气候变化对黄土高原半干旱区春小麦生长和产量的影响——以定西市为例

齐月，王鹤龄，张凯，王润元，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实验室，甘肃 兰州 730020；

2. 甘肃省定西市气象局，甘肃 定西 743000

近年来，温室气体的大量排放导致全球气候变暖。IPCC第五次评估报告（AR5）指出：1880－2012年全球地表温度平均升高0.85 ℃，1983－2012年可能是过去1400年中最暖的30年（IPCC，2013）。全球平均气温的升高对粮食作物产量造成不同的影响，北半球中高纬度地区，若地表气温上升 1－3 ℃，粮食作物产量将会增加；若超过此阈值，粮食作物产量将会降低（Lobell et al.，2003；张存杰等，2014）。

在气候变化对小麦的影响上，国内外学者对不同地区不同气象要素对小麦生产的影响进行了研究（李月英等，2009；王宝良等，2010；Wang et al.，2009；姬兴杰等，2011）。随着全球气候变化的影响，CO2增加可提高小麦产量，气温升高、降水变化及紫外辐射增强均使得小麦产量有所降低（郑有飞等，1999）。不同时期的气候持续变化均导致了冬小麦减产，影响产量的关键气象因子不同发育期不同（成林等，2017）。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·(10 a)-1、全生育期间隔日数递减率为-4－-5 d·(10 a)-1（姚玉璧等，2011）。小麦生长季长度对生长季内气候因子变化敏感度的空间分异特征在春、冬小麦之间表现得尤为突出。冠层温度增加 1－2 ℃，春小麦的全生育期比对照缩短 7－11 d，生育前期增温使株高增高，叶面积指数增大（张凯等，2015）。降水减少20%条件下，增温1、2和 3 ℃的春小麦产量分别下降 1.2%、24.7%、42.7%%；降水不变条件下，春小麦产量分别下降8.4%、15.1%、21.8%；降水增加20%条件下，春小麦产量分别下降9.0%、15.5%、22.2%（王鹤龄等，2015）。

黄土高原半干旱区是我国典型的雨养农业区，该地区处于中国东西水分梯度带和南北热量梯度带的交叉区，是气候变化敏感地带，气候变化对该地区农业生产造成严重影响（张强等，2008）。春小麦是西北地区的主要粮食作物之一，春小麦的产量直接影响到西北地区农民收入以及区域经济发展（杨泽粟等，2014）。因此，探究气候变化对黄土高原半干旱区春小麦生长和产量的影响，为该地区农业生产和防灾减灾提供依据。

1 试验设计与方法

1.1 研究区域气候及春小麦生长发育概况

研究区位于黄土高原半干旱区，年平均气温5.4－9.0 ℃，最热月7月平均气温16.4－22.1 ℃，最冷月1月平均气温-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%。年平均日照时数2159.7－2790.2 h。年平均无霜期为228－274 d。

春小麦在3月中旬至下旬播种，出苗期在4月上旬至4月中旬，三叶期在4月下旬，拔节期在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。播种—成熟期全生育期为110－133 d。全生育期≥0 ℃积温在1366－1921 ℃，日照时数在989－1344 h。

1.2 试验设计

1986－2016年在甘肃省定西市气象局农业气象观测站开展了春小麦生长发育的定位观测试验，该区域为半干旱雨养农业区，试验作物品种、耕作制度和栽培管理与大田一致，小麦品种根据大田的栽培品种而调整，没有发生重大调整，土壤肥力水平未发生重大变化。选用了渭春 1号、定西新 24号等春小麦品种，属于中晚熟，抗旱性和适应性较强，抗锈、稳产、高产，是定西地区旱地主要推广品种。按照《农业观测规范》测定春小麦的发育期、株高、密度、叶面积、生物量干（鲜）重、产量构成要素等。

气象数据来自于定西市气象局气象站观测的数据。气象数据资料序列为建站以来 1960－2016年地面气象观测资料。

1.3 研究方法

1.3.1 气象要素倾向率

式中，Yi为气象要素变量，用ti表示Yi所对应的时间，a为回归常数，b为回归系数，n为样本量。

式中，b为气候倾变化向率，一般以10b表示某要素气候变化倾向率。

利用累积距平法对气温进行突变分析，利用距平百分率对降水进行分析（魏凤英，2007）。

1.3.2 统计分析

利用Excel 2010和SPSS 16.0软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 黄土高原半干旱区气候变化特征

2.1.1 春小麦全生育期气温年际变化趋势

1960－2016年春小麦全生育期气温呈显著上升趋势（图1），其气候倾向率为0.40 ℃·(10 a)-1，通过0.01水平显著性检验。近57年来春小麦全生育期温度最高年份是 2013年为 14.07 ℃，最低年份是1970年为10.32 ℃，年平均气温为12.10 ℃。利用M-K检验法对试验区1960－2016年春小麦全生育期气温变化趋势进行突变检验，自20世纪80年代初期，试验区春小麦全生育期气温呈明显的上升趋势，并且在 1995年后极速上升。在置信度区间在 1997年有一个交点，表明试验区春小麦气温上升是突变现象，突变开始时间为 1997年，这与Fang et al.（2016）的结果相一致。1997年之前，除1960年、1961年、1969年、1971年和1981年外，其他年份气温距平为负距平；1997年后，气温距平均为正距平，说明 1997年之后气温上升趋势更加显著。

图1 1960－2016年春小麦全生育期气温年际变化趋势及M-K检验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 春小麦全生育期降水年际变化趋势

1960－2016年春小麦全生育期降水量整体呈下降趋势（图 2），其气候倾向率为 3.92 mm·(10 a)-1，未通过显著性检验。近57年来春小麦全生育期年平均降水量为216.01 mm，降水最多年份是1967年，为375.00 mm；降水最少年份是1982年，为94.70 mm。1960－1997年之前，降水呈下降趋势，平均每10年减少7.22 mm；1997年之后，降水呈增加的趋势，平均每10年增加11.05 mm。从降水距平百分率来看，春小麦生育期发生干旱年份主要集中在2000年之后，其他年份大多降水丰富。

2.1.3 日照时数和有效积温的变化

近 57多年来春小麦生育期日照时数呈增加趋势（图3），其气候倾向率为5.42 h·(10 a)-1，通过0.01显著性检验。1960－2016年平均日照时数为1133.01 h，日照时数最高为2000年为1343.5 h，最低为1986年为988.9 h，2000年后，日照数据呈减少趋势；春小麦生育期≥0 ℃积温呈显著增加趋势，其气候倾向率为 62.91 ℃·(10 a)-1，通过 0.01显著性检验。1960－2016年平均积温为1628.09 ℃，≥0 ℃积温最高为 2008年为1921.4 ℃，最低为1977年为 1366.7 ℃。日照时数和≥0 ℃积温的增加将有利于春小麦的生长。

2.2 气候变化对黄土高原半干旱区春小麦发育期的影响

图2 1960－2016年春小麦全生育期降水年际变化趋势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

图3 1960－2016年春小麦全生育期日照时数和≥0 ℃积温年际变化Fig. 3 Interannual variations of sunshine duration and ≥0 ℃ accumulated temperature during the whole growth period of spring wheat from 1960 to 2016

黄土高原半干旱区春小麦生长日数呈缩短趋势，平均缩短幅度为2.3 d·(10 a)-1，尤其是1997年气温发生突变之后，减少幅度加剧，31年来缩短约7 d（图 4）。各发育期平均出现日期差异较大，播种期平均在3月，最早出现在3月中旬，最晚出现在3月下旬；出苗期平均出现在4月中旬，最早出现在4月初，最晚出现在5月中旬；三叶期平均和最早出现时间均在4月下旬，最晚出现在5月中旬；拔节期平均出现在5月下旬，最早出现在5月下旬，最晚出现在6月上旬；孕穗期平均出现在6月上旬，最早出现在5月下旬，最晚出现在6月上旬；抽穗期平均出现在6月上旬，最早出现在6月上旬，最晚出现在6月中旬；开花期平均出现在6月中旬，最早出现在6月上旬，最晚出现在6月下旬；乳熟期平均出现在7月上旬，最早出现在6月下旬，最晚出现在7月中旬；成熟期平均出现在7月中旬，最早出现在7月上旬，最晚出现在8月上旬（表1）。随着气候变暖的影响，播种时间提前，生育期日数整体呈缩短的趋势。各发育期出现时间差异较大。

图4 黄土高原半干旱区春小麦生长日数变化趋势Fig. 4 Change trends of spring wheat growth days in semi-arid region of Loess Plateau

从各发育期生长天数来看，春小麦从播种到出苗期生长天数表现出显著的减少趋势（P＜0.05），平均减少幅度为 2 d·(10 a)-1，31 a 内可提前 7 d（图 5）；春小麦出苗期到三叶期、三叶期到拔节期、拔节期到孕穗期和孕穗期到抽穗期生长天数变化不大，呈微弱的增加趋势，未通过显著性检验；春小麦抽穗期到开花期生长天数呈减少趋势，平均减少幅度为0.9 d·(10 a)-1，31 a内可提前3 d；春小麦开花期到乳熟期生长天数呈增加趋势（P＜0.05），平均增加幅度为1.5 (d·10 a)-1，31 a内可延长5 d；春小麦乳熟期到成熟期生长天数呈减少趋势，平均减少幅度为1.4 d·(10 a)-1，31 a内可提前4 d。整体看来，春小麦播种到出苗期、抽穗期到开花期和乳熟期到成熟期生长天数减少导致了春小麦全生育期生长日数缩短。

2.3 气候变化对黄土高原半干旱区春小麦产量构成的影响

近 57年来黄土高原半干旱区春小麦的不孕小穗数和成穗率呈减少趋势，其气候倾向率分别为7.49和7.67%·(10 a)-1，不孕小穗数通过了0.05显著性水平检验；穗粒数呈微弱的增加趋势，平均每10年增加6.76粒；千粒重呈增加趋势，其气候倾向率为1.78 g·(10 a)-1。春小麦产量呈增加趋势，平均每10 年增加为 4.75 kg·hm-2（图 6）。

从黄土高原半干旱区春小麦各产量构成要素与气象因子的关系看，春小麦产量与降水呈正相关（表 2），并且通过 0.05水平显著性检测；不孕小穗数与各气象因子呈负相关，其与气温和≥0 ℃积温相关性通过0.01水平显著性检验，与日照时数通过0.05水平显著性检验；穗粒数与各气象因子呈正相关关系，与气温和≥0 ℃积温相关性通过0.01水平显著性检验，与日照时数通过0.05水平显著性检验；千粒重与各气象因子呈正相关，并且与降水的相关性通过0.05水平显著性检验。成穗率与气温和日照时数呈显著负相关，并通过0.01水平显著性检验，与降水和≥0 ℃积温呈显著正相关，通过 0.05水平显著性检验。黄土高原半干旱区春小麦产量的增加主要受降水的影响，1997年后降水增加使得春小麦增产；气温升高、日照时数的增加使得春小麦的不孕小穗数减少，有利于春小麦增产；整体来看，随着气候变暖，黄土高原半干旱区春小麦产量增加。

表1 1986－2016年春小麦发育期（月-日）Table 1 Development period of spring wheat from 1986 to 2016 (mm-dd)

表2 春小麦产量构成要素与气象因子相关性分析Table 2 Correlation analysis between spring wheat yield components and meteorological factors

图5 黄土高原半干旱区春小麦发育期生长日数线性变化趋势Fig. 5 Linear change trends of growth days of spring wheat in Semi-Arid regions of Loess Plateau

图6 黄土高原半干旱区春小麦不孕小穗数、穗粒数、千粒重、成穗率和产量线性变化趋势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 讨论

气候变化使得我国农业生产的不稳定性增加、产量波动较大（林而达，1997；秦大河，2003；张建平等，2006）。许多学者研究发现，在北半球中高纬度地区，若地表气温上升 1－3 ℃，粮食作物产量将会增加；若升温超过此阈值，粮食作物产量将会降低（IPCC，2007）。由于气候变化导致的灾害发生频率增大、作物生育周期缩短等，导致粮食作物产量下降（王馥棠，1993；郭建平，2015）。气候变化与粮食生产之间的正负影响关系及其严重程度存在较大的争议。各学者对气象要素与春小麦产量间的关系进行了研究，定西市近年来春小麦全生育期气温、降水适应度呈下降趋势，生育期内日照适应度最高，气温次之，降水的适应度最低，苗期的降水和气温是影响春小麦生长的关键，其次是抽穗期。降水是制约春小麦生长最关键的气候因素，且气候适宜度随气温变化呈下降趋势，对春小麦生长具有极显著的负效应（李玥等，2014）。影响定西春小麦生长的主要气象因子为≥0 ℃积温、日均温和降水量，降水量对定西春小麦生长期和产量的影响最大且极为显著（赵鸿等，2007）。定西春小麦全生育期降水量偏多是其气候产量丰收的必要条件，平均气温相对稳定是其气候产量丰收的必要条件（杨金虎，2000）。黄土高原雨养农业区降水增加有利于春小麦产量的提高（任新庄，2017），本文研究发现定西地区春小麦生长受降水量影响较大，与其他学者的结果相一致。

气候变化对小麦的生长产生较大的影响。冬、春麦区、北方冬麦区和南方冬麦区冬小麦的播种期、出苗期呈不同程度的推迟趋势（除冬春兼麦区冬小麦出苗期平均变化趋势呈小幅提前外），而抽穗期、开花期和成熟期则呈不同程度的提前趋势（Xiao et al.，2013；He et al.，2015；肖登攀，2015）。小麦物候期的变化趋势差异明显，但营养生长阶段和生长季长度普遍呈缩短趋势，而生殖生长阶段长度普遍呈延长趋势（Xiao et al.，2016）。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缩短，全生育期间隔日数缩短（姚玉璧等，2011）。这些结论与本文的结果相一致。

作物的产量主要受温度和降水的影响，众多学者对此进行了相关研究。近 50年来西北地区极端高温和异常高温分别在1997年和1995年发生突变（Fang et al.，2016；齐月等，2015），本文研究发现气温在1997年发生突变，结果相吻合。近54年宝鸡市气候变化呈暖干化趋势，在满足灌溉的基础上，气温升高对小麦生产具有增产作用（宋佃星等，2016）。晋南旱地麦区小麦产量与降水量存在较高的正相关性，与生育期降水量的相关性达到显著水平，与气温的相关性较小（裴雪霞等，2016）。临汾地区年平均温度以0.70 ℃·(10 a)-1的速度升高，春小麦产量以每10年1538 kg·hm-2的速率增加，增温有利于小麦产量的提高（孙向伟等，2017）。在气候变暖的背景下，气象条件对春小麦生长发育和产量形成影响的不确定性因素增加，影响增大。如1995年、1997年和2007年因生育期降水量显著下降，导致春小麦产量明显减产（姚玉璧等，2011）。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（张秀云等，2015），此结果与本文的研究结果存在一定的差异，本文主要利用春小麦生育期内的降水量与产量进行分析，能够更准确的确定两者的相关关系，后期有待对不同生育阶段降水量与产量的关系进行研究。

4 结论

（1）1960－2016年黄土高原半干旱区春小麦生育期气温呈显著上升趋势，并且在 1997年发生突变，1997年之后气温上升趋势更加显著；春小麦生育期降水量整体呈减少趋势，1997年之前年降水量呈减少趋势，1997年之后呈增加趋势，从降水距平百分率看，干旱年份主要集中在 2000年之后。日照时数和≥0 ℃积温呈增加趋势。从各气象要素变化看，随着气候变暖，将有利于春小麦生长发育。

（2）近 57年来，春小麦生长日数年际波动较大，整体呈缩短趋势，尤其是 1997年平均气温突变后，减少幅度加剧；各生育期出现时间差异较大，春小麦从播种到出苗、抽穗期到开花期和乳熟期到成熟期生长天数呈显著的减少趋势，开花期到乳熟期生长天数呈增加趋势。春小麦播种到出苗期、抽穗期到开花期和乳熟期到成熟期生长天数减少导致了春小麦全生育期生长日数缩短。

（3）近 31年黄土高原半干旱区春小麦产量整体呈增加趋势，并且与降水呈显著正相关，不孕小穗数和成穗率呈减少趋势，穗粒数和千粒重呈增加趋势。整体来看，随着全球气候变暖的影响，降水量、日照时数、≥0 ℃积温的增加和气温的升高使得春小麦不孕小穗数减少，穗粒数、产量和千粒重增加，说明随着气候变暖，黄土高原半干旱区春小麦产量呈增加趋势。