氣象條件對共和春小麥生長發育和產量的影響分析

劉鑫 李文輝

摘要 青海共和地區1998—2008年春小麥生育期觀測資料及地面平行觀測氣象資料，采用線性趨勢、相關系數、滑動平均、多元線性回歸分析等方法，分析了春小麥生育期內各氣象要素變化趨勢以及與氣象產量關系。

關鍵詞 春小麥;產量;多元線性回歸分析;共和

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）04-0-04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.040

小麥是中國三大糧食作物之一，同時是最重要的口糧之一，常年種植面積在2 667萬 hm2左右。小麥產量直接關系到國家糧食安全與社會穩定，其年際間產量波動受諸多因素共同影響，如品種、生長環境、種植技術、氣象條件等[1-2]。在以變暖為主要特征的全球氣候變化背景下，氣象因子波動將會嚴重影響小麥生長發育及產量。氣溫、降水量和輻射是農業生產重要氣象因素，是作物生長發育必要氣象因子，決定種植區域的種植技術與產量[3-5]。杜汛雨對河北省欒城縣1980—2012年氣溫和降水變化特征及其對冬小麥氣候產量影響進行分析，結果表明溫度低時，氣候產量也隨之較低，當冬季均溫在1～2.5℃且春季均溫較高時，氣候產量相對較高;當冬季均溫在1℃～2℃且春季均溫在13.85℃～14.85℃之間時則對冬小麥生長更為有利[6]。李月英[7]等對衡水市1976～2006年冬小麥平均產量與氣象數據進行了分析，研究表明降水、溫度及蒸發量與冬小麥產量呈極顯著相關。白巖等[8]分析了濉溪縣小麥生產周期增產氣候條件，調查發現返青后氣溫持續偏高，灌漿期延長，日照充足是小麥產量實現新突破的主要原因。因此，氣象因子波動對小麥生長發育及產量有密切關系。在全球氣候變暖大趨勢下，青海共和地區氣候變化也較顯著，勢必對春小麥生長發育及產量造成一定影響，因此了解作物生育期內氣象因子變化趨勢及對作物影響，對農業生產具有重要指導意義[9-12]?；?998—2018年逐日觀測的氣溫、降水、日照資料和春小麥各生育期及產量資料，結合數理統計方法初步分析氣象因子與春小麥氣象產量關系，確定影響春小麥產量主要氣象因子和關鍵生育期。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區概況

共和縣隸屬青海省海南藏族自治州，地處青藏高原東北角，北靠青海湖，南臨黃河，東以日月山與東部農業區為界，西與柴達木毗連，東西長221.5 km，南北寬155.4 km，總面積1.73×104 km2。地形由西北向東南傾斜，平均海拔3 200 m，總人口13.6萬余人。全縣有可利用草場125.08萬 hm2，擁有耕地資源3.13萬hm2，農作物總播種面積達2.96萬hm2，其中糧食作物播種面積1.70萬hm2，油料作物播種面積0.91萬 hm2。

1.2 資料來源

1998—2018年共和縣氣象數據（日最高氣溫、日最低氣溫、活動積溫、降水量、日照時數）及春小麥生育期數據來源于共和縣國家基本氣象站逐日觀測資料，小麥單產數據來源于共和縣統計局。

1.3 研究方法

1.3.1 線性趨勢 用線性趨勢法分析春小麥生育期間各氣候要素變化趨勢：

式中，w為要素值，c為常數項，d為回歸系數（傾向率），i為時間序列的年份。c和d可用最小二乘法估算。氣候傾向率d值符號反映上升或下降的變化趨勢。并對結果分別進行置信度為95%和99%的顯著性檢驗，給定顯著性水平，若，表明隨時間變化趨勢是顯著，否則表明變化趨勢是不顯著[13]。

1.3.2 相關分析法 用相關分析法分析氣候因子與春小麥各生育期間之間的相關性。由于樣本量小于30，因此用計算無偏相關系數加以校正[14]。

1.3.3 滑動平均法 根據春小麥產量影響因子變化特點，可把春小麥產量分解為趨勢產量和波動產量，前者變化主要是由社會經濟因子造成，后者則主要取決于氣候因子[15-17]。趨勢產量反映社會因素即社會經濟水平、政策、技術等引起春小麥產量在時間尺度上某種較平穩增長趨勢;氣候產量反映由溫度、降水、日照等氣象因子引起春小麥產量波動。產量分離方法很多，此次研究采用時間序列為5年的直線滑動平均分析法。

式中，春小麥實際產量Y分離為趨勢產量Y（t）、氣候產量Y（w）、隨機誤差e三部分，隨機誤差e一般忽略不計。任一年實際產量減去趨勢產量就是氣候產量。

1.3.4 多元線性回歸分析法分析春小麥產量對各氣象因子的響應[18]。

2 結果與分析

2.1 春小麥生育期內各氣候因子的變化特征

根據共和縣氣象局對春小麥生育期的觀測記錄將春小麥生長過程分為4個階段： 3月下旬—4月上旬為播種期;4月下旬—5月上旬為出苗期;5月下旬—6月中旬為拔節期;7月下旬—8月上旬為乳熟期。

2.1.1 生育期氣溫的變化趨勢 氣溫是影響小麥生長重要氣象因素之一，它不僅影響小麥播種時間及生長發育速度，還對小麥產量有影響，因此，氣溫波動對春小麥整個生育期有直接影響。1998—2018年近20年春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期以及全生育期平均氣溫氣傾向率分別為0.55℃/10年、-0.76℃/10年、-0.30℃/10年、0.20℃/10年、-0.08℃/10年，年份與平均氣溫相關系數分別為0.339、0.330、0.237、0.103、0.100，均未通過置信度為0.10的顯著性檢驗。其中，播種期和乳熟期平均氣溫呈不顯著升溫趨勢，尤以播種期升溫幅度最大。出苗期、拔節期和全生育期平均氣溫呈不顯著降溫趨勢，其中以出苗期降溫幅度最大，全生育期平均氣溫表現平穩。春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期以及全生育期平均氣溫年極差分別為4.1℃、6.6℃、3.3℃、5.8℃和2.0℃，出苗期極差最大，全生育期極差最小，極差大小依次是出苗期>乳熟期>播種期>拔節期>全生育期（圖1）。

2.1.2 生育期降水的變化趨勢 降水量與春小麥的生長密切相關，同時制約著春小麥產量。1998—2018年春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期和全生育期降水量分別以0.79、6.50、15.96、15.36、38.6 mm/10年的氣候傾向率呈增多趨勢，年份與降水量相關系數分別為0.057、0.277、0.485（P<0.05）、0.468（P<0.05）、0.686（P<0.01），其中拔節期和乳熟期降水呈顯著增多趨勢，全生育期降水量呈極顯著增多趨勢。春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期和全生育期降水量年極差分別為34.3、59.9、77.1、74.6、125.9 mm，降水量年極差大小依次為全生育期>拔節期>乳熟期>出苗期>播種期。全生育期平均降水量為121.0 mm，最多年為201.1 mm（2018年），最少年為75.2 mm（2003年），最多年降水量是最少年降水量的1.67倍，表明降水量年際間變化差異大（圖2）。

2.1.3 生育期日照時數的變化趨勢 日照是農作物進行光合作用的必要條件，其強弱直接關系春小麥光合作用能力，進而影響春小麥生長發育。1998—2018年近20年春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期日照時數均隨年際的延長呈減少趨勢，氣候傾向率分別為-0.27、-01.86、-20.59、-40.53、-26.77 h/10年，年份與日照時數的相關系數分別為0.014、0.065、0.406（P<0.10）、0.111、0.435（P<0.05），可見，春小麥拔節期和全生育期日照時數的減少趨勢為顯著。春小麥播種期、出苗期、拔節期、乳熟期和全生育期日照時數年極差分別為53.9、63.2、115.4、73.6、134.1 h，日照時數年極差大小與降水量一致，依次為全生育期>拔節期>乳熟期>出苗期>播種期。全生育期平均日照時數為784.4 h，最多年為848.7 h（2000年），最少年為714.6 h（2017年），最多年較最少年偏多18.8%（圖3）。

2.2 氣象因子與春小麥氣候產量相關性分析

2.2.1 氣溫的影響 （表1）春小麥氣候產量與各氣象因子之間的相關性，可見，共和縣春小麥氣象產量與6月中旬、7月下旬最高氣溫以及7月下旬平均氣溫相關系數通過了P=0.05的顯著性檢驗，與4月上旬最高氣溫、7月中旬最高氣溫相關系數通過了P=0.10的顯著性檢驗，且與4月上旬和6月中旬的最高氣溫呈顯著正相關，說明共和地區春小麥產量受播種期、拔節期最高氣溫影響較大，此階段高溫利于作物增產。但與7月中、下旬最高氣溫及7月下旬平均氣溫呈顯著負相關，說明共和地區春小麥在拔節至乳熟階段溫度過高，易引起莖稈節間升伸長速度加快，不利于培育壯稈，縮短小花分化時間，不利于增加穗粒數、節間徒長，使得機械組織發育不良，缺乏韌性易倒伏，故而對作物產量造成不利影響。

2.2.2 降水量的影響 共和地區春小麥氣象產量與整個生育期降水量通過了P=0.10的正相關顯著性檢驗，說明對整個生育期而言，偏多降水量利于小麥產量增加。除7月中旬降水量與春小麥氣象產量呈顯著正相關外（R=0.511，P<0.05），其余各旬降水量與氣象產量相關性均不顯著（表1）。由此可見，拔節期至乳熟期降水量多少直接制約共和地區春小麥氣象產量，該時段是春小麥提高穗粒數、?；ㄔ鲎训年P鍵時期，此時春小麥新陳代謝旺盛，小麥植株生長迅速，需大量水分，若水分不足不僅減少每畝穗數，且對穗粒數影響也較為嚴重，同時對水分反映較敏感，抗旱能力弱。缺水受旱則穗粒數減少，產量顯著下降，故而要保證充足水分供應。

2.2.3 日照時數的影響 共和地區日照時數與春小麥的氣象產量相關性均呈不顯著，故日照時數對春小麥產量影響小于氣溫和降水量影響（表1）。小麥被稱為長日照作物，但共和地區春小麥產量與日照時數僅在6月下旬呈較小正相關，其余各旬皆為負相關。這與高原地區日照時數較長、土壤水分蒸散量加大、不利于土壤保墑、易造成干旱、不利于營養物質的合成有關，故而引起春小麥減產。整個生育期，春小麥產量與日照時數呈正相關。

2.3 氣候條件與春小麥氣象產量的關系

2.3.1 全生育期氣候條件對春小麥氣象產量的影響 由表2可以建立春小麥氣象產量（Y）與整個生育期內氣象要素的回歸方程Y=-5.568a+0.166b-2.053c+0.202d+0.021z（R=0.495，F=0.973，P=0.465）式中a、b、c、d、e分別代表平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量以及日照時數。其中降水量偏回歸系數通過了P=0.10信度檢驗。由此看出整個生育期，共和縣各個氣象要素中降水量多少對春小麥氣象產量起決定作用，降水量每增加一個單位，氣象產量增加0.202個單位。降水量是春小麥生育期內水分主要來源之一，水分對于春小麥至關重要，水分變化直接關系糧食生產。在日常種植過程中，需進行定期補充水分以此來保證糧食作物正常生長。當平均氣溫與最低氣溫每上升1個單位，氣象產量分別減少-5.568及-2.053個單位，故而整個生育期內平均氣溫與最低氣溫不易過高。當最高氣溫與日照時數每提高一個單位，氣象產量分別增加0.166及0.021個單位，因此，光、溫熱量條件的增加對春小麥氣候產量有利。

2.3.2 播種期氣候條件對春小麥產量的影響 由表2可以建立春小麥氣象產量（Y）與播種期內氣象要素的回歸方程Y=16.301a-5.033b-4.682c-0.273d-0.74z+125.51（R=0.516，F=1.018，P=0.444），其中平均氣溫與日照時數均通過P=0.10信度的檢驗，說明播種期內平均氣溫與日照時數對共和地區春小麥氣象產量起決定作用。平均氣溫每上升一個單位，氣象產量增加16.301個單位，日照時數每增加一個單位，氣象產量減少-0.74個單位，播種期內平均氣溫升高有利于小麥生長發育，而適當日照利于土壤保墑，對后期春小麥生長發育起奠基作用。播種期內最高氣溫、最低氣溫以及降水量每增加一個單位，春小麥氣象產量分別減少-5.033、-4.685、-0.273個單位，故而播種期內需注意防范高溫熱害、低溫冷害與過多降水引發土壤透氣性差造成的危害。

2.3.3 出苗期、拔節期、乳熟期對春小麥產量的影響 由表2可以建立春小麥（Y）與出苗期、拔節期、乳熟期內氣象要素的回歸方程，分別為Y=2.84a+0.581b-0.508c-0.279d-0.443z+36.64（R=0.321，F=0.322，P=0.892）;Y=-7.948a+5.13b-0.377c+0.025d-0.045z+6.767（R=0.367，F=0.436，P=0.816）;Y=-1.36a+1.553b-1.118c-0.033d-0.19z+24.038（R=0.224，F=0.148，P=0.977）。其中出苗期平均氣溫與最高氣溫每上升一個單位，春小麥氣象產量分別增加2.84、0.581個單位，最低氣溫、降水量、日照時數每增加一個單位，氣象產量將下降-0.508、-0.279、-0.443個單位，且平均氣溫對氣象產量影響最大，故出苗期應著重做好春小麥保暖工作;拔節期最高氣溫與降水量每增加一個單位，春小麥氣象產量分別增加5.13、0.025個單位，平均氣溫、最低氣溫日照時數每增加一個單位，春小麥氣象產量將分別減少-7.948、-3.777、-0.045個單位，且平均氣溫對春小麥產量影響較大。然后是最高氣溫及最低氣溫，故春小麥拔節期最高氣溫不能滿足春小麥的需求，且應注重防止長時間高溫引發莖稈節間伸長加快，節間徒長，機械組織發育不良，缺乏韌性易倒伏，且不利于培育壯稈，縮短小花分化時間，導致穗粒數減少?？赏ㄟ^適當增加水分以保證春小麥正常發育;乳熟期最高氣溫每上升一個單位，春小麥氣象產量增加1.553個單位，平均氣溫、最低氣溫、降水量及日照時數每增加1個單位，春小麥氣象產量分別減少-1.36、-1.118、-0.033、-0.19個單位，且乳熟期最高氣溫對春小麥產量影響最大，其次是平均氣溫與最低氣溫，說明乳熟期內最高氣溫未能達到春小麥的需求，此階段是粒重增長主要時期，高溫利于籽粒含水率緩慢下降，胚乳迅速積累淀粉，干物重急劇增加，而平均氣溫過高易導致高溫逼熟，麥株受害后使得籽?；z瘦、粒重低，產量和品質下降。

3 結論

（1）1998—2018年共和地區春小麥全生育期平均氣溫以每10年-0.08℃的氣候傾向率呈不顯著降溫趨勢，降水量以每10年38.6 mm的氣候傾向率呈極顯著增多趨勢，日照時數以每10年-26.77 h的氣候傾向率呈顯著減少趨勢。在春小麥播種、出苗、拔節、乳熟生育中，播種期和乳熟期平均氣溫呈不顯著升溫趨勢，尤以播種期升溫幅度最大。出苗期、拔節期和全生育期平均氣溫呈不顯著降溫趨勢，其中以出苗期降溫幅度最大。降水量在播種、出苗、拔節、乳熟各生育期中均呈增多趨勢，其中在拔節和乳熟期呈顯著增多趨勢，氣候傾向率均在15.0 mm/10年以上，可見全生育期降水量增多主要是由拔節和乳熟期降水增多貢獻最多;日照時數在播種、出苗、乳熟各生育期中均呈不顯著減少趨勢，其中拔節期減少趨勢顯著，氣候傾向率分別為-20.6 h/10年，乳熟期日照時數減少趨勢雖不顯著，但氣候傾向率高達-40.5 h/10年，可見全生育期日照時數減少也主要是由拔節和乳熟期日照時數的減少貢獻最多。

（2）共和地區春小麥氣象產量與4月上旬播種期和6月中旬拔節期高氣溫正相關顯著，與7月下旬乳熟期最高氣溫、平均氣溫及7月中旬拔節至乳熟期最高氣溫負相關顯著。氣象產量與全生育期降水量、7月中旬拔節至乳熟期降水量正相關顯著。

（3）春小麥氣象產量與全生育期氣象要素的多元線性回歸分析表明，降水量對氣象產量增加起正向決定作用;氣象產量與播種期氣象要素的多元線性回歸分析表明，平均氣溫對氣象產量增加起正向作用，日照時數則為負向作用，但平均氣溫貢獻率遠大于日照時數。

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責任編輯：黃艷飛