据统计,2017年我国小麦播种面积约2 450.8万hm2,年产量约13 433.4万t[5]。通过生产潜力和产量差的研究,探究限制我国小麦单产的因素,可以缩小实际产量和潜在产量的差距,增加我国粮食总产量[6]。明确我国各个生产区小麦生产潜力对于缩小产量差,提高全国粮食总产量有重要意义[7]。但目前关于我国小麦生产潜力的研究主要集中在黄淮麦区和长江中下游麦区[8,9,10,11,12,13],对于山西省小麦生产潜力的研究相对较少。2017年山西省小麦播种面积和总产量分别为56万hm2和232万t,分别占全省粮食作物总播种面积和总产量的17.67%和17.68%[14]。当前,关于山西省小麦生产潜力的研究主要集中于县域尺度,如寿阳县、吉县等[15,16,17],从全省角度评估小麦生产潜力的研究未见报道。山西省是黄土覆盖的山地高原,地形复杂,地貌多样,山地和丘陵占全省面积的80%以上,不同区域间农业生态区的差异较大,小麦的生产潜力亦有所不同[18]。因此综合评价山西省小麦生产潜力分布特征及主要影响因素,对山西小麦生产具有重要的意义。
本研究采用农业生态区域法评价山西省不同层级冬小麦的生产潜力,分析山西省冬小麦生产潜力的时空分布特征,以及影响不同层级冬小麦生产潜力的主要气象因素,优化山西省冬小麦生产布局和资源配置,缩小冬小麦实际产量和生产潜力差距,为进一步增加山西省冬小麦总产量提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究方法
1.2 生产潜力计算方法
本研究中冬小麦光合、光温、气候和土地生产潜力涉及的太阳短波辐射量通过日照时数和站点地理位置等信息换算得出[23]。
其中,Rns为地表净短波辐射[MJ/（m2·d）],Ra为晴空太阳辐射[MJ/（m2·d）];dr为日地相对距离,δ为太阳赤纬（rad）,ωs为日落时角（rad）,N为最大天文日照时数（h）,n为日照时数（h）,φ为测点纬度（rad）,J为日序。
1.2.1 光合生产潜力计算 采用瓦赫宁根农业生产力研究小组提出的数值法来推算冬小麦光合生产潜力。
其中:y为光合生产潜力[kg/（hm2·d）];yc为生育期间全晴天时,标准作物总干物质产率[kg/（hm2·d）];yo为生育期间全阴天时,标准作物总干物质产率[kg/（hm2·d）];F为云覆盖度;Ra为晴空太阳辐射[MJ/（m2·d）]。公式（7）中的生育期全阴天和全晴天标准作物总干物质产率,采用刘建栋等[24]提出的修订值。
1.2.2 光温生产潜力计算 以标准作物干物质光合生产潜力为基础,对作物种类、温度条件、收获指数、生育期进行校正以后,得到光温生产潜力[19]。
当ym≥20kg/（hm2·h）
当ym≤20kg/（hm2·h）
其中:Y为光温生产潜力（kg/hm2）;L为作物生育期叶面积订正系数;N为净干物质生产订正系数;H为作物收获指数;G为作物全生育期天数;ym为作物的干物质生产率[kg/（hm2·d）];yc和yo同公式（7）。
1.2.3 气候生产潜力计算 气候生产潜力是作物在土壤和肥力最理想的状态下,由光照、温度和自然降水这3个外部条件因素共同决定的作物最大能达到的产量[25]。
其中:Yw为作物气候生产潜力（kg/hm2）;I1、I2和I3分别为作物营养生长、生殖生长、灌浆成熟3个生育阶段的产量指数;u1、u2和u3分别是3个生育阶段的产量降低率。
产量降低率与各生育阶段水分亏缺率有关[25],计算公式如下:
当生育阶段降水量与上旬土壤有效储水量大于ETm时:
当生育阶段降水量与上旬土壤有效储水量小于ETm时:
当ST<0时,播前土壤有效储水量记为0;
k为产量反应系数,反映相对产量降低与相对耗水量亏缺之间的关系,不同生育阶段有所差异;Kc为作物需水系数;PE为参考蒸散量（mm）;P为降水量（mm/d）;nl为播前有效降水量天数（d）。
1.2.4 土地生产潜力计算 土地生产潜力是采用机制法,基于气候生产潜力,考虑土壤对产量的影响而得出,对当地土壤条件进行评估,并分析得出各因子权重,最终得到土壤修正系数[26]。
其中Yl为土壤生产潜力,Yw为气候生产潜力,f为土壤修正系数,D为土壤厚度修正系数,B为土壤质地修正系数,T为土壤容重修正系数,O为土壤有机质含量修正系数,H为土壤pH修正系数,N为土壤养分修正系数。
1.3 数据分析
运用SPSS 16.0软件进行冬小麦生产潜力与气象因子回归分析,采用SigmaPlot 12.5绘图。
2 结果与分析
2.1 山西省冬小麦生产潜力分布
2004-2008年,山西省冬小麦平均光合和光温生产潜力分布特征均表现为山西西南部普遍低于东南部和中部地区（表1）。冬小麦光合生产潜力较高的地区是黎城县和石楼县,均为72.63~74.81t/hm2,较低的地区是襄汾县和闻喜县,均为63.85~66.04t/hm2;冬小麦光温生产潜力较高的地区同样是黎城县和石楼县,均为12.56~12.97t/hm2,较低的地区是襄汾县和闻喜县,均为10.90~11.31t/hm2。2009-2013年,山西省冬小麦的平均光合生产潜力和光温生产潜力分布特征基本一致,光合生产潜力较高的地区是黎城县、沁县、孝义市和石楼县,均为71.32~73.23t/hm2,较低的地区是襄汾县和闻喜县,均为63.63~65.55t/hm2;光温生产潜力较高的地区是黎城县、沁县和石楼县,均为12.30~12.65t/hm2,较低的地区是襄汾县和闻喜县,均为10.86~11.22t/hm2（表1）。
表1 2004-2008年和2009-2013年山西省不同区域冬小麦平均光合、光温、气候和土地生产潜力
Table 1
| 地区 Region | 地点 Site | 2004-2008年In 2004-2008 | 2009-2013年In 2009-2013 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 光合生产潜力 Photosynthetic potential productivity | 光温生产潜力 Light-temperature potential productivity | 气候生产潜力 Climate potential productivity | 土地生产潜力 Land potential productivity | 光合生产潜力 Photosynthetic potential productivity | 光温生产潜力 Light-temperature potential productivity | 气候生产潜力 Climate potential productivity | 土地生产潜力 Land potential productivity | |||
| 山西西南部 | 闻喜Wenxi | 63.85~66.04 | 10.90~11.31 | 3.68~4.06 | 2.71~3.01 | 63.63~65.55 | 10.86~11.22 | 4.01~4.34 | 2.80~3.19 | |
| Southwest Shanxi Province | 永济Yongji | 66.05~68.23 | 11.32~11.73 | 4.07~4.43 | 2.71~3.32 | 65.56~67.47 | 11.23~11.57 | 4.35~4.66 | 2.80~3.57 | |
| 襄汾Xiangfen | 63.85~66.04 | 10.90~11.31 | 4.07~4.43 | 2.71~3.01 | 63.63~65.55 | 10.86~11.22 | 4.01~4.34 | 2.80~3.19 | ||
| 霍州Huozhou | 66.05~68.23 | 11.32~11.73 | 4.44~4.81 | 3.02~3.62 | 65.56~69.39 | 11.23~11.93 | 4.35~4.99 | 3.20~3.57 | ||
| 吉Ji | 70.44~72.62 | 11.32~11.73 | 4.07~4.43 | 3.02~3.32 | 65.56~69.39 | 11.23~11.93 | 4.35~4.66 | 2.80~3.19 | ||
| 山西东南部 | 沁水Qinshui | 68.24~70.43 | 11.32~12.14 | 4.07~4.81 | 3.02~3.62 | 65.56~67.47 | 11.23~11.57 | 4.35~4.66 | 2.80~3.57 | |
| Southeast Shanxi Province | 泽州Zezhou | 70.44~72.62 | 12.15~12.55 | 4.82~5.18 | 3.63~3.93 | 69.40~71.31 | 11.94~12.29 | 4.67~4.99 | 3.58~3.96 | |
| 黎城Licheng | 72.63~74.81 | 12.56~12.97 | 5.19~5.56 | 3.94~4.23 | 71.32~73.23 | 12.30~12.65 | 5.33~5.65 | 4.35~4.73 | ||
| 沁Qin | 70.44~72.62 | 11.74~12.14 | 5.19~5.56 | 3.94~4.23 | 71.32~73.23 | 12.30~12.65 | 5.00~5.32 | 3.97~4.34 | ||
| 山西中部 | 孝义Xiaoyi | 68.24~70.43 | 11.74~12.14 | 4.82~5.18 | 3.33~3.62 | 71.32~73.23 | 11.94~12.65 | 5.00~5.32 | 3.58~3.96 | |
| Central Shanxi Province | 石楼Shilou | 72.63~74.81 | 12.56~12.97 | 4.44~4.81 | 3.33~3.62 | 71.32~73.23 | 12.30~12.65 | 4.67~4.99 | 3.20~3.57 | |
| 介休Jiexiu | 66.05~68.23 | 11.32~12.14 | 4.83~5.18 | 3.33~3.62 | 69.40~71.31 | 11.94~12.29 | 5.33~5.65 | 3.97~4.34 | ||
| 寿阳Shouyang | 70.44~72.62 | 12.15~12.55 | 4.83~5.18 | 3.63~3.93 | 69.40~71.31 | 11.94~12.29 | 5.00~5.32 | 3.20~3.96 | ||
在光温生产潜力的基础上考虑生育期降水量等因素后,2004-2008年冬小麦气候生产潜力较高的地区是沁县和黎城县,均为5.19~5.56t/hm2,较低的地区是闻喜县,为3.68~4.06t/hm2;冬小麦土地生产潜力较高的地区是沁县和黎城县,均为3.94~4.23t/hm2,较低的地区为闻喜县和襄汾县,均为2.71~3.01t/hm2。2009-2013年冬小麦平均气候生产潜力较高的地区是黎城县和介休市,均为5.33~5.65t/hm2,较低的地区是闻喜县和襄汾县,均为4.01~4.34t/hm2;冬小麦土地生产潜力较高的是黎城县,为4.35~4.73t/hm2,较低的是闻喜县、襄汾县和吉县,均为2.80~3.19t/hm2。
相较2004-2008年冬小麦光合和光温生产潜力,2009-2013年,孝义市、沁县和介休市的光合和光温生产潜力有所提高,其余大部分地区光合和光温生产潜力有所下降。而相较2004-2008年冬小麦气候和土地生产潜力,2009-2013年石楼县和寿阳县的土地生产潜力有所下降,闻喜县、永济市、黎城县、孝义市、介休市的气候和土地生产潜力有所提高（表1）。
2.2 山西省冬小麦生产潜力与气象因子的关系
由图1可知,山西省冬小麦光温生产潜力与生育期短波辐射量、日照时数和参考蒸散量呈极显著正相关关系,而与生育期日平均温度和日平均湿度呈极显著负相关关系。
图1
图1
山西省冬小麦光温生产潜力与生育期气象因子的关系
“**”表示在0.01水平极显著相关,下同
Fig.1
The relationship between the light-temperature potential productivity and meteorological factors during the growth stage of winter wheat in Shanxi Province
"**" indicates extremely significant at 0.01 level. The same below
由图2可知,山西省冬小麦气候生产潜力与生育期降水量呈现极显著正相关关系,而与生育期日平均温度呈极显著的负相关关系,此外冬小麦气候生产潜力也与生育期短波辐射量呈极显著正相关,光照、温度和降水3个气象因子对山西省冬小麦气候生产潜力均达到显著影响。
图2
图2
山西省冬小麦气候生产潜力与生育期气象因子的关系
Fig.2
The relationship between climate potential productivity and meteorological factors during the growth stage of winter wheat in Shanxi Province
由图3可知,山西省冬小麦土地生产潜力与生育期降水量呈极显著正相关关系,而与生育期日平均温度呈极显著的负相关关系,与短波辐射量呈显著正相关关系。
图3
图3
山西省冬小麦土地生产潜力与生育期气象因子的关系
Fig.3
The relationship between land potential productivity and meteorological factors during the growth stage of winter wheat in Shanxi Province
3 讨论
3.1 冬小麦光合和光温生产潜力时空分布特征分析
山西省冬小麦光合和光温生产潜力呈现出明显的地域分布特征,总体为中部和东南部地区普遍高于西南部。分析认为,这可能与山西省不同地区间冬小麦生育期短波辐射量和日平均温度差异有关。太阳辐射量分布从低纬度向高纬度减少,由高海拔向低海拔减少[27]。已有研究[28]表明,山西省高低海拔地区间的太阳辐射量差异远大于高低纬度地区间的太阳辐射量差异,即山西省太阳辐射量地区间的差异主要受海拔影响,因此,虽然山西省临汾市和运城市纬度较低,但其处于低海拔的盆地,对比山西省海拔较高的东部和西部地区,辐射量较低。此外,雾霾亦是影响太阳短波辐射量的因素之一[29,30],间接影响小麦光温生产潜力。山西省南部和中部雾霾天气相较东西部出现更频繁,而东西部雾和霾的覆盖天数较少,辐射条件也相对较好[31],形成山西省冬小麦光合生产潜力呈现出中部和东南部高,西南部低的分布特征。本研究通过回归分析发现,冬小麦生育期的平均温度与光温生产潜力呈现极显著负相关关系。这可能是由于温度升高导致冬小麦生育期缩短,特别是开花期和成熟期提前,导致冬小麦产量下降[32]。上述因素的共同作用可能造成了山西省冬小麦光合和光温生产潜力呈东西部高、南部盆地低的分布特征。与2004-2008年相比,2009-2013年位于山西中部地区的孝义和介休及靠近介休的沁县地区冬小麦的光合和光温生产潜力有所提高。通过对山西中部地区的吕梁、介休和榆社气象站的数据分析发现,2009-2013年冬小麦生育期的平均日照时数较2004-2008年约提高了5%[21],因此2009-2013年冬小麦生育期内的辐射条件也较好,这使光合和光温生产潜力有所提高。
3.2 冬小麦气候和土地生产潜力时空分布特征分析
山西省冬小麦气候生产潜力较高的地区为黎城县、沁县和介休市,闻喜县的冬小麦气候生产潜力较低。原因首先是黎城县和沁县所处海拔相对较高,辐射条件较好;其次2004-2013年长治和晋中西部的冬小麦生育期年均降水量大于吕梁、临汾和运城地区[21],因此黎城县、沁县和介休市气候生产潜力较高。此外,本研究发现冬小麦气候生产潜力的高低主要受生育期短波辐射量和降水量的影响,这可能是由于水分短缺会导致作物叶肉气孔关闭,进而限制了作物利用光能进行CO2同化[33]作用,水分中度缺乏时,小麦旗叶和穗部净光合速率均下降,影响作物干物质积累[34]。与2004-2008年相比,2009-2013年山西省大部分地区冬小麦气候和土地生产潜力有所提高,这可能与这些区域冬小麦生育期降水量的增加有关[21],而使气候生产潜力提高。
4 结论
自然条件下山西省冬小麦生产潜力东南部和中部地区普遍高于西南部。与2004-2008年相比,2009-2013年山西省大部分麦区的冬小麦气候和土地生产潜力有所提高。本研究仅采用9个站点的气象数据,可能对生产潜力分布评价结果的精度有一定影响,但总体趋势影响较小。山西省冬小麦气候和土地生产潜力均与其生育期降水量呈极显著的正相关,和生育期日平均温度呈极显著的负相关,而冬小麦光温生产潜力与生育期日平均温度、短波辐射量、日照时数、日平均湿度和参考蒸散量极显著相关。冬小麦生育期短波辐射量、降水量、日平均温度是影响山西省冬小麦生产潜力的关键因素。本研究中生产潜力和气象因子回归分析采用了小麦全生育期的气象数据,不是按照小麦生育阶段进一步划分,在今后的研究中将围绕生育阶段和气象临界指标进行小麦生产潜力影响因子的深入分析,以利于指导实际农业生产。
参考文献
Winter wheat yield potentials and yield gaps in the North China Plain
Yield gap analysis-rationale,methods and applications-introduction to the special issue
Crop evapotranspiration:guidelines for computing crop water requirements-FAO irrigation and drainage paper 56
Chapter 3-recent advances in photosynthesis under drought and salinity
