張瑞蘭武萬里王淑麗

(1.吳忠市氣象局,寧夏 吳忠 7511002;2.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏 銀川 750002)

胡麻又稱亞麻籽，是我國特色油料作物之一，含有豐富的脂肪、膳食纖維、蛋白質(zhì)等，其有效成分如α-亞麻酸、亞麻籽膠、亞麻籽蛋白和木脂素等活性物質(zhì)，對人體有著良好的調(diào)節(jié)功效，具有預(yù)防和治療癌癥、心血管疾病、糖尿病等潛力[1]。隨著經(jīng)濟穩(wěn)步增長和居民收入水平不斷提高，胡麻作為功能性、休閑性特色油籽食品和油脂日益受到消費者喜愛[2]，使得我國胡麻消費需求不斷增加，國內(nèi)產(chǎn)需缺口不斷擴大，國內(nèi)有效供給明顯不足，對國際市場依賴程度逐年攀升，中國也從特色油料出口國家轉(zhuǎn)變?yōu)閮暨M口國[2]。寧夏南部山區(qū)位于黃河中上游黃土高原，干旱少雨，日較差大，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，屬農(nóng)牧過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，是響應(yīng)氣候變化的極度敏感區(qū)[3]。近百年來(1909—2011年)我國陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5℃，尚處在近百年來氣溫最高階段；區(qū)域極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加[4]。氣候變化加大了油料作物生產(chǎn)的不穩(wěn)定性[5]。胡麻是寧夏南部山區(qū)傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)油料作物，并且抗旱、抗寒、耐瘠薄,有著明顯的區(qū)域優(yōu)勢，是全國6個胡麻主產(chǎn)區(qū)之一[6]。胡麻需水量和肥力量比較少，但耗水時段集中、耗水量多[7]。趙克學(xué)等[8]研究表明，在胡麻一生耗水中，降雨占56%，土壤供水占44%，從發(fā)育階段來看，苗期占14.9%，營養(yǎng)生長期占58.3%，生殖生長期占26.8%，最大耗水強度出現(xiàn)在現(xiàn)蕾—開花，從整個水分供需平衡看，中后期水分虧缺嚴重。郭曉雷等[9]采用彭曼公式,計算了旱地胡麻的需水量,表明胡麻需水量呈增加趨勢。姚玉璧等[10]圍繞氣候變化對胡麻產(chǎn)量影響問題，結(jié)果表明，降水量不變時，胡麻產(chǎn)量與氣溫呈負相關(guān);氣溫不變時，胡麻產(chǎn)量與降水量呈正相關(guān)。本文基于利用1991—2020年寧夏固原站胡麻土壤水分觀測記錄、胡麻生育狀況觀測記錄，結(jié)合同期氣象資料，分析旱地胡麻土壤水分變化特征及發(fā)育期和產(chǎn)量的影響，建立多元回歸函數(shù)模型,定量分析、土壤水分因子對固原旱地胡麻產(chǎn)量影響,以期為制定適應(yīng)措施，應(yīng)對氣候變化，保障供給安全，提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

旱地胡麻土壤水分觀測資料、胡麻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素觀測資料來源于寧夏固原國家農(nóng)業(yè)氣象一級觀測站的胡麻土壤水分觀測記錄報表、胡麻生育狀況觀測記錄人工觀測報表，資料序列為1991—2020年(其中，1992年、2000年因觀測地段胡麻發(fā)生嚴重干旱而翻種蕎麥等其它作物無觀測數(shù)據(jù)，2013年因觀測業(yè)務(wù)調(diào)整中斷1a)。該站海拔高度1753.0m，年平均氣溫7.5℃，年降水量為423.0mm。胡麻觀測取樣地段為旱地，耕作管理措施與大田相同，土壤水分觀測方法為烘干稱重法，逢8取土，取土深度為0～50cm。觀測方法參見《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》。地面氣象觀測資料來源于寧夏氣象檔案館,資料序列為1971—2020年，資料時長50a。使用Excel對原始數(shù)據(jù)進行初步處理，應(yīng)用DPS統(tǒng)計分析軟件采用多元回歸等方法建立土壤水分因子與胡麻產(chǎn)量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱地胡麻生長季近50a氣溫和降水量的變化趨勢

固原觀測地段胡麻播種到成熟全生育期主要經(jīng)歷的時段為4月1日—8月10日，以4月1日—8月10日作為觀測地段旱地胡麻生長季時段，統(tǒng)計分析1971—2020年生育期氣溫和降水量及變化情況，結(jié)果見圖1。

1971—2020年固原旱地胡麻全生育期平均氣溫為15.3℃，呈現(xiàn)逐步上升趨勢，氣溫變化傾向率為0.47℃·10a-1，見圖1a。平均氣溫最低值為13.6℃，出現(xiàn)在1976年；平均氣溫最高值為17.1℃，出現(xiàn)在2006年。1996年為氣溫突變年[3]，突變前(1971—1995年)的生長季平均氣溫為14.6℃，突變后(1996—2020年)生長季平均氣溫16.1℃。從變化趨勢來看，突變前后增溫明顯，突變后(1996—2020年)平均氣溫上升趨勢減弱，但仍然處在氣溫高位震蕩階段，這與《第三次氣候變化國家評估報告》[5]評估結(jié)果相吻合。

1971—2020年固原旱地胡麻全生育期降雨量平均值為241.6mm，占全年降水量的57.1%，全生育期降雨量整體的變化表現(xiàn)為微弱的上升趨勢，傾向率為5.3mm·10a-1，降水量最大值為467.2mm，出現(xiàn)在2013年，降水量最小值為118.3mm，出現(xiàn)在2008年。從突變分析來看，多雨時段出現(xiàn)在1991—2000年和2011—2020年，少雨時段出現(xiàn)在1971—1979年和2001—2010年，突變不明顯，更多體現(xiàn)為周期性變化。近15a，胡麻全生育期降水量表現(xiàn)為增多的趨勢，特別是春季降雨增多趨勢顯著，同時，全生育期降水的最大值和最小值均在此時段，這體現(xiàn)了降水量變幅在加大，極端天氣氣候事件增多這一氣候事實。

2.2 旱地胡麻土壤水分變化特征

統(tǒng)計分析1991—2019年生長季固原觀測地段旱地胡麻0～50cm土壤水分基本特征，全生育期內(nèi)，旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均值為14.1%。由于上一年秋季降水累積和春季降水影響，旱地胡麻春季苗期土壤含水百分率平均為15.1%，處于高值階段。營養(yǎng)生長期(樅形期、現(xiàn)蕾、開花期)是胡麻大量耗水時段，自然降水不足，作物需水還需依靠土壤蓄水，土壤水分處于虧缺階段，到開花期水分虧損達到了極點，0～50cm土壤含水百分率平均值僅有13.1%。之后，隨著進入北方主汛期，降水量增多，土壤水分得到補給，虧缺程度下降，但補充有限，到8月中旬之后，土壤轉(zhuǎn)入蓄水階段，但胡麻已收獲。

以5月8日代表苗期、以6月18日(現(xiàn)蕾—開花期)代表需水關(guān)鍵期，分析1991—2019年固原旱地胡麻土壤水分年際變化特征。從年際變化來看，苗期土壤含水百分率呈現(xiàn)上升趨勢，特別是近5a的0～50cm土壤含水百分率提高了近2%，這與近15a來降水量增加特別是春季降雨量增加的趨勢明顯有關(guān)，見圖2a。而在需水關(guān)鍵期(現(xiàn)蕾—開花)土壤含水百分率變化趨勢無明顯，呈現(xiàn)為震蕩變化，見圖2b。從胡麻全生育期來看，旱區(qū)胡麻長期在干旱和輕度干旱徘徊，水分不足是影響胡麻生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。

2.3 旱地胡麻干旱特征分析

根據(jù)土壤相對濕度劃分農(nóng)田干旱程度的標準界值，以相對濕度(占田間持水量)40%、60%、80%為界限指標，劃分出<40%、40%～60%、60%～80%、>80%，4個區(qū)間段，分別對應(yīng)嚴重干旱、干旱、輕度干旱和不旱(適宜作物生長)。根據(jù)胡麻0～50cm土壤相對濕度值，統(tǒng)計分析1991—2020年固原觀測地段生長季，旱地胡麻干旱特征，見圖3。

出苗期(4月1日—5月10日)：旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均為15.2%，相對濕度67%。嚴重干旱、干旱、輕度干旱和不旱的占比分別為1%、19.9%、63.6%、15.7%，以輕度干旱為主，其次是干旱，個別年份會出現(xiàn)嚴重干旱。營養(yǎng)生長期(5月11日—6月20日)：旱地胡麻0～50cm，土壤含水百分率平均為14.1%，相對濕度62%。嚴重干旱、干旱、輕度干旱和不旱的占比分別為3.4%、35.9%、49.7%、11.0%，以輕度干旱為主，其次是干旱，部分年份會出現(xiàn)嚴重干旱，輕度干旱占比減小，干旱、嚴重干旱占比進一步增加。生殖生長期(7月1日—8月10日)：旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均為13.1%，相對濕度58%。嚴重干旱、干旱、輕度干旱和不旱的占比分別為16.5%、45.7%、22.6%、15.2%。以干旱為主，其次是輕度干旱，出現(xiàn)嚴重干旱的頻率達到16.5%。不旱的比例也明顯增多。統(tǒng)計顯示，出苗期土壤水分條件尚可，而營養(yǎng)生長期后期和生殖生長期，干旱是主旋律，降水量的多與少會造成土壤水分狀況的顯著變化。

2.4 干旱對胡麻發(fā)育期的影響分析

作物發(fā)育期變化與田間土壤水分條件相關(guān)，作物可以通過提早或推遲發(fā)育期，延長或縮短發(fā)育持續(xù)時間等方式作為響應(yīng)。在出苗期(播種—出苗)，胡麻種子播種后,需要吸收其重量1倍的水分才能順利發(fā)芽出苗，降水量和土壤濕度狀況可以反映吸收水分的時間，土壤水分狀況好，吸水迅速，發(fā)育期就短，統(tǒng)計中，出苗期(播種—出苗)持續(xù)日數(shù)與4月1日—5月10日土壤濕度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.3071。胡麻營養(yǎng)生長期間對水分狀況需求顯著，特別是樅形期—現(xiàn)蕾開花前后的需水關(guān)鍵期，耗水量大且對水分反應(yīng)敏感，胡麻是無限花序，沒有明顯的積溫界限，當水肥條件適宜時，胡麻通過增加分蘗數(shù)及蒴果數(shù)等延長營養(yǎng)生長期，如遇干旱，就會減少分蘗數(shù)及蒴果數(shù)，提早現(xiàn)蕾，縮短營養(yǎng)生長階段[11]。統(tǒng)計中，營養(yǎng)生長期(出苗—開花)持續(xù)時間與5—6月平均田間土壤濕度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.3587。生殖生長期(開花—成熟)持續(xù)時間與6月21日—8月10日平均田間土壤濕度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.5413，遇多雨、土壤濕度高，胡麻會貪青，發(fā)育期延長，遇干旱，則提早成熟。建立胡麻發(fā)育期統(tǒng)計模式，結(jié)果顯示，出苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期的土壤濕度增加1%，其歷經(jīng)時間變化值分別為-0.47d、1.29d、0.28d。春季土壤底墑有所改善以及春季降水有所增多是造成旱地胡麻出苗期(播種—出苗)縮短和營養(yǎng)生長期(出苗—開花)延長的主要原因。

2.5 干旱對胡麻產(chǎn)量的影響分析

統(tǒng)計1991—2020年固原觀測地段旱地胡麻成熟期田間測產(chǎn)資料，固原旱地胡麻田間測產(chǎn)產(chǎn)量多年平均值為123.6g·m-2，最高年份為217.5g·m-2，最低年份為41.3g·m-2(不包括1992年、2000年因干旱而絕產(chǎn)的年份)。對胡麻成熟期田間測產(chǎn)資料與同期土壤水分資料進行相關(guān)分析，表現(xiàn)為正相關(guān)，影響因子時段分為4月21日—5月10日、5月11日—6月20日、6月21日—8月10日3個時段，相關(guān)系數(shù)分別為0.7027、0.5542、0.2539。

由此建立多元回歸方程，見式(1)，擬合結(jié)果見圖4。

y=-192.56950+11.3264X1+8.3848X2+1.03515X3

(1)

式中，X1為4月21日—5月10日土壤水分平均值；X2為5月11日—6月20日土壤水分平均值；X3為6月21日—8月10日土壤水分平均值。

從胡麻產(chǎn)量構(gòu)成要素來看，4月21日—5月10日土壤水分狀況主要影響出苗率，進而影響密度；5月11日—6月20日、6月21日—8月10日田間土壤水分與密度呈正相關(guān)，反映的是保苗率，土壤水分條件差，死苗嚴重，胡麻密度就低。胡麻株蒴果個數(shù)與5月11日—6月20日田間土壤水分呈正相關(guān)，說明在營養(yǎng)生長期階段，田間土壤水分狀況好、長勢好，花序分枝延長，蒴果個數(shù)就多，田間土壤水分狀況差，干旱嚴重，蒴果個數(shù)就少。6月21日—8月10日的田間土壤水分狀況好，有利于作物灌漿，以提高種子千粒重。土壤水分狀況是旱地胡麻產(chǎn)量的決定因素，全生育期的土壤水分狀況均影響最終的產(chǎn)量，多元回歸模型顯示，出苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期的土壤濕度增加1%，其產(chǎn)量的變化值分別為113kg·hm-2、83kg·hm-2、10kg·hm-2。從產(chǎn)量變化趨勢來看，旱地胡麻田間測產(chǎn)產(chǎn)量有增加的趨勢，春季土壤底墑有所改善以及春季降水有所增多是田間測產(chǎn)產(chǎn)量增加的主要原因之一。

3 結(jié)論

胡麻全生育期內(nèi)，土壤含水百分率(0～50cm)平均值為14.1%，呈遞減狀態(tài)，出苗期(播種—出苗)為15.2%，以輕度干旱為主，個別年份會出現(xiàn)嚴重干旱。營養(yǎng)生長期為14.1%，以輕度干旱為主，占比減小，干旱、嚴重干旱占比進一步增加。生殖生長期為13.1%，以干旱為主，出現(xiàn)嚴重干旱的頻率達到16.5%。從氣候變化來看，出苗期(播種—出苗)土壤含水百分率(0～50cm)呈現(xiàn)上升趨勢，需水關(guān)鍵期(現(xiàn)蕾—開花)土壤含水百分率(0～50cm)振蕩顯著，但變化趨勢不明顯，這與近15a來，春季降水量增加，夏季降水量變幅在加大有關(guān)。

土壤水分狀況對胡麻發(fā)育期具有顯著影響，出苗期(播種—出苗)持續(xù)日數(shù)與土壤濕度呈負相關(guān)；營養(yǎng)生長期(出苗—開花)和生殖生長期(開花—成熟)持續(xù)時間與同期田間土壤濕度呈正相關(guān)；出苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期的土壤濕度增加1%，其歷經(jīng)時間變化值分別為-0.47d、1.29d、0.28d。春季土壤底墑有所改善以及春季降水有所增多是造成旱地胡麻出苗期(播種—出苗)縮短和營養(yǎng)生長期(出苗—開花)延長的主要原因。

土壤水分狀況是旱地胡麻產(chǎn)量的決定因素，表現(xiàn)為正相關(guān)，多元回歸模型顯示，出苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期的土壤濕度增加1%，其產(chǎn)量的變化值分別為113kg·hm-2、83kg·hm-2、10kg·hm-2。近15a來，春季土壤底墑有所改善以及春季降水有所增多是旱地胡麻田間測產(chǎn)產(chǎn)量增加的主要原因之一。