农业气候资源变化对陇东塬区旱作粮食的影响分析

周忠文，刘 英，张谋草，张天峰，王燕凌，张红妮，韩 博

（1甘肃省庆阳市气象局，甘肃庆阳 745000；
2甘肃省合水县气象局，甘肃合水 745400）

气候变化的影响是多尺度、全方位、多层次的，目前已成为地球科学领域的热点问题，丁一汇、秦大河等[1-5]许多学者使用不同方法开展研究，揭露了中国气候变暖的事实，谢金南、邓振镛等[6-10]对西北地区的气候变化特征进行过系统研究。粮食生产与气候变化有密切的联系，持续的升温下，一些地方会出现更多洪涝灾害，冲击粮食生产，一些地方则会持续干旱，同样给农业带来影响。陇东塬区位于胡焕庸线和博台线交汇处，是中国半干旱半湿润气候过渡区。陇东气候如何变化，是社会各界普遍关心的问题，直接关系自然灾害防御、生态环境保护、“陇东粮仓”振兴和经济发展等重大社会问题。气候变化对农业生产的影响及其应对已经列为稳定中国农业生产的主要战略任务，前人对陇东地区冬小麦玉米气候生产力方面做了大量研究工作[11-15]，但气候资源变化对区域农业生态的影响研究不多，本文拟通过探讨陇东塬区粮食生产对全球气候变化的最新响应，开展相关研究为保证陇东区域粮食安全提供参考依据。

1.1 试验资料来源

气温、降水、日照等气象资料取自于西峰国家基准气侯站，冬小麦、玉米等生物资料取自于西峰农业气象试验站，气象观测场与生物观测场毗邻，符合平行观测要求，能代表陇东塬区气候和生物类型。产量资料取自于庆阳市统计局。

1.2 计算分析方法

运用Microsoft Excel 2003软件工具，采用5日滑动平均法计算初终日期，采用三次多项式回归拟合气候产量，综合运用趋势分析、相关分析、回归分析、概率分析等方法，分析农业气候资源变化特征及其80%保证率下的影响。

2.1 日均气温稳定通过0℃和10℃的农业气候资源

2.1.1 日均气温稳定通过0℃和10℃的初日变化 采用5日滑动平均法计算了西峰站1961—2020年日均气温稳定通过0℃和10℃的初日出现日期，并对其初日日期变化趋势分析，得出日均气温稳定通过0℃和10℃的初日日期变化呈现提前趋势（图1），即每10年分别提前2.6天和2.2天，0℃和10℃初日均通过R为0.01的显著性检验，变化趋势明显。其中日均气温稳定通过0℃初日最早出现在2月4日（2004年），最晚出现在3月27日（1982年）；
日均气温稳定通过10℃初日最早出现在4月3日（1974年），最晚出现在5月17日（1979年）。

图1 1961—2020年西峰站日均气温稳定通过0℃和10℃的初日日期变化

2.1.2 日均气温稳定通过0℃和10℃的终日变化 西峰站1961—2020年日均气温稳定通过0℃和10℃的终日出现日期，并对其终日日期变化趋势分析，得出日均气温稳定通过0℃和10℃的终日日期变化呈现推后趋势（图2），即每10年分别推后1.4天和2.7天，0℃终日通过R为0.05的显著性检验，10℃的终日通过R为0.001的极显著性检验。其中日均气温稳定通过0℃终日最早出现在11月5日（1962年），最晚出现在12月12日（2010年）；
日均气温稳定通过10℃终日最早出现在9月1日（1972年），最晚出现在10月30日（2009年）。

图2 1961—2020年西峰站日均气温稳定通过0℃和10℃的终日日期变化

2.1.3 日均气温稳定通过0℃和10℃初终日期间持续日数变化 1961—2020年西峰站日均气温稳定通过0℃和10℃初终日期间持续天数变化呈现极显著增加趋势（图3）。即每10年分别增加4.1天和5.0天，均通过R为0.001极显著性检验。日均气温稳定0℃初终日期间4）可知，不同年代的同一初日为3月8日、终日为11月13日的日均气温稳定通过0℃期间降水量随年代的增加呈现递减趋势，其年降水量最少的年份是1997年(305.9 mm)；
年降水量最多的年份是2003年(806.6 mm)。不同年代的同一初日为5月4日、终日为9月29日的日均气温稳定通过10℃期间降水量随年代的增加也呈现递减趋势，其年降水量最少的年份是持续天数最少是226天（1962年），最多是303天（2002年）；
日均气温稳定10℃初终日期间持续天数最少是129天（1972年），最多是209天（2009年）。

图3 1961—2020年西峰站日均气温稳定通过0℃和10℃的初终日期间持续天数变化

图4 1961—2020年西峰站80%保证率日均气温稳定通过0℃和10℃的初终日期间降水量变化曲线

2.2 80%保证率下降水量变化

80%保证率下，1961—2020年西峰站日均气温稳定通过0℃和10℃初终日期间的降水量变化曲线（图1997年(229.7 mm)；
年降水量最多的年份是2013年(648.8 mm)。但不论是0℃初终日期间还是10℃初终日期间降水量的这种递减趋势均不明显，未通过显著性检验。

2.3 80%保证率下积温变化

80%保证率下，1961—2010年西峰站不同年代同一0℃初终日期和10℃初终日期间积温变化曲线（图5），由此可知，同一0℃初终日期和10℃初终日期间≥0℃和≥10℃积温随年代增加均呈现增加趋势，其增加速率分别以每年10.3℃和5.3℃增加，且均通过0.001极显著水平检验，其中≥0℃积温最少年份为1976年(3231.0℃)，最多年份为2006年(4051.7℃)；
≥10℃积温最少年份为1964年(2417.3℃)，最多年份为2017年(2959.8℃)。

图5 1961—2020年西峰站80%保证率日均气温稳定通过0℃和10℃的初终日期间≥0℃和≥10℃积温变化曲线

2.4 80%保证率下日照时数变化

80%保证率下，1961—2010年西峰站不同年代同一0℃初终日期和10℃初终日期间日照时数变化曲线（图6）。由此可知，同一0℃初终日期和10℃初终日期间日照时数随年代增加均呈现递减趋势，其递减速率分别以每年0.9 h和2.3 h，且0℃初终日期间日照时数变化未通过显著水平检验，10℃初终日期间日照时数变化通过0.01显著水平检验。其中0℃初终日期间日照时数最少年份为1975年(1445.5 h)，最多年份为1997年(1972.4 h)；
10℃初终日期间日照时数最少年份为2020年(821.9 h)，最多年份为1965年(1288.9 h)。

图6 1961—2020年西峰站80%保证率日均气温稳定通过0℃和10℃的初终日期间日照时数变化曲线

3.1 对冬小麦发育期的影响

1981—2020年冬小麦生育期年际变化（图7）可见，40年来，小麦的播种期呈推迟趋势，气候倾向率为2.01d/10a，成熟期呈提前趋势，气候倾向率为-3.53d/10a，造成了冬小麦生育期明显缩短。但越冬开始期呈推迟趋势，气候倾向率为1.66 d/10 a，这样就弥补了迟播造成的冬前生长期缩短现象，保证了冬前分蘖和壮苗。返青期呈提前趋势，气候倾向率为-1.28 d/10 a，弥补了早成熟的影响，保证了小麦生长成熟。播期推迟、成熟提前，生育期缩短主要是越冬期的缩短，有效生长期并没有缩短，这就为小秋作物收获后的秋播工作赢得了时间，有效扩大了小麦种植面积。

图7 陇东塬区1981—2021年冬小麦生育期年际变化

3.2 对玉米发育期的影响

从图8可见，1990—2020年来，玉米的播种期呈弱的推迟趋势，气候倾向率为0.78 d/10 a，近年来气候变暖，夏季热量资源增加，玉米播种普遍后推，也是为了回避和应对春末晚霜冻影响；
成熟期呈提早趋势，气候倾向率为-0.41 d/10 a，这有效回避了气候暖湿化特别是秋季连阴雨的影响，也为秋播顺利开展赢得时间。播期推迟、成熟提前，导致玉米生长期缩短，气候倾向率分别为-1.19 d/10 a，夏季热量资源增加保证了玉米生长，但生育期缩短对玉米品质有不利影响。

图8 陇东塬区1990—2020年玉米生育期年际变化

3.3 对作物产量的影响

由气候产量变化图可见（图9），陇东塬区1981—2020年来冬小麦产量呈弱的增加趋势，增加趋势为52.4 kg/(10 a·hm2)。小麦产量最大值出现在1993年，为1186.1kg/hm2；
最小值出现在2000年，为-2226.9kg/hm2；
振幅3413 kg/hm2。分析原因发现，1993年没有出现明显气象灾害，小麦生育期内光温水配合较好，所以获得高产；
1999—2000年发生冬春连旱，越冬死亡多，返青生长差，最终减产严重。总体来看，气候变暖，有效积温增加，可生长期延长，种植界限西伸北抬，对发展农业是有利的，这与本人以前的研究结论一致[16]。

图9 陇东塬区小麦和玉米气候产量变化图

陇东塬区1991—2020年来玉米气候产量为增加的趋势，增加趋势为172.3 kg/(10 a·hm2)。玉米产量最大值出现在1998年，为4692.6 kg/hm2；
最小值出现在2017 年 ，为-4563.9 kg/hm2；
振幅 9256 kg/hm2。因为1998年玉米生育期内降水分布均匀，没有明显气象灾害所以丰产；
2017年玉米抽雄、开花和吐丝关键期出现了严重高温干旱天气，灌浆乳熟出现阴雨寡照，造成穗小粒少、秃尖比大，最终影响产量。气候暖湿化发展，春季降水增加，有效积温增大，有利于产量提高。玉米气候产量波动幅度远大于小麦，说明玉米受气候不确定性影响要大于小麦。

从相关系数（表1）可见，降水量与平均气温对陇东塬区小麦和玉米的影响效应是一致的，降水量对小麦、玉米是极显著的正效应，平均气温对小麦、玉米是不显著的负效应，说明水份是陇东黄土高原旱作农业区粮食生长的最大制约因素，气候产量的高低主要受降水的影响；
温度是重要的影响因子。有效积温和日照时数对小麦、玉米产量的影响不一致，有效积温和日照时数对小麦产量是正效应，而对玉米产量均为负效应，说明冬小麦生育期延长、光热条件充分，有利于产量提高，玉米夏季强光照和高温会进一步加大干旱程度，进而影响产量，这与毛玉琴等研究一致[17-20]，气候因子的具体影响比较复杂需要进一步研究。

表1 陇东塬区各气候因子与粮食气候产量相关系数

日均气温稳定通过0℃和10℃的初日呈现提前趋势，终日呈现推后趋势，初终日期间持续天数呈现极显著增加趋势，有效延长了生长期，使种植北界北扩西伸。80%保证率下，日均气温稳定通过0℃和10℃初终日期间降水量随年代的增加呈现递减趋势，≥0℃和≥10℃积温随年代增加呈现增加趋势，日照时数随年代增加呈现递减趋势，对农业生产有利有弊。

小麦生育期内，平均气温升高，降水总量减少，引起陇东塬区小麦播期推迟，成熟提前，生育期有所缩短，但冬季停止生长期推迟，返青期提早，生长期缩短主要体现在越冬期缩短上，有效生长期得到保证，最终导致气候产量小幅增加。玉米播种普遍后推，回避了春末晚霜冻影响，成熟期呈提早趋势，有效回避了气候暖湿化特别是秋季连阴雨的影响，夏季热量资源增加保证了玉米生长，成熟期提早为小秋作物收获后的秋播工作赢得了时间，有效扩大了作物种植面积。

陇东塬区小麦、玉米气候产量与生育期内降水量呈显著正相关，水份影响着陇东粮食产量的生育全过程，水资源短缺是陇东塬区作物生长的制约因素。平均气温对小麦、玉米是不显著的负效应，温度是重要的影响因子。有效积温和日照时数对小麦、玉米的影响不一致，玉米受气候不确定性影响要大于小麦，气候因子的具体影响比较复杂需要进一步研究。

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