1961−2015年华北平原夏玉米生长季光热资源变化及其影响

杨鹏宇，胡 琦**，马雪晴，胡莉婷，任飞扬，闫梦玲，黄彬香，潘学标，何奇瑾



1961−2015年华北平原夏玉米生长季光热资源变化及其影响

杨鹏宇1,2，胡 琦1,2**，马雪晴1,2，胡莉婷1,2，任飞扬1,2，闫梦玲1,2，黄彬香1,2，潘学标1,2，何奇瑾1,2

（1．中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2．农业部武川农业环境科学观测实验站，呼和浩特 011700）

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1961−2015年逐日地面观测资料，以≥10℃活动积温和太阳辐射分别为热量资源和光照资源指标，从年代际尺度和年际尺度分析夏玉米生长季光热资源线性趋势和空间分布变化特征，定量研究光热资源变化对夏玉米潜在产量的影响。结果表明：夏玉米生长季热量资源呈显著增加趋势，各积温等值线均发生明显北移现象；所有站点夏玉米生长季辐射资源均呈显著下降趋势。与1961−1980年相比，近15a（2011−2015年）研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温增加1.8%，太阳总辐射量减少16.2%。研究时段内夏玉米光温潜在产量呈显著下降趋势，平均变化率为−28.3kg·667m−2·10a−1(P＜0.05)，高值区面积随着时段变化不断减少，表明辐射资源减少对光温潜在产量的负作用大于热量资源增加带来的正作用。目前研究区夏玉米单产仅达到光温潜在产量的27.5%，仍有很大提升空间。未来研究还需综合考虑光、温、水、农艺措施等气候要素和社会要素的影响，为华北地区夏玉米生产布局和调整提供科学依据，以适应气候变化的影响。

华北平原；热量资源；太阳辐射；夏玉米；生长季

全球变暖已经是一个不争的事实，IPCC第五次评估报告指出，过去130a全球平均温度增加了0.85℃[1]。农业生产受气候和天气的制约，气候变暖导致光、温、水等农业气候资源的变化，必然对农业生态环境以及作物生长发育和产量形成造成显著影响[2-3]。辐射资源和热量资源等农业气候资源直接参与农业生产过程，其数量、组成及其分配状况在一定程度上决定了一个地区的农业格局和农业生产潜力[4]，因此，其在气候变化背景下的时空变化特征也引起许多学者关注。杨晓光等[5]利用中国558个气象台站地面气象观测资料，分析了不同区域农业气候资源变化的差异。龚强等[6]采用辽宁省54个气象台站建站以来的气温、降水、日照等9个气象要素年资料，分析了近半个世纪辽宁省气候资源变化时空变化特征，及其变化对农业的影响。此外，不同学者对全国不同区域的农业气候资源时空变化特征进行了研究[7-10]。

华北平原是中国重要的农业生产基地，粮食产量约占全国粮食总产量的30%，在国民经济中占有举足轻重的地位[11]。在全球气候变暖的背景下，华北平原19世纪80年代中期以后气温升高趋势显著[12]，尤其是21世纪以来，变暖趋势更加明显。刘志娟等[13]研究发现华北地区喜凉作物和喜温作物活动积温、日照时数等农业气候资源均发生了一定的时空变化，对华北平原的种植制度和农业布局产生了一定影响[14]。然而关于气候变化背景下华北平原夏玉米生长季内光热资源时空变化的研究，特别是综合光热资源对夏玉米生产影响的研究相对较少。本文拟基于1961−2015年地面逐日气象资料，从不同时间尺度解析华北平原夏玉米种植区生长季光热资源时空变化特征，讨论光热资源变化对夏玉米产量的影响，旨在为华北地区合理利用光热资源、调整种植区划和农业生产布局、制定适应气候变化的对策等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源及预处理

选择华北平原夏玉米种植区具有1961−2015年完整时间序列逐日气象资料的台站，共计55个，分布于5省市（京、津、冀、豫、鲁），如图1所示。气象数据源自中国地面气候资料日值数据集（V3.0），在中国气象科学数据共享服务网下载，包括逐日平均气温（℃）、最高气温（℃）、最低气温（℃）、日照时数（h）、相对湿度（%），所用数据集经过严格质量控制和检查，缺测率约1‰，缺测的气象要素采用Matlab编程进行订正：若缺测序列小于5d，缺测值采用线性插值方法代替；若缺测序列≥5d，则采用同一日值的多年平均值代替。

同时选取1961−2015年华北平原5省市逐年夏玉米单位面积产量统计数据，从中华人民共和国国家统计局下载（http://www.stats.gov.cn）。

图1 研究区域及55个气象站点分布

1.2 计算方法

1.2.1 ≥10℃活动积温

热量条件与作物的生长、发育和产量形成密切相关。高于或等于生物学下限温度的日平均温度称为活动温度，≥10℃活动积温（DT10，℃·d）是玉米生长重要的热量指标之一[15]，由玉米生长季内逐日平均气温≥10℃持续期间日平均气温相加而得，即

式中，a、b分别为玉米生长季内逐日平均气温≥10℃的起始日期和终止日期，采用5日滑动平均法确定；Ti为日平均气温≥10℃持续期间日平均气温（℃）。

1.2.2 生长季太阳总辐射

生长季太阳总辐射（Q，MJ×m−2）由月太阳总辐射（Qm，MJ×m−2）累加而得，Qm根据经验公式计算[16]，即

式中，Qm0为月天文总辐射（MJ×m−2），n、N分别为月实际日照时数（h）和月最大可能日照时数（h），由逐日数据累加而来，a、b为经验系数。和清华等[17]利用中国54个站1961−2000年逐日太阳辐射观测数据和日照百分率资料建立了太阳辐射回归方程并进行验证，研究表明，以月天文辐射总量为起始值计算年太阳辐射精确度最高，并对a、b经验系数进行了全国分区域订正，给出中国东部地区a、b值分别为0.143和0.585。

Qm0由当月逐日天文辐射（Q0，MJ·m−2·d−1）累加得到，Q0计算式为

式中，T为一天的周期（24×60min），I0为太阳常数（0.082MJ·m−2·min−1），ω为时角（rad），φ为地理纬度（rad），δ为太阳赤纬（rad），1/ρ2­­为地球轨道偏心率订正系数，计算式分别为

式中，θ为日角（rad），dn为日序，以1月1日为1，1月2日为2，依次类推。

1.2.3 光温潜在产量

光温潜在产量是在一定的光、温条件下，其它环境因素（水分、二氧化碳、养分等）和作物群体因素处于最适宜状态，作物利用当地的光、温资源的潜在生产力[18-19]。采用分段线性拟合法对光合潜在产量进行温度订正，得到光温潜在产量，即

式中，y为光温潜在产量（kg·667m−2），y0为光合潜在产量（kg·667m−2），采用龙斯玉（1976）提出的线性经验模型法对y0进行估算[20]，即

式中，Q为生长季太阳总辐射（MJ·m−2），k为光合有效辐射换算系数，取值0.49，A为大田作物群体反射率，取值0.065，B为漏射率，取值0.06，η为光能利用率，取值0.1568，c为经济系数，取值0.3，q为植物有机物的含热率，取值17.81kJ·g−1，g为植物有机体中的灰分含量，取值0.08，h为产量中的水分含量，通常统计数据中实际产量籽粒含水率约为15%，因此，为便于光温潜在产量与统计单产比较，y0折合成籽粒含水率为15%时的产量。

f(t)为温度订正函数，计算式为

式中，t为某一生育期平均温度（℃），tmin、t0、tmax分别为该生育期下限温度、最适温度和上限温度（℃）。夏玉米不同生长阶段下限温度、最适温度和上限温度均不相同，因此，将生育期分为4个阶段进行计算，具体参数如表1所示。

表1 夏玉米不同生育期三基点温度经验值(℃)

注：tmin为下限温度；t0为最适温度；tmax为上限温度。

Note：tminis lower limit temperature；t0is optimum temperature；tmaxis upper limit temperature.

1.2.4 Mann-Kendall检验（M-K检验）

Mann-Kendall检验法（简称M-K法）是世界气象组织推荐的用于提取序列变化趋势的有效工具，其优点在于不受个别异常值的干扰，能够客观反映时间序列趋势。目前已被广泛用于气候参数和水文序列的分析中[21-22]。M-K法可以根据输出的两个序列（UF和UB）明确突变的时段和区域。若UF值大于0且超过临界直线，表明时间序列呈显著上升趋势（P＜0.05），反之，若UF值小于0且超过临界直线，表明时间序列呈显著下降趋势（P＜0.05）。如果UF和UB两条曲线相交且交点在临界直线之间，则突变开始的时间即为交点所对应的时刻[23-24]，具体计算方法及参数说明见参照文献[23-24]。

1.2.5 数据处理

研究区南北跨度较大，为方便空间结果比较，夏玉米生长季统一按6月10日−10月10日计算，分别计算各站80%保证率下夏玉米生长季≥10℃活动积温、太阳总辐射和光温潜在产量的空间分布特征及其在1961−2015年的气候倾向率。同时将1961−2015年划分为3个时段，时段1（P1）：1961−1980年；时段2（P2）：1981−2000年；时段3（P3）：2001−2015年，分析其时段变化特征。

数据处理均利用Matlab2014软件实现；空间分布图利用ArcGIS10.1软件反距离权重插值法（Inverse Distance Weighted Interpolation，IDW）制作，分辨率为0.02°；折线图采用OriginPro8软件制作。

2 结果与分析

2.1 华北平原夏玉米生长季光热资源时空分布特征

根据每个站点1961−2015年的气温资料和日照时数资料，计算各站点夏玉米生长季80%保证率下≥10℃活动积温和太阳总辐射，其空间分布如图2所示。由图2a可见，80%保证率下华北平原夏玉米生长季≥10℃活动积温在2400～3050℃·d，占全年（1−12月）≥10℃活动积温的60.0%以上，空间变异大，整体由南至北呈递减的趋势。受纬度和海拔的影响，研究区40°N以北的地区、东部青岛以东的沿海地区、河南西南部的卢氏地区≥10℃活动积温＜2800℃·d，石家庄以南地区＜2900℃·d。

80%保证率下华北平原夏玉米生长季太阳总辐射范围在1947～2236MJ×m−2，占全年（1−12月）辐射量的37.9%，由东北至西南呈递减的趋势（图2b）。华北东北部地区包括山东北部和河北东部一带，夏玉米生长季太阳总辐射＞2000MJ×m−2，河南大部分地区＜1900MJ×m−2。

2.2 华北平原夏玉米生长季光热资源年际变化趋势分析

逐年计算1961−2015年研究区内每个站点夏玉米生长季≥10℃活动积温和太阳总辐射，并对线性变化趋势进行分析，结果见图3。由图可见，近55a来，研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温平均增加75.4℃·d，平均变化率为13.7℃·d·10a−1（P<0.05），其中63.6%的站点（n=35）呈显著增加趋势（P<0.05），主要分布在华北平原中北部的山东、河北地区（图3a）。其中，山东东部、河北大部分地区≥10℃活动积温增长速率大于20℃·d·10a−1（P <0.05），呈显著变暖趋势；而河南省大部分站点变化趋势不显著。

图2 80%保证率下研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温（a）和太阳总辐射（b）的空间分布（1961−2015年）

图3b表明，华北地区所有站点的夏玉米生长季太阳总辐射的线性倾向率均为负值，且全部通过P<0.05水平的显著性检验，说明1961−2015年华北地区夏玉米生长季太阳总辐射呈显著下降趋势。近55a来研究区夏玉米生长季太阳总辐射平均减少441.1MJ×m−2，平均变化率为−80.2MJ·m−2·10a−1（P <0.05），其中山东济南、河北石家庄、河南信阳等地区下降幅度较大，线性倾向率超过100MJ·m−2·10a−1（P <0.05）；山东东部的部分地区太阳总辐射减少相对较小，在60 MJ·m−2·10a−1（P <0.05）以下。

图3 研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温（a）和太阳总辐射（b）气候倾向率的空间分布（1961−2015年）

2.3 华北平原夏玉米生长季光热资源不同时段变化趋势分析

将1961−2015年划分为3个时段，计算每个时段内华北平原夏玉米生长季光热资源平均值。研究表明，≥10℃活动积温在不同时段整体呈现上升趋势，时段3热量资源增加更显著，3个时段≥10℃活动积温平均值分别为2737.7、2746.5和2787.0℃·d。与P1时段（1961−1980年）相比，P2时段（1981−2000年）和P3时段（2001−2015年）的2800℃·d和2900℃·d等值线均发生明显的北移现象，2900℃·d等值线由河北河南交界处逐步北移至河北中部（图4a1−图4a3），P3时段≥10℃活动积温超过2900℃·d的面积较P1时段增加了53.9%。

与≥10℃活动积温变化趋势相反，华北平原夏玉米生长季内太阳总辐射在不同时段均呈现明显的下降趋势。与P1时段相比，P2和P3时段夏玉米生长季内太阳总辐射分别减少6.7%和16.2%，相应各等值线均发生非常明显的北移，2000MJ×m−2等值线由河南西南部（P1，图4b1）北移至河北中南部（P2，图4b2），1900MJ×m−2等值线由河北-河南-山东交界处（P2，图4b2）北移至华北平原东北部（P3，图4b3）。夏玉米生长季内太阳总辐射大于2000MJ×m−2的面积占研究区总面积的比例，由P1时段的92.3%减少至P2时段的34.9%，P3时段的面积比例仅为0.3%；太阳总辐射大于1900MJ×m−2的面积比例由P2时段的67.1%减至P3时段的8.7%。

以上研究表明，在不同时段，华北平原夏玉米生长季内≥10℃活动积温和太阳总辐射均在P3时段变化幅度最大，进一步用M-K法检验，结果表明，≥10℃活动积温和太阳总辐射均在20世纪90年代中期有一个突变点，变化趋势显著（P<0.05）（图5）。

图4 研究区夏玉米生长季≥10℃活动积温（a）和太阳总辐射（b）不同时段的空间分布（1961−2015年）

图5 逐年夏玉米生长季≥10℃活动积温（a）和太阳总辐射（b）的M-K检验（1961−2015年）

2.4 华北平原光热资源变化对夏玉米生产的影响

利用1961−2015年以及不同时段华北平原夏玉米生长季热量、太阳总辐射资料计算相应的光温潜在产量，及其线性变化倾向率，结果见图6。由图6a可见，研究区夏玉米生长季光温潜在产量在1015～1626kg·667m−2，中部地区光温潜在产量较高，最高值分布在泰安—济南—德州—沧州一带，其光温潜在产量大于1500kg·667m−2。受辐射资源和热量资源变化的综合影响，近55a来华北平原夏玉米生长季光温潜在产量整体呈下降趋势，平均变化率为−28.3kg·667m−2·10a−1，65.5%（n=36）的站点达到显著性水平（P<0.05）且均为负值（图6b）。华北中部地区光温潜在产量下降幅度最大，大于40kg·667m−2·10a−1（P<0.05）；山东东部和河北东北部光温潜在产量呈略微上升的趋势，变化趋势不显著。

图6 玉米生长季光温潜在产量（a）及其气候倾向率（b）的空间分布（1961−2015年）

华北平原夏玉米光温潜在产量在不同时段呈现明显的下降趋势。与P1时段（1961−1980年）相比，P2（1981−2000年）和P3（2001−2015年）时段夏玉米光温潜在产量分别减少0.1%和8.2%，其各等值线均发生非常明显的偏移（图7）。光温潜在产量高值区（大于1400kg·667m−2）面积随着时段推进不断减少，占研究区总面积的比例由83.8%（P1，图7a）减至20.3%（P3，图7c）。

华北平原实际夏玉米产量与潜在产量变化趋势不同，受品种改良、灌溉、肥料等农艺措施和技术手段进步的影响，1961−2015年华北平原夏玉米单位面积产量显著提高，增长速度达到57.6kg·667m−2·10a−1（P<0.05），与光温潜在产量的产量差也不断缩小（图8）。然而目前研究区夏玉米平均生产水平仍然较低，过去10a（2006−2015年）夏玉米单产仅达到光温潜在产量的27.5%。

图7 夏玉米生长季光温潜在产量不同时段的空间分布（1961−2015年）

图8 华北平原夏玉米单位面积统计产量、光温潜在产量和产量差的年际变化（1961−2015年）

3 结论与讨论

1961−2015年华北平原夏玉米生长季热量资源呈显著增加的趋势，近55a来，玉米生长季≥10℃活动积温增加75.4℃·d，且2000年以后热量资源增加更显著。马洁华等[25]指出，气候变暖使华北平原热量资源更加丰富，≥10℃积温呈北移东扩的变化特征，与本文研究结果一致，冀翠华等[26]也有类似的研究结果。热量资源是华北地区，特别是华北北部，小麦-玉米周年耕作制度的重要限制因素，热量资源增加对提高华北粮食产量具有积极的作用。积温的增加使研究区域作物生长季延长，进而导致研究区域冬小麦复种中晚熟玉米的面积增加，相同栽培条件下，可增加周年粮食产量。王娜等[27]研究表明，“两晚”技术（冬小麦适当晚播，夏玉米适当晚收）使华北平原小麦-玉米轮作体系产量增加，对华北平原粮食增产具有重要的促进作用，而热量资源的增加为“两晚”技术提供了气候保障。一方面，热量资源增加延长了夏玉米生长季，玉米晚收或者使用生育期更长的品种会获得更多的热量资源，以提高产量。刘月娥等[28]研究也表明，适时晚收会提高玉米对光温资源利用效率，玉米产量和千粒重显著增加。另一方面，热量资源增加同时保证了小麦晚播能够获得足够的冬前积温。田展等[29]研究表明，近20a来，黄淮地区小麦的最佳生育期普遍延长了10d以上，因此，由于气候变化带来热量资源的增加，可以种植生育期更长的晚熟品种达到更高的小麦单产潜力。

就辐射资源而言，华北地区夏玉米生长季内太阳总辐射年际和不同时段间均呈显著减少的趋势。近55a来研究区夏玉米生长季内太阳总辐射平均减少了441.1MJ×m−2，与1961−1980年相比，近15a太阳总辐射减少了16.2%。辐射资源的减少对夏玉米生产必然产生消极的影响，综合热量和辐射资源进一步研究发现，光温潜在产量呈显著下降的趋势，证明华北平原辐射资源减少对光温生产潜力的负作用大于热量资源增加带来的正作用。黄川荣等[30]研究表明，近44a来黄淮海平原光温生产潜力呈现明显的波动下降趋势，不稳定性突出，光温生产力变化率正值区域分布于平原的东部和西部，其余地区夏玉米光温生产力均呈下降趋势。钟新科等[31]研究也有类似的结果。值得一提的是，华北平原实际夏玉米产量与光温潜在产量变化趋势不同，1961−2015年华北平原夏玉米单位面积产量显著提高，这与品种改良、灌溉、肥料等农艺措施和技术手段的改良密不可分，但是总体生产水平仍然较低。光温潜在产量理论上决定了水分条件满足时，实际单产所能达到的最高值，近年来学者在不断研究如何缩减与气候生产潜力的产量差，目前华北夏玉米高产记录达到1335.8kg·667m−2（2014年，山东莱州）[32]，本研究表明，气候变化背景下光温潜在产量在不断下降，未来在技术足够进步的情况下，这可能是影响作物单产的一个瓶颈。

当然，实际生产中气候变化对华北地区夏玉米产量的影响存在更多的复杂性。比如，热量资源的增加可能使作物的生长季延长，固然会对产量带来正面影响，但是中晚熟品种替代中早熟品种后可能增加作物生育后期的冷害风险[4]，同时会使寒害等低温灾害的发生频率以及病虫害的危害范围发生相应变化[33-34]。华北平原是中国水资源紧缺的地区之一，且该地区玉米生长季内降水变率大，不同时间尺度干旱频发，水分是限制华北平原夏玉米生产的主要因素之一。同时华北地区生产中盲目大量施用化肥现象普遍，肥料利用率低。因此，未来研究还需将光、温、水等气候要素以及农艺措施、病虫害和社会经济因素进行更深入的综合分析，为华北地区夏玉米生产布局和调整提供科学依据，以适应气候变化的影响。

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Spatiotemporal Variation of Heat and Solar Resources and Its Impact on Summer Maize in the North China Plain over the Period 1961−2015

YANG Peng-yu1,2, HU Qi1,2, MA Xue-qing1,2, HU Li-ting1,2, REN Fei-yang1,2, YAN Meng-ling1,2, HUANG Bin-xiang1,2, PAN Xue-biao1,2, HE Qi-jin1,2

（1．College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2．Scientific and Observing Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hohhot 011700）

Based on the 1961-2015 ground surface data from 55 meteorological stations in the summer maize plating area of the North China Plain, spatiotemporal distribution and variation of heat and solar resources in annual scale and in different periods were analyzed. In this study, active accumulated temperature over 10℃(DT10) and solar radiation were used as the indices of heat resources and solar resources, respectively, and the impact of the changes in heat resources and solar resources on maize potential yield was also calculated. In the past 55 years, DT10 in the maize growing season has significantly increased by 75.4℃·d, and all the contour lines of accumulated temperature have obviously shifted toward north. As for the solar radiation in maize growing season, a significant decreasing trend was found for each station. In the last 15 years, the DT10 increased by 8% while solar radiation reduced by 16.2% compared to that in 1961−1980. Overall, climate change increased heat resources and reduced solar resources in the North China Plain, which had positive and negative effects on the maize production in the North China Plain. In recent 55 years, photosynthesis-temperature potential productivity of maize showed significant decreasing trend with trend value −28.3kg·667m−2·10y−1(P<0.05). The area of high photosynthesis-temperature potential yield has also decreased in different period, indicating that the negative effect of the reducing radiation resources on photosynthesis-temperature potential productivity was greater than the positive one due to the increase in heat resources. There is still a lot promoting room for maize productivity in the study area, for the maize yield per unit area only reaches 27.5% of the photosynthesis-temperature potential yield. Further research is needed by comprehensively considering the influence of other climatic factors like precipitation, as well as social factors like agronomic measures.

North China Plain; Heat resources; Solar radiation; Summer maize; Growing season

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.07.001

杨鹏宇,胡琦,马雪晴,等.1961−2015年华北平原夏玉米生长季光热资源变化及其影响[J].中国农业气象,2018,39(7):431-441

2017-11-21

。E-mail:s10020292@cau.edu.cn

国家重点研发计划项目(2017YFD0300304；2016YFD0300106；2016YFD0300105)；国家自然科学基金项目（41271053）

杨鹏宇（1994-），硕士生，研究方向为气候变化、农业资源利用。E-mail: yangpy0421@163.com