德州市0℃界限温度变化及其对粮食作物的影响*

朱保美，周 清，代玉田，张 琳，杨以健，刘 森

(1.山东省齐河县气象局，德州 251100； 2.山东省德州市气象局，德州 253078)

·粮食安全·

德州市0℃界限温度变化及其对粮食作物的影响*

朱保美1※，周 清1，代玉田2，张 琳2，杨以健1，刘 森1

(1.山东省齐河县气象局，德州 251100； 2.山东省德州市气象局，德州 253078)

[方法]利用德州市11个气象观测站1971～2014年逐日平均气温资料，采用五日滑动平均、经验频率法、趋势分析法，[目的]对该市0℃界限温度初(终)日、间隔日数、积温变化特征、稳定通过界限温度80%的保证率及其对粮食作物的影响进行分析。[结果]研究表明：德州地区≥0℃的初日呈显著提前趋势，增长速率为4.12d/10年，主要集中在2月中下旬； 终日有延迟趋势，推后速率为0.27d/10年，主要集中在12月上旬； 间隔日数显现出略增加趋势，增加速率为4.39d/10年，平均为288d；≥0℃活动积温呈现明显增加趋势，增温速率为117.2℃/10年，平均为4982.5℃。全市稳定通过0℃界限温度80%保证率的初日范围为3月1～6日、终日范围为12月9～17日、积温范围在4939.7～5295.4℃之间。[结论]气候变化使当地热量资源增加，夏玉米等作物生长期延长，冬小麦播期有所推迟，返青期、成熟期提前全生育期天数缩短，对粮食作物造成的影响还需进一步进行综合分析。

德州 界限温度初终日 积温 变化分析 粮食作物

0 引言

界限温度是指具有一定生物学意义，能指示农事活动的温度[1]。由于界限温度的农业意义比较明确，资料也易于取得，因此是地区热量资源鉴定中常用的指标。日平均气温稳定通过0℃的初日，表示土壤解冻、草木萌发、冬小麦开始返青扎根等，田间作业开始。而稳定通过0℃的终日，则标志着冬小麦停止生长，草木休眠，土壤冻结，田间作业随之停止。大于0℃期间的持续日期代表一个地方广义的可能生长期或生长季(适宜农耕期)。积温的多少与作物的分布，耕作制度及作物品种搭配等密切相关。稳定通过0℃期间的初终日、持续天数和积温的多少是鉴定一个地区总的热量指标，在农业生产上有着重要意义[2-5]。在气候变暖的背景下，很多学者对气候变暖引起的不同区域0℃界限温度的变化特征进行研究[2-7]。如谭方颖等[2]、刘洋等[7]研究了华北平原、东北地区≥0℃的积温、初日、终日及持续天数等影响作物生产和布局的关键热量指标。李元华等[3]、王春娟等[4]、吴海婷等[5]、李兰等[6]利用不同的资料分析了河北、陕西、山西、新疆等省份部分地区0℃界限温度气候变化特征。此外，韩玮等[8]、董旭光等[9]对山东农业气候资源及气候生产潜力进行了研究，得出许多重要结论。李树军等[10]、李春光等[11]、张荣霞等[12]对潍坊、济宁、聊城3个地区的0℃农业界限温度初终日、间隔日数和积温等进行了统计分析介绍，目前全面分析德州地区热量资源状况及0℃界限温度气候变化特征的论述很少，多数论述是从平均气温和降水等指标单方面进行研究[13-15]。文章利用德州10个县市区1971～2014年逐日气温资料，对农业意义较明确的0℃界限温度初终日、间隔日数和活动积温及对粮食作物的影响进行分析，为摸清该地热量条件，合理发挥地区热量资源的生产潜力，增强农业生产应对气候变化的能力，提高粮食作物产量及作物品种布局等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1.2 研究方法

1.2.1 0℃界限温度初终日的统计

采用5日滑动平均法计算0℃界限温度初终日期。从春(秋)季日平均气温第一次出现高于(低于)0℃之日起，向前推4d，按日序依次计算出每连续5日的平均气温，并从中选出第一个大于或等于(小于或等于)0℃，且在其后不再出现5日平均气温低于(大于或等于)0℃的连续5日，此5日中第一个(最后一个)日平均气温大于或等于0℃的日期即为稳定通过0℃界限温度初(终)日[16-17]。初始日期序列的建立： 1月1日为一年第一天，记为1， 1月2日记为2，…，以此法建立1971～2014年初始(终止)日期序列[5]。各县市区平均初(终)日为历年初日日期的平均，全市平均初(终)日为历年各县初日日期的平均。

1.2.2 80%保证率的求算

把起止日期(包括起止日期)之间高于0℃界限温度的日平均气温求和，即得该地区≥0℃活动积温[5]。所谓保证率，就是某一气象要素高于(或低于)某一界限所有数值出现频率之和，即累计频率[1]。该文采用经验频率法计算各气候要素的80%保证率。公式为：

(1)

式中，Pm为各气候要素保证率，m为求算出的历年气候要素按升序排列的序列号，n为样本个数。

1.2.3 趋势变化分析

2.3 儿童精细动作发育商的多因素分析 以儿童精细动作发育商作为因变量，以变量性别、区域、父亲文化程度、母亲文化程度、母亲生其年龄、家庭人均月收入及分娩方式为自变量进行多元线性回归分析，采用stepwise逐步回归，入选标准为0.10，剔除标准为0.15，结果显示影响儿童精细动作发育商的因素为儿童性别、母亲文化程度和主要抚养人。见表3。

采用线性气候倾向率法[18]、9年滑动平均法[19]分析初终日、间隔日数及≥0℃的活动积温的线性变化趋势，计算各县市积温的气候倾向率，并对变化趋势进行显著性检验，在给定=0.05的显著水平时，判据Z0.05=0.191,统计量为Z，当Z>Z0.05时，则认为变化趋势在=0.05水平上是显著的[14]。

2 结果分析

2.1 ≥0℃初日变化特征

根据资料分析， 1971～2014年德州地区初日起始日期主要集中在2月中下旬(表1)，西北部最早，然后受地理位置影响，由南向北逐渐偏晚。西北部地区初日开始时间最早平均为2月18日，南部地区平均为2月19日，中部地区平均为2月20日，北部地区时间最晚平均为2月23日，全市初日开始日期平均为2月20日，最早为上一年的12月29日，最晚为3月15日。

由图1可知，初日序列呈波动下降趋势，气候倾向率为4.12d/10a， 9年滑动平均曲线显示，初日趋势变化相对平缓，有小幅度波动。20世纪70年代末至80年代初变化平稳， 80年代中期至90年代初期有小幅上升， 90年代中期至新世纪初又呈下降趋势，而后逐渐上升，最近几年又呈现下降趋势。计算统计量得到Z=-0.296,Z>Z0.05，初日趋势变化显著。1971～1991年初日变化以正距平为主， 1992～2014年以负距平为主(图2)。其中， 1971年是初日最晚年，初日距平值达到25d， 2002年是初日最早年，初日距平值达到-50d，最早年与最晚年初日距平值相差75d。

全市≥0℃的初日，随着年代的变化都有所提前[3](表2)，但各县市提前时间显著不同。把近几年与70年代的初日进行比较发现，宁津、庆云、齐河3个县分别提前4d，乐陵、陵县、武城、临邑4个县市分别提前6d，禹城夏津两县市提前8d，德州、平原县2市提前10d。

根据公式(1)计算各县市区历年稳定通过0℃界限温度的初日80%的保证率，发现全市稳定通过0℃界限温度80%保证率的初日范围在3月1～6日之间(表3)，其中德州、武城、禹城、齐河、平原、夏津初日最早为3月1日，临邑、陵县、宁津为3月2日，庆云为3月4日、乐陵最晚为3月6日。

表1 1971～2014年初终日间隔日数活动积温的变化

研究区域县市名初日终日间隔日数(d)≥0℃活动积温(℃)气候倾向率(℃/10年)西北部德州2月17日12月8日294511231172武城2月18日12月5日290501271000西北平均2月18日12月7日292506251128南部禹城2月19日12月7日29150638948齐河2月19日12月7日29150839407南部平均2月19日12月7日29150739678中部平原2月20日12月5日28849488907夏津2月20日12月3日28649510767临邑2月21日12月5日28849544826中部平均2月20日12月4日28749514833北部陵县2月21日12月3日28548921692宁津2月23日12月2日28248468692庆云2月24日12月3日28248059373乐陵2月25日12月3日28148241527北部平均2月23日12月3日28348422571全市平均2月20日12月6日28849825803

图1 1971～2014年德州市≥0℃初日、终日变化趋势

图2 1971～2014年德州≥0℃年初日、终日距平值

表2 ≥0℃的初日、终日、持续日数、积温的年际变化

年份德州武城禹城齐河平原夏津临邑陵县宁津庆云乐陵初日1971～198022522522422322622522522622531311981～19902222232242212242262242242272272271991～20002102102142162132152152172192202212001～20102122152142142192152192192202222222011～2014215219216219216217219220221225223终日1971～19801291231281291231231231231221221221981～199012712312512612512212512311301241241991～20001261251261261251251251231211221222001～201012912912101261271231261231231251232011～20141271261251261251241213124123124124间隔日数1971～19802872812872902802812812802802762761981～19902882832852882852792842822762812791991～20002992982952922952932922892852852842001～20103002972992952912912902872862862842011～2014295290292290292289297287286283284积温1971～198049082475884925548019485364870248153482864767250232473611981～199050383478384967148212484304884748515487434766950671478381991～200051265480385084849000496795066449843498714822751432482672001～201052928488755225749807510425160550837507084964751263483302011～20145320849802519445053150395518515099650963501145191349162

表3 各县市稳定通过80%保证率的初、终日和积温

德州武城禹城齐河平原夏津临邑陵县宁津庆云乐陵初日3131313131313232323436终日1217121512161216121312121213121212912121212积温5295452123524575212551247516835136750255496914939749409

2.2 ≥0℃终日变化特征

1971～2014年全市终日日期主要集中在12月上旬(表1)，从地域分布看，北部最早，然后由北向南逐渐偏晚。北部地区终日开始时间最早平均为12月3日，中部地区平均为12月4日，西北部、南部地区时间最晚平均为12月7日，全市终日开始日期平均为12月6日，最早为11月9日，最晚为12月28日。

由图1可知，终日序列呈波动略下降趋势，气候倾向率为0.27d/10年， 9年滑动平均曲线显示出，终日趋势变化非常平缓，波动幅度较小。计算统计量得到Z=0.011,Z

全市≥0℃的终日，随着年代的变化8个县市推后， 3个县市有所提前(表2)，但各县市提前推后时间表现不显著，约为1～3d(临邑除外)。把近几年与20世纪70年代的终日进行比较发现，德州、禹城、齐河3个市县分别提前，其余8个县市分别推后，临邑终日年代际变化最显著，推后时间最长为10d。

计算各县市区历年稳定通过0℃的终日80%的保证率，发现全市稳定通过80%保证率的终日范围在12月9日～12月17日之间(表3)，其中宁津终日最早为12月9日，夏津、陵县、庆云、乐陵为12月12日，平原、临邑为12月13日，武城为12月15日，禹城、齐河为12月16日，德州最晚为12月17日。

2.3 间隔日数的变化

图3 1971～2014年德州≥0℃年间隔日数及其距平值

近44年全市间隔日数(表1)北部地区间隔最短，然后由北向南逐渐延长。北部地区平均为283d，中部地区平均为287d，南部地区平均为291d，西北部地区平均为292d，全市范围内间隔日数平均为288d，间隔最短为256d，最长为339d。

由图3可知，间隔日数序列显现出略上升趋势，气候倾向率为4.39d/10a， 9年滑动平均曲线显示趋势变化非常平缓，波动幅度较小。计算统计量得到Z=0.190,Z

全地区≥0℃的间隔日数，随着年代的变化均有延长趋势(表2)，但各县市延长的天数各有不同。把近几年与20世纪70年代的间隔日数进行比较发现，齐河延长天数表现不明显，禹城延长5d，宁津延长6d，陵县、夏津、庆云延长7d，德州、乐陵8d，武城9d，平原12d，临邑间隔日数延长最多为16d。

2.4 ≥0℃活动积温变化分析

图4 1971～2014年德州≥0℃积温及其距平变化

近44年德州地区≥0℃活动积温从地域上分析(表1)北部区域最少，然后由北向南逐渐增多。北部地区平均为4842.2℃，中部地区平均为4951.4，西北部地区平均为5062.5℃，南部地区平均为5073.9℃。全市范围内活动积温平均为4982.5℃，最少为4437.8℃，出现在1976年的庆云县，最多为5517.6℃，出现在2014年的德州市。

由图4可知，德州市积温序列呈现明显上升趋势，气候倾向率为117.2℃/10a， 9年滑动平均曲线显示趋势变化非常平缓，波动幅度较小。计算统计量得到Z=0.556,Z>Z0.05，因此认为积温上升趋势显著。1971～2014年整个时段间隔日数变化正负距平交替出现(图4)， 1971～1996年以负距平为主， 1997～2014年以正距平为主。其中， 2014年是积温最多年，距平值达到405.3℃， 1976年是积温最少年，距平值达到-486.0℃，最多年与最少年距平值相差891.3℃。

全地区≥0℃的积温，随着年代的变化均表现出增多趋势(表2)，但各县市增加的幅度各有不同。把近几年与70年代的积温进行比较发现，庆云县增加最少为168.1℃，德州市增加最多为412.6℃。

根据公式(1)计算各县市区≥0℃积温通过80%的保证率(表3)，发现全地区稳定通过80%保证率的积温范围在4939.7～5295.4℃之间，其中西北部和南部的德州、禹城、武城、齐河4县市通过80%保证率的积温最高，中部平原、夏津、临邑3县市次之，北部陵县、乐陵、宁津、庆云4县市最低。

2.5 0℃界限温度变化对粮食作物的影响

农业尤其是粮食生产是以作物种植为基础，因此，对气候变化的响应非常敏感[20]。德州市是粮食生产大市，粮食作物丰产丰收至关重要。0℃界限温度指标的变化对小麦玉米等粮食作物有着重要影响。早春≥0℃的初日提前，使小麦生长期明显缩短，返青期显著提前，从而有利于小麦春分蘖的产生和小麦发育进程加快，对小麦穗分化影响很大，促使小麦抽穗开花提前，进而导致小麦灌浆收获期明显提前。夏玉米等作物的播期也得以提前[4]，不过，冬小麦发育期提前容易引起病虫害早出现、发展，也导致各生育期间隔期相应缩短，如果管理跟不上，对小麦增产不利。秋季≥0℃的终日延迟，使得夏播玉米有效生长天数明显延长，缓解和解决了目前生产上普遍存在的成熟不充分问题[21]，同时使喜凉作物冬小麦的播种期推迟。≥0℃期间的活动积温呈上升趋势，为本地区农业生产提供了更丰富的热量资源，对发展小麦、玉米一年两熟制种植制度十分有利。

3 结论与讨论

通过以上分析发现德州地区稳定通过0℃界限温度的初日起始日期主要集中在2月中下旬，随时间的推移有显著提早趋势，气候倾向率为4.12d/10年； 终日主要集中在12月上旬，序列下降趋势不显著，气候倾向率为0.27d/10年； 间隔日数平均为288天，序列显现出略上升趋势，气候倾向率为4.39d/10年； 近44年德州地区≥0℃活动积温平均为4982.5℃，序列呈明显上升趋势，气候倾向率为117.2℃/10年； 全市稳定通过0℃界限温度80%保证率的初日范围为3月1～6日、终日约为12月9～17日、积温范围在4939.7～5295.4℃之间。

0℃界限温度初日提前、终日推后、间隔日数增加、≥0℃期间的活动积温增加，说明与全球气候变暖响应相一致，当地热量资源增加，使作物生长期延长，生长季热量增加[21]，冬播期有所推迟，冬小麦成熟期提前全生育期天数缩短[22]。农业是受气候变化影响最直接的产业[11]，该研究只是初步分析了0℃界限温度的变化特征对作物播种及收获期的影响，没有对作物生育期内的日照、温度及降水等诸多气象条件进行深入探索，同时也没有考虑气象灾害因素。今后还应加强对农业生产造成影响的诸多气候要素的综合研究，保障农作物正常生长，争取粮食高产稳产。

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THE CHARACTERISTICS CHANGE OF 0℃ BOUNDARY TEMPERATUREAND THE IMPACTS ON GRAIN CROP IN DEZHOU CITY*

Zhu Baomei1※，Zhou Qing1，Dai Yutian2，Zhang lin2, Yang Yijian1, Liu Sen1

(1. Qihe Meteorological Bureau, Dezhou 251100, China; 2.Dezhou Meteorological Bureau, Dezhou 253078, China)

According to the daily meteorological data from 11 stations in Dezhou city from 1971 to 2014, using the methods of 5-day sliding mean, experience frequency, and the linear trend estimation, this paper analyzed the initial and final dates, duration, accumulated temperature, 80% guarantee rate of the daily temperature above 0℃ stably, and the impacts on Grain crop. The results showed that the initial date was in advance 4.12 days per 10 years, which mainly concentrated in the mid to late February. The final date delayed 0.27 days per decade, which mainly concentrated in early December. The duration increased 4.39 days per decade, the average number of days was 288. The accumulated temperature above 0℃ increased 117.2℃ per decade. The range of initial date of stability with 80% guarantee rate of the daily temperature above 0℃ was from March 1st to 6, the range of final date was from December 9 to 17, the range of accumulated temperature was between 4939.7 ℃ and 5295.4℃. The climate change increased the local heat resource, prolonged the summer corn growth period, delayed winter wheat appropriate seeding time, promoted the mature period in advance, and shortened the number of days in the whole stage. So it put forward that it needed to comprehensively analyze the effects on the crop grain.

Dezhou; initial/final date; accumulated temperature; analysis; grain crop

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170314

2016-03-14

朱保美(1979—)，女，山东聊城人，工程师。研究方向：农业气象和气候。Email： 13969289244@163.com

*资助项目：德州市气象局科研项目“德州市热量资源变化特征及对主要农作物的影响研究”(2016dzqx06)

S161.2; F326.11

A

1005-9121[2017]03086-07