南北过渡带浅层地温变化及其对冬小麦产量的影响

闫军辉 刘金科 王娟

关键词：浅层地温;冬小麦;实际产量;气候产量;气候变化;贡献率;南北过渡带地区;信阳市

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告指出，1880年以来全球地表平均温度升高了0.65～1.06 ℃[1]。气候变化导致光、热、水等气候资源分布格局重新调整，从而影响农业种植制度、品种布局和作物的生长发育，进而影响我国的粮食产量，对我国的粮食安全问题提出了新的挑战[2]。有学者基于省级面板数据研究了气候变化对我国粮食产量的影响，发现降水和气温对粮食产量的影响具有显著的非线性关系[3]，黄淮海平原也呈类似的规律[4];有学者基于1981—2010年我国物候观测记录，量化了小麦10个关键物候期的时空变化，发现小麦播种期、出苗期、3叶期和乳熟期推迟，而分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期则呈提前趋势[5]。区域尺度上，黄淮海地区冬小麦播种期推迟，生育期缩短[6]，与全国小麦物候期变化趋势基本一致。也有学者研究了气候变化对小麦生产的影响，指出当考虑CO2肥效作用时，全国及黄淮海地区雨养小麦和灌溉小麦单位面积产量潜力均增加，雨养小麦增产幅度较高[7-8]。地温是地面和不同深度土层温度的统称[9]，影响植物的生长、种子的萌发和农作物的产量。已有研究表明，中原地区冬春季0～20 cm平均地温与冬小麦理论产量呈显著正相关关系[10]，石家庄冬季5、10 cm地温与冬小麦气候单位面积产量呈现显著的正相关[11]。虽然前人已对气候变化对粮食产量的影响进行了一些研究，但这些研究多分析气温、降水对粮食产量的影响，有关地温对粮食产量影响的研究相对较少。河南省信阳市地处我国北亚热带和暖温带的过渡地带，对气候变化的响应较为敏感。尽管研究表明，随着信阳市温度逐渐上升[12]，冬小麦出苗期提前，拔节期延迟[13]，但有关定量分析信阳市浅层地温对冬小麦产量影响的研究相对较少。因此，本研究利用1961—2017年河南省信阳市逐月0～20 cm浅层地温和1992—2016年冬小麦产量资料，分析57年来信阳市浅层地温的变化特征，定量评估不同地层温度对冬小麦产量的贡献率，以期为信阳市及周边地区合理利用地温资源、调整农业结构和种植制度等提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 資料来源

本研究所用资料为1961—2017年河南省信阳市逐月0、5、10、20 cm地温和1992—2016年冬小麦产量。其中，浅层地温数据来自于信阳市气象局，冬小麦产量数据源于《河南省统计年鉴》[14]。这些数据均经过严格的质量控制，数据质量较好。经检查发现，浅层地温数据存在13个月的缺失，缺失数据主要集中在1980年之前，具体为1964年2月、1969年2月、1979年2月和1969年3月5～20 cm地温以及1974年2月20 cm地温，缺失资料仅占总月数0.48%，资料的完整性和连续性相对较好。

1.2 研究方法

1.2.1 缺失数据插补 数据的缺失会在一定程度上影响浅层地温分析的精度，为获取信阳市过去57年连续的浅层地温序列，本研究采用回归订正法对信阳市缺失的地温数据进行逐月插补。具体做法如下：首先计算数据缺失地层与同月数据完整地层之间的相关关系，选取与数据缺失地层温度相关性最高的地层，建立二者平行观测时期的回归方程，进而对缺失的数据进行插补[15-16]。统计分析表明，13个资料缺失月份与参考地层月均温度的相关系数均在0.9以上，回归方程全部通过0.001显著性检验。s为估计值的标准差，在 0.360～0.657之间，误差相对较小（表1）。

1.2.2 数据分析方法 粮食实际产量由趋势产量、气候产量和随机产量3个部分组成。趋势产量和气候产量分别为技术水平和气象因素对粮食产量影响的分量，随机产量由随机因素产生，由于很小可忽略不计[17]。为消除随机因素对粮食产量的影响，本研究采用线性回归法对粮食实际产量进行去趋势处理。具体做法如下：对1992—2016年信阳市冬小麦实际产量作线性趋势得到趋势产量，将其从实际产量中剥离， 得到冬小麦气候产量。通过调查访谈得知，信阳冬小麦一般在9月下旬至10月上旬播种，次年5月收获，因此本研究将10月至次年5月定义为冬小麦生育期。

本研究采用一元线性回归法分析信阳市浅层地温和冬小麦实际产量的变化速率，利用SPSS 22.0软件计算其95%置信区间，并对变化速率进行显著性检验;采用偏相关法分析冬小麦生育期间浅层地温与气候产量的关系;采用多元线性回归方法估算各浅层地温对冬小麦气候产量的相对贡献率。具体做法如下：首先对浅层地温和冬小麦气候产量数据进行标准化，然后以标准化后的冬小麦气候产量为因变量，以标准化后的各层地温为自变量，建立它们之间的多元线性回归方程，最后按照下式计算各层地温对冬小麦气候产量的贡献率[18]：

2 结果与分析

2.1 浅层地温变化特征

由表2可知，1961—2017年信阳市0～20 cm地温的多年平均值随地层深度增加呈先降低后升高的趋势。0 cm地温多年平均值最高，为17.53 ℃;20、10 cm地温次之，分别为17.23、17.18 ℃;5 cm地温最低，为17.08 ℃。0～20 cm各层年平均地温的最小值均出现于1969年;与最小值不同，5、10、20 cm 年平均地温的最大值均出现于2017年，其值分别为18.54、18.71、19.09 ℃，而0 cm出现在2013年，为19.58 ℃。由各层年平均地温的标准差可知，0 cm年均地温标准差最大，其他3个地层相对较小，表明0 cm地温波动剧烈，5～20 cm地温波动相对平缓。

由图1可知，1961—2017年信阳市各层年均地温均呈显著升高趋势，其中，0 cm地层升温幅度最大，变暖速率为（0.396±0.09） ℃/10年（95%置信区间，下同），过去57年共升温（2.28±0.51） ℃;20、5 cm地温次之，气候倾向率分别为（0.326±0.08）、（0.302±0.08） ℃/10年，10 cm地层的升温幅度最小，一元线性拟合显示，该层地温以（0.295±0.08） ℃/10年的速率显著增暖，过去57年共升温（1.68±0.46） ℃。F值检验显示，0～20 cm 年均地温变化速率均通过0.001显著性水平检验。

由表3可知，信阳市冬小麦生育期间（10月至次年5月）浅层地温的变化趋势与年均地温类似，只是速率有别。冬小麦生育期0 cm平均地温的变化速率最大，为（0.530±0.10） ℃/10年;20、5 cm地温的变化速率次之;10 cm地温的变化速率最小，为（0.433±0.10） ℃/10年。在月变化方面，冬小麦生育期间除20 cm地层最大变化速率出现在次年2月[（0.571±0.24） ℃/10年]外，其余3层月最大变化速率均出现在次年4月，其中0 cm地层次年4月平均地温的变化速率最大，为（0.814±0.22） ℃/10年，通过0.001显著性检验。秋末冬初冬小麦月均地温变化速率相对较小，其中，0 cm地层次年1月（P<0.05）、5 cm地层11月（P<005）和12月（P<0.01）、10 cm地层12月（P>005）和次年5月（P<0.05）、20 cm地层次年5月地温（P<0.01）的变化速率均低于0.3 ℃/10年;10 cm 地层12月地温变化速率最小，为（0.192±030） ℃/10年，未通过显著性检验。

2.2 冬小麦产量变化特征

由图2-a可知，信阳市冬小麦实际产量的多年平均值为3 756.52 kg/hm2，最大值为 4 805 kg/hm2，出现在2015年，最小值为 2 517 kg/hm2，出现在1998年，两者相差 2 288 kg/hm2。总体而言，信阳市冬小麦实际单位面积产量呈显著增加趋势，一元线性回归拟合表明，冬小麦实际产量以（103.855±19.801） kg/（hm2·年）的速度增加（P<0.001），且阶段变化明显：1997年以前冬小麦实际产量增加迅速，后急剧下降，并于1998年跌至谷底;1999年起冬小麦实际产量在较低水平波动，2004年开始急剧上升，2008年后变化速率放缓，在4 500～4 800 kg/hm2 之间波动，并于2015年达到峰值。

由图2-b可知，过去25年信阳市冬小麦气候产量大致经历了“高—低—高—低”的阶段波动，可分为4个时段：1992—1997年和2006—2012年冬小麦气候产量相对较高，1998—2005年和2013—2016年相对较低。信阳市冬小麦气候产量与实际单位变化趋势基本一致，1992—1997年气候产量迅速增加，1997 年达到最大正距平 465.462 3 kg/hm2，1998—2003年气候产量开始急剧下降，2003年跌至谷底，达到最大负距平 -865.665 kg/hm2，2004—2008年气候产量开始急剧上升，2008年后则缓慢下降。

2.3 浅层地温对冬小麦气候产量的影响

偏相关分析（表4）表明，1992—2016年冬小麦生育期间各层平均地温与冬小麦气候产量之间存在相关关系。其中，5、10 cm地温与冬小麦气候产量呈正相关关系，相关系数分别为0.370、0.273，0、20 cm地温与气候产量呈负相关关系，相关系数分别为-0.273、-0.455。20 cm地温与冬小麦气候产量的相关性通过0.05显著性检验，5 cm地温通过0.1显著性检验，0、10 cm地温与气候产量的相关性未通过显著性检验。春季冬小麦根系恢复生长，进入营养生长期，该阶段信阳市0 cm地温为16.43～20.63 ℃，20 cm地温为14.77～20.10 ℃，而冬小麦根系生长的土壤最适温度和营养生长最旺盛期的土壤最适温度均为12～16 ℃[19]，信阳市0、20 cm地温明显比冬小麦最适土壤温度偏高，过高的温度会造成冬小麦烂根，影响根系对土壤有机质和水分的吸收，进而对冬小麦的生长产生不利影响[11]。

为定量分析信阳市浅层地温对冬小麦气候产量的影响，建立冬小麦生育期间浅层地温和气候产量间的多元线性回归方程，计算0～20 cm地温对冬小麦气候产量的回归系数，进而得到浅层地温对气候产量的贡献率。拟合方程判定系数为0.560，F值检验统计量观测值为2.287，P值为0.096，回归方程通过0.1显著性检验。经计算可知，0～20 cm地温对冬小麦气候产量的贡献率存在地层差异。20 cm 地温对冬小麦气候产量的贡献率最大，为 42.3%;其次是10、5 cm地温，分别为27.6%、23.2%;0 cm地温的贡献率最小，为6.9%（表4）。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究在分析信阳市浅层地温变化特征的基础上，定量评估了不同地层温度对冬小麥气候产量的贡献率。本研究结果与前人基本一致[20]，但存在一些差异：变化速率方面，信阳年均浅层地温变化速率较西北地区偏小;浅层地温对冬小麦产量影响方面，信阳市冬小麦产量与5、10 cm地温呈正相关，与前人结论[10-11]一致，信阳冬小麦产量与0、20 cm地温呈负相关，而郑州冬小麦产量与0、20 cm地温呈正相关[10]。出现这些差异可能是由不同研究者研究区域、时间尺度和方法不同所致，前人多研究我国西北部地区，而本研究选择位于我国南北过渡带上的信阳市为研究对象;另外，前人分析郑州地温对冬小麦理论产量的影响[10]，而本试验基于冬小麦实际产量去趋势后的气候产量进行研究。

3.2 结论

本研究利用1961—2017年信阳市逐月浅层地温和1992—2016年冬小麦产量资料，定量分析信阳市浅层地温的变化特征及其对冬小麦产量的影响。主要结论如下：（1）信阳各层年均地温均呈显著升高趋势，0 cm 地层升温幅度最大，10 cm地层升温幅度最小，变化速率分别为（0.396±0.09）、（0.295±0.08） ℃/10年;冬小麦生育期浅层地温的变化速率与年均地温类似，0 cm地温的变化速率最大，为（0.530±0.10） ℃/10年，10 cm地温的变化速率最小，为（0.433±0.10） ℃/10年。

（2）1992—2016年冬小麦实际产量以（103.855±19.801） kg/（hm2·年）的速率显著增加，过去25年冬小麦气候单位面积产量大致经历了“高—低—高—低”的阶段波动，1992—1997年和2006—2012年冬小麦气候产量相对较高，1998—2005、2013—2016年相对较低，气候产量的最大正距平和负距平分别出现在1997、2003年。

（3）1992—2016年冬小麦生育期间5、10 cm地温与冬小麦气候产量呈正相关关系，0、20 cm地温与气候产量呈负相关关系;不同地层对冬小麦气候产量的贡献率存在地层差异，20 cm地温的贡献率最大，为42.3%，其次是10、5 cm地温，分别为276%、23.2%，0 cm 地温的贡献率最小，为6.9%。

影响粮食产量的因素是多方面的，诸如气候、土壤、品种、作物群体结构等。需要说明的是，本研究仅定量分析了信阳市浅层地温对冬小麦产量的影响，有关气温、降水量、日照等气候因子对粮食产量的综合影响没有涉及，这些问题有待于进一步研究。

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