關中西部大豆產量對氣候生態條件的響應

屈 洋，王可珍，劉 洋，康軍科，劉永斌，梁福琴

（1寶雞市農業科學研究院，陜西岐山 722499；2延安市農業科學研究所，陜西延安 716000；3麟游縣農技中心，陜西麟游 721500）

0 引言

在全球氣候變暖的背景下，應對氣候變化是作物生產健康發展的必然要求[1]。大豆是關中西部農作區重要的秋糧作物，其在關中西部乃至黃淮海地區都有重要的生產地位[2-3]。深入研究氣候變化對大豆產量的影響，對提高關中西部以及類似生態地區的大豆生產水平至關重要。農業是對氣候變化最敏感的產業之一[4]，氣候條件直接影響農作物的生長發育和產量[5]，大豆單產及產量構成因素的形成不僅取決于栽培措施和品種，而且受到生長環境光、溫、水、氣等氣象因子的影響[6]，只有充分協調品種、環境和措施三因素才是大豆取得高產的關鍵[7-8]。氣候變化既使大豆生育期逐漸延長，且不同地區影響大豆生育期的主要氣象因子存在差異[9]，又使溫度升高導致作物光合速率下降[10]、生長發育速度加快、呼吸作用增強和產量下降[11]。在大豆高緯度地區，氣候變暖可改善大豆生育期間熱量條件，大豆產量將增加[12-13]，其中出苗—開花的日照時數、活動積溫和日較差與大豆產量的關聯度較大[14]；在大豆低緯度地區，氣溫升高0.5～1.5℃、降水量增加20%的情況下，大豆的生產能力降低2.7%[15-16]，其中不同的氣象因子影響存在差異，在一定范圍內降水量增加對大豆產量形成有利，日照時數對大豆產量影響較小，氣溫升高對大豆產量有一定的負作用，且不同地區的影響存在差異[17]。

近年來，關中西部乃至黃淮大豆種植區自然災害頻發[18]，農業生態環境、作物生長發育及產量形成受到嚴重影響[19]，小麥[20]、玉米[21]、水稻[22]等作物已經明確對氣候變化的響應，但是關于夏大豆對氣候變化的響應方面的報道相對較少。因此，研究氣候變化對夏大豆產量及產量構成的影響，對探索氣候變化條件下的大豆生產及自然災害的應對措施具有重要的實踐意義。本研究以關中西部主推的大豆品種為材料，通過連續多年的觀測，研究年際間大豆產量及產量構成因素的變化，探索極端天氣對大豆產量的影響，揭示影響該區域大豆生產的主要氣象因子，以期為關中西部乃至黃淮海地區大豆高產穩產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

研究田間試驗于1998—2017 年（編號為1～20）在寶雞市農業科學研究院岐山縣劉家塬試驗基地進行。

1.2 試驗材料

以取自陜西省雜交油菜研究中心的大豆品種‘秦豆8號’為試驗材料，進行產量和農藝性狀的長期定位觀測。種植密度187500 株/ hm2，行距40 cm，株距13.3 cm，小區面積133.4 m2。土壤為粘壤土，土壤基礎養分為有機質15.5 g/kg，硝態氮0.99 g/kg，氨態氮109.8 mg/kg，速效磷25.2 mg/kg，速效鉀173.7 mg/kg。各年份田間管理一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 大豆物候期、產量及產量構成因素 記錄播種、出苗、開花、成熟日期，并于大豆成熟期隨機選取小區20株進行室內拷種，詳細記載株高、結莢高、主莖節數、主莖分支、單株莢數、單莢粒數、單株粒數、單株粒重和百粒重，全區收獲進行記產。

1.3.2 氣象數據 日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、日降水量等數據來源于岐山縣氣象局。生育期內有效積溫(growing-degree days,GDD)采用公式(1)[23]計算。

式中，t為生育期內某個時間段，N是從播種到成熟的天數；Tmax和Tmin為第i天的日最高溫度和日最低溫度，大豆生理基礎溫度Tbase=10℃，大豆生理上限溫度Tut=29℃；當Tmin

1.3.3 氣象災害 高溫熱害即大豆全生育期日平均溫度≥29℃的高溫天氣[24]；成熟期陰雨即大豆成熟期總降雨量≥120 mm的陰雨天氣。

1.3.4 統計分析 采用Microsoft Excel 2010軟件整理數據和做圖，并計算均值和標準差。利用SPSS 20.0進行回歸分析、相關性分析和聚類分析。聚類分析采用歐式距離(Euclidean’s)和離差平方和法(Ward’s)進行聚類；相關分析應用Pearson 方法進行，并用Tukey’s 法進行差異檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同年份類群大豆的農藝特性

以大豆農藝特性和產量為基礎進行不同年份的類群分析，見圖1。不同年份類群分為3 類，第一類包括1、5、8、4、9、17、10、2、7 和20；第二類包括3、11、14 和19；第三類包括6、12、15、18、13、16，說明不同年份間大豆農藝和產量特性存在一定的差異，同時部分年份間大豆農藝和產量表現具有一定的相似性。3個類群農藝性狀存在差異，其中，第一類群平均單產最高2684.1 kg/hm2，平均百粒重21.7 g，分別比第二類群平均單產和平均百粒重高1364.55 kg/hm2和4.21 g；其次是第三類群平均單產1950.3 kg/hm2，平均百粒重19.49 g，分別比第二類群平均單產和平均百粒重高630.75 kg/hm2和2.0 g（見表1）。

2.2 不同年份類群主要氣象因子差異

表2顯示，3個類群大豆生育期間主要氣象因子存在差異，其中一類群體生育期平均有效積溫最低，低于平均有效積溫最高的三類群體59.18℃（播種—開花平均有效積溫-10.83℃，開花—成熟平均有效積溫-48.35℃）；二類群體生育期平均有效積溫次之，低于平均有效積溫最高的三類群體14.15℃（播種到開花平均有效積溫39.37℃，開花到成熟平均有效積溫-53.52℃）。一類群體生育期平均有效降雨最高，高于平均有效降雨最低的二類群體22.42 mm（播種—開花平均有效降雨-0.6 mm，開花—成熟平均有效降雨23.02 mm）；三類群體生育期平均有效降雨次之，高于平均有效降雨最低的二類群體13.1 mm（播種到開花平均有效降雨-17.97 mm，開花到成熟平均有效降雨31.07 mm）。

2.3 不同年份類群主要氣象因子與產量的關系

2.3.1 災害性天氣與產量構成因素 不同類群大豆全生育期災害性天氣的發生存在差異（見表3），其中第二類群大豆全生育期平均高溫發生天數最多，其次是第三類群，第一類群全生育期平均高溫發生天數最少，分別低于第三類群和第二類群0.34天和6.59天；第二類群成熟期平均降雨量最多，分別高于第一類群和第三類群15.52 mm 和6.27 mm；說明災害性天氣可能對大豆產量形成具有影響。

對災害性天氣和大豆產量構成因素進行相關分析（見表4），大豆產量構成因素中單株粒數、百粒重和單產均與災害性天氣呈負相關，其中高溫發生天數與單株粒數、百粒重呈顯著負相關(P<0.05)，并與單產呈極顯著負相關(P<0.01)；9～10 月降雨與單株粒數呈顯著負相關(P<0.05)，并與單產和百粒重呈極顯著負相關(P<0.01)。說明災害性天氣對大豆產量形成的影響是消極的。

2.3.2 關中西部大豆產量形成的適宜氣象條件 以第一類群大豆全生育期氣象條件為基礎，對大豆生育期間的有效積溫、降雨量和單產進行回歸分析（圖2～3）。圖2 顯示，大豆花前有效積溫和花后有效積溫與單產呈二次函數關系（R2=0.6057，P<0.05；R2=0.7051，P<0.05），隨著花前和花后有效積溫的增加單產呈現先增高后降低的趨勢。圖3 顯示，大豆花前有效降雨和花后有效降雨與單產分別呈二次函數關系和一次函數關系（R2=0.5971，P<0.05；R2=0.6056，P<0.05），隨著花前有效降雨的增加單產呈現先增高后降低的趨勢，而隨著花后有效降雨的增加單產不斷下降。

表1 不同年份類群大豆的農藝特性

表2 不同年份類群大豆生育期間主要氣象因子

表3 不同年份類群大豆生育期間平均高溫發生天數及9—10月降雨量

表4 大豆產量構成因素與高溫天數、9—10月降雨量的相關分析

對第一類群大豆生育期間有效積溫和降雨進行分析（見表5）。關中西部大豆生育期間適宜產量形成的有效積溫為播種—開花期間458.87～731.13℃、開花—成熟期間646.25～943.45℃；有效降雨為播種—開花期間90.62～105.95 mm、開花—成熟期間183.38～324.12 mm。

3 討論

3.1 年際間大豆產量及農藝特性的相似性

產量及產量構成因素是作物適應生態條件的具體表現[25]。年際間作物種植的生態環境條件既存在差異又存在一定的相似性，作物可通過年際間的農藝特性表現來獲得作物對生態條件的適應能力[26]。本研究表明，年際間大豆品種農藝表現存在一定的差異性，部分年際間大豆品種的農藝特性表現存在一定的相似性；依據年際間大豆農藝特性的聚類分析顯示具有類似產量及產量構成因素的年份聚集在一起，同時對不同類群的主要氣象因子進行系統的梳理，發現3 個類群之間大豆生育期主要氣象因子存在明顯的差異，進一步說明氣象生態條件對大豆生長和發育具有重要的影響，類似的氣象生態條件下大豆的農藝特性表現具有一定的相似性。

3.2 自然災害與大豆產量形成

大豆產量及產量形成既受到品種和管理措施的影響又受到氣象生態條件的影響[27]。近年來，大豆“癥青”成為危及黃淮海大豆生產的主要災害，且這種災害是毀滅性的，造成這種現象的原因可能是蟲害[28]、缺少微量元素[29]、不良天氣[30]和種植措施[31]等。本研究發現，不同類群全生育期平均高溫發生天數存在差異，平均單產較高的類群高溫發生天數低于平均單產低的類群，說明大豆的產量與高溫發生天數存在一定的關系；回歸分析表明，高溫發生天數與產量及產量構成因素存在顯著的負相關，進一步驗證了大豆生育期高溫熱害是影響大豆產量形成的關鍵因素，可能的原因是高溫熱害造成大豆花莢脫落[32]，大豆營養物質流動受阻，植株營養不能完全消耗，導致大豆生育后期持綠、落葉困難[33]，最終使大豆百粒重和單株粒數減少影響產量，同時高溫熱害造成的這一現象也可進一步解釋大豆“癥青”大面積發生的原因。作物成熟期連陰雨，田間濕度大，使霉菌迅速繁殖，導致作物籽粒霉變嚴重影響產量[34-35]。本研究表明，大豆生育后期降雨量過多是危害大豆產量的重要因素，且與大豆產量及產量構成因素呈負相關，可能的原因是大豆生育后期降雨導致田間低溫、寡照[36]不利于大豆灌漿和籽粒形成，同時過多的降雨導致大豆籽粒霉變[37]，不利于大豆產量及品質的形成[38-39]。關于高溫熱害和生育后期降雨導致大豆產量降低相關方面的機理還需要進一步的研究。

表5 大豆產量形成的適宜溫度和降水

3.3 氣候變化及應對措施

隨著CO2等溫室氣體的不斷排放，全球氣候變暖對農業生產產生重要影響[40]。關中西部農作區在氣候變暖、高溫熱害、降雨分配不均的自然資源條件下[41]，也存在大豆適宜的生產條件。本研究表明，在關中西部氣候生態條件下，適宜大豆產量形成的有效積溫為播種—開花期間458.87～731.13℃、開花—成熟期間646.25～943.45℃；有效降雨為播種—開花期間90.62～105.95 mm、開花—成熟期間183.38～324.12 mm。同時，大豆作為夏播作物應不斷篩選耐熱品種、延遲播種期等技術途徑合理規避氣象災害，且關中西部乃至黃淮農作區都是小麥—夏大豆1年2熟制，合理分配水熱資源可有效促進夏大豆生長及產量形成，研究表明關中地區在氣候變暖條件下冬小麥應適宜晚播[42]，且在傳統播期基礎上后延3～5 天[43]。因此，夏大豆生長應充分利用該階段的水、光、熱等氣象資源，再不影響冬小麥播種的基礎上延長收獲期，提高夏大豆的單位面積產量。

4 結論

年際間大豆產量及產量構成因素存在差異，部分年際間大豆對氣象生態條件的響應存在相似性；災害性天氣是影響大豆產量及產量構成因素的關鍵因子，高溫熱害對大豆花莢期產量形成危害較重，9—10 月降雨量對鼓粒成熟期產量形成具有較大影響；適宜的氣象生態條件是關中西部地區大豆產量形成的關鍵因素，選擇耐高溫品種和適時晚播可有效規避大豆花莢期發生的高溫熱害，為大豆生育后期產量形成創造條件。