影響小麥產量的氣象因素分析及產量氣象模型研究

郭春強　張振永　齊雙麗　王君　段宸宇　喬冀良　黃杰　曹燕燕

摘? ? 要：為充分合理有效利用氣候資源，預測預報主要氣候因素（平均氣溫、降雨量、日照時數）對小麥產量的影響，根據河南省漯河市1987—2017年小麥產量和生育期內的月平均氣溫（℃）、降雨量（mm）、日照時數（h·d^-1）等氣象資料進行統計分析，并通過滑動平均模擬法對小麥氣象產量進行計算，建立氣象產量模型。結果表明，1987—2017年，小麥生育期內各月平均氣溫、降雨量和日照時數均呈先下降后上升的趨勢，最低值均出現在1月，最高值均出現在5月;其中平均氣溫尤其是3—5月份即冬小麥返青后至成熟期間的平均氣溫對小麥產量的促進作用達顯著水平（P<0.05），日照時數在小麥苗期（10月份），降雨量在小麥返青期（3月份）對小麥產量的負作用達顯著水平（P<0.05）;根據氣溫、降雨量和光照等氣象要素指標，建立氣象產量預測模型，其結果亦表現為平均氣溫影響較大，且為正向作用，其次是降雨量和日照時數，二者均為負向作用。

關鍵詞：小麥;產量;氣象因素;氣象模型

中圖分類號：S512.1， S16 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.04.009

Analysis of Meteorological Factors Affecting Wheat Yield and Study of Its Yield Meteorological Model

GUO Chunqiang1， ZHANG Zhenyong1， QI Shuangli1， WANG Jun1， DUAN Chenyu2， QIAO Jiliang1， HUANG Jie1， CAO Yanyan1

（1.Luohe Academy of Agricultural Sciences， Luohe， Henan 462000， China; 2.Wuyang County Meteorological Bureau， Wuyang， Henan 462400， China）

Abstract： In order to make full and effective use of climatic resources， the effects of main climatic factors （mean temperature， rainfall， sunshine hours） on wheat yield were forecasted. According to the monthly mean temperature（℃） and rainfall（mm）， sunshine hours （h·d-1） of growth period and wheat yield in 1987—2017 in Luohe City， Henan Province， the statistical analysis was carried out， and the yield meteorological model of wheat was established by means of the sliding average simulation method. The results showed that in 1987—2017， the monthly mean temperature， rainfall and sunshine hours of wheat decreased first and then increased， the lowest values appeared in January and the highest values appeared in May. The average temperature，when the winter wheat growth period was from turning green stage to maturity stage（March to May）， had significant positive effects on winter wheat yield， while the sunshine hours in seedling period （October）， and rainfall in turning green period （March） had significant negative effects on winter wheat yield. According to the meteorological factors such as temperature， rainfall and sunshine hours， the forecast model of meteorological output was established. The results showed that the average temperature had a great influence on the promotion of winter wheat yield， followed by precipitation and sunshine hours， which had a negative influence on the yield of winter wheat.

Key words： ?wheat; yield; meteorological factors; meteorological model

小麥產量除了與種子、化肥、耕作制度等有關外，還與農業氣候資源息息相關，氣候要素的變化對農業生態環境以及作物生長發育和產量形成會造成顯著影響[1-8]。孫芳等[9]、武艷娟等[10]、李永華等[11]研究認為降雨是影響糧食作物產量的因素之一。地域不同，氣溫、降雨量、光照等對小麥產量的影響也不同。漯河市位居豫中南部，屬于南北氣候過渡帶，氣候要素年際間變化大。小麥是漯河市主要糧食作物，近年來低溫冷害、陰雨寡照等自然災害發生較為頻繁，這種氣候資源變化的不穩定性，對小麥的穩產構成潛在威脅。有關氣象因素對作物產量的影響[11-13]報道較多，而有關影響小麥產量的氣象因素產量模型尚未見報道。

本文通過對影響小麥產量的氣象因素進行分析，探討氣候資源變化對小麥生長發育的影響，并建立影響小麥產量因素的氣象模型，為充分合理利用氣候資源，進行小麥產量預測預報提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 數據來源

利用1987—2017年河南省漯河市小麥產量及相應年代的氣象資料，分別來源于漯河市農業局和漯河市氣象局。

1.2 數據處理與分析

氣象產量可用公式yw=y- y_t-e表示，其中yw為氣象產量，y為實際產量， y_t為趨勢產量，e為隨機因素影響的產量。采用滑動平均模擬法平滑去掉因氣象因素導致的產量短期波動，求出趨勢產量，從而得出氣象產量。

數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 氣象因素的描述性統計分析

河南省漯河市小麥一般為冬小麥品種，其生育期為10月—第2年5月，將1987—2017年冬小麥生育期內的平均氣溫、降雨量和日照時數進行計算，見表1。

2.1.1 氣溫?1987—2017年，小麥生育期內月份間平均氣溫呈先降后升的趨勢，其最低值出現在1月，最高值出現在5月;各月平均氣溫變異系數與氣溫變化相反，呈先升后降的趨勢，1月變異系數最高，5月變異系數最低，10月和4月變異系數亦相對較低，均小于10%;用相對極差（相對極差=極差/數值平均值）表示數值的離散程度[14]，相對極差在0.24～4.66之間。由此可以看出，1月份氣溫變化較大，對小麥越冬基數影響較大，10月、4月、5月溫度相對穩定，有利于穩定小麥基本苗和促進小麥籽粒灌漿。

2.1.2 降雨量?小麥生育期內各月平均降雨量與平均氣溫一樣，呈先降后升的趨勢，其最低值亦出現在1月，最高值出現在5月;各月平均降雨量變異系數均較大，介于64.84%～118.32%之間，其最大變異系數出現在1月，最小值出現在4月;小麥生育期內降雨量相對極差在2.39～4.37之間，3月和4月最小，12月份最大，說明降雨量在12月份相對集中，而3月和4月降雨量較分散，3月份是小麥拔節、兩極分化時期，是需水量最大的時期，此時期有效降雨有利于小麥幼穗分化、減少小花退化，增加穗粒數，可為來年小麥產量提供豐收保障。

2.1.3 平均日光照時數?小麥生育期內月平均日照時數亦呈先降后升的趨勢，其最小值出現在1月，最大值出現在5月;變異系數在12.30%～31.45%之間，其中最大值出現在2月，最小值出現在4月;相對極差在0.42～1.42之間。綜合說明，小麥生育期內越冬期-返青期，根系活力弱，葉片光合作用減小;4—5月處于小麥抽穗揚花灌漿階段，日光照多，根系活力增強，葉片光合作用增強，對于提高小麥籽粒千粒質量具有重要作用。

2.2 相關性分析

對1987—2017年冬小麥生育期內的平均氣溫、降雨量和日照時數3個氣象因素之間及各氣象因素與產量之間的相關性進行分析，見表2。

2.2.1 氣象因素指標間相關性?平均氣溫與降雨量各生育期均呈負相關，說明在小麥生育期內，降雨量增多時，平均氣溫會明顯下降，其中12月呈顯著負相關（P<0.05），3月和5月呈極顯著負相關（P<0.01）;平均氣溫與光照生育期內各月均呈正相關，說明隨著平均氣溫的升高，平均日光照時數增加，其中1月、3月、5月呈極顯著正相關（P<0.01），11月和2月呈顯著正相關（P<0.05）;生育期內各月降雨量與光照均呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）負相關，說明降雨量多的月份，平均日光照時數下降較為明顯。

2.2.2 氣象因素與產量相關性?從整個小麥生育期對產量的影響來看，播種出苗期（10月份），光照與產量呈極顯著負相關（P<0.01），而光照又與降雨量顯著負相關（P<0.05），說明此階段，光照時數少而降雨量多，有利于小麥苗期生長發育，可保證足夠的基本苗;11月—第2年2月氣象因素與產量相關不明顯;返青拔節期（3月），平均氣溫與產量極顯著正相關（P<0.01），降雨量與產量顯著負相關（P<0.05），而光照又與平均氣溫極顯著正相關（P<0.05），說明在此階段，平均氣溫上升快、光照充足，降雨量少，有利于小麥返青拔節，加快兩極分化進程;4月份小麥生長從營養生長轉向生殖生長，平均氣溫與產量呈顯著正相關（P<0.05），說明溫度的升高有利于加快生育進程，及早進入小麥灌漿期;5月份小麥進入灌漿期，平均氣溫與產量呈顯著正相關（P<0.05），平均氣溫又與降雨量極顯著負相關（P<0.01），而與光照極顯著正相關（P<0.01），此時氣溫和日照時數增加、降雨量減少有利于增強小麥光合作用，促進籽粒灌漿。

2.3 氣象產量分析及模型建立

2.3.1 氣象產量分析?氣象產量是氣象要素影響小麥的產量，其計算公式為：y_t=y- ?y_t-e，e在實際應用中可忽略不計，因此，氣象產量等于小麥實際產量和趨勢產量的差，即yy_w=y - ?y_t。筆者通過對漯河市1987—2017年的31個樣本統計，用13年平滑模擬來分析氣象因素對小麥產量的影響，以反映出因歷史發展、技術提升等因素對小麥產量的貢獻。采用13年滑動平均產量作為某一年的趨勢產量：

式中， ?y_t表示第t年的趨勢產量，y_t表示第t年的產量。趨勢產量是常年小麥產量的總趨勢曲線所對應的產量，與實際產量有差異，其差可以看作是氣象因素影響所致，因此，氣象產量可以是正值，也可以是負值。如果第t年的氣象產量為正值，表示的是：與常年相比，該年的氣象條件有利于增加產量;反之，該年的氣象條件不利于增加產量。

由圖1可知，1987年、1989年、1992年、1993年、1996年、1997年、1999年、2001年、2004年、2006年、2007年、2008年、2009年、2010年、2015年、2016年、2017年氣象條件較為有利于小麥產量的增加。

2.3.2 氣象產量模型建立?氣象產量主要是由氣溫、降雨量、光照等決定[15-16]，氣象產量模型的建立是根據生育期內氣象因素之間的相關性，采用多元線性回歸法對模型變量進行相關分析，并能夠充分表現出主要氣象因素對產量的影響。模型如下：

y^w=αtr+βrf+γss+μ

式中，yw為小麥氣象產量，tr為月平均氣溫，rf為月平均降雨量，ss為月平均日光照時間，μ為誤差。α、β、γ分別為氣溫、降雨量和日光照時數的系數。

通過對漯河市1987—2017年氣象因素和氣象產量進行多元線性回歸分析，建立產量氣象模型如下：

y^w=-840.993+228.358tr-2.369rf-0.603ss

模型R²=0.198，P=0.048<0.05，說明該模型能夠反映主要氣象因子對小麥產量的影響;模型中的系數亦可說明，平均氣溫是氣象產量的主要影響因素，其作用為正向，其次是降雨量和日光照時數，二者作用均為負相。

3 結論與討論

氣象因子的變化對小麥生產帶來復雜的影響，氣溫波動較大，降雨分布不均，光照減少，都是影響小麥高產穩產的重要因素，在以后的生產實踐中應加以重視，邵立威等[17]和張學林等[18]通過調整播期和品種布局、改進生產措施等途徑降低氣候條件的不利影響，適應氣候變化。本研究通過對河南省漯河市1987—2017年小麥生育期內的平均氣溫、降雨量和光照等農業氣候資源變化進行分析表明，小麥生育期內主要氣候資源呈先降后升的趨勢，但不同氣象因子波動幅度差異較為明顯。

有關氣象因素對小麥產量的影響方面，羅家傳等[19]對小麥主要性狀與日照的相關性研究表明，單產與各時段日照時數呈較明顯的正相關，春季日照時數增加，可使小麥兩極分化提前，這與本文相吻合。本研究對1987—2017年漯河地區小麥生育期內的相關氣象指標與小麥產量的關系進行分析表明，影響小麥生長發育的氣象因素中，平均氣溫尤其是3—5月份即冬小麥返青后至成熟期間的平均氣溫對小麥產量的促進作用較為明顯，最有可能成為決定小麥產量的關鍵因素;日照時數在小麥苗期（10月份），降雨量在小麥返青期（3月份）對小麥產量也會有明顯負作用;根據氣溫、降雨量和光照等氣象要素指標，運用產量滑動平均法計算趨勢產量，并建立氣象產量預測模型，其結果亦表現為平均氣溫影響較大，且為正向作用，其次是降雨量和日照時數，二者均為負向作用。

本文僅從氣象因素對小麥產量的影響進行分析，可為小麥產量短期預測，以及提高其產量的方法提供了理論基礎，但對于氣象因素對小麥生理性狀和目標性狀等方面的影響，有待于進一步研究。

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