氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式和產(chǎn)量的影響

孫新素，龍致煒，宋廣鵬，陳長青

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氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式和產(chǎn)量的影響

孫新素，龍致煒，宋廣鵬，陳長青

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用生態(tài)研究所，南京210095）

【目的】全球氣候正以變暖為主要特征發(fā)生顯著變化，探究氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植制度的影響，為制定合理的應(yīng)對措施提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^氣象站點(diǎn)觀測值的加權(quán)平均和一元線性回歸分析黃淮海各省市地區(qū)1992—2013年來的氣候變化特征。利用農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)多年長期觀察的夏玉米-冬小麥物候數(shù)據(jù)，通過加權(quán)求平均，分析氣候變暖背景下夏玉米-冬小麥的生育期和茬口推移情況。采用一元線性回歸分析1992—2013年來黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥周年產(chǎn)量變化。同時利用非線性回歸分析法和面板數(shù)據(jù)敏感性分析法分析氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥周年產(chǎn)量的影響?！窘Y(jié)果】1992—2013年來，黃淮海地區(qū)溫度整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，降水總量變化趨勢不明顯，但區(qū)域差異顯著。在氣候變化的背景下，黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式發(fā)生明顯改變：冬小麥播種時間推遲，生育期存在縮短趨勢，不同地區(qū)縮短2—5 d不等；夏玉米播種時間南部推遲而北部提前，收獲時間總體呈現(xiàn)推遲趨勢，整個黃淮海地區(qū)生育時長未發(fā)生明顯變化。茬口時間因夏玉米-冬小麥生育期的推移呈現(xiàn)不同程度延長，造成了氣候和土地資源的浪費(fèi)。1992—2013年間黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥單產(chǎn)呈顯著上升趨勢，多數(shù)省份達(dá)到顯著水平。非線性敏感性分析表明，最低溫度、最高溫度和平均溫度對夏玉米-冬小麥產(chǎn)量的影響基本表現(xiàn)為同時增產(chǎn)或同時減產(chǎn)的一致性。冬小麥產(chǎn)量受最低溫度的影響最為顯著，東南部的江蘇省和山東省減產(chǎn)明顯，而北部河北省和西部河南省表現(xiàn)為增產(chǎn)。溫度升高除對河南省夏玉米有增產(chǎn)作用外，其他省份夏玉米產(chǎn)量均出現(xiàn)不同程度的降低，這可能與溫度升高的幅度不同和降水的區(qū)域性差異有關(guān)。降水量對夏玉米-冬小麥產(chǎn)量影響存在地區(qū)差異?？傮w上氣候變暖對周年單產(chǎn)影響表現(xiàn)為北部增產(chǎn)，而南部減產(chǎn)，因而選擇適宜早播且生育期長的夏玉米品種對保障周年產(chǎn)量具有重要意義?！窘Y(jié)論】氣候變暖背景下，黃淮海地區(qū)冬小麥播種時間推遲，生育期縮短，夏玉米生育期北部延長而南部縮短，生育期的推移導(dǎo)致茬口時間延長，造成了氣候資源和土地資源的浪費(fèi)。1992—2013年間夏玉米-冬小麥周年產(chǎn)量顯著提高。溫度升高和降水增加對產(chǎn)量的影響存在區(qū)域差異，整個區(qū)域平均來看升溫使夏玉米減產(chǎn)，冬小麥增產(chǎn)；降水增加有利于黃淮海北部地區(qū)夏玉米的產(chǎn)量形成，對南部地區(qū)夏玉米產(chǎn)量則存在不利影響，而對黃淮海大部分地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量形成不利。

氣候變化；夏玉米-冬小麥；種植模式；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】全球氣候正以變暖為主要特征發(fā)生顯著變化。IPCC第五次評估報告指出，過去130年（1883—2012年）全球升溫0.85℃，預(yù)計21世紀(jì)末，全球地表溫度將比21世紀(jì)初升高0.3—4.8℃[1]。氣候變化改變了熱量資源的時空格局分布[2]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響顯著，不僅影響到農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量，還關(guān)系到國家糧食生產(chǎn)和安全供應(yīng)。黃淮海平原是中國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，夏玉米-冬小麥?zhǔn)窃搮^(qū)的主要復(fù)種方式。近10年來，黃淮海地區(qū)冬小麥播種面積占全國冬小麥播種面積的38%，冬小麥產(chǎn)量占全國的50%左右，而夏玉米的播種面積占全國夏玉米播種面積的28%，產(chǎn)量約占全國的30%。隨著氣候變化日益加劇，傳統(tǒng)的夏玉米-冬小麥種植模式受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研究夏玉米-冬小麥種植模式在氣候變化背景下生育期和茬口推移以及周年產(chǎn)量變化，探究氣候因子與種植模式變化的內(nèi)在聯(lián)系與機(jī)制，緩解乃至消除氣候變化對該區(qū)夏玉米-冬小麥生產(chǎn)的消極影響，對保障黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】全球氣候變化的不斷加劇，使關(guān)于氣候變化的研究成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)[3]。前人關(guān)于氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究已相當(dāng)廣泛，王斌等[4]研究表明氣候變暖使冬小麥全生育期平均縮短2.2 d·(10a)-1，北方冬麥區(qū)生育期縮短最明顯。其他研究也表明華北、淮北平原冬小麥返青期、開花期和成熟期表現(xiàn)為提前的趨勢[5-8]。薛昌穎[9]指出氣候變暖使水稻潛在生育期延長，孟林[10]在對華北平原夏玉米生育期的研究時發(fā)現(xiàn)華北平原夏玉米全生育期天數(shù)對氣候變暖呈極顯著增加的響應(yīng)趨勢。在作物產(chǎn)量方面，熊偉等[11]認(rèn)為氣候變化將導(dǎo)致中國玉米主產(chǎn)區(qū)單產(chǎn)降低，總產(chǎn)下降。居輝等[12]也對中國不同地區(qū)冬小麥產(chǎn)量對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果以減產(chǎn)為主，不同地區(qū)存在明顯的區(qū)域差異?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往的研究多集中在某一作物上[13-14]，而對作物種植模式系統(tǒng)的研究卻相對較少，無法準(zhǔn)確判斷氣候變化對作物系統(tǒng)的整體影響[15]。而僅僅基于歷史氣象數(shù)據(jù)的模擬模型分析，很難全面揭示氣候變化與作物系統(tǒng)的實際關(guān)系[16]。因此，本文利用近年來黃淮海地區(qū)氣象、物候和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用回歸分析和敏感性分析，研究氣候變化對夏玉米-冬小麥兩熟制種植模式系統(tǒng)和周年產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用近年來黃淮海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)以及夏玉米-冬小麥物候和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，探究氣候變化對夏玉米-冬小麥作物系統(tǒng)的影響，以期在氣候變化背景下為黃淮海夏玉米-冬小麥種植模式的管理調(diào)整、合理布局提供基礎(chǔ)性的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東經(jīng)110°21′—122°42′、北緯29°24′—42°36′，覆蓋中國黃淮海平原的絕大部分地區(qū)，主要包括安徽省和江蘇省的北部、河南省、河北省、山東省以及京津6個省市地區(qū)，區(qū)域總面積達(dá)到5×107hm2，其中農(nóng)田面積約為2.6×106hm2，是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)核心區(qū)之一（圖1）。區(qū)域以暖溫帶季風(fēng)性氣候為主，表現(xiàn)出明顯的雨熱同季特點(diǎn)，春冬干燥寒冷，旱情較重，夏季高溫多雨，常伴有洪澇的發(fā)生?！?℃積溫為4 100—5 400℃，≥10℃積溫為3 700—4 700℃，年降水量為500—900 mm，降水年際變化較大。年平均溫度和年降水量均隨著緯度的增加表現(xiàn)為減少的趨勢。

1.2 資料來源

數(shù)據(jù)資料主要包括氣象、物候和產(chǎn)量數(shù)據(jù)3個方面。

圖1 研究區(qū)域在中國的位置

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)主要包括逐日溫度（最高溫度、平均溫度和最低溫度）和逐日降水量，來源于中國氣象局國家氣象信息中心。本研究共選擇有完整數(shù)據(jù)記錄的82個黃淮海地區(qū)氣象觀測站，氣象站在研究區(qū)的分布情況為安徽省北部6個，江蘇省北部13個，河北省20個，河南省18個，山東省19個，京津地區(qū)6個（圖2）。所有氣象數(shù)據(jù)用于計算夏玉米生育進(jìn)程（夏玉米播種期-收獲期）和冬小麥生育進(jìn)程（冬小麥播種期-收獲期）不同年份各氣象指標(biāo)值。

圖2 氣象站點(diǎn)分布圖

1.2.2 物候數(shù)據(jù) 物候數(shù)據(jù)同樣整理自國家氣象信息中心，本文選擇了研究區(qū)的91個農(nóng)業(yè)氣象站，記錄了1992—2013年夏玉米和冬小麥的具體生育期數(shù)值。

1.2.3 產(chǎn)量數(shù)據(jù) 產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要包括1992—2013年黃淮海各?。ㄊ?，地區(qū)）的夏玉米和冬小麥播種面積、單產(chǎn)和總產(chǎn)量，整理摘錄自中國農(nóng)業(yè)信息中心。

本文對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的篩選和質(zhì)量控制，對極個別缺失的數(shù)據(jù)，例如某一氣象觀測站點(diǎn)個別日期的氣象數(shù)據(jù)，采用世界氣象組織規(guī)定的氣候標(biāo)準(zhǔn)時段（1980—2010年）的平均值進(jìn)行填充，并與該缺失值前后5年觀測值的平均值進(jìn)行比對。對于物候數(shù)據(jù)某一站點(diǎn)某一生育時期數(shù)據(jù)的缺失，采用該區(qū)域內(nèi)其他站點(diǎn)的平均值進(jìn)行估算，對該缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，剔除缺失數(shù)據(jù)的影響[17]。缺失數(shù)據(jù)量所占比例極小，氣象數(shù)據(jù)不超過數(shù)據(jù)總量的0.1‰，物候觀測數(shù)據(jù)約占數(shù)據(jù)量的1%，產(chǎn)量數(shù)據(jù)不存在缺失。因津京地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受城市化進(jìn)程沖擊較大，記錄數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，故不對其進(jìn)行過多研究。

1.3 分析方法

本研究主要運(yùn)用了數(shù)理統(tǒng)計的相關(guān)分析方法。

1.3.1 氣候變化 氣象數(shù)據(jù)處理是對82個氣象觀測站點(diǎn)，根據(jù)其附近農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)物候觀測多年的平均值（播種期和成熟期），分別計算出該站點(diǎn)夏玉米和冬小麥生長季內(nèi)各年的氣象指標(biāo)平均值；根據(jù)氣象站點(diǎn)所在不同省份分類，計算出各省夏玉米和冬小麥生長季內(nèi)各氣象指標(biāo)的年際平均數(shù)值，再根據(jù)各省的面積比加權(quán)計算出黃淮海區(qū)域夏玉米和冬小麥生長季的年際氣象數(shù)值，通過簡單一元線性模型分別對1992—2013年夏玉米生長季和冬小麥生長季溫度和降水量變化趨勢進(jìn)行擬合分析。

1.3.2 周年單產(chǎn)變化 產(chǎn)量數(shù)據(jù)依據(jù)記錄的夏玉米和冬小麥年單產(chǎn)進(jìn)行年際間的一元線性回歸分析，分析夏玉米-冬小麥種植模式的周年產(chǎn)量變化趨勢[18]。

1.3.3 生育進(jìn)程 各省年際間夏玉米和冬小麥物候數(shù)據(jù)平均值是通過計算不同年份研究區(qū)域內(nèi)不同省份各觀測站點(diǎn)的不同生育期的平均值獲得，而整個研究區(qū)域物候數(shù)據(jù)是按各省面積比加權(quán)計算出的平均值。氣候變化是一個長期而緩慢的過程，為了突顯這種變化，將1992—2013年這22年分為1992—1996年和2009—2013年首尾兩個5年時間段進(jìn)行比較分析，表征1992—2013年的氣候變化情況。通過處理得到的黃淮海地區(qū)不同省份的年際氣象數(shù)據(jù)和物候數(shù)據(jù)，分別計算1992—1996年和2009—2013年首尾兩個5年時間段的5年平均值，同樣將黃淮海地區(qū)氣象數(shù)據(jù)和物候數(shù)據(jù)分不同省進(jìn)行同樣處理，以分析研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)氣候變化對夏玉米-冬小麥的生育期及茬口推移影響情況。

1.3.4 氣候變化對周年產(chǎn)量的影響 作物產(chǎn)量變化除受氣候變化影響外，政策導(dǎo)向和科技的進(jìn)步等非氣候因素的影響同樣不容忽視。為了更準(zhǔn)確的分析氣候變化和作物產(chǎn)量之間的具體關(guān)系，必須剔除影響因素中的非氣候因子[19]。研究認(rèn)為年份的線性趨勢和二次趨勢可以看成剔除非氣候因素對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)[14,20]，Lobell的多元非線性回歸模型[21]考慮到了溫度、降水、技術(shù)進(jìn)步、政策等因子，以年份的二次回歸，分析出技術(shù)進(jìn)步和管理措施改進(jìn)帶來的產(chǎn)量增加趨勢。該模型是非線性的，不同于線性模型只利用偏平均值的方式，而是同時利用年際間的歷史氣象變量值（溫度和降水的平均值）來鑒定模型系數(shù)。因此在農(nóng)業(yè)氣候變化的背景下，這被看作是分析氣候變化對作物產(chǎn)量影響的有效舉措[22-23]。本研究首先利用Lobell的多元非線性回歸模型對夏玉米-冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行去趨勢處理，再進(jìn)一步對面板數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定氣候變化對周年產(chǎn)量的影響。即：

Log(Y)=c+d×+d×2+×X+

式中，為研究區(qū)的不同地區(qū)；=1992,…,2013，為年份時間變量；為固定效應(yīng)，為時間趨勢系數(shù)，為自變量參數(shù)，X為自變量，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和降水等氣候因子，Y為作物產(chǎn)量，ε為誤差項。

2 結(jié)果

2.1 夏玉米-冬小麥生長季內(nèi)氣候變化

1992—2013年黃淮海平原夏玉米-冬小麥生長季內(nèi)氣溫整體呈波動上升趨勢。從圖3-A、B可以看出，除冬小麥生長季最高溫度出現(xiàn)小幅下降趨勢外，其他溫度因子均表現(xiàn)為不同程度的增加。夏玉米生長季內(nèi)，最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫分別上漲0.44、0.10、0.20℃·(10a)-1，其中最低氣溫的上升幅度達(dá)到顯著水平。冬小麥生長季最低氣溫和平均氣溫分別上漲0.46和0.11℃·(10a)-1，最低氣溫上升幅度達(dá)顯著水平。溫度升高趨勢表現(xiàn)為最低溫度上升最明顯，其次為平均溫度，而最高溫度并未出現(xiàn)明顯變化。

降水量表現(xiàn)為小幅度的上升趨勢（圖3-C）。玉米生長季降水量以27.87 mm·(10a)-1的速度增加，小麥生長季降水量增幅較小，為4.61 mm·(10a)-1。整個夏玉米-冬小麥內(nèi)，降水量以32.48 mm·(10a)-1的速度緩慢增加，但年際間的波動性很大。

以1992—1996年和2009—2013年首尾兩個時間段表征的黃淮海1992—2013年間不同省（市、區(qū)域）的氣候因子變化情況（表1）。從溫度因子來看，各省、市、區(qū)域除冬小麥生長季最高溫度出現(xiàn)小幅下降外，其他溫度因子均表現(xiàn)為不同程度的增加，溫度上升0.1—0.9℃不等，尤其以最低溫度的上升最為明顯，其中山東省夏玉米生長季最低溫度上升達(dá)0.94℃，溫度升高較為明顯。整個研究區(qū)來看，夏玉米生長季最低溫度、最高溫度和平均溫度均表現(xiàn)為上升的趨勢，分別增加了0.86℃、0.52℃、0.61℃，冬小麥生長季最低溫度和平均溫度分別增加了0.55℃、0.15℃，最高溫度則降低了0.22℃。整個黃淮海地區(qū)降水總量并未發(fā)生顯著的變化，但不同區(qū)域降水量的空間差異較為明顯，年際間降水量的不穩(wěn)定性較為突出。

*表示顯著（P＜0.05） *represents significant at P＜0.05

2.2 夏玉米-冬小麥種植模式生育時間及茬口推移變化

1992—2013年來，黃淮海地區(qū)近5年（2009—2013年）與初始5年（1992—1996年）相比，夏玉米-冬小麥種植模式生育時間推移情況如圖4所示。氣候變暖的背景下，黃淮海各地區(qū)冬小麥播種時間均呈現(xiàn)不同程度的推遲，其中山東省推遲達(dá)6 d，而冬小麥?zhǔn)斋@期因不同地區(qū)播種時間推遲的程度不同體現(xiàn)出提前或推遲趨勢，但就冬小麥整個生育進(jìn)程來看，黃淮海各地區(qū)均表現(xiàn)為生育期縮短的趨勢，生育時長平均縮短3 d左右。夏玉米生育期推移情況呈現(xiàn)區(qū)域差異，東南部的江蘇及安徽北部和山東省夏玉米播種時間推遲，而位于黃淮海西部和北部的河南河北則呈現(xiàn)小幅度的提前。夏玉米收獲時間除河南省以外，均呈現(xiàn)推遲趨勢。整個地區(qū)總生育時長未發(fā)生顯著變化，但區(qū)域間的差異較為明顯，這可能與降水的區(qū)域差異有關(guān)。夏玉米以及冬小麥生育時間的變化，顯著改變了夏玉米-冬小麥種植模式的茬口時間，冬小麥生育時長的顯著縮短，使茬口時間出現(xiàn)不同程度的延長，導(dǎo)致了土地和熱量資源的浪費(fèi)。

表1 黃淮海不同地區(qū)夏玉米-冬小麥生長季氣象因子變化

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤average±standard error

2.3 夏玉米-冬小麥周年單產(chǎn)變化

1992—2013年來，黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式單產(chǎn)除江蘇和安徽北部的夏玉米外，均呈現(xiàn)年際間顯著增加的趨勢（表2）。無論夏玉米還是冬小麥，都表現(xiàn)為較大幅度的增產(chǎn)，其中冬小麥較夏玉米增產(chǎn)幅度更大，但增產(chǎn)表現(xiàn)不如夏玉米穩(wěn)定。不同省份地區(qū)來看，除江蘇和安徽夏玉米外，其他地區(qū)無論夏玉米還是冬小麥，增產(chǎn)均達(dá)到極顯著水平。其中夏玉米單位產(chǎn)量增加速度以山東省最為明顯，達(dá)到77.94 kg·hm-2·a-1，比黃淮海地區(qū)平均值高出25.39 kg·hm-2·a-1；冬小麥單產(chǎn)和夏玉米-冬小麥周年單產(chǎn)增速均以河南省最高，增幅分別為122.25和104.36 kg·hm-2·a-1，分別比黃淮海地區(qū)平均值高出36.28和29.01 kg·hm-2·a-1，表現(xiàn)出很明顯的增產(chǎn)趨勢，但變異度也最高。

2.4 氣候變暖對夏玉米-冬小麥種植模式周年單產(chǎn)的影響

農(nóng)作物產(chǎn)量不僅受到氣候變化調(diào)節(jié)，品種、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步等也對其有不可忽視的影響。依據(jù)面板數(shù)據(jù)分析，對黃淮海各省（市、地區(qū)）的周年產(chǎn)量對溫度和降水的敏感性進(jìn)行分析。溫度每升高1℃、降水每增加100 mm，夏玉米-冬小麥周年單產(chǎn)變化結(jié)果如圖5所示。

WS：小麥播種期Wheat sowing；WH：小麥?zhǔn)斋@期Wheat harvest；MS：玉米播種期Maize sowing；MH：玉米收獲期Maize harvest

表2 1992—2013年黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥單產(chǎn)變化

**表示在0.01水平上差異顯著；NS 表示無顯著性差異 **, significant difference at the 0.01 level; NS, no significance

溫度升高對整個黃淮海地區(qū)夏玉米單產(chǎn)的影響并不明顯，但不同地區(qū)間的差異較為顯著。河南省對溫度升高的響應(yīng)表現(xiàn)為正，最低溫度升高1℃產(chǎn)量上升達(dá)7.27%，而江蘇及安徽北部、山東和河北均表現(xiàn)為減產(chǎn)的負(fù)效應(yīng)，尤以安徽省北部最為明顯，最低溫度升高1℃減產(chǎn)8.04%。冬小麥產(chǎn)量對溫度升高的響應(yīng)以最低溫度最為明顯。不同地區(qū)來看，河南、河北和安徽北部表現(xiàn)為正效應(yīng)，其中安徽北部增產(chǎn)幅度最大，最低溫度上升1℃增產(chǎn)3.95%，山東和江蘇北部表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，減產(chǎn)幅度基本相同。整個黃淮海地區(qū)小麥對溫度的整體響應(yīng)表現(xiàn)為正效應(yīng)，溫度上升1℃產(chǎn)量增加1%左右，3個溫度因子的影響程度基本相同。溫度升高對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥周年單產(chǎn)有小幅度的促進(jìn)作用，這主要是由于河南和安徽較大程度的增產(chǎn)效應(yīng)抵消了山東和江蘇的負(fù)面影響。

圖5 黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式周年單產(chǎn)對溫度（+1℃）和降水（+100 mm）敏感性的面板數(shù)據(jù)分析

降水增加對夏玉米產(chǎn)量影響的區(qū)域性差異較大，對夏季較為干旱的山東和河北，降水的增產(chǎn)效果明顯，每增加100 mm降水，河北省夏玉米單產(chǎn)增加6.47%；而對處于南部的河南省以及安徽和江蘇北部，降水增加則會導(dǎo)致不同程度的減產(chǎn)。整個黃淮海地區(qū)夏玉米對降水的響應(yīng)表現(xiàn)為正效應(yīng)，每增加100 mm降水，產(chǎn)量增加1.96%。而冬小麥單產(chǎn)對降水增加的反饋在黃淮海不同地區(qū)表現(xiàn)基本相同，除河北表現(xiàn)為小幅增產(chǎn)外，其他地區(qū)均表現(xiàn)為減產(chǎn)，其中安徽及江蘇北部最為明顯，減產(chǎn)幅度分別達(dá)到8.03%和4.73%。整個黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式周年單產(chǎn)對降水的響應(yīng)整體表現(xiàn)為每增加100 mm降水減產(chǎn)0.52%，且不同地區(qū)的差異較大，位于黃淮海南部的河南、江蘇和安徽影響為負(fù)，北部的河北和山東影響為正，這和南北降水差異有關(guān)。

3 討論

以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已得到各界學(xué)者的公認(rèn)。黃淮海平原作為中國氣候變化敏感區(qū)之一，農(nóng)業(yè)氣候資源在氣候變化背景下發(fā)生顯著變化[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，1992—2013年黃淮海平原冬小麥和夏玉米生長季最高溫度和平均溫度變化不明顯，但最低溫度呈現(xiàn)顯著上升趨勢。不同地區(qū)溫度上升幅度存在區(qū)域差異，以山東省溫度升高最為明顯，西部和北部的河南和河北溫度升高幅度相對較低，但均表現(xiàn)為最低氣溫上升幅度顯著高于最高溫度和平均溫度。這與全球氣候溫度上升的區(qū)域差異性和最低溫度較最高溫度增加明顯的特征相一致。

氣候變暖對作物生育進(jìn)程的影響因作物類型的不同而存在顯著差異[25]。以往的研究中，冬小麥對氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)為生育期的明顯縮短[4,26]，這與本研究的結(jié)果相一致，不同地區(qū)冬小麥全生育期縮短2—5 d不等，這與不同地區(qū)背景溫度以及溫度增加幅度的不同有關(guān)。而夏玉米生育期在本研究中整體推移變化并不明顯，且存在明顯的區(qū)域差異。這一方面是由于黃淮海地區(qū)夏季溫度基數(shù)大，小幅度的溫度增加效果不明顯，且夏玉米生長的積溫需求比冬小麥高得多，溫度升高對夏玉米生育期的影響相對冬小麥較?。涣硪环矫嬗衩鬃鳛槎倘照兆魑飳庵芷谳^為敏感[27]，日長效應(yīng)也需要考慮，同時夏季降水在時間和空間上的差異也增加了黃淮海地區(qū)夏玉米生育期推移研究的復(fù)雜性。氣候變化對冬小麥和夏玉米生育期的影響，尤其是冬小麥全生育期的縮短，使夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)茬口時間出現(xiàn)一定時間的延長，造成了氣候資源和土地資源的浪費(fèi)，而溫度升高有利于喜溫和晚熟品種的種植[28]，因此選擇適合早播、生育期長的夏玉米品種，調(diào)整夏玉米-冬小麥的播期和種植結(jié)構(gòu)，對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥生產(chǎn)具有重要意義。本研究只研究了夏玉米-冬小麥全生育期的變化推移情況，對于夏玉米-冬小麥的營養(yǎng)生長和生殖生長的具體生育階段沒有進(jìn)行過多研究，而以往的研究表明無論是夏玉米還是冬小麥，營養(yǎng)生長和生殖生長不同階段對氣候變化的響應(yīng)存在顯著差異[29-30]，因此之后的研究方向可集中在黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥系統(tǒng)不同生育階段上。

氣候變暖對黃淮海平原夏玉米-冬小麥種植模式產(chǎn)量的影響既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。溫度升高使夏玉米-冬小麥生長季積溫升高，有利于作物生產(chǎn)[31]，但溫度升高提前滿足了作物積溫需求，導(dǎo)致物候提前和生育期縮短[32]。因此在這種綜合影響下，增溫對冬小麥產(chǎn)量的影響目前尚無定論[33]。在本研究中，除安徽北部和河南省小麥產(chǎn)量對溫度升高表現(xiàn)為正效應(yīng)外，山東、河北、江蘇北部均表現(xiàn)為減產(chǎn)的負(fù)效應(yīng)。從地理位置來看，安徽北部和河南省較其他3個地區(qū)更加靠近內(nèi)陸，地理位置的差異導(dǎo)致了小麥產(chǎn)量對氣候變暖響應(yīng)的差異。許多研究表明氣候變暖對夏玉米產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為下降[34-35]，本研究中除河南省外，其他地區(qū)玉米產(chǎn)量對溫度升高的響應(yīng)均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，這與以往的研究結(jié)果相類似。而河南省夏玉米季溫度升高的幅度在所有黃淮海地區(qū)中是最低的，因此較低水平的增溫是否對夏玉米產(chǎn)量具有一定的促進(jìn)作用有待探究，尤其在水分適宜的情況下，有研究表明溫度升高對玉米產(chǎn)量有促進(jìn)作用[36]，暖濕氣候有利于玉米的生產(chǎn)[37]。氣候變暖使降水的區(qū)域差異更加明顯，而水分條件是夏玉米-冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[38]，降水在時間和空間上的改變對研究區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式是一個嚴(yán)峻考驗。本研究中夏玉米-冬小麥種植模式周年單產(chǎn)對降水的敏感性分析也表明了氣候變暖帶來的降水區(qū)域性影響差異，降水增加對黃淮海北部較為干旱的河北和山東有促進(jìn)作用，對較為濕潤的南部地區(qū)則相反。此外，有研究表明，氣候變暖使中國多熟制的北界發(fā)生不同程度的北移，雨養(yǎng)區(qū)冬小麥-夏玉米作物系統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)北界因該區(qū)降水的減少向東南方向移動[39-41]。而本研究結(jié)果表明黃淮海地區(qū)在氣候變暖的背景下降水量呈現(xiàn)小幅的增加趨勢，這對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式的生產(chǎn)十分有利。

氣候變暖對作物系統(tǒng)的影響不僅表現(xiàn)為平均態(tài)影響，非常態(tài)影響更為突出，如氣候波動加劇，極端氣候天氣增加，災(zāi)害性事件頻率和強(qiáng)度增加等[42]。本研究僅就溫度和降水的平均變化作了探討，在一定程度上可定量反映氣候變化對夏玉米-冬小麥種植模式的影響，但對于氣候因子在時間分布、以及極端氣候事件等方面并沒有涉及，還存在一定的不確定性。從全球變化和區(qū)域糧食生產(chǎn)的角度來看，作物系統(tǒng)的適應(yīng)性調(diào)整是一個長期而緩慢的過程，只有深刻認(rèn)識氣候變化特征及作物的響應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而調(diào)整作物栽培和管理模式，才能不斷提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變暖和應(yīng)對氣候災(zāi)害的能力，保障區(qū)域和國家糧食安全。

4 結(jié)論

近年來氣候變化對黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥種植模式產(chǎn)生了較大影響。氣候變暖使黃淮海地區(qū)夏玉米-冬小麥生長季內(nèi)溫度升高，尤以最低溫度上升最為明顯，同時改變了降水在時間和空間上的分布。氣候變暖使冬小麥播種時間推遲，生育期縮短，夏玉米生育時長無明顯變化，但區(qū)域差異顯著，生育進(jìn)程的改變延長了夏玉米-冬小麥種植模式的茬口時間，造成了氣候資源和土地資源的浪費(fèi)。1992—2013年黃淮海平原夏玉米-冬小麥周年單產(chǎn)顯著提高，溫度升高和降水增加對產(chǎn)量的影響存在區(qū)域差異，但整體來看升溫使夏玉米減產(chǎn)，冬小麥增產(chǎn)；降水增加對黃淮海北部夏玉米產(chǎn)量有促進(jìn)作用，對南部則有抑制作用，對研究區(qū)內(nèi)冬小麥基本表現(xiàn)為產(chǎn)量的抑制。選擇適合早播且生育期長的夏玉米品種可有效保障夏玉米-冬小麥種植模式周年產(chǎn)量。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Climate Change on Cropping Pattern and Yield of Summer Maize-Winter Wheat in Huang-Huai-Hai Plain

SUN XinSu, LONG ZhiWei, SONG GuangPeng, CHEN ChangQing

(Institute of Applied Ecology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)

【Objective】Global climate is changing significantly characterized by warming. Exploring the influence of climate warming on winter wheat-summer maize cropping system in Huang-Huai-Hai Plain (HHH) to provide a theoretical foundation for formulating reasonable counter measures. 【Method】The meteorological data, phenological data and yield data of HHH during 1992-2013 were used to analyze the effect of climate change on summer maize-winter wheat system by the mathematical statistics analysis method. The meteorological information including the temperature and precipitation data were obtained from China Meteorological Administration. Climate change of HHH area during 1992-2013 were analyzed by monadic linear regression. Through the weighted average of phenological data, the growth period and stubbles changes of summer maize-winter wheat were analyzed. The summer maize-winter wheat yields during 1992-2013 were analyzed by monadic linear regression. What’s more, nonlinear regression analysis and panel data sensitivity analysis were used to analyze the effect of climate change on annual yield of summer maize-winter wheat.【Result】The temperature of HHH showed a rising trend while precipitation generally remained unchange in the 1992-2013, but the regional difference was obvious. Climate change significantly changed the summer maize and winter wheat planting system: The whole growth stages of winter wheat observably shortened by 2 to 5 days in different regions with sowing time delayed. Sowing time of maize showed a difference of southern delay but northern advance while mature time delayed in general. What’s more, there was no significant change of summer maize growth period in the whole area. Stubbles time of summer maize-winter wheat was postponed because of the change of growth period, which led to the waste of climatic resources and land resources. In recent years, the anniversary yields of summer maize and winter wheat showed a significant rising trend in HHH. Climate sensitivity analysis showed that the impact of low temperature, high temperature and average temperature on winter wheat yield was alike, the yield in Jiangsu and Shandong yield decreased while that in Hebei and Henan increased, which the minimum temperature showed a significant effect. In the whole HHH plain, summer maize yield was reduced in different degrees when temperature rising except Henan province because of the difference of temperature rise range and precipitation. There were regional difference of annual yield affected by climate changes due to the regional difference of precipitation. Effect of climate change on annual yield was different that yield in north was increased but decreased in south, so choosing appropriate summer maize varieties is meaningful to guarantee the annual yield. 【Conclusion】Global warming delayed the winter wheat sowing time and shortened winter wheat growing period. It also made summer maize growth period changed that is extended in the north but that is shortened in the south. The prolonged stubbles owing to the shortened growth period led to the waste of climatic resources and land resources. Actual anniversary yield showed a significantly increasing trend in recent years. Effect of increasing temperature and precipitation had regional differences. Generally speaking, temperature rise made maize yield reduced and wheat yield increased, while precipitation made maize yield in northern HHH increased and maize yield reduced in the southern HHH as well as wheat production decreased in different degrees.

climate change; summer maize-winter wheat; cropping pattern; yield

2016-10-13；接受日期：2017-05-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2010CB951501）、“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAD16B14）

孫新素，E-mail：15851800979@163.com。通信作者陳長青，E-mail：c0828@126.com