隴東黃土高原塬區夏季氣候變化對春玉米發育及產量的影響

張紅妮 ，張洪芬 ，何樹洲 ，周忠文，車向軍

（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開放實驗室，蘭州 730020；2.甘肅省慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000）

全球氣候變暖，對農業生產造成一定影響。IPCC 第五次評估報告指出，近百年全球平均氣溫上升了0.85 ℃［1］。中國西北地區與全球一樣，正在變暖變濕。相關研究表明［2］氣候變化對隴東地區糧食作物的影響也是顯著的。

慶陽市位于西北地區的甘肅省東部，陜甘寧3省區的交匯處，系黃河中下游黃土溝壑區，素有“隴東糧倉”之稱。西峰區位于隴東黃土高原最大黃土塬面的董志塬腹地，具有典型的隴東黃土高原塬地氣候特征，屬內陸季風氣候，氣候溫和，雨量豐沛，日照充足，適合農作物生長。春玉米是西峰種植面積第二大的糧食作物，近年來玉米作為食用、飼料及釀酒原料，其用途不斷擴大，隨著全膜雙壟溝播技術的推廣，種植面積也在逐漸增加。春玉米的生產受氣候條件影響很大，一般4 月中下旬播種，9 月上中旬成熟，全生育期145～170 d，是喜溫好光作物，也是一種需水較多的作物，其生長期內要求較高的熱量，而夏季（按照氣象學上劃分標準為6—8 月，下同）是春玉米拔節、抽雄、開花、吐絲、灌漿、乳熟的關鍵發育期，溫度較高，光照充足，熱量集中，又是西峰的雨季，作為旱作農業區，玉米產量的豐歉在很大程度上取決于當年生育期氣象要素的匹配程度。

關于夏季氣候有許多學者進行了研究，吳麗等［3］、鄭金新等［4］、何超［5］、赤曲等［6］、趙亮等［7］分析了夏季氣溫的變化特征，郭江勇等［8］對河東春季透雨進行了研究，李耀輝等［9］、蔡曉軍等［10］對西北地區春季和春末夏初降水的時空分布特征進行了分析，范娟等［11］、蔣樂等［12］分析了日照的變化特征，龐婷婷等［13］對沙坡頭玉米產量的豐歉氣候指標進行了研究。上述研究為分析夏季氣候變化提供了一定的依據，但是與春玉米發育期和產量結合不夠。用西峰區1990—2018 年夏季平均氣溫、降水量、日照時數、春玉米發育期及產量資料，分析夏季平均氣溫、降水量、日照時數的變化特征及其對春玉米發育期和產量的影響，對氣象條件對春玉米氣候產量的豐歉及利弊影響進行評估；對春玉米關鍵生育期氣象因子與氣候產量的相關關系進行顯著性檢驗，篩選出最有利于氣候產量形成的關鍵發育期及氣象因子，以期為調整種植結構和保證糧食安全提供理論依據，對指導當地農業生產具有重要的現實意義。

1 資源來源與研究方法

1.1 資料來源

夏季平均氣溫、降水量、日照時數資料均來源于甘肅省西峰國家基本氣象站，春玉米產量資料來源于慶陽市統計局，為西峰區平均產量。春玉米發育期觀測資料來源于甘肅省西峰農業氣象試驗站，物候期觀測采用人工目測和百分比統計方法，標準參照《農業氣象觀測規范》。氣象觀測場與春玉米物候觀測地段毗鄰，符合農業氣象平行觀測要求，觀測地段、品系、種植方法等都長期一致，年際間非氣候因素造成的差異較小。春玉米的關鍵生長生育期主要有拔節-抽雄期、抽雄-開花期、開花-吐絲期、吐絲-乳熟期。所用資料序列從1990 年至2018 年共29年，發育期物候觀測從上1 個發育期次日算起，到相應發育期當日為止。

1.2 研究方法

氣候產量Ym(i)=Y(i)-Yt(i)，式中，Y(i)代表第i年的實際產量。氣候產量反映氣象條件對玉米豐歉的影響；若氣候產量Ym(i)＞ 0，表示豐產年，若Ym(i)＜ 0，表示歉產年，若Ym(i)= 0，表示平年。

利用相關性分析、F檢驗、回歸計算等方法，對春玉米關鍵生育期氣象因子與氣候產量的相關關系進行顯著性檢驗，篩選出最有利于氣候產量形成的關鍵發育期及氣象因子。

2 結果與分析

2.1 西峰區夏季氣候的變化特征

2.1.1 平均氣溫的變化特征 從夏季平均氣溫距平演變曲線（圖1）可以看出，29 年來西峰區夏季平均氣溫為20.8 ℃，最高值出現在2016 年，為22.1 ℃，比常年（1981—2010 年，下同）平均偏高1.8 ℃，最低值出現在1993 年，為19.1 ℃，比常年偏低1.2 ℃。夏季平均氣溫呈上升趨勢，上升速率每10 年為0.46 ℃。從夏季各年代平均氣溫變化看，1990—2000 年偏低，2000—2010 年正常，2011—2018 年偏高。

圖1 西峰區夏季平均氣溫距平的變化

2.1.2 降水量的變化特征 從夏季降水距平百分率演變曲線（圖2）可以看出，29 年來西峰區夏季平均降水量為283.5 mm，最大值出現在2018 年，為496.3 mm，比常年偏多79%，最小值出現在1997 年，為143.5 mm，比常年偏少48%，呈波動增加趨勢，增加速率每10 年為4.22 mm。由夏季各年份平均降水變化看，年際波動幅度增大，1990—2000 年呈減少趨勢，2001—2018 年呈增加趨勢，尤其 2011—2018 年呈顯著增加趨勢。

圖2 西峰區夏季降水距平百分率的變化

2.1.3 日照時數的變化特征 從夏季日照距平演變曲線（圖3）可以看出，29 年來西峰區夏季平均日照時數為683.8 h，最大值出現在1991 年，為827.4 h，比常年偏多21%，最小值出現在2007 年，為579.2 h，比常年偏少15%，呈減少趨勢，減少速率每10 年為4.76 h。從夏季各年份平均日照時數變化看，1990—2000 年偏多，2001—2018 年呈減少趨勢。

圖3 西峰區夏季日照時數距平百分率的變化

2.2 西峰區夏季氣象因子對春玉米發育期和氣候產量的影響

2.2.1 平均氣溫對春玉米發育期和氣候產量的影響 從1990—2018 年夏季平均氣溫中，選取5 個偏高和5 個偏低典型年份，對西峰區春玉米發育期和氣候產量的影響進行分析（表1）。可見平均氣溫偏高年比偏低年春玉米各平均發育期均提前，其中差異最明顯的是開花期，提前了5 d，其次是拔節和吐絲期，提前了4 d，再次是抽雄期，提前了3 d，最后是乳熟期，提前了2 d。從夏季平均氣溫偏高與偏低的典型年份平均值對比中可以看出，偏高年份的春玉米各發育期均提前，全生育期日數縮短，平均氣候產量偏低；平均氣溫偏高年份比偏低年份全生育期平均縮短11 d，平均氣候產量偏低1 743.5 kg/hm2。

表1 西峰區夏季氣溫典型年份春玉米發育期及氣候產量對比

2.2.2 降水量對春玉米發育期和氣候產量的影響從1990—2018 年夏季降水量中，選取了5 個偏多和5 個偏少典型年份，對西峰區春玉米發育期和氣候產量的影響進行分析（表2）。可見平均降水量偏多年比偏少年春玉米各平均發育期均推遲，其中差異較明顯的是抽雄和開花期，推遲了8 d，其次是拔節期，推遲了7 d，再次是吐絲期，推遲了6 d，最后是乳熟期，推遲了4 d。從夏季平均降水量偏多與偏少的典型年份的平均值對比中可以看出，偏多年份的春玉米各發育期均推遲，全生育期日數延長，平均氣候產量偏高；降水量偏多年份比偏少年份全生育期平均日數延長3 d，平均氣候產量偏高892.3 kg/hm2。

表2 西峰區夏季降水量典型年份春玉米發育期及氣候產量對比

2.2.3 日照時數對春玉米發育期和氣候產量的影響 從1990—2018 年夏季平均日照時數中，選取5個偏多和5 個偏少典型年份，對西峰區春玉米發育期和氣候產量的影響進行分析（表3）。可見平均日照時數偏多年比偏少年春玉米各平均發育期均提前，其中差異最明顯的是乳熟期，提前了7 d，其余各發育期均提前了4 d。從夏季日照時數偏多與偏少的典型年份的對比中可以看出，偏多年份的春玉米各發育期均提前，但日照時數偏多年份與偏少年份對全生育期平均日數和平均氣候產量的影響不明顯，偏多年份比偏少年份全生育期平均日數僅遲1 d，平均氣候產量僅偏高155.4 kg/hm2。

表3 西峰夏季日照時數典型年份春玉米發育期及氣候產量對比

2.3 西峰區春玉米氣候產量豐歉評估及影響因素

2.3.1 西峰區春玉米產量豐歉評估 由表4 可知，1995、1997、2000、2001、2008、2009、2010、2011、2016年及2017 年均為歉產年，29 年中出現了10 次，占34%；其余的年份均為豐產年，占66%。春玉米產量的豐歉在很大程度上取決于當年生育期氣象要素的匹配程度，位于董志塬腹地的慶陽市西峰區作為典型的旱作農業區，氣象要素能較好地滿足春玉米的生長需求。

表4 西峰區1990—2018 年春玉米趨勢產量和氣候產量

2.3.2 西峰區氣象因子對春玉米氣候產量的利弊影響 氣象因子對春玉米產量形成至關重要。利用標準化后的產量數據進行分析。在標準化處理過程中，經標準化后的氣候產量Aij變量值圍繞0 上下波動，小于0 說明春玉米產量低于多年平均水平，當年氣象因子不利于春玉米生長和產量形成，大于0 說明春玉米產量高于平均水平，當年氣象因子有利于春玉米生長和產量形成。

由表 5 可知，1995、1997、2000、2001 年、2006—2011 年、2014—2017 年，西峰區春玉米氣候產量低于多年平均水平，氣象因子不利于春玉米生長和產量形成，29 年中出現了14 次，占48%；其余年份春玉米氣候產量高于多年平均水平，氣象因子有利于春玉米生長和產量形成，29 年中出現了15 次，占52%。

表5 氣象因子對春玉米氣候產量的利弊影響

2.3.3 西峰區夏季氣象因子與春玉米氣候產量的顯著性檢驗分析 利用1990—2018 年夏季氣象因子與春玉米氣候產量（Ym（i））進行相關性檢驗分析（表6），夏季平均氣溫與氣候產量的相關系數為-0.325 7，通過0.10 顯著水平檢驗；夏季降水量與氣候產量的相關系數為0.430 1，依次通過0.10 和0.05 顯著水平檢驗；夏季日照時數與氣候產量的相關系數為0.005 9，均未通過0.10 和0.05 顯著水平檢驗。結果表明，夏季氣象因子與氣候產量相關性最顯著的是降水量，其次是氣溫，日照時數與氣候產量的相關性不顯著。

表6 1990—2018 年西峰區夏季氣象因子與氣候產量的相關分析

溫度主要影響發育期，夏季氣溫過高，春玉米各發育期日期提前，全生育期生長天數縮短，尤其灌漿期提前結束，低溫可以延長春玉米的灌漿時間，有利于干物質的積累和運輸，對提高春玉米的粒重有利。而降水量的增多有利于春玉米的生長，夏季降水偏多，對高溫干旱有明顯的抑制作用，春玉米各發育期日期推后，全生育期生長天數和灌漿期延長，同時拔節抽穗和灌漿期仍需較多水分，此期土壤水分的增加更是保證穗大粒多的重要條件，故夏季降水對春玉米氣候產量的影響最大。夏季日照時數的減少，主要是由于夏季降水增加引起陰雨天數增多（即云量增加和晴天日數的減少）所致，對春玉米氣候產量的影響并不顯著。

2.3.4 西峰區春玉米關鍵生育期及氣象因子與氣候產量的相關分析 由表7 可知，西峰區春玉米關鍵發育期平均氣溫與氣候產量相關最顯著的是拔節-抽雄期，其次是吐絲-乳熟期，均呈負相關，相關系數分別為-0.415 2，-0.337 0，依次通過 0.05、0.10 的信度檢驗，表明此期的平均氣溫偏高，氣候產量偏低，平均氣溫偏低，氣候產量偏高，其余發育期的平均氣溫與氣候產量相關不顯著；降水量與氣候產量相關最顯著的是拔節-抽雄期，其次是七葉-拔節期，均呈正相關，相關系數分別為0.448 9、0.322 4，依次通過0.05、0.10 的信度檢驗，表明此期的降水量偏多，氣候產量偏高，降水量偏少，氣候產量偏低，其余發育期的降水量與氣候產量相關不顯著；日照時數與氣候產量相關最顯著的是開花-吐絲期，呈顯著負相關，相關系數為-0.500 4，通過0.01 的信度檢驗，表明此期的日照時數偏多，氣候產量偏低，日照時數偏少，氣候產量偏高，其余發育期的日照時數與氣候產量相關不顯著。

表7 西峰區春玉米關鍵生育期氣象因子與氣候產量的相關系數

由西峰區農業氣象試驗站近20 年（1998—2017年）春玉米歷史發育期觀測資料統計可知，西峰區黃土高原春玉米拔節期平均日期出現在6 月17—21 日前后，5—6 月的春末初夏干旱對春玉米雌穗分化小穗和小花不利，影響春玉米之后的生殖生長，對產量形成有不利影響；而抽雄-開花期平均日期出現在7月11—15 日、吐絲期平均日期出現在7 月14—18日，此時正值伏期（7 月11 日至 8 月20 日，下同），降水過少會誘發高溫干旱，且春玉米拔節抽穗期對水分要求較多，植株耐旱力最差，對水分和干旱也最為敏感，如果水分不足，容易引起“卡脖旱”，致使雄穗不能正常抽出，造成雌雄穗花期不遇，影響授粉和結實；8 月是春玉米灌漿高峰期，乳熟期平均日期出現在8 月13 日前后，灌漿期要求一定的溫度、充足的光照和適當的水分，高溫干旱、低溫寡照、連陰雨天氣過程均不利于春玉米灌漿，灌漿期日平均氣溫低于18.0 ℃或日平均最高氣溫高于28.0 ℃或日平均最低氣溫在15.0 ℃以下，土壤相對濕度低于60%，均不利于干物質的積累和轉化，使子粒灌漿不飽滿，子粒重和百粒重均降低，最終影響產量的形成。故西峰區黃土高原夏季春玉米生長與氣候產量密切相關的關鍵生長期內，最有利于產量形成的氣象因子是降水量，拔節-抽雄期和灌漿期降水量的增多有利于春玉米生長發育和產量的形成，灌漿期土壤水分的增加更是保證穗大粒多的重要條件。同時，夏季降水對高溫干旱有明顯的抑制作用，可使春玉米灌漿時間延長，促進了子粒干物質積累，增加粒數，提高粒重，對產量形成非常有利。最不利于氣候產量形成的氣象因子是高溫干旱（最終歸于氣溫和降水），高溫意味著氣溫過高，干旱意味著降水過少。西峰區黃土高原夏季30.0 ℃以上高溫天氣基本上都集中出現在7—8 月，此時正值伏期高溫頻發時段，又是春玉米抽雄、開花和灌漿的關鍵生長期，若氣溫過高，降水過少，發生高溫干旱的風險將增大，對春玉米抽雄、開花和灌漿生長勢必產生不利影響，尤其是灌漿期提前結束導致灌漿不充分，進而影響產量的形成。因此，西峰區夏季高溫干旱對春玉米氣候產量的形成威脅最大。春玉米是短日性植物，開花時間取決于日照長度。短日性植物在短日照下開花或提早開花或開花數目增多，在短日照下發育快。日照時數主要影響春玉米開花速度和數量，花粉的生命力與溫度、濕度關系很大，日照過長或在高溫干旱條件下，花粉失水、花絲干枯，都會使春玉米受精能力顯著下降，影響結實，故日照時數在春玉米開花-吐絲期對產量形成有一定影響，呈顯著負相關。

3 小結與討論

1）西峰區夏季平均氣溫29 年來呈上升趨勢，上升速率每10 年為0.46 ℃；降水量呈波動增加趨勢，增加速率每10 年為4.22 mm；日照時數呈減少趨勢，減少速率每10 年為4.76 h。

2）夏季平均氣溫偏高年份比偏低年份春玉米各平均發育期均提前，全生育期生長日數縮短11 d，平均氣候產量偏低；夏季降水量偏多年份比偏少年份春玉米各平均發育期均推遲，全生育期生長日數延長3 d，平均氣候產量偏高；夏季日照時數偏多年份比偏少年份春玉米各平均發育期均提前，但對全生育期生長日數和平均氣候產量的影響不明顯。

3）夏季氣象因子與氣候產量相關性極顯著的是降水量，顯著的是氣溫，日照時數與氣候產量的相關性不顯著。

4）夏季平均氣溫與氣候產量相關極顯著的發育期是拔節-抽雄期，顯著的是吐絲-乳熟期，均呈負相關；夏季降水量與氣候產量相關極顯著的發育期是拔節-抽雄期，顯著的是七葉-拔節期，均呈正相關；夏季日照時數與氣候產量相關最顯著的發育期是開花-吐絲期，呈顯著負相關。

5）農作物的生長發育是一個復雜的過程，光、熱、水、肥相互匹配，缺一不可，是諸多因子綜合作用的結果。影響農作物產量的因素也是多方面的，除氣象因子外，還受當年田地生產力水平、作物品種、耕作、栽培方式、田間管理等因素影響。本研究僅對夏季平均氣溫、降水量、日照時數對春玉米發育期及產量的影響進行了一些定性分析，對氣象因子與春玉米氣候產量豐歉及利弊進行評估，并篩選出最有利于氣候產量形成的發育期及氣象因子。氣候暖濕變化會引起各類氣象災害及病蟲害等頻繁發生，對農作物的生長發育和產量形成等方面的研究，還有待于今后進一步探討。