齊月，王鶴齡，張凱，王潤(rùn)元，雷俊

1. 中國(guó)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(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；

2. 甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000

近年來，溫室氣體的大量排放導(dǎo)致全球氣候變暖。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出：1880－2012年全球地表溫度平均升高0.85 ℃，1983－2012年可能是過去1400年中最暖的30年（IPCC，2013）。全球平均氣溫的升高對(duì)糧食作物產(chǎn)量造成不同的影響，北半球中高緯度地區(qū)，若地表氣溫上升 1－3 ℃，糧食作物產(chǎn)量將會(huì)增加；若超過此閾值，糧食作物產(chǎn)量將會(huì)降低（Lobell et al.，2003；張存杰等，2014）。

在氣候變化對(duì)小麥的影響上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)不同氣象要素對(duì)小麥生產(chǎn)的影響進(jìn)行了研究（李月英等，2009；王寶良等，2010；Wang et al.，2009；姬興杰等，2011）。隨著全球氣候變化的影響，CO2增加可提高小麥產(chǎn)量，氣溫升高、降水變化及紫外輻射增強(qiáng)均使得小麥產(chǎn)量有所降低（鄭有飛等，1999）。不同時(shí)期的氣候持續(xù)變化均導(dǎo)致了冬小麥減產(chǎn)，影響產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子不同發(fā)育期不同（成林等，2017）。在氣候變暖的背景下，春小麥發(fā)育期發(fā)生變化，其乳熟到成熟期間隔日數(shù)遞減率為-2－-3 d·(10 a)-1、全生育期間隔日數(shù)遞減率為-4－-5 d·(10 a)-1（姚玉璧等，2011）。小麥生長(zhǎng)季長(zhǎng)度對(duì)生長(zhǎng)季內(nèi)氣候因子變化敏感度的空間分異特征在春、冬小麥之間表現(xiàn)得尤為突出。冠層溫度增加 1－2 ℃，春小麥的全生育期比對(duì)照縮短 7－11 d，生育前期增溫使株高增高，葉面積指數(shù)增大（張凱等，2015）。降水減少20%條件下，增溫1、2和 3 ℃的春小麥產(chǎn)量分別下降 1.2%、24.7%、42.7%%；降水不變條件下，春小麥產(chǎn)量分別下降8.4%、15.1%、21.8%；降水增加20%條件下，春小麥產(chǎn)量分別下降9.0%、15.5%、22.2%（王鶴齡等，2015）。

黃土高原半干旱區(qū)是我國(guó)典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)處于中國(guó)東西水分梯度帶和南北熱量梯度帶的交叉區(qū)，是氣候變化敏感地帶，氣候變化對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響（張強(qiáng)等，2008）。春小麥?zhǔn)俏鞅钡貐^(qū)的主要糧食作物之一，春小麥的產(chǎn)量直接影響到西北地區(qū)農(nóng)民收入以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展（楊澤粟等，2014）。因此，探究氣候變化對(duì)黃土高原半干旱區(qū)春小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 研究區(qū)域氣候及春小麥生長(zhǎng)發(fā)育概況

研究區(qū)位于黃土高原半干旱區(qū)，年平均氣溫5.4－9.0 ℃，最熱月7月平均氣溫16.4－22.1 ℃，最冷月1月平均氣溫-10.4－-3.3 ℃。年降水量245.7－721.8 mm。3－7月降水量94.7－375 mm，占全年降水量的38.5%－52.0%。年平均日照時(shí)數(shù)2159.7－2790.2 h。年平均無霜期為228－274 d。

春小麥在3月中旬至下旬播種，出苗期在4月上旬至4月中旬，三葉期在4月下旬，拔節(jié)期在5月中旬至5月下旬，孕穗期在5月下旬至6月上旬，抽雄期在6月上旬至7月上旬、中旬，成熟期在7月中旬至7月下旬。播種—成熟期全生育期為110－133 d。全生育期≥0 ℃積溫在1366－1921 ℃，日照時(shí)數(shù)在989－1344 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1986－2016年在甘肅省定西市氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站開展了春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的定位觀測(cè)試驗(yàn)，該區(qū)域?yàn)榘敫珊涤牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，試驗(yàn)作物品種、耕作制度和栽培管理與大田一致，小麥品種根據(jù)大田的栽培品種而調(diào)整，沒有發(fā)生重大調(diào)整，土壤肥力水平未發(fā)生重大變化。選用了渭春 1號(hào)、定西新 24號(hào)等春小麥品種，屬于中晚熟，抗旱性和適應(yīng)性較強(qiáng)，抗銹、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，是定西地區(qū)旱地主要推廣品種。按照《農(nóng)業(yè)觀測(cè)規(guī)范》測(cè)定春小麥的發(fā)育期、株高、密度、葉面積、生物量干（鮮）重、產(chǎn)量構(gòu)成要素等。

氣象數(shù)據(jù)來自于定西市氣象局氣象站觀測(cè)的數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)資料序列為建站以來 1960－2016年地面氣象觀測(cè)資料。

1.3 研究方法

1.3.1 氣象要素傾向率

式中，Yi為氣象要素變量，用ti表示Yi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，n為樣本量。

式中，b為氣候傾變化向率，一般以10b表示某要素氣候變化傾向率。

利用累積距平法對(duì)氣溫進(jìn)行突變分析，利用距平百分率對(duì)降水進(jìn)行分析（魏鳳英，2007）。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原半干旱區(qū)氣候變化特征

2.1.1 春小麥全生育期氣溫年際變化趨勢(shì)

1960－2016年春小麥全生育期氣溫呈顯著上升趨勢(shì)（圖1），其氣候傾向率為0.40 ℃·(10 a)-1，通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)。近57年來春小麥全生育期溫度最高年份是 2013年為 14.07 ℃，最低年份是1970年為10.32 ℃，年平均氣溫為12.10 ℃。利用M-K檢驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)區(qū)1960－2016年春小麥全生育期氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，自20世紀(jì)80年代初期，試驗(yàn)區(qū)春小麥全生育期氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，并且在 1995年后極速上升。在置信度區(qū)間在 1997年有一個(gè)交點(diǎn)，表明試驗(yàn)區(qū)春小麥氣溫上升是突變現(xiàn)象，突變開始時(shí)間為 1997年，這與Fang et al.（2016）的結(jié)果相一致。1997年之前，除1960年、1961年、1969年、1971年和1981年外，其他年份氣溫距平為負(fù)距平；1997年后，氣溫距平均為正距平，說明 1997年之后氣溫上升趨勢(shì)更加顯著。

圖1 1960－2016年春小麥全生育期氣溫年際變化趨勢(shì)及M-K檢驗(yàn)Fig. 1 Interannual variation trend of temperature and total MK test of spring wheat during the whole growth period from 1960 to 2016

2.1.2 春小麥全生育期降水年際變化趨勢(shì)

1960－2016年春小麥全生育期降水量整體呈下降趨勢(shì)（圖 2），其氣候傾向率為 3.92 mm·(10 a)-1，未通過顯著性檢驗(yàn)。近57年來春小麥全生育期年平均降水量為216.01 mm，降水最多年份是1967年，為375.00 mm；降水最少年份是1982年，為94.70 mm。1960－1997年之前，降水呈下降趨勢(shì)，平均每10年減少7.22 mm；1997年之后，降水呈增加的趨勢(shì)，平均每10年增加11.05 mm。從降水距平百分率來看，春小麥生育期發(fā)生干旱年份主要集中在2000年之后，其他年份大多降水豐富。

2.1.3 日照時(shí)數(shù)和有效積溫的變化

近 57多年來春小麥生育期日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)（圖3），其氣候傾向率為5.42 h·(10 a)-1，通過0.01顯著性檢驗(yàn)。1960－2016年平均日照時(shí)數(shù)為1133.01 h，日照時(shí)數(shù)最高為2000年為1343.5 h，最低為1986年為988.9 h，2000年后，日照數(shù)據(jù)呈減少趨勢(shì)；春小麥生育期≥0 ℃積溫呈顯著增加趨勢(shì)，其氣候傾向率為 62.91 ℃·(10 a)-1，通過 0.01顯著性檢驗(yàn)。1960－2016年平均積溫為1628.09 ℃，≥0 ℃積溫最高為 2008年為1921.4 ℃，最低為1977年為 1366.7 ℃。日照時(shí)數(shù)和≥0 ℃積溫的增加將有利于春小麥的生長(zhǎng)。

2.2 氣候變化對(duì)黃土高原半干旱區(qū)春小麥發(fā)育期的影響

圖2 1960－2016年春小麥全生育期降水年際變化趨勢(shì)及降水距平百分率分布Fig. 2 Interannual variation trend of precipitation during the whole growth period of spring wheat and distribution of precipitation anomalies from 1960 to 2016

圖3 1960－2016年春小麥全生育期日照時(shí)數(shù)和≥0 ℃積溫年際變化Fig. 3 Interannual variations of sunshine duration and ≥0 ℃ accumulated temperature during the whole growth period of spring wheat from 1960 to 2016

黃土高原半干旱區(qū)春小麥生長(zhǎng)日數(shù)呈縮短趨勢(shì)，平均縮短幅度為2.3 d·(10 a)-1，尤其是1997年氣溫發(fā)生突變之后，減少幅度加劇，31年來縮短約7 d（圖 4）。各發(fā)育期平均出現(xiàn)日期差異較大，播種期平均在3月，最早出現(xiàn)在3月中旬，最晚出現(xiàn)在3月下旬；出苗期平均出現(xiàn)在4月中旬，最早出現(xiàn)在4月初，最晚出現(xiàn)在5月中旬；三葉期平均和最早出現(xiàn)時(shí)間均在4月下旬，最晚出現(xiàn)在5月中旬；拔節(jié)期平均出現(xiàn)在5月下旬，最早出現(xiàn)在5月下旬，最晚出現(xiàn)在6月上旬；孕穗期平均出現(xiàn)在6月上旬，最早出現(xiàn)在5月下旬，最晚出現(xiàn)在6月上旬；抽穗期平均出現(xiàn)在6月上旬，最早出現(xiàn)在6月上旬，最晚出現(xiàn)在6月中旬；開花期平均出現(xiàn)在6月中旬，最早出現(xiàn)在6月上旬，最晚出現(xiàn)在6月下旬；乳熟期平均出現(xiàn)在7月上旬，最早出現(xiàn)在6月下旬，最晚出現(xiàn)在7月中旬；成熟期平均出現(xiàn)在7月中旬，最早出現(xiàn)在7月上旬，最晚出現(xiàn)在8月上旬（表1）。隨著氣候變暖的影響，播種時(shí)間提前，生育期日數(shù)整體呈縮短的趨勢(shì)。各發(fā)育期出現(xiàn)時(shí)間差異較大。

圖4 黃土高原半干旱區(qū)春小麥生長(zhǎng)日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 4 Change trends of spring wheat growth days in semi-arid region of Loess Plateau

從各發(fā)育期生長(zhǎng)天數(shù)來看，春小麥從播種到出苗期生長(zhǎng)天數(shù)表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)（P＜0.05），平均減少幅度為 2 d·(10 a)-1，31 a 內(nèi)可提前 7 d（圖 5）；春小麥出苗期到三葉期、三葉期到拔節(jié)期、拔節(jié)期到孕穗期和孕穗期到抽穗期生長(zhǎng)天數(shù)變化不大，呈微弱的增加趨勢(shì)，未通過顯著性檢驗(yàn)；春小麥抽穗期到開花期生長(zhǎng)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，平均減少幅度為0.9 d·(10 a)-1，31 a內(nèi)可提前3 d；春小麥開花期到乳熟期生長(zhǎng)天數(shù)呈增加趨勢(shì)（P＜0.05），平均增加幅度為1.5 (d·10 a)-1，31 a內(nèi)可延長(zhǎng)5 d；春小麥乳熟期到成熟期生長(zhǎng)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，平均減少幅度為1.4 d·(10 a)-1，31 a內(nèi)可提前4 d。整體看來，春小麥播種到出苗期、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長(zhǎng)天數(shù)減少導(dǎo)致了春小麥全生育期生長(zhǎng)日數(shù)縮短。

2.3 氣候變化對(duì)黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響

近 57年來黃土高原半干旱區(qū)春小麥的不孕小穗數(shù)和成穗率呈減少趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為7.49和7.67%·(10 a)-1，不孕小穗數(shù)通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)；穗粒數(shù)呈微弱的增加趨勢(shì)，平均每10年增加6.76粒；千粒重呈增加趨勢(shì)，其氣候傾向率為1.78 g·(10 a)-1。春小麥產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，平均每10 年增加為 4.75 kg·hm-2（圖 6）。

從黃土高原半干旱區(qū)春小麥各產(chǎn)量構(gòu)成要素與氣象因子的關(guān)系看，春小麥產(chǎn)量與降水呈正相關(guān)（表 2），并且通過 0.05水平顯著性檢測(cè)；不孕小穗數(shù)與各氣象因子呈負(fù)相關(guān)，其與氣溫和≥0 ℃積溫相關(guān)性通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)，與日照時(shí)數(shù)通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)；穗粒數(shù)與各氣象因子呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫和≥0 ℃積溫相關(guān)性通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)，與日照時(shí)數(shù)通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)；千粒重與各氣象因子呈正相關(guān)，并且與降水的相關(guān)性通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)。成穗率與氣溫和日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，并通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)，與降水和≥0 ℃積溫呈顯著正相關(guān)，通過 0.05水平顯著性檢驗(yàn)。黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量的增加主要受降水的影響，1997年后降水增加使得春小麥增產(chǎn)；氣溫升高、日照時(shí)數(shù)的增加使得春小麥的不孕小穗數(shù)減少，有利于春小麥增產(chǎn)；整體來看，隨著氣候變暖，黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量增加。

表1 1986－2016年春小麥發(fā)育期（月-日）Table 1 Development period of spring wheat from 1986 to 2016 (mm-dd)

表2 春小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素與氣象因子相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between spring wheat yield components and meteorological factors

圖5 黃土高原半干旱區(qū)春小麥發(fā)育期生長(zhǎng)日數(shù)線性變化趨勢(shì)Fig. 5 Linear change trends of growth days of spring wheat in Semi-Arid regions of Loess Plateau

圖6 黃土高原半干旱區(qū)春小麥不孕小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、成穗率和產(chǎn)量線性變化趨勢(shì)Fig. 6 Linear change trends of infertile spikelets, grain per spike, thousand weight, ear rate and yield spring wheat in Semi-Arid regions of Loess Plateau

3 討論

氣候變化使得我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加、產(chǎn)量波動(dòng)較大（林而達(dá)，1997；秦大河，2003；張建平等，2006）。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在北半球中高緯度地區(qū)，若地表氣溫上升 1－3 ℃，糧食作物產(chǎn)量將會(huì)增加；若升溫超過此閾值，糧食作物產(chǎn)量將會(huì)降低（IPCC，2007）。由于氣候變化導(dǎo)致的災(zāi)害發(fā)生頻率增大、作物生育周期縮短等，導(dǎo)致糧食作物產(chǎn)量下降（王馥棠，1993；郭建平，2015）。氣候變化與糧食生產(chǎn)之間的正負(fù)影響關(guān)系及其嚴(yán)重程度存在較大的爭(zhēng)議。各學(xué)者對(duì)氣象要素與春小麥產(chǎn)量間的關(guān)系進(jìn)行了研究，定西市近年來春小麥全生育期氣溫、降水適應(yīng)度呈下降趨勢(shì)，生育期內(nèi)日照適應(yīng)度最高，氣溫次之，降水的適應(yīng)度最低，苗期的降水和氣溫是影響春小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵，其次是抽穗期。降水是制約春小麥生長(zhǎng)最關(guān)鍵的氣候因素，且氣候適宜度隨氣溫變化呈下降趨勢(shì)，對(duì)春小麥生長(zhǎng)具有極顯著的負(fù)效應(yīng)（李玥等，2014）。影響定西春小麥生長(zhǎng)的主要?dú)庀笠蜃訛椤? ℃積溫、日均溫和降水量，降水量對(duì)定西春小麥生長(zhǎng)期和產(chǎn)量的影響最大且極為顯著（趙鴻等，2007）。定西春小麥全生育期降水量偏多是其氣候產(chǎn)量豐收的必要條件，平均氣溫相對(duì)穩(wěn)定是其氣候產(chǎn)量豐收的必要條件（楊金虎，2000）。黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水增加有利于春小麥產(chǎn)量的提高（任新莊，2017），本文研究發(fā)現(xiàn)定西地區(qū)春小麥生長(zhǎng)受降水量影響較大，與其他學(xué)者的結(jié)果相一致。

氣候變化對(duì)小麥的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的影響。冬、春麥區(qū)、北方冬麥區(qū)和南方冬麥區(qū)冬小麥的播種期、出苗期呈不同程度的推遲趨勢(shì)（除冬春兼麥區(qū)冬小麥出苗期平均變化趨勢(shì)呈小幅提前外），而抽穗期、開花期和成熟期則呈不同程度的提前趨勢(shì)（Xiao et al.，2013；He et al.，2015；肖登攀，2015）。小麥物候期的變化趨勢(shì)差異明顯，但營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生長(zhǎng)季長(zhǎng)度普遍呈縮短趨勢(shì)，而生殖生長(zhǎng)階段長(zhǎng)度普遍呈延長(zhǎng)趨勢(shì)（Xiao et al.，2016）。氣候變暖的背景下，春小麥發(fā)育期發(fā)生變化，其乳熟到成熟期間隔日數(shù)縮短，全生育期間隔日數(shù)縮短（姚玉璧等，2011）。這些結(jié)論與本文的結(jié)果相一致。

作物的產(chǎn)量主要受溫度和降水的影響，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。近 50年來西北地區(qū)極端高溫和異常高溫分別在1997年和1995年發(fā)生突變（Fang et al.，2016；齊月等，2015），本文研究發(fā)現(xiàn)氣溫在1997年發(fā)生突變，結(jié)果相吻合。近54年寶雞市氣候變化呈暖干化趨勢(shì)，在滿足灌溉的基礎(chǔ)上，氣溫升高對(duì)小麥生產(chǎn)具有增產(chǎn)作用（宋佃星等，2016）。晉南旱地麥區(qū)小麥產(chǎn)量與降水量存在較高的正相關(guān)性，與生育期降水量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，與氣溫的相關(guān)性較小（裴雪霞等，2016）。臨汾地區(qū)年平均溫度以0.70 ℃·(10 a)-1的速度升高，春小麥產(chǎn)量以每10年1538 kg·hm-2的速率增加，增溫有利于小麥產(chǎn)量的提高（孫向偉等，2017）。在氣候變暖的背景下，氣象條件對(duì)春小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成影響的不確定性因素增加，影響增大。如1995年、1997年和2007年因生育期降水量顯著下降，導(dǎo)致春小麥產(chǎn)量明顯減產(chǎn)（姚玉璧等，2011）。黃土高原半干旱區(qū)氣候暖干化背景下，春小麥產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)（張秀云等，2015），此結(jié)果與本文的研究結(jié)果存在一定的差異，本文主要利用春小麥生育期內(nèi)的降水量與產(chǎn)量進(jìn)行分析，能夠更準(zhǔn)確的確定兩者的相關(guān)關(guān)系，后期有待對(duì)不同生育階段降水量與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

（1）1960－2016年黃土高原半干旱區(qū)春小麥生育期氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，并且在 1997年發(fā)生突變，1997年之后氣溫上升趨勢(shì)更加顯著；春小麥生育期降水量整體呈減少趨勢(shì)，1997年之前年降水量呈減少趨勢(shì)，1997年之后呈增加趨勢(shì)，從降水距平百分率看，干旱年份主要集中在 2000年之后。日照時(shí)數(shù)和≥0 ℃積溫呈增加趨勢(shì)。從各氣象要素變化看，隨著氣候變暖，將有利于春小麥生長(zhǎng)發(fā)育。

（2）近 57年來，春小麥生長(zhǎng)日數(shù)年際波動(dòng)較大，整體呈縮短趨勢(shì)，尤其是 1997年平均氣溫突變后，減少幅度加??；各生育期出現(xiàn)時(shí)間差異較大，春小麥從播種到出苗、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長(zhǎng)天數(shù)呈顯著的減少趨勢(shì)，開花期到乳熟期生長(zhǎng)天數(shù)呈增加趨勢(shì)。春小麥播種到出苗期、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長(zhǎng)天數(shù)減少導(dǎo)致了春小麥全生育期生長(zhǎng)日數(shù)縮短。

（3）近 31年黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量整體呈增加趨勢(shì)，并且與降水呈顯著正相關(guān)，不孕小穗數(shù)和成穗率呈減少趨勢(shì)，穗粒數(shù)和千粒重呈增加趨勢(shì)。整體來看，隨著全球氣候變暖的影響，降水量、日照時(shí)數(shù)、≥0 ℃積溫的增加和氣溫的升高使得春小麥不孕小穗數(shù)減少，穗粒數(shù)、產(chǎn)量和千粒重增加，說明隨著氣候變暖，黃土高原半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)。