河北省低平原区旱作谷子产量影响因素及发展规模分析

刘朋程，郝洪波，郭安强，崔海英，王倩，李新，张书存，李明哲*

（1.河北省农林科学院旱作农业研究所/ 河北省农作物抗旱研究重点实验室，河北 衡水 053000；2.景县农业农村局，河北景县 053500；3.衡水市桃城区农业农村局，河北 衡水 053000）

近年来，河北省地下水超采问题日益严峻，地下水位严重下降，不仅限制了河北省农业的发展，也影响着河北省的民生大计[1]。为减少地下水开采，解决水资源危机，河北省大力调整种植业结构，将小麦—玉米一年两季改为只种一季玉米或杂粮[2]。谷子是我国特色杂粮，栽培历史悠久，耐干旱、贫瘠和酸碱，在我国南北干旱地区和贫瘠山区均有种植，为旱作可持续生态农业的重要组成部分[3]。随着农业种植结构调整步伐的加快，谷子种植面积逐渐增大，而发展谷子面积对粮食目标总产量的影响尚不明确。因此，分析谷子生育期气象因子与产量的关系以及旱作谷子对粮食保障的影响至关重要。

近年来，我国学者对谷子产量与气象因子的关系进行了分析，取得较多研究成果[4～6]。张荣等[7]对大同谷子产量与气象因子的关系进行相关分析和回归分析，结果显示，造成谷子产量差异的主要气象因子是降水量和日照时数。张婷等[8]认为，近10 多年造成华北夏谷产量显著差异的原因是气候因素，谷子产量与最低温和降水量呈极显著负相关。郭天财等[6]研究表明，降水量和降水时间分配不合理是影响夏谷产量的主要因素。杨延兵等[9]也发现，研究地点和年份的谷子产量差异主要受气候因素的影响，其中降水量和降水时间分布是主要原因，谷子子粒产量与6 月中下旬苗期降水量和7 月下旬至8 月中旬孕穗至开花期的降水量呈显著负相关。

河北省谷子主要种植在衡水市、保定市、石家庄市、邯郸市和沧州市等平原地区。谷子主要种植区多采用旱作种植，生育期需水主要靠自然降水来满足。除降水外，其他气象因子如气温、日照时数、风速等对谷子产量也有很大影响。谷子生长区域性较强，不同地区的生态气候和生产条件差异较大，年际间有一定的波动。但目前针对河北省区域内不同生态条件下谷子品种的适应性以及气候因素变化对产量影响的相关研究相对较少。因此，以夏谷品种冀谷19 为试材，分析气候因素对河北省5 个不同生态地点（生态区）谷子产量的影响，解析品种对生态环境的适应性，明确影响谷子丰产、稳产的气候因子及其变化趋势，探讨发展旱作谷子与粮食总产目标的可行性，为谷子品种的生产利用和布局提供理论支撑，为政府部门对谷子产业发展的引导提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

2012～2016 年在河北省谷子主要产区（衡水、沧州、石家庄、保定、邯郸）进行谷子旱作种植试验，其中，衡水试点位于深州护驾迟镇，沧州试点位于沧县前营村，石家庄试点位于藁城区马庄，保定试点位于徐水区大午路，邯郸试点位于邯山区苗庄村。

1.2 试验材料

参试夏谷品种为冀谷19。

各试点的日最高气温、日最低气温、降水量、日照时数、风速、相对湿度等气象数据，直接取自中国气象数据共享服务网；粮食生产情况数据如粮食面积、产量等，来自国家统计局网站；各市常住人口数据，来自第七次全国人口普查公报。

1.3 试验方法

采用两因素随机区组设计，因素1 为地点，因素2 为年份。各试点种植面积均为43.2 m2，3 次重复。谷子足墒播种，其他管理同大田常规。谷子成熟后，每小区选3 m2长势均匀一致的区域，测定产量。

计算年份、地点、地点×年份对产量的变异贡献率：

变异贡献率（%）=SS变因/（SS总-SS误-SS区组）×100%

式中，SS变因为具体变化因素的离差平方和；SS总为总离差平方和；SS误为组间离差平方和；SS区组为组内离差平方和。

对产量（Y）与气象因子（X）的关系进行逐步回归分析，建立回归方程。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2013 软件对数据进行统计分析，利用SPSS 24.0 软件数据处理系统进行方差分析和逐步回归分析，利用eviews 8.0 统计软件对气象因子年际间变化趋势进行线性回归方程分析（回归系数×10 为要素每10 a 的变化率[10]）。

2 结果与分析

2.1 产量的联合方差分析

5 a 计5 个试点谷子产量的方差分析结果（表1）显示，年份、地点、地点×年份均对产量具有极显著的影响（p＜0.01）。其中，年份对产量的变异贡献率最大，为47.93%；其次是地点×年份，对产量的变异贡献率为43.02%；地点对产量的变异贡献率最小，仅9.05%。说明谷子产量的差异主要来源于年际间的气候差异，而地点间的气候差异较年际间的气候差异小。

表1 各试点年际间谷子产量联合方差分析Table 1 Joint variance analysis of millet yield in different places and years

2.2 年份和地点对谷子产量的影响

品种稳定性通常代表其对环境的适应能力，一般利用变异系数（CV）表示，CV 越大，表示产量稳定性越差[9]。各试点的产量CV 顺序为沧州＞保定＞石家庄＞衡水＞邯郸（表2），说明沧州和保定年际间谷子产量稳定性较差，石家庄和衡水年际间谷子产量稳定性中等，邯郸年际间谷子产量稳定性较好。5 a 计5个试点冀谷19 的平均产量为4 894.79 kg/hm2。各试点的产量均值顺序为石家庄＞衡水＞邯郸＞保定＞沧州，说明石家庄和衡水在保持一定产量稳定性的情况下更容易实现丰产。相同年份，各试点的产量表现并不一致，且未表现明显的规律。2012～2016 年5 个试点的谷子产量均呈先增后降的单峰曲线变化，除衡水试点外，其他试点产量均在2014 年达到峰值，说明年际变化对产量的影响较地点的影响更大，这与年份、地点、地点×年份对谷子产量的贡献率结果相吻合。

表2 谷子产量差异的多重比较Table 2 Multiple comparisons of millet yield differences （kg/hm2）

2.3 谷子产量与气象因子的逐步回归分析

谷子生育期气象因子与产量的逐步回归分析结果（表3 和4）显示，不同地区，影响谷子产量的主要气象因素不尽相同。影响衡水谷子产量的主要气象因素为降水量，与产量的回归方程达到显著水平，谷子生育期的降水量为200.80～426.50 mm，对产量有负效应。影响保定谷子产量的主要气因素为日照时数和风速，与产量的回归方程达到极显著水平，其中，谷子生育期的日照时数为414.70～531.30 h，对产量有正效应；风速为1.77～2.06 m/s，对产量有负效应。影响邯郸谷子产量的主要气象因子为降水量、日最高气温和平均相对湿度，三者变化区间分别为243.80～685.00 mm、29.67～31.63 ℃和66.69%～73.16%，与产量的回归方程达到显著水平，对产量分别有负效应、负效应和正效应。影响沧州谷子产量的主要气象因子为降水量、日最高气温和日最低气温，三者变化区间分别为129.60～529.80 mm、29.69～31.23 ℃和20.97～22.44 ℃，与产量的回归方程达到显著水平，对产量分别有负效应、正效应和负效应。影响石家庄谷子产量的主要气象因子为日照时数，与产量的回归方程并不显著，谷子生育期的日照时数为601.00～1 224.30 h，对产量有负效应。

表3 不同年份各试点谷子生育期的主要气象因子Table 3 Main meteorological factors of millet growth period at each pilot in different years

表4 产量与气象因子的逐步回归分析Table 4 Stepwise regression analysis of yield and meteorological factors

2.4 影响谷子产量的气象因子变化趋势

对近60 a 来显著影响谷子产量的主要气象因子年际变化趋势进行分析，结果（表5） 显示，不同地区，谷子生育期内的主要气象因子年际变化趋势不尽相同。衡水的降水量呈显著降低趋势，变化速率为-20.28 mm/10 a。保定的日照时数呈极显著降低趋势，变化速率为-48.54 h/10 a；平均风速呈降低趋势，但未达到显著水平。邯郸的平均相对湿度呈极显著降低趋势，变化速率为-1.24%/10 a；降水量和日最高气温的变化均未达到显著水平，属于正常波动。沧州的日最低气温呈极显著升高趋势，变化速率为0.15 ℃/10 a；降水和日最高气温的变化均未达到显著水平，属于正常波动。石家庄的日照时数呈显著降低趋势，变化速率为-95.09 h/10 a。

表5 各试点近60 a 来显著影响谷子产量的主要气象因子变化趋势Table 5 Variation trend of main meteorological factors significantly affecting millet yield in the recent 60 years

2.5 发展旱作谷子的可行性分析

足墒播种情况下，各试点谷子生育期间的降水均能满足其正常生长。河北省发展旱作种植形势迫切，发展旱作谷子可有效减少地下水开采，但旱作谷子面积的增加要保证不会影响国家下达的粮食总产量目标。2020 年国家下达河北省粮食目标总产量为373.9×108kg，河北省当年粮食产量较国家下达目标增加了5.7×108kg，平均产量为5 941.5 kg/hm2。由此推算，河北省发展旱作谷子与粮食结构维持现状相比，总粮食减产1 046.71 kg/hm2，在保证粮食目标总产量前提下，可发展旱作谷子的最大面积为54.44×104hm2。2020 年全国人均粮食产量为475.0 kg，河北省为500.0 kg，河北省整体人均粮食产量高于全国水平（表6），其中衡水、沧州、邯郸和邢台的人均粮食产量高于全国平均水平，这4 个城市属于粮食输出型城市。因此，河北省可在衡水、沧州、邯郸和邢台优先发展旱作谷子种植，以缓解地下水开采压力。

表6 2020 年河北省及全国粮食种植情况Table 6 Grain cultivation in Hebei Province and China in 2020

3 结论与讨论

谷子产量水平不仅与自身的遗传因素有关，还受外界环境的影响，且外界环境条件的变化对产量影响较大[11]。不同种植地点和种植年份的差异是造成外界环境变化的主要因素。本研究结果表明，年份对谷子产量的变异贡献率最大，为47.93%，说明年际间气候因素波动较大是造成谷子产量差异的主要因素，这与曹玲等[12]的研究结果一致；地点×年份对产量的变异贡献率次之，为43.02%；地点对产量变异贡献率最小，为9.05%，说明5 个试点间气候差异较小。同一地区年际间气象因子差异较大，会严重影响作物产量的稳定性。因此，因地制宜种植谷子显得尤为重要[13]。

本研究结果表明，各试点的产量变异系数顺序为沧州＞保定＞石家庄＞衡水＞邯郸，说明邯郸年际间谷子产量稳定性相对较好，石家庄和衡水谷子产量稳定性中等，沧州和保定年际间谷子产量稳定性相对较差。各试点的5 a 平均产量顺序为石家庄＞衡水＞邯郸＞保定＞沧州，说明石家庄和衡水在保持一定产量稳定性的情况下更容易实现丰产。

选择合适的品种，对于产量稳定性和丰产性也具有至关重要的作用。韩彦青等[14]对山西中东部3 个谷子品种进行多年多点比较试验，筛选出稳定性、适应性好的品种晋谷59 和晋谷21。本研究仅以冀谷19 为试验材料，没有品种间的比较，在今后的研究中将重点针对不同品种进行筛选。

谷子产量主要与品种特性、田间管理和气候因素有关，随着现代农业的发展，育种技术和田间管理水平逐渐成熟，不可控因素仅剩气候因素。气温、日照、降水、风速等气候因素与谷子生产关系密切，谷子生产在较大程度上受到气候条件制约。安盼盼等[15]认为，谷子生育期内气候因素的差异可能是造成谷子产量差异的重要原因。刘猛等[5]和肖成海等[16]研究表明，降雨量在一定范围内，与谷子产量呈正相关，超过一定范围后与谷子产量呈负相关。本研究结果表明，2012～2016 年衡水、邯郸、沧州三地谷子生育期内的降水量分别为200.80～426.50、243.80～685.00 和129.60～529.80 mm，均与产量呈负相关，说明适宜的降水量有利于谷子实现高产，谷子生育期内降水量200mm左右较为理想。降水过多可能会影响花朵发育和授粉，也不利于谷子根系下扎，直接给产量造成负面影响。衡水的降水量呈显著减少趋势，对产量有正效应。

张婷等[8]研究了华北夏谷近15 a 谷子产量与气候的关系，结果显示，谷子生育期的日最低气温对产量具有负效应，日最高气温对产量具有正效应。本研究结果表明，沧州日最高气温和日最低气温与产量的回归方程达到极显著水平，其中日最高气温对产量有正效应，日最低气温对产量有负效应，这与张婷等[8]的研究结果一致。沧州气候因子的变化只有日最低气温达到显著增长趋势，说明影响沧州谷子产量的关键气象因素为日最低气温。影响邯郸谷子产量的关键气象因子为平均相对湿度，其随年代变化呈显著降低趋势。保定日照时数和平均风速与产量的回归方程达到极显著水平，其中日照时数对产量有正效应，但未来日照时数随年代变化呈显著降低趋势；平均风速对产量有负效应，其随年代变化降低不显著，属于正常波动，因此，未来影响保定谷子产量的关键因素为日照时数。

河北省地处华北平原北部，在维护地区乃至国家粮食安全中起着重要的作用。近年来，农业用水占河北省用水总量的比例较大，导致河北省地下水资源持续减少，地下水位快速下降，形成了世界最大的连片地下水漏斗区[17，18]。政府部门通过调整种植制度，压缩高耗水作物的种植面积，以达到农业水资源减量利用的目的[1]。谷子耐干旱、贫瘠，是旱作可持续生态农业的重要组成部分。河北省发展旱作谷子种植面积可以有效减少农业灌溉水的消耗，对地下水压采具有重要的积极作用。本研究结果表明，谷子生育期内的降水可以满足其正常生长，实现旱作种植。在保证粮食目标总产量前提下，河北省可发展旱作谷子的最大面积为54.44×104hm2。