氣候變化對(duì)豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)的綜合影響

張怡　史本林

摘要：分析了豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)近50年的水、溫要素的變化趨勢(shì)，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與模型模擬農(nóng)業(yè)氣候資源的變化和極端氣候事件發(fā)生的規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)農(nóng)業(yè)氣候資源變化趨勢(shì)和極端天氣事件出現(xiàn)的規(guī)律，探討氣候變化和干旱災(zāi)害對(duì)豫東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)氣候趨于“暖濕化”，對(duì)冬小麥產(chǎn)量的提升較為有利；冬小麥生長(zhǎng)中后期的光照、溫度和降水適宜度與冬小麥產(chǎn)量的相關(guān)性顯著；豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)干旱受災(zāi)面積呈減小趨勢(shì)，但成災(zāi)面積呈增大趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：氣候變化；冬小麥；豫東；極端天氣；干旱；產(chǎn)量

中圖分類(lèi)號(hào)： S162.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0336-04

收稿日期：2014

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41140019）；河南省科技發(fā)展計(jì)劃[編號(hào)：商（20093004）、商（20103012）]。

作者簡(jiǎn)介：張怡（1981—），男，河南柘城人，碩士，工程師，主要從事氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)與災(zāi)害防護(hù)的研究。Tel：（0370）3235767；E-mail：zhangyi8733873@sina.com。近50年中國(guó)平均氣溫變暖趨勢(shì)達(dá)到每50年0.6～1.1 ℃，升溫速率可達(dá)每10年0.25 ℃，大于北半球平均的升溫速率。氣候變化下，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)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(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響更大，使農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和布局改變，局部地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害事件加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加，就中國(guó)平均狀況而言，氣候變化將對(duì)土地生產(chǎn)潛力產(chǎn)生不利影響，如不采取應(yīng)對(duì)措施，氣候變化將對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(fēng)等極端氣候事件頻發(fā)，已成為限制冬小麥穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要影響因素。同時(shí)，主要?dú)庀笠蛩厝鐪囟群徒邓膮^(qū)域差異較為突出，不同區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的不同導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)對(duì)能力的不同也會(huì)使氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響產(chǎn)生差異[1-15]。

隨著我國(guó)糧食消費(fèi)需求的不斷增長(zhǎng)、耕地面積逐漸減少、水資源嚴(yán)重短缺，氣候因素變化對(duì)糧食生產(chǎn)的約束日益凸現(xiàn)，我國(guó)糧食安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)第一大糧食作物，在保障我國(guó)糧食安全中的地位非常突出。黃淮海地區(qū)是我國(guó)冬小麥重要產(chǎn)區(qū)，該區(qū)冬小麥播種面積和產(chǎn)量約占全國(guó)的40%。受大陸性季風(fēng)氣候的影響，在冬小麥生育期間，干旱、霜凍、低溫冷害、 抽穗開(kāi)花期陰雨、干熱風(fēng)等多種氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁，嚴(yán)重制約冬小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[14-20]。因此我們探討了豫東地區(qū)氣候變化趨勢(shì)及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響、又特別對(duì)影響最為嚴(yán)重的干旱災(zāi)害進(jìn)行了特征分析，以期能夠更為系統(tǒng)地了解此種變化對(duì)豫東冬小麥的綜合影響。

1材料與方法

本研究以豫東地區(qū)商丘市所轄8個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站（商丘、永城、夏邑、睢縣、寧陵、柘城、民權(quán)、虞城、）1961—2010年共計(jì)50年逐日、旬、月、年的溫度、降水等觀測(cè)數(shù)據(jù)為信息源，并進(jìn)行了質(zhì)量控制與訂正，保證資料的同一性和延續(xù)性。分別以四季的中間月份代表相應(yīng)季節(jié)，以逐年同期距平法分析季節(jié)氣象要素指標(biāo)。以各站點(diǎn)1971—2010年共30年氣溫與降水量資料，應(yīng)用線性回歸和F檢驗(yàn)法分別進(jìn)行趨勢(shì)與階段性分析和顯著性檢驗(yàn)。使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與Thornthwaite Memoriae 模型，在未來(lái)氣候預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了冬小麥核心產(chǎn)區(qū)氣候變化對(duì)其產(chǎn)量的影響。氣象資料為國(guó)家氣象信息中心收集整理的中國(guó)地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集，干旱數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)部種植業(yè)司“災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)”和河南統(tǒng)計(jì)年鑒，其中l(wèi)967、1968、1969年3年數(shù)據(jù)缺失[21-25]。

2結(jié)果與分析

2.1豫東地區(qū)氣候變化

通過(guò)分析（圖1、圖2）可知，豫東地區(qū)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(shí)數(shù)逐漸減少。歷年季節(jié)降雨量、日照時(shí)數(shù)分析結(jié)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(shí)數(shù)降幅明顯，春季日照時(shí)數(shù)降幅較弱。

豫東地區(qū)各季節(jié)平均氣溫除秋季外，整體上呈現(xiàn)波動(dòng)的上升趨勢(shì)，從圖3中的線性趨勢(shì)可以明顯看出，其增速為冬>秋>春>夏。各季節(jié)平均氣溫均在上世紀(jì)90年代初出現(xiàn)一次增幅變緩甚至為負(fù)的波動(dòng)，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(xiàn)。

近20年豫東地區(qū)年降水量整體上呈波動(dòng)式增加（圖2）。自1991年起5年降水量有一明顯波動(dòng)，呈現(xiàn)為先減少后增加，在1995年達(dá)到最大，隨后驟然下降，并在1997年達(dá)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(dá)到20年的最高值，隨后一直在低位波動(dòng)前行緩慢上升。通過(guò)分季節(jié)統(tǒng)計(jì)可知豫東地區(qū)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(shì)相關(guān)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(guò)對(duì)近20年降水量增加分析，發(fā)現(xiàn)夏季對(duì)年降水量增加的貢獻(xiàn)最大（圖4），說(shuō)明夏季降水量變化對(duì)年降水量的變化影響最為明顯。

2.2豫東地區(qū)氣候變化對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

2.2.1氣象產(chǎn)量計(jì)算

式中：Y為糧食單產(chǎn)；Yt 是趨勢(shì)產(chǎn)量，為以原始產(chǎn)量資料為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬的關(guān)于時(shí)間趨勢(shì)的函數(shù)；Yw 是氣象產(chǎn)量，主要受短周期變化因子（氣象因素）影響；e是減產(chǎn)分量，主要受病蟲(chóng)害、社會(huì)因素等隨機(jī)因素影響，一般因隨機(jī)性太高且比重較小，計(jì)算中常被忽略[18-21]；故簡(jiǎn)化為：Y=Yt+Yw ；則氣象產(chǎn)量為：Yw=Y-Yt。

2.2.2氣候生產(chǎn)力計(jì)算氣候生產(chǎn)力通常是指用氣候條件為主要因子進(jìn)行估算的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，即在各項(xiàng)氣象要素與環(huán)境因素最為適宜的情況下，單位耕地面積所能達(dá)到的最高產(chǎn)量，故常被稱為氣象產(chǎn)量。項(xiàng)目通過(guò)比較后，選用李斯（Lieth）方法來(lái)計(jì)算小麥的氣候生產(chǎn)力，該方法有計(jì)算便捷且能準(zhǔn)確表達(dá)氣候影響的特點(diǎn)。其根據(jù)全球作物產(chǎn)量和年均氣溫及年降雨量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而用實(shí)際蒸散量來(lái)估算作物產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為30 000。

近20年來(lái)豫東地區(qū)冬小麥產(chǎn)量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，一元回歸分析可知單產(chǎn)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(chǎn)的增速非常顯著（圖5）；通過(guò)分析可知上世紀(jì)90年代，氣象產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)力起初步調(diào)較為一致，均為下降，隨后分歧明顯，步調(diào)相反，且變化劇烈；2000年以后，兩者變化均趨于平穩(wěn)，且變化趨勢(shì)逐漸吻合（圖6、圖7）。針對(duì)氣溫與降水同時(shí)變化，以氣溫正負(fù)1～3 ℃和降水正負(fù)10%～30%的條件兩兩結(jié)合，假設(shè)出49種情況，進(jìn)而計(jì)算冬小麥的氣候生產(chǎn)力，其結(jié)果表明“冷干型”氣候?qū)Χ←溕a(chǎn)最為不利；“暖干型”氣候加劇了水分的不足，造成生產(chǎn)力下降；“冷濕型”氣候，導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量增幅不明顯；“暖濕型”氣候，有利于冬小麥產(chǎn)量的提高；而依據(jù)相關(guān)研究結(jié)果對(duì)中國(guó)大陸未來(lái)氣候變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，豫東地區(qū)未來(lái)80～90年內(nèi)氣候可能向“暖濕型”變化，冬小麥氣候生產(chǎn)力也有較大幅度提高，對(duì)冬小麥產(chǎn)量的提升較為有利[20-24]。

2.3豫東地區(qū)干旱災(zāi)害特征分析

豫東地區(qū)干旱數(shù)據(jù)（受災(zāi)及成災(zāi)面積等）來(lái)源于農(nóng)業(yè)部 “災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)”與河南統(tǒng)計(jì)年鑒，其中1967、1968、1969年3年數(shù)據(jù)缺失[21-25]，氣象資料來(lái)自國(guó)家氣象信息中心，選取該地區(qū)4個(gè)具有代表性的商丘、開(kāi)封等站點(diǎn)自1951年起60年的數(shù)據(jù)。將干旱及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害呈現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)變化，輕重干旱災(zāi)情年際交替發(fā)生，干旱受災(zāi)種植面積的年際波動(dòng)周期為4～14 年，干旱成災(zāi)種植面積的年際波動(dòng)周期為4～17 年；整體出現(xiàn)干旱受災(zāi)面積呈減小趨勢(shì)但成災(zāi)面積呈增大趨勢(shì)的變化（圖8）；作物的干旱受災(zāi)率和成災(zāi)率呈顯著相關(guān)，兩者隨時(shí)間變化出現(xiàn)的周期性波動(dòng)特征較為一致（圖9）；作物干旱受災(zāi)率異常指數(shù)與成災(zāi)率異常指數(shù)呈周期性負(fù)相關(guān)變化，即負(fù)正交替出現(xiàn)，變化周期為3～10年（圖10）；作物干旱災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)即成災(zāi)面積與受災(zāi)面積的比例，呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，周期為3～6 年（圖11）。說(shuō)明該區(qū)域的資源環(huán)境、氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件均對(duì)其干旱災(zāi)害的形成有一定的影響[19-29]。

3結(jié)論

本研究基于多年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和冬小麥實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析與模型模擬方法，重點(diǎn)研究了豫東地區(qū)的氣候變化趨勢(shì)，及該變化趨勢(shì)對(duì)已發(fā)生和將發(fā)生的冬小麥產(chǎn)量的影響，同時(shí)對(duì)種植區(qū)歷年的干旱災(zāi)害的特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，（1）豫東地區(qū)氣候變暖主要發(fā)生于20世紀(jì)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(fā)展；（2）氣溫、降水量、蒸發(fā)量與極端溫度為影響冬小麥的主要?dú)夂蛞蜃?，“暖濕型”氣候有利于冬小麥生產(chǎn)力的提高，“冷干型”氣候?qū)Χ←溕a(chǎn)最為不利；未來(lái)幾十年內(nèi)氣候可能向“暖濕型”變化，對(duì)研究區(qū)糧食作物產(chǎn)量的提升較為有利；（3）近50 年降水是限制冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的主要因子，氣候因子匹配效果變差對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)不利；在冬小麥生長(zhǎng)的中后期光照、溫度和降水的適宜度與冬小麥產(chǎn)量的相關(guān)性顯著；（4）豫東地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害呈周期性波動(dòng)，干旱受災(zāi)面積呈減小趨勢(shì)但成災(zāi)面積呈增大趨勢(shì)；資源環(huán)境、氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件均對(duì)干旱災(zāi)害的形成有一定的影響。

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