柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标构建

祁贵明，雒维萍，霍治国，马玉平，杨建莹

（1.格尔木市气象局，青海格尔木 816099；2.格尔木市农业技术推广站，青海格尔木 816099；3.中国气象科学研究院，北京 100081；4.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044）

0 引言

藜麦是藜科藜属的一年生双子叶植物。藜麦具有非常高的营养价值，蛋白质含量在16%左右，高于水稻和玉米，与小麦（17%）相当，籽粒中氨基酸总量为9.81%～12.68%，平均为11.17%，易被人体吸收，不饱和脂肪酸等其他营养成分含量也十分丰富[1]。藜麦富含维生素B、维生素C、维生素E和矿物质以及皂苷、多糖、黄酮等生物活性物质，籽粒中富含膳食纤维，低脂、低糖、不含麸质，是一种碱性蛋白食品［2］。联合国粮农组织（FAO）认定藜麦是唯一一种单体即可满足人体全部营养需求的食物，被誉为“营养黄金”［3］。藜麦作为一种新兴的保健型粮食作物，具有较好的抗逆性、适应性，以及一定的景观价值，已成为21世纪具有保障粮食安全使命的作物之一[4,5]。

柴达木盆地农业自然环境与气候条件，较有利于藜麦高产形成。姚有华等[6]研究柴达木盆地藜麦适宜性种植得出株高120～160cm，分枝高度5～60cm，穗长30～120cm，单株平均生物学产量180g,千粒重可高达4.0～5.0g。李成祖等[7]在格尔木适应性种植GZ列品种系取得了3 616.5～5 577.0kg/hm2的高产。刘洋等[8]测定青海藜麦的淀粉含量为46.59%～58.93%，脂肪含量为4.70%～7.06%，粗纤维含量为1.73%～15.24%；蛋白质含量为11.97%～16.72%；灰分含量在0.47%～1.21%。关于藜麦的气候适宜性研究，刘运华等[9]给出了青海共和地区藜麦各发育期温度、光照等气象条件适宜范围。雷玉红等[10]通过分期播种试验对格尔木地区藜麦种植的影响及藜麦种植对气象条件适应性。目前，藜麦气候适宜性研究主要集中在气候环境对藜麦产量、品质影响及藜麦种植气候适应性。对藜麦适宜气象定量化指标研究尚未见相关报道。缺乏作为新型特色种植作物在柴达木盆地适宜性气象指标定量化研究，对藜麦精细化农业气象服务和气象防灾减灾顺利开展易造成诸多限制条件。

文章采用2014—2018年格尔木市农业技术推广站藜麦种植与试验资料，选取生产种植和试验种植典型高产年，在综合分析典型高产年藜麦生长发育、产量形成与气象条件关系的基础上，采用四分位统计方法初步构建藜麦发育期农业气象气象指标，采用分期播种试验和文献引证等方法进行构建指标的验证检验、补充修订。构建柴达木盆地藜麦种植适宜的农业气象指标。

1 材料与方法

1.1 研究区

柴达木盆地地处青藏高原东北部，是我国内陆大型山间断陷盆地，为阿尔金山、祁连山和昆仑山所环绕的不规则菱形区域，盆地面积为24.01万km2，地理位置介于东经90°16'～99°16'、北纬35°00'～39°20'，具有典型的高寒干燥大陆性气候特征。盆地年平均气温-0.4～6.0℃，年平均日照时数2 978～3 360h，年均相对湿度为30%～40%，年降水量31～232mm。柴达木盆地藜麦种植区属于高原生态气候型，藜麦种植区主要分布在盆地中部格尔木、德令哈、乌兰、都兰等地宜农区。

1.2 数据来源

气象资料来源于青海省气象信息中心，包括1971—2018年柴达木盆地气温、降水、日照等气候整编资料。藜麦发育期和产量及资料来源于2014—2018年格尔木农业技术推广站藜麦引种栽培数据，藜麦发育平行的日照、温度、降水等逐日气象数据来源于格尔木市气象台。根据藜麦发育过程生理及形态特征的变化，参照任永峰等[11]相关研究，将藜麦全生育期划分为：播种—发芽（萌芽期）、发芽—八叶（出苗期）、八叶—分枝（分枝期）、分枝—现穗（现穗期）、现穗—开花期（开花期）、开花—灌浆（灌浆期）、灌浆—成熟（成熟期）7个发育期。表1为2014—2018年藜麦播种到成熟发育期日期及产量。

表1 2014—2018年柴达木盆地藜麦发育期日期及产量

1.3 研究方法

1.3.1 指标构建方法选取

柴达木盆地藜麦是近年来新引种特色作物，目前尚无相应的农业气象指标参考，藜麦发育期资料质量和数量参差不齐。结合柴达木藜麦生长发育观测实际数据。藜麦适宜气象指标构建遵循易于取得、合理性原则[12]，宜采用经验分析法，藜麦在某种植年内获得最高产量，表明该年气象条件对藜麦在各发育期的气象条件均满足藜麦生长需求。选取典型高产年进行适宜气象指标构建。

1.3.2 典型高产年选取原则和适宜气象指标因子筛选

典型高产年选取遵循以下原则：一是当地农业管理部门发布的作物种植平均产量数据；二是关于作物产量和其他种植区的相关报道、文献记载。

适宜配置的农业气象条件直接影响农业生产过程，并为农业生产提供必要的物质和能量，农作物产量高低与农业气象资源的优劣与不同发育期光、热、水适宜配合具有十分密切关系。以典型年藜麦种植不同发育期光、温、水气象条件为基础，统计典型年的发育期发育主要气象因子，选用日照时数、平均温度、最高温度、最低温度、最大日较差、降水量等气象因子，作为藜麦发育期的气象指标因子。

对指标年藜麦从播种到成熟逐日的单一气象因子，进行相关分析并进行显著性检验，剔除无相关或相关性未通过显著性检验的气象因子。选取具有显著影响的因子构建适宜农业气象指标。

1.3.3 藜麦适宜气象指标阈值界定方法优选

为确保构建的发育期适宜气象指标，具有代表性、适用性和普遍性，参照其他作物适宜度研究方法[13]，选用两种方法筛选藜麦适宜性气象指标阈值：①采用对指标年藜麦从播种到成熟逐日的单一气象因子，进行气象因子显著性水平检验，建立非线性拟合方程，将发育期阶段代入拟合方程得到指标阈值上、下限及平均值。②将从播种到成熟逐日气象因子按照发育期天数进行划分，采用四分位法建立气象因子指标阈值上、下限及平均值。对两种计算结果进行变异分析，优选指标阈值构建方法。

依据藜麦生长发育气象因子逐日变化，建立多项式拟合方程为：

式（1）中，b1、b2分别为自变量系数，b0为常数项。

四分位数统计法，即统计学中，把所有数值由小到大排列并分成4等份，处于3个分割点位置的数值就是四分位数。

1.3.4 分期播种修订藜麦适宜气象指标及检验

将构建不同发育期适宜农业气象指标阈值与分期播种试验中产量接近或高于典型年的样本对应气象因子进行合理修订，通过指标修订最终构建出柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标。

选择不同年型平产年、欠产年及分期播期除用于指标修订外的其他分播期数据，对构建柴达木盆地藜麦气象指标适宜性进行检验分析。其中，平产年以选取年产量差≤5%为标准；欠产年以选取年产量差≥10%为标准。

2 结果与分析

2.1 藜麦适宜气象指标构建

2.1.1 典型高产年选取

按照典型高产年选取要求，在格尔木市农业技术推广站提供的藜麦平均产量资料中，选取2015年最高藜麦平均产量年作为适宜典型年，该年藜麦平均产量6 300kg/hm2。同年，周建峰[14]进行试验播种的藜麦（西宁）品种产量高达8 715kg/hm2；该产量与闫书耀[15]在山西进行连续3年藜麦引种试验藜麦最高产量8 100kg/hm2相比高出615kg/hm2，是目前国内现有报道的藜麦单产最高产量。

2.1.2 高产年藜麦发育期适宜气象指标因子筛选

选择藜麦在柴达木盆地种植的最适宜气候环境条件，结合藜麦发育的特性选定指标年日照时数、平均温度、最高温度、最低温度、日较差、降水量等气象因子进行相关分析，并进行T-显著性水平检验。图1为高产年平均温度、最高气温、最低气温与藜麦发育逐日多项式拟合曲线图。

图1 高产年藜麦发育日期与逐日平均、最高和最低温度拟合曲线

对其他选定气象因子进行藜麦发育期的逐日多项式回归分析，得出柴达木盆地气象指标因子与发育日期间的相关系数及显著水平（表2）。

表2 高产年藜麦气象指标因子与发育日期间相关系数及显著水平

结果显示，高产年藜麦生长发育与日照时数相关系数小，不能通过相关显著性检验。藜麦全生育期日平均日照时数达8.7h/d，日照时间长，均可以满足藜麦生长发育需求，日照时数不是藜麦发育的限制因子。在构建藜麦适宜农业气象指标中不予考虑。

藜麦生长发育与温度因子的相关性较高，均通过0.001显著检验，构建温度指标意义明显，优先选定为柴达木盆地农业气象指标关键气象因子。其中，温度日较差因子相关系数仅为0.022，未通过显著性信度检验，不考虑作为柴达木盆地气象指标构建因子。

柴达木盆地种植区为灌溉农业区，全生育期降水量在18.3～250mm，降水稀少，分布不均。降水对藜麦生长发育和产量形成影响不大，不宜作为适宜性农业气象指标。

经过综合筛选，柴达木盆地气象因子中，平均温度、最高温度、最低温度3个因子适宜构建藜麦农业气象指标。

2.1.3 气象指标构建方法优选

拟采用多项式拟合法和四分位统计法分别进行指标构建，选取两者中更能反映藜麦生长发育实际状况的方法来构建藜麦发育期适宜气象指标。

（1）多项式拟合法。基于2015年藜麦全生育期逐日平均气温、最高气温、最低气温，构建与发育日数的多项式拟合方程（表3），将各发育期按日序起止的中间日期代入多项式拟合方程，可以得出不同发育期指标拟合平均值。若发育期间为奇数，中间值中心位置日期对应的日期的拟合平均值就是某发育期的平均值；发育日期为偶数，则用居中两个日期值的平均数来确定中间值拟合平均值。

表3 柴达木盆地发育适宜气象因子多项式拟合方程及显著性

计算得出藜麦不同发育期平均温度、最高气温、最低气温拟合值结果（表4）。

表4 柴达木盆地发育期平均温度拟合 ℃

（2）四分位统计法。将高产年藜麦不同发育期平均温度、最高气温、最低气温3个气象因子，按照不同发育期天数（样本个数）分别对各发育期的气象因子进行四分统计法进行分析。根据式（2）至（4）可以得出，藜麦不同发育期气象因子样本个数、最小值、下四分位、中位数、最大值和T-检验等详细信息。基于各发育期区间点值，进行指标阈值范围确定，藜麦不同发育期不同气象因子的上四分位、下四分位值分别作为指标阈值的下限和上限。

通过四分位统计阈值构建方法，获取柴达木盆地各发育期最低温度、最高温度、平均温度因子不同发育期农业气象指标信息及独立样本显著性水平（表5）。

表5 柴达木盆地不同发育期气象指标信息及独立样本显著水平 ℃

2.1.4 农业气象适宜指标方法优选

对上述两种方法构建方法结果进行偏差分析、变异分析，得出指标值构建方法间的标准偏差和变异系数（表6）。

表6 指标构建方法间标准偏差和变异系数

结果显示，四分位法构建气象因子指标标准偏差、变异系数比多项式拟合方法小，可见四分位法构建气象指标比拟合构建指标稳定性更好。而且，四分位法统计是藜麦发育期实际气象因子进行指标构建，拟合方法则是藜麦不同发育期的气象因子进行拟合的结果，这种拟合过程易造成藜麦发育气象因子结果趋势化，掩盖了藜麦实际发育过程的真实发育状况。综合比较，选择四分位法统计法作为构建柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标阈值的优选方法。

2.1.5 适宜气象指标区间拟定阈值

用选取的四分位统计法，计算藜麦不同发育期平均温度、最高温度、最低温度四分位结果，以上四分位为下限，中位数为平均数，下四分位为上限，初步拟定出柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标阈值（表7）。

表7 柴达木盆地藜麦农业气象指标拟定阈值 ℃

2.2 藜麦气象指标阈值修订

2.2.1 分期播种试验设计及结果

选用2016年格尔木市农业技术推广站藜麦分期播种试验。供试验品种为青藜-1号，试验区位于格尔木市河西农场，地理位置：北纬36°25'，东经96°42'，海拔2 812m。该地处于盆地边缘，地势平坦，与气象站高度差为12m，土壤为沙壤土，pH8，肥力中等，地下水位深度＞2m。播种期从4月21日开始，每5d进行播种，分别于4月21日、5月26日、5月1日、5月6日、5月11日进行5个播期，小区面积10m×10m，行距50cm，株距20cm；播种量1.5kg/hm2。播种期前7d进行底墒水灌溉，播深3～4cm。表8为格尔木藜麦5个分期播种期试验产量构成要素。

表8 2016年格尔木藜麦分期播种试验产量要素构成

由表8可见，藜麦试验5个分播期中的产量要素4月21日、4月26日播种藜麦产量较高并与选用典型年产量相近。均属于柴达木盆地的产量优势播期。

2.2.2 藜麦拟定指标的修订

选取拟定指标和产量优势播期，进行的平均温度、最高温度、最低温度进行四分位法计算，得出藜麦不同发育期平均温度、最高温度、最低温度进行四分位法结果（表9）。

表9 藜麦拟定指标、产量优势播期不同发育期气象指标四分位 ℃

对柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标的阈值补充修订具体方法：①不同发育期四分位构建的下四分位（即下限）选取3个产量优势每个发育期最小值作为该发育期指标的最小值；②中位数（即平均值）将3个产量优势发育期不同温度中位数进行平均，获得发育期平均值；③上四分位（即上限）选取3个产量优势不同发育期最大值作为该发育期指标的最大值；④用平均温度、最高温度、最低温度指标的最小值、最大值作为气象因子在藜麦发育期间极端气象因子指标范围。

经过上述方法修订，最终构建出柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标阈值（表10）。

表10 柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标阈值 ℃

2.3 藜麦气象指标适宜性检验

以高产（指标）年与2014年、2016年、2017年中进行产量百分比大小比较方法，确定平产年和欠产年。2014年藜麦于4月10日播种，9月15日成熟，全生育期147d，年平均产量为6 135kg/hm2，比指标典型年少265kg/hm2，产量减少4.2%，定为平产年。2017年藜麦于4月23日播种，9月28日成熟，全生育期153d，年平均产量为5 145kg/hm2，比指标典型年少18.3%。定为欠产年。

藜麦指标检验将平产年、欠产年、5月1日分播期、5月6日分播期和5月11日分播期不同发育期进行四分位统计分析，得出相应的发育期平均温度、最高温度、最低温度的下限、平均、上限值，与指标年进行差值和指标年产量差进行检验分析。

指标下限是藜麦某发育期正常发育所需要的温度界限，包括平均温度下限、最高温度下限、最低温度下限。藜麦下限指标差与产量差对比分析。

2.3.1 藜麦不同发育期平均温度指标

柴达木盆地平均温度指标下限差与产量差，除在出苗期、开花期未通过显著性检验外，其余发育期均呈现负相关，与发育期指标下限越偏大，藜麦产量呈现减产趋势，即温度超出指标值下限越高减产越明显，说明新构建的藜麦温度下限处于适宜状态。指标平均值在出苗期、灌浆期未通过显著性检验，萌芽期、分枝期、现穗期和开花期呈明显负相关，发育期平均值指标适宜，成熟期平均值与产量差正相关，说明藜麦在完成灌浆后，温度越高籽粒水分蒸散越快，有利于产量增加。平均温度指标上限在萌芽期、现穗期和开花期相关性较小，对产量增减影响不大，在分枝期、灌浆期和成熟期平均温度指标呈明显负相关，即平均温度超出指标值上限越高减产越明显，说明构建的藜麦平均温度上限适宜。

2.3.2 藜麦不同发育期最高温度指标

柴达木盆地最高温度下限在出苗期相关性小，未通过显著性检验，在萌芽期、分枝期、现穗期、开花期和灌浆期与产量差之间呈负相关，且相关系数通过0.5以上显著性检验。表明这些发育期藜麦最高温度下限指标差越大，藜麦产量减产越明显；成熟期最高温度下限与产量差呈正相关。这也证明成熟期藜麦最高温度下限增加有利于藜麦增产。最高温度指标平均除在出苗期、开花期相关性小外，其他发育期与最高温度下限的一致，存在明显负相关，成熟期最高温度平均与产量差呈正相关。最高温度上限在开花期相关性小，成熟期正相关，其他发育期均存在明显负相关，即伴随最高温度上限的指标差越高，产量减少越明显。从总体表现来看，最高温度指标下限在对藜麦产量关键期的影响明显。

2.3.3 藜麦不同发育期最低温度指标

藜麦最低温度下限分枝期相关系数小，成熟期与产量差存在弱的正相关，其余发育期负相关性极其明显，通过0.1显著性检验。即最低温度下限对藜麦产量的影响程度较强。藜麦最低温度平均在成熟期呈明显正相关，藜麦在完成灌浆后，温度越高籽粒水分蒸散越快，最低温度平均高低对产量影响十分明显，其余发育期呈现负相关性，且产量关键期负相关性及其明显。最低温度上限在灌浆期、成熟期呈正相关，其他发育期呈负相关并通过0.2显著性检验，即该阶段最低温度上限温度增加对藜麦减产的影响十分突出。从总体表现来看，最低温度上限对藜麦产量影响明显。

2.4 柴达木盆地不同发育期气象指标适宜性的文献引证

查阅国内外关于藜麦气象条件相关文献。藜麦对光周期、温度等环境因子较敏感[16]。藜麦是典型的高原作物，最适栽植于3 000m左右的山地或高原上[17]。柴达木盆地藜麦种植区主要分布在海拔2 700～3 200m的柴达木盆地宜农区，种植期间日照时数达8.7h/d，月平均气温8.0～17.9℃，日照和温度条件完全符合藜麦生长发育需求。

按照藜麦主要发育进程来看，藜麦种子没有休眠期，在10～15℃气温条件下播种后即开始萌发，藜麦在2℃开始发芽，低于2℃温度将延迟发芽[18]，藜麦在温度-4～38℃条件下均有生长，最适耕作温度在15～20℃[19]。这与青海藜麦主要种植区萌芽期适宜性温度指标范围最低温度-1.1～5.9℃，最高温度14.0～21.3℃，平均温度7.2～13.4℃，该温度正处于藜麦极限温度范围内，平均温度较耕作温度偏低，这是因为高原地区作物耕种期温差较大，但最高温度能够达到最适耕作温度，同时，该发育期藜麦种子基本未出土，对萌芽期影响不明显。

进入出苗期10℃下光照12h，幼苗叶绿素含量和根系活力在气温为2～35℃，适宜温度为14～18℃[20]。青海藜麦主要种植区出苗期适宜温度12.9℃，温度范围6.4～19.2℃，适宜温度接近藜麦出苗期适宜温度范围，温度范围在幼苗叶绿素含量和根系活力最活跃的温度条件下，有利于藜麦出苗发育。

藜麦生长和开花适宜温度应该在8～28℃[21]。青海藜麦开花期在6月下旬至7月中旬之间，此时藜麦发育平均温度14.5～21.2℃，最高温度20.3～28.2℃，该温度正好处于适宜温度最优区间。是藜麦产量高产形成的关键条件之一。

李甲平等[22]研究正宁藜麦灌浆期平均温度、最高温度和最低温度分别为为17.9℃、25.4℃和15℃；环秀菊等[23]认为在20～25℃的温度条件下总氨基酸、抗坏血酸、直链淀粉、矿质元素铁含量积累较多。而柴达木盆地藜麦灌浆期平均温度17.2～21.8℃，最高温度23.0～29.3℃，与研究结果十分接近，且柴达木盆地具有昼夜温差大、干物质积累迅速的天然优势，为藜麦产量高、品质优提供了独特的气候环境基础。

据文献对照，可知构建出的柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标与前人现有的研究成果相吻合。藜麦本身具有较强的气候适应性，出现某发育期气象条件存在一定差异，是藜麦对不同气候环境适应能力极强的表现。

3 讨论与结论

3.1 讨论

藜麦种植属于新型特色农业产品种植，在高原地区温度因子是决定农作物生长的主要环境因素，采用温度因素构建适宜定量化气象指标，具有重要指示意义。形成的适宜气象指标对进行藜麦特色种植的大面积推广和示范具有科学的指导价值。

青海省海西州柴达木盆地宜耕地资源总量为1.74万hm2，占青海省可开垦面积的45.67%[24]，藜麦种植是发展高原特色农业经济，实施乡村振兴战略的重要举措。同时，柴达木盆地藜麦生长气候环境复杂、多变。定量化构建藜麦适宜农业气象指标仍存在不确定因素。且藜麦适宜农业气象指标还受到藜麦品种差异、土壤性质、耕作管理环节对藜麦发育和产量的影响，这些影响因素有待于在今后积累更加准确和完整的藜麦种植资料和数据，逐步加以完善或补充。

3.2 结论

（1）柴达木盆地藜麦主要种植区的光、热、水气候资源角度来看，藜麦主要种植区日平均日照时数达8.7h/d，日照时间长，光照条件完全满足藜麦发育需求，日照时数不是藜麦发育的限制因子。藜麦全发育期降水量在18.3～250mm，降水稀少，分布不均，藜麦发育须合理灌溉来解决水分需求。温度条件是影响藜麦生长发育的关键气象因子，温度条件的适宜性决定藜麦不同发育期适宜性程度，是藜麦适宜农业气象指标的重要表征。

（2）柴达木盆地藜麦属于高原生态冷凉气候型。藜麦适宜温度阈值区间平均在4.4～25.1℃，最高温度在13～34℃，最低温度在-3.0～17.9℃；不同发育期适宜平均温度在10.3～19.7℃，平均最高温度在18.1～26.6℃，平均最低温度在3.4～13.7℃；藜麦在柴达木盆地表现出较强的气候适应性。

（3）采用典型年经验指标构建方法，筛选出平均温度、最高温度、最低温度3个主要气象因子构建的柴达木盆地藜麦适宜农业气象指标阈值客观、合理。符合柴达木盆地藜麦种植的实际情况。