雷 俊，趙福年，盧國陽，姚 瑞，牛海洋，李文舉，楊蕙寧

（1中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室，蘭州 730020；2定西市氣象局，甘肅定西 743000；3蘭州區(qū)域氣候中心，蘭州 730020）

0 引言

小麥是中國的三大糧食作物之一，小麥的豐歉對全國糧食安全有著舉足輕重的作用，中國小麥總產(chǎn)量約占世界糧食作物總產(chǎn)量的25%以上，干旱半干旱區(qū)小麥的產(chǎn)量占全國小麥生產(chǎn)總量的50%以上[1-2]。在西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，光熱資源豐富，但降水量少且年際變率大，嚴重影響該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]，降水和農(nóng)作物供需錯位是限制該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高的主要因子[4]，水分供給不足導(dǎo)致該區(qū)農(nóng)業(yè)干旱頻發(fā)，制約了作物產(chǎn)量的提高，而極端發(fā)生的干旱在某些年份甚至造成作物完全絕收[5-6]。研究表明，在全球氣候變暖的背景下，干旱半干旱區(qū)氣候有暖干化變化的趨勢[7]，氣溫升高與降水減少將可能進一步加劇該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水分供給不足之間的矛盾，必然會影響未來中國半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物的生產(chǎn)。

光照、溫度、水分、大氣、肥料以及農(nóng)業(yè)管理措施等均會影響作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成[8]。但在缺水的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，一般認為水分是影響區(qū)域作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素[9]。然而，在半干旱區(qū)，空氣濕度相對較小，較高的大氣溫度往往伴隨著較大的空氣飽和差和大氣蒸發(fā)力。在葉片尺度，環(huán)境條件的變化會對作物葉片氣孔開度產(chǎn)生重要影響[10]，較大的空氣飽和差還可能提高葉片蒸騰速率[11]，同時導(dǎo)致作物水分利用效率降低，從而加劇作物受旱并進一步導(dǎo)致產(chǎn)量降低。姚玉璧等[12]研究表明，在黃土高原半干旱區(qū)，春小麥產(chǎn)量與全生育期3—7月的降水量顯著正相關(guān)，氣象條件為影響產(chǎn)量波動的主要因子，張凱等[2]對模擬增溫和降水變化試驗條件下春小麥產(chǎn)量的變化特征進行了研究，表明，降水增加對春小麥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)，增溫不利于產(chǎn)量的提高，王鶴齡等[13]研究表明，增溫和降水變化對春小麥產(chǎn)量因素和品質(zhì)有重要影響，在增溫幅度小于2.0℃時，降水變化對春小麥穗粒數(shù)影響不顯著，隨著氣溫升高，降水減少對春小麥千粒重的負效應(yīng)增大。張秀云等[14]對氣候暖干化背景下黃土高原半旱區(qū)春小麥產(chǎn)量的變化特征進行了研究，雷俊等[15]對不同覆膜種植條件下春小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的變化特征進行了研究。以往有關(guān)影響春小麥產(chǎn)量變化環(huán)境因子的研究大多基于大田模擬試驗研究，考慮的環(huán)境要素也很有限，有關(guān)蒸發(fā)量、空氣飽和差、播前土壤水分含量等因子對春小麥產(chǎn)量影響的研究較少，因此，本研究以農(nóng)業(yè)氣象定位觀測資料及文獻檢索資料為基礎(chǔ)，探討影響半干旱區(qū)雨養(yǎng)春小麥產(chǎn)量變動的環(huán)境因子，以期為區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及春小麥產(chǎn)量高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在甘肅省定西市安定區(qū)開展，該區(qū)位于黃土高原西端，經(jīng)度為 104°12′—105°01′E，緯度為 35°17′—36°02′N之間，平均海拔高度1898.7 m，年平均氣溫6.3℃，年降水量400 mm，季節(jié)分布不均，降水主要集中在7—9月。光熱資源豐富，較為適合春播作物生長，作物生長主要依賴于大氣降水，屬典型半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)由兩部分組成，一部分資料來源于文獻檢索，在百度學(xué)術(shù)中以“半干旱區(qū)”、“春小麥”、“產(chǎn)量”、“耗水量”（或“水分利用效率”）為主要檢索詞，檢索篩選在定西市安定區(qū)開展試驗研究的文獻，選擇肥料供給充足，水分供給以雨養(yǎng)或漫灌為處理的研究，提取春小麥耗水量與產(chǎn)量關(guān)系數(shù)據(jù)，共獲取數(shù)據(jù)40組。文獻數(shù)據(jù)來源信息見表1，表明，1987—2011年，定西市安定區(qū)春小麥品種主要包括‘渭春1號’、‘隴春81139-2’、‘隴春20號’以及‘定西新24號’等。

表1 文獻收集耗水量與春小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)集信息

另一部分資料來源于甘肅省定西市農(nóng)業(yè)氣象試驗站，該站位于甘肅省中部，屬典型黃土高原半干旱氣候區(qū)。主要包括定西市安定區(qū)1987—2011年地面氣象觀測資料和春小麥農(nóng)業(yè)氣象平行觀測資料，包括逐日降水量、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度、風(fēng)速等。春小麥農(nóng)業(yè)氣象觀測資料主要包括播種至收獲主要發(fā)育日期（春小麥主要生育期最早和最晚出現(xiàn)日期）（表2）、莖稈重量、地段實際產(chǎn)量以及播前150 cm土壤含水量。

表2 1987—2011年試驗期間春小麥主要生育期最早和最晚出現(xiàn)日期(月/日)

春小麥的觀測嚴格按照中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[25]進行，每年在相同的試驗地段進行，種植方式不同年份間一致，試驗期間觀測方法相同，有效地保證了試驗數(shù)據(jù)的一致性和連續(xù)性。

統(tǒng)計資料表明（圖1），由于品種或其他管理措施的變更，研究區(qū)春小麥產(chǎn)量變化分為兩個主要階段（各階段內(nèi)產(chǎn)量變動平穩(wěn)，無顯著趨勢），分別為1964—1982年之間的低產(chǎn)階段（平均產(chǎn)量為789.3 kg/hm2）與1983—2011年間的相對高產(chǎn)階段（平均產(chǎn)量為1250.9 kg/hm2）。本研究開展時段位于第2個階段，春小麥平均產(chǎn)量1625.7 kg/hm2，年際間變化趨勢不顯著，因此可認為研究區(qū)春小麥品種變化對產(chǎn)量無顯著影響，產(chǎn)量的年際變動只受到環(huán)境要素影響。

圖1 根據(jù)文獻資料收集的定西市安定區(qū)春小麥統(tǒng)計產(chǎn)量變化（1964—2011年）

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

土壤有效水分含量的計算公式如式(1)所示。

式中：u為有效水分貯存量(mm)；ρ為地段實測土壤容重(g/cm3)；h為土層厚度(cm)；w為土壤重量含水率(%)；wk為凋萎濕度（重量含水率表示）。

由于缺乏春小麥收獲期土壤水分觀測資料，無法直接計算春小麥耗水量。因此，采用公式(2)[26]來估算生育期間耗水量，式中DM為干物質(zhì)重量，T為作物蒸騰量，k是系數(shù)，與作物類型以及緯度有關(guān)，同一地區(qū)相同品種其值固定[27]，根據(jù)文獻半干旱氣候區(qū)k值取值為125 kg/(hm2·d)[28]，Eˉ0為生育期對應(yīng)的平均自由水面蒸發(fā)量，通過日蒸發(fā)皿蒸發(fā)量乘以系數(shù)0.7計算獲得[29]。對文獻資料進行線性回歸，獲得研究區(qū)平均土壤蒸發(fā)量，作物蒸騰量(T)和平均土壤蒸發(fā)量之和，即為耗水量。

作圖使用Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響春小麥產(chǎn)量變動的環(huán)境因子分析

分析影響春小麥產(chǎn)量波動的環(huán)境因子（圖2），表明，5月蒸發(fā)量與降水量差、主要生育期蒸發(fā)量與降水量差、5月平均最高氣溫及平均飽和水汽壓差分別可以解釋產(chǎn)量 48.5%（圖2a）、43.3%（圖2b）、43.3%（圖2c）及42.4%（圖2d）的變率，且統(tǒng)計檢驗均極顯著(P＜0.001)。春小麥產(chǎn)量隨5月蒸發(fā)量與降水量差、生育期蒸發(fā)量與降水量差、5月平均最高氣溫及空氣飽和差的增加而減少，線性變化傾向率分別為-12.67、-6.93、-342.34、-1859.2 kg/(hm2·mm)。

圖2 產(chǎn)量與環(huán)境因子相關(guān)分析

分析5月蒸發(fā)量和降水量差、生育期蒸發(fā)量與降水量差、5月平均最高溫度和空氣飽和差與產(chǎn)量關(guān)系（圖3）表明，播前土壤含水量大于235 mm時，5月蒸發(fā)量和降水量差、平均最高溫度、空氣飽和差和生育期蒸發(fā)量與降水量差與產(chǎn)量之間的關(guān)系散點分布位于回歸線的右上方，播前土壤含水量小于235 mm時，散點位于回歸直線左下方。這表明，在相同的大氣蒸發(fā)力條件或大氣溫度條件下，播前土壤含水量大，春小麥產(chǎn)量越高，播前濕潤的土壤對應(yīng)的斜率較干燥土壤大，說明在大氣逐漸變干或溫度升高時，播前土壤含水量越高，產(chǎn)量下降速率快，降低幅度大。

圖3 不同播前土壤含水量條件下產(chǎn)量對環(huán)境因子響應(yīng)分析

2.2 降水變化對春小麥產(chǎn)量影響分析

對春小麥產(chǎn)量與水分供給關(guān)系進行分析表明，隨著主要生育期降水量的增加，產(chǎn)量顯著提高(P＜0.05)，降水量可以解釋39.6%的產(chǎn)量變率（圖4a）。在不同播前土壤水分條件下（以播前土壤含水量235 mm為界），產(chǎn)量與降水量變化的關(guān)系表明（圖4b），播前土壤水分越大，降水量相同，春小麥產(chǎn)量越高。干燥土壤條件下，產(chǎn)量和降水呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，主要生育期降水量可以解釋70%的產(chǎn)量變率。表明，播前土壤水分供給不足，生育期降水量決定了春小麥產(chǎn)量。5月降水量對春小麥產(chǎn)量影響較大，能夠解釋38.9%的產(chǎn)量變率（圖4c），且播前土壤水分含量越高，對產(chǎn)量的影響越大，播前土壤濕潤條件下，5月降水量可以解釋75.6%的產(chǎn)量變率，干燥土壤條件下解釋48.1%的產(chǎn)量變率（圖4d）。

圖4 產(chǎn)量對降水量的響應(yīng)特征分析

2.3 播前土壤水分對春小麥產(chǎn)量定量影響分析

播前土壤水分作為半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育所需水分的主要來源，對春小麥產(chǎn)量形成非常重要。在不考慮其他環(huán)境因子的條件下，播前土壤水分能夠解釋15.3%的產(chǎn)量變率（圖5a）。考慮生育期大氣干濕狀況（以主要生育期3—6月的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與降水量做差，以425 mm為分界，大于425 mm為干燥大氣，小于425 mm為濕潤大氣），可以發(fā)現(xiàn)在2種不同大氣狀況下，土壤水分與產(chǎn)量的相關(guān)性提高（圖5b）。干燥大氣條件下，播前土壤水分可以解釋80%的產(chǎn)量變率，濕潤條件下則下降，可以解釋68.2%的產(chǎn)量變率。表明，在不同的大氣狀況下，土壤水分對產(chǎn)量的影響不完全一致，濕潤大氣更有利于春小麥產(chǎn)量的提高。

圖5 播前土壤水分含量對產(chǎn)量影響分析

2.4 半干旱雨養(yǎng)春小麥產(chǎn)量與水分關(guān)系分析

以播前1.5 m土壤有效含水量與主要生育期降水量作為春小麥有效供水量與產(chǎn)量進行相關(guān)分析（圖6），這表明，有效供水量可以解釋產(chǎn)量60.4%的變率。在不考慮其他環(huán)境因素的條件下，有效供水量較單獨的播前土壤水分和主要生育期降水量可以解釋較多的產(chǎn)量變率。分析所收集的文獻中半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)耗水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，盡管試驗?zāi)攴莺驮囼灄l件有差異，耗水量和產(chǎn)量之間呈明顯的線性關(guān)系，耗水量可以解釋93.4%的產(chǎn)量變率（圖7）。對研究區(qū)春小麥耗水量和產(chǎn)量進行分析，其基本位于依據(jù)文獻資料所擬合的回歸直線附近。

圖6 產(chǎn)量與有效供水量關(guān)系分析

圖7 產(chǎn)量與耗水量關(guān)系分析

3 討論與結(jié)論

在半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，春小麥產(chǎn)量變化不僅受水分供給條件的影響，同時大氣蒸發(fā)力的強弱也影響春小麥產(chǎn)量，大氣蒸發(fā)力越強，其他條件相同時，作物消耗的水分越多，水分通過蒸散過快損失，對春小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的影響作用減弱。然而當(dāng)水分供給條件相同時，較大的大氣蒸發(fā)力導(dǎo)致春小麥蒸騰效率降低，產(chǎn)量下降。在不同的大氣蒸發(fā)力條件下，干燥的大氣想獲得與濕潤大氣相同的產(chǎn)量，需要更多的水分供給。但同時需要注意的是，春小麥產(chǎn)量變化受水分供給與大氣蒸發(fā)力的影響，而水分供給和大氣蒸發(fā)力綜合起來則是春小麥耗水量。在水分供給充足條件下，大氣蒸發(fā)力強，則耗水量大。若水分供給不足，即使蒸發(fā)力再強，耗水量也較小，從而導(dǎo)致春小麥產(chǎn)量降低。盡管在分別考慮播前土壤水分狀況和主要生育期大氣干濕狀況時，環(huán)境因素與春小麥產(chǎn)量關(guān)系不一致，但以耗水量作為產(chǎn)量變動的影響因素時，可以發(fā)現(xiàn)其可以解釋半干旱雨養(yǎng)區(qū)春小麥93.4%的產(chǎn)量變率，說明盡管不同的大氣條件以及播前土壤含水量均會對春小麥產(chǎn)量形成造成影響，研究區(qū)春小麥產(chǎn)量的形成主要受水分供給的限制，無論任何大氣狀況，耗水量與春小麥產(chǎn)量均呈正比關(guān)系（圖7）。

5月是春小麥莖稈與葉面積等干物質(zhì)積累的關(guān)鍵階段，該時期降水偏少以及蒸發(fā)過大，對春小麥最終產(chǎn)量形成具有非常大的影響。從表1可以看出，5月研究區(qū)春小麥處于拔節(jié)—孕穗期，春小麥地上部生物量快速積累，該期降水變化對春小麥產(chǎn)量具有非常重要的作用（圖4c）。同時伴隨著降水量的變動，大氣的干燥狀況通過影響葉片氣孔開閉對光合過程進行調(diào)節(jié)，大氣干燥，氣孔關(guān)閉，光合作用減弱，而蒸騰作用卻加強（蒸騰盡管與氣孔導(dǎo)度有關(guān)，但是增大的空氣飽和水汽壓差會引起蒸騰升高），從而導(dǎo)致半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量降低（圖2d），土壤水分利用效率也降低（圖5）。

光照與溫度決定了作物的潛在光溫產(chǎn)量，在光熱資源豐富的半干旱區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，光照和溫度基本不會影響該區(qū)春小麥產(chǎn)量提高。而產(chǎn)量與溫度之間，除5月溫度（最高氣溫和平均氣溫）與產(chǎn)量存在顯著的負相關(guān)關(guān)系外，其他月份以及主要生育期溫度與產(chǎn)量均無顯著的相關(guān)關(guān)系。同時，需要注意的是5月溫度與該月降水量以及空氣飽和水汽壓差具有顯著的相關(guān)關(guān)系，而該月降水量和空氣飽和差又與產(chǎn)量顯著相關(guān)，因此不能直接得出5月溫度升高降低了春小麥產(chǎn)量。小麥的最適生長溫度介于19～23℃之間[24]，本研究所在區(qū)域5月最高氣溫接近25℃，略高于小麥生長的最適氣溫。在不同播前土壤水分條件下，氣溫與產(chǎn)量的關(guān)系與蒸發(fā)量和降水量差與產(chǎn)量的關(guān)系一致（圖3），因此可以認為研究區(qū)溫度波動不會直接導(dǎo)致該區(qū)春小麥產(chǎn)量變化，而降水波動引起溫度的變化，同時引起空氣飽和水汽壓差的變化導(dǎo)致春小麥產(chǎn)量波動。

研究結(jié)果表明，半干旱區(qū)春小麥耗水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系與前人[22-23]研究所給出的小麥邊界函數(shù)（潛在產(chǎn)量）差異較大，明顯低于潛在產(chǎn)量水平?；貧w直線的截距也明顯大于潛在產(chǎn)量直線與x軸的交點，主要是由于研究區(qū)大氣較為干燥，土壤蒸發(fā)大，蒸騰效率低于潛在水平造成的。

無論是國外學(xué)者80年代還是90年代給出的小麥潛在產(chǎn)量與耗水量關(guān)系[13-14]，本研究所在區(qū)域的春小麥產(chǎn)量與耗水量關(guān)系均明顯低于已有研究結(jié)果。研究區(qū)土壤蒸發(fā)量過大，能達到150 mm（圖6），而國外學(xué)者給出的值80年代為100 mm，90年代為60 mm。本研究區(qū)春小麥主要生長在光熱資源豐富的半干旱區(qū)春夏季，大氣蒸發(fā)強烈，水分利用效率偏低，無效蒸散過大可能是導(dǎo)致耗水量與產(chǎn)量關(guān)系斜率遠低于國外學(xué)者研究結(jié)果的原因。