甘子鵬，徐海燕，薛守業(yè)，李莉莎，張 博，李小明，梁冰妍，種碧瑩，劉桂民，吳曉東

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青藏高原冰凍圈觀測(cè)研究站，蘭州 730000)

【研究意義】近年來(lái)，隨著品種改良的大力推進(jìn)，各個(gè)種植區(qū)都已經(jīng)明確了適宜當(dāng)?shù)刈顑?yōu)的青稞品種，例如西藏自治區(qū)自2015年以來(lái)主推藏青2000品種，青海則主要種植康青7號(hào)、甘青5號(hào)等當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種。實(shí)際上，目前青稞區(qū)種植區(qū)的品種幾乎都由當(dāng)?shù)卣y(tǒng)一配送，可以認(rèn)為各地種植的青稞都是最適宜當(dāng)?shù)貤l件的品種。因此，明確氣候和栽培管理方式對(duì)青稞產(chǎn)量的影響對(duì)于提高青稞產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】過(guò)去40年間，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的不斷提高，世界谷類作物物總產(chǎn)量從8億t增加到23億t[1]。但是，截至2014年，全球人口總數(shù)已經(jīng)達(dá)到72億，其中仍有8億人處于長(zhǎng)期的饑餓狀態(tài)[2]。隨著未來(lái)全球人口數(shù)量增加和居民生活水平提高，到本世紀(jì)中葉，全球糧食的需求量預(yù)計(jì)將會(huì)比目前增加至少70%[3]。除了人口增加和生活水平提高帶來(lái)的糧食需求壓力之外，氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響是另一大潛在威脅[1]。過(guò)去100年來(lái)全球地表溫度升高了0.74 ℃[4]，自19世紀(jì)90年代以來(lái)全球變暖幅度明顯升高，預(yù)計(jì)未來(lái)100年內(nèi)全球氣溫可能升高1.1～ 6.4 ℃[5]。農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育高度依賴當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，氣候變化勢(shì)必影響農(nóng)作物最終產(chǎn)量[6-7]。例如，氣候變化導(dǎo)致全球一些主要糧倉(cāng)的產(chǎn)量停滯或產(chǎn)量下降[8]，在半干旱地區(qū)，降雨量和溫度的微小變化或過(guò)熱都可能對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生巨大影響[9]。明確氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響程度以及應(yīng)該如何采取措施來(lái)應(yīng)對(duì)已經(jīng)成為各國(guó)政府和科學(xué)家高度重視的問(wèn)題[10]。青藏高原是世界上最大的高原生態(tài)系統(tǒng)。受全球氣候變化的影響，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，青藏高原的氣候變暖速度幾乎是全球平均速度的兩倍[11]。青稞(Hordeumvulgare)是青藏高原的主要作物之一[12]，是藏民族傳統(tǒng)的主糧[13]。到2018年西藏自治區(qū)青稞種植面積占糧食作物種植面積的77%[14]，青海省青稞種植面積占同年全省糧食作物面積的16.27%。甘南藏區(qū)自治區(qū)青稞占全州農(nóng)作物種植面積的28%，產(chǎn)量約占全州糧食總產(chǎn)量的35%[15]。青藏高原氣候變暖速度的增加會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生一定的影響，例如，氣候變暖使作物可生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)間延長(zhǎng)，青藏高原東北部草地地上生物量對(duì)月平均氣溫和降水變化的響應(yīng)顯著[16]。弓開(kāi)元[17]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原大部分降水增多地區(qū)青稞產(chǎn)量與不同生育期降水量顯著負(fù)相關(guān)，平均最高溫度的升高則普遍會(huì)導(dǎo)致青稞減產(chǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文通過(guò)大范圍的調(diào)查，獲取青藏高原各地的青稞產(chǎn)量、氣象和品種數(shù)據(jù)，分析氣候因子及施肥管理方式和青稞產(chǎn)量的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究旨在量化氣候和施肥方式對(duì)青稞產(chǎn)量的影響，從而為未來(lái)氣候變化情景下青藏高原的青稞種植及管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東南地區(qū)(90°84′～104°12′E，28.02°14′～38°21′N), 日照多，氣溫低，日較差大，年平均氣溫由東南的20 ℃向西北遞減至-6 ℃以下。本研究從西藏自治區(qū)、青海省和甘肅省的甘南藏族自治州分別選擇了21、20和5個(gè)共46個(gè)青稞種植縣市作為研究采樣點(diǎn)(圖1)。

圖1 青藏高原采樣點(diǎn)

從國(guó)家氣象信息中心—中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) (http://data.cma.cn)下載采樣地2018年青稞生長(zhǎng)季(4—9月)[18]平均氣溫、平均相對(duì)濕度、降水量、日照時(shí)數(shù)等站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，然后用ArcGIS 10.2對(duì)研究區(qū)進(jìn)行空間插值，得到研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)。

1.2 青稞產(chǎn)量和品種數(shù)據(jù)收集

本研究選擇以青稞為研究對(duì)象，于2018年10—12月實(shí)地收集當(dāng)年46個(gè)縣市收獲的青稞產(chǎn)量信息為研究材料，青稞產(chǎn)量數(shù)據(jù)是根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)查情況獲得同步收集了青稞種植過(guò)程中37個(gè)縣市主要的化肥施用信息，并用GPS測(cè)定調(diào)查區(qū)海拔高度和經(jīng)緯度。由于每個(gè)調(diào)查區(qū)的各地青稞產(chǎn)量和管理方式差異較大，在當(dāng)?shù)剡x擇3戶以及以上的農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查，獲得當(dāng)?shù)匾话闱闆r下的當(dāng)年青稞產(chǎn)量和管理方式，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。青稞品種信息是基于實(shí)地調(diào)查獲取(表1)。

表1 青稞品種信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先用ArcGIS 10.2對(duì)青稞產(chǎn)量空間分布進(jìn)行分析，用R 4.0.3對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；用SPSS 26進(jìn)行單因素方差分析，然后用R 4.0.3進(jìn)行聚類分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞產(chǎn)量的空間分布

青藏高原青稞品種西藏自治區(qū)以藏青2000為主，青海省以昆侖15號(hào)和柴青1為主，甘南藏族自治州以甘青6號(hào)為主。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個(gè)縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2變化。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上從西到東青稞產(chǎn)量呈降低趨勢(shì)，青海省青稞產(chǎn)量整體趨勢(shì)上高于西藏自治區(qū)和甘南藏族自治州，為100～425 kg/667 m2，西藏自治區(qū)青稞產(chǎn)量在75～325 kg/667 m2，甘南藏族自治州青稞產(chǎn)量整體趨勢(shì)上最低，為90～175 kg/667 m2。青海省青稞產(chǎn)量在烏蘭縣和玉樹(shù)市最高，分別為400和425 kg/667 m2，在澤庫(kù)縣和斑瑪縣最低，為100 kg/667 m2。西藏自治區(qū)青稞產(chǎn)量在朗縣和達(dá)孜區(qū)最高，為325 kg/667 m2，在索縣的亞拉鎮(zhèn)、榮布鎮(zhèn)和左貢縣最低，為75 kg/667 m2。甘南藏族自治州青稞產(chǎn)量在合作市和夏河縣最高，為175 kg/667 m2，在舟曲縣最低，為90 kg/667 m2(圖2)。

圖2 2018年青稞產(chǎn)量空間分布

2.2 不同環(huán)境條件下青稞產(chǎn)量差異

如圖3-a所示，海拔2200～2600、2600～3000、3000～3400、3400～3800 m的青稞產(chǎn)量顯著高于海拔3800～4200 m(P<0.05)，其中在海拔3000～3400 m最高，在海拔3800～4200 m最低；青稞產(chǎn)量在降水量150～250 mm明顯高于550～650 mm，不同降水之間青稞產(chǎn)量差異不顯著(圖3-b)；青稞產(chǎn)量在平均溫度13～15 ℃最高，在7～9 ℃最低，不同平均溫度之間青稞產(chǎn)量差異不顯著(圖3-c)；青稞產(chǎn)量在日照時(shí)數(shù)1100～1300 h顯著高于700～900 h(圖3-d，P<0.05)。

圖3 不同環(huán)境條件下青稞產(chǎn)量差異

2.3 研究區(qū)氣候區(qū)劃

采用生長(zhǎng)季積溫(℃)、平均溫度(℃)、相對(duì)濕度(%)、總降水(mm)、日照時(shí)數(shù)(h)作為區(qū)劃指標(biāo)，通過(guò)聚類分析中K均值聚類方法將研究區(qū)37個(gè)縣市劃分氣候條件存在明顯差異的2個(gè)氣候區(qū)(圖4)。2個(gè)氣候區(qū)氣候條件差異明顯，其中第1氣候區(qū)：積溫、平均溫度、相對(duì)濕度、降水、日照時(shí)數(shù)分別在2262.1 ℃、14.8 ℃ 、53.9%、312.6 mm、1153.4 h左右；第2氣候區(qū)：積溫、平均溫度、相對(duì)濕度、降水、日照時(shí)數(shù)分別在1667.6 ℃、10.8 ℃、62.3%、428.6 mm、900.9 h左右。第1氣候區(qū)平均溫度和日照時(shí)數(shù)都顯著高于第2氣候區(qū)，而第2氣候區(qū)降水和相對(duì)濕度極顯著高于第1氣候區(qū)。

圖4 基于氣象數(shù)據(jù)使用PAM算法的聚類圖

2.4 施肥方式與青稞產(chǎn)量

第1氣候區(qū)青稞品種以柴青1號(hào)、昆侖15號(hào)和藏青2000為主，第2氣候區(qū)以藏青2000為主。不同氣候區(qū)青稞產(chǎn)量差異顯著，第1氣候區(qū)青稞產(chǎn)量顯著高于第2氣候區(qū)(P<0.05，圖5)。同一氣候區(qū)不同施肥方式青稞產(chǎn)量變化明顯，其中第1氣候區(qū)青稞產(chǎn)量在170～260 kg/667 m2，柴青1號(hào)產(chǎn)量顯著高于北青9號(hào)、昆侖15號(hào)和藏青2000。第2氣候區(qū)青稞藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。青稞產(chǎn)量在無(wú)施肥時(shí)最低，在化肥施用下最高，較無(wú)施肥對(duì)照，農(nóng)家肥和化肥配合施用下青稞產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)，化肥施用下的青稞產(chǎn)量顯著提高(P<0.05，圖6)。

圖5 氣候區(qū)青稞產(chǎn)量變化特征

圖6 氣候區(qū)不同施肥方式青稞產(chǎn)量變化特征

3 討 論

青稞主要生長(zhǎng)在西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州等地，其生長(zhǎng)發(fā)育受到品種的影響[19]。例如，聶戰(zhàn)聲等[20]基于天祝青稞品種混雜和退化嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)16個(gè)青稞品種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有4個(gè)品種綜合性狀表現(xiàn)良好，分別是藏青25、甘青4號(hào)、北青7號(hào)和甘青5號(hào)。近幾十年來(lái)，青稞品種改良和推廣方面開(kāi)展了很多工作，目前各地種植的品種都是當(dāng)?shù)乇憩F(xiàn)最好的品種，本研究進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中西藏自治區(qū)以藏青2000為主，青海省以昆侖15號(hào)和柴青1號(hào)為主，甘南藏族自治州以甘青6號(hào)為主。因而，各地青稞的產(chǎn)量差異也就主要取決于當(dāng)?shù)氐臍庀蠛凸芾項(xiàng)l件。因此，本研究通過(guò)大范圍的空間調(diào)查，調(diào)查了青藏高原46個(gè)縣市的青稞產(chǎn)量、品種及37縣市的施肥方式，研究氣候變化背景下氣象因子與施肥方式對(duì)青稞產(chǎn)量的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個(gè)縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上青稞產(chǎn)量從西到東呈降低趨勢(shì)，青海省青稞昆侖15號(hào)和柴青1號(hào)產(chǎn)量整體趨勢(shì)上高于西藏自治區(qū)藏青2000和甘南藏族自治州甘青6號(hào)。

氣候變暖會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性[21]，可能會(huì)降低一些農(nóng)作物產(chǎn)量[22]。研究發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)青稞藏青2000產(chǎn)量隨海拔升高而減少，甘青6號(hào)產(chǎn)量因降水多而較少，與H?gy等[23]對(duì)大麥研究結(jié)果基本一致。白羿雄等[24]研究認(rèn)為，輕度水分脅迫促進(jìn)青稞根系生長(zhǎng)，重度水分脅迫起抑制作用且不利于其穗部發(fā)育，進(jìn)而降低產(chǎn)量。侯亞紅等[25]研究發(fā)現(xiàn)，水分充足條件下，藏青25能夠維持相對(duì)較強(qiáng)的光合作用,為青稞的高產(chǎn)提供了充足的光合產(chǎn)物,利于增加生物產(chǎn)量,提高籽粒產(chǎn)量。本研究中青稞產(chǎn)量隨平均溫度和日照時(shí)數(shù)的增加呈增加趨勢(shì)，柴青1號(hào)、昆侖14號(hào)和北青9號(hào)產(chǎn)量都因日照時(shí)數(shù)充足而較高。關(guān)衛(wèi)星等[19]也研究發(fā)現(xiàn)，青稞隨日照強(qiáng)度增加產(chǎn)量增加，當(dāng)日照充足時(shí)，產(chǎn)量較高。說(shuō)明青稞在高海拔地區(qū)海拔較低、溫度偏高、日照充足和降水較少的地區(qū)產(chǎn)量較高。本研究進(jìn)一步對(duì)研究區(qū)37縣市進(jìn)行氣候劃分，發(fā)現(xiàn)青稞產(chǎn)量隨著氣候條件的變化而差異顯著，進(jìn)一步說(shuō)明在品種確定的前提下，氣候條件是影響其產(chǎn)量的重要因素。本研究中青稞更適合生長(zhǎng)在積溫較高、平均溫度較高、相對(duì)濕度適中、降水適中、日照時(shí)數(shù)充足的地區(qū)，日照充足和降水適中的氣候條件有利于青稞增產(chǎn)。

本研究對(duì)37個(gè)縣市的青稞施肥方式進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)相似氣候條件下青稞柴青1號(hào)產(chǎn)量顯著高于北青9號(hào)、昆侖15號(hào)和藏青2000，藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。與Mctaggart等[26]在冬麥的研究基本一致。馬生蘭等[27]也研究發(fā)現(xiàn)，噴施葉面肥均可提高青稞的有效穗和千粒重,促使青稞穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)增加,從而促進(jìn)青稞增產(chǎn)。過(guò)去幾十年來(lái)，西藏青稞產(chǎn)量隨著化肥的增加有了大幅的提高[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，使用農(nóng)家肥的產(chǎn)量略低于化肥，但是產(chǎn)量無(wú)顯著差異。盡管本研究區(qū)域中農(nóng)家肥的使用量不易確定，但是考慮到農(nóng)家肥的可獲得性，因此可能與農(nóng)家肥的使用量相對(duì)不足有關(guān)?？紤]到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境，青稞種植區(qū)的化肥施用量需要逐步降低。有機(jī)肥因具有養(yǎng)分均衡，釋放緩慢持久，保肥保水，可以改良土壤等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高青稞產(chǎn)量和品質(zhì)[29-30]。

4 結(jié) 論

本研究調(diào)查了青藏高原46個(gè)縣市的青稞產(chǎn)量、品種及37縣市的施肥方式來(lái)研究氣候變化背景下氣象因子與施肥方式對(duì)青稞產(chǎn)量的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州46個(gè)縣市的青稞產(chǎn)量在75～425 kg/667 m2。西藏自治區(qū)、青海省和甘南藏族自治州在空間上青稞產(chǎn)量從西到東呈降低趨勢(shì)，青海省青稞昆侖15號(hào)和柴青1號(hào)產(chǎn)量整體趨勢(shì)上高于西藏自治區(qū)藏青2000和甘南藏族自治州甘青6號(hào)。

青藏高原青稞藏青2000產(chǎn)量隨海拔升高而減少，甘青6號(hào)產(chǎn)量因降水多而較少，柴青1號(hào)、昆侖14號(hào)和北青9號(hào)產(chǎn)量都因日照時(shí)數(shù)充足而較高。相似氣候條件下青稞柴青1號(hào)產(chǎn)量顯著高于北青9號(hào)、昆侖15號(hào)和藏青2000，藏青2000產(chǎn)量隨農(nóng)家肥與化肥的施用顯著提高。為了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，選擇在3800 m以下的地區(qū)發(fā)展青稞種植業(yè)，并結(jié)合有機(jī)肥的施用量是未來(lái)青稞發(fā)展的重要方向。