亢秀麗 靖華 馬愛(ài)平 王裕智 崔歡虎
摘要:為有效提供氣候變化未來(lái)情景相適應(yīng)的栽培途徑,對(duì)1987-2017年區(qū)域(臨汾)與水分相關(guān)的降水量、氣溫、10 cm地溫、蒸發(fā)量、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)7個(gè)氣象因子開(kāi)展了動(dòng)態(tài)變化、因子間相關(guān)性及其對(duì)小麥產(chǎn)量的影響研究。結(jié)果表明:各年小麥生育期氣象因子動(dòng)態(tài)變化特征為降水量、平均氣溫和平均10 cm地溫呈遞增趨勢(shì),而蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度和平均風(fēng)速則呈遞減趨勢(shì);小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬,各月份蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。各年小麥生育期氣象因子間相關(guān)性為平均氣溫與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān),平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關(guān),相關(guān)氣象因子間的變異系數(shù)為降水量>蒸發(fā)量>平均風(fēng)速>平均相對(duì)濕度>平均地溫>日照時(shí)數(shù)>平均氣溫;小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)、月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關(guān)。各氣象因子與小麥產(chǎn)量的相關(guān)性為各年小麥生育期平均氣溫、平均10 cm地溫、日照時(shí)數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),而平均相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、平均風(fēng)速則與產(chǎn)量呈正相關(guān),降水量與產(chǎn)量均呈正相關(guān),其中不同階段降水量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為生產(chǎn)年度>生育期>休閑期。該項(xiàng)研究可為小麥生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:氣候變化;氣象因子;小麥產(chǎn)量
中圖分類(lèi)號(hào):S161,S512.1+1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
論文編號(hào):cjas18030032
0 引言
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),山西小麥年播種面積約66.7萬(wàn)hm2,是山西的第二大糧食作物。因此,小麥產(chǎn)量的豐歉直接左右著全省糧食總產(chǎn)量。全球變暖己成為公認(rèn)的事實(shí)。近年來(lái),廣大科技工作者從不同空間尺度開(kāi)展了氣候變化對(duì)小麥生產(chǎn)的影響研究,在大區(qū)級(jí)空間尺度下楊建瑩等開(kāi)展了氣候變化背景下華北地區(qū)冬小麥生育期的變化特征研究,姬興杰、寧金花等分別開(kāi)展了氣候變化對(duì)北方冬麥區(qū)生育期、氣候變率和變化特征研究,申雙和等開(kāi)展了氣候變化情景下黃淮海冬麥區(qū)降水量及其適宜度變化分析等;在省級(jí)小麥主產(chǎn)區(qū)空間尺度下,河北開(kāi)展有了氣溫變化對(duì)冬小麥發(fā)育期分析、山東開(kāi)展了氣溫變化對(duì)最佳適播期的影響、河南開(kāi)展了地溫變化對(duì)產(chǎn)量的影響及降水量的時(shí)空演變特征、陜西開(kāi)展了氣溫和C02濃度變化對(duì)產(chǎn)量影響的模擬分析、甘肅開(kāi)展了冬春地溫變化對(duì)小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的相關(guān)分析、江蘇開(kāi)展了近50年氣候干濕特征研究、新疆開(kāi)展了額爾齊斯河流域氣溫日較差變化特征及影響因子分析;與此同時(shí),山西省開(kāi)展了氣溫、降水變化的特征及趨勢(shì)分析、冬小麥主要發(fā)育期特征及對(duì)氣候變暖的響應(yīng)、降水氣溫變化對(duì)旱地小麥農(nóng)藝性狀的影響等。以上這些研究成果以不同氣象因子為對(duì)象,研究了氣候變化對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期、農(nóng)藝技術(shù)措施(播種期)及產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀的影響,對(duì)大區(qū)級(jí)及各省小麥應(yīng)對(duì)氣候變化提供了理論指導(dǎo)。但以上較多研究主要集中在單一或兩個(gè)氣象因子對(duì)小麥生產(chǎn)的影響研究,特別是個(gè)別氣象因子變化研究是自然年度間的變化,缺乏小麥生育期間或生產(chǎn)年度多氣象因子的變化研究,而小麥生產(chǎn)系統(tǒng)受氣候變化的影響是多氣象因子共同作用的結(jié)果?;诖耍卷?xiàng)研究篩選了與水分相關(guān)的降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度7個(gè)氣象因子,開(kāi)展小麥生育期或生產(chǎn)年度各關(guān)鍵氣象因子動(dòng)態(tài)變化特征、氣象因子間相關(guān)性及其對(duì)產(chǎn)量的影響研究,以期較全面地解析不同氣象因子對(duì)小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響,為未來(lái)氣候變化情景提供理論和技術(shù)支撐。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)基地概況
試驗(yàn)基地位于臨汾盆地堯都區(qū),海拔457.0 m,屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候?qū)?。主要?dú)夂蛱卣鳛樗募痉置鳌⒍湎臒?、雨熱同期、旱多澇少。夏季受到海洋性暖濕氣團(tuán)的控制,成為多雨季節(jié),且雨季時(shí)間較短,冬、春、秋季在干燥大陸性氣團(tuán)的控制之下,氣候干燥,雨雪稀少。試驗(yàn)基地為雨養(yǎng)條件,地勢(shì)平坦,土壤質(zhì)地為輕壤土質(zhì)。
1.2 試驗(yàn)材料及來(lái)源
氣象資料來(lái)源于臨汾國(guó)家基本氣象站,主要采集了臨汾近30年(1987年6月中旬-2017年6月上旬)與水分相關(guān)的生育期降水量、休閑期降水量、生產(chǎn)年度降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度9個(gè)氣象因子,共獲取30組數(shù)據(jù);小麥產(chǎn)量來(lái)源于國(guó)家黃淮海北片山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所旱地試驗(yàn)點(diǎn),其產(chǎn)量年度數(shù)據(jù)與氣象年度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng),共獲取30個(gè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。其中1988-1990年、1991-1997年、1998-2017年小麥品種分別為‘秦麥3號(hào)’(‘渭麥5號(hào)’)、‘晉麥33號(hào)’、‘晉麥47號(hào)’。
1.3 時(shí)段劃分及各氣象因子數(shù)據(jù)計(jì)算方法
(1)時(shí)段劃分。根據(jù)臨汾小麥播種期(上年9月26-28日播種,10月上旬出苗)、收獲期(次年6月7-8日)特點(diǎn),將小麥生產(chǎn)劃分為休閑期、生育期、生產(chǎn)年度,其中休閑期為上年6月中旬至9月,生育期為上年10月至次年6月上旬,生產(chǎn)年度為上年6月中旬至次年6月上旬;自然年度為每年的1月至12月。
(2)各氣象因子數(shù)據(jù)計(jì)算方法。各年小麥生育期相關(guān)氣象因子計(jì)算方法:平均氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度計(jì)算方法為上年10、11、12月,次年1、2、3、…、5、6月(上旬)各月均值總和除以9的平均值;降水量、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)計(jì)算方法為上年10、11、12月,次年l、2、3、…、5、6月(上旬)各月總量的總和;各年小麥生育期相關(guān)氣象因子每年獲取1個(gè)數(shù)據(jù),30年共獲取30組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)中含平均氣溫、10 cm地溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、生育期降水量、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)7個(gè)數(shù)據(jù)。
各年小麥生產(chǎn)年度、休閑期降水量及其他相關(guān)氣象因子計(jì)算方法:休閑期降水量為上年6(中、下旬)、7、8、9月各月降水量的總和;各年生產(chǎn)年度降水量為上年6(中、下旬)、7、8、9、…、12月,次年l、2、3、…、5、6月(上旬)各月降水量的總和;各年小麥生產(chǎn)年度各月平均氣溫為上年6、7、8、…、12月至次年1、2、3、…、5月各月均氣溫各年總和除以30年的平均值,12個(gè)月共獲取12個(gè)數(shù)據(jù);各月(各月對(duì)應(yīng)關(guān)系同上)蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值,12個(gè)月共獲取12個(gè)數(shù)據(jù);各季節(jié)[冬季上年12月、次年1、2月,春季次年3、4、5月,夏季上年6、7、8月,秋季上年9、10、11月]平均氣溫為各對(duì)應(yīng)月份月均氣溫各年總和除以30年的平均值,再3個(gè)月的平均值相加之和除以3,4個(gè)季節(jié)共獲取4個(gè)數(shù)據(jù);各季節(jié)平均(各季節(jié)各月對(duì)應(yīng)關(guān)系同上)蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值,再3個(gè)月的平均值相加之和,4個(gè)季節(jié)共獲取4個(gè)數(shù)據(jù)。
1.4 數(shù)據(jù)處理
資料數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS平臺(tái)操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 區(qū)域(臨汾)相關(guān)氣象因子動(dòng)態(tài)變化
2.1.1 各年小麥生育期相關(guān)氣象因子動(dòng)態(tài)變化由圖1—4看出,1987-2017年小麥生育期相關(guān)氣象因子的動(dòng)態(tài)變化不同。
(1)平均氣溫、蒸發(fā)量氣象因子變化特點(diǎn)。由圖l看出,平均氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而蒸發(fā)量則為下降趨勢(shì)。平均氣溫因子,8℃<1988-1997年<9℃,9℃≤1998-2002年
(2)平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)氣象因子變化特點(diǎn)。由圖2看出,平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。平均風(fēng)速因子,1988-1997年間在1.68—1.81 m/s區(qū)間,而1998-2017在1.41—1.44 m/s區(qū)間;日照時(shí)數(shù)因子,1988-2002年間在1423.66—1403.28 h區(qū)間,而2003-2017年間則低于1400 h。
(3)生育期、休閑期降水量氣象因子變化特點(diǎn)。由圖3看出,生育期、休閑期降水量變化趨勢(shì)不明顯。生育期降水量因子,160 mm≤1988-1997年≤170 mm,150 mm≤1998-2012年≤160 mm, 170 mm≤2013-2017年≤180 mm,1998-2017年間生育期間降水有增加趨勢(shì);休閑期降水量因子,除2003-2007年間降水在360 mm外,其他時(shí)段均維持在250—300 mm間。
(4)平均10 cm地溫、平均相對(duì)濕度氣象因子變化特點(diǎn)。由圖4看出,平均10 cm地溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而平均相對(duì)濕度則為下降趨勢(shì)。平均10 cm地溫因子,1988-1997年間在9.25—10.01℃區(qū)間,而1998-2017年間呈上升趨勢(shì),維持在10.34—11.20℃區(qū)間。平均相對(duì)濕度因子,1988-2012年間呈直線下降,由1988-1992年間的62.64%下降到2008-2012年間的50.69%,2013-2017年間較2008-2012年間略有上升,但上升幅度較小。
2.1.2 生產(chǎn)年度各季節(jié)、月份蒸發(fā)量氣象因子動(dòng)態(tài)變化由圖5、6看出,小麥生產(chǎn)年度四季的冬季、秋季、春季、夏季蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升,生產(chǎn)年度的l、2、3、…、12月的蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升,隨氣溫的下降而下降。
2.1.3 各年小麥生育期相關(guān)氣象因子及休閑期、生產(chǎn)年度降水量因子的變異系數(shù)關(guān)系由表1看出,各年小麥生育期不同氣象因子的變異系數(shù)存在差異。降水量變異系數(shù)最大,其中以休閑期>生育期>生產(chǎn)年度,其次分別為蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均10 cm地溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫,其中平均氣溫在7個(gè)氣象因子中變異系數(shù)最小。
2.2 小麥生產(chǎn)不同時(shí)段相關(guān)氣象因子與蒸發(fā)量及其他氣象因子間的相關(guān)性
2.2.1 小麥生育期相關(guān)氣象因子對(duì)蒸發(fā)量的影響由表2看出,各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)對(duì)蒸發(fā)量的影響不同。各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫均與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān),平均10 cm地溫決定系數(shù)大于平均氣溫的決定系數(shù)即平均10 cm地溫對(duì)蒸發(fā)量的相關(guān)性大于平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的相關(guān)性。各年小麥生育期平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均與蒸發(fā)量呈正相關(guān),平均風(fēng)速?zèng)Q定系數(shù)大于日照時(shí)數(shù)的決定系數(shù)即平均風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)量的影響大于日照時(shí)數(shù)對(duì)蒸發(fā)量的影響。
2.2.2 小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的影響由表2看出,生產(chǎn)年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對(duì)蒸發(fā)量的影響不同。對(duì)蒸發(fā)量的影響為各季節(jié)平均氣溫>各月平均氣溫。
2.2.3 其他氣象因子間的相關(guān)性由表2看出,各年小麥生育期平均風(fēng)速與平均氣溫、各年小麥生育期平均10 cm地溫與相對(duì)濕度二者均呈負(fù)相關(guān),表明各年小麥生育期平均風(fēng)速大小直接影響著各年小麥生育期平均氣溫,各年小麥生育期平均10 cm地溫的升高會(huì)降低各年小麥生育期的平均相對(duì)濕度。
2.3 相關(guān)氣象因子與產(chǎn)量的線性關(guān)系
2.3.1 各年降水量氣象因子對(duì)產(chǎn)量的影響由表3得出,生產(chǎn)年度、各年休閑期、小麥生育期的降水量對(duì)小麥產(chǎn)量的影響程度不同。各時(shí)段降水量對(duì)產(chǎn)量均呈正相關(guān),即各時(shí)段降水量的增加對(duì)產(chǎn)量均有正向效應(yīng),各時(shí)段降水量對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性為生產(chǎn)年度>生育期>休閑期。
2.3.2 各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響由表3看出,各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響均呈負(fù)相關(guān),即隨著日照時(shí)數(shù)增加、氣溫、10 cm地溫升高產(chǎn)量呈降低的趨勢(shì),三者對(duì)產(chǎn)量的相關(guān)性依次為日照時(shí)數(shù)>10 cm地溫>平均氣溫。
2.3.3 各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)量的影響由表3看出,各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)量的影響均呈正相關(guān),即隨著蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度的增加產(chǎn)量呈升高的趨勢(shì),三者對(duì)產(chǎn)量的相關(guān)性依次為平均相對(duì)濕度>平均風(fēng)速>蒸發(fā)量。
3 結(jié)論與討論
區(qū)域(臨汾)相關(guān)氣象因子資料動(dòng)態(tài)變化分析表明,1987-2017年中各年小麥生育期降水量、平均氣溫和平均lOcm地溫呈遞增趨勢(shì),蒸發(fā)量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度呈遞減趨勢(shì);1987-2017年小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬,各月蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。關(guān)于本區(qū)域降水量,20世紀(jì)50、60、70、80、90年代、21世紀(jì)前10年及近7年的自然年度年平均降水量分別為513.6、535.0、500.5、467.1、438.5、459.8、467.5 mm,可以看出20世紀(jì)50、60、70年平均降水量≥500 mm,至20世紀(jì)90年代年均降水量跌至450 mm以下,而進(jìn)入21世紀(jì)前10年及近7年降水量則呈上升趨勢(shì),但仍未突破500 mm;因此,從這個(gè)區(qū)間看年降水量總體呈降低趨勢(shì),而本項(xiàng)研究采集區(qū)間為1987年6月中旬一2017年6月上旬,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)小麥生育期降水量增加趨勢(shì)。其他相關(guān)氣象因子如平均氣溫、平均地溫、蒸發(fā)量等在較大區(qū)間的變化動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與本項(xiàng)研究采集區(qū)間趨勢(shì)表現(xiàn)一致。
統(tǒng)計(jì)區(qū)域(臨汾)相關(guān)氣象因子間相關(guān)性表明:1987-2017年中各年小麥生育期蒸發(fā)量隨平均氣溫的升高呈降低趨勢(shì),即平均氣溫與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān),這與申雙和對(duì)全國(guó)近45年(自然年度)的氣溫與蒸發(fā)量的研究結(jié)果相一致;而小麥生產(chǎn)年度各季節(jié)、各月份的蒸發(fā)量則隨平均氣溫的升高呈上升趨勢(shì),即各季節(jié)、各月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關(guān),這與各年小麥生育期平均氣溫與蒸發(fā)量的結(jié)果不相一致,分析其原因,主要是由于其間各年小麥生育期平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關(guān),而各年小麥生育期平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈降低趨勢(shì),且二者的變異系數(shù)大于平均氣溫的變異系數(shù),即由于各年小麥生育期平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的降幅大于各年小麥生育期平均氣溫的升高幅度而抵消了溫度對(duì)蒸發(fā)量的正效應(yīng)。本項(xiàng)研究用統(tǒng)計(jì)變異系數(shù),而申雙和等通過(guò)彭曼公式中能量平衡項(xiàng)和空氣動(dòng)力項(xiàng)驗(yàn)證了風(fēng)速降低、日照時(shí)數(shù)減少是年蒸發(fā)量降低的主要原因。
分析研究區(qū)域相關(guān)氣象因子對(duì)小麥產(chǎn)量的相關(guān)性表明,生產(chǎn)年度、生育期和休閑期降水量對(duì)產(chǎn)量均呈正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為:生產(chǎn)年度>生育期>休閑期,這與崔歡虎等對(duì)山西浮山縣小麥單產(chǎn)與全年降水量關(guān)系的研究結(jié)果一致。各年小麥生育期平均氣溫、平均地溫和日照時(shí)數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),各年小麥生育期平均相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、平均風(fēng)速與產(chǎn)量呈正相關(guān)。其中平均風(fēng)速可能是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子,由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致平均氣溫和平均地溫上升而降低小麥產(chǎn)量,由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致蒸發(fā)量降低而降低小麥產(chǎn)量,由于平均風(fēng)速降低導(dǎo)致平均相對(duì)濕度上升而提高小麥產(chǎn)量,而有關(guān)風(fēng)速衍生其他氣象因子的變化而對(duì)小麥產(chǎn)量的影響相關(guān)研究較少。
本項(xiàng)研究應(yīng)用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量解析小麥生育期間的蒸發(fā)量及其與其他因子間的相關(guān)性,是基于周林等開(kāi)展的氣候變暖對(duì)黃淮海平原冬小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響的數(shù)值模擬研究結(jié)果“高溫加大了土壤蒸發(fā)”。本課題開(kāi)展的小麥冬前地溫提升模擬方法(2017年)也較好地驗(yàn)證了地溫升高會(huì)誘發(fā)土壤蒸發(fā)量的增加,而本項(xiàng)研究也表明氣溫與地溫高度正相關(guān)。
農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)2019年7期