河北省低平原區(qū)旱作谷子產(chǎn)量影響因素及發(fā)展規(guī)模分析

劉朋程，郝洪波，郭安強(qiáng)，崔海英，王倩，李新，張書存，李明哲*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所/ 河北省農(nóng)作物抗旱研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 衡水 053000；2.景縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北景縣 053500；3.衡水市桃城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 衡水 053000）

近年來(lái)，河北省地下水超采問(wèn)題日益嚴(yán)峻，地下水位嚴(yán)重下降，不僅限制了河北省農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也影響著河北省的民生大計(jì)[1]。為減少地下水開采，解決水資源危機(jī)，河北省大力調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，將小麥—玉米一年兩季改為只種一季玉米或雜糧[2]。谷子是我國(guó)特色雜糧，栽培歷史悠久，耐干旱、貧瘠和酸堿，在我國(guó)南北干旱地區(qū)和貧瘠山區(qū)均有種植，為旱作可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[3]。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，谷子種植面積逐漸增大，而發(fā)展谷子面積對(duì)糧食目標(biāo)總產(chǎn)量的影響尚不明確。因此，分析谷子生育期氣象因子與產(chǎn)量的關(guān)系以及旱作谷子對(duì)糧食保障的影響至關(guān)重要。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)谷子產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了分析，取得較多研究成果[4～6]。張榮等[7]對(duì)大同谷子產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，結(jié)果顯示，造成谷子產(chǎn)量差異的主要?dú)庀笠蜃邮墙邓亢腿照諘r(shí)數(shù)。張婷等[8]認(rèn)為，近10 多年造成華北夏谷產(chǎn)量顯著差異的原因是氣候因素，谷子產(chǎn)量與最低溫和降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)。郭天財(cái)?shù)萚6]研究表明，降水量和降水時(shí)間分配不合理是影響夏谷產(chǎn)量的主要因素。楊延兵等[9]也發(fā)現(xiàn)，研究地點(diǎn)和年份的谷子產(chǎn)量差異主要受氣候因素的影響，其中降水量和降水時(shí)間分布是主要原因，谷子子粒產(chǎn)量與6 月中下旬苗期降水量和7 月下旬至8 月中旬孕穗至開花期的降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。

河北省谷子主要種植在衡水市、保定市、石家莊市、邯鄲市和滄州市等平原地區(qū)。谷子主要種植區(qū)多采用旱作種植，生育期需水主要靠自然降水來(lái)滿足。除降水外，其他氣象因子如氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等對(duì)谷子產(chǎn)量也有很大影響。谷子生長(zhǎng)區(qū)域性較強(qiáng)，不同地區(qū)的生態(tài)氣候和生產(chǎn)條件差異較大，年際間有一定的波動(dòng)。但目前針對(duì)河北省區(qū)域內(nèi)不同生態(tài)條件下谷子品種的適應(yīng)性以及氣候因素變化對(duì)產(chǎn)量影響的相關(guān)研究相對(duì)較少。因此，以夏谷品種冀谷19 為試材，分析氣候因素對(duì)河北省5 個(gè)不同生態(tài)地點(diǎn)（生態(tài)區(qū)）谷子產(chǎn)量的影響，解析品種對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性，明確影響谷子豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的氣候因子及其變化趨勢(shì)，探討發(fā)展旱作谷子與糧食總產(chǎn)目標(biāo)的可行性，為谷子品種的生產(chǎn)利用和布局提供理論支撐，為政府部門對(duì)谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引導(dǎo)提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2012～2016 年在河北省谷子主要產(chǎn)區(qū)（衡水、滄州、石家莊、保定、邯鄲）進(jìn)行谷子旱作種植試驗(yàn)，其中，衡水試點(diǎn)位于深州護(hù)駕遲鎮(zhèn)，滄州試點(diǎn)位于滄縣前營(yíng)村，石家莊試點(diǎn)位于藁城區(qū)馬莊，保定試點(diǎn)位于徐水區(qū)大午路，邯鄲試點(diǎn)位于邯山區(qū)苗莊村。

1.2 試驗(yàn)材料

參試夏谷品種為冀谷19。

各試點(diǎn)的日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)，直接取自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)；糧食生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)如糧食面積、產(chǎn)量等，來(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站；各市常住人口數(shù)據(jù)，來(lái)自第七次全國(guó)人口普查公報(bào)。

1.3 試驗(yàn)方法

采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，因素1 為地點(diǎn)，因素2 為年份。各試點(diǎn)種植面積均為43.2 m2，3 次重復(fù)。谷子足墑播種，其他管理同大田常規(guī)。谷子成熟后，每小區(qū)選3 m2長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的區(qū)域，測(cè)定產(chǎn)量。

計(jì)算年份、地點(diǎn)、地點(diǎn)×年份對(duì)產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率：

變異貢獻(xiàn)率（%）=SS變因/（SS總-SS誤-SS區(qū)組）×100%

式中，SS變因?yàn)榫唧w變化因素的離差平方和；SS總為總離差平方和；SS誤為組間離差平方和；SS區(qū)組為組內(nèi)離差平方和。

對(duì)產(chǎn)量（Y）與氣象因子（X）的關(guān)系進(jìn)行逐步回歸分析，建立回歸方程。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2013 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS 24.0 軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析和逐步回歸分析，利用eviews 8.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)氣象因子年際間變化趨勢(shì)進(jìn)行線性回歸方程分析（回歸系數(shù)×10 為要素每10 a 的變化率[10]）。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量的聯(lián)合方差分析

5 a 計(jì)5 個(gè)試點(diǎn)谷子產(chǎn)量的方差分析結(jié)果（表1）顯示，年份、地點(diǎn)、地點(diǎn)×年份均對(duì)產(chǎn)量具有極顯著的影響（p＜0.01）。其中，年份對(duì)產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率最大，為47.93%；其次是地點(diǎn)×年份，對(duì)產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率為43.02%；地點(diǎn)對(duì)產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率最小，僅9.05%。說(shuō)明谷子產(chǎn)量的差異主要來(lái)源于年際間的氣候差異，而地點(diǎn)間的氣候差異較年際間的氣候差異小。

表1 各試點(diǎn)年際間谷子產(chǎn)量聯(lián)合方差分析Table 1 Joint variance analysis of millet yield in different places and years

2.2 年份和地點(diǎn)對(duì)谷子產(chǎn)量的影響

品種穩(wěn)定性通常代表其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，一般利用變異系數(shù)（CV）表示，CV 越大，表示產(chǎn)量穩(wěn)定性越差[9]。各試點(diǎn)的產(chǎn)量CV 順序?yàn)闇嬷荩颈６ǎ臼仪f＞衡水＞邯鄲（表2），說(shuō)明滄州和保定年際間谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性較差，石家莊和衡水年際間谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性中等，邯鄲年際間谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性較好。5 a 計(jì)5個(gè)試點(diǎn)冀谷19 的平均產(chǎn)量為4 894.79 kg/hm2。各試點(diǎn)的產(chǎn)量均值順序?yàn)槭仪f＞衡水＞邯鄲＞保定＞滄州，說(shuō)明石家莊和衡水在保持一定產(chǎn)量穩(wěn)定性的情況下更容易實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)。相同年份，各試點(diǎn)的產(chǎn)量表現(xiàn)并不一致，且未表現(xiàn)明顯的規(guī)律。2012～2016 年5 個(gè)試點(diǎn)的谷子產(chǎn)量均呈先增后降的單峰曲線變化，除衡水試點(diǎn)外，其他試點(diǎn)產(chǎn)量均在2014 年達(dá)到峰值，說(shuō)明年際變化對(duì)產(chǎn)量的影響較地點(diǎn)的影響更大，這與年份、地點(diǎn)、地點(diǎn)×年份對(duì)谷子產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率結(jié)果相吻合。

表2 谷子產(chǎn)量差異的多重比較Table 2 Multiple comparisons of millet yield differences （kg/hm2）

2.3 谷子產(chǎn)量與氣象因子的逐步回歸分析

谷子生育期氣象因子與產(chǎn)量的逐步回歸分析結(jié)果（表3 和4）顯示，不同地區(qū)，影響谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蛩夭槐M相同。影響衡水谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蛩貫榻邓?，與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到顯著水平，谷子生育期的降水量為200.80～426.50 mm，對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)。影響保定谷子產(chǎn)量的主要?dú)庖蛩貫槿照諘r(shí)數(shù)和風(fēng)速，與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到極顯著水平，其中，谷子生育期的日照時(shí)數(shù)為414.70～531.30 h，對(duì)產(chǎn)量有正效應(yīng)；風(fēng)速為1.77～2.06 m/s，對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)。影響邯鄲谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃訛榻邓?、日最高氣溫和平均相?duì)濕度，三者變化區(qū)間分別為243.80～685.00 mm、29.67～31.63 ℃和66.69%～73.16%，與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到顯著水平，對(duì)產(chǎn)量分別有負(fù)效應(yīng)、負(fù)效應(yīng)和正效應(yīng)。影響滄州谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃訛榻邓?、日最高氣溫和日最低氣溫，三者變化區(qū)間分別為129.60～529.80 mm、29.69～31.23 ℃和20.97～22.44 ℃，與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到顯著水平，對(duì)產(chǎn)量分別有負(fù)效應(yīng)、正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)。影響石家莊谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃訛槿照諘r(shí)數(shù)，與產(chǎn)量的回歸方程并不顯著，谷子生育期的日照時(shí)數(shù)為601.00～1 224.30 h，對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)。

表3 不同年份各試點(diǎn)谷子生育期的主要?dú)庀笠蜃覶able 3 Main meteorological factors of millet growth period at each pilot in different years

表4 產(chǎn)量與氣象因子的逐步回歸分析Table 4 Stepwise regression analysis of yield and meteorological factors

2.4 影響谷子產(chǎn)量的氣象因子變化趨勢(shì)

對(duì)近60 a 來(lái)顯著影響谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃幽觌H變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果（表5） 顯示，不同地區(qū)，谷子生育期內(nèi)的主要?dú)庀笠蜃幽觌H變化趨勢(shì)不盡相同。衡水的降水量呈顯著降低趨勢(shì)，變化速率為-20.28 mm/10 a。保定的日照時(shí)數(shù)呈極顯著降低趨勢(shì)，變化速率為-48.54 h/10 a；平均風(fēng)速呈降低趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平。邯鄲的平均相對(duì)濕度呈極顯著降低趨勢(shì)，變化速率為-1.24%/10 a；降水量和日最高氣溫的變化均未達(dá)到顯著水平，屬于正常波動(dòng)。滄州的日最低氣溫呈極顯著升高趨勢(shì)，變化速率為0.15 ℃/10 a；降水和日最高氣溫的變化均未達(dá)到顯著水平，屬于正常波動(dòng)。石家莊的日照時(shí)數(shù)呈顯著降低趨勢(shì)，變化速率為-95.09 h/10 a。

表5 各試點(diǎn)近60 a 來(lái)顯著影響谷子產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃幼兓厔?shì)Table 5 Variation trend of main meteorological factors significantly affecting millet yield in the recent 60 years

2.5 發(fā)展旱作谷子的可行性分析

足墑播種情況下，各試點(diǎn)谷子生育期間的降水均能滿足其正常生長(zhǎng)。河北省發(fā)展旱作種植形勢(shì)迫切，發(fā)展旱作谷子可有效減少地下水開采，但旱作谷子面積的增加要保證不會(huì)影響國(guó)家下達(dá)的糧食總產(chǎn)量目標(biāo)。2020 年國(guó)家下達(dá)河北省糧食目標(biāo)總產(chǎn)量為373.9×108kg，河北省當(dāng)年糧食產(chǎn)量較國(guó)家下達(dá)目標(biāo)增加了5.7×108kg，平均產(chǎn)量為5 941.5 kg/hm2。由此推算，河北省發(fā)展旱作谷子與糧食結(jié)構(gòu)維持現(xiàn)狀相比，總糧食減產(chǎn)1 046.71 kg/hm2，在保證糧食目標(biāo)總產(chǎn)量前提下，可發(fā)展旱作谷子的最大面積為54.44×104hm2。2020 年全國(guó)人均糧食產(chǎn)量為475.0 kg，河北省為500.0 kg，河北省整體人均糧食產(chǎn)量高于全國(guó)水平（表6），其中衡水、滄州、邯鄲和邢臺(tái)的人均糧食產(chǎn)量高于全國(guó)平均水平，這4 個(gè)城市屬于糧食輸出型城市。因此，河北省可在衡水、滄州、邯鄲和邢臺(tái)優(yōu)先發(fā)展旱作谷子種植，以緩解地下水開采壓力。

表6 2020 年河北省及全國(guó)糧食種植情況Table 6 Grain cultivation in Hebei Province and China in 2020

3 結(jié)論與討論

谷子產(chǎn)量水平不僅與自身的遺傳因素有關(guān)，還受外界環(huán)境的影響，且外界環(huán)境條件的變化對(duì)產(chǎn)量影響較大[11]。不同種植地點(diǎn)和種植年份的差異是造成外界環(huán)境變化的主要因素。本研究結(jié)果表明，年份對(duì)谷子產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率最大，為47.93%，說(shuō)明年際間氣候因素波動(dòng)較大是造成谷子產(chǎn)量差異的主要因素，這與曹玲等[12]的研究結(jié)果一致；地點(diǎn)×年份對(duì)產(chǎn)量的變異貢獻(xiàn)率次之，為43.02%；地點(diǎn)對(duì)產(chǎn)量變異貢獻(xiàn)率最小，為9.05%，說(shuō)明5 個(gè)試點(diǎn)間氣候差異較小。同一地區(qū)年際間氣象因子差異較大，會(huì)嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性。因此，因地制宜種植谷子顯得尤為重要[13]。

本研究結(jié)果表明，各試點(diǎn)的產(chǎn)量變異系數(shù)順序?yàn)闇嬷荩颈６ǎ臼仪f＞衡水＞邯鄲，說(shuō)明邯鄲年際間谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性相對(duì)較好，石家莊和衡水谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性中等，滄州和保定年際間谷子產(chǎn)量穩(wěn)定性相對(duì)較差。各試點(diǎn)的5 a 平均產(chǎn)量順序?yàn)槭仪f＞衡水＞邯鄲＞保定＞滄州，說(shuō)明石家莊和衡水在保持一定產(chǎn)量穩(wěn)定性的情況下更容易實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)。

選擇合適的品種，對(duì)于產(chǎn)量穩(wěn)定性和豐產(chǎn)性也具有至關(guān)重要的作用。韓彥青等[14]對(duì)山西中東部3 個(gè)谷子品種進(jìn)行多年多點(diǎn)比較試驗(yàn)，篩選出穩(wěn)定性、適應(yīng)性好的品種晉谷59 和晉谷21。本研究?jī)H以冀谷19 為試驗(yàn)材料，沒(méi)有品種間的比較，在今后的研究中將重點(diǎn)針對(duì)不同品種進(jìn)行篩選。

谷子產(chǎn)量主要與品種特性、田間管理和氣候因素有關(guān)，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，育種技術(shù)和田間管理水平逐漸成熟，不可控因素僅剩氣候因素。氣溫、日照、降水、風(fēng)速等氣候因素與谷子生產(chǎn)關(guān)系密切，谷子生產(chǎn)在較大程度上受到氣候條件制約。安盼盼等[15]認(rèn)為，谷子生育期內(nèi)氣候因素的差異可能是造成谷子產(chǎn)量差異的重要原因。劉猛等[5]和肖成海等[16]研究表明，降雨量在一定范圍內(nèi)，與谷子產(chǎn)量呈正相關(guān)，超過(guò)一定范圍后與谷子產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。本研究結(jié)果表明，2012～2016 年衡水、邯鄲、滄州三地谷子生育期內(nèi)的降水量分別為200.80～426.50、243.80～685.00 和129.60～529.80 mm，均與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明適宜的降水量有利于谷子實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，谷子生育期內(nèi)降水量200mm左右較為理想。降水過(guò)多可能會(huì)影響花朵發(fā)育和授粉，也不利于谷子根系下扎，直接給產(chǎn)量造成負(fù)面影響。衡水的降水量呈顯著減少趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)量有正效應(yīng)。

張婷等[8]研究了華北夏谷近15 a 谷子產(chǎn)量與氣候的關(guān)系，結(jié)果顯示，谷子生育期的日最低氣溫對(duì)產(chǎn)量具有負(fù)效應(yīng)，日最高氣溫對(duì)產(chǎn)量具有正效應(yīng)。本研究結(jié)果表明，滄州日最高氣溫和日最低氣溫與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到極顯著水平，其中日最高氣溫對(duì)產(chǎn)量有正效應(yīng)，日最低氣溫對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)，這與張婷等[8]的研究結(jié)果一致。滄州氣候因子的變化只有日最低氣溫達(dá)到顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明影響滄州谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因素為日最低氣溫。影響邯鄲谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子為平均相對(duì)濕度，其隨年代變化呈顯著降低趨勢(shì)。保定日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速與產(chǎn)量的回歸方程達(dá)到極顯著水平，其中日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量有正效應(yīng)，但未來(lái)日照時(shí)數(shù)隨年代變化呈顯著降低趨勢(shì)；平均風(fēng)速對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)，其隨年代變化降低不顯著，屬于正常波動(dòng)，因此，未來(lái)影響保定谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵因素為日照時(shí)數(shù)。

河北省地處華北平原北部，在維護(hù)地區(qū)乃至國(guó)家糧食安全中起著重要的作用。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)用水占河北省用水總量的比例較大，導(dǎo)致河北省地下水資源持續(xù)減少，地下水位快速下降，形成了世界最大的連片地下水漏斗區(qū)[17，18]。政府部門通過(guò)調(diào)整種植制度，壓縮高耗水作物的種植面積，以達(dá)到農(nóng)業(yè)水資源減量利用的目的[1]。谷子耐干旱、貧瘠，是旱作可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分。河北省發(fā)展旱作谷子種植面積可以有效減少農(nóng)業(yè)灌溉水的消耗，對(duì)地下水壓采具有重要的積極作用。本研究結(jié)果表明，谷子生育期內(nèi)的降水可以滿足其正常生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)旱作種植。在保證糧食目標(biāo)總產(chǎn)量前提下，河北省可發(fā)展旱作谷子的最大面積為54.44×104hm2。