氣候變化對豫東冬小麥產區的綜合影響

張怡　史本林

摘要：分析了豫東冬小麥產區近50年的水、溫要素的變化趨勢，通過數學統計與模型模擬農業氣候資源的變化和極端氣候事件發生的規律，預測未來農業氣候資源變化趨勢和極端天氣事件出現的規律，探討氣候變化和干旱災害對豫東地區冬小麥產量的影響，結果表明，豫東冬小麥產區氣候趨于“暖濕化”，對冬小麥產量的提升較為有利；冬小麥生長中后期的光照、溫度和降水適宜度與冬小麥產量的相關性顯著；豫東冬小麥產區干旱受災面積呈減小趨勢，但成災面積呈增大趨勢。

關鍵詞：氣候變化；冬小麥；豫東；極端天氣；干旱；產量

中圖分類號： S162.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0336-04

收稿日期：2014

基金項目：國家自然科學基金（編號：41140019）；河南省科技發展計劃[編號：商（20093004）、商（20103012）]。

作者簡介：張怡（1981—），男，河南柘城人，碩士，工程師，主要從事氣象預報預測與災害防護的研究。Tel：（0370）3235767；E-mail：zhangyi8733873@sina.com。近50年中國平均氣溫變暖趨勢達到每50年0.6～1.1 ℃，升溫速率可達每10年0.25 ℃，大于北半球平均的升溫速率。氣候變化下，農業氣象災害發生頻次增加，極端氣候事件（洪水、干旱、極端高溫和低溫冷害等）對未來農業生產的影響更大，使農業種植結構和布局改變，局部地區的農業氣象災害事件加劇，農業生產的不穩定性增加，就中國平均狀況而言，氣候變化將對土地生產潛力產生不利影響，如不采取應對措施，氣候變化將對農業產量、農業經濟造成損害。目前，氣候變化引起的冬小麥生育期極端低溫和干熱風等極端氣候事件頻發，已成為限制冬小麥穩產增產的主要影響因素。同時，主要氣象因素如溫度和降水的區域差異較為突出，不同區域社會經濟環境的不同導致區域應對能力的不同也會使氣候變化對農業的影響產生差異[1-15]。

隨著我國糧食消費需求的不斷增長、耕地面積逐漸減少、水資源嚴重短缺，氣候因素變化對糧食生產的約束日益凸現，我國糧食安全面臨著嚴峻挑戰。冬小麥是我國第一大糧食作物，在保障我國糧食安全中的地位非常突出。黃淮海地區是我國冬小麥重要產區，該區冬小麥播種面積和產量約占全國的40%。受大陸性季風氣候的影響，在冬小麥生育期間，干旱、霜凍、低溫冷害、 抽穗開花期陰雨、干熱風等多種氣象災害發生頻繁，嚴重制約冬小麥的高產穩產[14-20]。因此我們探討了豫東地區氣候變化趨勢及其對冬小麥產量的影響、又特別對影響最為嚴重的干旱災害進行了特征分析，以期能夠更為系統地了解此種變化對豫東冬小麥的綜合影響。

1材料與方法

本研究以豫東地區商丘市所轄8個國家氣象觀測站（商丘、永城、夏邑、睢縣、寧陵、柘城、民權、虞城、）1961—2010年共計50年逐日、旬、月、年的溫度、降水等觀測數據為信息源，并進行了質量控制與訂正，保證資料的同一性和延續性。分別以四季的中間月份代表相應季節，以逐年同期距平法分析季節氣象要素指標。以各站點1971—2010年共30年氣溫與降水量資料，應用線性回歸和F檢驗法分別進行趨勢與階段性分析和顯著性檢驗。使用數學統計與Thornthwaite Memoriae 模型，在未來氣候預測結果的基礎上，分析了冬小麥核心產區氣候變化對其產量的影響。氣象資料為國家氣象信息中心收集整理的中國地面氣候資料年值數據集，干旱數據來源于農業部種植業司“災情數據庫”和河南統計年鑒，其中l967、1968、1969年3年數據缺失[21-25]。

2結果與分析

2.1豫東地區氣候變化

通過分析（圖1、圖2）可知，豫東地區20 年氣候變化基本特征為溫度顯著升高，降雨量逐漸增加，日照時數逐漸減少。歷年季節降雨量、日照時數分析結果表明，夏、秋兩季降雨量增加幅度較冬季大；夏、秋兩季日照時數降幅明顯，春季日照時數降幅較弱。

豫東地區各季節平均氣溫除秋季外，整體上呈現波動的上升趨勢，從圖3中的線性趨勢可以明顯看出，其增速為冬>秋>春>夏。各季節平均氣溫均在上世紀90年代初出現一次增幅變緩甚至為負的波動，隨后增幅變快，春、秋尤為

顯著，這種變化在年平均溫度變化曲線中也有明顯體現。

近20年豫東地區年降水量整體上呈波動式增加（圖2）。自1991年起5年降水量有一明顯波動，呈現為先減少后增加，在1995年達到最大，隨后驟然下降，并在1997年達到20年的最低值，隨后以2～3年為周期震蕩爬升，其中2003 年達到20年的最高值，隨后一直在低位波動前行緩慢上升。通過分季節統計可知豫東地區降水量主要集中在夏季，為全年降水量的66%以上，其次為春和秋兩季分別約占14%左右，冬季降水量最少，僅為全年降水的5%左右。夏季降水與年降水的變化趨勢相關明顯，冬、春兩季降水逐漸減少，只有秋季

降水量為緩慢增加。通過對近20年降水量增加分析，發現夏季對年降水量增加的貢獻最大（圖4），說明夏季降水量變化對年降水量的變化影響最為明顯。

2.2豫東地區氣候變化對冬小麥產量的影響

2.2.1氣象產量計算

式中：Y為糧食單產；Yt 是趨勢產量，為以原始產量資料為基礎進行模擬的關于時間趨勢的函數；Yw 是氣象產量，主要受短周期變化因子（氣象因素）影響；e是減產分量，主要受病蟲害、社會因素等隨機因素影響，一般因隨機性太高且比重較小，計算中常被忽略[18-21]；故簡化為：Y=Yt+Yw ；則氣象產量為：Yw=Y-Yt。

2.2.2氣候生產力計算氣候生產力通常是指用氣候條件為主要因子進行估算的農業生產潛力，即在各項氣象要素與環境因素最為適宜的情況下，單位耕地面積所能達到的最高產量，故常被稱為氣象產量。項目通過比較后，選用李斯（Lieth）方法來計算小麥的氣候生產力，該方法有計算便捷且能準確表達氣候影響的特點。其根據全球作物產量和年均氣溫及年降雨量之間的對應關系，進而用實際蒸散量來估算作物產量，即Thornthwaite Memoriae 模型[16-19]：endprint

Pv=30 000[1-e-0.000 969 5（v-20）]。

其中：v=1.05r/1+（1.05r/L）2，L=300+25t+0.05t3。

式中：Pv為氣象產量[kg/（hm2·年）]；v為年均蒸散量（mm）；r為年均降雨量（mm）；L為年均最大蒸散量（mm），為氣溫t（℃）的三次函數，公式經驗系數為30 000。

近20年來豫東地區冬小麥產量呈波動上升趨勢，一元回歸分析可知單產增速為198 kg/年以上，最大值為2008年的 6 851 kg/hm2，最低值為1994年的3 035 kg/hm2，從此也能看出單產的增速非常顯著（圖5）；通過分析可知上世紀90年代，氣象產量與氣候生產力起初步調較為一致，均為下降，隨后分歧明顯，步調相反，且變化劇烈；2000年以后，兩者變化均趨于平穩，且變化趨勢逐漸吻合（圖6、圖7）。針對氣溫與降水同時變化，以氣溫正負1～3 ℃和降水正負10%～30%的條件兩兩結合，假設出49種情況，進而計算冬小麥的氣候生產力，其結果表明“冷干型”氣候對冬小麥生產最為不利；“暖干型”氣候加劇了水分的不足，造成生產力下降；“冷濕型”氣候，導致冬小麥產量增幅不明顯；“暖濕型”氣候，有利于冬小麥產量的提高；而依據相關研究結果對中國大陸未來氣候變化進行預測，豫東地區未來80～90年內氣候可能向“暖濕型”變化，冬小麥氣候生產力也有較大幅度提高，對冬小麥產量的提升較為有利[20-24]。

2.3豫東地區干旱災害特征分析

豫東地區干旱數據（受災及成災面積等）來源于農業部 “災情數據庫”與河南統計年鑒，其中1967、1968、1969年3年數據缺失[21-25]，氣象資料來自國家氣象信息中心，選取該地區4個具有代表性的商丘、開封等站點自1951年起60年的數據。將干旱及氣象數據進行相關統計分析，結果表明，該區域農業干旱災害呈現明顯的周期性波動變化，輕重干旱災情年際交替發生，干旱受災種植面積的年際波動周期為4～14 年，干旱成災種植面積的年際波動周期為4～17 年；整體出現干旱受災面積呈減小趨勢但成災面積呈增大趨勢的變化（圖8）；作物的干旱受災率和成災率呈顯著相關，兩者隨時間變化出現的周期性波動特征較為一致（圖9）；作物干旱受災率異常指數與成災率異常指數呈周期性負相關變化，即負正交替出現，變化周期為3～10年（圖10）；作物干旱災害強度指數即成災面積與受災面積的比例，呈波動上升的趨勢，周期為3～6 年（圖11）。說明該區域的資源環境、氣候變化和社會經濟條件均對其干旱災害的形成有一定的影響[19-29]。

3結論

本研究基于多年的氣象觀測數據和冬小麥實際產量數據，應用數學統計分析與模型模擬方法，重點研究了豫東地區的氣候變化趨勢，及該變化趨勢對已發生和將發生的冬小麥產量的影響，同時對種植區歷年的干旱災害的特征進行了分析，結果表明，（1）豫東地區氣候變暖主要發生于20世紀80年代以后，春、冬兩季氣候變暖較為顯著，且氣候趨于“暖濕化”發展；（2）氣溫、降水量、蒸發量與極端溫度為影響冬小麥的主要氣候因子，“暖濕型”氣候有利于冬小麥生產力的提高，“冷干型”氣候對冬小麥生產最為不利；未來幾十年內氣候可能向“暖濕型”變化，對研究區糧食作物產量的提升較為有利；（3）近50 年降水是限制冬小麥生長發育的主要因子，氣候因子匹配效果變差對冬小麥的生長不利；在冬小麥生長的中后期光照、溫度和降水的適宜度與冬小麥產量的相關性顯著；（4）豫東地區農業干旱災害呈周期性波動，干旱受災面積呈減小趨勢但成災面積呈增大趨勢；資源環境、氣候變化和社會經濟條件均對干旱災害的形成有一定的影響。

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