河北省低平原區旱作谷子產量影響因素及發展規模分析

劉朋程，郝洪波，郭安強，崔海英，王倩，李新，張書存，李明哲*

（1.河北省農林科學院旱作農業研究所/ 河北省農作物抗旱研究重點實驗室，河北 衡水 053000；2.景縣農業農村局，河北景縣 053500；3.衡水市桃城區農業農村局，河北 衡水 053000）

近年來，河北省地下水超采問題日益嚴峻，地下水位嚴重下降，不僅限制了河北省農業的發展，也影響著河北省的民生大計[1]。為減少地下水開采，解決水資源危機，河北省大力調整種植業結構，將小麥—玉米一年兩季改為只種一季玉米或雜糧[2]。谷子是我國特色雜糧，栽培歷史悠久，耐干旱、貧瘠和酸堿，在我國南北干旱地區和貧瘠山區均有種植，為旱作可持續生態農業的重要組成部分[3]。隨著農業種植結構調整步伐的加快，谷子種植面積逐漸增大，而發展谷子面積對糧食目標總產量的影響尚不明確。因此，分析谷子生育期氣象因子與產量的關系以及旱作谷子對糧食保障的影響至關重要。

近年來，我國學者對谷子產量與氣象因子的關系進行了分析，取得較多研究成果[4～6]。張榮等[7]對大同谷子產量與氣象因子的關系進行相關分析和回歸分析，結果顯示，造成谷子產量差異的主要氣象因子是降水量和日照時數。張婷等[8]認為，近10 多年造成華北夏谷產量顯著差異的原因是氣候因素，谷子產量與最低溫和降水量呈極顯著負相關。郭天財等[6]研究表明，降水量和降水時間分配不合理是影響夏谷產量的主要因素。楊延兵等[9]也發現，研究地點和年份的谷子產量差異主要受氣候因素的影響，其中降水量和降水時間分布是主要原因，谷子子粒產量與6 月中下旬苗期降水量和7 月下旬至8 月中旬孕穗至開花期的降水量呈顯著負相關。

河北省谷子主要種植在衡水市、保定市、石家莊市、邯鄲市和滄州市等平原地區。谷子主要種植區多采用旱作種植，生育期需水主要靠自然降水來滿足。除降水外，其他氣象因子如氣溫、日照時數、風速等對谷子產量也有很大影響。谷子生長區域性較強，不同地區的生態氣候和生產條件差異較大，年際間有一定的波動。但目前針對河北省區域內不同生態條件下谷子品種的適應性以及氣候因素變化對產量影響的相關研究相對較少。因此，以夏谷品種冀谷19 為試材，分析氣候因素對河北省5 個不同生態地點（生態區）谷子產量的影響，解析品種對生態環境的適應性，明確影響谷子豐產、穩產的氣候因子及其變化趨勢，探討發展旱作谷子與糧食總產目標的可行性，為谷子品種的生產利用和布局提供理論支撐，為政府部門對谷子產業發展的引導提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

2012～2016 年在河北省谷子主要產區（衡水、滄州、石家莊、保定、邯鄲）進行谷子旱作種植試驗，其中，衡水試點位于深州護駕遲鎮，滄州試點位于滄縣前營村，石家莊試點位于藁城區馬莊，保定試點位于徐水區大午路，邯鄲試點位于邯山區苗莊村。

1.2 試驗材料

參試夏谷品種為冀谷19。

各試點的日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、日照時數、風速、相對濕度等氣象數據，直接取自中國氣象數據共享服務網；糧食生產情況數據如糧食面積、產量等，來自國家統計局網站；各市常住人口數據，來自第七次全國人口普查公報。

1.3 試驗方法

采用兩因素隨機區組設計，因素1 為地點，因素2 為年份。各試點種植面積均為43.2 m2，3 次重復。谷子足墑播種，其他管理同大田常規。谷子成熟后，每小區選3 m2長勢均勻一致的區域，測定產量。

計算年份、地點、地點×年份對產量的變異貢獻率：

變異貢獻率（%）=SS變因/（SS總-SS誤-SS區組）×100%

式中，SS變因為具體變化因素的離差平方和；SS總為總離差平方和；SS誤為組間離差平方和；SS區組為組內離差平方和。

對產量（Y）與氣象因子（X）的關系進行逐步回歸分析，建立回歸方程。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2013 軟件對數據進行統計分析，利用SPSS 24.0 軟件數據處理系統進行方差分析和逐步回歸分析，利用eviews 8.0 統計軟件對氣象因子年際間變化趨勢進行線性回歸方程分析（回歸系數×10 為要素每10 a 的變化率[10]）。

2 結果與分析

2.1 產量的聯合方差分析

5 a 計5 個試點谷子產量的方差分析結果（表1）顯示，年份、地點、地點×年份均對產量具有極顯著的影響（p＜0.01）。其中，年份對產量的變異貢獻率最大，為47.93%；其次是地點×年份，對產量的變異貢獻率為43.02%；地點對產量的變異貢獻率最小，僅9.05%。說明谷子產量的差異主要來源于年際間的氣候差異，而地點間的氣候差異較年際間的氣候差異小。

表1 各試點年際間谷子產量聯合方差分析Table 1 Joint variance analysis of millet yield in different places and years

2.2 年份和地點對谷子產量的影響

品種穩定性通常代表其對環境的適應能力，一般利用變異系數（CV）表示，CV 越大，表示產量穩定性越差[9]。各試點的產量CV 順序為滄州＞保定＞石家莊＞衡水＞邯鄲（表2），說明滄州和保定年際間谷子產量穩定性較差，石家莊和衡水年際間谷子產量穩定性中等，邯鄲年際間谷子產量穩定性較好。5 a 計5個試點冀谷19 的平均產量為4 894.79 kg/hm2。各試點的產量均值順序為石家莊＞衡水＞邯鄲＞保定＞滄州，說明石家莊和衡水在保持一定產量穩定性的情況下更容易實現豐產。相同年份，各試點的產量表現并不一致，且未表現明顯的規律。2012～2016 年5 個試點的谷子產量均呈先增后降的單峰曲線變化，除衡水試點外，其他試點產量均在2014 年達到峰值，說明年際變化對產量的影響較地點的影響更大，這與年份、地點、地點×年份對谷子產量的貢獻率結果相吻合。

表2 谷子產量差異的多重比較Table 2 Multiple comparisons of millet yield differences （kg/hm2）

2.3 谷子產量與氣象因子的逐步回歸分析

谷子生育期氣象因子與產量的逐步回歸分析結果（表3 和4）顯示，不同地區，影響谷子產量的主要氣象因素不盡相同。影響衡水谷子產量的主要氣象因素為降水量，與產量的回歸方程達到顯著水平，谷子生育期的降水量為200.80～426.50 mm，對產量有負效應。影響保定谷子產量的主要氣因素為日照時數和風速，與產量的回歸方程達到極顯著水平，其中，谷子生育期的日照時數為414.70～531.30 h，對產量有正效應；風速為1.77～2.06 m/s，對產量有負效應。影響邯鄲谷子產量的主要氣象因子為降水量、日最高氣溫和平均相對濕度，三者變化區間分別為243.80～685.00 mm、29.67～31.63 ℃和66.69%～73.16%，與產量的回歸方程達到顯著水平，對產量分別有負效應、負效應和正效應。影響滄州谷子產量的主要氣象因子為降水量、日最高氣溫和日最低氣溫，三者變化區間分別為129.60～529.80 mm、29.69～31.23 ℃和20.97～22.44 ℃，與產量的回歸方程達到顯著水平，對產量分別有負效應、正效應和負效應。影響石家莊谷子產量的主要氣象因子為日照時數，與產量的回歸方程并不顯著，谷子生育期的日照時數為601.00～1 224.30 h，對產量有負效應。

表3 不同年份各試點谷子生育期的主要氣象因子Table 3 Main meteorological factors of millet growth period at each pilot in different years

表4 產量與氣象因子的逐步回歸分析Table 4 Stepwise regression analysis of yield and meteorological factors

2.4 影響谷子產量的氣象因子變化趨勢

對近60 a 來顯著影響谷子產量的主要氣象因子年際變化趨勢進行分析，結果（表5） 顯示，不同地區，谷子生育期內的主要氣象因子年際變化趨勢不盡相同。衡水的降水量呈顯著降低趨勢，變化速率為-20.28 mm/10 a。保定的日照時數呈極顯著降低趨勢，變化速率為-48.54 h/10 a；平均風速呈降低趨勢，但未達到顯著水平。邯鄲的平均相對濕度呈極顯著降低趨勢，變化速率為-1.24%/10 a；降水量和日最高氣溫的變化均未達到顯著水平，屬于正常波動。滄州的日最低氣溫呈極顯著升高趨勢，變化速率為0.15 ℃/10 a；降水和日最高氣溫的變化均未達到顯著水平，屬于正常波動。石家莊的日照時數呈顯著降低趨勢，變化速率為-95.09 h/10 a。

表5 各試點近60 a 來顯著影響谷子產量的主要氣象因子變化趨勢Table 5 Variation trend of main meteorological factors significantly affecting millet yield in the recent 60 years

2.5 發展旱作谷子的可行性分析

足墑播種情況下，各試點谷子生育期間的降水均能滿足其正常生長。河北省發展旱作種植形勢迫切，發展旱作谷子可有效減少地下水開采，但旱作谷子面積的增加要保證不會影響國家下達的糧食總產量目標。2020 年國家下達河北省糧食目標總產量為373.9×108kg，河北省當年糧食產量較國家下達目標增加了5.7×108kg，平均產量為5 941.5 kg/hm2。由此推算，河北省發展旱作谷子與糧食結構維持現狀相比，總糧食減產1 046.71 kg/hm2，在保證糧食目標總產量前提下，可發展旱作谷子的最大面積為54.44×104hm2。2020 年全國人均糧食產量為475.0 kg，河北省為500.0 kg，河北省整體人均糧食產量高于全國水平（表6），其中衡水、滄州、邯鄲和邢臺的人均糧食產量高于全國平均水平，這4 個城市屬于糧食輸出型城市。因此，河北省可在衡水、滄州、邯鄲和邢臺優先發展旱作谷子種植，以緩解地下水開采壓力。

表6 2020 年河北省及全國糧食種植情況Table 6 Grain cultivation in Hebei Province and China in 2020

3 結論與討論

谷子產量水平不僅與自身的遺傳因素有關，還受外界環境的影響，且外界環境條件的變化對產量影響較大[11]。不同種植地點和種植年份的差異是造成外界環境變化的主要因素。本研究結果表明，年份對谷子產量的變異貢獻率最大，為47.93%，說明年際間氣候因素波動較大是造成谷子產量差異的主要因素，這與曹玲等[12]的研究結果一致；地點×年份對產量的變異貢獻率次之，為43.02%；地點對產量變異貢獻率最小，為9.05%，說明5 個試點間氣候差異較小。同一地區年際間氣象因子差異較大，會嚴重影響作物產量的穩定性。因此，因地制宜種植谷子顯得尤為重要[13]。

本研究結果表明，各試點的產量變異系數順序為滄州＞保定＞石家莊＞衡水＞邯鄲，說明邯鄲年際間谷子產量穩定性相對較好，石家莊和衡水谷子產量穩定性中等，滄州和保定年際間谷子產量穩定性相對較差。各試點的5 a 平均產量順序為石家莊＞衡水＞邯鄲＞保定＞滄州，說明石家莊和衡水在保持一定產量穩定性的情況下更容易實現豐產。

選擇合適的品種，對于產量穩定性和豐產性也具有至關重要的作用。韓彥青等[14]對山西中東部3 個谷子品種進行多年多點比較試驗，篩選出穩定性、適應性好的品種晉谷59 和晉谷21。本研究僅以冀谷19 為試驗材料，沒有品種間的比較，在今后的研究中將重點針對不同品種進行篩選。

谷子產量主要與品種特性、田間管理和氣候因素有關，隨著現代農業的發展，育種技術和田間管理水平逐漸成熟，不可控因素僅剩氣候因素。氣溫、日照、降水、風速等氣候因素與谷子生產關系密切，谷子生產在較大程度上受到氣候條件制約。安盼盼等[15]認為，谷子生育期內氣候因素的差異可能是造成谷子產量差異的重要原因。劉猛等[5]和肖成海等[16]研究表明，降雨量在一定范圍內，與谷子產量呈正相關，超過一定范圍后與谷子產量呈負相關。本研究結果表明，2012～2016 年衡水、邯鄲、滄州三地谷子生育期內的降水量分別為200.80～426.50、243.80～685.00 和129.60～529.80 mm，均與產量呈負相關，說明適宜的降水量有利于谷子實現高產，谷子生育期內降水量200mm左右較為理想。降水過多可能會影響花朵發育和授粉，也不利于谷子根系下扎，直接給產量造成負面影響。衡水的降水量呈顯著減少趨勢，對產量有正效應。

張婷等[8]研究了華北夏谷近15 a 谷子產量與氣候的關系，結果顯示，谷子生育期的日最低氣溫對產量具有負效應，日最高氣溫對產量具有正效應。本研究結果表明，滄州日最高氣溫和日最低氣溫與產量的回歸方程達到極顯著水平，其中日最高氣溫對產量有正效應，日最低氣溫對產量有負效應，這與張婷等[8]的研究結果一致。滄州氣候因子的變化只有日最低氣溫達到顯著增長趨勢，說明影響滄州谷子產量的關鍵氣象因素為日最低氣溫。影響邯鄲谷子產量的關鍵氣象因子為平均相對濕度，其隨年代變化呈顯著降低趨勢。保定日照時數和平均風速與產量的回歸方程達到極顯著水平，其中日照時數對產量有正效應，但未來日照時數隨年代變化呈顯著降低趨勢；平均風速對產量有負效應，其隨年代變化降低不顯著，屬于正常波動，因此，未來影響保定谷子產量的關鍵因素為日照時數。

河北省地處華北平原北部，在維護地區乃至國家糧食安全中起著重要的作用。近年來，農業用水占河北省用水總量的比例較大，導致河北省地下水資源持續減少，地下水位快速下降，形成了世界最大的連片地下水漏斗區[17，18]。政府部門通過調整種植制度，壓縮高耗水作物的種植面積，以達到農業水資源減量利用的目的[1]。谷子耐干旱、貧瘠，是旱作可持續生態農業的重要組成部分。河北省發展旱作谷子種植面積可以有效減少農業灌溉水的消耗，對地下水壓采具有重要的積極作用。本研究結果表明，谷子生育期內的降水可以滿足其正常生長，實現旱作種植。在保證糧食目標總產量前提下，河北省可發展旱作谷子的最大面積為54.44×104hm2。