發布時間：2019-12-27所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:基于河南省19812016年18個農業氣象觀測站的冬小麥觀測資料及氣象資料，采用一元線性回歸法、偏相關分析法和多元線性回歸模擬等，分析河南省冬小麥生長發育和產量對氣候變化的響應。結果表明:河南省冬小麥出苗返青期和開花成熟期延長，返青開花期縮短，
摘要:基于河南省1981—2016年18個農業氣象觀測站的冬小麥觀測資料及氣象資料，采用一元線性回歸法、偏相關分析法和多元線性回歸模擬等，分析河南省冬小麥生長發育和產量對氣候變化的響應。結果表明:河南省冬小麥出苗—返青期和開花—成熟期延長，返青—開花期縮短，全生育期縮短。全生育期內最高氣溫和最低氣溫呈升高趨勢，降水量變化不明顯，太陽輻射呈減少趨勢，不同生長階段內各氣象要素變化趨勢不一致。最高氣溫與小麥氣象產量為負相關關系，最低氣溫、太陽輻射與小麥氣象產量為正相關關系，降水量與不同區域的小麥氣象產量相關關系不同。小麥相對氣象產量與各氣象要素敏感性分析結果表明:不同生長階段小麥相對氣象產量對各氣象要素變化的敏感性不同;小麥生長時期內最高氣溫升高1℃，相對氣象產量減少約16.00%;最低氣溫升高1℃，相對氣象產量增加約17.00%;降水量減少10.00%，相對氣象產量增加約0.35%;太陽輻射減少10.00%，相對氣象產量減少約1.70%。
關鍵詞:冬小麥產量;響應;氣象因素;發育期
1、引言
氣候條件是制約農業生產的自然資源中重要的組成部分[1]。IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球海陸表面平均氣溫升高了0.85℃，21世紀全球氣溫增幅可能超過1.5～2.5℃[2]，近50年來中國平均氣溫升高了1.3℃[3]，氣候變暖對農業生產產生了深遠的影響[4]，對作物的生長發育及產量具有重要的影響[5]。氣候變化背景下中國的糧食安全也已受到嚴重威脅，2020—2050年中國農業生產將受到氣候變化的嚴重沖擊[6]。準確量化作物發育及產量對過去氣候變化的響應及其敏感性是理解和預測未來氣候變化對農業生產影響的前提和基礎[7-8]。專家們已經在氣候變化對農作物的生長發育及產量形成的影響機理等相關領域進行了大量研究[9-11]。不同的研究區域、尺度及研究方法，其研究結果往往存在較大的不一致性。有研究表明[8，12]，作物生育期的氣溫每升高1℃，冬小麥的生育期縮短17d。楊建瑩等[13]利用多元逐步回歸法，分析了華北地區20世紀70年代和21世紀初兩個年代冬小麥發育期變化，結果表明，播種期普遍推遲，返青期在河南省內明顯推遲。姬興杰等[14]利用歷史數據，采用統計分析法分析氣候變化對冬小麥發育期影響發現，河南省內冬小麥播種期和返青期變化不一致且不顯著，抽穗期和成熟期顯著提前。氣候變暖導致河南省冬小麥拔節期明顯提前，抽穗以后各生育期提前量較少，冬季生育期、全生育期明顯縮短[15]。Lobell等[16]在全球尺度上的研究指出，1980—2008年的氣候變化使全球小麥減產2.50%。You等[17]在我國1979—2000年小麥產量對氣候變化的響應研究中發現，溫度升高使小麥減產約4.5%。趙丹丹等[18]基于歷史數據，采用逐步回歸分析方法分析氣溫和降水對冬小麥產量的影響，發現氣溫和降水增加，氣象產量減少。周林等[19]利用生態學模式SUCROS模擬結果表明，在無土壤水分虧缺的情況下，黃淮海地區秋冬季溫度升高，播種到開花期日數減少，開花到成熟期日數稍有延長，播種到成熟期的持續日數縮短。由于氣候變化對作物的影響還有很大不確定性，加之品種的更新或管理措施的改進等，冬小麥對不同生長階段氣候變化的響應和敏感性存在差異[20]。以往的研究多關注小麥整個生育期氣候變化對其生長和產量的影響，或研究整個生育期內同一界限溫度下相關熱量資源的變化[21]，得到的結果不能很好地解釋其影響機制[17]。因此，在進行冬小麥生產對氣候變化響應的研究中，需要根據其不同的生長階段對氣候變化的響應進行單獨考慮。
河南是我國糧食生產大省，是小麥主產區之一，在全國有著十分重要的地位。據中國統計年鑒記載，河南省2014年和2015年小麥總產分別約占全國小麥總產的26.38%和26.89%，且所占份額一直呈穩步上升態勢。本研究選取河南省有代表性的農業氣象試驗站點，利用長序列的發育期和產量觀測資料，在站點尺度上研究冬小麥發育期及產量對氣候變化的響應，建立產量與各氣象要素的作物統計模型，分析其敏感性，以期為冬小麥的安全生產和科學管理提供科學依據。
1數據與方法
1.1研究區域與數據
河南省位于中國中東部，處于31°23'～36°22'N和110°21'～116°39'E，地勢西高東低，以平原為主，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。河南省地處中緯度內陸地區，氣候為亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，主要的種植制度為一年兩熟，以冬小麥-夏玉米輪作為主，是我國重要的糧食生產基地。
1981—2016年各農業氣象觀測站冬小麥發育期觀測資料和代表站點地段產量來自于國家氣象信息中心及河南省氣象局檔案館，數據包括逐年冬小麥播種、出苗、返青、開花、成熟等關鍵生育期及冬小麥觀測地段產量，農業氣象站點信息及年氣象要素變化趨勢見表1。氣象數據來自于河南省氣象局檔案館，數據包括逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量及日照時數等，其中輻射通過日照時數依據AngstromPrescott方程計算獲得[22-23]。
1.2方法
各站點各發育期、生長階段(即出苗—返青期、返青—開花期、開花—成熟期、出苗—成熟期)及生長階段內氣象要素(最高氣溫、最低氣溫、降水量、輻射)的趨勢變化采用一元線性回歸分析法，顯著性檢驗采用相關系數檢驗法。
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摘 要：小麥是我國北方大部分地區重要的糧食作物，近年來，全球性的環境變化使得各種天氣對小麥種植造成影響。如何通過人工的一些措施來影響天氣，實現對小麥產量的促進，成為當前研究的重點。
分析各生長階段內氣象要素與產量的關系時采用偏相關分析法。氣象要素序列采用一元線性回歸法進行去趨勢[24-25];產量序列采用分段直線滑動平均模擬法，將產量分為氣象產量和趨勢產量，該方法將線性回歸模型與滑動平均相結合，其優點在于不必主觀假定曲線類型，也不損失樣本數[26];將去趨勢后的氣象要素與氣象產量進行偏相關分析，顯著性檢驗采用相關系數檢驗法。
利用相對氣象產量[27]和氣象要素建立多元回歸模型，進行小麥產量對氣象要素的敏感性分析，回歸方程采用F檢驗法進行顯著性檢驗。
2結果
2.1小麥發育期、生長階段長度與氣象產量關系
1981—2016年，河南省冬小麥發育期變化顯著。河南省18個站點，小麥出苗期和播種期的變化趨勢是一致的，出苗期和播種期顯著相關(相關系數達0.93)。出苗期和返青期傾向率分別為0.51天/10a和0.81天/10a，即每10年延遲0.51天和0.81天，返青期延遲天數大于出苗期的。相反，開花期和成熟期傾向率分別為-2.52天/10a(通過了0.01水平的顯著性檢驗)和-1.48天/10a，即每10年分別提前2.52天和1.48天，開花期提前趨勢較成熟期的明顯(圖1)。
1981—2006年的資料分析結果表明，河南省冬小麥出苗—返青期和開花—成熟期分別延長0.29天/10a和1.03天/10a，返青—開花期縮短3.33天/10a(通過了0.01水平的顯著性檢驗)，最終導致出苗—成熟期縮短2.00天/10a(通過了0.01水平的顯著性檢驗)。總體而言，小麥前期生長即出苗—開花期時間顯著縮短，籽粒灌漿期即開花—成熟期時間延長。
發育期和生長階段長度的變化趨勢很可能是導致產量變化的原因之一。氣象產量與出苗—返青期天數的相關系數為-0.02，即呈現出弱的負相關關系，氣象產量與返青—開花期、開花—成熟期天數的相關系數分別為0.02和0.06，呈現弱的正相關關系，與出苗—成熟期天數呈現弱的正相關關系(圖2)。單從生長階段這一要素來講，出苗—返青期延長和返青—開花期縮短可能導致產量降低，開花—成熟期延長可能會導致產量增加，整個生長階段即出苗—成熟期的縮短可能會導致產量略有下降。
2.2小麥各生長階段內氣象要素變化
本文所選的站點位于不同的地理和氣候區，呈現出不同的氣候趨勢(圖3)。1981—2016年小麥全生育期即出苗—成熟期呈現顯著的變暖趨勢。18個站點中，最高氣溫和最低氣溫均呈升高趨勢，有7個站點最高氣溫的升高趨勢通過了0.01的顯著性水平檢驗，有15個站點最低氣溫的升高趨勢通過了0.01的顯著性水平檢驗。所有站點的降水量均未通過0.01的顯著性水平檢驗，17個站點降水量為增加趨勢，僅1個站點為減少趨勢。有9個站點太陽輻射的變化趨勢通過了0.01的顯著性水平檢驗，17個站點太陽輻射為減少趨勢，僅1個站點呈增加趨勢。
1981—2016年的36年間，河南省內小麥全生育期即出苗—成熟期平均最高氣溫和最低氣溫分別增加0.31℃/10a和0.56℃/10a，降水量增加9.23mm/10a，太陽輻射減少57.67MJ/(m2·10a)(圖4)。各氣象要素在小麥不同生長階段變化趨勢一致，變化幅度有所不同。平均最高氣溫在返青—開花期升高趨勢最顯著(0.89℃/10a)，其他生長階段升高趨勢較小;平均最低氣溫升高趨勢和最高氣溫一致，在返青—開花期升高趨勢最顯著(0.90℃/10a)，其他生長階段升高趨勢較一致，處于0.50℃/10a左右;平均降水量在出苗—返青期增加趨勢較明顯(6.72mm/10a)，返青—開花期變化次之，開花—成熟期幾乎無變化;平均太陽輻射在出苗—返青期減少趨勢最明顯，為-42.74MJ/(m2·10a)，開花—成熟期變化次之，返青—開花期幾乎無變化。
2.3小麥各生長階段內氣象要素與氣象產量關系
河南省小麥全生育期內即出苗—成熟期，最高氣溫與小麥氣象產量有5個站點為正相關關系，13個站點為負相關關系，其中洛陽伊川站點負相關關系通過了0.01的顯著性水平檢驗。大部分站點的最低氣溫、太陽輻射與小麥氣象產量為正相關關系，分別有3個站點和5個站點為負相關關系，且所有站點均未通過0.01的顯著性水平檢驗。降水量與不同區域小麥氣象產量相關關系不同，河南省南部和西部為正相關關系，北部和中部為負相關關系，18個站點中有8個站點為正相關關系，10個站點為負相關關系(圖5)。
所有站點中各生長階段最高氣溫與小麥氣象產量均為負相關關系，開花—成熟期相關系數(絕對值)較大，但各生長階段相關關系較弱(負相關系數的絕對值均小于0.08)。各生長階段最低氣溫與小麥氣象產量均為正相關關系，全生育期即出苗—成熟期相關系數最大，返青—開花期次之，開花—成熟期最小。出苗—返青期和返青—開花期降水與小麥氣象產量為正相關關系，開花—成熟期為負相關關系，全生育期即出苗—成熟期為負相關關系。各生長階段太陽輻射與小麥氣象產量為正相關關系，開花—成熟期相關系數最大，返青—開花期最小，全生育期相關系數為正(圖6)。
2.4小麥相對氣象產量對不同氣象要素的敏感性
從小麥相對氣象產量與最高氣溫、最低氣溫、降水量和太陽輻射標準化回歸系數可以看出(圖7):在全生育期即出苗—成熟期，若最高氣溫升高，僅5個站點的相對氣象產量增加，最高氣溫升高1℃，這些站點的相對氣象產量增加超過10.00%，而多數站點的相對氣象產量減少幅度遠超過10.00%。若最低氣溫升高，僅4個站點的相對氣象產量減少，最低氣溫升高1℃，這些站點的相對氣象產量減少幅度超過10.00%，而多數站點的相對氣象產量增加幅度遠超過10.00%。多數站點的相對氣象產量對最高氣溫和最低氣溫的響應是相反的。降水量減少，多數站點的相對氣象產量是增加的，最多增加4.20%;僅7個站點的相對氣象產量是減少的，降水量減少10.00%，這些站點的相對氣象產量減少最多可達3.40%。太陽輻射減少，多數站點的相對氣象產量是減少的，僅2個站點的相對氣象產量是增加的;太陽輻射減少10.00%，相對氣象產量減少最大幅度為6.30%。各站點的多元回歸方程及各氣象要素的回歸系數，均未通過0.05水平的顯著性檢驗。
河南省18個站點的回歸方程各要素的平均標準化系數中，不同生長階段各氣象要素的系數不同，即不同生長階段小麥相對氣象產量對各氣象要素變化的敏感性不同(圖8)。各生長階段中氣象產量對最高氣溫、太陽輻射的響應是一致的，最高氣溫升高、太陽輻射減少，相對氣象產量減少;返青—開花期相對氣象產量對最低氣溫的響應最明顯，開花—成熟期相對氣象產量對最低氣溫響應最小。不同生長階段相對氣象產量對降水量的響應不同，降水量減少，出苗—返青期產量減少，其他生長階段增加。出苗—返青期最高氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量減少約8.60%;最低氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量增加約6.60%;降水量減少10.00%，小麥相對氣象產量變化為-7.70%—1.40%，平均減少1.10%;太陽輻射減少10.00%，小麥相對氣象產量減少約1.20%。返青—開花期最高氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量減少約17.90%;最低氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量增加約16.70%;降水量減少10.00%，小麥相對氣象產量增加約0.30%;太陽輻射減少10.00%，小麥相對氣象產量減少約0.90%。開花—成熟期最高氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量減少約5.30%;最低氣溫升高1℃，小麥相對氣象產量減少約0.20%;降水量減少10.00%，小麥相對氣象產量增加約1.00%;太陽輻射減少10.00%，小麥相對氣象產量減少約1.70%。整個生長階段即出苗—成熟期最高氣溫升高1℃，小麥平均相對氣象產量減少約16.00%;最低氣溫升高1℃，小麥平均相對氣象產量增加約17.00%;降水量減少10.00%，小麥平均相對氣象產量增加約0.35%;太陽輻射減少10.00%，小麥平均相對氣象產量減少約1.70%。
3結論與討論
3.1結論
本文基于1981—2016年18個農業氣象觀測站的冬小麥觀測資料，利用一元線性回歸法、偏相關分析法和多元線性回歸模擬等分析小麥發育期變化、小麥不同生長階段內各氣象要素的變化及小麥產量對其變化的響應，具體結論如下:
(1)冬小麥生長發育變化為:出苗期和返青期延遲，開花和成熟期提前，導致出苗—返青期和開花—成熟期延長，返青—開花期縮短，整個生長階段縮短。整個生長階段縮短可能會導致產量下降。
(2)小麥全生育期內最高氣溫和最低氣溫均呈現出升高趨勢，且最低氣溫升高趨勢更為顯著，降水量變化不明顯，太陽輻射呈減少趨勢。不同生長階段內各氣象要素變化幅度不一致。
(3)氣象要素與氣象產量的關系為:最高氣溫與小麥氣象產量為負相關關系，最低氣溫、太陽輻射與小麥氣象產量為正相關關系，降水量與不同區域小麥氣象產量相關關系不同。
(4)小麥相對氣象產量與各氣象要素的敏感性結果為:若最高氣溫升高1℃，平均相對氣象產量減少約16.00%;若最低氣溫升高1℃，平均相對氣象產量增加約17.00%;若降水量減少10.00%，平均相對氣象產量增加約0.35%;若太陽輻射減少10.00%，平均相對氣象產量減少約1.70%。
3.2討論
(1)由于近30年來，農作物種植制度的變化和品種更替，氣候變化對作物生育期的影響是不可忽視的。研究表明[28]，積溫的增加導致冬小麥成熟期推遲，氣候變化使我國的冬小麥種植區向北擴展，且適宜種植的品種向弱冬性方向演化[29]。發育期變化與產量也有一定關系。有研究表明[30-31]，在不考慮品種改變和管理措施的情況下，氣候變暖導致小麥發育期縮短，從而導致小麥產量下降。
(2)分析氣象要素變化趨勢時，本文選取的小麥生長時段為10月下旬—翌年5月下旬，是在小麥順利出苗后進行的研究。而曹倩等[32]選取10月—翌年5月氣象資料分析華北冬小麥農業氣候資源結果顯示，河南省冬小麥生育期內降水量以減少為主，但變化趨勢不顯著，選取生長時段不一致導致兩者降水量變化趨勢不一致。
SCISSCIAHCI
