德州市0℃界限溫度變化及其對糧食作物的影響*

朱保美，周 清，代玉田，張 琳，楊以健，劉 森

(1.山東省齊河縣氣象局，德州 251100； 2.山東省德州市氣象局，德州 253078)

·糧食安全·

德州市0℃界限溫度變化及其對糧食作物的影響*

朱保美1※，周 清1，代玉田2，張 琳2，楊以健1，劉 森1

(1.山東省齊河縣氣象局，德州 251100； 2.山東省德州市氣象局，德州 253078)

[方法]利用德州市11個氣象觀測站1971～2014年逐日平均氣溫資料，采用五日滑動平均、經驗頻率法、趨勢分析法，[目的]對該市0℃界限溫度初(終)日、間隔日數、積溫變化特征、穩定通過界限溫度80%的保證率及其對糧食作物的影響進行分析。[結果]研究表明：德州地區≥0℃的初日呈顯著提前趨勢，增長速率為4.12d/10年，主要集中在2月中下旬； 終日有延遲趨勢，推后速率為0.27d/10年，主要集中在12月上旬； 間隔日數顯現出略增加趨勢，增加速率為4.39d/10年，平均為288d；≥0℃活動積溫呈現明顯增加趨勢，增溫速率為117.2℃/10年，平均為4982.5℃。全市穩定通過0℃界限溫度80%保證率的初日范圍為3月1～6日、終日范圍為12月9～17日、積溫范圍在4939.7～5295.4℃之間。[結論]氣候變化使當地熱量資源增加，夏玉米等作物生長期延長，冬小麥播期有所推遲，返青期、成熟期提前全生育期天數縮短，對糧食作物造成的影響還需進一步進行綜合分析。

德州 界限溫度初終日 積溫 變化分析 糧食作物

0 引言

界限溫度是指具有一定生物學意義，能指示農事活動的溫度[1]。由于界限溫度的農業意義比較明確，資料也易于取得，因此是地區熱量資源鑒定中常用的指標。日平均氣溫穩定通過0℃的初日，表示土壤解凍、草木萌發、冬小麥開始返青扎根等，田間作業開始。而穩定通過0℃的終日，則標志著冬小麥停止生長，草木休眠，土壤凍結，田間作業隨之停止。大于0℃期間的持續日期代表一個地方廣義的可能生長期或生長季(適宜農耕期)。積溫的多少與作物的分布，耕作制度及作物品種搭配等密切相關。穩定通過0℃期間的初終日、持續天數和積溫的多少是鑒定一個地區總的熱量指標，在農業生產上有著重要意義[2-5]。在氣候變暖的背景下，很多學者對氣候變暖引起的不同區域0℃界限溫度的變化特征進行研究[2-7]。如譚方穎等[2]、劉洋等[7]研究了華北平原、東北地區≥0℃的積溫、初日、終日及持續天數等影響作物生產和布局的關鍵熱量指標。李元華等[3]、王春娟等[4]、吳海婷等[5]、李蘭等[6]利用不同的資料分析了河北、陜西、山西、新疆等省份部分地區0℃界限溫度氣候變化特征。此外，韓瑋等[8]、董旭光等[9]對山東農業氣候資源及氣候生產潛力進行了研究，得出許多重要結論。李樹軍等[10]、李春光等[11]、張榮霞等[12]對濰坊、濟寧、聊城3個地區的0℃農業界限溫度初終日、間隔日數和積溫等進行了統計分析介紹，目前全面分析德州地區熱量資源狀況及0℃界限溫度氣候變化特征的論述很少，多數論述是從平均氣溫和降水等指標單方面進行研究[13-15]。文章利用德州10個縣市區1971～2014年逐日氣溫資料，對農業意義較明確的0℃界限溫度初終日、間隔日數和活動積溫及對糧食作物的影響進行分析，為摸清該地熱量條件，合理發揮地區熱量資源的生產潛力，增強農業生產應對氣候變化的能力，提高糧食作物產量及作物品種布局等提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.2 研究方法

1.2.1 0℃界限溫度初終日的統計

采用5日滑動平均法計算0℃界限溫度初終日期。從春(秋)季日平均氣溫第一次出現高于(低于)0℃之日起，向前推4d，按日序依次計算出每連續5日的平均氣溫，并從中選出第一個大于或等于(小于或等于)0℃，且在其后不再出現5日平均氣溫低于(大于或等于)0℃的連續5日，此5日中第一個(最后一個)日平均氣溫大于或等于0℃的日期即為穩定通過0℃界限溫度初(終)日[16-17]。初始日期序列的建立： 1月1日為一年第一天，記為1， 1月2日記為2，…，以此法建立1971～2014年初始(終止)日期序列[5]。各縣市區平均初(終)日為歷年初日日期的平均，全市平均初(終)日為歷年各縣初日日期的平均。

1.2.2 80%保證率的求算

把起止日期(包括起止日期)之間高于0℃界限溫度的日平均氣溫求和，即得該地區≥0℃活動積溫[5]。所謂保證率，就是某一氣象要素高于(或低于)某一界限所有數值出現頻率之和，即累計頻率[1]。該文采用經驗頻率法計算各氣候要素的80%保證率。公式為：

(1)

式中，Pm為各氣候要素保證率，m為求算出的歷年氣候要素按升序排列的序列號，n為樣本個數。

1.2.3 趨勢變化分析

2.3 兒童精細動作發育商的多因素分析 以兒童精細動作發育商作為因變量，以變量性別、區域、父親文化程度、母親文化程度、母親生其年齡、家庭人均月收入及分娩方式為自變量進行多元線性回歸分析，采用stepwise逐步回歸，入選標準為0.10，剔除標準為0.15，結果顯示影響兒童精細動作發育商的因素為兒童性別、母親文化程度和主要撫養人。見表3。

采用線性氣候傾向率法[18]、9年滑動平均法[19]分析初終日、間隔日數及≥0℃的活動積溫的線性變化趨勢，計算各縣市積溫的氣候傾向率，并對變化趨勢進行顯著性檢驗，在給定=0.05的顯著水平時，判據Z0.05=0.191,統計量為Z，當Z>Z0.05時，則認為變化趨勢在=0.05水平上是顯著的[14]。

2 結果分析

2.1 ≥0℃初日變化特征

根據資料分析， 1971～2014年德州地區初日起始日期主要集中在2月中下旬(表1)，西北部最早，然后受地理位置影響，由南向北逐漸偏晚。西北部地區初日開始時間最早平均為2月18日，南部地區平均為2月19日，中部地區平均為2月20日，北部地區時間最晚平均為2月23日，全市初日開始日期平均為2月20日，最早為上一年的12月29日，最晚為3月15日。

由圖1可知，初日序列呈波動下降趨勢，氣候傾向率為4.12d/10a， 9年滑動平均曲線顯示，初日趨勢變化相對平緩，有小幅度波動。20世紀70年代末至80年代初變化平穩， 80年代中期至90年代初期有小幅上升， 90年代中期至新世紀初又呈下降趨勢，而后逐漸上升，最近幾年又呈現下降趨勢。計算統計量得到Z=-0.296,Z>Z0.05，初日趨勢變化顯著。1971～1991年初日變化以正距平為主， 1992～2014年以負距平為主(圖2)。其中， 1971年是初日最晚年，初日距平值達到25d， 2002年是初日最早年，初日距平值達到-50d，最早年與最晚年初日距平值相差75d。

全市≥0℃的初日，隨著年代的變化都有所提前[3](表2)，但各縣市提前時間顯著不同。把近幾年與70年代的初日進行比較發現，寧津、慶云、齊河3個縣分別提前4d，樂陵、陵縣、武城、臨邑4個縣市分別提前6d，禹城夏津兩縣市提前8d，德州、平原縣2市提前10d。

根據公式(1)計算各縣市區歷年穩定通過0℃界限溫度的初日80%的保證率，發現全市穩定通過0℃界限溫度80%保證率的初日范圍在3月1～6日之間(表3)，其中德州、武城、禹城、齊河、平原、夏津初日最早為3月1日，臨邑、陵縣、寧津為3月2日，慶云為3月4日、樂陵最晚為3月6日。

表1 1971～2014年初終日間隔日數活動積溫的變化

研究區域縣市名初日終日間隔日數(d)≥0℃活動積溫(℃)氣候傾向率(℃/10年)西北部德州2月17日12月8日294511231172武城2月18日12月5日290501271000西北平均2月18日12月7日292506251128南部禹城2月19日12月7日29150638948齊河2月19日12月7日29150839407南部平均2月19日12月7日29150739678中部平原2月20日12月5日28849488907夏津2月20日12月3日28649510767臨邑2月21日12月5日28849544826中部平均2月20日12月4日28749514833北部陵縣2月21日12月3日28548921692寧津2月23日12月2日28248468692慶云2月24日12月3日28248059373樂陵2月25日12月3日28148241527北部平均2月23日12月3日28348422571全市平均2月20日12月6日28849825803

圖1 1971～2014年德州市≥0℃初日、終日變化趨勢

圖2 1971～2014年德州≥0℃年初日、終日距平值

表2 ≥0℃的初日、終日、持續日數、積溫的年際變化

年份德州武城禹城齊河平原夏津臨邑陵縣寧津慶云樂陵初日1971～198022522522422322622522522622531311981～19902222232242212242262242242272272271991～20002102102142162132152152172192202212001～20102122152142142192152192192202222222011～2014215219216219216217219220221225223終日1971～19801291231281291231231231231221221221981～199012712312512612512212512311301241241991～20001261251261261251251251231211221222001～201012912912101261271231261231231251232011～20141271261251261251241213124123124124間隔日數1971～19802872812872902802812812802802762761981～19902882832852882852792842822762812791991～20002992982952922952932922892852852842001～20103002972992952912912902872862862842011～2014295290292290292289297287286283284積溫1971～198049082475884925548019485364870248153482864767250232473611981～199050383478384967148212484304884748515487434766950671478381991～200051265480385084849000496795066449843498714822751432482672001～201052928488755225749807510425160550837507084964751263483302011～20145320849802519445053150395518515099650963501145191349162

表3 各縣市穩定通過80%保證率的初、終日和積溫

德州武城禹城齊河平原夏津臨邑陵縣寧津慶云樂陵初日3131313131313232323436終日1217121512161216121312121213121212912121212積溫5295452123524575212551247516835136750255496914939749409

2.2 ≥0℃終日變化特征

1971～2014年全市終日日期主要集中在12月上旬(表1)，從地域分布看，北部最早，然后由北向南逐漸偏晚。北部地區終日開始時間最早平均為12月3日，中部地區平均為12月4日，西北部、南部地區時間最晚平均為12月7日，全市終日開始日期平均為12月6日，最早為11月9日，最晚為12月28日。

由圖1可知，終日序列呈波動略下降趨勢，氣候傾向率為0.27d/10年， 9年滑動平均曲線顯示出，終日趨勢變化非常平緩，波動幅度較小。計算統計量得到Z=0.011,Z

全市≥0℃的終日，隨著年代的變化8個縣市推后， 3個縣市有所提前(表2)，但各縣市提前推后時間表現不顯著，約為1～3d(臨邑除外)。把近幾年與20世紀70年代的終日進行比較發現，德州、禹城、齊河3個市縣分別提前，其余8個縣市分別推后，臨邑終日年代際變化最顯著，推后時間最長為10d。

計算各縣市區歷年穩定通過0℃的終日80%的保證率，發現全市穩定通過80%保證率的終日范圍在12月9日～12月17日之間(表3)，其中寧津終日最早為12月9日，夏津、陵縣、慶云、樂陵為12月12日，平原、臨邑為12月13日，武城為12月15日，禹城、齊河為12月16日，德州最晚為12月17日。

2.3 間隔日數的變化

圖3 1971～2014年德州≥0℃年間隔日數及其距平值

近44年全市間隔日數(表1)北部地區間隔最短，然后由北向南逐漸延長。北部地區平均為283d，中部地區平均為287d，南部地區平均為291d，西北部地區平均為292d，全市范圍內間隔日數平均為288d，間隔最短為256d，最長為339d。

由圖3可知，間隔日數序列顯現出略上升趨勢，氣候傾向率為4.39d/10a， 9年滑動平均曲線顯示趨勢變化非常平緩，波動幅度較小。計算統計量得到Z=0.190,Z

全地區≥0℃的間隔日數，隨著年代的變化均有延長趨勢(表2)，但各縣市延長的天數各有不同。把近幾年與20世紀70年代的間隔日數進行比較發現，齊河延長天數表現不明顯，禹城延長5d，寧津延長6d，陵縣、夏津、慶云延長7d，德州、樂陵8d，武城9d，平原12d，臨邑間隔日數延長最多為16d。

2.4 ≥0℃活動積溫變化分析

圖4 1971～2014年德州≥0℃積溫及其距平變化

近44年德州地區≥0℃活動積溫從地域上分析(表1)北部區域最少，然后由北向南逐漸增多。北部地區平均為4842.2℃，中部地區平均為4951.4，西北部地區平均為5062.5℃，南部地區平均為5073.9℃。全市范圍內活動積溫平均為4982.5℃，最少為4437.8℃，出現在1976年的慶云縣，最多為5517.6℃，出現在2014年的德州市。

由圖4可知，德州市積溫序列呈現明顯上升趨勢，氣候傾向率為117.2℃/10a， 9年滑動平均曲線顯示趨勢變化非常平緩，波動幅度較小。計算統計量得到Z=0.556,Z>Z0.05，因此認為積溫上升趨勢顯著。1971～2014年整個時段間隔日數變化正負距平交替出現(圖4)， 1971～1996年以負距平為主， 1997～2014年以正距平為主。其中， 2014年是積溫最多年，距平值達到405.3℃， 1976年是積溫最少年，距平值達到-486.0℃，最多年與最少年距平值相差891.3℃。

全地區≥0℃的積溫，隨著年代的變化均表現出增多趨勢(表2)，但各縣市增加的幅度各有不同。把近幾年與70年代的積溫進行比較發現，慶云縣增加最少為168.1℃，德州市增加最多為412.6℃。

根據公式(1)計算各縣市區≥0℃積溫通過80%的保證率(表3)，發現全地區穩定通過80%保證率的積溫范圍在4939.7～5295.4℃之間，其中西北部和南部的德州、禹城、武城、齊河4縣市通過80%保證率的積溫最高，中部平原、夏津、臨邑3縣市次之，北部陵縣、樂陵、寧津、慶云4縣市最低。

2.5 0℃界限溫度變化對糧食作物的影響

農業尤其是糧食生產是以作物種植為基礎，因此，對氣候變化的響應非常敏感[20]。德州市是糧食生產大市，糧食作物豐產豐收至關重要。0℃界限溫度指標的變化對小麥玉米等糧食作物有著重要影響。早春≥0℃的初日提前，使小麥生長期明顯縮短，返青期顯著提前，從而有利于小麥春分蘗的產生和小麥發育進程加快，對小麥穗分化影響很大，促使小麥抽穗開花提前，進而導致小麥灌漿收獲期明顯提前。夏玉米等作物的播期也得以提前[4]，不過，冬小麥發育期提前容易引起病蟲害早出現、發展，也導致各生育期間隔期相應縮短，如果管理跟不上，對小麥增產不利。秋季≥0℃的終日延遲，使得夏播玉米有效生長天數明顯延長，緩解和解決了目前生產上普遍存在的成熟不充分問題[21]，同時使喜涼作物冬小麥的播種期推遲?！?℃期間的活動積溫呈上升趨勢，為本地區農業生產提供了更豐富的熱量資源，對發展小麥、玉米一年兩熟制種植制度十分有利。

3 結論與討論

通過以上分析發現德州地區穩定通過0℃界限溫度的初日起始日期主要集中在2月中下旬，隨時間的推移有顯著提早趨勢，氣候傾向率為4.12d/10年； 終日主要集中在12月上旬，序列下降趨勢不顯著，氣候傾向率為0.27d/10年； 間隔日數平均為288天，序列顯現出略上升趨勢，氣候傾向率為4.39d/10年； 近44年德州地區≥0℃活動積溫平均為4982.5℃，序列呈明顯上升趨勢，氣候傾向率為117.2℃/10年； 全市穩定通過0℃界限溫度80%保證率的初日范圍為3月1～6日、終日約為12月9～17日、積溫范圍在4939.7～5295.4℃之間。

0℃界限溫度初日提前、終日推后、間隔日數增加、≥0℃期間的活動積溫增加，說明與全球氣候變暖響應相一致，當地熱量資源增加，使作物生長期延長，生長季熱量增加[21]，冬播期有所推遲，冬小麥成熟期提前全生育期天數縮短[22]。農業是受氣候變化影響最直接的產業[11]，該研究只是初步分析了0℃界限溫度的變化特征對作物播種及收獲期的影響，沒有對作物生育期內的日照、溫度及降水等諸多氣象條件進行深入探索，同時也沒有考慮氣象災害因素。今后還應加強對農業生產造成影響的諸多氣候要素的綜合研究，保障農作物正常生長，爭取糧食高產穩產。

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THE CHARACTERISTICS CHANGE OF 0℃ BOUNDARY TEMPERATUREAND THE IMPACTS ON GRAIN CROP IN DEZHOU CITY*

Zhu Baomei1※，Zhou Qing1，Dai Yutian2，Zhang lin2, Yang Yijian1, Liu Sen1

(1. Qihe Meteorological Bureau, Dezhou 251100, China; 2.Dezhou Meteorological Bureau, Dezhou 253078, China)

According to the daily meteorological data from 11 stations in Dezhou city from 1971 to 2014, using the methods of 5-day sliding mean, experience frequency, and the linear trend estimation, this paper analyzed the initial and final dates, duration, accumulated temperature, 80% guarantee rate of the daily temperature above 0℃ stably, and the impacts on Grain crop. The results showed that the initial date was in advance 4.12 days per 10 years, which mainly concentrated in the mid to late February. The final date delayed 0.27 days per decade, which mainly concentrated in early December. The duration increased 4.39 days per decade, the average number of days was 288. The accumulated temperature above 0℃ increased 117.2℃ per decade. The range of initial date of stability with 80% guarantee rate of the daily temperature above 0℃ was from March 1st to 6, the range of final date was from December 9 to 17, the range of accumulated temperature was between 4939.7 ℃ and 5295.4℃. The climate change increased the local heat resource, prolonged the summer corn growth period, delayed winter wheat appropriate seeding time, promoted the mature period in advance, and shortened the number of days in the whole stage. So it put forward that it needed to comprehensively analyze the effects on the crop grain.

Dezhou; initial/final date; accumulated temperature; analysis; grain crop

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170314

2016-03-14

朱保美(1979—)，女，山東聊城人，工程師。研究方向：農業氣象和氣候。Email： 13969289244@163.com

*資助項目：德州市氣象局科研項目“德州市熱量資源變化特征及對主要農作物的影響研究”(2016dzqx06)

S161.2; F326.11

A

1005-9121[2017]03086-07