氣象條件對(duì)我國(guó)大豆產(chǎn)量的影響

大豆是一個(gè)喜溫耐寒的品種。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)大豆種植面積自2008年以來(lái)逐年遞減,僅次于水稻、玉米和小麥,是我國(guó)第四大糧食作物當(dāng)前研究主要利用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、分期播種和定位種植試驗(yàn)、模型分析等方法,研究氣溫、降水和光照等氣象條件與大豆產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系,對(duì)大豆不同發(fā)育期適宜氣象條件研究較少。馬樹慶指出,在未來(lái)氣候變化背景下,東北三省大豆發(fā)育期可能縮短1材料和方法1.1年生時(shí)期黑龍江省為溫帶大陸季風(fēng)氣候,年平均氣溫-5~5℃,無(wú)霜凍期100~150d,年平均降水量400~650mm,生長(zhǎng)季內(nèi)降水量約為全年83%~94%,年日照時(shí)數(shù)2400~2800h。本文選取黑龍江省大豆主產(chǎn)區(qū)內(nèi),黑河、五大連池、慶安、湯原、雙城、虎林和穆棱7個(gè)大豆主產(chǎn)地氣象觀測(cè)站點(diǎn)為代表站點(diǎn)(見圖1),大豆種植包括極早熟、早熟、中熟和中晚熟品種,1981~2014年7個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)大豆不同發(fā)育期階段逐日氣溫、逐日降水量、≥10℃有效積溫、10cm地溫、密度、發(fā)育天數(shù)及產(chǎn)量等資料,來(lái)源于黑龍江省氣象檔案資料館。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1趨勢(shì)產(chǎn)量分離糧食產(chǎn)量可分解為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素決定趨勢(shì)產(chǎn)量、氣象因素決定的氣象產(chǎn)量和偶然因素造成的隨機(jī)產(chǎn)量,即:式中,y為大豆實(shí)際單產(chǎn);y本文采用直線滑動(dòng)平均方法作趨勢(shì)產(chǎn)量分離,計(jì)算氣象產(chǎn)量。該方法將線性回歸模型與滑動(dòng)平均相結(jié)合,將大豆產(chǎn)量時(shí)間序列在某個(gè)階段內(nèi)變化作為線性函數(shù)。隨階段連續(xù)滑動(dòng),直線不斷變換位置,后延滑動(dòng),反映產(chǎn)量歷史演變趨勢(shì)變化。依次確定各階段直線回歸模型,而各時(shí)間點(diǎn)上直線滑動(dòng)回歸模擬平均值即為趨勢(shì)產(chǎn)量。設(shè)某階段線性趨勢(shì)方程為:式中,i為方程個(gè)數(shù),K為滑動(dòng)步長(zhǎng),n為樣本序列個(gè)數(shù),t為時(shí)間序號(hào)。計(jì)算每個(gè)方程在t點(diǎn)上函數(shù)值y將各站1981~2014年大豆產(chǎn)量數(shù)據(jù)采用上述方法分離出氣象產(chǎn)量。1.2.2大豆生育期主要立地因子的確定氣象產(chǎn)量為正,代表氣象條件適宜大豆生長(zhǎng)發(fā)育年份即平豐年,根據(jù)各站點(diǎn)1981~2014年大豆觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合中國(guó)氣象災(zāi)害大典綜合分析,篩除大豆各生長(zhǎng)發(fā)育期受災(zāi)年份和異常觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用氣象產(chǎn)量為正,即氣象條件比較適宜年份(平豐年)中,各站大豆不同生育期逐日氣溫、逐日降水量、≥10℃有效積溫、10cm地溫、密度和發(fā)育天數(shù)等數(shù)據(jù),將黑龍江大豆分為播種至出苗、出苗至開花、開花至結(jié)莢、結(jié)莢至成熟四個(gè)發(fā)育期,統(tǒng)計(jì)分析適宜溫度和降水,綜合確定黑龍江大豆四個(gè)發(fā)育期適宜溫度與降水量化指標(biāo)。由于大豆播種至出苗期地溫是主要影響因素之一,大豆密度反映出苗率。對(duì)比分析10cm地溫與大豆密度,結(jié)合前人研究結(jié)果,確定黑龍江大豆播種至出苗期適宜10cm地溫指標(biāo)。利用平均氣溫和氣象產(chǎn)量數(shù)據(jù),以前人相同分析方法,確定其他三個(gè)大豆發(fā)育期適宜平均氣溫指標(biāo)。選取氣溫和土壤濕度適宜年份數(shù)據(jù),分析大豆出苗至開花期、開花至結(jié)莢期、結(jié)莢至成熟期降水量與發(fā)育天數(shù)相關(guān)關(guān)系,并結(jié)合前人研究結(jié)果,確定黑龍江大豆適宜平均降水量指標(biāo)。2結(jié)果與分析2.1播種至出苗期時(shí)密度特征及量化指標(biāo)選取經(jīng)篩選1981~2014年大豆播種至出苗期各站10cm地溫和大豆密度數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析各站該發(fā)育期內(nèi)日平均10cm地溫最小值和大豆密度,并與歷年平均密度比較。由表1可知,僅黑河、五大連池、雙城和虎林4個(gè)站點(diǎn)部分年份在播種至出苗期間,存在日平均10cm地溫最小值<6℃數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn),日平均10cm地溫<6℃時(shí),如果大豆密度較歷年平均密度低,即認(rèn)為大豆出苗不全,例如,黑河1986、1987和2013年,雙城1987和1995年,及虎林1983年,站點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份,受低溫影響,出苗不全。但少數(shù)站點(diǎn)相應(yīng)年份大豆密度高于歷年平均密度,或與歷年平均密度持平。針對(duì)這一現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)分析相應(yīng)年份大豆逐日平均10cm地溫(見表2)。由表2可知,黑河、五大連池和雙城分別在1998年、1981年和1983年大豆播種當(dāng)日或播種初期地溫較低,種子不萌發(fā)或萌發(fā)緩慢,但未遭受低溫影響,后期地溫提升迅速,種子正常萌發(fā)、出苗。由此可見,種子萌發(fā)后,日均10cm地溫<6℃時(shí),種子易受低溫災(zāi)害,影響出苗。表3為播種至出苗期日平均10cm地溫為6~8℃時(shí),大豆密度比較統(tǒng)計(jì)。由表3可知,部分站點(diǎn)大豆正常出苗,而雙城1981和1986年,黑河1983、1993、1992、1990和2007年,湯原1994和2006年,慶安2003年,穆棱2008年,五大連池1986、1984和2003年,虎林1987年,大豆密度比歷年大豆平均密度低0.97~9.1株·m馬樹慶認(rèn)為大豆播種至出苗期,適宜氣溫在10℃以上,播種期要求日平均氣溫>8℃綜上分析,確定黑龍江大豆播種至出苗期適宜10cm地溫量化指標(biāo)等級(jí)(見表4),適宜10cm地溫為8℃。10cm地溫>8℃時(shí),大豆出苗正常,出苗率較高;10cm地溫為6~8℃時(shí),大豆出苗期延長(zhǎng),出苗率降低;10cm地溫<6℃時(shí),大豆出苗緩慢,出苗率低。2.2生育期及發(fā)育天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析篩選后黑河大豆出苗至開花期溫度條件(見表5)。由表5可見,該發(fā)育期各平豐年平均氣溫為17~22℃,多數(shù)年份平均氣溫集中在19~20℃,表明平均氣溫19~20℃比較適宜大豆生長(zhǎng)發(fā)育;該發(fā)育期內(nèi),最高日平均氣溫最大值為28℃,最低日平均氣溫最小值為9℃;≥10℃有效積溫在575~910℃,多數(shù)年份≥10℃有效積溫集中在700~850℃,≥10℃有效積溫下限575℃可滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育需要。結(jié)合大豆需水特性,選取土壤水分條件適宜年份數(shù)據(jù)并篩除受災(zāi)害影響年份數(shù)據(jù)(后文不同階段同此處理),分析降水量與發(fā)育天數(shù)相關(guān)關(guān)系。大豆出苗至開花期降水量與發(fā)育天數(shù)為顯著二次曲線關(guān)系(見圖2)。降水量為90~125mm,大豆發(fā)育天數(shù)較少,比較適宜;降水量<90mm或>125mm時(shí),大豆發(fā)育天數(shù)高于平均發(fā)育天數(shù),發(fā)育天數(shù)增加,發(fā)育期延長(zhǎng)。五大連池、慶安、湯原、雙城、虎林、穆棱站點(diǎn)采用與黑河相同統(tǒng)計(jì)分析方法,確定適宜當(dāng)?shù)卮蠖箽庀笾笜?biāo)(見表6)。由表6可見,黑河和五大連池大豆多為極早熟或早熟品種,適宜平均氣溫為18~20℃,適宜降水量為60~140mm;慶安、湯原、虎林、穆棱大豆多為中早熟或中熟品種,適宜平均氣溫為18~21℃,適宜降水量為60~160mm;雙城大豆多為中熟或中晚熟品種,適宜平均氣溫為20~22℃,適宜降水量為75~150mm。確定黑龍江大豆出苗至開花期適宜平均氣溫為18~22℃,適宜平均降水量為70~145mm。馬樹慶認(rèn)為大豆出苗至開花期適宜氣溫18.5~23.5℃,降水量65~125mm本文確定黑龍江大豆出苗至開花期適宜平均氣溫為18~22℃,與馬樹慶和毛留喜研究適宜氣溫基本吻合,與李帥等結(jié)論差異不大;適宜平均降水量70~145mm,與馬樹慶和毛留喜結(jié)論差異不大。結(jié)合大豆溫度特性分析,出苗至開花期最高日平均氣溫28~31℃,并不影響大豆生長(zhǎng)發(fā)育2.3大豆生長(zhǎng)發(fā)育和降水以黑河為例,統(tǒng)計(jì)分析篩選后大豆開花至結(jié)莢期溫度條件(見表8)。該發(fā)育期各平豐年平均氣溫為19~24℃,多數(shù)年份平均氣溫集中在20~23℃,表明平均氣溫20~23℃比較適宜大豆生長(zhǎng)發(fā)育;該發(fā)育期內(nèi),最高日平均氣溫最大值為30℃,最低日平均氣溫最小值為14℃;≥10℃有效積溫在260~600℃,多數(shù)年份≥10℃有效積溫集中在300~600℃,≥10℃有效積溫下限260℃可滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育需要。大豆開花至結(jié)莢期降水量與發(fā)育天數(shù)為顯著二次曲線關(guān)系(見圖3)。降水量為75~125mm,大豆發(fā)育天數(shù)較少,較適宜;降水量<75mm或>125mm時(shí),大豆發(fā)育天數(shù)高于平均發(fā)育天數(shù),發(fā)育天數(shù)增加,發(fā)育期延長(zhǎng)。五大連池、慶安、湯原、雙城、虎林、穆棱站點(diǎn)采用與黑河相同統(tǒng)計(jì)分析方法,確定適宜當(dāng)?shù)卮蠖箽庀笾笜?biāo)(見表9)。由表9可見,黑河和五大連池大豆多為極早熟或早熟品種,適宜平均氣溫為19~23℃,適宜降水量為65~125mm;慶安、湯原、虎林和穆棱大豆多為中早熟或中熟品種,適宜平均氣溫為19~24℃,適宜降水量60~130mm;雙城大豆多為中熟或中晚熟品種,適宜平均氣溫22~25℃,適宜降水量75~110mm。綜上,確定黑龍江大豆開花至結(jié)莢期適宜平均氣溫19~25℃,適宜平均降水量70~120mm。馬樹慶認(rèn)為大豆開花至結(jié)莢期適宜氣溫為23.0~25.5℃,適宜降水量為85~120mm2.4結(jié)莢至成熟度適宜降水量的氣象條件以黑河為例,統(tǒng)計(jì)分析篩選后黑河大豆結(jié)莢至成熟期溫度條件(見表11),該發(fā)育期各平豐年平均氣溫為14~19℃,多數(shù)年份平均氣溫集中在15~18℃,表明平均氣溫15~18℃比較適宜大豆生長(zhǎng)發(fā)育;該發(fā)育期內(nèi),最高日平均氣溫最大值為28℃,最低日平均氣溫最小值為1℃;≥10℃有效積溫為350~550℃,多數(shù)年份≥10℃有效積溫集中在350~500℃,≥10℃有效積溫下限350℃可滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育需要。大豆結(jié)莢至成熟期降水量與發(fā)育天數(shù)為顯著二次曲線關(guān)系(見圖4)。降水量為90~170mm,大豆發(fā)育天數(shù)較少,較適宜;降水量>170mm時(shí),大豆發(fā)育天數(shù)高于平均發(fā)育天數(shù),發(fā)育天數(shù)增加,發(fā)育期延長(zhǎng)。五大連池、慶安、湯原、雙城、虎林、穆棱站點(diǎn)采用與黑河相同統(tǒng)計(jì)分析方法,確定適宜當(dāng)?shù)卮蠖箽庀笾笜?biāo)(見表12)。由表12可見,黑河和五大連池大豆多為極早熟或早熟品種,適宜平均氣溫為15~18℃,適宜降水量為90~200mm;慶安、湯原、虎林和穆棱大豆多為中早熟或中熟品種,適宜平均氣溫為17~20℃,適宜降水量為105~230mm;雙城大豆多為中熟或中晚熟品種,適宜平均氣溫為19~21℃,適宜降水量為105~140mm。綜上分析,確定黑龍江大豆結(jié)莢至成熟期適宜平均氣溫為15~21℃,適宜平均降水量為110~185mm。馬樹慶認(rèn)為大豆結(jié)莢至成熟期適宜氣溫為18.0~24.5℃,適宜降水量為110~200mm本文確定黑龍江大豆結(jié)莢至成熟期適宜平均氣溫為15~21℃,與李帥等結(jié)論差異不大,但低于馬樹慶和毛留喜結(jié)論適宜氣溫,原因是:(1)本文統(tǒng)計(jì)分析黑龍江省7個(gè)代表站點(diǎn)平均氣溫,而馬樹慶和毛留喜統(tǒng)計(jì)分析吉林省和東北地區(qū)平均氣溫,統(tǒng)計(jì)分析樣本差異造成適宜平均氣溫差異;(2)本文以黑龍江為研究區(qū)域,其氣候特點(diǎn)與吉林和東北其他地區(qū)氣候差異可能造成適宜氣溫差異,但尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。本文確定大豆結(jié)莢至成熟期適宜平均降水量為110~185mm,與馬樹慶等研究結(jié)論差異不大,但與毛留喜等研究適宜降水量上限差異較大,原因是兩者統(tǒng)計(jì)降水量區(qū)域范圍不同。結(jié)合大豆溫度特性分析,結(jié)莢至成熟期最高日平均氣溫為27~30℃,并不影響大豆生長(zhǎng)發(fā)育3最高日平均氣溫與降水指標(biāo)本文利用黑龍江省大豆主產(chǎn)區(qū)7個(gè)代表性站點(diǎn)30年大豆農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料,研究黑龍江大豆不同發(fā)育期適宜溫度和降水指標(biāo)。結(jié)果表明,大豆播種至出苗期適宜10cm地溫8℃,10cm地溫>8℃時(shí),大豆出苗正常,出苗率較高,10cm地溫6~8℃時(shí),大豆出苗期延長(zhǎng),出苗率降低,10cm地溫<6℃時(shí),大豆出苗緩慢,出苗率低;出苗至開花期適宜平均氣溫18~22℃,適宜平均降水量為70~145mm;開花至結(jié)莢期適宜平均氣溫為1