青海东部地区春小麦生产对气候变化的适应性研究

论文总字数：18002字

目 录

0 引言 1

1 材料与方法 2

1.1 研究区概况 2

1.2 资料及来源 2

1.3 研究方法 3

1.3.1 气温、日照、降水适宜度模型 3

1.3.2 气候适宜度模型 5

1.3.3 累积距平法 5

2 结果与分析 6

2.1 各生育期气候适宜度及其变化特征 6

2.2 各气象要素适宜度的年际变化 7

2.2.1 温度适宜度的年际变化 7

2.2.2 日照适宜度的年际变化 8

2.2.3 降水适宜度的年际变化 9

2.2.4 气候适宜度的年际变化 10

3 结论与讨论 10

参考文献 11

致谢 13

0 引言

青海省属于高原大陆性气候，主要气候特点有：气温低、昼夜温差大、降雨少而时空差异明显、日照时间长、太阳辐射强等。全省面积72.23万km²，占国土总面积的7.7%，列全国各省、市、自治区的第四位。位于青海省东部的农业区是全省主要的农作物产区，该区域粮农作物种植主要以春小麦为主。由于青海省处于青藏高原，生态环境以及自然生态系统比较脆弱^[1]。而东部农业区属于暖凉温半干旱区，海拔相对较低，平均海拔3000 m以下，是青海省内自然条件和生态环境最为优越的地区。可以说，东部农业区对于全省的农业生产、国民经济发展都起着至关重要的作用^[2]。

近年来，全球范围的气候变化尤其是气候变暖对于人类赖以生存的生态系统、生活环境都产生了不同程度的冲击。生态、农业、国民经济发展等都深受影响。而农业又是对于气候变化最敏感脆弱的行业，气候变暖将引起降水、日照等气候因子的变化，改变农作物生长环境，从而对农业发展产生影响。青海东部地区作为全省主要粮食产区，该地区农作物生长及产量形成常年遭受气候干旱以及低温冷害的威胁，农作物生长对于气象条件变化相对比较脆弱。因此，本文将以青海省东部地区春小麦生产为例，建立该地区春小麦气候适宜度模型，定量研究春小麦生长适宜度对于气候变化的响应，结合前人已有的气候适宜度理论及相关研究，探讨影响青海东部地区春小麦气候适宜度的关键气象因子和主要生育期，分析1981年到2010年来气候变化对青海东部地区春小麦生长的影响，为提升该农业区春小麦生产应对气候变化风险的能力提供理论依据和参考。

目前, 国内外学者在农作物生长对气候变化的适宜度模型建立方面已取得一定的成果。

全球气候变化对世界粮食供应的潜在影响评估表明，大气二氧化碳浓度加倍将导致全球农作物产量小幅下降，适应、感知、气候信息和耕作经验在适应气候变化方面有重要意义^[3,4]。C一些学者构建了包括气候因子、经济因子及计算方法在内的气候变化影响模型，并运用面板数据模型评估了气候变化对台湾15个地区59种农作物的潜在影响，结果显示气候变化对台湾蔬菜有积极影响，而对谷类作物有负的影响^[5-7]。Lobell and Asner研究了温度对美国作物产量的影响，得出了温度每上升1℃，美国的玉米和大豆产量就会下降17%的结论^[8]。

我国学者结合当地自然环境及农作物生长的实际情况，对不同尺度区域的农业气候适宜度进行了科学系统的研究探讨。在小麦气候适宜度方面，苏坤慧等^[9]分析评价了河南省小麦生产对气候变化的响应及适应度；赵峰等^[10]研究了河南省冬小麦气候适宜度模型；宫丽娟等^[11]对黑龙江省玉米气候适宜度变化特征进行了分析；魏瑞江等^[12]对河北省冬小麦生育期气象条件进行定量评价，建立了该地区冬小麦生长的气候适宜度模型；李玥等^[13]研究了黄土丘陵区旱地春小麦气候适宜度及其变化特征。在水稻气候适宜度研究方面，黄淑娥等^[14]对江西省双季水稻气候适宜度及其时空变化趋势进行了分析；俞芬等^[15]对淮河流域水稻的气候适宜度及其变化趋势进行了研究；而任玉玉等^[16]分析了河南省棉花的气候适宜度变化趋势。在气候适宜度研究方法方面，黄璜等^[17]运用模糊数学的隶属函数原理对中国红黄土壤地区农作物生长的气候适应性进行了研究；代立芹等^[18]分析了河北省冬小麦光、温、水及气候适宜度，并进一步研究其时空变化特征；当前关于农作物气候适宜度的研究中，西北地区农作物气候适宜性方面的研究较少，尤其缺乏对青海省农作物光、温、水综合气候模型的研究。

就研究内容而言，大部分仍局限于研究单个气候因子对农作物生长及产量形成的影响,而研究不同光、温、水配置产生的综合气候效应者甚少。此外，目前的研究中，大多采用旬、月气象要素平均值作为基础数据来计算作物气候适宜度，这忽略了气象要素的短期时间变化对于农作物生长产生的影响，由于气象要素平均值无法将气象因子时间分布不均匀性和多变性特征考虑在内，使研究结果与实际情况存在一定偏差。在实际生产中，光、温、水三要素特别是降水量即便在短时间内也会存在不可忽略的尺度变化，这将直接影响到作物生长对气候变化的适宜程度。因此若以气象要素月或旬平均值为基础，来计算气候适宜度，有时会导致研究结果不够准确，无法客观反映气候变化对作物生长的影响^[11]。就研究方法而言，目前的研究主要侧重于对作物产量进行统计分析和模拟作物生理生态以及研究作物对全球变化的响应等方面。相比较而言,根据模糊数学理论建立的作物适宜度模型更能够客观反映气候条件对作物生长发育的满足程度,可为作物农田管理措施的采取，作物品种的改良以及布局、农业投入方案的选择和农业配套设施的改进等提供理论的引导和依据^[12]。鉴于此，本文拟以逐日气象要素观测值为基础数据，根据青海东部农业区春小麦各生育期正常生长的气象指标，建立逐日温度、日照、降水的适宜度模型，以定量评价春小麦生育期内的气候适宜性。在此基础上，分析影响该地区春小麦生长和产量形成的关键气象因子和生育期，探讨30年来各气象要素适宜度以及气候适宜度的年际变化特征，为春小麦适应气候变化提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文以青海省贵德、西宁、民和为研究区。青海省海拔高，太阳辐射强，热量资源比较丰富，光照条件较充足，是我国日照时数多、总辐射量大的省份。省内年平均日照时数大于2500小时，年平均气温约在零下5.7℃～8.5℃之间。由于深居内陆，远离海洋，又受地形影响，省内降水量较同纬度的东部地区偏少，且地域差异较大，大部分地区年降水量小于400mm，雨季集中在5月到9月之间。青海省干旱少雨，气象灾害多，对于农作物生产危害极大^[2]。目前的研究表明，近几十年来该地区夏季平均降水量以0. 8 mm•（10 ）速率在显著减少，而同期气温以 0. 3℃•（10 ）速率上升，1998年以后气候暖干化趋势尤其明显^[14]。一系列的气候条件变化必然引起该地区农作物生长环境的变化，因而对青海东部地区春小麦气候适宜度的深入研究，将为当地农作物的品种改良以及调整农田管理措施提供科学依据，对该地区农业可持续发展产生重大影响。

1.2 资料及来源

本研究以青海东部地区春小麦生产为例，气象站点分别取贵德、西宁、民和。以各观测站点30年（1981-2010年）的日平均气温、日照时数、日降水量资料（30年的日观测数据来自国家气象数据网）为基础数据。为客观反映不同生育阶段光、温、水配置对该地区春小麦生长发育过程的影响，本文将春小麦从3月到8月的整个生育期划分为4个生育阶段，即：播种－出苗期、出苗－拔节期、拔节－抽穗期以及抽穗－成熟期。观测站点生育期资料参考刘义花^[19]、张调风^[22]等学者的研究，见表1。利用模糊数学原理建立春小麦气候适宜度模型，将春小麦各生育阶段最佳气候指标值与其对应生育期的实际气象因子观测值进行对比分析，计算春小麦每个生育时段各气候要素的适宜度隶属值，并考虑各指标权重系数，得到气候适宜度隶属值，作为春小麦的气候适宜度指标。

表1 各区域春小麦各生育期划分

1.3 研究方法

1.3.1 气温、日照、降水适宜度模型

农作物的气候适宜度是把温度、光照、降水等气候因子的数量变化，通过模糊数学中的隶属函数的方法转化成对作物生长发育的适宜程度^[13]。为定量分析气候条件变化对于青海东部地区春小麦生长适宜程度的影响，结合研究区域春小麦各生育期对于气温、日照、降水的需求程度，本文将根据黄璜^[10]、赵峰^[12]、马树庆^[20]、徐学选^[21]等对农作物气候适宜度模型的研究，分别引入春小麦生长发育对于气温、日照、降水适宜度的隶属函数。利用各研究区域30年的逐日气象观测资料，计算春小麦生育期内逐日的温度适宜度、日照适宜度以及降水适宜度。

春小麦生长发育对于气温、日照、降水的适宜度可用隶属函数来表示。其中，逐日气温适宜度评价模型为：

= （1）

B= （2）

式中，为春小麦某生育期内第i日的气温适宜度，t为该日平均气温，分别为春小麦在某生育期所需的下限、上限和最适温度，本文参考黄璜^[10]、任水莲^[23]等人的研究，具体取值见表2。这一适宜度评价模型将春小麦生长发育的上、下限温度、高产适宜温度以及外界自然环境温度作为基本参考依据，每个参数都具有其明确的物理意义,更具有科学性依据。容易看出，当t≥或者t≤ 时， =0，当＜t＜ 时，取值在0到1之间变动，当t= 时，=1。

本文以各生育期内逐日温度适宜度的平均值作为该发育期的温度适宜度，即某生育期的温度适宜度模型为：

（3）

式中，为春小麦第j个生育期的温度适宜度，m为该生育期持续日数。

春小麦生育期的逐日日照适宜度模型为：

= （4）

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