气候变化条件下宁南山区旱地胡麻土壤水分变化特征及对发育期和产量的影响

张瑞兰武万里王淑丽

(1.吴忠市气象局,宁夏 吴忠 7511002;2.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏气象服务中心,宁夏 银川 750002)

胡麻又称亚麻籽，是我国特色油料作物之一，含有丰富的脂肪、膳食纤维、蛋白质等，其有效成分如α-亚麻酸、亚麻籽胶、亚麻籽蛋白和木脂素等活性物质，对人体有着良好的调节功效，具有预防和治疗癌症、心血管疾病、糖尿病等潜力[1]。随着经济稳步增长和居民收入水平不断提高，胡麻作为功能性、休闲性特色油籽食品和油脂日益受到消费者喜爱[2]，使得我国胡麻消费需求不断增加，国内产需缺口不断扩大，国内有效供给明显不足，对国际市场依赖程度逐年攀升，中国也从特色油料出口国家转变为净进口国[2]。宁夏南部山区位于黄河中上游黄土高原，干旱少雨，日较差大，是典型的雨养农业区，属农牧过渡带，生态环境脆弱，是响应气候变化的极度敏感区[3]。近百年来(1909—2011年)我国陆地区域平均增温0.9～1.5℃，尚处在近百年来气温最高阶段；区域极端天气气候事件发生频率增加[4]。气候变化加大了油料作物生产的不稳定性[5]。胡麻是宁夏南部山区传统优质油料作物，并且抗旱、抗寒、耐瘠薄,有着明显的区域优势，是全国6个胡麻主产区之一[6]。胡麻需水量和肥力量比较少，但耗水时段集中、耗水量多[7]。赵克学等[8]研究表明，在胡麻一生耗水中，降雨占56%，土壤供水占44%，从发育阶段来看，苗期占14.9%，营养生长期占58.3%，生殖生长期占26.8%，最大耗水强度出现在现蕾—开花，从整个水分供需平衡看，中后期水分亏缺严重。郭晓雷等[9]采用彭曼公式,计算了旱地胡麻的需水量,表明胡麻需水量呈增加趋势。姚玉璧等[10]围绕气候变化对胡麻产量影响问题，结果表明，降水量不变时，胡麻产量与气温呈负相关;气温不变时，胡麻产量与降水量呈正相关。本文基于利用1991—2020年宁夏固原站胡麻土壤水分观测记录、胡麻生育状况观测记录，结合同期气象资料，分析旱地胡麻土壤水分变化特征及发育期和产量的影响，建立多元回归函数模型,定量分析、土壤水分因子对固原旱地胡麻产量影响,以期为制定适应措施，应对气候变化，保障供给安全，提供参考。

1 数据来源和分析方法

旱地胡麻土壤水分观测资料、胡麻产量及产量构成要素观测资料来源于宁夏固原国家农业气象一级观测站的胡麻土壤水分观测记录报表、胡麻生育状况观测记录人工观测报表，资料序列为1991—2020年(其中，1992年、2000年因观测地段胡麻发生严重干旱而翻种荞麦等其它作物无观测数据，2013年因观测业务调整中断1a)。该站海拔高度1753.0m，年平均气温7.5℃，年降水量为423.0mm。胡麻观测取样地段为旱地，耕作管理措施与大田相同，土壤水分观测方法为烘干称重法，逢8取土，取土深度为0～50cm。观测方法参见《农业气象观测规范》。地面气象观测资料来源于宁夏气象档案馆,资料序列为1971—2020年，资料时长50a。使用Excel对原始数据进行初步处理，应用DPS统计分析软件采用多元回归等方法建立土壤水分因子与胡麻产量之间的关系。

2 结果与分析

2.1 旱地胡麻生长季近50a气温和降水量的变化趋势

固原观测地段胡麻播种到成熟全生育期主要经历的时段为4月1日—8月10日，以4月1日—8月10日作为观测地段旱地胡麻生长季时段，统计分析1971—2020年生育期气温和降水量及变化情况，结果见图1。

1971—2020年固原旱地胡麻全生育期平均气温为15.3℃，呈现逐步上升趋势，气温变化倾向率为0.47℃·10a-1，见图1a。平均气温最低值为13.6℃，出现在1976年；平均气温最高值为17.1℃，出现在2006年。1996年为气温突变年[3]，突变前(1971—1995年)的生长季平均气温为14.6℃，突变后(1996—2020年)生长季平均气温16.1℃。从变化趋势来看，突变前后增温明显，突变后(1996—2020年)平均气温上升趋势减弱，但仍然处在气温高位震荡阶段，这与《第三次气候变化国家评估报告》[5]评估结果相吻合。

1971—2020年固原旱地胡麻全生育期降雨量平均值为241.6mm，占全年降水量的57.1%，全生育期降雨量整体的变化表现为微弱的上升趋势，倾向率为5.3mm·10a-1，降水量最大值为467.2mm，出现在2013年，降水量最小值为118.3mm，出现在2008年。从突变分析来看，多雨时段出现在1991—2000年和2011—2020年，少雨时段出现在1971—1979年和2001—2010年，突变不明显，更多体现为周期性变化。近15a，胡麻全生育期降水量表现为增多的趋势，特别是春季降雨增多趋势显著，同时，全生育期降水的最大值和最小值均在此时段，这体现了降水量变幅在加大，极端天气气候事件增多这一气候事实。

2.2 旱地胡麻土壤水分变化特征

统计分析1991—2019年生长季固原观测地段旱地胡麻0～50cm土壤水分基本特征，全生育期内，旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均值为14.1%。由于上一年秋季降水累积和春季降水影响，旱地胡麻春季苗期土壤含水百分率平均为15.1%，处于高值阶段。营养生长期(枞形期、现蕾、开花期)是胡麻大量耗水时段，自然降水不足，作物需水还需依靠土壤蓄水，土壤水分处于亏缺阶段，到开花期水分亏损达到了极点，0～50cm土壤含水百分率平均值仅有13.1%。之后，随着进入北方主汛期，降水量增多，土壤水分得到补给，亏缺程度下降，但补充有限，到8月中旬之后，土壤转入蓄水阶段，但胡麻已收获。

以5月8日代表苗期、以6月18日(现蕾—开花期)代表需水关键期，分析1991—2019年固原旱地胡麻土壤水分年际变化特征。从年际变化来看，苗期土壤含水百分率呈现上升趋势，特别是近5a的0～50cm土壤含水百分率提高了近2%，这与近15a来降水量增加特别是春季降雨量增加的趋势明显有关，见图2a。而在需水关键期(现蕾—开花)土壤含水百分率变化趋势无明显，呈现为震荡变化，见图2b。从胡麻全生育期来看，旱区胡麻长期在干旱和轻度干旱徘徊，水分不足是影响胡麻生长发育的关键因子。

2.3 旱地胡麻干旱特征分析

根据土壤相对湿度划分农田干旱程度的标准界值，以相对湿度(占田间持水量)40%、60%、80%为界限指标，划分出<40%、40%～60%、60%～80%、>80%，4个区间段，分别对应严重干旱、干旱、轻度干旱和不旱(适宜作物生长)。根据胡麻0～50cm土壤相对湿度值，统计分析1991—2020年固原观测地段生长季，旱地胡麻干旱特征，见图3。

出苗期(4月1日—5月10日)：旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均为15.2%，相对湿度67%。严重干旱、干旱、轻度干旱和不旱的占比分别为1%、19.9%、63.6%、15.7%，以轻度干旱为主，其次是干旱，个别年份会出现严重干旱。营养生长期(5月11日—6月20日)：旱地胡麻0～50cm，土壤含水百分率平均为14.1%，相对湿度62%。严重干旱、干旱、轻度干旱和不旱的占比分别为3.4%、35.9%、49.7%、11.0%，以轻度干旱为主，其次是干旱，部分年份会出现严重干旱，轻度干旱占比减小，干旱、严重干旱占比进一步增加。生殖生长期(7月1日—8月10日)：旱地胡麻0～50cm土壤含水百分率平均为13.1%，相对湿度58%。严重干旱、干旱、轻度干旱和不旱的占比分别为16.5%、45.7%、22.6%、15.2%。以干旱为主，其次是轻度干旱，出现严重干旱的频率达到16.5%。不旱的比例也明显增多。统计显示，出苗期土壤水分条件尚可，而营养生长期后期和生殖生长期，干旱是主旋律，降水量的多与少会造成土壤水分状况的显著变化。

2.4 干旱对胡麻发育期的影响分析

作物发育期变化与田间土壤水分条件相关，作物可以通过提早或推迟发育期，延长或缩短发育持续时间等方式作为响应。在出苗期(播种—出苗)，胡麻种子播种后,需要吸收其重量1倍的水分才能顺利发芽出苗，降水量和土壤湿度状况可以反映吸收水分的时间，土壤水分状况好，吸水迅速，发育期就短，统计中，出苗期(播种—出苗)持续日数与4月1日—5月10日土壤湿度呈负相关，相关系数为-0.3071。胡麻营养生长期间对水分状况需求显著，特别是枞形期—现蕾开花前后的需水关键期，耗水量大且对水分反应敏感，胡麻是无限花序，没有明显的积温界限，当水肥条件适宜时，胡麻通过增加分蘖数及蒴果数等延长营养生长期，如遇干旱，就会减少分蘖数及蒴果数，提早现蕾，缩短营养生长阶段[11]。统计中，营养生长期(出苗—开花)持续时间与5—6月平均田间土壤湿度呈正相关，相关系数0.3587。生殖生长期(开花—成熟)持续时间与6月21日—8月10日平均田间土壤湿度呈正相关，相关系数0.5413，遇多雨、土壤湿度高，胡麻会贪青，发育期延长，遇干旱，则提早成熟。建立胡麻发育期统计模式，结果显示，出苗期、营养生长期、生殖生长期的土壤湿度增加1%，其历经时间变化值分别为-0.47d、1.29d、0.28d。春季土壤底墒有所改善以及春季降水有所增多是造成旱地胡麻出苗期(播种—出苗)缩短和营养生长期(出苗—开花)延长的主要原因。

2.5 干旱对胡麻产量的影响分析

统计1991—2020年固原观测地段旱地胡麻成熟期田间测产资料，固原旱地胡麻田间测产产量多年平均值为123.6g·m-2，最高年份为217.5g·m-2，最低年份为41.3g·m-2(不包括1992年、2000年因干旱而绝产的年份)。对胡麻成熟期田间测产资料与同期土壤水分资料进行相关分析，表现为正相关，影响因子时段分为4月21日—5月10日、5月11日—6月20日、6月21日—8月10日3个时段，相关系数分别为0.7027、0.5542、0.2539。

由此建立多元回归方程，见式(1)，拟合结果见图4。

y=-192.56950+11.3264X1+8.3848X2+1.03515X3

(1)

式中，X1为4月21日—5月10日土壤水分平均值；X2为5月11日—6月20日土壤水分平均值；X3为6月21日—8月10日土壤水分平均值。

从胡麻产量构成要素来看，4月21日—5月10日土壤水分状况主要影响出苗率，进而影响密度；5月11日—6月20日、6月21日—8月10日田间土壤水分与密度呈正相关，反映的是保苗率，土壤水分条件差，死苗严重，胡麻密度就低。胡麻株蒴果个数与5月11日—6月20日田间土壤水分呈正相关，说明在营养生长期阶段，田间土壤水分状况好、长势好，花序分枝延长，蒴果个数就多，田间土壤水分状况差，干旱严重，蒴果个数就少。6月21日—8月10日的田间土壤水分状况好，有利于作物灌浆，以提高种子千粒重。土壤水分状况是旱地胡麻产量的决定因素，全生育期的土壤水分状况均影响最终的产量，多元回归模型显示，出苗期、营养生长期、生殖生长期的土壤湿度增加1%，其产量的变化值分别为113kg·hm-2、83kg·hm-2、10kg·hm-2。从产量变化趋势来看，旱地胡麻田间测产产量有增加的趋势，春季土壤底墒有所改善以及春季降水有所增多是田间测产产量增加的主要原因之一。

3 结论

胡麻全生育期内，土壤含水百分率(0～50cm)平均值为14.1%，呈递减状态，出苗期(播种—出苗)为15.2%，以轻度干旱为主，个别年份会出现严重干旱。营养生长期为14.1%，以轻度干旱为主，占比减小，干旱、严重干旱占比进一步增加。生殖生长期为13.1%，以干旱为主，出现严重干旱的频率达到16.5%。从气候变化来看，出苗期(播种—出苗)土壤含水百分率(0～50cm)呈现上升趋势，需水关键期(现蕾—开花)土壤含水百分率(0～50cm)振荡显著，但变化趋势不明显，这与近15a来，春季降水量增加，夏季降水量变幅在加大有关。

土壤水分状况对胡麻发育期具有显著影响，出苗期(播种—出苗)持续日数与土壤湿度呈负相关；营养生长期(出苗—开花)和生殖生长期(开花—成熟)持续时间与同期田间土壤湿度呈正相关；出苗期、营养生长期、生殖生长期的土壤湿度增加1%，其历经时间变化值分别为-0.47d、1.29d、0.28d。春季土壤底墒有所改善以及春季降水有所增多是造成旱地胡麻出苗期(播种—出苗)缩短和营养生长期(出苗—开花)延长的主要原因。

土壤水分状况是旱地胡麻产量的决定因素，表现为正相关，多元回归模型显示，出苗期、营养生长期、生殖生长期的土壤湿度增加1%，其产量的变化值分别为113kg·hm-2、83kg·hm-2、10kg·hm-2。近15a来，春季土壤底墒有所改善以及春季降水有所增多是旱地胡麻田间测产产量增加的主要原因之一。