张掖市春小麦产量对气候变化的响应分析*

李 强 ，褚 超 ，张 婷

（1.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021；2.张掖市气象局，甘肃 张掖 734000；3.甘肃省气象设备公司，甘肃 兰州 730030）

随着全球气候变暖，我国西北地区的气候也呈现出持续增暖的趋势[1]，气候变化直接影响着农作物的生长发育、产量和品质[2]。张掖市位于我国甘肃西北部，河西走廊的中段，有“桑麻之地，鱼米之乡”的美称，盛产小麦、水稻、瓜果、油料、蔬菜等，其中小麦种植以一年一熟的中晚熟春小麦为主。张掖市为典型的温带大陆性干旱气候，光热资源充足且干燥少雨，属于我国气候变化敏感区和生态环境脆弱区，气候变化势必对春小麦等农作物的物候期、产量、品质等造成影响。课题组对张掖市1993—2020年的春小麦物候、产量及同期气温、降水量、日照时数等气象观测资料进行统计分析，探讨春小麦生长发育及产量对气候变化的响应，为合理利用春小麦生育期气候资源、促进其稳产高产提供参考。

1 研究数据和方法

文中涉及的春小麦播种面积、产量资料来源于张掖市气象局提供的1993—2020年的整理数据，并选取张掖市气象局同期气温、降水量、日照时数等气候观测数据，采用线性拟合、一元二次回归方程、相关性等数理统计学分析方法分析张掖市气候变化趋势及其与春小麦产量之间的相关性以及气候变化对春小麦生产造成的影响。

采用Excel软件对气候指标数据进行统计，并做出时间分布特征图，利用气候倾向率法研究分析出张掖市1993—2020年气温、降水量、日照时数等气候因素的年际间变化趋势，用Xi表示样本量n的第i年日照时数，ti表示Xi对应的时间，构建Xi和ti之间的一元线性回归方程：

式中，a表示常数，b为回归系数。回归系数b表示变量X的变化趋势倾向，当b＞0时，说明随着时间t的增加，X趋于上升；当b＜0时，表示随着时间t的增加，X趋于下降；b值的大小表示上升或下降的速率。

2 结果分析

2.1 春小麦产量变化及气象影响因子

张掖市春小麦通常在3月中旬开始播种，根据张掖市农业试验站1993—2020年春小麦物候期观测资料可知，张掖市春小麦生育期为116 d～126 d，平均为124 d，为中晚熟品种，要求≥0 ℃的积温为1 800℃·d～2 000 ℃·d。4月上旬出苗率达到78.6%，4月下旬至5月上旬全部进入分蘖期，5月下旬到6月为抽穗—开花期，7月上旬为乳熟期，7月中旬春小麦成熟收获。春小麦生长前期可耐低温，因此当日平均气温≥0 ℃时即可播种，春季气温回升快的年份播种较早；幼穗分化期要求有一定的低温，才能延长幼穗分化时长，促进幼穗的充分发育，易形成大穗，以气温在9 ℃～12 ℃为宜，有利于增多结实小穗数量；灌浆期要求气温为16 ℃～19 ℃，可促进春小麦灌浆，使灌浆期延长，达到籽粒饱满的目标，获得千粒重。春小麦全生育期要求降水量为300 mm～350 mm，其中拔节至孕穗期间对水分的需求最大，以降水量达到100 mm～150 mm为宜，是春小麦生长发育期间的需水临界期，生长后期则不宜有过多的降水，否则易导致春小麦贪青晚熟和徒长倒伏。春小麦为长日照农作物，充足的光照有利于植株生长和开花授粉，加快灌浆进程，促进光合作用和干物质积累以及生长后期的籽粒脱水和成熟。

20世纪90年代以来，张掖市春小麦种植面积明显减少，其中1993年种植面积最多，达到30.97万亩，之后的种植面积呈现波动减少趋势，2010年以后每年种植面积均在10.0万亩以下，2020年种植面积最少，仅为3.35万亩。但张掖市春小麦单产量变化较大，1993—2020年间春小麦单产量整体呈现升高趋势，倾向率为27.892 kg/（亩·10 a），2014年单产量最高，达到590.6 kg/亩。

在不考虑种植地、种植技术、品种等因素的前提下，气象条件是导致张掖市春小麦产量出现波动变化的主要因素。通过对春小麦生育期的光、温、水等气象因子与产量的相关性进行分析得出，影响春小麦生长发育及产量的主要气象因子为3月中旬至4月上旬及5月下旬至6月的日平均气温、5月中旬至下旬的降水量、5月下旬至6月的日照时数，如表1所示。

表1 张掖市1993—2020年春小麦各生育期气象因子与产量的相关系数

2.2 春小麦对气温变化的响应

张掖市近28年春小麦播种期主要在3月中旬，最早在3月6日（1998年），最晚是在3月22日（2011年），对应的单产量分别为496.4 kg/亩、570.3 kg/亩。单产量最高为590.6 kg/亩（2014年），播种期为3月18日，最低则是1994年的436.2 kg/亩，说明过早或过晚播种均不利于春小麦产量增加，通常气温稳定在3 ℃～5 ℃时为春小麦最适宜的播种时期[3]。

根据张掖市1993—2020年年平均气温、春季平均气温及春小麦生育期变化分析，如图1所示，20世纪90年代年平均气温为7.8 ℃，进入21世纪后气温出现明显的升高，前10年的年平均气温达到8.5 ℃，2020年的年平均气温升至8.6 ℃，总体上气温趋于变暖的倾向率为0.454 ℃/10 a。四季气温变化中，以冬、春季气温升高最为明显，其中春季气候倾向率为0.688 ℃/10 a。春季气温升高使得春小麦播种提前，生育期缩短，物候期显著提前。春小麦在1993—2000年平均生育期为127 d，2001—2010年缩短了1 d，平均126 d，2011—2020年仅为122 d，较前10年减少4 d，与90年代相比缩短了5 d。近28年间张掖市春小麦从播种到成熟需要116 d～136 d，生育期最长、最短年份相差20 d，分别出现在1993年和2011年。在不考虑品种的情况下，春小麦的生育期长短与期间的平均气温有直接的关系，两者之间存在着负相关，1993年气温较常年偏低1.7 ℃，而2011年气温较常年偏高0.1 ℃。

图1 张掖市1993—2020年年平均气温、春季平均气温及春小麦生育期变化

2.3 春小麦对降水量变化的响应

1993—2020年间张掖市年平均降水量为133.6 mm，气候干燥，该地区农业多为灌溉农业。相关研究表明，春小麦生长期的长短基本上不受降水量变化的影响[4]，尤其是在以灌溉为主的干旱地区，降水量不是影响春小麦物候期变化的主要因子。但如果出现长期干旱，会导致库塘蓄水量不足，再加上冬季降雪偏少，就会使春小麦种植区出现严重的缺水现象。根据上述相关性分析得出的春小麦产量与5月中旬至下旬的降水量呈负相关，说明5月中旬至下旬过多的降水会影响春小麦的正常抽穗、开花。如图2所示，分析张掖市近28年来春小麦主要生长期（3—7月）降水量及5月中旬至下旬降水量变化可知，3—7月降水量出现略减少趋势，气候倾向率为-0.787 mm/10 a，而5月中旬至下旬的降水量趋于增多，气候倾向率为2.668 mm/10 a。春小麦抽穗—开花期需要晴朗的天气，阴雨天气过多会影响其开花和花粉散发过程。

图2 张掖市1993—2020年3—7月、5月中旬至下旬降水量变化

2.4 春小麦对日照变化的响应

光照是春小麦进行光合作用的主要能量来源，也是影响春小麦进行光合作用的重要气候因素，日照时数的减少对春小麦三叶—分蘖期、拔节—孕穗期和乳熟期长度及时期的提前有着正向作用[5]。抽穗—开花期是春小麦产量形成的关键时期，温光条件较好时有利于春小麦孕穗和抽穗、开花。如图3所示，通过对张掖市1993—2020年春小麦生长期（3—7月）的日照时数及各生育期日照时数变化特征进行分析可知，张掖市近28年中3—7月的日照时数及春小麦三叶—分蘖期、拔节—孕穗期和乳熟期的日照时数均呈现略减少趋势，其中拔节—孕穗期的日照时数减少幅度最大，气候倾向率为-11.062 h/10 a，其次是乳熟期，减少趋势为-3.702 h/10 a，3—7月及三叶—分蘖期的日照时数气候变化倾向率分别为-1.953 h/10 a、-1.554 h/10 a。这说明张掖市在近28年春小麦生长期间，4月中旬至5月下旬、7月上旬阴雨天气增多，5月底至6月抽穗—开花期间日照时数充足，其变化趋势符合春小麦生长发育对光照条件的要求，有利于获取优质高产作物。

图3 张掖市1993—2020年3—7月日照时数及春小麦三叶—分蘖期、拔节—孕穗期、抽穗—开花期和乳熟期日照时数

3 结论和讨论

在全球气候变暖的大背景下，张掖市气候也随之发生了变化，气温升高、降水量减少，气候呈现暖干化趋势。张掖市为中晚熟春小麦种植区，春小麦前期生长可耐一定的低温，后期生长要求较高温度，拔节至孕穗期间对水分的需求量最大，抽穗至开花期间需要晴朗、光照充足的天气，“光热水”合理匹配可获得优质高产作物[6-10]。

1）1993—2020年张掖市春小麦种植面积显著减少，但单产量呈现较大的增长趋势，在不考虑品种、种植技术等方面的影响下，3月中旬至4月上旬的日平均气温、5月下旬至6月的日平均气温、5月中旬至下旬的降水量、5月下旬至6月的日照时数等是影响春小麦生长发育和产量的主要气象因子。

2）1993—2020年张掖市年平均气温缓慢上升，气候趋于变暖，气候倾向率为0.454 ℃/10 a。四季气温变化中，春季气候倾向率为0.688 ℃/10 a，增温明显，春季气温升高使得春小麦播种提前，生育期缩短，物候期显著提前。由于张掖市气候干燥少雨，农业生产基本依靠灌溉，近28年张掖市3—7月降水量出现略减少趋势，气候倾向率为-0.787 mm/10 a，5月中旬至下旬的降水量趋于增多，如果出现集中强降水则不利于春小麦开花和花粉散发。张掖市近28年春小麦生长期间，4月中旬至5月下旬及7月上旬阴雨天气增多，5月底至6月抽穗—开花期间日照时数充足，基本符合春小麦对光照条件的需求。

3）影响春小麦产量的因素比较复杂，尤其是现代科技的发展使得农业生产不再“靠天吃饭”。因此要在遵循地方农业气候资源特征的基础上，加强气候变化论证，建立农业气象灾害防御机制，选育优良春小麦品种，改善耕作制度，推广滴灌、低产田改良等农业技术，做好肥水管理及病虫害防治等工作，提高春小麦单产量、总产量。