張紅妮 ,張洪芬 ,何樹洲 ,周忠文,車向軍
(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020;2.甘肅省慶陽市氣象局,甘肅 慶陽 745000)
全球氣候變暖,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定影響。IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告指出,近百年全球平均氣溫上升了0.85 ℃[1]。中國西北地區(qū)與全球一樣,正在變暖變濕。相關(guān)研究表明[2]氣候變化對(duì)隴東地區(qū)糧食作物的影響也是顯著的。
慶陽市位于西北地區(qū)的甘肅省東部,陜甘寧3省區(qū)的交匯處,系黃河中下游黃土溝壑區(qū),素有“隴東糧倉”之稱。西峰區(qū)位于隴東黃土高原最大黃土塬面的董志塬腹地,具有典型的隴東黃土高原塬地氣候特征,屬內(nèi)陸季風(fēng)氣候,氣候溫和,雨量豐沛,日照充足,適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。春玉米是西峰種植面積第二大的糧食作物,近年來玉米作為食用、飼料及釀酒原料,其用途不斷擴(kuò)大,隨著全膜雙壟溝播技術(shù)的推廣,種植面積也在逐漸增加。春玉米的生產(chǎn)受氣候條件影響很大,一般4 月中下旬播種,9 月上中旬成熟,全生育期145~170 d,是喜溫好光作物,也是一種需水較多的作物,其生長(zhǎng)期內(nèi)要求較高的熱量,而夏季(按照氣象學(xué)上劃分標(biāo)準(zhǔn)為6—8 月,下同)是春玉米拔節(jié)、抽雄、開花、吐絲、灌漿、乳熟的關(guān)鍵發(fā)育期,溫度較高,光照充足,熱量集中,又是西峰的雨季,作為旱作農(nóng)業(yè)區(qū),玉米產(chǎn)量的豐歉在很大程度上取決于當(dāng)年生育期氣象要素的匹配程度。
關(guān)于夏季氣候有許多學(xué)者進(jìn)行了研究,吳麗等[3]、鄭金新等[4]、何超[5]、赤曲等[6]、趙亮等[7]分析了夏季氣溫的變化特征,郭江勇等[8]對(duì)河?xùn)|春季透雨進(jìn)行了研究,李耀輝等[9]、蔡曉軍等[10]對(duì)西北地區(qū)春季和春末夏初降水的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,范娟等[11]、蔣樂等[12]分析了日照的變化特征,龐婷婷等[13]對(duì)沙坡頭玉米產(chǎn)量的豐歉氣候指標(biāo)進(jìn)行了研究。上述研究為分析夏季氣候變化提供了一定的依據(jù),但是與春玉米發(fā)育期和產(chǎn)量結(jié)合不夠。用西峰區(qū)1990—2018 年夏季平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、春玉米發(fā)育期及產(chǎn)量資料,分析夏季平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)的變化特征及其對(duì)春玉米發(fā)育期和產(chǎn)量的影響,對(duì)氣象條件對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的豐歉及利弊影響進(jìn)行評(píng)估;對(duì)春玉米關(guān)鍵生育期氣象因子與氣候產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),篩選出最有利于氣候產(chǎn)量形成的關(guān)鍵發(fā)育期及氣象因子,以期為調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和保證糧食安全提供理論依據(jù),對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
夏季平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)資料均來源于甘肅省西峰國家基本氣象站,春玉米產(chǎn)量資料來源于慶陽市統(tǒng)計(jì)局,為西峰區(qū)平均產(chǎn)量。春玉米發(fā)育期觀測(cè)資料來源于甘肅省西峰農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,物候期觀測(cè)采用人工目測(cè)和百分比統(tǒng)計(jì)方法,標(biāo)準(zhǔn)參照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》。氣象觀測(cè)場(chǎng)與春玉米物候觀測(cè)地段毗鄰,符合農(nóng)業(yè)氣象平行觀測(cè)要求,觀測(cè)地段、品系、種植方法等都長(zhǎng)期一致,年際間非氣候因素造成的差異較小。春玉米的關(guān)鍵生長(zhǎng)生育期主要有拔節(jié)-抽雄期、抽雄-開花期、開花-吐絲期、吐絲-乳熟期。所用資料序列從1990 年至2018 年共29年,發(fā)育期物候觀測(cè)從上1 個(gè)發(fā)育期次日算起,到相應(yīng)發(fā)育期當(dāng)日為止。
氣候產(chǎn)量Ym(i)=Y(i)-Yt(i),式中,Y(i)代表第i年的實(shí)際產(chǎn)量。氣候產(chǎn)量反映氣象條件對(duì)玉米豐歉的影響;若氣候產(chǎn)量Ym(i)> 0,表示豐產(chǎn)年,若Ym(i)< 0,表示歉產(chǎn)年,若Ym(i)= 0,表示平年。
利用相關(guān)性分析、F檢驗(yàn)、回歸計(jì)算等方法,對(duì)春玉米關(guān)鍵生育期氣象因子與氣候產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),篩選出最有利于氣候產(chǎn)量形成的關(guān)鍵發(fā)育期及氣象因子。
2.1.1 平均氣溫的變化特征 從夏季平均氣溫距平演變曲線(圖1)可以看出,29 年來西峰區(qū)夏季平均氣溫為20.8 ℃,最高值出現(xiàn)在2016 年,為22.1 ℃,比常年(1981—2010 年,下同)平均偏高1.8 ℃,最低值出現(xiàn)在1993 年,為19.1 ℃,比常年偏低1.2 ℃。夏季平均氣溫呈上升趨勢(shì),上升速率每10 年為0.46 ℃。從夏季各年代平均氣溫變化看,1990—2000 年偏低,2000—2010 年正常,2011—2018 年偏高。
圖1 西峰區(qū)夏季平均氣溫距平的變化
2.1.2 降水量的變化特征 從夏季降水距平百分率演變曲線(圖2)可以看出,29 年來西峰區(qū)夏季平均降水量為283.5 mm,最大值出現(xiàn)在2018 年,為496.3 mm,比常年偏多79%,最小值出現(xiàn)在1997 年,為143.5 mm,比常年偏少48%,呈波動(dòng)增加趨勢(shì),增加速率每10 年為4.22 mm。由夏季各年份平均降水變化看,年際波動(dòng)幅度增大,1990—2000 年呈減少趨勢(shì),2001—2018 年呈增加趨勢(shì),尤其 2011—2018 年呈顯著增加趨勢(shì)。
圖2 西峰區(qū)夏季降水距平百分率的變化
2.1.3 日照時(shí)數(shù)的變化特征 從夏季日照距平演變曲線(圖3)可以看出,29 年來西峰區(qū)夏季平均日照時(shí)數(shù)為683.8 h,最大值出現(xiàn)在1991 年,為827.4 h,比常年偏多21%,最小值出現(xiàn)在2007 年,為579.2 h,比常年偏少15%,呈減少趨勢(shì),減少速率每10 年為4.76 h。從夏季各年份平均日照時(shí)數(shù)變化看,1990—2000 年偏多,2001—2018 年呈減少趨勢(shì)。
圖3 西峰區(qū)夏季日照時(shí)數(shù)距平百分率的變化
2.2.1 平均氣溫對(duì)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響 從1990—2018 年夏季平均氣溫中,選取5 個(gè)偏高和5 個(gè)偏低典型年份,對(duì)西峰區(qū)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析(表1)??梢娖骄鶜鉁仄吣瓯绕湍甏河衩赘髌骄l(fā)育期均提前,其中差異最明顯的是開花期,提前了5 d,其次是拔節(jié)和吐絲期,提前了4 d,再次是抽雄期,提前了3 d,最后是乳熟期,提前了2 d。從夏季平均氣溫偏高與偏低的典型年份平均值對(duì)比中可以看出,偏高年份的春玉米各發(fā)育期均提前,全生育期日數(shù)縮短,平均氣候產(chǎn)量偏低;平均氣溫偏高年份比偏低年份全生育期平均縮短11 d,平均氣候產(chǎn)量偏低1 743.5 kg/hm2。
表1 西峰區(qū)夏季氣溫典型年份春玉米發(fā)育期及氣候產(chǎn)量對(duì)比
2.2.2 降水量對(duì)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響從1990—2018 年夏季降水量中,選取了5 個(gè)偏多和5 個(gè)偏少典型年份,對(duì)西峰區(qū)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析(表2)??梢娖骄邓科嗄瓯绕倌甏河衩赘髌骄l(fā)育期均推遲,其中差異較明顯的是抽雄和開花期,推遲了8 d,其次是拔節(jié)期,推遲了7 d,再次是吐絲期,推遲了6 d,最后是乳熟期,推遲了4 d。從夏季平均降水量偏多與偏少的典型年份的平均值對(duì)比中可以看出,偏多年份的春玉米各發(fā)育期均推遲,全生育期日數(shù)延長(zhǎng),平均氣候產(chǎn)量偏高;降水量偏多年份比偏少年份全生育期平均日數(shù)延長(zhǎng)3 d,平均氣候產(chǎn)量偏高892.3 kg/hm2。
表2 西峰區(qū)夏季降水量典型年份春玉米發(fā)育期及氣候產(chǎn)量對(duì)比
2.2.3 日照時(shí)數(shù)對(duì)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響 從1990—2018 年夏季平均日照時(shí)數(shù)中,選取5個(gè)偏多和5 個(gè)偏少典型年份,對(duì)西峰區(qū)春玉米發(fā)育期和氣候產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析(表3)??梢娖骄照諘r(shí)數(shù)偏多年比偏少年春玉米各平均發(fā)育期均提前,其中差異最明顯的是乳熟期,提前了7 d,其余各發(fā)育期均提前了4 d。從夏季日照時(shí)數(shù)偏多與偏少的典型年份的對(duì)比中可以看出,偏多年份的春玉米各發(fā)育期均提前,但日照時(shí)數(shù)偏多年份與偏少年份對(duì)全生育期平均日數(shù)和平均氣候產(chǎn)量的影響不明顯,偏多年份比偏少年份全生育期平均日數(shù)僅遲1 d,平均氣候產(chǎn)量?jī)H偏高155.4 kg/hm2。
表3 西峰夏季日照時(shí)數(shù)典型年份春玉米發(fā)育期及氣候產(chǎn)量對(duì)比
2.3.1 西峰區(qū)春玉米產(chǎn)量豐歉評(píng)估 由表4 可知,1995、1997、2000、2001、2008、2009、2010、2011、2016年及2017 年均為歉產(chǎn)年,29 年中出現(xiàn)了10 次,占34%;其余的年份均為豐產(chǎn)年,占66%。春玉米產(chǎn)量的豐歉在很大程度上取決于當(dāng)年生育期氣象要素的匹配程度,位于董志塬腹地的慶陽市西峰區(qū)作為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),氣象要素能較好地滿足春玉米的生長(zhǎng)需求。
表4 西峰區(qū)1990—2018 年春玉米趨勢(shì)產(chǎn)量和氣候產(chǎn)量
2.3.2 西峰區(qū)氣象因子對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的利弊影響 氣象因子對(duì)春玉米產(chǎn)量形成至關(guān)重要。利用標(biāo)準(zhǔn)化后的產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在標(biāo)準(zhǔn)化處理過程中,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的氣候產(chǎn)量Aij變量值圍繞0 上下波動(dòng),小于0 說明春玉米產(chǎn)量低于多年平均水平,當(dāng)年氣象因子不利于春玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成,大于0 說明春玉米產(chǎn)量高于平均水平,當(dāng)年氣象因子有利于春玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。
由表 5 可知,1995、1997、2000、2001 年、2006—2011 年、2014—2017 年,西峰區(qū)春玉米氣候產(chǎn)量低于多年平均水平,氣象因子不利于春玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成,29 年中出現(xiàn)了14 次,占48%;其余年份春玉米氣候產(chǎn)量高于多年平均水平,氣象因子有利于春玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成,29 年中出現(xiàn)了15 次,占52%。
表5 氣象因子對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的利弊影響
2.3.3 西峰區(qū)夏季氣象因子與春玉米氣候產(chǎn)量的顯著性檢驗(yàn)分析 利用1990—2018 年夏季氣象因子與春玉米氣候產(chǎn)量(Ym(i))進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)分析(表6),夏季平均氣溫與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為-0.325 7,通過0.10 顯著水平檢驗(yàn);夏季降水量與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.430 1,依次通過0.10 和0.05 顯著水平檢驗(yàn);夏季日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.005 9,均未通過0.10 和0.05 顯著水平檢驗(yàn)。結(jié)果表明,夏季氣象因子與氣候產(chǎn)量相關(guān)性最顯著的是降水量,其次是氣溫,日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。
表6 1990—2018 年西峰區(qū)夏季氣象因子與氣候產(chǎn)量的相關(guān)分析
溫度主要影響發(fā)育期,夏季氣溫過高,春玉米各發(fā)育期日期提前,全生育期生長(zhǎng)天數(shù)縮短,尤其灌漿期提前結(jié)束,低溫可以延長(zhǎng)春玉米的灌漿時(shí)間,有利于干物質(zhì)的積累和運(yùn)輸,對(duì)提高春玉米的粒重有利。而降水量的增多有利于春玉米的生長(zhǎng),夏季降水偏多,對(duì)高溫干旱有明顯的抑制作用,春玉米各發(fā)育期日期推后,全生育期生長(zhǎng)天數(shù)和灌漿期延長(zhǎng),同時(shí)拔節(jié)抽穗和灌漿期仍需較多水分,此期土壤水分的增加更是保證穗大粒多的重要條件,故夏季降水對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的影響最大。夏季日照時(shí)數(shù)的減少,主要是由于夏季降水增加引起陰雨天數(shù)增多(即云量增加和晴天日數(shù)的減少)所致,對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的影響并不顯著。
2.3.4 西峰區(qū)春玉米關(guān)鍵生育期及氣象因子與氣候產(chǎn)量的相關(guān)分析 由表7 可知,西峰區(qū)春玉米關(guān)鍵發(fā)育期平均氣溫與氣候產(chǎn)量相關(guān)最顯著的是拔節(jié)-抽雄期,其次是吐絲-乳熟期,均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.415 2,-0.337 0,依次通過 0.05、0.10 的信度檢驗(yàn),表明此期的平均氣溫偏高,氣候產(chǎn)量偏低,平均氣溫偏低,氣候產(chǎn)量偏高,其余發(fā)育期的平均氣溫與氣候產(chǎn)量相關(guān)不顯著;降水量與氣候產(chǎn)量相關(guān)最顯著的是拔節(jié)-抽雄期,其次是七葉-拔節(jié)期,均呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.448 9、0.322 4,依次通過0.05、0.10 的信度檢驗(yàn),表明此期的降水量偏多,氣候產(chǎn)量偏高,降水量偏少,氣候產(chǎn)量偏低,其余發(fā)育期的降水量與氣候產(chǎn)量相關(guān)不顯著;日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量相關(guān)最顯著的是開花-吐絲期,呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.500 4,通過0.01 的信度檢驗(yàn),表明此期的日照時(shí)數(shù)偏多,氣候產(chǎn)量偏低,日照時(shí)數(shù)偏少,氣候產(chǎn)量偏高,其余發(fā)育期的日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量相關(guān)不顯著。
表7 西峰區(qū)春玉米關(guān)鍵生育期氣象因子與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)
由西峰區(qū)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站近20 年(1998—2017年)春玉米歷史發(fā)育期觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)可知,西峰區(qū)黃土高原春玉米拔節(jié)期平均日期出現(xiàn)在6 月17—21 日前后,5—6 月的春末初夏干旱對(duì)春玉米雌穗分化小穗和小花不利,影響春玉米之后的生殖生長(zhǎng),對(duì)產(chǎn)量形成有不利影響;而抽雄-開花期平均日期出現(xiàn)在7月11—15 日、吐絲期平均日期出現(xiàn)在7 月14—18日,此時(shí)正值伏期(7 月11 日至 8 月20 日,下同),降水過少會(huì)誘發(fā)高溫干旱,且春玉米拔節(jié)抽穗期對(duì)水分要求較多,植株耐旱力最差,對(duì)水分和干旱也最為敏感,如果水分不足,容易引起“卡脖旱”,致使雄穗不能正常抽出,造成雌雄穗花期不遇,影響授粉和結(jié)實(shí);8 月是春玉米灌漿高峰期,乳熟期平均日期出現(xiàn)在8 月13 日前后,灌漿期要求一定的溫度、充足的光照和適當(dāng)?shù)乃?,高溫干旱、低溫寡照、連陰雨天氣過程均不利于春玉米灌漿,灌漿期日平均氣溫低于18.0 ℃或日平均最高氣溫高于28.0 ℃或日平均最低氣溫在15.0 ℃以下,土壤相對(duì)濕度低于60%,均不利于干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化,使子粒灌漿不飽滿,子粒重和百粒重均降低,最終影響產(chǎn)量的形成。故西峰區(qū)黃土高原夏季春玉米生長(zhǎng)與氣候產(chǎn)量密切相關(guān)的關(guān)鍵生長(zhǎng)期內(nèi),最有利于產(chǎn)量形成的氣象因子是降水量,拔節(jié)-抽雄期和灌漿期降水量的增多有利于春玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成,灌漿期土壤水分的增加更是保證穗大粒多的重要條件。同時(shí),夏季降水對(duì)高溫干旱有明顯的抑制作用,可使春玉米灌漿時(shí)間延長(zhǎng),促進(jìn)了子粒干物質(zhì)積累,增加粒數(shù),提高粒重,對(duì)產(chǎn)量形成非常有利。最不利于氣候產(chǎn)量形成的氣象因子是高溫干旱(最終歸于氣溫和降水),高溫意味著氣溫過高,干旱意味著降水過少。西峰區(qū)黃土高原夏季30.0 ℃以上高溫天氣基本上都集中出現(xiàn)在7—8 月,此時(shí)正值伏期高溫頻發(fā)時(shí)段,又是春玉米抽雄、開花和灌漿的關(guān)鍵生長(zhǎng)期,若氣溫過高,降水過少,發(fā)生高溫干旱的風(fēng)險(xiǎn)將增大,對(duì)春玉米抽雄、開花和灌漿生長(zhǎng)勢(shì)必產(chǎn)生不利影響,尤其是灌漿期提前結(jié)束導(dǎo)致灌漿不充分,進(jìn)而影響產(chǎn)量的形成。因此,西峰區(qū)夏季高溫干旱對(duì)春玉米氣候產(chǎn)量的形成威脅最大。春玉米是短日性植物,開花時(shí)間取決于日照長(zhǎng)度。短日性植物在短日照下開花或提早開花或開花數(shù)目增多,在短日照下發(fā)育快。日照時(shí)數(shù)主要影響春玉米開花速度和數(shù)量,花粉的生命力與溫度、濕度關(guān)系很大,日照過長(zhǎng)或在高溫干旱條件下,花粉失水、花絲干枯,都會(huì)使春玉米受精能力顯著下降,影響結(jié)實(shí),故日照時(shí)數(shù)在春玉米開花-吐絲期對(duì)產(chǎn)量形成有一定影響,呈顯著負(fù)相關(guān)。
1)西峰區(qū)夏季平均氣溫29 年來呈上升趨勢(shì),上升速率每10 年為0.46 ℃;降水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì),增加速率每10 年為4.22 mm;日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì),減少速率每10 年為4.76 h。
2)夏季平均氣溫偏高年份比偏低年份春玉米各平均發(fā)育期均提前,全生育期生長(zhǎng)日數(shù)縮短11 d,平均氣候產(chǎn)量偏低;夏季降水量偏多年份比偏少年份春玉米各平均發(fā)育期均推遲,全生育期生長(zhǎng)日數(shù)延長(zhǎng)3 d,平均氣候產(chǎn)量偏高;夏季日照時(shí)數(shù)偏多年份比偏少年份春玉米各平均發(fā)育期均提前,但對(duì)全生育期生長(zhǎng)日數(shù)和平均氣候產(chǎn)量的影響不明顯。
3)夏季氣象因子與氣候產(chǎn)量相關(guān)性極顯著的是降水量,顯著的是氣溫,日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。
4)夏季平均氣溫與氣候產(chǎn)量相關(guān)極顯著的發(fā)育期是拔節(jié)-抽雄期,顯著的是吐絲-乳熟期,均呈負(fù)相關(guān);夏季降水量與氣候產(chǎn)量相關(guān)極顯著的發(fā)育期是拔節(jié)-抽雄期,顯著的是七葉-拔節(jié)期,均呈正相關(guān);夏季日照時(shí)數(shù)與氣候產(chǎn)量相關(guān)最顯著的發(fā)育期是開花-吐絲期,呈顯著負(fù)相關(guān)。
5)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的過程,光、熱、水、肥相互匹配,缺一不可,是諸多因子綜合作用的結(jié)果。影響農(nóng)作物產(chǎn)量的因素也是多方面的,除氣象因子外,還受當(dāng)年田地生產(chǎn)力水平、作物品種、耕作、栽培方式、田間管理等因素影響。本研究?jī)H對(duì)夏季平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)對(duì)春玉米發(fā)育期及產(chǎn)量的影響進(jìn)行了一些定性分析,對(duì)氣象因子與春玉米氣候產(chǎn)量豐歉及利弊進(jìn)行評(píng)估,并篩選出最有利于氣候產(chǎn)量形成的發(fā)育期及氣象因子。氣候暖濕變化會(huì)引起各類氣象災(zāi)害及病蟲害等頻繁發(fā)生,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成等方面的研究,還有待于今后進(jìn)一步探討。