气候变化对豫东冬小麦产区的综合影响

张怡　史本林

摘要：分析了豫东冬小麦产区近50年的水、温要素的变化趋势，通过数学统计与模型模拟农业气候资源的变化和极端气候事件发生的规律，预测未来农业气候资源变化趋势和极端天气事件出现的规律，探讨气候变化和干旱灾害对豫东地区冬小麦产量的影响，结果表明，豫东冬小麦产区气候趋于“暖湿化”，对冬小麦产量的提升较为有利；冬小麦生长中后期的光照、温度和降水适宜度与冬小麦产量的相关性显著；豫东冬小麦产区干旱受灾面积呈减小趋势，但成灾面积呈增大趋势。

关键词：气候变化；冬小麦；豫东；极端天气；干旱；产量

中图分类号： S162.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0336-04

收稿日期：2014

基金项目：国家自然科学基金（编号：41140019）；河南省科技发展计划[编号：商（20093004）、商（20103012）]。

作者简介：张怡（1981—），男，河南柘城人，硕士，工程师，主要从事气象预报预测与灾害防护的研究。Tel：（0370）3235767；E-mail：zhangyi8733873@sina.com。近50年中国平均气温变暖趋势达到每50年0.6～1.1 ℃，升温速率可达每10年0.25 ℃，大于北半球平均的升温速率。气候变化下，农业气象灾害发生频次增加，极端气候事件（洪水、干旱、极端高温和低温冷害等）对未来农业生产的影响更大，使农业种植结构和布局改变，局部地区的农业气象灾害事件加剧，农业生产的不稳定性增加，就中国平均状况而言，气候变化将对土地生产潜力产生不利影响，如不采取应对措施，气候变化将对农业产量、农业经济造成损害。目前，气候变化引起的冬小麦生育期极端低温和干热风等极端气候事件频发，已成为限制冬小麦稳产增产的主要影响因素。同时，主要气象因素如温度和降水的区域差异较为突出，不同区域社会经济环境的不同导致区域应对能力的不同也会使气候变化对农业的影响产生差异[1-15]。

随着我国粮食消费需求的不断增长、耕地面积逐渐减少、水资源严重短缺，气候因素变化对粮食生产的约束日益凸现，我国粮食安全面临着严峻挑战。冬小麦是我国第一大粮食作物，在保障我国粮食安全中的地位非常突出。黄淮海地区是我国冬小麦重要产区，该区冬小麦播种面积和产量约占全国的40%。受大陆性季风气候的影响，在冬小麦生育期间，干旱、霜冻、低温冷害、 抽穗开花期阴雨、干热风等多种气象灾害发生频繁，严重制约冬小麦的高产稳产[14-20]。因此我们探讨了豫东地区气候变化趋势及其对冬小麦产量的影响、又特别对影响最为严重的干旱灾害进行了特征分析，以期能够更为系统地了解此种变化对豫东冬小麦的综合影响。

1材料与方法

本研究以豫东地区商丘市所辖8个国家气象观测站（商丘、永城、夏邑、睢县、宁陵、柘城、民权、虞城、）1961—2010年共计50年逐日、旬、月、年的温度、降水等观测数据为信息源，并进行了质量控制与订正，保证资料的同一性和延续性。分别以四季的中间月份代表相应季节，以逐年同期距平法分析季节气象要素指标。以各站点1971—2010年共30年气温与降水量资料，应用线性回归和F检验法分别进行趋势与阶段性分析和显著性检验。使用数学统计与Thornthwaite Memoriae 模型，在未来气候预测结果的基础上，分析了冬小麦核心产区气候变化对其产量的影响。气象资料为国家气象信息中心收集整理的中国地面气候资料年值数据集，干旱数据来源于农业部种植业司“灾情数据库”和河南统计年鉴，其中l967、1968、1969年3年数据缺失[21-25]。

2结果与分析

2.1豫东地区气候变化

通过分析（图1、图2）可知，豫东地区20 年气候变化基本特征为温度显著升高，降雨量逐渐增加，日照时数逐渐减少。历年季节降雨量、日照时数分析结果表明，夏、秋两季降雨量增加幅度较冬季大；夏、秋两季日照时数降幅明显，春季日照时数降幅较弱。

豫东地区各季节平均气温除秋季外，整体上呈现波动的上升趋势，从图3中的线性趋势可以明显看出，其增速为冬>秋>春>夏。各季节平均气温均在上世纪90年代初出现一次增幅变缓甚至为负的波动，随后增幅变快，春、秋尤为

显著，这种变化在年平均温度变化曲线中也有明显体现。

近20年豫东地区年降水量整体上呈波动式增加（图2）。自1991年起5年降水量有一明显波动，呈现为先减少后增加，在1995年达到最大，随后骤然下降，并在1997年达到20年的最低值，随后以2～3年为周期震荡爬升，其中2003 年达到20年的最高值，随后一直在低位波动前行缓慢上升。通过分季节统计可知豫东地区降水量主要集中在夏季，为全年降水量的66%以上，其次为春和秋两季分别约占14%左右，冬季降水量最少，仅为全年降水的5%左右。夏季降水与年降水的变化趋势相关明显，冬、春两季降水逐渐减少，只有秋季

降水量为缓慢增加。通过对近20年降水量增加分析，发现夏季对年降水量增加的贡献最大（图4），说明夏季降水量变化对年降水量的变化影响最为明显。

2.2豫东地区气候变化对冬小麦产量的影响

2.2.1气象产量计算

式中：Y为粮食单产；Yt 是趋势产量，为以原始产量资料为基础进行模拟的关于时间趋势的函数；Yw 是气象产量，主要受短周期变化因子（气象因素）影响；e是减产分量，主要受病虫害、社会因素等随机因素影响，一般因随机性太高且比重较小，计算中常被忽略[18-21]；故简化为：Y=Yt+Yw ；则气象产量为：Yw=Y-Yt。

2.2.2气候生产力计算气候生产力通常是指用气候条件为主要因子进行估算的农业生产潜力，即在各项气象要素与环境因素最为适宜的情况下，单位耕地面积所能达到的最高产量，故常被称为气象产量。项目通过比较后，选用李斯（Lieth）方法来计算小麦的气候生产力，该方法有计算便捷且能准确表达气候影响的特点。其根据全球作物产量和年均气温及年降雨量之间的对应关系，进而用实际蒸散量来估算作物产量，即Thornthwaite Memoriae 模型[16-19]：endprint

Pv=30 000[1-e-0.000 969 5（v-20）]。

其中：v=1.05r/1+（1.05r/L）2，L=300+25t+0.05t3。

式中：Pv为气象产量[kg/（hm2·年）]；v为年均蒸散量（mm）；r为年均降雨量（mm）；L为年均最大蒸散量（mm），为气温t（℃）的三次函数，公式经验系数为30 000。

近20年来豫东地区冬小麦产量呈波动上升趋势，一元回归分析可知单产增速为198 kg/年以上，最大值为2008年的 6 851 kg/hm2，最低值为1994年的3 035 kg/hm2，从此也能看出单产的增速非常显著（图5）；通过分析可知上世纪90年代，气象产量与气候生产力起初步调较为一致，均为下降，随后分歧明显，步调相反，且变化剧烈；2000年以后，两者变化均趋于平稳，且变化趋势逐渐吻合（图6、图7）。针对气温与降水同时变化，以气温正负1～3 ℃和降水正负10%～30%的条件两两结合，假设出49种情况，进而计算冬小麦的气候生产力，其结果表明“冷干型”气候对冬小麦生产最为不利；“暖干型”气候加剧了水分的不足，造成生产力下降；“冷湿型”气候，导致冬小麦产量增幅不明显；“暖湿型”气候，有利于冬小麦产量的提高；而依据相关研究结果对中国大陆未来气候变化进行预测，豫东地区未来80～90年内气候可能向“暖湿型”变化，冬小麦气候生产力也有较大幅度提高，对冬小麦产量的提升较为有利[20-24]。

2.3豫东地区干旱灾害特征分析

豫东地区干旱数据（受灾及成灾面积等）来源于农业部 “灾情数据库”与河南统计年鉴，其中1967、1968、1969年3年数据缺失[21-25]，气象资料来自国家气象信息中心，选取该地区4个具有代表性的商丘、开封等站点自1951年起60年的数据。将干旱及气象数据进行相关统计分析，结果表明，该区域农业干旱灾害呈现明显的周期性波动变化，轻重干旱灾情年际交替发生，干旱受灾种植面积的年际波动周期为4～14 年，干旱成灾种植面积的年际波动周期为4～17 年；整体出现干旱受灾面积呈减小趋势但成灾面积呈增大趋势的变化（图8）；作物的干旱受灾率和成灾率呈显著相关，两者随时间变化出现的周期性波动特征较为一致（图9）；作物干旱受灾率异常指数与成灾率异常指数呈周期性负相关变化，即负正交替出现，变化周期为3～10年（图10）；作物干旱灾害强度指数即成灾面积与受灾面积的比例，呈波动上升的趋势，周期为3～6 年（图11）。说明该区域的资源环境、气候变化和社会经济条件均对其干旱灾害的形成有一定的影响[19-29]。

3结论

本研究基于多年的气象观测数据和冬小麦实际产量数据，应用数学统计分析与模型模拟方法，重点研究了豫东地区的气候变化趋势，及该变化趋势对已发生和将发生的冬小麦产量的影响，同时对种植区历年的干旱灾害的特征进行了分析，结果表明，（1）豫东地区气候变暖主要发生于20世纪80年代以后，春、冬两季气候变暖较为显著，且气候趋于“暖湿化”发展；（2）气温、降水量、蒸发量与极端温度为影响冬小麦的主要气候因子，“暖湿型”气候有利于冬小麦生产力的提高，“冷干型”气候对冬小麦生产最为不利；未来几十年内气候可能向“暖湿型”变化，对研究区粮食作物产量的提升较为有利；（3）近50 年降水是限制冬小麦生长发育的主要因子，气候因子匹配效果变差对冬小麦的生长不利；在冬小麦生长的中后期光照、温度和降水的适宜度与冬小麦产量的相关性显著；（4）豫东地区农业干旱灾害呈周期性波动，干旱受灾面积呈减小趋势但成灾面积呈增大趋势；资源环境、气候变化和社会经济条件均对干旱灾害的形成有一定的影响。

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