基于生态区域法的运城市冬小麦生产潜力估算及其气象影响因子分析

徐 伟，杨文彪，祁泽伟，刘凯凯，高志强，林 文，薛建福

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

据报道，世界上约有6.9 亿人遭受饥饿，平均每年增加1 000 万[1]。如何提高粮食总产量，仍是众多科学家、政治家和公众关注的焦点问题。但近几年来，世界人均耕地面积逐渐缩减，按照近几年世界耕地面积变化趋势预测，到2050 年世界人均耕地面积将降至0.151 hm2[2]。在世界人均耕地面积减少的大背景下，我国固守1.2 亿hm2耕地红线，但未来20 a 随着城市化发展和人口的增长，仍会导致粮食供需矛盾的加剧[3]。通过运用与实际产量相关性最大的潜力模型，可为指导农业生产、提高粮食生产能力提供一定的理论依据[4]。要想挖掘现有耕地面积的作物产量潜力，首先要明确生产潜力，明确由地区农业气候决定的产量提升空间[5]。计算不同时空的光温生产潜力和气候生产潜力，可以反映不同气候背景下作物产量所能达到的上限，而将不同的气象要素与生产潜力进行回归分析，则可以了解不同区域气象要素与作物产量的相关性。

小麦是山西省重点粮食作物，2009—2012 年山西省小麦产值呈现持续上涨状态，年均产值增长率约为15.84%[6]。山西省冬小麦种植主要集中在山西南部的运城市和临汾市，其中，2018 年运城市冬小麦种植面积占全省冬小麦种植面积的46.53%[7]。冬小麦生产潜力主要由当地农业气候决定，不同气候因素对冬小麦生产潜力的限制会随地区不同而产生差异[8]。已有的山西冬小麦生产潜力研究主要集中在县域尺度[9-10]，或从全省的层面对山西冬小麦生产潜力及气象因子进行分析。但选用的气象站点较少，年份较短，并未针对冬小麦主产区进行细致分析[11]。因此，本研究针对运城市的冬小麦生产潜力变化趋势及相关气象因子进行进一步分析。

本研究采用农业生态区域法估算了运城市冬小麦生产潜力，并对该地区气象因子与生产潜力进行回归分析，明确近几年运城市不同县、市和区的冬小麦光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力，明确运城冬小麦产量上限，为缩小该地区冬小麦产量差奠定基础。

1 材料和方法

1.1 研究区域及方法

本研究着重对运城市冬小麦生产潜力进行探索，同时对生产潜力的气象限制因素进行挖掘，探究运城市冬小麦生长区气象要素对冬小麦生产潜力的限制。通过农业生态区域法研究了生产潜力，对运城市13 个县、市和区1997—2016 年冬小麦光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力进行估算，探究近20 a 来冬小麦生产潜力变化的基本趋势，明确降雨量、日照时数、温度等气象因子对冬小麦生产潜力的影响。

研究涉及的运城市13 个县、市和区分别为河津、稷山、绛县、临猗、平陆、芮城、万荣、闻喜、夏县、新绛、盐湖、永济和垣曲；涉及的气象站点的气象数据（1997—2016 年）包括日均最低温度、日均风速、日降水量、日平均温度、日均最高温度、日照时数、日均相对空气湿度等气象指标，全部由中国气象科学数据共享服务网提供[12]。

1.2 生产潜力的计算

评价冬小麦生产潜力的指标有光温生产潜力、光合生产潜力和气候生产潜力等。本研究采用联合国粮农组织推荐的农业生态区域模型对光合生产潜力和光温生产潜力进行计算[13]。此外，根据生产潜力衰减机制[14]和冬小麦不同生育阶段的水分情况，对冬小麦气候生产潜力进行估算。

1.2.1 光合生产潜力计算 光合生产潜力是利用辐射资料和地理位置信息计算的标准作物可能存在的潜在产量[11]。本研究通过日照时数和站点地理位置等信息换算对冬小麦光合生产潜力相关的太阳短波辐射量进行计算[15]。

式中，Rns指地表净短波辐射（MJ/（m2·d））；Ra指晴空太阳辐射（MJ/（m2·d））；dr指太阳与对球相对距离；δ 指太阳赤纬（rad）；Ws指日落时角（rad）；N指最大天文日照时数（h）；n指日照时数（h）；φ 指测点纬度（rad）；J指日序。

在获得基本的辐射资料数据之后，采用数值法来推算冬小麦光合生产潜力。

式中，y指光合生产潜力（kg/（hm2·d））；yc为生育期间全晴天时，标准作物总干物质产率（kg/（hm2·d））；yo指生育期间全阴天时，标准作物总干物质产率（kg/（hm2·d））；F指云覆盖度。公式（1）中的生育期全阴天和全晴天标准作物总干物质产率由刘建栋等[16]针对我国黄淮海作物特征，对其进行了修订。

1.2.2 光温生产潜力计算 通过标准作物干物质光合生产潜力以及矫正后的作物种类、温度条件、收获指数、生育期对光温生产潜力进行计算[13]。

其中，Y指光温生产潜力（kg/hm2）；L指作物生育期叶面积订正系数；N指净干物质生产订正系数；H指作物收获指数；G指作物全生育期天数；ym指作物的干物质生产率（kg/（hm2·d））；yc和yo同公式（7）。

1.2.3 气候生产潜力计算 气候生产潜力通过在较理想土壤肥力条件下，由光照、温度和降水3 个因素决定的作物最大产量进行计算[17]。

式中，Yw指作物气候生产潜力（kg/hm2）；I1与u1分别指作物生长前期的产量指数和产量降低率；I2与u2分别指作物生长中期的产量指数和产量降低率；I3与u3分别指作物生长后期的产量指数和产量降低率。

产量降低率通过各生育阶段水分亏缺率计算得出[17]。

其中，u为产量降低率；k为产量反应系数，在不同生育阶段有所不同，主要表征相对产量降低与相对耗水量亏缺之间的关系；ETa指作物各生育阶段实际耗水量（mm）；ETm指作物各生育阶段实际需水量（mm）；Kc指作物需水系数；PE指参考蒸散量（mm）。

当ETm小于生育阶段降水量与播前30 d 土壤有效储水量时，ETa＝ETm；当ETm大于生育阶段降水量与播前30 d 土壤有效储水量时，ETm＝P×ST，其中，P指降水量（mm/d），ST指播前土壤有效储水量（mm）。

其中，n1指播前有效降水量天数（d）。当ST＜0时，播前土壤有效储水量记为0。

冬小麦需水量（ETc）计算采用FAO 推荐的双作物系数法[15]。考虑了作物蒸腾作用和土壤蒸发作用的影响，采用基作物系数（Kcb）描述植物蒸腾作用，土壤水分蒸发系数（Ke）描述土壤表面的蒸发作用。

式中，ETc指作物需水量（mm/d）；ET0指作物参考蒸散量（mm/d）；Kcb指基作物系数；Ke指土壤水分蒸发系数。

作物参考蒸散量采用Penman-Monteith 方程计算获得。

式中，Δ 指蒸汽压曲线斜率；Rn指太阳净辐射（MJ/（m2·d））；G指土壤热通量（MJ/（m2·d））；γ 指湿度计算常数；T指2 m 高处日平均温度（℃）；U指2 m高处日平均风速（m/s）；ea指实际蒸汽压（KPa）；es指饱和蒸汽压（KPa）。

基作物系数（Kcb）定义为土壤表面干燥时，作物蒸散量相对于参考蒸散量（ETc/ET0）的比值，但蒸散量以潜在速率发生，即水没有限制蒸腾作用。一定条件下具体Kcb值如表1 所示[15]。

表1 半湿润气候下冬小麦基作物系数

但对于空气湿度（RHmin）不在40%～50%或日均风速（U）不在1.7～2.3 m/s 的气候条件下的，大于0.45 的作物生长中期和生长后期基作物系数必须使用以下公式进行调整。

其中，Kcbadj指公式调整后的作物基系数值；Kcb的值即表中的值（大于0.45 的作物生长中期和生长后期基作物系数）；U指日均风速（m/s）（作物生长中后期风速在1～6 m/s 时）；RHmin指相对最小湿度（作物生长中后期湿度为20%～80%时）；h指作物生长中后期平均高度（m）（作物生长中后期湿度为20%～80%时）。

土壤蒸发系数（Ke）是作物蒸散量（ETc）的一部分。在表土湿润、降雨或灌溉后，Ke值最大。在土壤表面干燥的地方，土壤表面附近没有水蒸发时，Ke很小，接近于0。当表层土壤干燥时，可供蒸发的水减少，蒸发的减少开始与表层土壤中剩余的水量成正比。

其中，Ke指土壤蒸发系数；Kcb指基作物系数；Kcmax为降雨或灌溉时Kc的最大值；Kr指无因次蒸发减少系数取决于表土耗水（蒸发）的累积深度；few指土壤暴露和湿润的部分，即蒸发发生最多的那部分土壤表面。

在土壤湿润的地方，土壤蒸发的速率最大，但是基作物系数（Kc＝Kcb＋Ke）不能超过最大值Kcmax。

其中，Kcb、U、RHmin和h的意义同公式（20），Kcmax表示取公式（23）和（24）中数值带入后所得结果中最大的值。

1.3 数据分析

本研究中数据整理及图表绘制主要采用Microsoft Excel 2016 进行，其中各项生产潜力根据各站点逐日气象数据等进行计算。气象因子回归及显著性分析采用SPSS 16.0 软件分析。

2 结果与分析

2.1 气象要素变化趋势

由图1 可知，1997—2016 年运城市13 个地区的平均年日照时数和空气湿度有极显著下降趋势，日均最低温度呈现极显著上升趋势，日均风速呈现显著上升趋势，其他气象要素变化趋势不明显，未达到显著水平。

2.2 冬小麦生产潜力变化趋势

本研究中的运城市冬小麦生产潜力为运城市13 个县、市和区生产潜力的平均值。利用生态区域法逐级计算运城市1997—2016 年的冬小麦光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力，其中，光合生产潜力为79.40～90.36 t/hm2，光温生产潜力为8.14～9.08 t/hm2，气候生产潜力为5.20～6.63 t/hm2。20 a 中冬小麦光合生产潜力和光温生产潜力有下降趋势，但未达到显著水平，气候生产潜力有显著下降趋势（P＜0.05）（图2）。

2.3 冬小麦生产潜力与气象因子的相关分析

光合生产潜力主要受太阳辐射量的影响，且与实际产量差别较大，因此，本研究对运城市冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力的气象影响因子进行了分析。对运城市1997—2016 年日照时数、日均温度、日均最高温度、日均最低温度、日均相对湿度、日均风速和年降雨量7 个气象因子与该地区冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力的回归分析发现，影响运城市冬小麦光温生产潜力的气象因子主要是年日照时数、日均温度、日均最高温度、日均最低温度和日均相对湿度（图3），冬小麦光温生产潜力与年日照时数和日均相对湿度呈极显著正相关（P＜0.01），与日均温度、日均最高温度和日均最低温度呈极显著负相关（P＜0.01）。

影响运城市冬小麦气候生产潜力的气象因子主要是年日照时数、日均温度、日均最高温度、日均最低温度、日均相对湿度和年降雨量（图4），其中，冬小麦气候生产潜力与年日照时数、日均相对湿度和年降雨量呈极显著正相关（P＜0.01），与日均温度、日均最高温度和日均最低温度呈极显著负相关（P＜0.01）。

3 结论与讨论

运城市近20 a 来冬小麦平均生产潜力为7.3 t/hm2，其中，平均光温生产潜力为8.7 t/hm2，气候生产潜力为5.9 t/hm2。刘保花等[18]研究认为，全球小麦平均生产潜力为6.7 t/hm2，而我国华北平原冬小麦光温生产潜力为8.1～8.4 t/hm2[19]。本研究中运城市冬小麦生产潜力较全球平均值高，也高于我国华北平原小麦生产潜力。不同区域冬小麦生产潜力的差异主要是由地理位置引起的气候差异引起的，如地势的高低引起辐射条件差异，导致光温生产潜力不同[10]，因此，不同区域冬小麦生产潜力一般不同。

日照时数是指阳光在没有云层遮盖时照射到地面的时间，日照时数长短直接决定植物进行有效光合作用的时间，同时地面温度和空气温度也随之改变，温度直接影响了冬小麦同化物的积累和生育期进程[20-21]，因此，日照时数和温度与冬小麦生产潜力均呈极显著相关。冬小麦灌浆速度受日均最高温度影响较大。

1997—2016 年运城市气候生产潜力有明显的降低趋势，且与降雨量呈显著正相关，这可能与山西省自然降雨并不能完全满足冬小麦生育期需水量，水分缺乏会导致光合作用受到影响，同化物积累受限，进而影响冬小麦产量[22]有关。年日照时数和相对空气湿度呈现极显著的减退趋势，日均最低温度有极显著上升趋势，均极显著影响冬小麦生产潜力，这可能与气候生产潜力呈现显著下降趋势有关。本研究对1997—2016 年运城市冬小麦生产潜力的变化趋势进行了分析，但最近几年的数据还有待补充，此外也需要适当增加数据的时间跨度，对生产潜力总体变化趋势进行更加准确地描述。此外，本研究中作物生育期内需水量按照作物对地面的覆盖程度划分为3 个阶段，以区分不同时间点降雨多少对冬小麦生长的影响。今后的研究中可对不同小麦生长阶段的需水量进一步进行讨论，以更加准确地评价冬小麦生产潜力。