氣候變化對黃土高原半干旱區春小麥生長和產量的影響
——以定西市為例

齊月，王鶴齡，張凱，王潤元，雷俊

1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；

2. 甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000

近年來，溫室氣體的大量排放導致全球氣候變暖。IPCC第五次評估報告（AR5）指出：1880－2012年全球地表溫度平均升高0.85 ℃，1983－2012年可能是過去1400年中最暖的30年（IPCC，2013）。全球平均氣溫的升高對糧食作物產量造成不同的影響，北半球中高緯度地區，若地表氣溫上升 1－3 ℃，糧食作物產量將會增加；若超過此閾值，糧食作物產量將會降低（Lobell et al.，2003；張存杰等，2014）。

在氣候變化對小麥的影響上，國內外學者對不同地區不同氣象要素對小麥生產的影響進行了研究（李月英等，2009；王寶良等，2010；Wang et al.，2009；姬興杰等，2011）。隨著全球氣候變化的影響，CO2增加可提高小麥產量，氣溫升高、降水變化及紫外輻射增強均使得小麥產量有所降低（鄭有飛等，1999）。不同時期的氣候持續變化均導致了冬小麥減產，影響產量的關鍵氣象因子不同發育期不同（成林等，2017）。在氣候變暖的背景下，春小麥發育期發生變化，其乳熟到成熟期間隔日數遞減率為-2－-3 d·(10 a)-1、全生育期間隔日數遞減率為-4－-5 d·(10 a)-1（姚玉璧等，2011）。小麥生長季長度對生長季內氣候因子變化敏感度的空間分異特征在春、冬小麥之間表現得尤為突出。冠層溫度增加 1－2 ℃，春小麥的全生育期比對照縮短 7－11 d，生育前期增溫使株高增高，葉面積指數增大（張凱等，2015）。降水減少20%條件下，增溫1、2和 3 ℃的春小麥產量分別下降 1.2%、24.7%、42.7%%；降水不變條件下，春小麥產量分別下降8.4%、15.1%、21.8%；降水增加20%條件下，春小麥產量分別下降9.0%、15.5%、22.2%（王鶴齡等，2015）。

黃土高原半干旱區是我國典型的雨養農業區，該地區處于中國東西水分梯度帶和南北熱量梯度帶的交叉區，是氣候變化敏感地帶，氣候變化對該地區農業生產造成嚴重影響（張強等，2008）。春小麥是西北地區的主要糧食作物之一，春小麥的產量直接影響到西北地區農民收入以及區域經濟發展（楊澤粟等，2014）。因此，探究氣候變化對黃土高原半干旱區春小麥生長和產量的影響，為該地區農業生產和防災減災提供依據。

1 試驗設計與方法

1.1 研究區域氣候及春小麥生長發育概況

研究區位于黃土高原半干旱區，年平均氣溫5.4－9.0 ℃，最熱月7月平均氣溫16.4－22.1 ℃，最冷月1月平均氣溫-10.4－-3.3 ℃。年降水量245.7－721.8 mm。3－7月降水量94.7－375 mm，占全年降水量的38.5%－52.0%。年平均日照時數2159.7－2790.2 h。年平均無霜期為228－274 d。

春小麥在3月中旬至下旬播種，出苗期在4月上旬至4月中旬，三葉期在4月下旬，拔節期在5月中旬至5月下旬，孕穗期在5月下旬至6月上旬，抽雄期在6月上旬至7月上旬、中旬，成熟期在7月中旬至7月下旬。播種—成熟期全生育期為110－133 d。全生育期≥0 ℃積溫在1366－1921 ℃，日照時數在989－1344 h。

1.2 試驗設計

1986－2016年在甘肅省定西市氣象局農業氣象觀測站開展了春小麥生長發育的定位觀測試驗，該區域為半干旱雨養農業區，試驗作物品種、耕作制度和栽培管理與大田一致，小麥品種根據大田的栽培品種而調整，沒有發生重大調整，土壤肥力水平未發生重大變化。選用了渭春 1號、定西新 24號等春小麥品種，屬于中晚熟，抗旱性和適應性較強，抗銹、穩產、高產，是定西地區旱地主要推廣品種。按照《農業觀測規范》測定春小麥的發育期、株高、密度、葉面積、生物量干（鮮）重、產量構成要素等。

氣象數據來自于定西市氣象局氣象站觀測的數據。氣象數據資料序列為建站以來 1960－2016年地面氣象觀測資料。

1.3 研究方法

1.3.1 氣象要素傾向率

式中，Yi為氣象要素變量，用ti表示Yi所對應的時間，a為回歸常數，b為回歸系數，n為樣本量。

式中，b為氣候傾變化向率，一般以10b表示某要素氣候變化傾向率。

利用累積距平法對氣溫進行突變分析，利用距平百分率對降水進行分析（魏鳳英，2007）。

1.3.2 統計分析

利用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 黃土高原半干旱區氣候變化特征

2.1.1 春小麥全生育期氣溫年際變化趨勢

1960－2016年春小麥全生育期氣溫呈顯著上升趨勢（圖1），其氣候傾向率為0.40 ℃·(10 a)-1，通過0.01水平顯著性檢驗。近57年來春小麥全生育期溫度最高年份是 2013年為 14.07 ℃，最低年份是1970年為10.32 ℃，年平均氣溫為12.10 ℃。利用M-K檢驗法對試驗區1960－2016年春小麥全生育期氣溫變化趨勢進行突變檢驗，自20世紀80年代初期，試驗區春小麥全生育期氣溫呈明顯的上升趨勢，并且在 1995年后極速上升。在置信度區間在 1997年有一個交點，表明試驗區春小麥氣溫上升是突變現象，突變開始時間為 1997年，這與Fang et al.（2016）的結果相一致。1997年之前，除1960年、1961年、1969年、1971年和1981年外，其他年份氣溫距平為負距平；1997年后，氣溫距平均為正距平，說明 1997年之后氣溫上升趨勢更加顯著。

圖1 1960－2016年春小麥全生育期氣溫年際變化趨勢及M-K檢驗Fig. 1 Interannual variation trend of temperature and total MK test of spring wheat during the whole growth period from 1960 to 2016

2.1.2 春小麥全生育期降水年際變化趨勢

1960－2016年春小麥全生育期降水量整體呈下降趨勢（圖 2），其氣候傾向率為 3.92 mm·(10 a)-1，未通過顯著性檢驗。近57年來春小麥全生育期年平均降水量為216.01 mm，降水最多年份是1967年，為375.00 mm；降水最少年份是1982年，為94.70 mm。1960－1997年之前，降水呈下降趨勢，平均每10年減少7.22 mm；1997年之后，降水呈增加的趨勢，平均每10年增加11.05 mm。從降水距平百分率來看，春小麥生育期發生干旱年份主要集中在2000年之后，其他年份大多降水豐富。

2.1.3 日照時數和有效積溫的變化

近 57多年來春小麥生育期日照時數呈增加趨勢（圖3），其氣候傾向率為5.42 h·(10 a)-1，通過0.01顯著性檢驗。1960－2016年平均日照時數為1133.01 h，日照時數最高為2000年為1343.5 h，最低為1986年為988.9 h，2000年后，日照數據呈減少趨勢；春小麥生育期≥0 ℃積溫呈顯著增加趨勢，其氣候傾向率為 62.91 ℃·(10 a)-1，通過 0.01顯著性檢驗。1960－2016年平均積溫為1628.09 ℃，≥0 ℃積溫最高為 2008年為1921.4 ℃，最低為1977年為 1366.7 ℃。日照時數和≥0 ℃積溫的增加將有利于春小麥的生長。

2.2 氣候變化對黃土高原半干旱區春小麥發育期的影響

圖2 1960－2016年春小麥全生育期降水年際變化趨勢及降水距平百分率分布Fig. 2 Interannual variation trend of precipitation during the whole growth period of spring wheat and distribution of precipitation anomalies from 1960 to 2016

圖3 1960－2016年春小麥全生育期日照時數和≥0 ℃積溫年際變化Fig. 3 Interannual variations of sunshine duration and ≥0 ℃ accumulated temperature during the whole growth period of spring wheat from 1960 to 2016

黃土高原半干旱區春小麥生長日數呈縮短趨勢，平均縮短幅度為2.3 d·(10 a)-1，尤其是1997年氣溫發生突變之后，減少幅度加劇，31年來縮短約7 d（圖 4）。各發育期平均出現日期差異較大，播種期平均在3月，最早出現在3月中旬，最晚出現在3月下旬；出苗期平均出現在4月中旬，最早出現在4月初，最晚出現在5月中旬；三葉期平均和最早出現時間均在4月下旬，最晚出現在5月中旬；拔節期平均出現在5月下旬，最早出現在5月下旬，最晚出現在6月上旬；孕穗期平均出現在6月上旬，最早出現在5月下旬，最晚出現在6月上旬；抽穗期平均出現在6月上旬，最早出現在6月上旬，最晚出現在6月中旬；開花期平均出現在6月中旬，最早出現在6月上旬，最晚出現在6月下旬；乳熟期平均出現在7月上旬，最早出現在6月下旬，最晚出現在7月中旬；成熟期平均出現在7月中旬，最早出現在7月上旬，最晚出現在8月上旬（表1）。隨著氣候變暖的影響，播種時間提前，生育期日數整體呈縮短的趨勢。各發育期出現時間差異較大。

圖4 黃土高原半干旱區春小麥生長日數變化趨勢Fig. 4 Change trends of spring wheat growth days in semi-arid region of Loess Plateau

從各發育期生長天數來看，春小麥從播種到出苗期生長天數表現出顯著的減少趨勢（P＜0.05），平均減少幅度為 2 d·(10 a)-1，31 a 內可提前 7 d（圖 5）；春小麥出苗期到三葉期、三葉期到拔節期、拔節期到孕穗期和孕穗期到抽穗期生長天數變化不大，呈微弱的增加趨勢，未通過顯著性檢驗；春小麥抽穗期到開花期生長天數呈減少趨勢，平均減少幅度為0.9 d·(10 a)-1，31 a內可提前3 d；春小麥開花期到乳熟期生長天數呈增加趨勢（P＜0.05），平均增加幅度為1.5 (d·10 a)-1，31 a內可延長5 d；春小麥乳熟期到成熟期生長天數呈減少趨勢，平均減少幅度為1.4 d·(10 a)-1，31 a內可提前4 d。整體看來，春小麥播種到出苗期、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長天數減少導致了春小麥全生育期生長日數縮短。

2.3 氣候變化對黃土高原半干旱區春小麥產量構成的影響

近 57年來黃土高原半干旱區春小麥的不孕小穗數和成穗率呈減少趨勢，其氣候傾向率分別為7.49和7.67%·(10 a)-1，不孕小穗數通過了0.05顯著性水平檢驗；穗粒數呈微弱的增加趨勢，平均每10年增加6.76粒；千粒重呈增加趨勢，其氣候傾向率為1.78 g·(10 a)-1。春小麥產量呈增加趨勢，平均每10 年增加為 4.75 kg·hm-2（圖 6）。

從黃土高原半干旱區春小麥各產量構成要素與氣象因子的關系看，春小麥產量與降水呈正相關（表 2），并且通過 0.05水平顯著性檢測；不孕小穗數與各氣象因子呈負相關，其與氣溫和≥0 ℃積溫相關性通過0.01水平顯著性檢驗，與日照時數通過0.05水平顯著性檢驗；穗粒數與各氣象因子呈正相關關系，與氣溫和≥0 ℃積溫相關性通過0.01水平顯著性檢驗，與日照時數通過0.05水平顯著性檢驗；千粒重與各氣象因子呈正相關，并且與降水的相關性通過0.05水平顯著性檢驗。成穗率與氣溫和日照時數呈顯著負相關，并通過0.01水平顯著性檢驗，與降水和≥0 ℃積溫呈顯著正相關，通過 0.05水平顯著性檢驗。黃土高原半干旱區春小麥產量的增加主要受降水的影響，1997年后降水增加使得春小麥增產；氣溫升高、日照時數的增加使得春小麥的不孕小穗數減少，有利于春小麥增產；整體來看，隨著氣候變暖，黃土高原半干旱區春小麥產量增加。

表1 1986－2016年春小麥發育期（月-日）Table 1 Development period of spring wheat from 1986 to 2016 (mm-dd)

表2 春小麥產量構成要素與氣象因子相關性分析Table 2 Correlation analysis between spring wheat yield components and meteorological factors

圖5 黃土高原半干旱區春小麥發育期生長日數線性變化趨勢Fig. 5 Linear change trends of growth days of spring wheat in Semi-Arid regions of Loess Plateau

圖6 黃土高原半干旱區春小麥不孕小穗數、穗粒數、千粒重、成穗率和產量線性變化趨勢Fig. 6 Linear change trends of infertile spikelets, grain per spike, thousand weight, ear rate and yield spring wheat in Semi-Arid regions of Loess Plateau

3 討論

氣候變化使得我國農業生產的不穩定性增加、產量波動較大（林而達，1997；秦大河，2003；張建平等，2006）。許多學者研究發現，在北半球中高緯度地區，若地表氣溫上升 1－3 ℃，糧食作物產量將會增加；若升溫超過此閾值，糧食作物產量將會降低（IPCC，2007）。由于氣候變化導致的災害發生頻率增大、作物生育周期縮短等，導致糧食作物產量下降（王馥棠，1993；郭建平，2015）。氣候變化與糧食生產之間的正負影響關系及其嚴重程度存在較大的爭議。各學者對氣象要素與春小麥產量間的關系進行了研究，定西市近年來春小麥全生育期氣溫、降水適應度呈下降趨勢，生育期內日照適應度最高，氣溫次之，降水的適應度最低，苗期的降水和氣溫是影響春小麥生長的關鍵，其次是抽穗期。降水是制約春小麥生長最關鍵的氣候因素，且氣候適宜度隨氣溫變化呈下降趨勢，對春小麥生長具有極顯著的負效應（李玥等，2014）。影響定西春小麥生長的主要氣象因子為≥0 ℃積溫、日均溫和降水量，降水量對定西春小麥生長期和產量的影響最大且極為顯著（趙鴻等，2007）。定西春小麥全生育期降水量偏多是其氣候產量豐收的必要條件，平均氣溫相對穩定是其氣候產量豐收的必要條件（楊金虎，2000）。黃土高原雨養農業區降水增加有利于春小麥產量的提高（任新莊，2017），本文研究發現定西地區春小麥生長受降水量影響較大，與其他學者的結果相一致。

氣候變化對小麥的生長產生較大的影響。冬、春麥區、北方冬麥區和南方冬麥區冬小麥的播種期、出苗期呈不同程度的推遲趨勢（除冬春兼麥區冬小麥出苗期平均變化趨勢呈小幅提前外），而抽穗期、開花期和成熟期則呈不同程度的提前趨勢（Xiao et al.，2013；He et al.，2015；肖登攀，2015）。小麥物候期的變化趨勢差異明顯，但營養生長階段和生長季長度普遍呈縮短趨勢，而生殖生長階段長度普遍呈延長趨勢（Xiao et al.，2016）。氣候變暖的背景下，春小麥發育期發生變化，其乳熟到成熟期間隔日數縮短，全生育期間隔日數縮短（姚玉璧等，2011）。這些結論與本文的結果相一致。

作物的產量主要受溫度和降水的影響，眾多學者對此進行了相關研究。近 50年來西北地區極端高溫和異常高溫分別在1997年和1995年發生突變（Fang et al.，2016；齊月等，2015），本文研究發現氣溫在1997年發生突變，結果相吻合。近54年寶雞市氣候變化呈暖干化趨勢，在滿足灌溉的基礎上，氣溫升高對小麥生產具有增產作用（宋佃星等，2016）。晉南旱地麥區小麥產量與降水量存在較高的正相關性，與生育期降水量的相關性達到顯著水平，與氣溫的相關性較小（裴雪霞等，2016）。臨汾地區年平均溫度以0.70 ℃·(10 a)-1的速度升高，春小麥產量以每10年1538 kg·hm-2的速率增加，增溫有利于小麥產量的提高（孫向偉等，2017）。在氣候變暖的背景下，氣象條件對春小麥生長發育和產量形成影響的不確定性因素增加，影響增大。如1995年、1997年和2007年因生育期降水量顯著下降，導致春小麥產量明顯減產（姚玉璧等，2011）。黃土高原半干旱區氣候暖干化背景下，春小麥產量呈下降趨勢（張秀云等，2015），此結果與本文的研究結果存在一定的差異，本文主要利用春小麥生育期內的降水量與產量進行分析，能夠更準確的確定兩者的相關關系，后期有待對不同生育階段降水量與產量的關系進行研究。

4 結論

（1）1960－2016年黃土高原半干旱區春小麥生育期氣溫呈顯著上升趨勢，并且在 1997年發生突變，1997年之后氣溫上升趨勢更加顯著；春小麥生育期降水量整體呈減少趨勢，1997年之前年降水量呈減少趨勢，1997年之后呈增加趨勢，從降水距平百分率看，干旱年份主要集中在 2000年之后。日照時數和≥0 ℃積溫呈增加趨勢。從各氣象要素變化看，隨著氣候變暖，將有利于春小麥生長發育。

（2）近 57年來，春小麥生長日數年際波動較大，整體呈縮短趨勢，尤其是 1997年平均氣溫突變后，減少幅度加劇；各生育期出現時間差異較大，春小麥從播種到出苗、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長天數呈顯著的減少趨勢，開花期到乳熟期生長天數呈增加趨勢。春小麥播種到出苗期、抽穗期到開花期和乳熟期到成熟期生長天數減少導致了春小麥全生育期生長日數縮短。

（3）近 31年黃土高原半干旱區春小麥產量整體呈增加趨勢，并且與降水呈顯著正相關，不孕小穗數和成穗率呈減少趨勢，穗粒數和千粒重呈增加趨勢。整體來看，隨著全球氣候變暖的影響，降水量、日照時數、≥0 ℃積溫的增加和氣溫的升高使得春小麥不孕小穗數減少，穗粒數、產量和千粒重增加，說明隨著氣候變暖，黃土高原半干旱區春小麥產量呈增加趨勢。