黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量變動(dòng)的影響因子分析

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(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?zhǔn)侵袊娜蠹Z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(yán)重影響該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]，降水和農(nóng)作物供需錯(cuò)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(jìn)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(rèn)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(shí)導(dǎo)致作物水分利用效率降低，從而加劇作物受旱并進(jìn)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(dòng)的主要因子，張凱等[2]對模擬增溫和降水變化試驗(yàn)條件下春小麥產(chǎn)量的變化特征進(jìn)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(shí)，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(fù)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(jìn)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(jìn)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(yàn)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(xiàn)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(dòng)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(xiàn)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(yàn)研究的文獻(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(yàn)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(shí)際產(chǎn)量以及播前150 cm土壤含水量。

表2 1987—2011年試驗(yàn)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(yán)格按照中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[25]進(jìn)行，每年在相同的試驗(yàn)地段進(jìn)行，種植方式不同年份間一致，試驗(yàn)期間觀測方法相同，有效地保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和連續(xù)性。

統(tǒng)計(jì)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(gè)主要階段（各階段內(nèi)產(chǎn)量變動(dòng)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(shí)段位于第2個(gè)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(rèn)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(dòng)只受到環(huán)境要素影響。

圖1 根據(jù)文獻(xiàn)資料收集的定西市安定區(qū)春小麥統(tǒng)計(jì)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(jì)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(shí)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?zhǔn)斋@期土壤水分觀測資料，無法直接計(jì)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(xiàn)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(jì)算獲得[29]。對文獻(xiàn)資料進(jìn)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(dòng)的環(huán)境因子分析

分析影響春小麥產(chǎn)量波動(dòng)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(jì)檢驗(yàn)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(shí)，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(diǎn)分布位于回歸線的右上方，播前土壤含水量小于235 mm時(shí)，散點(diǎn)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(dú)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(xiàn)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(yàn)?zāi)攴莺驮囼?yàn)條件有差異，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(jìn)行分析，其基本位于依據(jù)文獻(xiàn)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(shí)大氣蒸發(fā)力的強(qiáng)弱也影響春小麥產(chǎn)量，大氣蒸發(fā)力越強(qiáng)，其他條件相同時(shí)，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(shí)，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(shí)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(qiáng)，則耗水量大。若水分供給不足，即使蒸發(fā)力再強(qiáng)，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(shí)，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(dòng)的影響因素時(shí)，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(shí)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(shí)伴隨著降水量的變動(dòng)，大氣的干燥狀況通過影響葉片氣孔開閉對光合過程進(jìn)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(qiáng)（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(fù)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(shí)，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(rèn)為研究區(qū)溫度波動(dòng)不會直接導(dǎo)致該區(qū)春小麥產(chǎn)量變化，而降水波動(dòng)引起溫度的變化，同時(shí)引起空氣飽和水汽壓差的變化導(dǎo)致春小麥產(chǎn)量波動(dòng)。

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(diǎn)，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(dá)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(qiáng)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(yuǎn)低于國外學(xué)者研究結(jié)果的原因。