气候变化背景下华北平原冬小麦冬前生育期与节气对应及偏移分析*

张 悦，胡 琦**，和骅芸，潘学标，马雪晴，黄彬香，王 靖



气候变化背景下华北平原冬小麦冬前生育期与节气对应及偏移分析*

张 悦1,2，胡 琦1,2**，和骅芸1,2，潘学标1,2，马雪晴1,2，黄彬香1,2，王 靖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）

利用华北平原冬小麦种植区55个气象站点1961−2017年逐日地面观测资料，借助寿星公式，以气候倾向率的方法，选取冬小麦越冬期所需积温为指标，分析了冬小麦越冬期、播种期所在的节气时空分布和变化特征，并对冬小麦相关农事活动与节气的对应及偏移进行探讨。结果表明，近57a华北地区冬小麦越冬期推迟约3.7d，推迟趋势显著（P<0.05）。华北平原冬小麦播种期所在的节气由北向南逐渐推迟，与P1时段（1961−1990年）相比，P2时段（1991−2017年）冬小麦播种期界限显著北移。气候变化背景下华北平原冬小麦农事活动与二十四节气出现了一定的偏差，部分地区以前指导农事活动的谚语已不再完全适用，如山东省中部地区冬小麦最适播种期终止日由秋分节气的第3候推迟至寒露节气的第1候；河南省北部部分地区最晚播种期由寒露节气的第3候推迟至霜降节气的第1候。通过研究二十四节气与冬小麦播种期的对应关系来调整农事活动，未来还需考虑冬小麦生育期内对应节气的光、水等自然因素和农艺措施等人为因素的影响，科学指导农业生产以适应气候变化。

华北平原；冬小麦；节气；冬前生育期

二十四节气源自黄河流域，是中国古代劳动人民在长期的探索中总结出来的重要规律。二十四节气结合了不同时期光温水资源的大致特征，为农业生产准确把握天时提供了时间尺度，同时能够预估短期内的气候状况，对各时期农事活动具有重要的借鉴意义[1−3]。中国各地区长期以来积累了许多适合当地生产的农候谚语，这些围绕二十四节气形成的农候经验知识易于掌握和传播，至今仍在农业生产中发挥着重要作用[4−5]。

气候变化背景下，中国增温趋势显著，唐国利等[6]研究表明，自1905年以来中国地表年平均气温增加速率约为0.08℃·10a−1，高于同期全球或北半球平均水平。1961−2009年华北地区四季气温日较差均呈现下降趋势，其中冬季下降趋势最明显，春季次之[7]。华北地区是中国冬小麦主产区之一，冬小麦生育期及相关农事活动无疑会受到气候变暖的影响，原先的节气与农事活动的对应关系可能已经不再准确。钱诚等[8]研究表明，季节性升温阶段的气候节气显著提前6d以上，而季节性降温阶段的气候节气则显著推迟5～6d，处于冬小麦生育期内的惊蛰、清明、小满和芒种这四个节气均存在明显提前的趋势。赵芮芮等[9]研究同样表明，华北平原二十四节气中春季型节气增温最为显著，惊蛰和清明增温速率大于小满和芒种，且季节型节气在20世纪90年代之后增温趋势更明显。

目前已有学者探究了华北地区各节气热量资源变化、干湿气候变化，以及冬小麦生育期变化等问题[10−14]，但针对气候变化背景下二十四节气与冬小麦农事活动变化的相关研究，特别是关于二者之间的对应及偏移的分析较为罕见。本研究基于冬小麦生育期内各节气的平均温度及越冬前所需积温，计算了1961−2017年华北地区冬小麦冬前生育期与节气之间的对应关系，探讨气候变化对不同节气内冬小麦农事活动偏移的影响，旨在指导华北平原冬小麦不同种植区的科学播种。

1 资料与方法

1.1 数据来源及预处理

选择华北平原冬小麦种植区具有1961−2017年完整时间序列的逐日气象资料的台站，共计55个，分布于北京、天津、河北、河南和山东等5省市，如图1所示，根据赵广才对于中国小麦种植区划的研究[15]，以沿长城与其北的春麦区为北界，将华北平原冬麦区分为北部冬性麦区（Ⅰ区）及弱冬性和弱春性麦区（Ⅱ区）。Ⅰ区属于北部冬麦区，包括河北省境内长城以南的廊坊、保定、沧州、唐山、秦皇岛市全部以及京津两市全部；Ⅱ区大部分属于黄淮冬麦区，包括山东省和河南省全部以及河北省中、南部（石家庄、衡水市以南）。

图1 华北平原冬小麦种植区55个气象站点分布

气象数据下载自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料日值数据集（V3.0），该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。

1.2 研究方法及数据处理

1.2.1 二十四节气日期及节气内气温计算

为方便编程计算，首先采用寿星公式确定每年小寒日期（Date），其后节气日期顺次增加15d，即

Date = Y×D+C−[L] （1）

式中，Y为年份的后2位，无量纲常数；D为常数0.2422；L为20世纪初迄今的闰年数，普通年能被4整除且不能被100整除的为闰年；[]为取整符号；C为常数，20世纪为6.11，21世纪为5.4055。

1.2.2 气候倾向率计算

用X表示样本量为n的某一气候要素，用t表示对应的年序，采用最小二乘法拟合得到一元线性回归方程，即

X = at + b (t = 1, 2, 3, …, n) （2）

式中，a为回归系数，以a的10倍作为要素的气候倾向率，a值为正代表要素随年序增加，为负代表要素随年序减少。采用F检验法对拟合的回归方程进行显著性检验（P<0.05）。

1.2.3 冬小麦冬前生育期理论推算

将最低气温稳定低于0℃作为冬小麦植株地上部分基本停止生长进入越冬期的标志，结合55a来各个站点的气温观测值，用5日滑动平均法计算华北地区冬小麦越冬期初日及其所在的节气。

冬小麦越冬期前所需积温为400～700℃·d，一般认为，Ⅰ区冬小麦形成高产壮苗所需冬前≥0℃积温应高于570℃·d[16−17]，其中最适积温为550～600℃·d；而Ⅱ区冬小麦冬前≥0℃最适积温为500～550℃·d[18−21]。根据该指标，由越冬期初日开始向前推算大于0℃的积温，直至越冬前的积温达到所需积温和最适积温的区间，由此得到冬小麦最早播种期、最晚播种期、最适播种期初日和最适播种期终日及其所在节气。

1.2.4 数据处理

分别计算研究区各站逐年冬小麦生长季内各节气的平均气温（15日平均）、≥0℃活动积温和冬小麦越冬期初日，并推算冬小麦播种期，统计分析1961−2017年冬小麦播种期与各节气（包括第1、2、3候）对应及偏移情况。同时为比较其时段变化特征，将1961−2017年划分为2个时段，时段1（P1）：1961−1990年；时段2（P2）：1991−2017年。

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°。

2 结果与分析

2.1 华北平原冬小麦生长季内节气平均气温和冬小麦越冬前积温分析

由图2可见，华北平原冬小麦生长季内可能包含的节气共20个，分别为白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒、立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种和夏至。平均气温随节气变化呈现单谷型的特点，大部分站点从雨水节气开始高于2℃，从大雪节气开始低于0℃。华北平原冬小麦在14～18℃时播种较适宜，其中北京地区冬小麦适宜播种的温度指标为17～18℃[18]，由图可知冬小麦最适播种期大致对应秋分和寒露两个节气。

图2 1961−2017年华北平原冬小麦生长季各节气内平均气温（55站平均）

注：箱体上下边缘表示上四分位数和下四分位数，中间横线表示中位数，上下短横线表示最大值和最小值，ｏ表示离群值点。下同。

Note: The upper and lower edges of the box represent the upper quartile and the lower quartile, the middle horizontal line represents the median, the upper and lower short horizontal line represents the maximum and minimum, and the o represents the outlier points. WD is white dews; AE is autumn equinox; CD is cold dews; HF is hoar-frost falls; WB is winter begins; LS is light snow; HS is heavy snow; WS is winter solstice; SC is slight cold; GC is great cold; SPB is spring begins; R is the rains; IA is insects awaken; VE is vernal equinox; CB is clear and bright; GR is grain rain; SUB is summer begins; GB is grain buds; GE is grain in ear; SS is summer solstice. The same as below.

计算研究区域内55个站点1961−2017年各节气至冬小麦越冬期初日≥0℃积温，并对每个站点求多年平均，绘制箱式图，如图3所示。华北平原霜降日、寒露日、秋分日和白露日至越冬期初日≥0℃积温分别为330～520、570～790、830～1070和1140～1420℃·d。根据冬小麦播种期理论推算方法，越冬前所需积温为400～700℃·d，对应的最早播种期和最晚播种期分别平均在寒露节气和霜降节气。

图3 1961−2017年华北平原冬小麦越冬前各节气当日−冬小麦越冬期初日均温≥0℃积温（55站平均）

2.2 华北平原冬小麦越冬期初日与节气的对应与偏移

2.2.1 冬小麦越冬期初日变化趋势及气候倾向率

计算研究区域内55个站点1961−2017年冬小麦逐年越冬期初日，并将平均后的日序与节气对应，如图4a所示。由图可以看出，1961−2017年华北平原冬小麦平均越冬期初日推迟了约3.7d，变化率为0.65d·10a−1，并通过显著性检验（P<0.05），主要在小雪节气内并上下波动。

计算研究区域内各站点越冬期初日的气候倾向率并进行显著性检验。由图4b可见，华北平原大部分站点近57a冬小麦越冬期初日呈显著推迟的趋势（P<0.05），山东北部一些地区甚至推迟约8.8d。

图4 1961−2017年华北平原冬小麦越冬初日逐年变化及对应节气（a）和气候倾向率的空间分布（b）

注：NS表示变化趋势不显著（P＞0.05）。

Note: NS showed no significant change trend (P＞0.05).

2.2.2 冬小麦越冬期初日与节气的偏移

计算55个站点两个时段冬小麦越冬期初日并与所在的节气和候对应，其空间分布如图5所示。由图5a可见，38°N以北的河北省中北部、北京和天津大部分地区冬小麦越冬期初日在立冬节气；河北省南部、山东省大部分地区和河南省北部地区冬小麦越冬期初日处于小雪节气；河南省中部、河南省南部和山东省东南部沿海地区冬小麦越冬期初日处于大雪节气。

两时段中越冬期初日由北至南分别都处于立冬、小雪和大雪3个节气，但与P1时段相比，P2时段各节气每一候之间的界限都发生了明显的北移（图5b）。山东省南部地区越冬期初日由小雪节气的二候推迟至三候；河北省中部及天津南部的部分地区由立冬节气的三候推迟至小雪节气的一候。

图5 P1时段（a）和P2时段（b）冬小麦越冬期初日所处节气的空间分布

注：每一节气的一、二、三候分别指该节气当日至第5天、第6−10天和第10天−下一节气前一天。

Note: The first, second, third pentad of each solar term refer to the day from the first day to the fifth day, the sixth day to the tenth day and the tenth day to the day before the next solar term, respectively.

2.3 华北平原冬小麦播种期与节气的对应和偏移

2.3.1 冬小麦播种期年际变化趋势

根据各站点的越冬期初日及Ⅰ区、Ⅱ区冬小麦各自所需的≥0℃积温的上下限及适宜范围，对各站点进行平均，计算得到55个站点1961−2017年最早播种期、最晚播种期、最适播种期初始日和最适播种期终止日的逐年变化，并与所在节气进行对应，如图6所示。从图可看出，1961−2017年华北平原冬小麦平均最早播种期、平均最晚播种期、平均最适播种期初始日和平均最适播种期终止日总体均呈现推迟趋势，分别推迟了约4.5d、3.5d、3.9d和3.9d，且均通过显著性检验（P<0.05）。最早播种期和最晚播种期分别主要在秋分节气和寒露节气内并上下波动，最适播种期初始日和终止日则在秋分节气和寒露节气之间波动。

图6 1961−2017年华北平原冬小麦播种期初终日逐年变化及对应节气（55站平均）

2.3.2 冬小麦播种期气候倾向率的空间分布

计算研究区域内各站点播种期初终日的气候倾向率并进行显著性检验，其空间分布如图7所示。由图可见，华北平原大部分站点近57a冬小麦播种期初终日都呈显著推迟趋势（P<0.05）。最早播种期的推迟最为广泛，山东省北部一些地区甚至推迟了约8.8d；最适播种期初始日推迟最多的地区也是山东省北部，约8.6d；而最晚播种期和最适播种期终止日推迟最多的地区均出现在河南省西部，分别推迟约8.6d和8.3d。对于最早播种期、最晚播种期和最适播种期初始日、终止日，将所有呈显著推迟趋势的站点进行平均，得到其气候倾向率平均值分别为1.06、1.02、1.06、1.04d·10a−1。

图7 华北平原1961−2017年冬小麦播种期初终日气候倾向率的空间分布

2.3.3 冬小麦播种期与节气的偏移

根据各站点的越冬期初日及Ⅰ区、Ⅱ区冬小麦各自所需的≥0℃积温的上下限及适宜范围，分别在P1时段（1961−1990年）和P2时段（1991−2017年）内计算每个站点该时段内的平均最早播种期、最晚播种期、最适播种期初始日和终止日，并与当年所在的节气和节气内的候对应，进行空间插值，结果见图8。

由图8a2、图8b2可见，近27a来，华北平原冬小麦最早播种期由北至南分别与二十四节气中的白露、秋分、寒露3个节气对应，最晚播种期由北至南分别与秋分、寒露、霜降3个节气对应，均表现为由北向南推迟的特点，南部与北部相差约两个节气（约30d），大部分站点最早与最晚播种期之间相差3～4候（15～20d）。冬小麦最早播种期在38°N以北的河北省中北部、北京和天津大部分地区处于白露节气；河北省南部、山东省全境和河南省北部地区处于秋分节气；河南省南部地区则处于寒露节气。

（a）最早播种期Earliest sowing date；（b）最晚播种期Latest sowing date；（c）最适播种期初始日Initial day of optimal sowing date；（d）最适播种期终止日Termination day of optimal sowing date

由图8c2、图8d2可见，近27a来，华北平原冬小麦最适播种期初始日由北至南分别与二十四节气中的白露、秋分、寒露3个节气对应，最适播种期终止日由北至南分别与秋分、寒露两个节气对应，均表现为由北向南推迟的特点，大部分站点最适播种期初始日、终止日之间相差3～4d。河北省南部和天津大部分地区的最适播种期处于秋分节气中，河南省全境和山东省南部地区的最适播种期处于寒露节气中。

由图8a1、图8a2和图8b1、图8b2可知，P2时段与P1时段相比，研究区内最早播种期和最晚播种期所在各节气每一候之间的界限都发生了明显的北移。山东省中北部地区最早播种期由秋分节气的第1候推迟至秋分节气的第2候；河南省中北部部分地区最晚播种期由寒露节气的第3候推迟至霜降节气的第1候。

由图8c1、图8c2和图8d1、图8d2可知，P2时段与P1时段相比，研究区内最适播种期初始日、终止日所在各节气每一候之间的界限都发生了明显的北移。山东省中部地区最适播种期初始日由秋分节气的第3候推迟至寒露节气的第1候；南部地区最适播种期终止日由寒露节气第1候推迟至第2候。以往的谚语“白露前后耕大茬，秋分种麦最为佳”表明山东地区最适宜在秋分节气播种冬小麦，显然这个规律已经发生变化，山东地区最适播种期应为寒露节气的第1候左右。

3 讨论与结论

3.1 讨论

气候变化背景下，全球地表气温呈波动上升趋势[22]，中国气温增暖尤其明显，近几十年增温速率明显高于全球或北半球同期，增暖趋势更显著[23−25]。气候增暖使得二十四节气内热量资源发生了显著变化，1961−2017年华北平原所有节气内气温均呈现上升趋势[10]，各节气内的农业生产和农事活动等都将受到一定的影响[26]。本研究以二十四节气为切入点，选取冬小麦生育期≥0℃活动积温为指标，对气候变化背景下1961−2017年华北平原冬小麦冬前生育期与节气的对应及偏移进行分析。

气候增暖对华北地区冬小麦生育期产生了一定影响，与P1时段（1961−1990年）相比，P2时段（1991−2017年）研究区内冬小麦越冬期有推迟的趋势，其所在节气的空间分布界限有一定程度北移。王培娟等[14]研究也有类似的结果。

受越冬期推迟的影响，研究区域内冬小麦最早、最晚播种期及最适播种期的初始日、终止日所在节气的空间分布界限也都发生北移，呈显著推迟趋势（P<0.05）。本研究发现近57a来华北平原冬小麦最晚播种期、最适播种期初始日、终止日分别平均推迟3.5d、3.9d和3.9d，前人研究指出1981−2007年鲁西南冬小麦的适宜播种期较1954−1981年推迟7d左右[27]，鲁西北冬小麦适宜播种的最佳时段比传统的播种时间明显后推[28]，吴云龙等[29]在河北地区也有类似的研究结果。气候变化背景下，秋末冬初和冬季气温偏高趋势非常明显，冬小麦冬前旺长年份增多，使小麦有可能在冬前完成春化阶段而开始幼穗分化甚至拔节，这非常不利于小麦的安全过冬[30]。适期晚播能够显著提高苗后积温利用率，推迟播期有利于节约光热资源，为上茬秋作物腾出较多积温，让其在田间充分灌浆和成熟[31−32]。

冬小麦播种期的推迟使节气内对应的农事活动发生了改变，研究表明，以往河南省谚语“秋分早，霜降迟，寒露种麦正当时”仍然适用，但河南省的不同地区最适播种期在寒露节气内所在的候会有偏差；P2时段北京南部地区的最晚播种期较P1时段已经由秋分节气的三候推迟至寒露节气的一候，但北京北部地区最适播种期终止日仍处于秋分节气的一候，因此以往的谚语“白露早，寒露迟，秋分种麦正当时”也应根据不同地点进行调整。王贺然等[21]研究表明，从北京地区播种的温度条件来看，秋分及更早时段将不利于种子的萌发，原有冬性品种的种植时间可以推迟到寒露时期。

3.2 结论

在气候变化背景下华北平原二十四节气与农事活动出现了一定的偏差，单就冬小麦冬前的生育期来说，播种期和越冬期已经出现了推迟的变化趋势，其所在节气的空间分布界限都有一定程度北移。因此过去节气对农事活动的指导已经不够准确，需要进行相应的调整。本研究结果是对站点进行了多年平均得到的，典型年份可能会有较大差异。此外，目前冬小麦的许多新品种对冬前积温的要求也有明显变化，本研究仅从温度单方面分析了冬小麦冬前生育期的变化，并没有将光照、降水等多种气候要素以及冬小麦新品种的影响考虑进去，所以结果仅能提供参考，未来研究还需要综合考虑多方面的因素，为农作物增产增收提供科学依据。

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Correspondence and Shifting Analysis for the Winter Wheat Growing Period before Winter and Solar Terms in the North China Plain under Climate Change Background

ZHANG Yue1,2, HU Qi1,2, HE Hua-yun1,2, PAN Xue-biao1,2, MA Xue-qing1,2, HUANG Bin-xiang1,2, WANG Jing1,2

(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 1961−2017 surface data from 55 meteorological stations in the winter wheat planting area of North China Plain, the accumulated temperature required for winter wheat wintering period was selected as the index to analyze the spatial and temporal distribution and variation characteristics of the solar terms of wintering period and sowing period. This study have used the longevity formula and the method of climatic tendency rate. The correspondence and deviation between winter wheat related agricultural activities and solar terms were also discussed. The wintering period of winter wheat in North China showed a trend of significant delay (P<0.05) in recent 57 years. It was delayed by about 3.7 days. The solar term of the sowing time for winter wheat in North China Plain is gradually postponed from north to south. Compared with P1 period (1961−1990), the boundary of sowing period of winter wheat in P2 period (1991−2017) moved northward significantly. Under the background of climate change, there is a certain deviation between winter wheat farming activities and 24 solar terms in North China Plain. The proverbs used to guide farming activities in some areas are no longer fully applicable. For example, the termination day of optimal sowing date of winter wheat in central Shandong Province was postponed from the third pentad of the Autumn Equinox to the first pentad of the Cold Dews. The latest sowing date of winter wheat in northern Henan Province was postponed from the third pentad of the Cold Dews to the first pentad of Hoar-frost Falls.In this paper, agricultural activities were adjusted by studying the corresponding relationship between 24 solar terms and sowing date of winter wheat. In the future, we need to consider the effects of natural factors such as light, water and agronomic measures during the growth period of winter wheat, and scientifically guide agricultural production to adapt to climate change.

North China Plain; Winter wheat; Solar terms; Growing period before winter

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.07.001

2018−11−26**

。E-mail：huq@cau.edu.cn

国家重点研发计划项目（2017YFD0300404；2017YFD0300304）；国家自然科学基金项目（41271053）

张悦（1997−），女，本科生，研究方向为气候变化、农业减灾。E-mail：z220yuE@163.com

张悦,胡琦,和骅芸,等.气候变化背景下华北平原冬小麦冬前生育期与节气对应及偏移分析[J].中国农业气象,2019,40(7):411-421