徐 偉，楊文彪，祁澤偉，劉凱凱，高志強，林 文，薛建福

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

據(jù)報道，世界上約有6.9 億人遭受饑餓，平均每年增加1 000 萬[1]。如何提高糧食總產(chǎn)量，仍是眾多科學(xué)家、政治家和公眾關(guān)注的焦點問題。但近幾年來，世界人均耕地面積逐漸縮減，按照近幾年世界耕地面積變化趨勢預(yù)測，到2050 年世界人均耕地面積將降至0.151 hm2[2]。在世界人均耕地面積減少的大背景下，我國固守1.2 億hm2耕地紅線，但未來20 a 隨著城市化發(fā)展和人口的增長，仍會導(dǎo)致糧食供需矛盾的加劇[3]。通過運用與實際產(chǎn)量相關(guān)性最大的潛力模型，可為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高糧食生產(chǎn)能力提供一定的理論依據(jù)[4]。要想挖掘現(xiàn)有耕地面積的作物產(chǎn)量潛力，首先要明確生產(chǎn)潛力，明確由地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候決定的產(chǎn)量提升空間[5]。計算不同時空的光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，可以反映不同氣候背景下作物產(chǎn)量所能達(dá)到的上限，而將不同的氣象要素與生產(chǎn)潛力進(jìn)行回歸分析，則可以了解不同區(qū)域氣象要素與作物產(chǎn)量的相關(guān)性。

小麥?zhǔn)巧轿魇≈攸c糧食作物，2009—2012 年山西省小麥產(chǎn)值呈現(xiàn)持續(xù)上漲狀態(tài)，年均產(chǎn)值增長率約為15.84%[6]。山西省冬小麥種植主要集中在山西南部的運城市和臨汾市，其中，2018 年運城市冬小麥種植面積占全省冬小麥種植面積的46.53%[7]。冬小麥生產(chǎn)潛力主要由當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣候決定，不同氣候因素對冬小麥生產(chǎn)潛力的限制會隨地區(qū)不同而產(chǎn)生差異[8]。已有的山西冬小麥生產(chǎn)潛力研究主要集中在縣域尺度[9-10]，或從全省的層面對山西冬小麥生產(chǎn)潛力及氣象因子進(jìn)行分析。但選用的氣象站點較少，年份較短，并未針對冬小麥主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行細(xì)致分析[11]。因此，本研究針對運城市的冬小麥生產(chǎn)潛力變化趨勢及相關(guān)氣象因子進(jìn)行進(jìn)一步分析。

本研究采用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法估算了運城市冬小麥生產(chǎn)潛力，并對該地區(qū)氣象因子與生產(chǎn)潛力進(jìn)行回歸分析，明確近幾年運城市不同縣、市和區(qū)的冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，明確運城冬小麥產(chǎn)量上限，為縮小該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量差奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域及方法

本研究著重對運城市冬小麥生產(chǎn)潛力進(jìn)行探索，同時對生產(chǎn)潛力的氣象限制因素進(jìn)行挖掘，探究運城市冬小麥生長區(qū)氣象要素對冬小麥生產(chǎn)潛力的限制。通過農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法研究了生產(chǎn)潛力，對運城市13 個縣、市和區(qū)1997—2016 年冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算，探究近20 a 來冬小麥生產(chǎn)潛力變化的基本趨勢，明確降雨量、日照時數(shù)、溫度等氣象因子對冬小麥生產(chǎn)潛力的影響。

研究涉及的運城市13 個縣、市和區(qū)分別為河津、稷山、絳縣、臨猗、平陸、芮城、萬榮、聞喜、夏縣、新絳、鹽湖、永濟(jì)和垣曲；涉及的氣象站點的氣象數(shù)據(jù)（1997—2016 年）包括日均最低溫度、日均風(fēng)速、日降水量、日平均溫度、日均最高溫度、日照時數(shù)、日均相對空氣濕度等氣象指標(biāo)，全部由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供[12]。

1.2 生產(chǎn)潛力的計算

評價冬小麥生產(chǎn)潛力的指標(biāo)有光溫生產(chǎn)潛力、光合生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力等。本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域模型對光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行計算[13]。此外，根據(jù)生產(chǎn)潛力衰減機制[14]和冬小麥不同生育階段的水分情況，對冬小麥氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算。

1.2.1 光合生產(chǎn)潛力計算 光合生產(chǎn)潛力是利用輻射資料和地理位置信息計算的標(biāo)準(zhǔn)作物可能存在的潛在產(chǎn)量[11]。本研究通過日照時數(shù)和站點地理位置等信息換算對冬小麥光合生產(chǎn)潛力相關(guān)的太陽短波輻射量進(jìn)行計算[15]。

式中，Rns指地表凈短波輻射（MJ/（m2·d））；Ra指晴空太陽輻射（MJ/（m2·d））；dr指太陽與對球相對距離；δ 指太陽赤緯（rad）；Ws指日落時角（rad）；N指最大天文日照時數(shù)（h）；n指日照時數(shù)（h）；φ 指測點緯度（rad）；J指日序。

在獲得基本的輻射資料數(shù)據(jù)之后，采用數(shù)值法來推算冬小麥光合生產(chǎn)潛力。

式中，y指光合生產(chǎn)潛力（kg/（hm2·d））；yc為生育期間全晴天時，標(biāo)準(zhǔn)作物總干物質(zhì)產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；yo指生育期間全陰天時，標(biāo)準(zhǔn)作物總干物質(zhì)產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；F指云覆蓋度。公式（1）中的生育期全陰天和全晴天標(biāo)準(zhǔn)作物總干物質(zhì)產(chǎn)率由劉建棟等[16]針對我國黃淮海作物特征，對其進(jìn)行了修訂。

1.2.2 光溫生產(chǎn)潛力計算 通過標(biāo)準(zhǔn)作物干物質(zhì)光合生產(chǎn)潛力以及矯正后的作物種類、溫度條件、收獲指數(shù)、生育期對光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行計算[13]。

其中，Y指光溫生產(chǎn)潛力（kg/hm2）；L指作物生育期葉面積訂正系數(shù)；N指凈干物質(zhì)生產(chǎn)訂正系數(shù)；H指作物收獲指數(shù)；G指作物全生育期天數(shù)；ym指作物的干物質(zhì)生產(chǎn)率（kg/（hm2·d））；yc和yo同公式（7）。

1.2.3 氣候生產(chǎn)潛力計算 氣候生產(chǎn)潛力通過在較理想土壤肥力條件下，由光照、溫度和降水3 個因素決定的作物最大產(chǎn)量進(jìn)行計算[17]。

式中，Yw指作物氣候生產(chǎn)潛力（kg/hm2）；I1與u1分別指作物生長前期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率；I2與u2分別指作物生長中期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率；I3與u3分別指作物生長后期的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率。

產(chǎn)量降低率通過各生育階段水分虧缺率計算得出[17]。

其中，u為產(chǎn)量降低率；k為產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)，在不同生育階段有所不同，主要表征相對產(chǎn)量降低與相對耗水量虧缺之間的關(guān)系；ETa指作物各生育階段實際耗水量（mm）；ETm指作物各生育階段實際需水量（mm）；Kc指作物需水系數(shù)；PE指參考蒸散量（mm）。

當(dāng)ETm小于生育階段降水量與播前30 d 土壤有效儲水量時，ETa＝ETm；當(dāng)ETm大于生育階段降水量與播前30 d 土壤有效儲水量時，ETm＝P×ST，其中，P指降水量（mm/d），ST指播前土壤有效儲水量（mm）。

其中，n1指播前有效降水量天數(shù)（d）。當(dāng)ST＜0時，播前土壤有效儲水量記為0。

冬小麥需水量（ETc）計算采用FAO 推薦的雙作物系數(shù)法[15]?？紤]了作物蒸騰作用和土壤蒸發(fā)作用的影響，采用基作物系數(shù)（Kcb）描述植物蒸騰作用，土壤水分蒸發(fā)系數(shù)（Ke）描述土壤表面的蒸發(fā)作用。

式中，ETc指作物需水量（mm/d）；ET0指作物參考蒸散量（mm/d）；Kcb指基作物系數(shù)；Ke指土壤水分蒸發(fā)系數(shù)。

作物參考蒸散量采用Penman-Monteith 方程計算獲得。

式中，Δ 指蒸汽壓曲線斜率；Rn指太陽凈輻射（MJ/（m2·d））；G指土壤熱通量（MJ/（m2·d））；γ 指濕度計算常數(shù)；T指2 m 高處日平均溫度（℃）；U指2 m高處日平均風(fēng)速（m/s）；ea指實際蒸汽壓（KPa）；es指飽和蒸汽壓（KPa）。

基作物系數(shù)（Kcb）定義為土壤表面干燥時，作物蒸散量相對于參考蒸散量（ETc/ET0）的比值，但蒸散量以潛在速率發(fā)生，即水沒有限制蒸騰作用。一定條件下具體Kcb值如表1 所示[15]。

表1 半濕潤氣候下冬小麥基作物系數(shù)

但對于空氣濕度（RHmin）不在40%～50%或日均風(fēng)速（U）不在1.7～2.3 m/s 的氣候條件下的，大于0.45 的作物生長中期和生長后期基作物系數(shù)必須使用以下公式進(jìn)行調(diào)整。

其中，Kcbadj指公式調(diào)整后的作物基系數(shù)值；Kcb的值即表中的值（大于0.45 的作物生長中期和生長后期基作物系數(shù)）；U指日均風(fēng)速（m/s）（作物生長中后期風(fēng)速在1～6 m/s 時）；RHmin指相對最小濕度（作物生長中后期濕度為20%～80%時）；h指作物生長中后期平均高度（m）（作物生長中后期濕度為20%～80%時）。

土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke）是作物蒸散量（ETc）的一部分。在表土濕潤、降雨或灌溉后，Ke值最大。在土壤表面干燥的地方，土壤表面附近沒有水蒸發(fā)時，Ke很小，接近于0。當(dāng)表層土壤干燥時，可供蒸發(fā)的水減少，蒸發(fā)的減少開始與表層土壤中剩余的水量成正比。

其中，Ke指土壤蒸發(fā)系數(shù)；Kcb指基作物系數(shù)；Kcmax為降雨或灌溉時Kc的最大值；Kr指無因次蒸發(fā)減少系數(shù)取決于表土耗水（蒸發(fā)）的累積深度；few指土壤暴露和濕潤的部分，即蒸發(fā)發(fā)生最多的那部分土壤表面。

在土壤濕潤的地方，土壤蒸發(fā)的速率最大，但是基作物系數(shù)（Kc＝Kcb＋Ke）不能超過最大值Kcmax。

其中，Kcb、U、RHmin和h的意義同公式（20），Kcmax表示取公式（23）和（24）中數(shù)值帶入后所得結(jié)果中最大的值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中數(shù)據(jù)整理及圖表繪制主要采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行，其中各項生產(chǎn)潛力根據(jù)各站點逐日氣象數(shù)據(jù)等進(jìn)行計算。氣象因子回歸及顯著性分析采用SPSS 16.0 軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素變化趨勢

由圖1 可知，1997—2016 年運城市13 個地區(qū)的平均年日照時數(shù)和空氣濕度有極顯著下降趨勢，日均最低溫度呈現(xiàn)極顯著上升趨勢，日均風(fēng)速呈現(xiàn)顯著上升趨勢，其他氣象要素變化趨勢不明顯，未達(dá)到顯著水平。

2.2 冬小麥生產(chǎn)潛力變化趨勢

本研究中的運城市冬小麥生產(chǎn)潛力為運城市13 個縣、市和區(qū)生產(chǎn)潛力的平均值。利用生態(tài)區(qū)域法逐級計算運城市1997—2016 年的冬小麥光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，其中，光合生產(chǎn)潛力為79.40～90.36 t/hm2，光溫生產(chǎn)潛力為8.14～9.08 t/hm2，氣候生產(chǎn)潛力為5.20～6.63 t/hm2。20 a 中冬小麥光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力有下降趨勢，但未達(dá)到顯著水平，氣候生產(chǎn)潛力有顯著下降趨勢（P＜0.05）（圖2）。

2.3 冬小麥生產(chǎn)潛力與氣象因子的相關(guān)分析

光合生產(chǎn)潛力主要受太陽輻射量的影響，且與實際產(chǎn)量差別較大，因此，本研究對運城市冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的氣象影響因子進(jìn)行了分析。對運城市1997—2016 年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、日均相對濕度、日均風(fēng)速和年降雨量7 個氣象因子與該地區(qū)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的回歸分析發(fā)現(xiàn)，影響運城市冬小麥光溫生產(chǎn)潛力的氣象因子主要是年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度和日均相對濕度（圖3），冬小麥光溫生產(chǎn)潛力與年日照時數(shù)和日均相對濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與日均溫度、日均最高溫度和日均最低溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

影響運城市冬小麥氣候生產(chǎn)潛力的氣象因子主要是年日照時數(shù)、日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、日均相對濕度和年降雨量（圖4），其中，冬小麥氣候生產(chǎn)潛力與年日照時數(shù)、日均相對濕度和年降雨量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與日均溫度、日均最高溫度和日均最低溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

3 結(jié)論與討論

運城市近20 a 來冬小麥平均生產(chǎn)潛力為7.3 t/hm2，其中，平均光溫生產(chǎn)潛力為8.7 t/hm2，氣候生產(chǎn)潛力為5.9 t/hm2。劉?；ǖ萚18]研究認(rèn)為，全球小麥平均生產(chǎn)潛力為6.7 t/hm2，而我國華北平原冬小麥光溫生產(chǎn)潛力為8.1～8.4 t/hm2[19]。本研究中運城市冬小麥生產(chǎn)潛力較全球平均值高，也高于我國華北平原小麥生產(chǎn)潛力。不同區(qū)域冬小麥生產(chǎn)潛力的差異主要是由地理位置引起的氣候差異引起的，如地勢的高低引起輻射條件差異，導(dǎo)致光溫生產(chǎn)潛力不同[10]，因此，不同區(qū)域冬小麥生產(chǎn)潛力一般不同。

日照時數(shù)是指陽光在沒有云層遮蓋時照射到地面的時間，日照時數(shù)長短直接決定植物進(jìn)行有效光合作用的時間，同時地面溫度和空氣溫度也隨之改變，溫度直接影響了冬小麥同化物的積累和生育期進(jìn)程[20-21]，因此，日照時數(shù)和溫度與冬小麥生產(chǎn)潛力均呈極顯著相關(guān)。冬小麥灌漿速度受日均最高溫度影響較大。

1997—2016 年運城市氣候生產(chǎn)潛力有明顯的降低趨勢，且與降雨量呈顯著正相關(guān)，這可能與山西省自然降雨并不能完全滿足冬小麥生育期需水量，水分缺乏會導(dǎo)致光合作用受到影響，同化物積累受限，進(jìn)而影響冬小麥產(chǎn)量[22]有關(guān)。年日照時數(shù)和相對空氣濕度呈現(xiàn)極顯著的減退趨勢，日均最低溫度有極顯著上升趨勢，均極顯著影響冬小麥生產(chǎn)潛力，這可能與氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)顯著下降趨勢有關(guān)。本研究對1997—2016 年運城市冬小麥生產(chǎn)潛力的變化趨勢進(jìn)行了分析，但最近幾年的數(shù)據(jù)還有待補充，此外也需要適當(dāng)增加數(shù)據(jù)的時間跨度，對生產(chǎn)潛力總體變化趨勢進(jìn)行更加準(zhǔn)確地描述。此外，本研究中作物生育期內(nèi)需水量按照作物對地面的覆蓋程度劃分為3 個階段，以區(qū)分不同時間點降雨多少對冬小麥生長的影響。今后的研究中可對不同小麥生長階段的需水量進(jìn)一步進(jìn)行討論，以更加準(zhǔn)確地評價冬小麥生產(chǎn)潛力。