气候暖干化对半干旱区春小麦产量形成的影响

张秀云，王鹤龄，雷俊

1. 中国气象局兰州干旱气象研究所//甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室//中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃 兰州 730020；2. 甘肃省定西市气象局，甘肃 定西 743000

气候暖干化对半干旱区春小麦产量形成的影响

张秀云1,2，王鹤龄1，雷俊2

1. 中国气象局兰州干旱气象研究所//甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室//中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃 兰州 730020；2. 甘肃省定西市气象局，甘肃 定西 743000

利用1986─2013年典型黄土高原半干旱区春小麦（Triticum aestivum Linn.）试验资料，结合试验区气象站1958─2013年气候要素观测数据，研究气候变化对春小麦产量形成的影响，为应对气候变化提供科学依据。结果表明：1958─2013年试验区降水量呈下降趋势，气候倾向率为-10.966 mm/10 a；降水量年际波动大，变异系数为20.3%。春小麦主要生长发育时段的3─6月降水量也呈减少趋势，3─6月降水量变异系数为33.2%。试验区气温呈极显著上升趋势，气候倾向率为0.378 ℃/10a。春小麦生长季干燥指数也呈上升趋势。20世纪90年代后暖干化特征明显。试验区春小麦产量与5月下旬─6月上旬气温呈极显著负相关（r=-0.492，P<0.01），气温偏高，小花分化速度加快，有效小花减少，无效小花增加，结实率降低，导致春小麦产量下降。试验区春小麦产量与其生长季降水呈显著正相关（r=0.306，P<0.05），说明黄土高原半干旱区小麦全生育期降水不足是影响春小麦产量的主要气候因素。而春小麦产量形成对5月中旬─5月下旬降水量的变化尤为敏感，此时段是小花开始分化到花粉母细胞四分体形成时的水分临界期，是春小麦需水关键期，降水量减少，部分花粉和胚珠不育，结实率显著下降，产量降低。结论：降水量是影响春小麦产量形成的关键气候因子；而气温增高是春小麦产量形成的主要限制因子。黄土高原半干旱区气候暖干化背景下，春小麦产量呈下降趋势；气候因素对春小麦发育和产量的负效应增大，产量的不确定性增加。

半干旱区；气候暖干旱；春小麦；产量

IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第五次评估报告指出，全球气候系统变暖的事实是毋庸置疑的。全球地表温度（陆地和海洋的地表温度数据）持续上升，1880─2012年全球平均地表温度升高了0.85 ℃（0.65～1.06 ℃）。1951─2012年，全球地表温度的升高速率为 0.12 ℃/10a（0.08～0.14 ℃/10a），几乎是1880年以来升温速率的2倍。全球过去30年，每10年地表温度的升高速率均是1850年以来最快的。在北半球，1983─2012年可能是最近1400年来气温最高的30年。21世纪末全球平均地表温度在 1986—2005年的基础上将升高0.35～4.8 ℃（IPCC，2013，2012）。位于北半球的中高纬度区域，若地表气温上升1～3 ℃，预计粮食作物产量呈略增趋势；如果增温高于此阈值，该区域粮食作物产量则会降低（Lobell和Asner，2003；张存杰等，2014）。1961年以来中国区域性气象干旱事件频次趋多（黄小燕等，2014）。1949─2013年中国干旱造成的农业受灾面积呈增加趋势（王劲松等，2012）。

中国北方春小麦（Triticum aestivum Linn.）生长季内气温普遍增加，春小麦生育期间和灌浆期的平均气温显著升高，有效积温显著增加，导致生育期显著缩短（俄有浩等，2013）。在气候变暖的背景下，春小麦发育期发生变化，其乳熟到成熟期间隔日数递减率为-2～-3 d/10a、全生育期间隔日数递减率为-4～-5 d/10a（姚玉璧等，2011）。播种期普遍推迟，其原因除气温升高的因素外，土壤湿度降低是播种期推迟的主要原因之一（董智强等，2012）。气候变暖使高寒阴湿雨养农业区春小麦生育期缩短、产量有所提高；温度升高在春小麦各发育阶段过程中的效应不尽相同，产量形成及产量构成要素对各生育阶段变暖的响应也存在差异。研究表明，春小麦开花-乳熟期的气温与产量呈显著的相关性（赵鸿等，2008）。随着播期的推迟，春小麦播种至抽穗期的天数也明显减少，全生育期缩短；千粒质量和籽粒最大灌浆速度均呈先升高后降低的趋势（张凯等，2012）。

西北黄土高原半干旱区地处东亚季风边缘区，是中国东西水分梯度带和南北热量梯度带的交叉区，属于气候变化的敏感地带，农业、生态和自然环境十分脆弱（张强等，2008）。农业对气候变化的响应十分敏感，气候暖干化对不同作物、不同生育时段的影响不尽相同（蒲金涌等，2006；姚玉璧等，2010；邓振镛等，2008）。半干旱区春小麦产量对气候变暖、气温升高的响应特征，以及如何适应与应对这种变化，是该区农业科学研究的重要问题之一。

1 试验区域与方法

1.1 试验区域

试验设在甘肃省中部半干旱气候区的定西市气象局农业气象试验站。试验地海拔高度 1896.7 m。气候平均值取1981─2010年这30年统计平均值，试验区历年平均气温7.2 ℃，其中1年中最热月为7月（平均气温19.3 ℃），1年中最冷月为1月（平均气温-6.9 ℃）。全年降水量为377.5 mm；降水主要集中于每年夏季（6─8月），夏季降水量为205.7 mm，占年降水量的54.5%；春、秋季降水量接近，分别为83.7、79.1 mm；冬季最少，为9.0 mm；雨热同季。年平均日照时数 2437.7 h；平均无霜期天数为140 d，最长无霜期天数183 d，最短无霜期天数99 d。

1.2 试验取样

1986─2013年的28年间，在春小麦生育阶段对发育状况及产量构成要素进行连续定位观测。试验取样地段为旱作耕地，未灌溉，品系和作物栽培管理与大田相同。每次取样为4个重复。主要取样测定的项目包括作物发育阶段、植株高度、密度和叶面积指数，生长量包括叶片、茎、株和穗的生物量鲜质量、干质量，产量构成要素等。

气候变化背景分析及气候因素对比分析数据来源于定西市安定区气象站，要素年代为建站以来（1958─2013年）地面气象观测资料。

1.3 统计分析

气候要素的趋势倾向率估计（魏凤英，2007）：

式中：Xi为气候要素变量，用ti表示Xi所对应的时间；a为回归常数；b为回归系数；n为样本量。b的10年变化称为气候倾向率。

小波分析也称多分辨分析，它的主要功能是表达时间函数在时间—频率域中的局部化特征，是一种时、频多分辨率研究分析工具。小波基（母波）有许多类，文中选用限边界Morlet小波能量谱表达（吴洪宝和吴蕾，2005）。

产量与旬气象要素积分回归模式（冯定原，1988）为：

式中：Yi为产量；c为积分回归常数；x(t)为气候要素；a(t)为气候变化对产量的影响函数或称偏回归系数，其大小可反映气候变量对作物产量影响的效应。

2 结果与分析

2.1 气候背景分析

2.1.1 降水量

1958─2013年试验区逐年降水量为波动减少特征（图 1(a)），历年降水量递减气候倾向率为-10.966 mm/10a（P<0.10）。最大年降水量为720.1 mm（出现于1967年）；最小年降水量为245.7 mm（出现于1982年）。逐年降水量距平百分率的变幅为-34.8%～91.0%。就年代际而言，20世纪60年代偏多且最多，降水量距平百分率为18.7%（表1）；90年代初至21世纪初持续偏少。降水量年代际振荡在 20世纪 60年代最大，降水量变异系数为28.3%；70年代次之，降水量变异系数为21.3%。

图1 试验区域降水量历年曲线及小波分析Fig. 1 The annual precipitation change and wavelet analyses in the experiment area(1958─2013)

表1 试验区各年代际降水量距平百分率及气温距平Table 1 Every decadal anomaly percent of precipitation and temperature departure in the experiment area

冬季（12月至翌年1─2月）降水量历年趋势变化呈略增加特征，递增速率为 0.349 mm/10a（P>0.10），其气候倾向率未通过信度检验；冬季降水量变异系数最大，为54.4%。春季（3─5月）降水量历年趋势变化呈减少特征，递减率为-2.742 mm/10a（P>0.10），其气候倾向率也未通过信度检验；春季降水量变异系数次之，为44.8%。夏季（6─8月）降水量年际变化也呈略减少趋势，线性拟合气候倾向率为-2.01 mm/10a（P>0.10），同样未通过信度性检验；夏季降水量变异系数较小，为25.9%。秋季（9─11月）降水量趋势变化呈减少特征，递减率为-6.644 mm/10a（P<0.05）；秋季降水量变异系数为40.8%。由此可见，研究区年降水量的减少主要发生在秋季。春小麦主要生长发育阶段（3─6月）降水量亦呈减少特征，递减率为-10.506 mm/10 a（P>0.10），其气候倾向率未通过信度检验；3─6月降水量变异系数为33.2%。

试验区历年降水量存在显著的3 a和6～7 a的周期振荡（图1(b)），3 a周期于1963─1973年的时域内信度检验显著且振荡较强，于 1967─1968年为中心的时域内振荡最强。6～7 a的周期振荡于1973─1988年周期显著且振荡较强，在1978─1979年中心的时域内振荡最强。

2.1.2 气温

1958─2013年试验区历年气温显著上升（图2a），气温递增率为 0.378 ℃/10a（P<0.01）。气温变化曲线的Cubic拟合函数呈先降后升型特征，20世纪70年代之后气温明显上升。

图2 试验区气温距平及干燥指数年际变化曲线Fig. 2 Interannual change curve of temperature departure and aridity index in the experiment area

气温距平在20世纪60年代、70年代和80年代为负距平，其值分别是-0.5、-0.4和-0.2 ℃。90年代后为正距平，其中90年代为0.5 ℃、2000─2010年和2010─2013年均为1.3 ℃。

各季节气温均呈显著增温特征，冬季增温率最大，为0.492 ℃/10a（P<0.01）；秋季增温率次之，为0.373 ℃/10a（P<0.01）；夏季增温率为0.345 ℃/10a（P<0.01）；春气温线性拟合气候倾向率最小为0.311 ℃/10a（P<0.01）；春小麦主要生长发育阶段（3─6月）气温性拟合气候倾向率为0.378 ℃/10a（P<0.01，表2）。

表2 试验区各季节降水量、气温气候倾向率Table 2 The Climate ration of trend precipitation and temperature in seasons in the experiment area

2.1.3 干燥指数变化

1958─2013年试验区历年作物生长季干燥指数呈上升趋势（图 2(b)），干燥指数递增率为0.170/10a（P<0.10）。

20世纪60年代试验区春小麦生育期干燥指数有所下降；20世纪60年代和80年代干燥指数相对偏低；20世纪90年代后干燥指数增加，试验区域暖干化特征明显。

2.2 春小麦产量形成与气候变化的关系

2.2.1 春小麦产量与气候变化的关系

春小麦产量年际变化曲线呈波动下降趋势（图3），气候倾向率为-9.086 g/(m2·(10a)-1)，但P>0.10，未通过显著性检验。

图3 试验地春小麦产量年际变化Fig. 3 The annual spring wheat yields in the experiment area

试验区春小麦产量与5月下旬─6月上旬气温呈极显著负相关（r=-0.492，P<0.01，表 3）。该时段春小麦处于拔节末期到孕穗期，是营养生长向生殖生长转化的关键阶段，正值小花分化期到四分体形成发育。小麦每穗一般分化140～150 朵小花，但小花结实率通常不到20%，提高健全小花数可提高结实率。如果气温在适宜的范围内偏低有利于延长小花分化的时间，提高健全小花分化率；但气温若偏高，则小花分化速度加快，有效小花减少，无效小花增加，结实率降低，影响产量形成。可见，黄土高原半干旱区5月下旬─6月上旬是气温影响春小麦生长发育的关键期，气候变暖及气温偏高，将导致春小麦产量下降。

表3 春小麦产量与气候因子的相关分析Table 3 Correlation analysis of spring wheat yields against different climatic factors

试验区春小麦产量与其生长季降水呈显著正相关（r=0.306，P<0.05），说明黄土高原半干旱区小麦全生育期降水不足是影响春小麦产量形成的主要气候因素，即降水量减少，产量下降。5月降水量对产量形成的影响更大（r=0.383，P<0.05）；而春小麦产量形成对5月中旬─5月下旬降水量的变化响应尤为敏感（r=0.401，P<0.05）；此时段是小花开始分化到花粉母细胞四分体形成时的水分临界期，如果水分供应不足将导致小花大量退化，部分花粉和胚珠不育，结实率显著下降，影响产量。试验区降水量减少，春小麦产量下降。

试验区5月下旬─6月上旬日照与春小麦产量呈显著的负相关（r=-0.471，P<0.01）。一般而言，在水分充足，气温适宜的条件下，加强田间光照可使每穗健全小花数增加；但在黄土高原半干旱区日照时数增加时，往往会出现降水减少、气温偏高的状况，造成对春小麦发育不利的影响，故该时段日照与春小麦产量呈负相关。

统计分析表明，黄土高原半干旱区春小麦产量波动主要受气候变化的影响，其他生态及土壤环境等干扰因素虽有影响但未通过显著性检验。春小麦生长发育阶段气候变暖，气温增加，降水减少，对试验区春小麦产量形成造成不利的影响。

春小麦产量与其全生育期、3─6月、5月、5月中下旬降水量呈显著正相关；与5月下旬─6月上旬气温和5月下旬─6月上旬日照呈极显著负相关。各个气候因素对春小麦产量的影响程度可通过通径分析判断。表3给出了各因子对春小麦产量形成的直接通径系数，结果反映出各因子的直接贡献由大到小依次为：C6>C4>C5>C2>C3>C1。

可见，试验区5月中旬至5月下旬是春小麦水分供应关键期，该时段的降水变化是关键影响因子；春末夏初气温变化是影响该区春小麦产量的主要制约因子。

2.2.2 各时段气候要素影响特征分布

从 3─7月逐旬气温对产量的积分回归影响函数分布图（图 4）可知，除苗期和成熟期外，由于气候变暖，各时段热量充足，3─7月逐旬气温对春小麦产量形成为负贡献，气温每增高1 ℃，春小麦产量降低7～15 g·m-2。孕穗期-抽穗期气温对产量的负作用尤为显著，旬平均气温每升高1 ℃，产量降低12～15 g·m-2。

黄土高原半干旱区降水量总体不足，除出苗期和成熟期略呈负贡献外，其余时段均为正贡献，拔节—孕穗期正效应尤为显著，旬降水量每增加 1 mm，产量可增加10～22 g·m-2。成熟期降水量对春小麦产量形成又转为负贡献。

图4 旬气候要素与春小麦产量积分回归Fig. 4 The integral regression between spring wheat yields and ten-day period average Climate factor

就光照而言，在水分供应充足，气温适宜时，春小麦田间群体光照增加，光合作用加快。但半干旱区日照时数偏多时段伴随降水偏少、气温偏高，导致春小麦生长发育受到影响，因此，出现部分时段日照时数对小麦产量有负面作用。

2.3 春小麦产量气候模式

在试验分析的基础上，建立春小麦产量气候式：Y=863.15+0.30C2-28.63C5-1.68C6

式中：Y为拟合产量；其余符号见表3，即C2为3─6月降水量，C5为5月下旬─6月上旬气温，C6为5月下旬─6月上旬日照时数。其线性化后相关系数为r=0.576，F=3.96> F0.05，n=28。

3 结论

（1）1958─2013年试验区降水量呈波动的下降趋势，降水量气候倾向率为-10.966 mm/10a。20世纪60年代降雨偏多且最多，90年代初至21世纪初持续偏少。试验区年降水量的减少主要在秋季。春小麦主要生长发育时段的 3─6月降水量也呈减少趋势。1958─2013年试验区气温呈极显著上升趋势，气候倾向率为0.378 ℃/10a。20世纪70年代后气温显著上升，春小麦生长季干燥指数也呈上升趋势；90年代后暖干化特征明显。

（2）试验区域5月中、下旬是春小麦需水关键期，此时段是小花分化到四分体形成的水分临界期，降水量减少使得有效小花减少，无效小花增加，部分花粉和胚珠不育，结实率显著下降，产量降低。该时段是春小麦产量形成的敏感期、关键期，水分供应是影响该区域春小麦产量的关键气候因子；而5月下旬─6月上旬气温升高是春小麦生长的主要制约因子。黄土高原半干旱区气候变暖、降水量减少，气候暖干旱导致春小麦产量下降。

（3）逐旬气候因子对产量的影响函数分布表明，由于气候变暖，气温对春小麦发育的影响除出苗期和成熟期略呈正贡献外，其他各时段逐旬气温对产量形成均表现为负效应；降水量影响函数时域分布，与气温呈反位相分布特征，除了出苗期和成熟期降水量对产量的形成略呈负效应之外，其他时段均为正效应。

（4）黄土高原半干旱区气候暖干旱化背景下，春小麦产量呈下降趋势；气候因素对作物发育和产量的负效应增大，春小麦产量的不确定性增加。

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Impacts of Climate Warming and Drying on Spring Wheat Yield in A Semi-arid Region

ZHANG Xiuyun1,2, WANG Heling1, LEI JUN2
1. Lanzhou Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration//Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province// Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2. Dingxi Meteorological Bureau of Gansu Province, Dingxi 743000, China

The impacts of climate change on spring wheat yield is studied by using experimental data of spring wheat of typical semi-arid regions on Loess Plateau in 1986─2013, with the combination of meteorological observing data gained from meteorological stations in experimental regions in 1958─2013. It provide the scientific basis for coping climate change. Results showed that, there is a declining trend on precipitation in experimental regions in 1958─2013; the climate tendency rate is -10.966 mm/10 a; annual fluctuation of precipitation is large and the variation coefficient is 20.3%. Precipitation has a declining trend from March to June, which is the main growth period for spring wheat, the variation coefficient of precipitation during March and June is 33.2%. The temperature in experimental region has a very obvious ascending trend and the climate tendency rate is 0.378 ℃/10 a. The aridity index of spring wheat is also showing an ascending trend. After the 90s of twentieth century, the warming and drying character was becoming obvious. Spring wheat yield in experimental regions had an extremely obvious negative relation with the temperature in last ten days of May and first ten days of June(r=-0.492, P<0.01). Higher temperature leads to a higher velocity of blossom differentiation, useful blossom decrease and useless blossom increase, maturing rate decrease and all these caused the decrease in spring wheat yields. The yields of spring wheat in experimental regions have an obvious positive relation with its seasonal precipitation(r=0.306, P<0.05), which demonstrate that the lack of precipitation during spring wheat’s whole growing period in semi-arid regions of Loess Plateau is the main factor which influence the yields, a decrease in precipitation caused the decrease of yields of spring wheat. Meanwhile, the yields of spring wheat are extremely sensitive to the changes of precipitation during the middle ten days and late ten days in May, this time period is water critical period for the blossom to start differentiation to the formation of pollen in tetrad of metrocyte, it is a period which is critical for the water supply of spring wheat, so the decrease of precipitation will result in a sterile ovule and blossom, and finally the obvious decrease of maturing rate and yields. Precipitation is the key climatic factor of the yields forming while increasing in temperature is the main restriction factor of the yields forming of spring wheat. Understand the background of climate warming and drying in semi-arid regions on Loess Plateau, the yield of spring wheat have a declining tendency; negative effect of climatic factors on the growth and yields forming of spring wheat is increasing and the uncertainty of yields increased.

semi-arid region; climate warming and drying; spring wheat; yield

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.004

Q142.2；X16；S162.5

A

1674-5906（2015）04-0569-06

张秀云，王鹤龄，雷俊. 气候暖干化对半干旱区春小麦产量形成的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(4): 569-574.

ZHANG Xiuyun, WANG Heling, LEI JUN. Impacts of Climate Warming and Drying on Spring Wheat Yield in A Semi-arid Region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 569-574.

国家自然科学基金项目（41305134）；国家公益性行业（气象）科研专项（GYHY201106029）

张秀云（1963生），女，高级工程师，主要从事应用气象业务研究。E-mail: yaoyubi_099@sina.com

2014-10-10