白銀市氣象條件與農作物產量的相關性分析

白登元，王銀花

(白銀市氣象局，甘肅白銀 730900)

農業(yè)是易受氣候變化影響的脆弱生產系統(tǒng)[1-3]，氣候變化對農業(yè)生產的影響及其應對已經列為白銀市保持農業(yè)生產持續(xù)穩(wěn)定及農業(yè)農村經濟持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略任務，農業(yè)氣象業(yè)務作為白銀市農業(yè)生產效率的重要保障，對于白銀市開展農業(yè)生產具有舉足輕重的意義。因此，要充分認識到農業(yè)氣象業(yè)務的重要性，將科研與業(yè)務相結合，根據(jù)農業(yè)發(fā)展需求展開相應的農業(yè)氣象業(yè)務工作，提供更加高效、優(yōu)質的農業(yè)氣象服務，并且建立氣象防災減災服務體系，增強對重大氣象災害和突發(fā)公共事件的氣象應急保障能力[4-5]。氣象服務本身就是農業(yè)生產應對氣候變化采取的措施，重視氣象因素對農業(yè)生產可能產生的不利影響，加強氣象災害的監(jiān)測、預報和預警技術研究，提高農業(yè)生產應對各類氣象災害的能力，可以有效減少作物受災情況的發(fā)生，保障作物的增產增收，保持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

農業(yè)是國民經濟的基礎，農業(yè)生產是在自然的、多變的氣候環(huán)境條件下進行的自然再生產和社會再生產過程，生產的每個環(huán)節(jié)都與氣候條件密切相關[6-7]。氣象條件對農業(yè)生產過程有重要影響，主要包括光照、溫度、水分、風力等氣象因素對農業(yè)生產的影響[8-11]。因而研究和分析氣候變化對農業(yè)的影響是非常必要的，農業(yè)生產迫切需要掌握當?shù)氐臍庀箢A報信息，發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，提出對策，防災減災。本研究通過分析白銀市2011—2020年的氣象因子與糧食產量的關系，分析降雨量、氣溫、土壤溫度3 個氣象因素，以及各因素對糧食產量的影響。研究氣候規(guī)律對糧食產量的影響，為預報和服務農業(yè)生產提供依據(jù)，對種植結構優(yōu)化有著十分重要的意義。同時，對全市降雨時空變化特征進行分析，以期為白銀市農業(yè)生產和預防旱災發(fā)生提供參考依據(jù)。

1 資料來源

本研究選取2011—2020年白銀市氣象站降雨和氣溫的觀測資料及2011—2021 年地面以下0、5、10、15、20、40 cm 逐月地溫觀測資料，對于統(tǒng)計中缺測的數(shù)據(jù)用2000 —2021 年的多年平均值替代。季節(jié)劃分如下：春季為3—5 月，夏季為6—8 月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月。糧食作物和經濟作物的總產量數(shù)據(jù)由白銀市糧食局提供。

2 結果與分析

2.1 降雨因素對農作物產量的影響

降雨量是影響農作物產量的一個重要因素。通過對白銀市2011—2020 年各月的降雨資料進行統(tǒng)計分析，結果如圖1 所示，降雨總量基本集中在6—9 月，可以占全年降雨量的70%～80%，其他月份降雨偏少。而造成降雨時間分布不均的原因主要與季風因素有關，白銀市處于半干旱和干旱氣候區(qū)，冬季受盛行西風影響降水極少，出現(xiàn)降水最少月；夏季受偏南及偏東氣流的影響降水較多，降水量集中于下半年的現(xiàn)象比較突出。

圖1 白銀市各年度降雨量分布圖

對不同年份降雨量與農作物產量進行統(tǒng)計，如表1 所示，結果表明：2014 年的平均降雨量最高，為298.1 mm，是多年平均降雨量的1.38 倍；2016 年平均降雨量最低，為170.0 mm，是多年平均降雨量的0.78倍；從年平均降雨量變化趨勢看，白銀市年平均降雨量呈逐年穩(wěn)定趨勢。糧食作物和經濟作物總產量隨著降雨量的增加逐年遞增，但當降雨量開始減少時，糧食產量并沒有隨之減少，產量依舊呈現(xiàn)增大的趨勢，說明降雨的減少并沒有影響農業(yè)產量。降雨偏少，灌溉用水減少，會導致農業(yè)生產的減產，而白銀市地處甘肅省中部，黃河流經白銀258 km，占黃河甘肅段的50%以上，為地方發(fā)展提供了得天獨厚的優(yōu)勢條件。從20 世紀70 年代開始，白銀市先后建成了景電工程、興電工程、靖會工程、劉川工程等18項大中型電力提灌工程和900 多項小型水利工程，依托沿黃灌區(qū)發(fā)展農業(yè)生產，高揚程電力提灌工程已成為保障糧食安全、發(fā)展農業(yè)經濟、帶動龍頭企業(yè)和改善生態(tài)環(huán)境的“命脈”工程，對糧食穩(wěn)產增產發(fā)揮了巨大作用。

表1 不同年份下降雨量與農作物產量統(tǒng)計表

2.2 氣溫因素對農業(yè)生產的影響

氣溫與農業(yè)生產的關系非常密切，它是研究作物生長發(fā)育對熱量的要求和評價熱量資源的一項指標，它直接影響作物的生長、分布和產量。農業(yè)上把日平均氣溫5 日滑動平均穩(wěn)定通過0 ℃的時期作為適宜農耕期，≥0 ℃積溫是農作物可利用的熱量資源；日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃的時期，是越冬作物生長活躍期和喜溫作物播種期與生長活動期，≥10 ℃積溫反映作物生長期內的熱量狀況。這2 項積溫代表當?shù)氐臒崃抠Y源狀況，是農業(yè)氣候熱量的分析和區(qū)劃、農作物種植規(guī)劃、引進或推廣地區(qū)溫度條件等的常用指標[12]。白銀市日平均氣溫穩(wěn)定通過0、10℃的活動積溫平均分別 為3 807 ℃·d、3 216 ℃·d，由于≥10 ℃積溫在3 600～4 000 ℃·d 范圍內可實現(xiàn)1 年2 熟，≥10 ℃積溫在3 000～3 500 ℃·d 時，小麥收獲后可復種其他多種作物。因此，白銀市熱量充足，有利于提高復種指數(shù)。

通過對不同年份下年平均氣溫進行統(tǒng)計，如表2所示，年平均氣溫呈增大—穩(wěn)定—增大的趨勢，2014年、2017 年為兩個轉折點。2019 年的年平均氣溫最高，為9.4 ℃，相對平均值變化率為9.27%；2011年平均氣溫最低，為7.5 ℃，相對平均值變化率為7.62%。

表2 不同年份下年平均氣溫統(tǒng)計表

溫度對于農作物的產量是一個至關重要的因素，農作物的生長一般存在著一定的溫度范圍，大多數(shù)農作物能夠適應一定的溫度變幅區(qū)間。溫度低于或高于此上下限，則生長緩慢。通過對白銀市不同年份下年平均氣溫與農作物產量進行統(tǒng)計，得到各年度不同年平均氣溫下農作物產量變化規(guī)律圖，如圖2 所示，糧食作物和經濟作物總產量隨著年平均氣溫的增加大致呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢。2011—2014 年呈現(xiàn)增產年，2014—2017 年呈現(xiàn)平產年，2017—2020 年呈現(xiàn)增產年。

圖2 白銀市各年度不同氣溫下農業(yè)作物產量變化規(guī)律

為了更好地說明不同年份下年平均氣溫與農作物之間的相關關系，利用不同年份下糧食作物產量和經濟作物產量作為參考值，然后通過曲線擬合的方法來建立不同年平均氣溫和與作物產量的關系表達式。從圖2 中可以看出，不同年份下的糧食作物和經濟作物總產量與年平均氣溫呈現(xiàn)出較好的線性函數(shù)關系，且相關系數(shù)較高。

2.3 地溫因素對農業(yè)生產的影響

地溫變化對農作物的生長起著關鍵性的作用，除了會直接關系到農作物的生長情況，而且會關系到農作物的產量[9]。通過統(tǒng)計白銀市2011—2021 年的各個季節(jié)地面、地面以下5、10、15、20、40 cm 的地溫資料，并對其進行數(shù)據(jù)分析結果如圖3 所示，從圖3 中可以看出，白銀市地溫呈現(xiàn)季度分化，對于春夏兩個季度，地面溫度明顯高于地面下各深度地溫；而對于秋冬兩個季節(jié)，地面溫度明顯低于地面下各深度地溫，主要原因是土壤傳遞熱量的功能差不同。春夏兩個季節(jié)，地面上熱波不能很快地傳遞到土壤深層，只能慢慢地向下傳遞，離地面越遠，與地面相差越大，這個過程為熱量由淺層向深層傳遞的能量積蓄過程。同樣，對于秋冬兩個季節(jié)，地面的冷波也不能很快影響到土壤深層，因而距離地面越遠，傳遞到地面下的冷波也越慢，此過程為熱量由深層向淺層傳遞的能量釋放過程。

圖3 2011—2021年白銀市不同深度各季節(jié)地溫變化規(guī)律

同時，從圖3 中還可以發(fā)現(xiàn)，地溫存在明顯的年際變化，秋季各淺層平均地溫較多年平均值偏高，其他季節(jié)平均地溫均較多年平均值偏低，其中冬季、春季偏低最為明顯。

植物生長過程中，植物蒸騰作用、養(yǎng)分傳輸及二氧化碳的吸收等，主要生理變化都與溫度有著不可分割的聯(lián)系。對于植物生長而言，地溫變化情況直接決定了農作物的生長、發(fā)育情況。土壤溫度對農作物的影響[10]主要有兩個方面：一方面是影響播種、出苗和根系生長（20～30 ℃），從而進一步影響農作物營養(yǎng)生長和生殖生長；另一方面是影響土壤微生物的活性（15～40 ℃），從而影響土壤有機質的礦質化過程和腐殖化過程，進而影響作物生長。采用相關分析法[11-12]分析了不同深度地溫對主要農作物生長的影響，結果如表3 所示，對于糧食作物，春季不同深度地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的負相關性，夏季、秋季、冬季不同地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的正相關性，說明春季地溫對糧食作物的發(fā)育影響小。對于經濟作物，夏季不同深度地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的負相關性，春季、秋季、冬季不同地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的正相關性，說明夏季地溫對糧食作物的發(fā)育影響小。

表3 農作物生長發(fā)育期淺層平均地溫與農作物單產的相關系數(shù)

3 小結與討論

白銀市2011—2020 年降雨總量主要集中在6—9月，占全年降雨量的70%～80%。糧食作物和經濟作物總產量隨著降雨量的增加并逐年遞增，但當降雨量開始減少時，糧食產量并沒有隨之減少，產量依舊呈現(xiàn)增大的趨勢，說明降雨的減少并沒有影響農業(yè)產量，主要是因為白銀市沿黃河先后建成多項水利工程，依托沿黃灌區(qū)發(fā)展農業(yè)生產，為糧食穩(wěn)產增產發(fā)揮了主要作用。

白銀市日平均氣溫穩(wěn)定通過0、10℃的活動積溫平均分別達3 807 ℃·d、3 216 ℃·d，熱量充足，有利于提高農業(yè)復種指數(shù)。年平均氣溫呈增大—穩(wěn)定—增大的趨勢，且糧食作物和經濟作物總產量與年平均氣溫呈現(xiàn)出較好的線性函數(shù)關系，且相關系數(shù)較高。

白銀市地溫呈現(xiàn)季度分化，對于春夏兩個季度，地面溫度明顯高于地面下各深度地溫，而對于秋冬兩個季節(jié)，地面溫度明顯低于地面下各深度地溫；春夏兩個季度，地面溫度明顯高于地面下各深度地溫，秋冬季則相反。對于糧食作物，春季不同深度地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的負相關性，其他季節(jié)呈現(xiàn)弱的正相關性。對于經濟作物，夏季不同深度地溫與農作物產量呈現(xiàn)弱的負相關性，其他季節(jié)呈現(xiàn)弱的正相關性。

在氣候變化的背景下，白銀市氣溫升高，積溫增加，熱量資源豐富，有利于喜溫作物種植區(qū)的擴大，還有助于提高作物復種指數(shù)和喜溫作物產量。但白銀市降水波動大、旱澇易發(fā)，水資源仍然是旱作區(qū)農業(yè)發(fā)展的主要限制因素。因此，發(fā)展節(jié)水農業(yè)在沿黃灌溉區(qū)（黃河沿岸灌區(qū)、高揚程灌區(qū)）有比較充足的灌溉條件，利于發(fā)展喜熱、喜溫的優(yōu)質特色農業(yè)。