亢秀麗　靖華　馬愛平　王裕智　崔歡虎

摘要：為有效提供氣候變化未來情景相適應的栽培途徑，對1987-2017年區(qū)域（臨汾）與水分相關的降水量、氣溫、10 cm地溫、蒸發(fā)量、風速、相對濕度、日照時數(shù)7個氣象因子開展了動態(tài)變化、因子間相關性及其對小麥產量的影響研究。結果表明：各年小麥生育期氣象因子動態(tài)變化特征為降水量、平均氣溫和平均10 cm地溫呈遞增趨勢，而蒸發(fā)量、日照時數(shù)、平均相對濕度和平均風速則呈遞減趨勢;小麥生產年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬，各月份蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。各年小麥生育期氣象因子間相關性為平均氣溫與蒸發(fā)量呈負相關，平均風速、日照時數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關，相關氣象因子間的變異系數(shù)為降水量>蒸發(fā)量>平均風速>平均相對濕度>平均地溫>日照時數(shù)>平均氣溫;小麥生產年度各季節(jié)、月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關。各氣象因子與小麥產量的相關性為各年小麥生育期平均氣溫、平均10 cm地溫、日照時數(shù)與產量呈負相關，而平均相對濕度、蒸發(fā)量、平均風速則與產量呈正相關，降水量與產量均呈正相關，其中不同階段降水量與產量的相關系數(shù)為生產年度>生育期>休閑期。該項研究可為小麥生產系統(tǒng)應對氣候變化提供理論依據(jù)和技術支撐。

關鍵詞：氣候變化;氣象因子;小麥產量

中圖分類號：S161，S512.1+1

文獻標志碼：A

論文編號：cjas18030032

0 引言

進入21世紀以來，山西小麥年播種面積約66.7萬hm2，是山西的第二大糧食作物。因此，小麥產量的豐歉直接左右著全省糧食總產量。全球變暖己成為公認的事實。近年來，廣大科技工作者從不同空間尺度開展了氣候變化對小麥生產的影響研究，在大區(qū)級空間尺度下楊建瑩等開展了氣候變化背景下華北地區(qū)冬小麥生育期的變化特征研究，姬興杰、寧金花等分別開展了氣候變化對北方冬麥區(qū)生育期、氣候變率和變化特征研究，申雙和等開展了氣候變化情景下黃淮海冬麥區(qū)降水量及其適宜度變化分析等;在省級小麥主產區(qū)空間尺度下，河北開展有了氣溫變化對冬小麥發(fā)育期分析、山東開展了氣溫變化對最佳適播期的影響、河南開展了地溫變化對產量的影響及降水量的時空演變特征、陜西開展了氣溫和C02濃度變化對產量影響的模擬分析、甘肅開展了冬春地溫變化對小麥生長和產量的相關分析、江蘇開展了近50年氣候干濕特征研究、新疆開展了額爾齊斯河流域氣溫日較差變化特征及影響因子分析;與此同時，山西省開展了氣溫、降水變化的特征及趨勢分析、冬小麥主要發(fā)育期特征及對氣候變暖的響應、降水氣溫變化對旱地小麥農藝性狀的影響等。以上這些研究成果以不同氣象因子為對象，研究了氣候變化對小麥生長發(fā)育時期、農藝技術措施（播種期）及產量等農藝性狀的影響，對大區(qū)級及各省小麥應對氣候變化提供了理論指導。但以上較多研究主要集中在單一或兩個氣象因子對小麥生產的影響研究，特別是個別氣象因子變化研究是自然年度間的變化，缺乏小麥生育期間或生產年度多氣象因子的變化研究，而小麥生產系統(tǒng)受氣候變化的影響是多氣象因子共同作用的結果?；诖耍卷椦芯亢Y選了與水分相關的降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風速、日照時數(shù)、相對濕度7個氣象因子，開展小麥生育期或生產年度各關鍵氣象因子動態(tài)變化特征、氣象因子間相關性及其對產量的影響研究，以期較全面地解析不同氣象因子對小麥生產系統(tǒng)的影響，為未來氣候變化情景提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗基地位于臨汾盆地堯都區(qū)，海拔457.0 m，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候層。主要氣候特征為四季分明、冬冷夏熱、雨熱同期、旱多澇少。夏季受到海洋性暖濕氣團的控制，成為多雨季節(jié)，且雨季時間較短，冬、春、秋季在干燥大陸性氣團的控制之下，氣候干燥，雨雪稀少。試驗基地為雨養(yǎng)條件，地勢平坦，土壤質地為輕壤土質。

1.2 試驗材料及來源

氣象資料來源于臨汾國家基本氣象站，主要采集了臨汾近30年（1987年6月中旬-2017年6月上旬）與水分相關的生育期降水量、休閑期降水量、生產年度降水量、蒸發(fā)量、氣溫、10 cm地溫、風速、日照時數(shù)、相對濕度9個氣象因子，共獲取30組數(shù)據(jù);小麥產量來源于國家黃淮海北片山西省農業(yè)科學院小麥研究所旱地試驗點，其產量年度數(shù)據(jù)與氣象年度數(shù)據(jù)相對應，共獲取30個產量數(shù)據(jù)。其中1988-1990年、1991-1997年、1998-2017年小麥品種分別為‘秦麥3號’（‘渭麥5號’）、‘晉麥33號’、‘晉麥47號’。

1.3 時段劃分及各氣象因子數(shù)據(jù)計算方法

（1）時段劃分。根據(jù)臨汾小麥播種期（上年9月26-28日播種，10月上旬出苗）、收獲期（次年6月7-8日）特點，將小麥生產劃分為休閑期、生育期、生產年度，其中休閑期為上年6月中旬至9月，生育期為上年10月至次年6月上旬，生產年度為上年6月中旬至次年6月上旬;自然年度為每年的1月至12月。

（2）各氣象因子數(shù)據(jù)計算方法。各年小麥生育期相關氣象因子計算方法：平均氣溫、10 cm地溫、風速、相對濕度計算方法為上年10、11、12月，次年1、2、3、…、5、6月（上旬）各月均值總和除以9的平均值;降水量、蒸發(fā)量、日照時數(shù)計算方法為上年10、11、12月，次年l、2、3、…、5、6月（上旬）各月總量的總和;各年小麥生育期相關氣象因子每年獲取1個數(shù)據(jù)，30年共獲取30組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中含平均氣溫、10 cm地溫、風速、相對濕度、生育期降水量、蒸發(fā)量、日照時數(shù)7個數(shù)據(jù)。

各年小麥生產年度、休閑期降水量及其他相關氣象因子計算方法：休閑期降水量為上年6（中、下旬）、7、8、9月各月降水量的總和;各年生產年度降水量為上年6（中、下旬）、7、8、9、…、12月，次年l、2、3、…、5、6月（上旬）各月降水量的總和;各年小麥生產年度各月平均氣溫為上年6、7、8、…、12月至次年1、2、3、…、5月各月均氣溫各年總和除以30年的平均值，12個月共獲取12個數(shù)據(jù);各月（各月對應關系同上）蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值，12個月共獲取12個數(shù)據(jù);各季節(jié)[冬季上年12月、次年1、2月，春季次年3、4、5月，夏季上年6、7、8月，秋季上年9、10、11月]平均氣溫為各對應月份月均氣溫各年總和除以30年的平均值，再3個月的平均值相加之和除以3，4個季節(jié)共獲取4個數(shù)據(jù);各季節(jié)平均（各季節(jié)各月對應關系同上）蒸發(fā)量為各年各月蒸發(fā)量總和除以30年的平均值，再3個月的平均值相加之和，4個季節(jié)共獲取4個數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

資料數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS平臺操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結果與分析

2.1 區(qū)域（臨汾）相關氣象因子動態(tài)變化

2.1.1 各年小麥生育期相關氣象因子動態(tài)變化由圖1—4看出，1987-2017年小麥生育期相關氣象因子的動態(tài)變化不同。

（1）平均氣溫、蒸發(fā)量氣象因子變化特點。由圖l看出，平均氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢，而蒸發(fā)量則為下降趨勢。平均氣溫因子，8℃<1988-1997年<9℃，9℃≤1998-2002年

（2）平均風速、日照時數(shù)氣象因子變化特點。由圖2看出，平均風速、日照時數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢。平均風速因子，1988-1997年間在1.68—1.81 m/s區(qū)間，而1998-2017在1.41—1.44 m/s區(qū)間;日照時數(shù)因子，1988-2002年間在1423.66—1403.28 h區(qū)間，而2003-2017年間則低于1400 h。

（3）生育期、休閑期降水量氣象因子變化特點。由圖3看出，生育期、休閑期降水量變化趨勢不明顯。生育期降水量因子，160 mm≤1988-1997年≤170 mm，150 mm≤1998-2012年≤160 mm， 170 mm≤2013-2017年≤180 mm，1998-2017年間生育期間降水有增加趨勢;休閑期降水量因子，除2003-2007年間降水在360 mm外，其他時段均維持在250—300 mm間。

（4）平均10 cm地溫、平均相對濕度氣象因子變化特點。由圖4看出，平均10 cm地溫總體呈現(xiàn)上升趨勢，而平均相對濕度則為下降趨勢。平均10 cm地溫因子，1988-1997年間在9.25—10.01℃區(qū)間，而1998-2017年間呈上升趨勢，維持在10.34—11.20℃區(qū)間。平均相對濕度因子，1988-2012年間呈直線下降，由1988-1992年間的62.64%下降到2008-2012年間的50.69%，2013-2017年間較2008-2012年間略有上升，但上升幅度較小。

2.1.2 生產年度各季節(jié)、月份蒸發(fā)量氣象因子動態(tài)變化由圖5、6看出，小麥生產年度四季的冬季、秋季、春季、夏季蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升，生產年度的l、2、3、…、12月的蒸發(fā)量隨氣溫的上升而上升，隨氣溫的下降而下降。

2.1.3 各年小麥生育期相關氣象因子及休閑期、生產年度降水量因子的變異系數(shù)關系由表1看出，各年小麥生育期不同氣象因子的變異系數(shù)存在差異。降水量變異系數(shù)最大，其中以休閑期>生育期>生產年度，其次分別為蒸發(fā)量、平均風速、平均10 cm地溫、平均相對濕度、日照時數(shù)、平均氣溫，其中平均氣溫在7個氣象因子中變異系數(shù)最小。

2.2 小麥生產不同時段相關氣象因子與蒸發(fā)量及其他氣象因子間的相關性

2.2.1 小麥生育期相關氣象因子對蒸發(fā)量的影響由表2看出，各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫、平均風速、日照時數(shù)對蒸發(fā)量的影響不同。各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫均與蒸發(fā)量呈負相關，平均10 cm地溫決定系數(shù)大于平均氣溫的決定系數(shù)即平均10 cm地溫對蒸發(fā)量的相關性大于平均氣溫對蒸發(fā)量的相關性。各年小麥生育期平均風速、日照時數(shù)均與蒸發(fā)量呈正相關，平均風速決定系數(shù)大于日照時數(shù)的決定系數(shù)即平均風速對蒸發(fā)量的影響大于日照時數(shù)對蒸發(fā)量的影響。

2.2.2 小麥生產年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對蒸發(fā)量的影響由表2看出，生產年度各季節(jié)平均氣溫、各月平均氣溫對蒸發(fā)量的影響不同。對蒸發(fā)量的影響為各季節(jié)平均氣溫>各月平均氣溫。

2.2.3 其他氣象因子間的相關性由表2看出，各年小麥生育期平均風速與平均氣溫、各年小麥生育期平均10 cm地溫與相對濕度二者均呈負相關，表明各年小麥生育期平均風速大小直接影響著各年小麥生育期平均氣溫，各年小麥生育期平均10 cm地溫的升高會降低各年小麥生育期的平均相對濕度。

2.3 相關氣象因子與產量的線性關系

2.3.1 各年降水量氣象因子對產量的影響由表3得出，生產年度、各年休閑期、小麥生育期的降水量對小麥產量的影響程度不同。各時段降水量對產量均呈正相關，即各時段降水量的增加對產量均有正向效應，各時段降水量對產量相關性為生產年度>生育期>休閑期。

2.3.2 各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時數(shù)對產量的影響由表3看出，各年小麥生育期平均氣溫、10 cm地溫和日照時數(shù)對產量的影響均呈負相關，即隨著日照時數(shù)增加、氣溫、10 cm地溫升高產量呈降低的趨勢，三者對產量的相關性依次為日照時數(shù)>10 cm地溫>平均氣溫。

2.3.3 各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風速、平均相對濕度對產量的影響由表3看出，各年小麥生育期蒸發(fā)量、平均風速、平均相對濕度對產量的影響均呈正相關，即隨著蒸發(fā)量、平均風速、平均相對濕度的增加產量呈升高的趨勢，三者對產量的相關性依次為平均相對濕度>平均風速>蒸發(fā)量。

3 結論與討論

區(qū)域（臨汾）相關氣象因子資料動態(tài)變化分析表明，1987-2017年中各年小麥生育期降水量、平均氣溫和平均lOcm地溫呈遞增趨勢，蒸發(fā)量、平均風速、日照時數(shù)和平均相對濕度呈遞減趨勢;1987-2017年小麥生產年度各季節(jié)蒸發(fā)量為夏>春>秋>冬，各月蒸發(fā)量為6>7>5>8>4>3>9>10>2>11>1>12。關于本區(qū)域降水量，20世紀50、60、70、80、90年代、21世紀前10年及近7年的自然年度年平均降水量分別為513.6、535.0、500.5、467.1、438.5、459.8、467.5 mm，可以看出20世紀50、60、70年平均降水量≥500 mm，至20世紀90年代年均降水量跌至450 mm以下，而進入21世紀前10年及近7年降水量則呈上升趨勢，但仍未突破500 mm;因此，從這個區(qū)間看年降水量總體呈降低趨勢，而本項研究采集區(qū)間為1987年6月中旬一2017年6月上旬，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)小麥生育期降水量增加趨勢。其他相關氣象因子如平均氣溫、平均地溫、蒸發(fā)量等在較大區(qū)間的變化動態(tài)趨勢與本項研究采集區(qū)間趨勢表現(xiàn)一致。

統(tǒng)計區(qū)域（臨汾）相關氣象因子間相關性表明：1987-2017年中各年小麥生育期蒸發(fā)量隨平均氣溫的升高呈降低趨勢，即平均氣溫與蒸發(fā)量呈負相關，這與申雙和對全國近45年（自然年度）的氣溫與蒸發(fā)量的研究結果相一致;而小麥生產年度各季節(jié)、各月份的蒸發(fā)量則隨平均氣溫的升高呈上升趨勢，即各季節(jié)、各月份平均氣溫與蒸發(fā)量呈正相關，這與各年小麥生育期平均氣溫與蒸發(fā)量的結果不相一致，分析其原因，主要是由于其間各年小麥生育期平均風速、日照時數(shù)與蒸發(fā)量呈正相關，而各年小麥生育期平均風速和日照時數(shù)呈降低趨勢，且二者的變異系數(shù)大于平均氣溫的變異系數(shù)，即由于各年小麥生育期平均風速和日照時數(shù)的降幅大于各年小麥生育期平均氣溫的升高幅度而抵消了溫度對蒸發(fā)量的正效應。本項研究用統(tǒng)計變異系數(shù)，而申雙和等通過彭曼公式中能量平衡項和空氣動力項驗證了風速降低、日照時數(shù)減少是年蒸發(fā)量降低的主要原因。

分析研究區(qū)域相關氣象因子對小麥產量的相關性表明，生產年度、生育期和休閑期降水量對產量均呈正相關，其相關系數(shù)為：生產年度>生育期>休閑期，這與崔歡虎等對山西浮山縣小麥單產與全年降水量關系的研究結果一致。各年小麥生育期平均氣溫、平均地溫和日照時數(shù)與產量呈負相關，各年小麥生育期平均相對濕度、蒸發(fā)量、平均風速與產量呈正相關。其中平均風速可能是影響小麥產量的關鍵氣象因子，由于平均風速降低導致平均氣溫和平均地溫上升而降低小麥產量，由于平均風速降低導致蒸發(fā)量降低而降低小麥產量，由于平均風速降低導致平均相對濕度上升而提高小麥產量，而有關風速衍生其他氣象因子的變化而對小麥產量的影響相關研究較少。

本項研究應用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量解析小麥生育期間的蒸發(fā)量及其與其他因子間的相關性，是基于周林等開展的氣候變暖對黃淮海平原冬小麥生長及產量影響的數(shù)值模擬研究結果“高溫加大了土壤蒸發(fā)”。本課題開展的小麥冬前地溫提升模擬方法（2017年）也較好地驗證了地溫升高會誘發(fā)土壤蒸發(fā)量的增加，而本項研究也表明氣溫與地溫高度正相關。