陇东黄土高原塬区夏季气候变化对春玉米发育及产量的影响

张红妮 ，张洪芬 ，何树洲 ，周忠文，车向军

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州 730020；2.甘肃省庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

全球气候变暖，对农业生产造成一定影响。IPCC 第五次评估报告指出，近百年全球平均气温上升了0.85 ℃［1］。中国西北地区与全球一样，正在变暖变湿。相关研究表明［2］气候变化对陇东地区粮食作物的影响也是显著的。

庆阳市位于西北地区的甘肃省东部，陕甘宁3省区的交汇处，系黄河中下游黄土沟壑区，素有“陇东粮仓”之称。西峰区位于陇东黄土高原最大黄土塬面的董志塬腹地，具有典型的陇东黄土高原塬地气候特征，属内陆季风气候，气候温和，雨量丰沛，日照充足，适合农作物生长。春玉米是西峰种植面积第二大的粮食作物，近年来玉米作为食用、饲料及酿酒原料，其用途不断扩大，随着全膜双垄沟播技术的推广，种植面积也在逐渐增加。春玉米的生产受气候条件影响很大，一般4 月中下旬播种，9 月上中旬成熟，全生育期145～170 d，是喜温好光作物，也是一种需水较多的作物，其生长期内要求较高的热量，而夏季（按照气象学上划分标准为6—8 月，下同）是春玉米拔节、抽雄、开花、吐丝、灌浆、乳熟的关键发育期，温度较高，光照充足，热量集中，又是西峰的雨季，作为旱作农业区，玉米产量的丰歉在很大程度上取决于当年生育期气象要素的匹配程度。

关于夏季气候有许多学者进行了研究，吴丽等［3］、郑金新等［4］、何超［5］、赤曲等［6］、赵亮等［7］分析了夏季气温的变化特征，郭江勇等［8］对河东春季透雨进行了研究，李耀辉等［9］、蔡晓军等［10］对西北地区春季和春末夏初降水的时空分布特征进行了分析，范娟等［11］、蒋乐等［12］分析了日照的变化特征，庞婷婷等［13］对沙坡头玉米产量的丰歉气候指标进行了研究。上述研究为分析夏季气候变化提供了一定的依据，但是与春玉米发育期和产量结合不够。用西峰区1990—2018 年夏季平均气温、降水量、日照时数、春玉米发育期及产量资料，分析夏季平均气温、降水量、日照时数的变化特征及其对春玉米发育期和产量的影响，对气象条件对春玉米气候产量的丰歉及利弊影响进行评估；对春玉米关键生育期气象因子与气候产量的相关关系进行显著性检验，筛选出最有利于气候产量形成的关键发育期及气象因子，以期为调整种植结构和保证粮食安全提供理论依据，对指导当地农业生产具有重要的现实意义。

1 资源来源与研究方法

1.1 资料来源

夏季平均气温、降水量、日照时数资料均来源于甘肃省西峰国家基本气象站，春玉米产量资料来源于庆阳市统计局，为西峰区平均产量。春玉米发育期观测资料来源于甘肃省西峰农业气象试验站，物候期观测采用人工目测和百分比统计方法，标准参照《农业气象观测规范》。气象观测场与春玉米物候观测地段毗邻，符合农业气象平行观测要求，观测地段、品系、种植方法等都长期一致，年际间非气候因素造成的差异较小。春玉米的关键生长生育期主要有拔节-抽雄期、抽雄-开花期、开花-吐丝期、吐丝-乳熟期。所用资料序列从1990 年至2018 年共29年，发育期物候观测从上1 个发育期次日算起，到相应发育期当日为止。

1.2 研究方法

气候产量Ym(i)=Y(i)-Yt(i)，式中，Y(i)代表第i年的实际产量。气候产量反映气象条件对玉米丰歉的影响；若气候产量Ym(i)＞ 0，表示丰产年，若Ym(i)＜ 0，表示歉产年，若Ym(i)= 0，表示平年。

利用相关性分析、F检验、回归计算等方法，对春玉米关键生育期气象因子与气候产量的相关关系进行显著性检验，筛选出最有利于气候产量形成的关键发育期及气象因子。

2 结果与分析

2.1 西峰区夏季气候的变化特征

2.1.1 平均气温的变化特征 从夏季平均气温距平演变曲线（图1）可以看出，29 年来西峰区夏季平均气温为20.8 ℃，最高值出现在2016 年，为22.1 ℃，比常年（1981—2010 年，下同）平均偏高1.8 ℃，最低值出现在1993 年，为19.1 ℃，比常年偏低1.2 ℃。夏季平均气温呈上升趋势，上升速率每10 年为0.46 ℃。从夏季各年代平均气温变化看，1990—2000 年偏低，2000—2010 年正常，2011—2018 年偏高。

图1 西峰区夏季平均气温距平的变化

2.1.2 降水量的变化特征 从夏季降水距平百分率演变曲线（图2）可以看出，29 年来西峰区夏季平均降水量为283.5 mm，最大值出现在2018 年，为496.3 mm，比常年偏多79%，最小值出现在1997 年，为143.5 mm，比常年偏少48%，呈波动增加趋势，增加速率每10 年为4.22 mm。由夏季各年份平均降水变化看，年际波动幅度增大，1990—2000 年呈减少趋势，2001—2018 年呈增加趋势，尤其 2011—2018 年呈显著增加趋势。

图2 西峰区夏季降水距平百分率的变化

2.1.3 日照时数的变化特征 从夏季日照距平演变曲线（图3）可以看出，29 年来西峰区夏季平均日照时数为683.8 h，最大值出现在1991 年，为827.4 h，比常年偏多21%，最小值出现在2007 年，为579.2 h，比常年偏少15%，呈减少趋势，减少速率每10 年为4.76 h。从夏季各年份平均日照时数变化看，1990—2000 年偏多，2001—2018 年呈减少趋势。

图3 西峰区夏季日照时数距平百分率的变化

2.2 西峰区夏季气象因子对春玉米发育期和气候产量的影响

2.2.1 平均气温对春玉米发育期和气候产量的影响 从1990—2018 年夏季平均气温中，选取5 个偏高和5 个偏低典型年份，对西峰区春玉米发育期和气候产量的影响进行分析（表1）。可见平均气温偏高年比偏低年春玉米各平均发育期均提前，其中差异最明显的是开花期，提前了5 d，其次是拔节和吐丝期，提前了4 d，再次是抽雄期，提前了3 d，最后是乳熟期，提前了2 d。从夏季平均气温偏高与偏低的典型年份平均值对比中可以看出，偏高年份的春玉米各发育期均提前，全生育期日数缩短，平均气候产量偏低；平均气温偏高年份比偏低年份全生育期平均缩短11 d，平均气候产量偏低1 743.5 kg/hm2。

表1 西峰区夏季气温典型年份春玉米发育期及气候产量对比

2.2.2 降水量对春玉米发育期和气候产量的影响从1990—2018 年夏季降水量中，选取了5 个偏多和5 个偏少典型年份，对西峰区春玉米发育期和气候产量的影响进行分析（表2）。可见平均降水量偏多年比偏少年春玉米各平均发育期均推迟，其中差异较明显的是抽雄和开花期，推迟了8 d，其次是拔节期，推迟了7 d，再次是吐丝期，推迟了6 d，最后是乳熟期，推迟了4 d。从夏季平均降水量偏多与偏少的典型年份的平均值对比中可以看出，偏多年份的春玉米各发育期均推迟，全生育期日数延长，平均气候产量偏高；降水量偏多年份比偏少年份全生育期平均日数延长3 d，平均气候产量偏高892.3 kg/hm2。

表2 西峰区夏季降水量典型年份春玉米发育期及气候产量对比

2.2.3 日照时数对春玉米发育期和气候产量的影响 从1990—2018 年夏季平均日照时数中，选取5个偏多和5 个偏少典型年份，对西峰区春玉米发育期和气候产量的影响进行分析（表3）。可见平均日照时数偏多年比偏少年春玉米各平均发育期均提前，其中差异最明显的是乳熟期，提前了7 d，其余各发育期均提前了4 d。从夏季日照时数偏多与偏少的典型年份的对比中可以看出，偏多年份的春玉米各发育期均提前，但日照时数偏多年份与偏少年份对全生育期平均日数和平均气候产量的影响不明显，偏多年份比偏少年份全生育期平均日数仅迟1 d，平均气候产量仅偏高155.4 kg/hm2。

表3 西峰夏季日照时数典型年份春玉米发育期及气候产量对比

2.3 西峰区春玉米气候产量丰歉评估及影响因素

2.3.1 西峰区春玉米产量丰歉评估 由表4 可知，1995、1997、2000、2001、2008、2009、2010、2011、2016年及2017 年均为歉产年，29 年中出现了10 次，占34%；其余的年份均为丰产年，占66%。春玉米产量的丰歉在很大程度上取决于当年生育期气象要素的匹配程度，位于董志塬腹地的庆阳市西峰区作为典型的旱作农业区，气象要素能较好地满足春玉米的生长需求。

表4 西峰区1990—2018 年春玉米趋势产量和气候产量

2.3.2 西峰区气象因子对春玉米气候产量的利弊影响 气象因子对春玉米产量形成至关重要。利用标准化后的产量数据进行分析。在标准化处理过程中，经标准化后的气候产量Aij变量值围绕0 上下波动，小于0 说明春玉米产量低于多年平均水平，当年气象因子不利于春玉米生长和产量形成，大于0 说明春玉米产量高于平均水平，当年气象因子有利于春玉米生长和产量形成。

由表 5 可知，1995、1997、2000、2001 年、2006—2011 年、2014—2017 年，西峰区春玉米气候产量低于多年平均水平，气象因子不利于春玉米生长和产量形成，29 年中出现了14 次，占48%；其余年份春玉米气候产量高于多年平均水平，气象因子有利于春玉米生长和产量形成，29 年中出现了15 次，占52%。

表5 气象因子对春玉米气候产量的利弊影响

2.3.3 西峰区夏季气象因子与春玉米气候产量的显著性检验分析 利用1990—2018 年夏季气象因子与春玉米气候产量（Ym（i））进行相关性检验分析（表6），夏季平均气温与气候产量的相关系数为-0.325 7，通过0.10 显著水平检验；夏季降水量与气候产量的相关系数为0.430 1，依次通过0.10 和0.05 显著水平检验；夏季日照时数与气候产量的相关系数为0.005 9，均未通过0.10 和0.05 显著水平检验。结果表明，夏季气象因子与气候产量相关性最显著的是降水量，其次是气温，日照时数与气候产量的相关性不显著。

表6 1990—2018 年西峰区夏季气象因子与气候产量的相关分析

温度主要影响发育期，夏季气温过高，春玉米各发育期日期提前，全生育期生长天数缩短，尤其灌浆期提前结束，低温可以延长春玉米的灌浆时间，有利于干物质的积累和运输，对提高春玉米的粒重有利。而降水量的增多有利于春玉米的生长，夏季降水偏多，对高温干旱有明显的抑制作用，春玉米各发育期日期推后，全生育期生长天数和灌浆期延长，同时拔节抽穗和灌浆期仍需较多水分，此期土壤水分的增加更是保证穗大粒多的重要条件，故夏季降水对春玉米气候产量的影响最大。夏季日照时数的减少，主要是由于夏季降水增加引起阴雨天数增多（即云量增加和晴天日数的减少）所致，对春玉米气候产量的影响并不显著。

2.3.4 西峰区春玉米关键生育期及气象因子与气候产量的相关分析 由表7 可知，西峰区春玉米关键发育期平均气温与气候产量相关最显著的是拔节-抽雄期，其次是吐丝-乳熟期，均呈负相关，相关系数分别为-0.415 2，-0.337 0，依次通过 0.05、0.10 的信度检验，表明此期的平均气温偏高，气候产量偏低，平均气温偏低，气候产量偏高，其余发育期的平均气温与气候产量相关不显著；降水量与气候产量相关最显著的是拔节-抽雄期，其次是七叶-拔节期，均呈正相关，相关系数分别为0.448 9、0.322 4，依次通过0.05、0.10 的信度检验，表明此期的降水量偏多，气候产量偏高，降水量偏少，气候产量偏低，其余发育期的降水量与气候产量相关不显著；日照时数与气候产量相关最显著的是开花-吐丝期，呈显著负相关，相关系数为-0.500 4，通过0.01 的信度检验，表明此期的日照时数偏多，气候产量偏低，日照时数偏少，气候产量偏高，其余发育期的日照时数与气候产量相关不显著。

表7 西峰区春玉米关键生育期气象因子与气候产量的相关系数

由西峰区农业气象试验站近20 年（1998—2017年）春玉米历史发育期观测资料统计可知，西峰区黄土高原春玉米拔节期平均日期出现在6 月17—21 日前后，5—6 月的春末初夏干旱对春玉米雌穗分化小穗和小花不利，影响春玉米之后的生殖生长，对产量形成有不利影响；而抽雄-开花期平均日期出现在7月11—15 日、吐丝期平均日期出现在7 月14—18日，此时正值伏期（7 月11 日至 8 月20 日，下同），降水过少会诱发高温干旱，且春玉米拔节抽穗期对水分要求较多，植株耐旱力最差，对水分和干旱也最为敏感，如果水分不足，容易引起“卡脖旱”，致使雄穗不能正常抽出，造成雌雄穗花期不遇，影响授粉和结实；8 月是春玉米灌浆高峰期，乳熟期平均日期出现在8 月13 日前后，灌浆期要求一定的温度、充足的光照和适当的水分，高温干旱、低温寡照、连阴雨天气过程均不利于春玉米灌浆，灌浆期日平均气温低于18.0 ℃或日平均最高气温高于28.0 ℃或日平均最低气温在15.0 ℃以下，土壤相对湿度低于60%，均不利于干物质的积累和转化，使子粒灌浆不饱满，子粒重和百粒重均降低，最终影响产量的形成。故西峰区黄土高原夏季春玉米生长与气候产量密切相关的关键生长期内，最有利于产量形成的气象因子是降水量，拔节-抽雄期和灌浆期降水量的增多有利于春玉米生长发育和产量的形成，灌浆期土壤水分的增加更是保证穗大粒多的重要条件。同时，夏季降水对高温干旱有明显的抑制作用，可使春玉米灌浆时间延长，促进了子粒干物质积累，增加粒数，提高粒重，对产量形成非常有利。最不利于气候产量形成的气象因子是高温干旱（最终归于气温和降水），高温意味着气温过高，干旱意味着降水过少。西峰区黄土高原夏季30.0 ℃以上高温天气基本上都集中出现在7—8 月，此时正值伏期高温频发时段，又是春玉米抽雄、开花和灌浆的关键生长期，若气温过高，降水过少，发生高温干旱的风险将增大，对春玉米抽雄、开花和灌浆生长势必产生不利影响，尤其是灌浆期提前结束导致灌浆不充分，进而影响产量的形成。因此，西峰区夏季高温干旱对春玉米气候产量的形成威胁最大。春玉米是短日性植物，开花时间取决于日照长度。短日性植物在短日照下开花或提早开花或开花数目增多，在短日照下发育快。日照时数主要影响春玉米开花速度和数量，花粉的生命力与温度、湿度关系很大，日照过长或在高温干旱条件下，花粉失水、花丝干枯，都会使春玉米受精能力显著下降，影响结实，故日照时数在春玉米开花-吐丝期对产量形成有一定影响，呈显著负相关。

3 小结与讨论

1）西峰区夏季平均气温29 年来呈上升趋势，上升速率每10 年为0.46 ℃；降水量呈波动增加趋势，增加速率每10 年为4.22 mm；日照时数呈减少趋势，减少速率每10 年为4.76 h。

2）夏季平均气温偏高年份比偏低年份春玉米各平均发育期均提前，全生育期生长日数缩短11 d，平均气候产量偏低；夏季降水量偏多年份比偏少年份春玉米各平均发育期均推迟，全生育期生长日数延长3 d，平均气候产量偏高；夏季日照时数偏多年份比偏少年份春玉米各平均发育期均提前，但对全生育期生长日数和平均气候产量的影响不明显。

3）夏季气象因子与气候产量相关性极显著的是降水量，显著的是气温，日照时数与气候产量的相关性不显著。

4）夏季平均气温与气候产量相关极显著的发育期是拔节-抽雄期，显著的是吐丝-乳熟期，均呈负相关；夏季降水量与气候产量相关极显著的发育期是拔节-抽雄期，显著的是七叶-拔节期，均呈正相关；夏季日照时数与气候产量相关最显著的发育期是开花-吐丝期，呈显著负相关。

5）农作物的生长发育是一个复杂的过程，光、热、水、肥相互匹配，缺一不可，是诸多因子综合作用的结果。影响农作物产量的因素也是多方面的，除气象因子外，还受当年田地生产力水平、作物品种、耕作、栽培方式、田间管理等因素影响。本研究仅对夏季平均气温、降水量、日照时数对春玉米发育期及产量的影响进行了一些定性分析，对气象因子与春玉米气候产量丰歉及利弊进行评估，并筛选出最有利于气候产量形成的发育期及气象因子。气候暖湿变化会引起各类气象灾害及病虫害等频繁发生，对农作物的生长发育和产量形成等方面的研究，还有待于今后进一步探讨。