎn)量為增加的趨勢，增加趨勢為172.3 kg/(10 a·hm2)。玉米產(chǎn)量最大值出現(xiàn)在1998年，為4692.6 kg/hm2；最小值出現(xiàn)在2017 年 ，為-4563.9 kg/hm2；振幅 9256 kg/hm2。因為1998年玉米生育期內(nèi)降水分布均勻，沒有明顯氣象災(zāi)害所以豐產(chǎn)；2017年玉米抽雄、開花和吐絲關(guān)鍵期出現(xiàn)了嚴重高溫干旱天氣，灌漿乳熟出現(xiàn)陰雨寡照，造成穗小粒少、禿尖比大，最終影響產(chǎn)量。氣候暖濕化發(fā)展，春季降水增加，有效積溫增大，有利于產(chǎn)量提高。玉米氣候產(chǎn)量波動幅度遠大于小麥，說明玉米受氣候不確定性影響要大于小麥。

從相關(guān)系數(shù)（表1）可見，降水量與平均氣溫對隴東塬區(qū)小麥和玉米的影響效應(yīng)是一致的，降水量對小麥、玉米是極顯著的正效應(yīng)，平均氣溫對小麥、玉米是不顯著的負效應(yīng)，說明水份是隴東黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)糧食生長的最大制約因素，氣候產(chǎn)量的高低主要受降水的影響；溫度是重要的影響因子。有效積溫和日照時數(shù)對小麥、玉米產(chǎn)量的影響不一致，有效積溫和日照時數(shù)對小麥產(chǎn)量是正效應(yīng)，而對玉米產(chǎn)量均為負效應(yīng)，說明冬小麥生育期延長、光熱條件充分，有利于產(chǎn)量提高，玉米夏季強光照和高溫會進一步加大干旱程度，進而影響產(chǎn)量，這與毛玉琴等研究一致[17-20]，氣候因子的具體影響比較復(fù)雜需要進一步研究。

表1 隴東塬區(qū)各氣候因子與糧食氣候產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃的初日呈現(xiàn)提前趨勢，終日呈現(xiàn)推后趨勢，初終日期間持續(xù)天數(shù)呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，有效延長了生長期，使種植北界北擴西伸。80%保證率下，日均氣溫穩(wěn)定通過0℃和10℃初終日期間降水量隨年代的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，≥0℃和≥10℃積溫隨年代增加呈現(xiàn)增加趨勢，日照時數(shù)隨年代增加呈現(xiàn)遞減趨勢，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利有弊。

小麥生育期內(nèi)，平均氣溫升高，降水總量減少，引起隴東塬區(qū)小麥播期推遲，成熟提前，生育期有所縮短，但冬季停止生長期推遲，返青期提早，生長期縮短主要體現(xiàn)在越冬期縮短上，有效生長期得到保證，最終導(dǎo)致氣候產(chǎn)量小幅增加。玉米播種普遍后推，回避了春末晚霜凍影響，成熟期呈提早趨勢，有效回避了氣候暖濕化特別是秋季連陰雨的影響，夏季熱量資源增加保證了玉米生長，成熟期提早為小秋作物收獲后的秋播工作贏得了時間，有效擴大了作物種植面積。

隴東塬區(qū)小麥、玉米氣候產(chǎn)量與生育期內(nèi)降水量呈顯著正相關(guān)，水份影響著隴東糧食產(chǎn)量的生育全過程，水資源短缺是隴東塬區(qū)作物生長的制約因素。平均氣溫對小麥、玉米是不顯著的負效應(yīng)，溫度是重要的影響因子。有效積溫和日照時數(shù)對小麥、玉米的影響不一致，玉米受氣候不確定性影響要大于小麥，氣候因子的具體影響比較復(fù)雜需要進一步研究。