黃土高原地區氣候變化及其對冬小麥生產潛力的影響

齊月，張強*，胡淑娟，蔡迪花，趙福年，陳斐，張凱，王鶴齡，王潤元

1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.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，甘肅 蘭州 730020

全球氣候變暖已是不爭的事實，氣溫升高普遍存在，并且在北緯度地區升高幅度更大。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（中國氣象局氣候變化中心，2021）。受氣候變化影響，光、熱、水等資源發生了明顯變化，對作物生產造成影響。各種農業氣候資源的變化使得農業氣候生產潛力、農業布局、種植制度等發生改變，最終影響糧食生產。近年來，氣候變化對農業生產和糧食安全的影響已經成為社會關注的重大問題（IPCC，2007；Tubiello et al.，2000）。

近年來，國內外關于氣候變化對農作物影響方面開展了眾多研究（李三愛等，2005；王學強等，2008；楊重一等，2008；劉勤等，2009；齊月等，2019）。Wanget al.（2018）對陜西、山西氣溫降水變化對冬小麥產量影響進行了研究，降水減少、日均最高溫度升高均導致冬小麥產量下降，日均最低溫度升高使得冬小麥增產。Chenet al.（2018）研究黃淮海平原氣候變化對冬小麥的影響發現，氣溫升高使得冬小麥增產。Song et al.（2018）研究發現，極端氣候變化對作物產量造成不利影響。姚玉璧等（2012）分析了氣候變化對黃土高原冬小麥的影響，發現播種-越冬前和拔節-開花旬溫度升高，冬小麥產量降低，播種期和返青-拔節期旬降水量增加，冬小麥產量增加。Betts et al.（2018）研究發現，氣溫每升高1 ℃，全球糧食產量約下降10%。農作物生產潛力的研究也有相關的報道（張強等，1995；王宏等，2010；孔凡磊等，2015；安彬等，2020；周美君等，2020）。黃淮海地區夏玉米光溫生產潛力遠高于其他產區，產量可達到31150 kg·hm-2（李少昆等，2010）。龐艷梅等（2020）研究氣候變化對四川盆地主要糧食作物生產潛力的影響發現，氣候變化對冬小麥的氣候生產潛力影響最大。許多學者對黃淮海地區、東北地區、西北地區以及西南地區作物生產潛力進行了研究（袁彬等，2012；尹海霞等，2013；賴榮生等，2014；王曉煜等，2015），而針對黃土高原雨養農業區冬小麥的研究較少。

小麥是黃土高原最主要的糧食作物之一，播種面積達430×104hm2，占農作物總播種面積的32%。黃土高原地區小麥產量低而不穩，旱作農田產量更低（李軍等，2001）。甘肅省地處黃土高原，該區域主要為旱作農業區。生產力水平較低，屬于典型雨養農業，農業生產對光溫水資源的依賴性更強，對氣候變化響應敏感，至今未能全面擺脫“靠天吃飯”的局面。大多數研究從氣候變化對冬小麥發育期、生物量累積和產量構成等方面進行了研究，未對冬小麥生產潛力進行分析。因此，本研究基于聯合國糧農組織（FAO）推薦的農業生態區法（AEZ）模型測算，以黃土高原地區典型區域作為研究區，探討冬小麥生育期內氣象要素、光溫生產潛力和氣候生產潛力的變化特征，分析影響冬小麥生產潛力的主要因素，為探明氣候條件與冬小麥潛在產量之間的定量關系，合理利用自然資源和實現作物高產高效提供重要的科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

本研究以黃土高原地區冬小麥為研究對象，選取了甘肅省冬小麥種植區，站點分布如圖1所示。氣象資料為甘肅省冬小麥種植區9個氣象站點1961—2017年全年和冬小麥生育期內的平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、日照時數、降水量、風速和相對濕度等。冬小麥生育期在10月上旬至次年6月下旬，10月上旬和中旬播種，6月下旬陸續進入收獲期，到7月上旬基本結束。

圖1 黃土高原地區冬小麥種植區站點分布示意圖Figure 1 Site distribution diagram of Winter Wheat planting areas in Loess Plateau

1.2 研究方法

1.2.1 氣象要素傾向率

式中：

Yi——氣象要素變量，用ti表示Yi所對應的時間；

a——回歸常數；

b——回歸系數；

i——樣本量。

式中：

b——氣候傾向率，一般以b×10表示某要素氣候變化傾向率。

1.2.2 太陽輻射

由于太陽輻射的站點較少，在分析太陽輻射變化趨勢時進行了太陽輻射的估算。本研究采用世界糧農組織（FAO）給出的方程估算太陽輻射（Allen et al.，1998）：

式中：

Rs——太陽輻射（MJ·m-2·d）；

n——日照時數（h）；

N——可能的最大日照時數（h）；

as和bs——參數，其中as=0.25，bs=0.5（Allen et al.，1998）。Ra為天文輻射（MJ·m-2·d-1），計算方法：

式中：

Gsc——太陽常數（0.082 MJ·m-2·min）；

dr——日地相對距離的倒數；

ω1和ω2——計算初始和結束時刻的日照時間角；

δ——日傾角（rad）；

φ——地理緯度（rad）。

1.2.3 光溫生產潛力

作物生產潛力是指在一定外界環境條件下，一定時期內單位面積可能獲得的最高產量。光溫生產潛力是指在保持水、肥等相關要素最適宜的狀態下，由太陽光能和熱量條件共同決定作物產量（陳超等，2011）。采用聯合國糧農組織推薦的AEZ模型對冬小麥的光溫生產潛力進行計算（趙金忠等，2012）。

當最大干物質總生產率 ym≥20 kg·hm-2·h-1，光溫生產潛力計算公式為：

當最大干物質總生產率 ym＜20 kg·hm-2·h-1，光溫生產潛力計算公式為：

式中：

YT——冬小麥光溫生產潛力，單位為kg·hm-2；

L——作物生長和校正系數，取值0.5；

N——干物質生產校正系數，取值0.6；

H——收獲指數校正系數，取值0.45；

G——作物全生育期天數，本研究各站點采用農試驗近40 a冬小麥生育期的平均天數；

F——白天中的陰天部分，F=(Rse-0.5Rs)/0.8Rs；

ym——一定氣候條件下冬小麥葉片最大干物質總生產率，kg·hm-2·h-1；

y0——冬小麥全陰天中的干物質總生產率，kg·hm-2·h-1；

yc——冬小麥全晴天中的干物質總生產率，kg·hm-2·h-1。

1.2.4 氣候生產潛力

氣候生產潛力是光溫生產潛力受降雨條件限制而衰減后的作物生產潛力，也就是當土壤肥力和農業技術措施等參量處于最適宜條件下，由輻射、氣溫和降水等氣候因素所決定的作物產量（盧燕宇等，2020）。研究中采用下式對氣候生產潛力進行計算：

式中：

YT——冬小麥氣候生產潛力，kg·hm-2；

YTi——i月冬小麥光溫生產潛力，kg·hm-2；

fi(p)——降水水分影響函數。降水水分影響函數公式如下：

式中：

pi——歷年10月到第二年6月冬小麥生長期i月降水量；

ti——月平均氣溫；

ai——月平均相對濕度；

fi(p)——i月降水水分影響函數，若fi(p)＞1，則fi(p)仍取作1。

2 結果與分析

2.1 黃土高原地區氣候變化特征

2.1.1 氣溫

黃土高原地區 1961年以來平均氣溫、降水量和太陽輻射變化特征如圖2所示。近57 a，研究區氣溫在9.21—11.86 ℃之間波動，整體呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.29 ℃·(10 a)-1（P＜0.01）。其中，年平均氣溫最低出現在1967年，為9.21 ℃，最高值出現在2016年，為11.86 ℃。

1961—2017年研究區平均氣溫年代際變化如圖2a所示，年平均氣溫距平，20世紀60年代、70年代、80年代、90年代，21世紀10年代、20年代，分別為-0.50、10.12、10.54、0.47、0.53和10.79。可見從20世紀70年代開始氣溫年代距平呈上升趨勢，21世紀 20年代氣溫距平最大，達 10.79。20世紀 90年代平均氣溫變幅最大，變異系數為4.94%，21世紀20年代次之。

圖2 1961—2017年研究區平均氣溫、降水量和太陽輻射變化特征Figure 2 Change characteristics of average temperature,precipitation and solar radiation in the studied area from 1961 to 2017

2.1.2 降水量

1961—2017年，研究區年降水量在343.10—716.60 mm之間，其中，1997年年降水量最少，為343.10 mm。1990年降水量最豐富，為716.60 mm。年降水量的年際變化呈波動減少趨勢，其氣候傾向率為-8.66 mm·(10 a)-1（圖 2b）。

從研究區年代際降水距平百分率看，20世紀60年代較平均降水量偏多10.22%，80年代次之，為4.79%，21世紀20年代為3.58%；20世紀70年代、90年代和21世紀10年代分別偏少-3.64%、-10.96%和-2.90%（表1）。20世紀80年代降水量變幅最大，變異系數為22.22%；20世紀60年代次之，變異系數為18.50%；20世紀70年代最小，變異系數為12.61%。

2.1.3 太陽輻射

1961—2017年，研究區太陽輻射在4823.22—5723.85 MJ·m-2之間波動，年太陽輻射最低出現在1989年，為4823.22 MJ·m-2；最高出現在1965年，為5723.85 MJ·m-2。從變化趨勢看，年太陽輻射呈顯著下降趨勢（P＜0.01），其氣候傾向率為-36.00 MJ·m-2·(10 a)-1（圖2c）。

從太陽輻射的年代際變化來看，20世紀70年代偏多2.43%，60年代次之，為2.01%；20世紀80年代之后均偏少（表1）。20世紀60年代太陽輻射變幅最大，變異系數為4.28%；20世紀80年代次之，變異系數為3.69%；20世紀90年代最小，變異系數為2.06%。

表1 研究區各年代際降水距平百分率、太陽輻射距平百分率和氣溫距平Table 1 Interdecadal precipitation anomaly percentage,solar radiation anomaly percentage and temperature anomaly in studied area

2.2 冬小麥生育期氣候變化特征

2.2.1 氣溫和積溫

1961—2017年冬小麥生育期平均氣溫和≥10 ℃積溫年際變化如圖3所示，1961—2017年冬小麥生育期年平均氣溫為6.77 ℃，最低出現在1977年，為5.59 ℃；最高出現在2007年，為8.25 ℃。從年際變化來看，冬小麥生育期的平均氣溫整體上呈顯著的上升趨勢（P＜0.01），其氣候傾向率為0.3 ℃·(10 a)-1。從氣溫的年代際變化特征看，生育期平均氣溫距平 20世紀 60年代、70年代、80年代、90年代、21世紀10年代、21世紀20年代分別為-0.51、-0.42、-0.45、0.10、0.70和10.81。可見，從20世紀90年代開始生育期氣溫年代距平呈逐漸上升趨勢。20世紀90年代生育期平均氣溫變幅最大，變異系數為8.31%，20世紀60年代次之。

圖3 1961—2017年冬小麥生育期平均氣溫和≥10 ℃積溫年際變化Figure 3 Interannual variation of mean temperature and accumulated temperature ≥10 ℃ during winter wheat growth period from 1961 to 2017

近57 a，冬小麥生育期≥10 ℃積溫呈顯著增加趨勢（P＜0.01），其氣候傾向率為51.30 ℃·(10 a)-1。1961—1997年冬小麥生育期≥10℃積溫呈減少趨勢，其氣候傾向率為22.49 ℃·(10 a)-1，1998—2017年冬小麥生育期≥10 ℃積溫呈顯著增加趨勢（P＜0.01），其氣候傾向率為57.23 ℃·(10 a)-1。1961—2017年平均積溫為1491.47 ℃，≥10 ℃積溫最高出現在2007年為1803.30 ℃，最低在1982年為1271.10 ℃。從≥10 ℃積溫年代際變化來看，21世紀之前≥10 ℃積溫距平減少，之后逐漸增加，21世紀 10年代生育期≥10 ℃積溫變幅最大，變異系數為9.10%，20世紀80年代次之。氣溫和≥10 ℃積溫的增加可能有利于冬小麥的生長，這與姚玉璧等（2012）的研究結果相一致。

2.2.2 降水量

1961—2017年冬小麥生育期降水量較平穩呈微弱的增加趨勢，其氣候傾向率為0.30 mm·(10 a)-1（圖4）。近57 a，冬小麥生育期平均降水量為201.19 mm，降水最多年份是1967年，為274.60 mm；降水最少年份是1979年，為135.65 mm。從降水量的年代際變化來看，21世紀20年代冬小麥生育期降水量較平均偏多11.76%，20世紀80年代次之，為5.66%，60年代為3.67%；20世紀70年代、90年代和21世紀 10年代分別偏少-6.29%、-4.68%和-6.59%（表2）。20世紀80年代冬小麥生育期降水量變幅最大，變異系數為21.24%；20世紀60年代次之，變異系數為19.83%；20世紀90年代最小，變異系數為14.45%。從整體來看，冬小麥生育期降水量變幅較小，可能對冬小麥生長發育影響較小。

圖4 1961—2017年冬小麥生育期降水量和太陽輻射年際變化Figure 4Interannual variation of precipitation and solar radiation during winter wheat growth period from 1961 to 2017

2.2.3 太陽輻射

1961—2017年，冬小麥生育期太陽輻射整體呈波動下降趨勢（P＜0.05），其氣候傾向率為-17.34 MJ·m-2·(10 a)-1（圖4）。20 世紀 90 年代之前太陽輻射呈下降趨勢，90年代之后太陽輻射呈上升趨勢。冬小麥生育期太陽輻射最低出現在1989年，為3168.64 MJ·m-2；1966年為太陽輻射最高的一年，為3771.89 MJ·m-2。

從冬小麥生育期太陽輻射年代變化來看，21世紀20年代較平均太陽輻射偏多48.03%，20世紀60年代次之，為1.77%，90年代為0.67%；其他年代均偏少（表2）。20世紀80年代冬小麥生育期太陽輻射變幅最大，變異系數為5.89%；20世紀70年代次之，變異系數為3.21%；21世紀20年代最小，變異系數為1.77%。

表2 冬小麥生育期各年代際氣溫、≥10 ℃積溫、降水量和太陽輻射距平Table 2 Temperature,accumulated temperature ≥10 ℃ ,precipitation and solar radiation anomaly in each decadal growth period of winter wheat

2.3 氣候變化對冬小麥生產潛力的影響

2.3.1 冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力變化趨勢

冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力的變化如圖5所示，近57 a，黃土高原地區冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力多年平均值分別為85350.43 kg·hm-2和93869.73 kg·hm-2。從 1961—2017年冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力線性變化趨勢來看，光溫生產潛力和氣候生產潛力變化趨勢大體一致，均呈顯著上升趨勢（P＜0.01），其中光溫生產潛力在81000—91000 kg·hm-2之間，平均每 10年上升 663.05 kg·hm-2；最小值出現在2007年，為81922.50 kg·hm-2，1982 年最大，為90014.00 kg·hm-2。氣候生產潛力在90000—99000 kg·hm-2之間，平均每10年增加517.57 kg·hm-2；1996年最小，為90280.00 kg·hm-2，2007 年最大，為98974.70 kg·hm-2。冬小麥光溫生產潛力變化趨勢與其生育期內氣溫變化相一致，均呈增加趨勢。

圖5 1961—2017年黃土高原地區冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力變化趨勢Figure 5 Trends of light and temperature productivity potential and climate productivity potential of winter wheat in the Loess Plateau from 1961 to 2017

2.3.2 冬小麥生產潛力和氣象要素相關性分析

對冬小麥生育期光溫生產潛力和氣候生產潛力與氣象要素進行相關性分析（表3），冬小麥光溫生產潛力與氣溫和≥10 ℃積溫呈顯著正相關（P＜0.01）。冬小麥氣候生產潛力與氣溫和≥10 ℃積溫呈顯著正相關（P＜0.01）。氣溫、太陽輻射和≥0 ℃積溫對冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力是正效應，降水量對冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力是負效應。因此，甘肅省黃土高原地區冬小麥生育期內氣溫和≥10 ℃積溫的升高，有利于冬小麥光合作用，是冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力提高主要因素。

表3 冬小麥生育期光溫生產潛力、氣候生產潛力與氣象要素相關性Table 3 Correlation between light-temperature productivity potential,climatic productivity potential and meteorological factors in winter wheat growth period

3 討論

氣候變化對農業的影響一直是國內外研究的熱點問題。中國氣候變化與全球變化趨勢相一致。但是，氣候變化在我國具有明顯的區域差異，不同地區氣候變化特征不同。因此，氣候變化對各區域農作物的影響不同。本研究分析了黃土高原地區 9個站點 1961—2017年氣象因子的變化特征，研究了氣候變化對黃土高原地區冬小麥生產潛力的影響。結果表明，黃土高原地區氣溫呈增加趨勢，降水量、太陽輻射呈減少趨勢，整體表現為暖干化。但在冬小麥生長季內，氣溫和降水量均呈增加趨勢，氣溫升高能夠減小冬小麥冬季凍害的風險，保證冬小麥安全越冬。冬小麥返青后對水分需求最大，降水量增加有利于幼穗分化生長，氣溫升高影響幼穗分化的時間和分化進程。這與茆長寶等（2010）、姚玉璧等（2012）研究結果相一致。氣候變化促進黃土高原地區冬小麥的生長發育，使得生育期縮短，冬小麥產量增加。

作物生產潛力是指在一定時期內單位土地面積上最優管理條件下，作物可能獲得的最高產量（劉保花等，2015；陸魁東等，2016）。作物氣候生產潛力是研究糧食綜合生產能力的基礎，可為農業生產力布局、農業結構調整以及合理利用氣候資源提供重要的理論指導。光溫生產潛力和氣候生產潛力主要受氣溫、降水量、太陽輻射、光照等條件影響。本研究發現冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力主要受氣溫和積溫的影響，并且由于降水的增加導致日照時數減少、氣溫降低，使得光溫的作用大于降水的作用，從而使冬小麥生長受到影響。

本研究選取了目前世界上應用最廣泛的農業生產潛力評估模型，即農業生態區劃法（AEZ）模型，研究了黃土高原地區氣候變化對冬小麥生產潛力的影響。該模型涉及光、溫、水等多個影響作物產量形成的因素和指標，還考慮了不同作物在不同生長環境下產量形成的差異。該模型的基礎資料易獲取，理論結果簡單，其結果能夠較好地反映不同區域作物生產潛力狀況（王學強等，2008；趙俊芳等，2011；鐘新科等，2012），但該模型未考慮土壤屬性、作物品種、管理措施等因素對作物產量的影響。在實際的農業生產中，由于極端氣候影響、土壤水分和養分脅迫、耕作管理措施不同等問題，作物產量會遭受損失，這些因素間相互關系非常復雜。因此，未來對作物生產潛力的計算還需要綜合訂正。本研究冬小麥生產潛力的計算和分析過程是建立在假設農業生產狀況一致的前提下，沒有考慮農業生產過程中管理措施（如品種差異、農業管理措施、種植制度調整以及其他農業技術等）的不同，并且氣候變化具有周期性，今后將進行深入的分析探討。

4 結論

本研究在分析黃土高原地區冬小麥氣候變化特征的基礎上，基于AEZ模型分析各氣象要素對冬小麥生產潛力的影響，結果表明：

（1）近57 a，黃土高原地區年平均氣溫呈升高趨勢，降水量呈減少趨勢；冬小麥生育期氣溫均表現為穩定的顯著升高趨勢，降水量為增加趨勢，表明黃土高原地區冬小麥非生長季即7—9月降水量是顯著減少的，而在冬小麥生育期有明顯的暖濕化趨勢。

（2）近57 a，黃土高原地區年平均太陽輻射和冬小麥生育期太陽輻射均表現為明顯下降趨勢，冬小麥生育期≥10 ℃積溫呈顯著增加趨勢，氣溫和≥10 ℃積溫的增加有利于冬小麥生長。

（3）冬小麥生育期內氣溫升高和降水量的增加使得冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力均表現為顯著增加趨勢。生育期氣溫和≥10 ℃積溫的增加，對冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力有著顯著正效應；而降水量變化對冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力有著負效應。