河西走廊地區氣候變化對灌溉春小麥生長的影響

楊 華，丁文魁，王鶴齡，蔣菊芳

(1.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實驗室，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威 733000)

21世紀以來，全球氣候變暖幅度明顯增加，1961—2018年全球平均氣溫每10 a升高0.12℃，北半球春天冰雪解凍期比150年前提前了9 d，而秋天霜凍開始時間卻晚了約10 d。中國平均氣溫每10 a升高0.24℃，為全球的兩倍，氣候變暖趨勢明顯高于全球。其中，北方增暖高于南方，冬季高于夏季，夜間高于白天。而變暖最明顯的地區在西北，變暖強度高于全國平均值[1]，甘肅地區平均氣溫每10 a升高0.28℃。河西走廊地區升溫幅度最大，平均每10 a升高0.38℃，升溫幅度為全球的3倍。1993年以來，河西走廊地區降水量平均每10 a增多9.9 mm，累計增加了11.4%，極端降水強度增加。受氣候變暖影響，熱量環境的改善推進了作物適宜生長區域向北、向高海拔地區擴展，利于提高作物增產潛力；植被整體改善，局部退化；冰川積雪面積減少，雪線上升，內陸河流量增加。農業生態系統是一種受人類強烈干預的人控系統，也是自我調節機制較為薄弱的生物系統，是全球氣候變化的主要承受者和受害者。農業生態系統與氣候變化的關系研究是全球氣候變化研究中的主要內容之一[2-3]。

在美國，Sacks等[4]研究得出，1981—2005年美國種植的玉米播種期提前10 d，生育期延長12 d，積溫提高14%。在菲律賓，1992—2003年水稻生長季內的干旱月份(1—4月)最低氣溫每增加1℃，水稻產量下降10%[5]。很多國內專家學者也已經在中國氣候變暖對農業生產及生態環境影響方面開展了大量的研究[6-14]。如溫度升高導致寧夏永寧與固原冬春小麥生長期縮短，干物質積累和籽粒產量下降[8]；春季增溫使我國河西走廊綠洲作物玉米、春小麥和棉花的生長季均提前；氣候變暖使河西綠洲作物玉米、春小麥的生長期縮短，使棉花的生長期延長等[9-11]。在物候期對氣候變化的響應規律方面，李正國等[15]得出1991—2009年東北三省生長季長度與溫度生長期日數表現為顯著正相關關系。氣候變化國別研究組報告顯示氣候變化會使中國農作物的平均生產力下降5%～10%，其中春小麥、水稻和玉米三大作物均以減產為主[16-17]。氣候變暖影響到包括農作物生長、病蟲害、種植面積、氣候生產力、產量和品質等在內的各個方面，是目前河西走廊地區發展現代農業所需要考慮的重要科學問題之一[18-23]。

河西走廊灌溉農業區歷史悠久，是甘肅省重要農業區之一，是我國西北內陸著名的灌溉農業區。它是西北地區最主要的商品糧基地和經濟作物集中產區，它提供了甘肅省2/3以上的商品糧、幾乎全部的棉花、9/10的甜菜、2/5以上的油料、啤酒大麥和瓜果蔬菜，平地綠洲區主要種植春小麥等。鑒于此，本文以河西走廊典型的灌溉農業區武威為例，研究氣候變化對灌溉春小麥生長及產量的影響，探討春小麥發育期及產量對氣象因子的響應規律，將為氣候變暖背景下優化當地產業結構、品種調整、節約用水，提高應對氣候變化和防災減災能力提供科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

研究區武威市地處甘肅省中部、河西走廊東端，是絲綢之路自東而西進入河西走廊和新疆的東大門。位于北緯36°29′～39°27′，東經101°49′～104°16′，地處黃土、青藏、蒙新三大高原交匯地帶，地勢南高北低，由西南向東北傾斜，依次形成南部祁連山山地、中部走廊平原和北部荒漠3個地貌單元，海拔介于1 020～4 874 m。武威屬典型的大陸性氣候，太陽輻射強，日照充足，早晚溫差大。降水稀少，蒸發強烈，空氣干燥；春冬季降水稀少，夏季雨水集中。

長期定位觀測試驗設在武威荒漠生態與農業氣象試驗站(37°55′N，102°40′E，海拔為1 531.5 m)。年平均氣溫8.7℃，年平均最高氣溫36.2℃，年平均最低氣溫-21.2℃，≥10℃積溫3 272.5℃；年平均降水量173.0 mm，主要集中在夏季6—8月，占年降水總量的82.1%；年均日照時數2 877.8 h，光照充足；年平均無霜期160 d左右，雨熱同期，3—10月是作物的生長季節。

1.2 資料來源與試驗概況

氣候分析資料為武威國家基本氣象站1951—2019年的地面氣象觀測資料。

1981—2019年主要農作物灌溉春小麥各個發育期以及產量的觀測資料來自武威荒漠生態與農業氣象試驗站定點觀測資料。

觀測品種、耕作方式與當地種植方式一致，觀測地段符合平行觀測的要求。灌溉春小麥全生育期使用水源井水灌溉，保證每年灌溉4～5次，每次灌溉量為800～1 000 m3·hm-2。觀測區1981—2019年灌溉春小麥種植品種為永良。觀測方法按照《農業氣象觀測規范》[24]進行，觀測地段位于氣象站附近200 m處。

1.3 研究方法

通過分析1981—2019年觀測地段灌溉春小麥的發育期變化特征，播種日期、生長期、各發育階段、產量等與氣溫、降水量、日照、積溫的相關關系以及年際變化趨勢，建立回歸模擬方程，揭示氣候變化對灌溉春小麥生長發育的影響，確定關鍵影響因子和關鍵影響期，從而衡量影響程度和強度。

1.4 數據分析

采用相關分析、Cubic函數等統計分析方法,數據統計分析通過SPSS13.0軟件實現。

2 河西走廊地區氣候變化特征

2.1 氣溫變化

通過分析1951—2019年研究區年平均氣溫變化，發現研究區氣溫年際變化呈顯著上升趨勢，氣溫變化的線性傾向率為0.326℃·10a-1(圖1a)。氣溫Cubic函數呈先降后升，方程為y=-0.00003x3+0.0038x2-0.1051x+8.3012,其線性化后的相關系數R=0.689，通過α=0.01檢驗。對Cubic函數求一階導數，令dy/dx=0，求得1967年為氣溫Cubic函數最小值即轉折點，1967年后氣溫Cubic函數上升。

年平均氣溫距平1951—1959年、1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s分別為-0.6、-0.4、-0.7、-0.5、0.0、1.2、1.1℃。可見從1970s開始年代際距平依次上升，2000s氣溫距平最大，達1.2℃。2010s年代平均氣溫變幅最大，變異系數為10.2%，1990s次之，變異系數為6.8%(表1)。

表1 研究區各年代氣溫距平、降水距平百分率Table 1 Every decadal anomaly percentage of precipitation and temperature in the study area

根據世界氣象組織規定[26]：正距平大于或等于兩個標準差為異常暖，負距平小于或等于兩個標準差為異常冷；正距平大于或等于一個標準差劃分為暖年，負距平小于或等于一個標準差劃分為冷年。研究區異常暖年為2013、2016—2017年；暖年為1998—1999、2001—2010、2014—2015年，其中異常暖年和暖年均出現在1998年之后；沒有異常冷年，冷年為1954、1956、1967、1970、1974、1976年，其中冷年均出現在1976年之前。

2.2 降水量變化

研究區降水量年際變化呈上升趨勢，降水量變化曲線線性擬合傾向率為5.694 mm·10a-1(圖1b)，降水量Cubic函數呈波動變化，方程為y=0.0004x3-0.0362x2+1.4768x+143.54，其線性化后的相關系數R=0.263，通過α=0.05檢驗。降水量距平百分率的年際變化較大，最多年份達56.9%，最少年份為-49.3%。定義年降水距平百分率R*≥50%為特多，50%>R*≥20%為偏多，20%>R*>-20%為正常，-20%>R*≥50%為偏少，R*≤-50%為特少[26]。年降水量特多的是2018年，偏多的是1955、1964、1967—1968、1970、1983、1985、1993、1995—1996、2002、2007、2011、2014—2015、2019年，偏少的是1954、1956—1957、1959、1962—1963、1972、1974、1976、1978、1980—1982、1991、2005、2008—2009、2013年，其余年份均在正常范圍內變化。

就年代際降水距平百分率而言，2010s偏多最多，為11.7%，1990s和2000s次之，1960s略多，1951—1959年、1970s、1980s偏少(表1)。降水量年代際變幅2010s最大，變異系數為28.8%；1951—1959年次之，變異系數為28.4%。分析結果可以說明研究區氣候變化呈現暖濕化趨勢。

3 灌溉春小麥生育期變化特征及其與氣候變化的關系

3.1 研究區1981—2019年灌溉春小麥生育期變化特征

基于研究區實際生育期資料，得到灌溉春小麥生育期的多年平均日序(表2)。從表2可以看出，研究區灌溉春小麥的生長發育過程大致在每年的第79天到第198天，即灌溉春小麥從3月中下旬開始播種，三葉期在4月中下旬，拔節期在5月上中旬，抽穗期在5月下旬至6月上旬，乳熟期在7月上旬，7月中下旬成熟收獲。

表2 研究區灌溉春小麥發育期變化特征Table 2 Characteristics of development period of irrigated spring wheat in the study area

1981—2019年，研究區灌溉春小麥播種到三葉期日序延后，拔節到成熟期日序提前。灌溉春小麥播種期的推遲極為明顯，播種期推遲速率為1.283 d·10a-1，通過α=0.05檢驗；出苗期、三葉期推遲速率為0.083 d·10a-1、0.506 d·10a-1；拔節～成熟期提前，其中抽穗期、開花期、成熟期顯著提前，抽穗期提前速率為1.33 d·10a-1，通過α=0.05檢驗，開花期提前1.796 d·10a-1、成熟期提前1.654 d·10a-1，提前趨勢達到0.01極顯著水平。總體來看，灌溉春小麥春季發育期延后，夏季發育期提前，全生育期縮短。

3.2 氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫對灌溉春小麥生長發育的影響

3.2.1 播前氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫初日對播種期的影響 采用氣象部門普遍使用的五日滑動平均法確定穩定通過界限溫度的初終日期[25]。因為研究區土壤從2月上旬開始解凍，所以選擇土壤解凍時的氣溫，即2月份至播種前一天的平均氣溫、日照時數來反映灌溉春小麥播種前的氣溫、日照時數。選擇1月份至播種前一天的總降水量來反映灌溉春小麥播種前的濕度情況。分析1981—2019年研究區灌溉春小麥的播種日期，可知播種期最早為1997年3月14日，最晚為2011年3月29日。分析1981—2019年研究區氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫初日對灌溉春小麥播種期的影響，發現隨著播前氣溫的上升、降水量和日照的增加、≥0℃活動積溫初日的提前，灌溉春小麥播種期延后。其中，氣溫對播種期的影響不顯著(圖2a)；降水量每增加1 mm，播種期延后約0.2 d(圖2b)；日照每增加10 h，播種期延后約0.7 d(圖2c)；≥0℃活動積溫初日每提前10 d，播種期延后約0.5 d(圖2d)。

通過研究區灌溉春小麥播種日期與氣溫、降水量、日照時數、≥0℃活動積溫初日的相關分析可以發現，播種日期與日照時數的相關性最好，其次為降水量，與氣溫的相關性最差。這說明河西走廊地區灌溉春小麥播種日期的延后是降水量增加、日照時數增加和≥0℃活動積溫初日提前共同影響的結果，當然也不可忽視人為因素對農業生產的影響。

3.2.2 生長期間氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫初日對生育期的影響 分析1981—2019年研究區春小麥生育期天數與生長期間平均氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫的變化趨勢(圖3)，從氣溫變化曲線(圖3a)可知，1981—2019年該地區灌溉春小麥生育期間平均氣溫在波動上升，1987年灌溉春小麥生長期間氣溫降到最低，為14.3℃。2000年以后氣溫有持續升高的趨勢，除了2002年和2010年生長期間氣溫為15.4℃之外，其余年份均大于16.0℃，整個氣溫曲線線性增溫變暖趨勢明顯。從降水量與生育期的年際變化(圖3b)可以看出，在研究區灌溉春小麥生長期間，總降水量的變化呈現波動式減少的趨勢。由圖3c日照時數與生育期的年際變化可以看出，在灌溉春小麥生長期間，日照時數呈波動上升的趨勢。由≥0℃活動積溫與生育期的年際變化(圖3d)可知，該地區灌溉春小麥生長期間≥0℃活動積溫增加。

由圖3可知，1981—2019年研究區灌溉春小麥生長期曲線波動很大，生育期呈現波動縮短趨勢，縮短速率為2.937 d·10a-1；其中，2011年生長期為106 d，是1981年以來最短的年份，1983年和1993年最長，為129 d。生育期隨氣溫變化的線性關系為：y=-3.6931x+178.1365，氣溫每增加1℃，生長期縮短約3.7 d。生育期隨降水量變化的線性關系為：y=0.0516x+115.1245，降水量每減少10 mm，生長期縮短約0.5 d。生育期隨日照時數變化的線性關系為：y=0.0149x+104.0516，日照時數每減少10 h，生長期縮短約0.1 d。生育期隨≥0℃活動積溫變化的線性關系為：y=-0.0042x+126.9933，≥0℃活動積溫每增加100℃，生長期縮短約0.4 d。這說明隨著生長期間氣溫的增加、降水量的減少、日照時數的增加以及≥0℃活動積溫的增加，生育期呈縮短趨勢。

通過對生長期間氣溫、降水、日照時數和≥0℃活動積溫與生育期相關分析結果顯示，生育期與氣溫的相關性達到極顯著水平，R=-0.738，通過α=0.01檢驗。生育期與降水量、日照時數有正相關關系，與≥0℃活動積溫呈負相關關系，但均不顯著。結果說明研究區灌溉春小麥生育期縮短主要是生育期內氣溫增加所致，日照時數和≥0℃活動積溫的增加對生育期縮短的影響是次要的。由于研究區春小麥種植區為灌溉農業區，故降水量的減少對灌溉春小麥的生長影響不大。

3.3 氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫對灌溉春小麥產量的影響

灌溉春小麥產量資料為研究區每年實際單產產量。由圖4灌溉春小麥產量與生長期間的平均氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫及其變化關系可以看出，1981—2019年灌溉春小麥生長期間氣溫、≥0℃活動積溫呈增加趨勢(圖4a、圖4d)，日照時數略有增加(圖4c)，相反，降水量呈減少趨勢(圖4b)，而研究區灌溉春小麥實際產量呈增加趨勢，增加速率為525.29 kg·hm-2·10a-1。通過對研究區灌溉春小麥實際產量與全生育期內平均氣溫、降水量、日照時數和≥0℃活動積溫的相關分析，可以得出產量與生育期內平均氣溫呈顯著正相關關系，R=0.354，通過α=0.05檢驗，相關性好于與降水量、日照時數和≥0℃活動積溫的相關性，說明灌溉春小麥產量的增加主要是由生育期氣溫增加所引起的。

3.4 灌溉春小麥不同發育階段對氣候變化的響應

針對灌溉春小麥生長期間的農業氣象條件，進一步分析不同發育階段對氣溫變化的響應并進行回歸分析(表3)。結果顯示，自1981年以來，灌溉春小麥各個發育階段氣溫均呈增加趨勢，增加最明顯的階段為播種～出苗期，每10年增加1.02℃，氣溫升高使得正常播種后灌溉春小麥出苗率增加。相關分析顯示，拔節～抽穗期氣溫和產量的正相關關系達到極顯著水平，R=0.431，通過α=0.01檢驗。播種～成熟期氣溫和產量的正相關關系達到顯著水平，R=0.354，通過α=0.05檢驗，其他發育階段氣溫與產量的正相關關系不顯著，這說明氣溫的升高是產量增加的主要原因。

不同發育階段對降水量變化的回歸分析結果(表3)顯示，不同發育階段，其降水量的變化也不同，其中只有出苗～拔節期降水量呈增加趨勢，為1.70 mm·10a-1，其他發育階段的降水量都呈減少趨勢，降水量減少由高到低的順序為播種～成熟期、拔節～抽穗期、抽穗～乳熟期、乳熟～成熟期、播種～出苗期，減少量分別為5.17、3.38、1.48、1.02、0.91 mm·10a-1。相關分析顯示，除乳熟～成熟期外，其他發育階段降水量與產量的相關關系均為負值，且均不顯著，乳熟～成熟期與產量的相關系數為R=0.063，這說明乳熟～成熟期降水量的減少對產量的增加有利。

表3 灌溉春小麥與生長期間不同發育階段平均氣溫、降水量、日照時數、≥0℃活動積溫的回歸分析Table 3 Regression analysis of yield and average temperature, precipitation, sunshine length and active accumulated temperature greacher than or equal to 0℃ in the course of growing

不同發育階段對日照時數的回歸分析結果(表3)顯示，不同發育階段日照時數的變化也不同，其中出苗～拔節期、抽穗～乳熟期、播種～成熟期日照呈增加趨勢，抽穗～乳熟期增加最多，為12.45 h·10a-1，播種～出苗期、拔節～抽穗期、乳熟～成熟期呈減少趨勢，拔節～抽穗期減少最多，為7.53 h·10a-1。相關分析顯示，所有發育階段日照時數與產量的相關關系均不顯著，且只有出苗～拔節期日照時數與產量為正相關關系(R=0.038)，這說明出苗～拔節期日照時數的增加對產量增加有利。

不同發育階段對≥0℃活動積溫的回歸分析結果(表3)顯示，拔節～抽穗期、乳熟～成熟期≥0℃活動積溫減少，減少量分別為9.84、7.88℃·10a-1，其他發育階段≥0℃活動積溫增加，增加最明顯的階段為播種～成熟期，增加51.43℃·10a-1。相關分析顯示，除了播種～出苗期、抽穗～乳熟期≥0℃活動積溫與產量為負相關關系外，其他發育階段≥0℃活動積溫與產量呈正相關，拔節～抽穗期相關系數最大(R=0.182)，這說明拔節～抽穗期≥0℃活動積溫的減少對產量增加有利。

由此可見，該地區灌溉春小麥產量的增加是整個生育期內氣溫的增加、乳熟～成熟期降水量的減少、出苗～拔節期日照時數的增加以及拔節～抽穗期≥0℃活動積溫的減少共同作用的結果。

4 結論與討論

1)1951—2019年研究區年平均氣溫呈極顯著上升趨勢，氣溫變化的線性傾向率為0.326℃·10a-1，從1970s開始年代際距平依次上升，1976年之后未出現冷年；年降水量呈顯著上升趨勢，降水量變化的線性傾向率為0.326℃·10a-1。結果說明研究區氣候變化呈暖濕化趨勢。

2)1981—2019年研究區灌溉春小麥普遍在3月中下旬開始播種，7月中下旬成熟收獲。該地區春小麥在生長發育過程中，每個發育階段對氣候變化的響應不完全一致，氣候暖濕化使該地區春小麥播種期、出苗期和三葉期延后，拔節期、抽穗期、開花期、乳熟期和成熟期提前，開花期、成熟期提前趨勢達到極顯著水平。灌溉春小麥播種～三葉期的營養生長階段延長，拔節～成熟期的生殖生長階段縮短，全生長期縮短。

3)播種前氣溫、降水量、日照時數增加以及≥0℃活動積溫初日提前的綜合作用使研究區春小麥的播種期延后，其中，日照時數的增加是播種期延后的主要因素，當然，人為因素對農業生產的影響不可忽視。生長期間氣溫、日照時數、≥0℃活動積溫增加以及降水量減少的協同作用使該地區春小麥生長期縮短。生長期間氣溫的增加與生長期縮短相關性達到極顯著水平，生長期間氣溫的增加是導致生長期縮短的主要氣象因子，也是產量增加的主要因素。

4)灌溉春小麥產量對各個生長階段氣候變化的響應也不完全一致，各生長階段氣溫的增加對產量均為正影響，其中，拔節～抽穗期、播種～成熟期氣溫增加對灌溉春小麥產量提高有顯著促進作用。拔節～抽穗期降水量減少、播種～出苗期日照時數減少都對產量有影響，拔節～抽穗期≥0℃活動積溫減少對產量提高有促進作用。

預計隨著未來氣候暖濕化進一步加劇，祁連山冰雪融化速度將加劇，短期內河西內陸河流量增加，但長期將面臨水資源短缺風險，生態環境將受影響。氣候暖濕化使河西走廊地區熱量資源豐富，提高了作物增產潛力，但也使得病蟲害加劇，防控難度加大。為此，建議深入開展氣候規律研究，提高應對氣候變化和防災減災能力。