河北南部平原春甘薯生育期气候因子及其生产潜力的变化

赵玉兵， 孙东磊， 李武龙， 胡亚亚， 韩美坤， 马志民*

(1.河北省邢台市气象局， 河北 邢台 054000； 2.河北省农林科学院 粮油作物研究所/河北省作物遗传育种重点实验室， 河北 石家庄 050035)

以全球变暖为主要特征的气候变化对农业生产的影响较大[1]。许多研究表明，气候变化背景下，我国农业气候资源总体呈热量资源显著增加、辐射资源减少、降水资源变化不显著和地域差异明显等特点[2]。1961-2007年，我国年平均气温增幅最大的区域是东北地区，气候倾向率为0.38℃/10a[3]。1961-2010年河北省年平均气温呈上升趋势，气候倾向率为0.1～0.5℃/10 a，北部升温趋势大于南部[4]。1981-2007年与1961-1980年相比我国全年平均日照时数减少125.7 h[3]。河北省日照呈减少趋势，北、中部减少幅度较大，东北部、南部减少幅度相对较小[4]。就降水而言，1951-2003年，长江中下游地区、东南地区、西部大部分地区、东北北部和内蒙古大部分地区年降水量呈增加趋势，华北、西北东部、东北南部年降水量呈下降趋势[5]。1961-2010年河北省的三大棉区中，冀东棉区棉花生育期降水量下降幅度大，冀南、冀中棉区下降幅度相对较小[6]。

作物气候生产潜力的大小取决于光、温、水及其相互配合协调的程度。许多学者对作物生产潜力的估算开展了大量分析研究，常用且比较成熟的有Thornthwaite Memorial模型、Miami模型和AEZ模型等[7-9]，其中，AEZ法计算结果更贴近实际，计算过程较易完成。在我国生产潜力研究中应用较多[10-11]。气候变化对不同作物气候生产潜力的影响趋势不同。吉林省和黑龙江省随玉米晚熟品种的应用，气候生产潜力不断提高[2]。在未来气候变化趋势下，水分可能是影响气候生产潜力的主要气候要素[12]。

中国是全球最大甘薯种植国，种植面积约6.0×106hm2，约占全球总面积的65%。河北省为全国甘薯主产区，常年种植面积达1.5×105hm2。河北省南部平原春甘薯种植面积较大的区域主要包括沧州、衡水、邢台和邯郸等4个地市，处于河北平原地下水漏斗区，属于暖温带大陆性季风气候，全年平均日照时数2 650-2 969 h，年平均总辐射5 161～5 493 MJ/m2，光合有效辐射2 421～2 721 MJ/m2，年平均气温12.5～13.0℃，年平均降水量471～540 mm。该区域是历史悠久的甘薯传统种植区，20世纪80年代种植面积达高峰，随着甘薯重茬种植，病害发生较重，甘薯种植面积呈下降趋势。近年来，社会广泛关注水资源保护与合理利用，农业生产节水日益受到重视，农业种植结构不断调整，抗旱能力较强，蒸腾系数小的甘薯种植面积又逐渐增大。关于河北省气候变化特征的研究报道多侧重于全省或以单个市(县)行政区域为研究对象，较少关注作物种植区或特定作物生长时段的研究，而气候变化的区域差异性明显，其对不同作物气候生产潜力的影响趋势不同。鲜见气候变化对春甘薯生产潜力的变化研究报道。为此，利用河北省南部平原12个气象站点1958-2017年的气象资料，研究春甘薯全生育期气候因子及气候生产潜力变化特征，以期为河北省南部平原春甘薯生产上合理利用区域气候资源及调整作物种植结构提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料数据

1.1.1 气象观测资料 以河北省南部平原春甘薯种植面积较大且空间分布较均匀的12个县/市(表1)作为研究区域，各县(市)气象资料为所在区域国家气象站观测资料，由河北省气侯中心提供。

表1 河北省南部平原研究区域的气象站点分布

1.1.2 甘薯生长发育监测资料 2010-2015年春甘薯生长发育监测资料，由河北省农林科学院粮油作物所甘薯研究室提供。

1.2 方法

1.2.1 数据处理 对12个站点的气象观测资料进行区域平均，得到代表河北省南部平原的时间变化序列资料；2010-2015年春甘薯生长发育监测资料，以旬为时间单位进行生育时期的划分。

1.2.2 小波分析 采用MATLAB 6.5进行小波分析[13]，采用复值Morlet基小波。

1.2.3 突变检验 采用Mann-Kendall方法[14-16]进行变化趋势突变检验，UF是按时间正序计算出的统计量序列，UB是按时间逆序计算出的统计量序列。若UF为正值，呈上升趋势；UF为负值，呈下降趋势。当显著水平α=0.05，临界线U=1.96时，超过临界线，变化趋势显著，超过临界值的时间序列为突变的时间区域。若UB和UF曲线出现交点，且交点位于临界线之间，交点对应的时间点即是突变开始的时间。利用滑动t检验(MTT)法[14]，对可能的突变点进行信度检验，验证突变点的真伪。

1.2.4 气候生产潜力估算 以联合国粮农组织(FAO)推荐的生态区域法[17-18]计算春甘薯光温生产潜力(Ymp，单位kg/hm2)，光温生产潜力是假定除光温外，一切条件最优下，所获得的最高产量；气候生产潜力采用水分校正系数对光温生产潜力进行修正后获得；作物需水量(ETm)采用农业气候学方法估算[19]。

Ymp=CL×CH×CN×G×[F×(0.8+0.01Ym)Y0+(1-F)(0.5+0.025Ym)×Yc]

f(W)=P/ETm

ETm=K×ET0

式中，CL为叶面积指数对生长量的校正值(根据专家经验不同发育时期叶面积取值：发根缓苗期为1.0，分枝结薯期为3.0，薯蔓同长期为5.0，薯块盛长期为6.0。根据FAO确定的参数[17]，生长量的校正值：发根缓苗期为0.4，分枝结薯期为0.8，薯蔓同长期为1.0，薯块盛长期为1.05。)，CH为作物的经济系数(根据专家经验取值：发根缓苗期为0.2，分枝结薯期为0.5，薯蔓同长期为0.5，薯块盛长期为0.8，全生育期春甘薯的经济系数为0.7。),CN为生育期内平均温度下因呼吸消耗净干物重的订正系数〔CN=0.72/(1+0.25CT×G),CT=0.0108×(0.044+0.0019T+0.001T2)〕，Yc为全晴天的干物质生产量，Y0为根据经纬度和月份查表后根据内插法计算的全阴天干物质生产量，Ym为白天平均温度下的干物质生产速率〔kg/(hm2·d)〕〔根据FAO确定的参数，平均昼温为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃时，干物质生产速率分别为13.6 kg/(hm2·d)、23.8 kg/(hm2·d)、27.2 kg/(hm2·d)、27.2 kg/(hm2·d)、17.0 kg/(hm2·d)和6.8 kg/(hm2·d)〕,F为根据气象资料日照百分率计算获得的云量覆盖率,T为日平均温度(℃)，G为生育期总日数(春播薯取170 d)，f(W)为取值0～1的水分修正系数，P为生育期降水量，K为参考FAO资料的作物系数，ET0为参考不同农业气候地区标准蒸散表[19]通过彭曼公式算出的作物参考蒸散量。

2 结果与分析

2.1 全生育期平均气温的变化特征

1958-2017年，河北省南部平原春甘薯全生育期的平均气温为23.5℃，生育期有效积温平均为3700℃，热量资源丰富。其中，发根缓苗期平均气温为19.0℃；分枝结薯期平均气温为26.1℃，薯蔓同长期平均气温为23.5℃，薯块盛长期平均气温为22.5℃。春甘薯全生育期平均气温呈显著升高趋势，气候倾向率为0.29℃/10a(P<0.05)。各发育时期中，薯块生长期增温幅度最大，为0.34℃/10a(P<0.05)，其他发育时期气温线性变化趋势未通过显著性检验。

从图1看出，春甘薯全生育期平均气温高低交替周期变化规律明显，主要包含18～20 a的年代际变化，具有全域性和稳定性。主要经历3个时段(1965-1973年、1981-1987年和1999-2005年)偏高期与其余时段偏少期的周期交替变换。经年代际振荡周期分析预测，2014-2023年春甘薯全生育期平均气温将处于偏高期。10 年及以下尺度年际变化有9～10 a和5～6 a 2个显著振荡周期。其中，9～10 a振荡周期主要由7个时段偏高期与7个时段偏低期组成；5～6 a振荡周期在20世纪80年代中期至90年代中期振荡较弱。从图2看出，20世纪70年代至80年代后期，春甘薯全生育期平均气温处于下降趋势，1990年后呈持续上升趋势。UF值曲线交点出现在1996年前后，位于置信线±1.96之间，曲线相交后2000年UF超过置信线，甘薯全生育期平均气温仍呈显著上升趋势。当n为3、4、5和6时，全部通过滑动t显著性检验(a=0.05)。表明，春甘薯全生育期平均气温在1996年前后发生突变。总体看，全生育期平均气温变化主要分为4个阶段：第1阶段为缓慢上升阶段(1958-1970年)；第2阶段为波动阶段(1971-1987年)；第3阶段为波动转上升的过渡阶段(1989-1996年)；第4阶段为显著上升阶段(1997-2017年)。

注：≥0为实线，<0为虚线。

Note:≥0 and <0 refer to solid line and dotted line respectively.

图1春甘薯全生育期平均气温小波变换系数的实部等值线

Fig.1 Contour map of the real part of wave transform coefficient of mean temperature during growth period

图2 春甘薯全生育期平均气温变化的M-K检验

Fig.2 Abrupt change test of the mean temperature during the whole growth period with Mann-Kendall method

2.2 全生育期日照时数的变化特征

春甘薯全生育期日照时数平均为1 212 h，日照百分率平均为54%。其中，发根缓苗期日照时数平均为247 h，日照百分率平均为61%；分枝结薯期日照时数平均为339 h，日照百分率平均为57%；薯蔓同长期日照时数平均为270 h，日照百分率平均为46%；薯块盛长期日照时数平均为343 h，日照百分率平均为53%。

从图3可知，春甘薯全生育期日照时数周期变化明显且交替显著。主要有20～25 a和10～15 a 2个年代际振荡周期，具有全域性和稳定性。20～25 a周期主要经历4个时段(1961-1967年、1978-1983年、1988-1994年和2002-2008年)偏多期与其余时段偏少期的周期交替变换；10～15 a振荡周期主要经历8个时段偏多期与其余时段偏少期的周期交替变换。经年代际振荡周期分析预测，2015-2023年春甘薯全生育期日照时数处于相对偏多期。1994-2017年春甘薯全生育时期平均日照时数显著降低趋势，气候倾向率为-42 h/10a(P<0.05)。从图4看出，1998年以前呈上升趋势，1998-2009年呈趋势不明显的上下波动变化，2010-2017年呈下降趋势，UF和UB曲线在2006年出现交点，但曲线始终位于置信线±1.96之间，表明没有突变发生。

图3 春甘薯全生育期日照时数小波变换系数的实部等值线

Fig.3 Contour map of the real part of wavelet transform coefficient of sunshine hours during growth period

图4 春甘薯全生育期日照时数变化的M-K检验

Fig.4 Abrupt change test of the sunshine hour during growth period with Mann-Kendall method

2.3 全生育期降水量的变化特征

1958-2017年，河北省南部平原春甘薯全生育期平均降水量为398 mm，气候倾向率为-7.92 mm/10a，但未通过显著性检验，降水量年际间变化趋势不明显，但年际间变化大，变异系数为25%。其中，发根缓苗期降水量平均为38.2 mm，变异系数为75%；分枝结薯期为67.4 mm，变异系数为63%；薯蔓同长期为184.6 mm，变异系数为52%；薯块盛长期为108.5 mm，变异系数为50%。

从图5看出，降水量的周期变化明显，年代际变化有14～15 a振荡周期，具有全域性和稳定性，主要经历6个时段(1962-1967年、1971-1975年、1981-1986年、1991-1995年、2001-2005年和2010-2014年)偏多期与其余时段偏少期的周期交替变换。经年代际振荡周期分析预测，2015-2020年春甘薯全生育期降水量将处于相对偏少期。10 a及以下尺度有8～10 a和4～5 a 2个年际振荡周期，其振荡强弱不太稳定，周期逐渐融合为5～8 a。从图6可知，1974-1998年降水量呈上升趋势，1999-2017年降水量呈下降趋势，UF和UB曲线在1998年前后出现交点，但曲线始终位于置信线±1.96之间，春甘薯全生育期平均降水量无突变现象发生。

图5 春甘薯全生育期降水量小波变换系数的实部等值线

Fig.5 Contour map of the real part of wavelet transform coefficient of precipitation during growth period

图6 春甘薯全生育期降水变化的M-K检验

Fig.6 Abrupt change test of precipitation during growth period with Mann-Kendall method

2.4 气候生产潜力的变化特征

从表2可知，河北省南部平原春甘薯全生育期光温生产潜力的理论值平均为17 852 kg/hm2，其中发根缓苗期平均为820 kg/hm2，分枝结薯期平均为3 420 kg/hm2，薯蔓同长期平均为5 423 kg/hm2，薯块盛长期平均为8 189 kg/hm2。春甘薯光温生产潜力呈显著下降趋势，气候倾向率在-184 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)。在不同生育时期中，薯块盛长期光温生产潜力气候变化率最大，为-103 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)；气候生产潜力比光温生产的潜力明显下降，水分修正系数平均为0.65；发根缓苗期修正系数最大，为0.75，对光温生产潜力发挥限制小，自然降水基本能够满足春甘薯发根缓苗的需要；甘薯盛长期降水修正系数为0.57左右，自然降水结果少，不同满足春甘薯产量潜力发挥。河北省南部平原春甘薯全生育期气候生产潜力理论值平均为11 322 kg/hm2。其中，发根缓苗期平均为615 kg/hm2，分枝结薯期平均为2 359 kg/hm2，薯蔓同长期平均为3 440 kg/hm2，薯块盛长期平均为4 708 kg/hm2，春甘薯气候生产潜力气候倾向率为-415 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)。

从图7看出，春甘薯气候生产潜力高低周期交替变化明显。主要有18～20 a、10～12 a和5～8 a 3个振荡周期，具有全域性和稳定性。18～20 a振荡周期主要经历4个时段(1962-1969年、1976-1983年、1990-1997年和2003-2010年)偏高期与其余时段偏低期的周期交替变换；10～12 a 振荡周期主要经历了7个时段偏高期与其余时段偏低期的周期交替变换。经年代际振荡周期分析预测，2015-2025年气候生产潜力处于相对偏高期。从图8可知，1998年以前气候生产潜力呈持续上升趋势，1998年以后气候生产潜力呈持续下降趋势，UF和UB曲线在1998年前后出现交点，但曲线始终位于置信线±1.96之间，说明没有突变现象发生。气候生产潜力变化趋势与降水量变化趋势相似，表明气候生产潜力与降水量具有一定的正相关性。

表2 春甘薯各发育期的气象条件及生产潜力

注：发根缓苗期为4月下旬至5月中旬，分枝结薯期为5月下旬至6月下旬，薯蔓同长期为7月上旬至8月上旬，薯块盛长期为8月中旬至9月下旬，全生育期为4月下旬至9月下旬。

Note: The rooting period of seedlings is from late April to mid May, and the branching-tubering stage is from late May to late June. The tubering-vining co-periodis from early July to early August, and the rapidly tubering period is from mid August to late September, the whole growth period is from late April to late September.

图7春甘薯全生育期气候生产潜力小波变换系数的实部等值线

Fig.7 Contour map of the real part of coefficient of climatic potential productivity

图8春甘薯全生育期气候生产潜力变化的M-K检验

Fig.8 Abrupt change test of climatic potential productivity with Mann-Kendall method

3 结论与讨论

研究得出的河北南部平原春甘薯全生育期平均气温、日照时数和降水量变化趋势、突变特征和振荡周期规律与郭志梅等[21-23]对河北省及其周边的河南和山西省年平气温、日照时数及降水量变化研究结论相近，但也存在一定差异。河北南部平原春甘薯全生育期平均气温较其他区域年平均气温气候倾向率略大，突变发生时间比王常山等[24-25]的研究结论晚，王常山等[24]认为，突变发生在20世纪80年代末期至90年代初，气温振荡周期与其基本一致，存在5 a左右和15 a左右的周期。全生育期日照时数较其他区域年日照时数变化趋势基本一致，均呈显著下降趋势，不同区域减少幅度不同，赵玉兵等[20,26-27]认为，在1972年和2001年存在突变发生。就降水量而言，与雷江群等[28]的研究结论基本一致。河北南部平原春甘薯全生育期变化特征与周边地区年平均气候要素变化结论存在一定程度差异，可能与春甘薯生育期时段没有经历全年，特别是冬季，气候变化背景下冬季气象因子变化最为明显，也可能与受河北省南部平原独特的地理和地形条件影响，存在一定程度的区域差异性有关。同时，研究方法、资料时间的长短和年份不同等也将对结果产生一定程度的影响。

气候变化对不同地区、不同作物气候生产潜力的影响趋势不同，光、热、水资源的不匹配是对生产潜力限制的主要因素[2]。辽宁地区由于温度上升超出玉米生长发育的适宜温度，2010年开始气候生产潜力明显下降[3]。宁夏春玉米温度生产潜力呈逐年增加、降水和气候生产潜力呈波动式下降趋势[3]。研究结果表明，河北省南部平原春甘薯光温生产潜力和气候生产潜力下降。甘薯生育期的平均气温的升高，虽仍处于块根形成与膨大所需的20～30℃适宜温度，但降水变化不明显和日照时数减少的变化趋势，将加大土壤水分的蒸发量，茎叶易发生徒长，根形成层活动弱，块根发育延迟，向块根运输的同化产物减少，不利于膨大[29]。与该研究气候生产潜力下降的结论研究相吻合。气候生产潜力比光温生产潜力明显降低，特别是甘薯盛长期水分修正系数较小，依靠降水不能满足其生产潜力的发挥。此外，该研究中作物生产潜力估算模型是由气候因子函数逐级订正而来，具有参数易获取，描述性强等特点，但忽视了甘薯本身生理生态机理，采用不同参数对模拟估算结果差异较大，有待进一步结合研究区域特征，采用田间试验、遥感等信息对数据进行修正，以提高估算结果的准确性[30-32]。

总体看，气候变化背景下，河北省南部平原春甘薯生育期平均气温升高、日照时数减少，光温生产潜力和气候生产潜力降低，光温水的变化趋势对春甘薯生产潜力的发挥呈负面效应，甘薯栽培种植和育种等应重视气候的变化趋势、波动性及周期性，达到趋利避害，实现稳产增产的目的。