云南半干旱區小麥種植氣候生態因素綜合評價研究

魯永新 ，鄒 萍 ，張中平，武 勇

（1.楚雄州氣象局，云南 楚雄 675000；2.楚雄州農業技術推廣研究所，云南 楚雄 675000）

小麥是云南省的主要冬春糧食作物之一，常年種植46.67萬hm2左右，最高年達77.33萬hm2，主要種植區分布在云南的紅河、曲靖、楚雄、大理、臨滄、保山、玉溪、麗江、昆明等地，秋季種植，春季收獲，全生育期時段正好與云南季風氣候的干季相對應[1-2]。因受云南的地理、氣候、經濟等因素的影響，絕大部分山區、半山區水利基礎設施建設滯后或不能滿足干季農業生產用水的基本需求，小麥生長期內基本無水利灌溉條件，主要在自然氣候條件下生長。隨著城鎮化的發展，云南耕地垂直空間還將向山區、半山區坡地轉移[3]，也就是說隨著時間的推移小麥種植將向廣大山區、半山區推移，小麥產業發展潛力巨大，干季氣候因素的對小麥生產的影響權重也將會隨之增加。因此，氣候因素影響將是云南小麥產量和質量的關鍵性和決定性因子。

楚雄是最具云南季風氣候影響區典型的半干旱區的代表區域之一。全區域內多年平均降雨量670～1 100 mm，其中干季（11月至次年4月）降雨80～130mm。氣候因素、農業水利基礎建設及農業灌溉條件在云南全省的廣大山區、半山區具有很好的代表性。以楚雄州小麥種植區為代表進行了氣候生態因素年際間的動態變化對小麥種植影響的綜合評價試驗研究，為綜合評價云南半干旱季風氣候區小麥收成的年際變化提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究試驗資料來源

氣候資料來源于楚雄州姚安、楚雄、大姚、祿豐、武定、雙柏等10個縣市1961～2011年50 a間的地面氣象觀測資料；小麥產量（單產）資料1985年以后來源于楚雄州統計局“楚雄州大小春糧食產量”統計資料，1985年以前來源于楚雄州農業技術推廣研究所“國家現代小麥產業技術體系楚雄州綜合試驗站”歷史統計資料。

1.2 小麥種植區氣候生態因子選取

云南絕大多數小麥種植區一般在10中旬至11月上旬播種，12月中旬至次年1月上旬分蘗結束，次年1月至2月拔節孕穗，3月抽穗開花，4月至5月上旬灌漿成熟，5月中旬收獲前收獲結束，全生育期約165～200 d[1]。全生育期間的降雨量、氣溫、日照時數的時間和空間分布是影響云南地麥生長發育的關鍵因子[4]。因此，以楚雄州小麥種植區為研究典型對象，選擇了6個氣象影響因子作為氣候指標[1-5]，分別為x1（11月至次年4月總日照時數）；x2（10月降雨量）；x3（12月中旬次年2月時段總降雨量）；x4（3月下旬至4月上旬初時段平均氣溫）；x5（3月中旬后期至4月上旬末時段平均氣溫）；x6（3月上旬至4月上旬時段總降雨量）。

1.3 綜合評價方法和原理

利用多元統計學的主成分分析方法建立評價模型，根據評價模型得出的綜合評價值來判別動態氣候生態條件影響下的小麥產量。主成分分析原理是利用降維的思想，把眾多變量轉化為少數幾個綜合指標，這幾個綜合指標為原來的線性組合；綜合指標保留了原始變量的主要信息，彼此之間又不相關，能使復雜的問題簡單化，使原因子的信息集中到幾個主要因子上進行分析[6-8]。主成分分析方法的步驟是：（1）對原始數據進行標準化處理，以消除量綱不同的影響；（2）求無量綱后數據的相關矩陣R；（3）求R的特征值、特征向量及貢獻率；（4）根據貢獻率確定主成分的個數；（5）以線性組合中權重較大的幾個影響因子作綜合意義解釋，求主成分值，并計算綜合得分值，對研究對象進行評價。

1.4 評價樣本的確定

根據小麥種植研究對象區（楚雄）秋播春夏收小麥50年單產變化作為評價體系樣本，以小麥生長期內降雨量、氣溫、日照資源的時段內分布及年際間的動態變化，考察變量影響的內在關系，將小麥種植代表地區1961～2011年連續50個小麥種植年的6個氣候影響指標因子值組成一個P＝6、N＝50的矩陣Xpn；前m個主成分組成的矩陣Ymn反映了“集中”原矩陣Xpn中的因子信息[8]。

1.5 數據處理結果及解釋

利用SPSS軟件，對矩陣X6×50進行主成分分析。用方差最大法進行正交旋轉，使成分負載向0和1兩極分化。計算主成分分值采用回歸法。

2 結果與分析

2.1 試驗數據分析

經數據分析選出了3個主成分（m=3），處理結果見表1，樣品相關矩陣的特征向量如表2所示。

表1 X pn的協方差陣特征值及方差和累積方差貢獻率

表2 樣本相關矩陣的特征向量（V矩陣）

2.2 主成分分析結果表達式

主成分分析結果表達式如下：

2.3 主成分的意義及相關解釋

表1中的荷載率絕對值的大小表明了各因子與主成分的相關程度，荷載率越大的因子，與其主成分的相關性越好，越能顯現出該主成分的影響效應。一般當|荷載率|≥0.6時，認為該要素與主成分的相關程度足夠大[9-10]。在主成分Y6×50中的前3個向量的累積方差已達83.094%（見表1），因此只需計算3個主成分。

從表2中的荷載率可看出：第1主成分中，荷載率較大的變量依次是X4，X5，X6，這3個因子反映了小麥生長發育中后期熱量與水分。其中X4代表小麥揚花期平均氣溫，X5代表小麥灌漿乳熟期的平均氣溫，指地麥生育期熱量因素的貢獻較大，X6代表小麥抽穗揚花期的降雨量，從變量因子荷載率符號可以看出抽穗揚花至乳熟期低溫陰雨也會產生負影響，與實際相符；第2個主成分中的荷載率較大的變量依次是X3，X1，這2個因子反映了小麥分蘗至拔節期降雨量和出苗至乳熟期光照強度，即水熱條件，其中，X3的因子荷載率為正，與X1的因子荷載率符號相反，小麥分蘗至拔節期降雨量（地麥的水分敏感期降雨量）呈正影響效應，對小麥后期產量形成至關重要，該時段光照過強可能與高溫有關，會存在前期徒長或后期逼熟現象，對小麥生長及產量形成產生負效應，與地麥生產實踐十分吻合；第3個主成分中荷載率較大的變量依次是X2和X9，這2個因子主要反映了小麥生長發育期的水分供給及影響，即水分供給狀況，其中X2為小麥播種前后的時段降雨量，因子荷載率為正，說明此時段降雨量對小麥出苗產生正效應，X6為小麥抽穗揚花期陰雨天氣，因子荷載率為負，說明該時段陰天宜少，降雨量適中為好，若陰天多會在絕大多數山區發生低溫，對產量形成產生負效應，與生產實際相吻合。

2.4 建立綜合評價模型

以各主成分貢獻率為權重（數），構建綜合主成分模型，即綜合評價模型如下：

圖1 1962～2011年楚雄小麥種植區綜合評價得分變化

根據綜合評價模型計算年際間得分值，評價50 a來小麥年際間產量動態變化。模型計算出的綜合評價結論中，幾個氣候因素影響突出年的綜合評價結果與實際非常吻合（圖1），1974年，1986年，1989年2004年和2010年是楚雄州歷史上罕見的干旱，或干旱低溫冷害影響特別突出的幾年，這幾年的小麥產量減產幅度均大于3成；模型計算結論也驗證了氣候因素影響突出的幾個小麥豐產年，分別是 1983、1987、1993、2001、2002、2006、2007、2008、2011 年。

3 小結

綜合評價模型計算得到的楚雄州小麥主要種植區1962～2011年50 a間的綜合評價得分值增減變化與50 a間小麥實際產量的動態增減變化具有很好的對應關系，評價結果及氣候生態因子對小麥生產的影響效應與多年實踐相符。研究試驗中采用主成分分析方法以楚雄州氣候因素的年際間變化對小麥產量的動態影響作用綜合評價結果，排除了人為因素干擾，避免了通常只考慮較少影響因子指標進行評價而造成的評價試驗結果片面性。綜合評價模型研究結果可操作性強，容易推廣應用于工作實踐中。

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