白銀市氣象條件與農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

白登元，王銀花

(白銀市氣象局，甘肅白銀 730900)

農(nóng)業(yè)是易受氣候變化影響的脆弱生產(chǎn)系統(tǒng)[1-3]，氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及其應(yīng)對已經(jīng)列為白銀市保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定及農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)，農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)作為白銀市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要保障，對于白銀市開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有舉足輕重的意義。因此，要充分認(rèn)識到農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)的重要性，將科研與業(yè)務(wù)相結(jié)合，根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求展開相應(yīng)的農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)工作，提供更加高效、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，并且建立氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)體系，增強(qiáng)對重大氣象災(zāi)害和突發(fā)公共事件的氣象應(yīng)急保障能力[4-5]。氣象服務(wù)本身就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化采取的措施，重視氣象因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能產(chǎn)生的不利影響，加強(qiáng)氣象災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和預(yù)警技術(shù)研究，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對各類氣象災(zāi)害的能力，可以有效減少作物受災(zāi)情況的發(fā)生，保障作物的增產(chǎn)增收，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是在自然的、多變的氣候環(huán)境條件下進(jìn)行的自然再生產(chǎn)和社會(huì)再生產(chǎn)過程，生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)都與氣候條件密切相關(guān)[6-7]。氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程有重要影響，主要包括光照、溫度、水分、風(fēng)力等氣象因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[8-11]。因而研究和分析氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響是非常必要的，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要掌握當(dāng)?shù)氐臍庀箢A(yù)報(bào)信息，發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，提出對策，防災(zāi)減災(zāi)。本研究通過分析白銀市2011—2020年的氣象因子與糧食產(chǎn)量的關(guān)系，分析降雨量、氣溫、土壤溫度3 個(gè)氣象因素，以及各因素對糧食產(chǎn)量的影響。研究氣候規(guī)律對糧食產(chǎn)量的影響，為預(yù)報(bào)和服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)，對種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著十分重要的意義。同時(shí)，對全市降雨時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，以期為白銀市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和預(yù)防旱災(zāi)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(jì)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(jīng)濟(jì)作物的總產(chǎn)量數(shù)據(jù)由白銀市糧食局提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨因素對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

降雨量是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。通過對白銀市2011—2020 年各月的降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)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(shí)間分布不均的原因主要與季風(fēng)因素有關(guān)，白銀市處于半干旱和干旱氣候區(qū)，冬季受盛行西風(fēng)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(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1 所示，結(jié)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(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量隨著降雨量的增加逐年遞增，但當(dāng)降雨量開始減少時(shí)，糧食產(chǎn)量并沒有隨之減少，產(chǎn)量依舊呈現(xiàn)增大的趨勢，說明降雨的減少并沒有影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。降雨偏少，灌溉用水減少，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的減產(chǎn)，而白銀市地處甘肅省中部，黃河流經(jīng)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(dú)厚的優(yōu)勢條件。從20 世紀(jì)70 年代開始，白銀市先后建成了景電工程、興電工程、靖會(huì)工程、劉川工程等18項(xiàng)大中型電力提灌工程和900 多項(xiàng)小型水利工程，依托沿黃灌區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，高揚(yáng)程電力提灌工程已成為保障糧食安全、發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、帶動(dòng)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(chǎn)增產(chǎn)發(fā)揮了巨大作用。

表1 不同年份下降雨量與農(nóng)作物產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

2.2 氣溫因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

氣溫與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)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(jià)熱量資源的一項(xiàng)指標(biāo)，它直接影響作物的生長、分布和產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)上把日平均氣溫5 日滑動(dòng)平均穩(wěn)定通過0 ℃的時(shí)期作為適宜農(nóng)耕期，≥0 ℃積溫是農(nóng)作物可利用的熱量資源；日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃的時(shí)期，是越冬作物生長活躍期和喜溫作物播種期與生長活動(dòng)期，≥10 ℃積溫反映作物生長期內(nèi)的熱量狀況。這2 項(xiàng)積溫代表當(dāng)?shù)氐臒崃抠Y源狀況，是農(nóng)業(yè)氣候熱量的分析和區(qū)劃、農(nóng)作物種植規(guī)劃、引進(jìn)或推廣地區(qū)溫度條件等的常用指標(biāo)[12]。白銀市日平均氣溫穩(wěn)定通過0、10℃的活動(dòng)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(nèi)可實(shí)現(xiàn)1 年2 熟，≥10 ℃積溫在3 000～3 500 ℃·d 時(shí)，小麥?zhǔn)斋@后可復(fù)種其他多種作物。因此，白銀市熱量充足，有利于提高復(fù)種指數(shù)。

通過對不同年份下年平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(jì)表

溫度對于農(nóng)作物的產(chǎn)量是一個(gè)至關(guān)重要的因素，農(nóng)作物的生長一般存在著一定的溫度范圍，大多數(shù)農(nóng)作物能夠適應(yīng)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(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各年度不同年平均氣溫下農(nóng)作物產(chǎn)量變化規(guī)律圖，如圖2 所示，糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)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(chǎn)年，2014—2017 年呈現(xiàn)平產(chǎn)年，2017—2020 年呈現(xiàn)增產(chǎn)年。

圖2 白銀市各年度不同氣溫下農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)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(nóng)作物之間的相關(guān)關(guān)系，利用不同年份下糧食作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)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(chǎn)量的關(guān)系表達(dá)式。從圖2 中可以看出，不同年份下的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量與年平均氣溫呈現(xiàn)出較好的線性函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較高。

2.3 地溫因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

地溫變化對農(nóng)作物的生長起著關(guān)鍵性的作用，除了會(huì)直接關(guān)系到農(nóng)作物的生長情況，而且會(huì)關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量[9]。通過統(tǒng)計(jì)白銀市2011—2021 年的各個(gè)季節(jié)地面、地面以下5、10、15、20、40 cm 的地溫資料，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)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(gè)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(gè)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(gè)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(yuǎn)，與地面相差越大，這個(gè)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(gè)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(yuǎn)，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(shí)，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(nóng)作物的生長、發(fā)育情況。土壤溫度對農(nóng)作物的影響[10]主要有兩個(gè)方面：一方面是影響播種、出苗和根系生長（20～30 ℃），從而進(jìn)一步影響農(nóng)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(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過程和腐殖化過程，進(jìn)而影響作物生長。采用相關(guān)分析法[11-12]分析了不同深度地溫對主要農(nóng)作物生長的影響，結(jié)果如表3 所示，對于糧食作物，春季不同深度地溫與農(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)性，夏季、秋季、冬季不同地溫與農(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的正相關(guān)性，說明春季地溫對糧食作物的發(fā)育影響小。對于經(jīng)濟(jì)作物，夏季不同深度地溫與農(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)性，春季、秋季、冬季不同地溫與農(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的正相關(guān)性，說明夏季地溫對糧食作物的發(fā)育影響小。

表3 農(nóng)作物生長發(fā)育期淺層平均地溫與農(nóng)作物單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)

3 小結(jié)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(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量隨著降雨量的增加并逐年遞增，但當(dāng)降雨量開始減少時(shí)，糧食產(chǎn)量并沒有隨之減少，產(chǎn)量依舊呈現(xiàn)增大的趨勢，說明降雨的減少并沒有影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，主要是因?yàn)榘足y市沿黃河先后建成多項(xiàng)水利工程，依托沿黃灌區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)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(dòng)積溫平均分別達(dá)3 807 ℃·d、3 216 ℃·d，熱量充足，有利于提高農(nóng)業(yè)復(fù)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(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量與年平均氣溫呈現(xiàn)出較好的線性函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較高。

白銀市地溫呈現(xiàn)季度分化，對于春夏兩個(gè)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(gè)季節(jié)，地面溫度明顯低于地面下各深度地溫；春夏兩個(gè)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(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)性，其他季節(jié)呈現(xiàn)弱的正相關(guān)性。對于經(jīng)濟(jì)作物，夏季不同深度地溫與農(nóng)作物產(chǎn)量呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)性，其他季節(jié)呈現(xiàn)弱的正相關(guān)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(kuò)大，還有助于提高作物復(fù)種指數(shù)和喜溫作物產(chǎn)量。但白銀市降水波動(dòng)大、旱澇易發(fā)，水資源仍然是旱作區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素。因此，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)在沿黃灌溉區(qū)（黃河沿岸灌區(qū)、高揚(yáng)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(zhì)特色農(nóng)業(yè)。