氣候變化背景下周口市冬小麥農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征

檀艷靜

摘要 選取周口市10個氣象站點1961—2015年的逐日氣象資料和霜觀測資料，應(yīng)用氣候線性傾向率法、相關(guān)分析法和Mann-Kendall突變檢驗法，分析周口市冬小麥生育期內(nèi)主要農(nóng)業(yè)氣候資源的時空變化趨勢和特征。結(jié)果表明：研究區(qū)域近54年冬小麥生育期內(nèi)≥0 ℃積溫顯著增加，20世紀90年代以來增加趨勢更加顯著，1993年為突變年；生育期內(nèi)降水量年際和年代際波動明顯，空間上從南至北遞減；參考作物蒸散量有明顯減少趨勢，年際和年代際波動比較劇烈，空間上呈東西遞減趨勢；生育期內(nèi)日照時數(shù)有明顯減少趨勢，21世紀初以來減少趨勢更為顯著，突變年為2005年，空間上東多西少；初霜凍日期呈推遲趨勢，終霜凍日期呈提前趨勢，導(dǎo)致霜期縮短，且三者的年際波動明顯。

關(guān)鍵詞 冬小麥；積溫；參考作物蒸散量；霜期；時空分布；河南周口

中圖分類號 P467 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）06-0199-04

Spatiotemporal Characteristics of Agricultural Climate Resources in Winter Wheat Season Under Background of

Climate Change in Zhoukou City

TAN Yan-jing

（Zhoukou Meteorological Bureau in Henan Province，Zhoukou Henan 466000）

Abstract Based on the 1961-2015 daily meteorological data and frost observation data from 10 meteorological stations in Zhoukou City，the spatiotemporal trends and characteristics of the main agricultural climate resources in winter wheat season were analyzed by using linear trend estimate method，correlation analysis and Mann-Kendall test.The results indicated that the accumulated temperature higher than 0 ℃ during the growing period of winter wheat increased significantly，and it had an abrupt change in the beginning of 1990s，with the 1993 discontinuity.The precipitation had little change，however，the inter-annual and decadal fluctuations were significant，with a decreasing trend from south to north in space. The reference crop evapotranspiration had a significant decrease，and the inter-annual and decadal fluctuations were significant，with a decreasing trend from east to west in space. The sunshine significantly decreased during the growing period of winter wheat，and it had an abrupt change in early twenty-first century，with the 2005 discontinuity and a decreasing trend from east to west in space. The first frost date was slightly delayed and the last frost date was ahead of time，which caused decrease of the frost days，and the inter-annual fluctuation was significant.

Key words winter wheat；accumulated temperature；reference crop evapotranspiration；frost season；spatiotemporal distribution；Zhoukou Henan

IPCC第五次評估報告指出，過去130年的氣候變化史無前例，全球平均氣溫升高了0.85 ℃，21世紀后氣溫變化尤其顯著[1]。以氣候變暖、日照減少和降水時空變異為特征的氣候變化直接影響農(nóng)業(yè)氣候資源[2]。農(nóng)業(yè)氣候資源的變化直接影響農(nóng)作物的生長發(fā)育，積溫是影響冬小麥產(chǎn)量的因子之一[3]。全國范圍內(nèi)變化較明顯的為≥0 ℃年積溫，并且積溫帶有明顯向北移動趨勢[4]。參考作物蒸散會影響冬小麥需水量，降水不足地區(qū)則需灌溉以求高產(chǎn)[5]。華北平原年降水量下降趨勢不顯著[6]，年參考作物蒸散量呈下降趨勢[7]，華北地區(qū)為喜涼作物生育期內(nèi)日照時數(shù)減少最明顯的地區(qū)[8]。受全球變暖影響，華北地區(qū)霜期縮短顯著[9]，河南省初霜期呈推遲趨勢，終霜期有提前趨勢[10]。總之，極端天氣的發(fā)生明顯增加，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生頻率增加、強度加大[2，11-12]。

周口市是河南省農(nóng)業(yè)大市之一，冬小麥作為主要的糧食作物，播種面積和總產(chǎn)量在全省占重要比重。本文選取 ≥0 ℃積溫、降水量、參考作物蒸散量、日照時數(shù)、初霜凍日、終霜凍日、霜期為指標，研究冬小麥生育期內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征，以期為冬小麥應(yīng)對氣候變化提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域與材料

研究區(qū)域為河南省周口市，四季分明、溫差較大、降水不均，屬暖溫帶半濕潤季風氣候。氣象資料來源于周口市10個國家氣象觀測站1961—2015年共55年的逐日觀測數(shù)據(jù)，其中，日照時數(shù)時間序列為1965—2015年。數(shù)據(jù)主要包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、平均風速和霜期天數(shù)。研究區(qū)內(nèi)冬小麥自10月上旬開始播種，翌年6月上旬收獲，文中統(tǒng)一選擇10月至翌年5月作為冬小麥生育期。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)氣象指標。選取的農(nóng)業(yè)氣象指標主要包括≥0 ℃積溫、降水量、參考作物蒸散量、日照時數(shù)、初霜凍日、終霜凍日、霜期。參考作物蒸散量ET0采用FAO 1998年推薦的Penman-Monteith公式計算[13]。初霜凍日為每年下半年第1次霜凍出現(xiàn)日期，終霜凍日為次年上半年最后一次霜凍出現(xiàn)日期，終霜凍日和初霜凍日之間的日數(shù)為霜期。為方便計算，計算初、終霜凍日時采用儒略日的表示方法，如1月1日為1，12月31日為365（閏年為366）。

1.2.2 分析方法。農(nóng)業(yè)氣候資源的趨勢變化采用氣候傾向率分析法[6]，顯著性檢驗采用相關(guān)分析法，突變選用Mann-Kendall方法進行檢驗[14]。利用Matlab、Origin等軟件繪制某一指標的時間序列圖，利用ArcGIS 10.0的反距離權(quán)重法（IDW）對某一指標進行空間插值得到空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥0 ℃積溫變化

由圖1（a）可見，周口市54年冬小麥生育期內(nèi)≥0 ℃積溫有明顯增加趨勢，積溫傾向率為66.4 ℃·d/10年（P<0.01）；積溫最高年（2007年）和最低年（1963年）相差655.1 ℃·d。由M-K突變檢驗結(jié)果得出，從20世紀60年代開始≥0 ℃積溫呈增加趨勢，特別是90年代以來增加趨勢十分顯著，突變點在1993年，這與站點研究結(jié)果一致[15]，突變前平均積溫為2 282.3 ℃·d，突變后為2 512.7 ℃·d。從圖1（b）可以看出，周口市≥0 ℃積溫呈南低中高北正常的趨勢，變化幅度為2 292.5～2 447.9 ℃·d。

2.2 降水量變化

由圖2（a）可見，周口市54年冬小麥生育期內(nèi)降水減少趨勢不顯著，平均降水量為279.8 mm，降水傾向率為 -2.6 mm/10年。M-K突變檢驗結(jié)果顯示不存在突變點，但年際變化明顯，1963年和1998年為高值年，2011年為低值年；20世紀60年代和90年代波動較大，60年代降水最多，21世紀初期降水最少。從圖2（b）可以看出，周口市降水量隨緯度變化明顯，降水量和緯度相關(guān)系數(shù)為0.70（P<0.05），呈南多北少的趨勢，低值在扶溝、太康一帶，高值在項城、沈丘一帶，變化幅度為251.6～305.4 mm。

2.3 參考作物蒸散量變化

由圖3（a）可見，周口市54年冬小麥生育期內(nèi)參考作物蒸散量呈顯著遞減趨勢，平均參考作物蒸散量為867.1 mm，蒸散量傾向率為-33.68 mm/10年（P<0.01）。M-K突變檢驗結(jié)果顯示不存在突變點，但年際變化明顯，1962年為高值年，1985年為低值年；20世紀80年代波動最小，平均蒸散量最小，60年代最多。從圖3（b）可以看出，周口市參考作物蒸散量從東至西呈遞減趨勢，變化幅度為800.4～914.0 mm。

2.4 日照時數(shù)變化

由圖4（a）可見，周口市54年冬小麥生育期內(nèi)日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，日照時數(shù)傾向率為-60.9 h/10年（P<0.01）。由M-K突變檢驗結(jié)果得出，從20世紀70年代開始日照時數(shù)呈減少趨勢，特別是21世紀初以來減少趨勢十分顯著，突變點在2005年，突變前平均積溫為1 325.5 h，突變后為1 184.6 h。從圖4（b）可以看出，周口市日照時數(shù)略呈東多西少的趨勢，低值在商水、項城一帶，高值在沈丘、鄲城一帶，變化幅度為1 191.9～1 458.2 h。

2.5 初、終霜日及霜期變化

由圖5（a）、（b）、（c）可見，周口市54年冬小麥生育期內(nèi)，初霜凍日曲線呈明顯上升趨勢（P<0.05），終霜凍日和霜期下降趨勢不顯著。初霜凍日回歸系數(shù)為正值（傾向率為1.69 d/10年），即初霜凍日有推遲趨勢，終霜凍日回歸系數(shù)為負值（傾向率為-0.91 d/10年），說明終霜凍日有提前趨勢。因此，霜期呈下降趨勢，即霜期縮短（傾向率為-1.98 d/10年）。M-K突變檢驗結(jié)果顯示，初、終霜凍日和霜期均不存在突變點，但年際變化明顯，1962年為初霜凍日最低值和終霜凍日最高值，1977年為終霜凍日和霜期最低值，1980年和1992年為霜期最高值；20世紀70年代后期至80年代初期終霜凍日和霜期變化明顯，21世紀后霜期明顯縮短，80年代初期初霜凍日波動幅度較大。從空間分布圖來看，見圖5（d）、（e）、（f），周口市初霜凍日呈東南—西北遞減的趨勢，終霜凍日分布類型與初霜凍日相反，霜期空間分布受兩者影響，北部與初霜凍日的分布相反，南部與終霜凍日的空間分布一致，霜期變化幅度較大，為134.4～150.2 d。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)內(nèi)近54年冬小麥生育期內(nèi)所有站點≥0 ℃積溫呈明顯增加趨勢，區(qū)域平均氣候傾向率是66.4 ℃·d/10年（P<0.01），20世紀90年代以來增加趨勢更加顯著，突變年是1993年，空間分布大致呈南低中高北正常的趨勢。研究表明，積溫增加改善了冬小麥的越冬條件，使其冬季停止生長時間縮短，利于分蘗；同時，溫度升高使干物質(zhì)積累時間減少，產(chǎn)量降低[16]。

研究區(qū)內(nèi)近54年冬小麥生育期內(nèi)降水量變化趨勢不顯著，氣候傾向率僅為-2.6 mm/10年，不存在突變點，年際和年代際波動明顯，降水量隨緯度遞減（P<0.05）。冬小麥生育期內(nèi)的參考作物蒸散量有明顯的減少變化趨勢，空間上呈東西遞減趨勢，平均氣候傾向率為-33.68 mm/10年（P<0.01），年際和年代際波動比較劇烈。劉 園等[7]研究表明河南省春季參考作物蒸散量增加，秋季和冬季減少，且秋冬季的減少幅度大于春季增加幅度。因此，冬小麥生育期內(nèi)的參考作物蒸散量是減少的。冬小麥生育期內(nèi)參考作物蒸散量與降水量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系（P<0.01），且參考作物蒸散量傾向率大于降水量傾向率，參考作物蒸散量的降低將會使冬小麥的需水量減少，這種狀況在一定程度上緩解了由降水減少帶來的不利影響，對冬小麥生長較為有利。

研究區(qū)內(nèi)近54年冬小麥生育期內(nèi)所有站點日照時數(shù)均有明顯的減少趨勢，且平均每10年減少60.9 h（P<0.01），21世紀初以來減少趨勢更為顯著，突變年是2005年，大致呈東多西少的趨勢。研究區(qū)內(nèi)近54年初霜凍日呈推遲趨勢（P<0.05），終霜凍日提前趨勢和霜期縮短趨勢均不顯著，這一結(jié)果與全國霜期變化結(jié)果一致[9]。初、終霜凍日和霜期均不存在突變年，年際波動明顯，尤其是1977年，終霜凍最早出現(xiàn)，霜期最短。21世紀后終霜期有較為明顯的提前趨勢，這種變化加快了冬小麥發(fā)育進程，使其拔節(jié)期提前，增加了冬小麥凍害的發(fā)生概率[17]。初霜凍日呈東南—西北遞減的趨勢，終霜凍日分布類型與初霜凍日相反，初霜凍日和終霜凍日的空間變化較小。霜期受終霜凍日和初霜凍日之間的時間日數(shù)，受兩者共同影響，變化較大。

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