引言

农业是我国国民经济的基础, 农业的可持续发展是国家可持续发展的根本保证。气候在诸多农业自然条件中是最活跃的因子, 直接或间接影响农业生产的稳定和发展。尽管人工控制环境和工厂化栽培在不断扩大, 但农业生产在很大程度上仍受天气气候的制约, 并且在相当长的农业发展时期里这一状况是不会改变的。

随着农业技术的进步, 农业生产的“趋势产量”在增长, 气候引起产量波动的绝对量也在增长, 农业生产水平越高, 气候同一程度的异常引起的农业产量的波动也越大。由此可见, 农业生产愈发展, 气候条件与农业生产的关系将愈密切。因此, 研究气候的变化及其对农业生产的影响是非常重要的。

扎兰屯市位于内蒙古自治区东部, 47°5′40″~48°36′34″N、120°28′51″~123°17′30″E, 地处大兴安岭与松嫩平原的过渡地带, 为中温带大陆性半湿润气候区, 冬季严寒少雪, 夏季湿润凉爽。全市现有耕地面积1.47 ×10⁴ hm², 主产玉米、大豆、小麦、马铃薯、葵花、白瓜籽、甜菜等粮食作物和经济作物, 是全国重要的商品粮基地和糖料基地。

1 资料选取

在农业生产上, 热量条件常用积温来表示, 本文选用的气象资料是扎兰屯地区1971-2000年的日照、大于等于各界限温度的活动积温、各积温持续时期内的降水等, 分析气象条件的变化情况, 并采用马铃薯、玉米、小麦、大豆等主要作物产量资料, 分析气象条件对产量的影响。

2 气象因子变化分析 2.1 积温的变化

根据扎兰屯地区1971-2000年≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃和≥20 ℃的活动积温资料, 计算出大于等于各界限温度活动积温的10年直线滑动平均值以及回归方程, 并绘出曲线, 见图 1。由于≥5 ℃积温与≥ 0 ℃积温的曲线非常近似, 故将其省略。

从图 1中各积温的曲线可以看出, ≥ 0 ℃积温和≥10 ℃积温的年际变化要小于≥ 15 ℃和≥20 ℃的积温, 若平均变幅按公式(式中ΔT为某时段的积温变幅, T_i为某时段第i年积温, n为某时段年数)计算, 各积温的平均变幅是随界限温度递增的, ≥0 ℃积温的变幅最小, 为153.0 ℃, ≥20 ℃积温的变幅最大, 为272.0 ℃, ≥10 ℃和≥15 ℃的变幅分别为240.2 ℃和268.7 ℃。各积温的值是随界限温度的增加而递减的, 所以随着界限温度的增加, 积温的相对变化就更大, ≥0 ℃积温的相对变幅只有5.2 %, ≥10 ℃和≥15 ℃积温的相对变幅分别为9.7 %和13.9 %, 而≥ 20 ℃积温的相对变幅则达到了44.7 %。

若X为年份的序数, 大于等于各界限温度活动积温的回归方程分别为:

从回归方程和图 1中的直线可以看出, 大于等于各界限温度积温的变化均呈上升趋势, 其中≥15 ℃积温的直线回归方程斜率最大, 上升趋势最明显, ≥20 ℃积温的斜率最小, 上升趋势最不明显, ≥0 ℃和≥10 ℃积温的居中, 且二者斜率非常相近, 两条直线几乎平行。

从10年滑动平均曲线来看, ≥0 ℃积温总体是上升的, 波动极小, 几乎与回归直线重合。≥10 ℃积温在1993年之前比较平缓, 只在1974年之前略有上升, 之后几乎是与横轴平行的一条直线, 1993年以后明显上升。≥15 ℃积温在20世纪80年代中期之前曲线是上升的, 之后基本与坐标轴平行, 直到90年代末才又开始上升。相对来说≥ 20 ℃积温波动较大, 70年代初期曲线是上升的, 70年代中期至80年代中期下降, 之后又上升。

2.2 降水的变化

≥0 ℃、≥5 ℃和≥15 ℃积温持续期间降水曲线与≥10 ℃积温持续期间降水(以下简称≥10 ℃降水)曲线非常近似, 将其省略, 只讨论≥10 ℃降水的变化。

由图 2中≥10 ℃降水的变化曲线可以看出, 20世纪90年代降水量的波动明显大于70和80年代。1971-1989年的降水平均相对变率只有15.2 %, 而1990年之后达到了35.5 %。≥20 ℃降水变化与其它几个时段相比有较大的差别, 降水量波动没有明显的阶段性, 而且降水平均相对变率很大, 达到64 %。但几个时段降水量的回归直线都是上升的, 并且斜率相差不多。图 2中画出的是≥10 ℃和≥20 ℃降水的回归直线, 两条直线接近平行, 说明各阶段降水量变化的总趋势是一致的, 都有增加的趋势。

≥20 ℃降水的10年滑动平均曲线也不同于其它几个阶段, 波动较明显, 与≥20 ℃积温的10年滑动平均曲线非常近似。≥ 10 ℃降水的10年滑动平均曲线与回归直线很接近, 只在90年代末有所下降。

3 气象因子与作物产量的关系 3.1 产量资料的处理

作物的产量是社会条件、农业技术措施与天气、气候条件综合作用的结果, 随着社会的进步, 作物新品种的培育、农业技术措施的改进, 产量总体趋势是上升的, 称为趋势产量; 但由于天气、气候的影响, 又会使实际产量在趋势产量的基础上产生波动, 称为气象产量。所以, 实际产量=趋势产量+气象产量。气象因子影响的是作物的气象产量, 因此, 分析气象因子对作物产量的影响时应将气象产量分离出来。本文采用10年滑动平均法计算出作物趋势产量。

3.2 气象因子与各作物产量的关系

气象因子选用大于等于各界限温度的活动积温、大于等于各界限温度持续期间的降水量、日照时数和稳定通过各界限温度初终日间的日数, 它们与各作物气象产量的相关分析结果见表 1。

从表 1中可以看出, 玉米气象产量与≥ 10 ℃和≥15 ℃活动积温的正相关达到了极显著水平(α=0.01), 另外与10 ℃以上的初终间日数的正相关也达到了显著水平(α = 0.05), 而其它因子与产量的相关则不显著。玉米是喜温作物, 整个生育过程中要求较高的温度。玉米生育期间的生物学下限温度为10 ℃, 产量与≥10 ℃、≥15 ℃积温呈极显著正相关, 这说明在扎兰屯地区, 热量条件满足不了其需要, 是主要限制因子。

另一个产量与积温相关的作物是大豆。大豆气象产量与≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃的积温和≥15 ℃、≥20 ℃初终间日数的正相关都显著, 说明热量条件对大豆产量有一定影响。大豆产量与其它因子的相关系数都很小。

马铃薯和小麦的气象产量与降水都有负相关。马铃薯产量除了与≥20 ℃降水相关不显著外, 与其它几个阶段的相关都显著, 可见降水多会对马铃薯产量产生不利影响。小麦产量只与≥20 ℃降水呈极显著的负相关, 说明这一阶段的降水量对小麦产量有很大影响, 降水过多会导致减产。

3.3 气象因子对各作物产量的影响

从图 3中可以看出, 各作物的气象产量在20世纪80年代以前变化范围比较小, 80年代以后波动明显加大。因为作物产量趋势是增加的, 在早期产量比较低, 气象产量的绝对值也较小, 随着产量的增加, 气象因素对产量的影响也在加大。另外, 90年代以后降水量的波动很大, 也对小麦和马铃薯的气象产量波动有一定的影响。

选择与各作物气象产量相关性最大的气象因子作为自变量X, 与各作物气象产量Y作直线回归分析, 对回归系数的方差分析结果表明, 回归系数均显著(α =0.05)。

玉米气象产量与≥10 ℃积温的回归方程为:

Y =0.077X-191.92

大豆气象产量与≥15 ℃积温的回归方程为:

Y = 0.039X-75.05

小麦气象产量与≥20 ℃降水的回归方程为:

Y =-0.103X +12.44

马铃薯气象产量与≥5 ℃降水的回归方程为:

Y =-0.121X +57.64

根据回归方程可知, ≥10 ℃积温每增加100 ℃, 玉米的气象产量大约增加0.51kg hm^-2; ≥15 ℃积温每增加100 ℃, 大豆的气象产量大约增加0.26kg hm^-2; ≥20 ℃降水每增加100mm, 小麦的气象产量减少0.69kg hm^-2; ≥5 ℃降水每增加100mm, 马铃薯的气象产量减少0.80kg hm^-2。

4 结论

(1) 近30年扎兰屯地区大于等于各农业界限温度的活动积温、降水均呈上升趋势, ≥20 ℃积温和降水的波动大于其它几种界限温度。

(2) 玉米和大豆的产量受≥10 ℃以上积温影响较大, 积温增加有利于产量增加。

(3) 马铃薯和小麦的产量与降水在一定程度上呈负相关, 降水过多对产量不利。

(4) 日照时数与各作物的产量相关都不显著。扎兰屯属中高纬地区, 日照充足, 所以日照不是产量限制因子。