青藏高原气象因子与施肥对青稞产量的影响

甘子鹏，徐海燕，薛守业，李莉莎，张 博，李小明，梁冰妍，种碧莹，刘桂民，吴晓东

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070；2. 中国科学院西北生态环境资源研究院/冰冻圈科学国家重点实验室/青藏高原冰冻圈观测研究站，兰州 730000)

【研究意义】近年来，随着品种改良的大力推进，各个种植区都已经明确了适宜当地最优的青稞品种，例如西藏自治区自2015年以来主推藏青2000品种，青海则主要种植康青7号、甘青5号等当地高产品种。实际上，目前青稞区种植区的品种几乎都由当地政府统一配送，可以认为各地种植的青稞都是最适宜当地条件的品种。因此，明确气候和栽培管理方式对青稞产量的影响对于提高青稞产量具有指导意义。【前人研究进展】过去40年间，随着科学技术的进步和管理水平的不断提高，世界谷类作物物总产量从8亿t增加到23亿t[1]。但是，截至2014年，全球人口总数已经达到72亿，其中仍有8亿人处于长期的饥饿状态[2]。随着未来全球人口数量增加和居民生活水平提高，到本世纪中叶，全球粮食的需求量预计将会比目前增加至少70%[3]。除了人口增加和生活水平提高带来的粮食需求压力之外，气候变暖对农业生产的影响是另一大潜在威胁[1]。过去100年来全球地表温度升高了0.74 ℃[4]，自19世纪90年代以来全球变暖幅度明显升高，预计未来100年内全球气温可能升高1.1～ 6.4 ℃[5]。农作物的生长和发育高度依赖当地的环境条件，气候变化势必影响农作物最终产量[6-7]。例如，气候变化导致全球一些主要粮仓的产量停滞或产量下降[8]，在半干旱地区，降雨量和温度的微小变化或过热都可能对作物产量产生巨大影响[9]。明确气候变化对农作物产量的影响程度以及应该如何采取措施来应对已经成为各国政府和科学家高度重视的问题[10]。青藏高原是世界上最大的高原生态系统。受全球气候变化的影响，自20世纪50年代以来，青藏高原的气候变暖速度几乎是全球平均速度的两倍[11]。青稞(Hordeumvulgare)是青藏高原的主要作物之一[12]，是藏民族传统的主粮[13]。到2018年西藏自治区青稞种植面积占粮食作物种植面积的77%[14]，青海省青稞种植面积占同年全省粮食作物面积的16.27%。甘南藏区自治区青稞占全州农作物种植面积的28%，产量约占全州粮食总产量的35%[15]。青藏高原气候变暖速度的增加会对农作物的生长发育产生一定的影响，例如，气候变暖使作物可生长发育的时间延长，青藏高原东北部草地地上生物量对月平均气温和降水变化的响应显著[16]。弓开元[17]研究发现青藏高原大部分降水增多地区青稞产量与不同生育期降水量显著负相关，平均最高温度的升高则普遍会导致青稞减产。【本研究切入点】本文通过大范围的调查，获取青藏高原各地的青稞产量、气象和品种数据，分析气候因子及施肥管理方式和青稞产量的关系。【拟解决的关键问题】研究旨在量化气候和施肥方式对青稞产量的影响，从而为未来气候变化情景下青藏高原的青稞种植及管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原东南地区(90°84′～104°12′E，28.02°14′～38°21′N), 日照多，气温低，日较差大，年平均气温由东南的20 ℃向西北递减至-6 ℃以下。本研究从西藏自治区、青海省和甘肃省的甘南藏族自治州分别选择了21、20和5个共46个青稞种植县市作为研究采样点(图1)。

图1 青藏高原采样点

从国家气象信息中心—中国气象数据网 (http://data.cma.cn)下载采样地2018年青稞生长季(4—9月)[18]平均气温、平均相对湿度、降水量、日照时数等站点气象数据，然后用ArcGIS 10.2对研究区进行空间插值，得到研究区气象数据。

1.2 青稞产量和品种数据收集

本研究选择以青稞为研究对象，于2018年10—12月实地收集当年46个县市收获的青稞产量信息为研究材料，青稞产量数据是根据当地农户的调查情况获得同步收集了青稞种植过程中37个县市主要的化肥施用信息，并用GPS测定调查区海拔高度和经纬度。由于每个调查区的各地青稞产量和管理方式差异较大，在当地选择3户以及以上的农户进行调查，获得当地一般情况下的当年青稞产量和管理方式，并对数据进行平均后进行统计。青稞品种信息是基于实地调查获取(表1)。

表1 青稞品种信息

1.3 数据处理

首先用ArcGIS 10.2对青稞产量空间分布进行分析，用R 4.0.3对试验数据进行相关性分析；用SPSS 26进行单因素方差分析，然后用R 4.0.3进行聚类分析和制图。

2 结果与分析

2.1 青稞产量的空间分布

青藏高原青稞品种西藏自治区以藏青2000为主，青海省以昆仑15号和柴青1为主，甘南藏族自治州以甘青6号为主。西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州46个县市的青稞产量在75～425 kg/667 m2变化。西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州在空间上从西到东青稞产量呈降低趋势，青海省青稞产量整体趋势上高于西藏自治区和甘南藏族自治州，为100～425 kg/667 m2，西藏自治区青稞产量在75～325 kg/667 m2，甘南藏族自治州青稞产量整体趋势上最低，为90～175 kg/667 m2。青海省青稞产量在乌兰县和玉树市最高，分别为400和425 kg/667 m2，在泽库县和斑玛县最低，为100 kg/667 m2。西藏自治区青稞产量在朗县和达孜区最高，为325 kg/667 m2，在索县的亚拉镇、荣布镇和左贡县最低，为75 kg/667 m2。甘南藏族自治州青稞产量在合作市和夏河县最高，为175 kg/667 m2，在舟曲县最低，为90 kg/667 m2(图2)。

图2 2018年青稞产量空间分布

2.2 不同环境条件下青稞产量差异

如图3-a所示，海拔2200～2600、2600～3000、3000～3400、3400～3800 m的青稞产量显著高于海拔3800～4200 m(P<0.05)，其中在海拔3000～3400 m最高，在海拔3800～4200 m最低；青稞产量在降水量150～250 mm明显高于550～650 mm，不同降水之间青稞产量差异不显著(图3-b)；青稞产量在平均温度13～15 ℃最高，在7～9 ℃最低，不同平均温度之间青稞产量差异不显著(图3-c)；青稞产量在日照时数1100～1300 h显著高于700～900 h(图3-d，P<0.05)。

图3 不同环境条件下青稞产量差异

2.3 研究区气候区划

采用生长季积温(℃)、平均温度(℃)、相对湿度(%)、总降水(mm)、日照时数(h)作为区划指标，通过聚类分析中K均值聚类方法将研究区37个县市划分气候条件存在明显差异的2个气候区(图4)。2个气候区气候条件差异明显，其中第1气候区：积温、平均温度、相对湿度、降水、日照时数分别在2262.1 ℃、14.8 ℃ 、53.9%、312.6 mm、1153.4 h左右；第2气候区：积温、平均温度、相对湿度、降水、日照时数分别在1667.6 ℃、10.8 ℃、62.3%、428.6 mm、900.9 h左右。第1气候区平均温度和日照时数都显著高于第2气候区，而第2气候区降水和相对湿度极显著高于第1气候区。

图4 基于气象数据使用PAM算法的聚类图

2.4 施肥方式与青稞产量

第1气候区青稞品种以柴青1号、昆仑15号和藏青2000为主，第2气候区以藏青2000为主。不同气候区青稞产量差异显著，第1气候区青稞产量显著高于第2气候区(P<0.05，图5)。同一气候区不同施肥方式青稞产量变化明显，其中第1气候区青稞产量在170～260 kg/667 m2，柴青1号产量显著高于北青9号、昆仑15号和藏青2000。第2气候区青稞藏青2000产量随农家肥与化肥的施用显著提高。青稞产量在无施肥时最低，在化肥施用下最高，较无施肥对照，农家肥和化肥配合施用下青稞产量显著提高(P<0.05)，化肥施用下的青稞产量显著提高(P<0.05，图6)。

图5 气候区青稞产量变化特征

图6 气候区不同施肥方式青稞产量变化特征

3 讨 论

青稞主要生长在西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州等地，其生长发育受到品种的影响[19]。例如，聂战声等[20]基于天祝青稞品种混杂和退化严重的问题，对16个青稞品种对环境的适应性进行研究，发现有4个品种综合性状表现良好，分别是藏青25、甘青4号、北青7号和甘青5号。近几十年来，青稞品种改良和推广方面开展了很多工作，目前各地种植的品种都是当地表现最好的品种，本研究进行了统计，其中西藏自治区以藏青2000为主，青海省以昆仑15号和柴青1号为主，甘南藏族自治州以甘青6号为主。因而，各地青稞的产量差异也就主要取决于当地的气象和管理条件。因此，本研究通过大范围的空间调查，调查了青藏高原46个县市的青稞产量、品种及37县市的施肥方式，研究气候变化背景下气象因子与施肥方式对青稞产量的影响。调查发现西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州46个县市的青稞产量在75～425 kg/667 m2。西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州在空间上青稞产量从西到东呈降低趋势，青海省青稞昆仑15号和柴青1号产量整体趋势上高于西藏自治区藏青2000和甘南藏族自治州甘青6号。

气候变暖会增加农业生产的不稳定性[21]，可能会降低一些农作物产量[22]。研究发现，高海拔地区青稞藏青2000产量随海拔升高而减少，甘青6号产量因降水多而较少，与Högy等[23]对大麦研究结果基本一致。白羿雄等[24]研究认为，轻度水分胁迫促进青稞根系生长，重度水分胁迫起抑制作用且不利于其穗部发育，进而降低产量。侯亚红等[25]研究发现，水分充足条件下，藏青25能够维持相对较强的光合作用,为青稞的高产提供了充足的光合产物,利于增加生物产量,提高籽粒产量。本研究中青稞产量随平均温度和日照时数的增加呈增加趋势，柴青1号、昆仑14号和北青9号产量都因日照时数充足而较高。关卫星等[19]也研究发现，青稞随日照强度增加产量增加，当日照充足时，产量较高。说明青稞在高海拔地区海拔较低、温度偏高、日照充足和降水较少的地区产量较高。本研究进一步对研究区37县市进行气候划分，发现青稞产量随着气候条件的变化而差异显著，进一步说明在品种确定的前提下，气候条件是影响其产量的重要因素。本研究中青稞更适合生长在积温较高、平均温度较高、相对湿度适中、降水适中、日照时数充足的地区，日照充足和降水适中的气候条件有利于青稞增产。

本研究对37个县市的青稞施肥方式进行了调查，发现相似气候条件下青稞柴青1号产量显著高于北青9号、昆仑15号和藏青2000，藏青2000产量随农家肥与化肥的施用显著提高。与Mctaggart等[26]在冬麦的研究基本一致。马生兰等[27]也研究发现，喷施叶面肥均可提高青稞的有效穗和千粒重,促使青稞穗长、穗粒数等产量构成指标增加,从而促进青稞增产。过去几十年来，西藏青稞产量随着化肥的增加有了大幅的提高[28]。本研究发现，使用农家肥的产量略低于化肥，但是产量无显著差异。尽管本研究区域中农家肥的使用量不易确定，但是考虑到农家肥的可获得性，因此可能与农家肥的使用量相对不足有关。考虑到农业可持续发展和保护环境，青稞种植区的化肥施用量需要逐步降低。有机肥因具有养分均衡，释放缓慢持久，保肥保水，可以改良土壤等优点，可以有效提高青稞产量和品质[29-30]。

4 结 论

本研究调查了青藏高原46个县市的青稞产量、品种及37县市的施肥方式来研究气候变化背景下气象因子与施肥方式对青稞产量的影响。调查发现西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州46个县市的青稞产量在75～425 kg/667 m2。西藏自治区、青海省和甘南藏族自治州在空间上青稞产量从西到东呈降低趋势，青海省青稞昆仑15号和柴青1号产量整体趋势上高于西藏自治区藏青2000和甘南藏族自治州甘青6号。

青藏高原青稞藏青2000产量随海拔升高而减少，甘青6号产量因降水多而较少，柴青1号、昆仑14号和北青9号产量都因日照时数充足而较高。相似气候条件下青稞柴青1号产量显著高于北青9号、昆仑15号和藏青2000，藏青2000产量随农家肥与化肥的施用显著提高。为了农业可持续发展，选择在3800 m以下的地区发展青稞种植业，并结合有机肥的施用量是未来青稞发展的重要方向。