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影响小麦产量的气象因素分析及产量气象模型研究

2019-05-31 08:05:47 天津农业科学 2019年4期

郭春强 张振永 齐双丽 王君 段宸宇 乔冀良 黄杰 曹燕燕

摘    要:為充分合理有效利用气候资源,预测预报主要气候因素(平均气温、降雨量、日照时数)对小麦产量的影响,根据河南省漯河市1987—2017年小麦产量和生育期内的月平均气温(℃)、降雨量(mm)、日照时数(h·d-1)等气象资料进行统计分析,并通过滑动平均模拟法对小麦气象产量进行计算,建立气象产量模型。结果表明,1987—2017年,小麦生育期内各月平均气温、降雨量和日照时数均呈先下降后上升的趋势,最低值均出现在1月,最高值均出现在5月;其中平均气温尤其是3—5月份即冬小麦返青后至成熟期间的平均气温对小麦产量的促进作用达显著水平(P<0.05),日照时数在小麦苗期(10月份),降雨量在小麦返青期(3月份)对小麦产量的负作用达显著水平(P<0.05);根据气温、降雨量和光照等气象要素指标,建立气象产量预测模型,其结果亦表现为平均气温影响较大,且为正向作用,其次是降雨量和日照时数,二者均为负向作用。

关键词:小麦;产量;气象因素;气象模型

中图分类号:S512.1, S16         文献标识码:A        DOI 编码: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

小麦产量除了与种子、化肥、耕作制度等有关外,还与农业气候资源息息相关,气候要素的变化对农业生态环境以及作物生长发育和产量形成会造成显著影响[1-8]。孙芳等[9]、武艳娟等[10]、李永华等[11]研究认为降雨是影响粮食作物产量的因素之一。地域不同,气温、降雨量、光照等对小麦产量的影响也不同。漯河市位居豫中南部,属于南北气候过渡带,气候要素年际间变化大。小麦是漯河市主要粮食作物,近年来低温冷害、阴雨寡照等自然灾害发生较为频繁,这种气候资源变化的不稳定性,对小麦的稳产构成潜在威胁。有关气象因素对作物产量的影响[11-13]报道较多,而有关影响小麦产量的气象因素产量模型尚未见报道。

本文通过对影响小麦产量的气象因素进行分析,探讨气候资源变化对小麦生长发育的影响,并建立影响小麦产量因素的气象模型,为充分合理利用气候资源,进行小麦产量预测预报提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 数据来源

利用1987—2017年河南省漯河市小麦产量及相应年代的气象资料,分别来源于漯河市农业局和漯河市气象局。

1.2 数据处理与分析

气象产量可用公式yw=y- yt-e表示,其中yw为气象产量,y为实际产量, yt为趋势产量,e为随机因素影响的产量。采用滑动平均模拟法平滑去掉因气象因素导致的产量短期波动,求出趋势产量,从而得出气象产量。

数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 气象因素的描述性统计分析

河南省漯河市小麦一般为冬小麦品种,其生育期为10月—第2年5月,将1987—2017年冬小麦生育期内的平均气温、降雨量和日照时数进行计算,见表1。

2.1.1 气温 1987—2017年,小麦生育期内月份间平均气温呈先降后升的趋势,其最低值出现在1月,最高值出现在5月;各月平均气温变异系数与气温变化相反,呈先升后降的趋势,1月变异系数最高,5月变异系数最低,10月和4月变异系数亦相对较低,均小于10%;用相对极差(相对极差=极差/数值平均值)表示数值的离散程度[14],相对极差在0.24~4.66之间。由此可以看出,1月份气温变化较大,对小麦越冬基数影响较大,10月、4月、5月温度相对稳定,有利于稳定小麦基本苗和促进小麦籽粒灌浆。

2.1.2 降雨量 小麦生育期内各月平均降雨量与平均气温一样,呈先降后升的趋势,其最低值亦出现在1月,最高值出现在5月;各月平均降雨量变异系数均较大,介于64.84%~118.32%之间,其最大变异系数出现在1月,最小值出现在4月;小麦生育期内降雨量相对极差在2.39~4.37之间,3月和4月最小,12月份最大,说明降雨量在12月份相对集中,而3月和4月降雨量较分散,3月份是小麦拔节、两极分化时期,是需水量最大的时期,此时期有效降雨有利于小麦幼穗分化、减少小花退化,增加穗粒数,可为来年小麦产量提供丰收保障。

2.1.3 平均日光照时数 小麦生育期内月平均日照时数亦呈先降后升的趋势,其最小值出现在1月,最大值出现在5月;变异系数在12.30%~31.45%之间,其中最大值出现在2月,最小值出现在4月;相对极差在0.42~1.42之间。综合说明,小麦生育期内越冬期-返青期,根系活力弱,叶片光合作用减小;4—5月处于小麦抽穗揚花灌浆阶段,日光照多,根系活力增强,叶片光合作用增强,对于提高小麦籽粒千粒质量具有重要作用。

2.2 相关性分析

对1987—2017年冬小麦生育期内的平均气温、降雨量和日照时数3个气象因素之间及各气象因素与产量之间的相关性进行分析,见表2。

2.2.1 气象因素指标间相关性 平均气温与降雨量各生育期均呈负相关,说明在小麦生育期内,降雨量增多时,平均气温会明显下降,其中12月呈显著负相关(P<0.05),3月和5月呈极显著负相关(P<0.01);平均气温与光照生育期内各月均呈正相关,说明随着平均气温的升高,平均日光照时数增加,其中1月、3月、5月呈极显著正相关(P<0.01),11月和2月呈显著正相关(P<0.05);生育期内各月降雨量与光照均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关,说明降雨量多的月份,平均日光照时数下降较为明显。

2.2.2 气象因素与产量相关性 从整个小麦生育期对产量的影响来看,播种出苗期(10月份),光照与产量呈极显著负相关(P<0.01),而光照又与降雨量显著负相关(P<0.05),说明此阶段,光照时数少而降雨量多,有利于小麦苗期生长发育,可保证足够的基本苗;11月—第2年2月气象因素与产量相关不明显;返青拔节期(3月),平均气温与产量极显著正相关(P<0.01),降雨量与产量显著负相关(P<0.05),而光照又与平均气温极显著正相关(P<0.05),说明在此阶段,平均气温上升快、光照充足,降雨量少,有利于小麦返青拔节,加快两极分化进程;4月份小麦生长从营养生长转向生殖生长,平均气温与产量呈显著正相关(P<0.05),说明温度的升高有利于加快生育进程,及早进入小麦灌浆期;5月份小麦进入灌浆期,平均气温与产量呈显著正相关(P<0.05),平均气温又与降雨量极显著负相关(P<0.01),而与光照极显著正相关(P<0.01),此时气温和日照时数增加、降雨量减少有利于增强小麦光合作用,促进籽粒灌浆。

2.3 气象产量分析及模型建立

2.3.1 气象产量分析 气象产量是气象要素影响小麦的产量,其计算公式为:yt=y-  yt-e,e在实际应用中可忽略不计,因此,气象产量等于小麦实际产量和趋势产量的差,即yyw=y -  yt。笔者通过对漯河市1987—2017年的31个样本统计,用13年平滑模拟来分析气象因素对小麦产量的影响,以反映出因历史发展、技术提升等因素对小麦产量的贡献。采用13年滑动平均产量作为某一年的趋势产量:

式中,  yt表示第t年的趋势产量,yt表示第t年的产量。趋势产量是常年小麦产量的总趋势曲线所对应的产量,与实际产量有差异,其差可以看作是气象因素影响所致,因此,气象产量可以是正值,也可以是负值。如果第t年的气象产量为正值,表示的是:与常年相比,该年的气象条件有利于增加产量;反之,该年的气象条件不利于增加产量。

由图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年气象条件较为有利于小麦产量的增加。

2.3.2 气象产量模型建立 气象产量主要是由气温、降雨量、光照等决定[15-16],气象产量模型的建立是根据生育期内气象因素之间的相关性,采用多元线性回归法对模型变量进行相关分析,并能够充分表现出主要气象因素对产量的影响。模型如下:

yw=αtr+βrf+γss+μ

式中,yw为小麦气象产量,tr为月平均气温,rf为月平均降雨量,ss为月平均日光照时间,μ为误差。α、β、γ分别为气温、降雨量和日光照时数的系数。

通过对漯河市1987—2017年气象因素和气象产量进行多元线性回归分析,建立产量气象模型如下:

yw=-840.993+228.358tr-2.369rf-0.603ss

模型R2=0.198,P=0.048<0.05,说明该模型能够反映主要气象因子对小麦产量的影响;模型中的系数亦可说明,平均气温是气象产量的主要影响因素,其作用为正向,其次是降雨量和日光照时数,二者作用均为负相。

3 结论与讨论

气象因子的变化对小麦生产带来复杂的影响,气温波动较大,降雨分布不均,光照减少,都是影响小麦高产稳产的重要因素,在以后的生产实践中应加以重视,邵立威等[17]和张学林等[18]通过调整播期和品种布局、改进生产措施等途径降低气候条件的不利影响,适应气候变化。本研究通过对河南省漯河市1987—2017年小麦生育期内的平均气温、降雨量和光照等农业气候资源变化进行分析表明,小麦生育期内主要气候资源呈先降后升的趋势,但不同气象因子波动幅度差异较为明显。

有关气象因素对小麦产量的影响方面,罗家传等[19]对小麦主要性状与日照的相关性研究表明,单产与各时段日照时数呈较明显的正相关,春季日照時数增加,可使小麦两极分化提前,这与本文相吻合。本研究对1987—2017年漯河地区小麦生育期内的相关气象指标与小麦产量的关系进行分析表明,影响小麦生长发育的气象因素中,平均气温尤其是3—5月份即冬小麦返青后至成熟期间的平均气温对小麦产量的促进作用较为明显,最有可能成为决定小麦产量的关键因素;日照时数在小麦苗期(10月份),降雨量在小麦返青期(3月份)对小麦产量也会有明显负作用;根据气温、降雨量和光照等气象要素指标,运用产量滑动平均法计算趋势产量,并建立气象产量预测模型,其结果亦表现为平均气温影响较大,且为正向作用,其次是降雨量和日照时数,二者均为负向作用。

本文仅从气象因素对小麦产量的影响进行分析,可为小麦产量短期预测,以及提高其产量的方法提供了理论基础,但对于气象因素对小麦生理性状和目标性状等方面的影响,有待于进一步研究。

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