1961?2015年華北平原夏玉米生長季氣候年型及其影響分析*

馬雪晴，胡 琦**，潘學(xué)標(biāo)，王 靖，胡莉婷，李 娥，黃彬香，何奇瑾

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1961?2015年華北平原夏玉米生長季氣候年型及其影響分析*

馬雪晴1,2，胡 琦1,2**，潘學(xué)標(biāo)1,2，王 靖1,2，胡莉婷1,2，李 娥1,2，黃彬香1,2，何奇瑾1,2

（1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2．農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，呼和浩特 011700）

利用華北平原夏玉米種植區(qū)55個氣象站點1961?2015年逐日地面觀測資料，依據(jù)夏玉米生長季平均氣溫、太陽總輻射和降水量的異常度劃分10個氣候年型，分析氣候年型及其潛在產(chǎn)量的空間分布和變化特征，定量研究氣候變化對不同氣候年型的影響。結(jié)果表明：近55a來華北平原夏玉米生長季少雨年型發(fā)生頻次最多，平均為15.8次；多雨年型和寡照年型次之，暖濕年型和高溫年型最少。河北中部和山東的中部地區(qū)容易出現(xiàn)少雨年型和多雨年型，暖干年型主要出現(xiàn)在華北平原北部地區(qū)，寡照年型空間差異性較小。20世紀(jì)90年代以來研究區(qū)正常年型和多雨年型發(fā)生的頻率顯著減少，暖年（暖干年型、暖濕年型和高溫年型）和寡照年型顯著增加（P<0.05）。降水和光照是限制華北平原夏玉米氣候潛在產(chǎn)量的主要因子，與正常年型相比，降水偏少的年型（少雨年型、暖干年型和冷干年型）氣候潛在產(chǎn)量減少超過15%，其中暖干年型對潛在產(chǎn)量影響最大；寡照年型下潛在產(chǎn)量減少了12.5%，且地區(qū)間存在顯著差異。

華北平原；氣候年型；夏玉米；氣候潛在產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)氣候資源是制約區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿Φ闹匾蜃覽1]，其中熱量資源、光照資源和水分資源與作物生長發(fā)育有著密切關(guān)系[2]。氣候年型由年際間農(nóng)業(yè)氣候資源要素的數(shù)量多寡及組合狀況決定，其在一定程度上影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)與農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。在以全球變暖為主要特征的氣候變化背景下[4]，地區(qū)間光、溫、水等農(nóng)業(yè)氣候資源也隨之發(fā)生改變[5?7]，這必然導(dǎo)致氣候年型的波動和變化，進而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[8]。因此，有關(guān)氣候變化對氣候資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究引起了各國科學(xué)家的重視[9?10]，一些學(xué)者也分析了中國不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征，并研究了氣候資源變化給小麥（L.）、玉米（Linn.）、水稻（L.）等糧食作物生產(chǎn)帶來的影響[11?13]。

華北平原是中國主要的麥玉生產(chǎn)基地，在國家糧食安全和國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位[14]。中華人民共和國國家統(tǒng)計局（National Bureau of Statistics of China）數(shù)據(jù)顯示，2016年華北平原玉米播種面積和產(chǎn)量分別占全國玉米總播種面積和產(chǎn)量的30.8%和29.2%。研究表明，氣候變化使華北平原氣候資源發(fā)生了明顯改變，表現(xiàn)為顯著的變暖變暗趨勢[15?16]和日益尖銳的農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾[17?18]，對該地區(qū)夏玉米生育期[19]和產(chǎn)量等均產(chǎn)生了一定影響[20]。然而，這些研究大多只針對單個或兩個氣候資源因子進行時空變化和產(chǎn)量影響分析，缺乏對氣候變化背景下華北平原夏玉米生長季內(nèi)光熱水資源的綜合研究，特別是有關(guān)不同氣候資源因子組合的氣候年型變化及其對夏玉米生產(chǎn)影響的研究報道較為鮮見。本研究擬根據(jù)夏玉米生長季平均氣溫、太陽輻射和降水量的異常度劃分10個氣候年型，解析1961?2015年華北平原氣候年型及其潛在產(chǎn)量的空間分布和變化特征，定量研究氣候變化對氣候年型的影響，旨在明確華北地區(qū)氣候變化導(dǎo)致的光溫水資源組合變化及其潛在產(chǎn)量閾值，為合理利用氣候資源、縮小產(chǎn)量差距提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

選擇華北平原夏玉米種植區(qū)京、津、冀、豫、魯?shù)?省市具有1961?2015年完整時間序列逐日氣象資料的臺站，共計55個，如圖1所示。氣象數(shù)據(jù)源來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），包括逐日平均氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、降水量（mm）、日照時數(shù)（h）、相對濕度（%）和風(fēng)速（m·s?1）等要素。數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制和檢查，缺測率約1‰，缺測的氣象要素采用Matlab編程進行訂正：若缺測時間序列<5d，缺測值采用線性插值方法代替；若缺測時間序列≥5d，則采用同一日值的多年平均值代替。

從中華人民共和國國家統(tǒng)計局（http://www.stats. gov.cn）獲取1961?2015年華北平原5省市逐年夏玉米單位面積產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域及55個氣象站點分布

1.2 計算方法

1.2.1 生長季太陽總輻射

生長季太陽總輻射由逐日太陽輻射（Q，MJ×m?2）累加而得，Q根據(jù)經(jīng)驗公式計算[16]，即

式中，n、N分別為日實際日照時數(shù)（h）和最大可能日照時數(shù)（h），由逐日數(shù)據(jù)累加而來，a、b為經(jīng)驗系數(shù)，和清華等[21]利用中國54個站1961?2000年逐日太陽輻射觀測數(shù)據(jù)和日照百分率資料，對a、b經(jīng)驗系數(shù)進行全國分區(qū)域訂正，給出中國東部地區(qū)a、b值分別為0.143和0.585。

Q0為日天文總輻射（MJ×m?2），其計算式為

式中，T為一天的周期（24×60min），I0為太陽常數(shù)（0.082MJ·m?2·min?1），ω為時角（rad），φ為地理緯度（rad），δ為太陽赤緯（rad），1/ρ2--為地球軌道偏心率訂正系數(shù)，計算式分別為

式中，θ為日角（rad），dn為日序，以1月1日為1，1月2日為2，依次類推。

1.2.2 異常度

農(nóng)業(yè)氣候要素異常度C是指氣候要素偏離序列平均值的程度，即

式中，Y為逐年夏玉米生長季太陽總輻射（MJ×m?2）、平均氣溫（℃）和降水量（mm）；Yp為研究時段內(nèi)夏玉米生長季各氣候要素序列的多年平均值，s為其標(biāo)準(zhǔn)差。

參考文獻[22?23]，根據(jù)歷年平均氣溫、降水量和太陽總輻射等氣候要素異常度劃分等級，如表1所示。

表1 年氣候要素異常度（C）的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 農(nóng)作物氣候年型劃分方法

依據(jù)農(nóng)業(yè)氣候要素異常度的不同組合劃分農(nóng)作物氣候年型。由于3種氣象要素的組合類型較多（27種），系統(tǒng)研究較為困難，且計算中發(fā)現(xiàn)輻射的異常度變化幅度較小。因此，先依據(jù)夏玉米生長季平均氣溫和降水量異常度劃分出8種水熱年型，分別為高溫年型、暖濕年型、暖干年型、低溫年型、冷濕年型、冷干年型、多雨年型和少雨年型，然后挑選太陽總輻射異常度偏少年（C＜?1）作為寡照年型進行分析，以平均氣溫異常度正常、降水量異常度正常以及太陽總輻射異常度正?；蚱酁檎Ｄ?。具體氣候年型及劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 依據(jù)氣候異常度組合劃分農(nóng)作物氣候年型的標(biāo)準(zhǔn)

注：?表示不考慮該要素異常度，即包含多、正常或少。

Note: ? represents the element abnormality is not considered, i.e., it contains much, normal or little.

1.2.4 氣候潛在產(chǎn)量

氣候潛在產(chǎn)量是在一定的光、溫、水條件下，其它環(huán)境因素（二氧化碳、養(yǎng)分等）和作物群體因素處于最適宜狀態(tài)，作物利用當(dāng)?shù)氐墓?、溫、水資源的潛在生產(chǎn)力[24?25]。采用分段線性擬合法對光合潛在產(chǎn)量進行溫度和降水訂正，得到氣候潛在產(chǎn)量[25]，即

式中，y為氣候潛在產(chǎn)量（kg·hm?2），y0為光合潛在產(chǎn)量（kg·hm?2），采用龍斯玉（1976）提出的線性經(jīng)驗?zāi)Ｐ头▽0進行估算[26]，即

式中，Q為生長季太陽總輻射（MJ·m?2）；k為光合有效輻射換算系數(shù)，取值0.49；A為大田作物群體反射率，取值0.07；B為漏射率，取值0.06；η為光能利用率，取值0.16；c為經(jīng)濟系數(shù)，取值0.30，q為植物有機物的含熱率，取值17.81kJ·g?1；g為植物有機體中的灰分含量，取值0.08；h為產(chǎn)量中的水分含量，通常統(tǒng)計數(shù)據(jù)中實際產(chǎn)量籽粒含水率約為15%，因此，為便于光溫潛在產(chǎn)量與統(tǒng)計單產(chǎn)比較，y0折合成籽粒含水率為15%時的產(chǎn)量。

f(t）為溫度訂正函數(shù)，計算式為

式中，t為某一生育期平均溫度（℃），tmin、t0、tmax分別為該生育期下限溫度、最適溫度和上限溫度（℃）。夏玉米不同生長階段下限溫度、最適溫度和上限溫度均不相同，因此，將生育期分為4個階段進行計算，具體參數(shù)如表3所示。

表3 夏玉米不同生育期三基點溫度經(jīng)驗值

注：tmin為下限溫度；t0為最適溫度；tmax為上限溫度。

Note：tminis lower limit temperature；t0is optimum temperature；tmaxis upper limit temperature.

f(P)為降水訂正函數(shù)，計算式為

式中，ET為某一生育期夏玉米需水量（mm），為該生育期參考作物蒸散ET0與作物系數(shù)Kc的乘積。ET0采用Penman?Monteith公式，具體計算方法及參數(shù)說明參照文獻[27]。播種?拔節(jié)期和抽雄?灌漿期Kc值分別恒定為0.3和1.2；拔節(jié)?抽雄期和灌漿?成熟期Kc值采用線性內(nèi)插方法得到。

P為當(dāng)前生育期總降水量（mm），計算中考慮了上一生育期的水分盈余對下一個生育期的影響，即當(dāng)前生育期總降水量P為當(dāng)前生育期降水量（P0）與上一生育期的水分盈余量（PS）之和。對上一生育期的水分盈余表達為：若P＜ET，則PS=0；若P≥ET，則PS=P?ET。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)南北跨度較大，為方便空間結(jié)果比較，夏玉米生長季統(tǒng)一按6月10日?10月10日計算，分別計算研究區(qū)各站夏玉米生長季平均氣溫、太陽總輻射和降水量的異常度，根據(jù)其異常度的不同組合逐年確定氣候年型，統(tǒng)計分析1961?2015年華北平原夏玉米生長季不同氣候年型發(fā)生的次數(shù)（頻次）及空間分布特征。同時為比較其時段變化特征，將1961?2015年劃分為2個時段，時段1（P1）：1961? 1990年；時段2（P2）：1991?2015年。

數(shù)據(jù)處理均利用Matlab2014軟件實現(xiàn)；空間分布圖利用ArcGIS10.1軟件反距離權(quán)重插值法（Inverse Distance Weighted Interpolation，IDW）制作，分辨率為0.02°；箱式圖采用Excel 2016軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 華北平原夏玉米生長季氣候年型分析

根據(jù)每個站點1961?2015年的氣溫、降水量和日照時數(shù)資料逐年計算各站點夏玉米生長季氣候年型，并統(tǒng)計各站點不同氣候年型發(fā)生的頻次，結(jié)果見圖2。由圖可見，近55a華北平原夏玉米生長季少雨年型發(fā)生頻次最多，平均為15.8±2.9次；多雨年型和寡照年型次之，發(fā)生頻次分別為12.4±2.4次和9.5±1.3次；再次為正常年型和暖干年型。冷干年型、低溫年型、暖濕年型和高溫年型在研究區(qū)較少見，平均小于2次，因此，相關(guān)氣候年型及其對產(chǎn)量影響的空間分布分析不涉及這4種年型。

一般而言，寡照常與低溫、多雨天氣伴隨發(fā)生，因此，將寡照年型中的不同光熱年型構(gòu)成作進一步區(qū)分，明確寡照年型中光熱資源的組合狀況，如表4所示。由表可見，近55a華北平原夏玉米生長季寡照年型中多雨年型（陰雨寡照）發(fā)生頻次最多，占寡照年型總次數(shù)的24.3%。正常的水熱年型中也較易發(fā)生寡照年型，平均發(fā)生頻次為1.9次，少雨年型和冷濕年型再次之，發(fā)生頻次大于1.5次。

為了克服傳統(tǒng)軟閾值和硬閾值函數(shù)存在的缺點,國內(nèi)外學(xué)者對小波閾值函數(shù)進行大量研究,提出了很多改進方案或者新的閾值函數(shù)。文獻[12]提出了一種新的雙閾值函數(shù)的方法,

圖2 1961?2015年華北平原55個站點夏玉米生長季不同氣候年型平均頻次箱式圖

注：矩形的上下短橫線表示最大值和最小值，空心圓表示離群值。下同。

Note: The upper and lower short horizontal bars on the rectangular represent maximum and minimum values, and hollow circles represent outliers. The same as below.

表4 寡照年型中不同水熱年型發(fā)生頻次構(gòu)成分析

注：正常水熱年型指平均溫度和降水量正常，但太陽總輻射偏少的年型。

Note: The normal hydrothermal year(NH) represents the year in which the mean temperature and precipitation are normal but the total solar radiation is low.

1961?2015年華北平原正常年型出現(xiàn)的頻次在2～14次，空間分布上，研究區(qū)西部出現(xiàn)正常年型的頻次最高，高于10次；山東中部出現(xiàn)正常年型的頻次最低，低于5次（圖3a）。少雨年型主要出現(xiàn)在36°?40°N，包括河北中部和山東的中部地區(qū)，發(fā)生頻次高于16次（圖3b）。河北西南部地區(qū)出現(xiàn)多雨年型的頻次最低，低于10次；其余大部分地區(qū)出現(xiàn)多雨年型的頻次高于12次，其中山東中部地區(qū)發(fā)生頻次高于14次，表明該地區(qū)降水變異較大，容易出現(xiàn)少雨年型和多雨年型（圖3c）。暖干年型主要出現(xiàn)在研究區(qū)北部地區(qū)，其余地區(qū)發(fā)生頻次低于6次（圖3d）。研究區(qū)冷濕年型出現(xiàn)次數(shù)較少，大部分地區(qū)發(fā)生頻次均在4次以下（圖3e）。近55a華北平原寡照年型發(fā)生頻次在6～13次，空間差異性較小，大部分地區(qū)發(fā)生頻次集中在9次和10次，僅在河北西南部和山東的西部邊緣等地區(qū)出現(xiàn)頻次高于10次（圖3f）。

2.2 華北平原夏玉米生長季不同氣候年型下潛在產(chǎn)量分析

利用1961?2015年華北平原夏玉米生長季熱量、太陽總輻射和降水資料計算各站點逐年氣候潛在產(chǎn)量，并與當(dāng)年氣候年型進行對應(yīng)分析，結(jié)果見圖4。由圖可見，正常年型下華北平原夏玉米氣候潛在產(chǎn)量在15.4～23.6t·hm?2，所有站點多年平均約為19.9t·hm?2，多雨年型、暖濕年型和高溫年型利于玉米生產(chǎn)，潛在產(chǎn)量分別增加2.6%、3.9%和2.1%。降水偏少的年型（少雨年型、暖干年型和冷干年型）氣候潛在產(chǎn)量最低，與正常年型相比減產(chǎn)率超過15%，其中暖干年型氣候潛在產(chǎn)量減少幅度最大，平均減少了24.5%。寡照年型下夏玉米氣候潛在產(chǎn)量較正常年型偏低，平均減少12.5%

圖3 研究區(qū)1961?2015年夏玉米生長季氣候年型出現(xiàn)頻次的空間分布

圖4 1961?2015年華北平原55個站點不同氣候年型夏玉米潛在產(chǎn)量箱式圖

以上研究表明，降水是限制華北平原夏玉米氣候潛在產(chǎn)量的主要因子，對此，進一步分析不同年型下夏玉米生長季的水分虧缺情況。根據(jù)不同站點逐年夏玉米生長季降水量（P）和需水量（ET）計算不同年型下的濕潤指數(shù)（P/ET），如圖5所示。正常年型下濕潤指數(shù)平均為1.1±0.2，表明研究區(qū)夏玉米生長季降水量略大于需水量，自然降水基本能夠滿足夏玉米生長需求；多雨年型、冷濕年型和暖濕年型夏玉米生長季降水充沛，超過需水量的50%以上；少雨年型、冷干型和暖干年型降水量分別占需水量的77.3%、89.5%和68.9%，降水不足成為限制這三種年型夏玉米氣候潛在產(chǎn)量高低的主要因子。寡照年型下濕潤指數(shù)平均為1.4±0.3，夏玉米生長季降水量大于需水量，因此，該種年型下氣候潛在產(chǎn)量降低主要是輻射資源和熱量資源導(dǎo)致的。

圖5 1961?2015年華北平原不同氣候年型夏玉米生長季濕潤指數(shù)分析

1961?2015年各站點不同氣候年型下（不包括冷干年型、低溫年型、暖濕年型和高溫年型）的夏玉米氣候潛在產(chǎn)量較正常年型下潛在產(chǎn)量的變化率，其空間分布見圖6。由圖可見，華北平原絕大部分區(qū)域少雨年型、暖干年型和寡照年型下的夏玉米氣候潛在產(chǎn)量變化率為負值，其中研究區(qū)中西部地區(qū)（包括山東西部、河北中部和南部、河南中北部等地區(qū)）少雨年型和暖干年型對潛在產(chǎn)量影響最大，減產(chǎn)率分別大于20%和30%（圖6a和6c）；相對的，寡照年型主要影響華北平原北部和東南部地區(qū)，潛在產(chǎn)量減少率大于15%，對西南部和東部地區(qū)影響較少（圖6d）。多雨年型和冷濕年型下氣候潛在產(chǎn)量變化率的變幅較大，不同地區(qū)間存在明顯的差異。其中多雨年型下研究區(qū)中西部地區(qū)潛在產(chǎn)量增加了5%以上，東部地區(qū)則有一定程度的減產(chǎn)（圖6b）。冷濕年型下華北平原北部、東部和西南部地區(qū)氣候潛在產(chǎn)量減少，變化率為正值的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中西部地區(qū)（圖6e）。

2.3 氣候變化對華北平原夏玉米生長季氣候年型及產(chǎn)量的影響

將1961?2015年劃分為1961?1990年（P1）和1991?2015年（P2）2個時段，計算每個時段內(nèi)華北平原夏玉米生長季不同氣候年型發(fā)生的次數(shù)，由于兩個時段的時間序列長度不同，二者的對比分析以頻率表示，結(jié)果見圖7。由圖可知，P1時段與P2時段的少雨年型和冷年（低溫年型、冷干年型和冷濕年型）發(fā)生頻率無顯著性差異。與P1時段相比，P2時段的正常年型和多雨年型的發(fā)生頻率顯著減少（P<0.05）；暖年（暖干年型、暖濕年型和高溫年型）和寡照年型則顯著增加（P<0.05），其中暖干年型和寡照年型發(fā)生頻率變化幅度最大，分別增加了0.96次·10a?1和2.92次·10a?1，表明氣候變暖導(dǎo)致的光溫水資源的變化對研究區(qū)夏玉米生長季的氣候年型變化有著重要影響。

圖6 華北平原不同氣候年型下夏玉米氣候潛在產(chǎn)量較正常年型變化率（%）的空間分布（1961?2015年）

研究區(qū)夏玉米生長季的氣候年型變化影響了兩個時段夏玉米氣候潛在產(chǎn)量。圖8a顯示了華北平原1961?2015年夏玉米氣候潛在產(chǎn)量的趨勢變化。由圖可知，近55a來夏玉米氣候潛在產(chǎn)量呈波動下降趨勢，與P1時段相比，P2時段的氣候潛在產(chǎn)量約減少5%。但華北平原玉米實際單位面積產(chǎn)量呈顯著增加趨勢（P<0.05），京津地區(qū)、河北、山東和河南等省市的玉米實際單位面積產(chǎn)量也均呈類似的變化趨勢（圖4b1、圖4b2），其中山東省玉米實際單產(chǎn)增加速率達1103.5kg·hm?2。表明可以通過改良品種、合理灌溉、增施肥料等農(nóng)藝措施和技術(shù)手段提高不利氣候年型的產(chǎn)量，與氣候潛在產(chǎn)量相比，區(qū)域夏玉米實際產(chǎn)量仍有極大上升空間。

圖7 不同時段研究區(qū)夏玉米生長季氣候年型分析

注：短線為誤差線，*表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Note: The short vertical line represents the error,*indicates P<0.05.

圖8 1961?2015年華北平原及各省市玉米單位面積產(chǎn)量年際變化分析

3 結(jié)論與討論

在全球氣候變化背景下，華北平原農(nóng)業(yè)氣候資源（包括熱量資源、輻射資源和水分資源）也發(fā)生了相應(yīng)變化，這些變化對該區(qū)域的氣候年型以及糧食生產(chǎn)將產(chǎn)生重大影響。大量觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)表明華北平原經(jīng)歷了明顯的變暖過程[15]，特別是20世紀(jì)80年代中期以后氣溫升高趨勢更顯著[28]，夏玉米生長季熱量資源也更加豐富。與P1時段（1961?1990年）相比，90年代以后暖年（暖干年型、暖濕年型和高溫年型）呈顯著增加的趨勢。氣候“變暗”是研究區(qū)另一個重要的變化特征，孟林等[19]研究指出，華北平原夏玉米生長季太陽輻射呈顯著下降趨勢，對夏玉米生產(chǎn)產(chǎn)生了消極影響。相應(yīng)地，本研究結(jié)果表明，氣候“變暗”使華北平原90年代以后寡照年型的發(fā)生頻率顯著增加，其中寡照多雨年型占多數(shù)。就降水資源而言，近50a來華北地區(qū)春季降水呈現(xiàn)小幅下降趨勢，夏季降水量則無明顯變化[29]，本研究亦表明，少雨年型在兩個時段內(nèi)發(fā)生頻率沒有顯著性差異，但多雨年型發(fā)生頻率顯著減少。

作物生長發(fā)育與熱量資源、輻射資源和水分資源有著密切關(guān)系[2]，不同氣候年型由于其氣候資源的組合差異，影響了夏玉米的生產(chǎn)潛力。本研究表明，造成華北平原夏玉米氣候潛在產(chǎn)量波動的最主要影響因子為降水，與正常年型相比，降水偏少的年型（少雨年型、暖干年型和冷干年型）氣候潛在產(chǎn)量減產(chǎn)率大于15%，其中暖干年型潛在產(chǎn)量減幅達到24.5%。其次為光照影響，寡照年型下夏玉米氣候潛在產(chǎn)量減少10%以上。分析不同年型下夏玉米生長季水分虧缺情況發(fā)現(xiàn)，正常年型下生長季降水量基本能夠滿足夏玉米生長需求，莫興國等[30]也有類似的研究結(jié)果。降水偏少的年型降水量占需水量的68.9%～89.5%，降水不足成為限制降水偏少年型夏玉米氣候潛在產(chǎn)量高低的主要原因。寡照年型下夏玉米生長季降水量大于需水量，因此，其氣候潛在產(chǎn)量降低主要是輻射資源和熱量資源減少導(dǎo)致的，楊鵬宇等[31]綜合熱量和輻射資源研究發(fā)現(xiàn)，華北平原夏玉米潛在產(chǎn)量呈顯著下降趨勢，表明華北平原輻射資源減少對光溫生產(chǎn)潛力的負作用大于熱量資源增加帶來的正作用。需要指出的是，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明目前研究區(qū)夏玉米實際產(chǎn)量水平較低，近15a（2001?2015年）華北平原夏玉米單位面積產(chǎn)量為5.3t·hm?2，不足氣候潛在產(chǎn)量的35%，光能利用率僅（1.06±0.11）%，而夏玉米高產(chǎn)記錄已達20.03t·hm?2（2014年，山東萊州）[32]，光能利用率超過4.0%。因此，區(qū)域夏玉米實際產(chǎn)量仍有極大的上升空間，不利的氣候年型可以通過改良品種、合理灌溉、增施肥料等農(nóng)藝措施和技術(shù)手段提高光能利用率和單產(chǎn)。

當(dāng)然，實際生產(chǎn)中氣候年型對華北地區(qū)夏玉米產(chǎn)量的影響更為復(fù)雜，比如暖年可能發(fā)生高溫?zé)岷Γ焕淠昕赡馨殡S陰雨寡照等災(zāi)害；多雨年可能發(fā)生澇漬害；不同年型下病蟲害率以及危害范圍有所差異等，本研究在分析氣候年型對夏玉米氣候潛在產(chǎn)量的影響時并未考慮。因此，未來研究可以綜合不同年型下極端氣候事件以及農(nóng)藝措施、病蟲害的影響等進行更深入的探討，明確不同氣候年型下的實際產(chǎn)量變化，同時與環(huán)流指數(shù)結(jié)合起來進行年型預(yù)測，為華北地區(qū)制定夏玉米適應(yīng)氣候變化的對策提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)夏玉米優(yōu)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

[2] 王媛媛.近50年隴東地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空變化特征及其對主要農(nóng)作物的影響分析[D].楊凌:西北師范大學(xué),2013. Wang Y Y.Analysis on the spatio-temporal change of agro-climatic resources and its impact on major crops in Eastern Gansu nearly 50 years[D].Yangling:Northwest Normal University,2013.(in Chinese)

[3] 張庸.吉林省各縣市農(nóng)業(yè)氣候資源與氣象災(zāi)害綜合評價的嘗試[J].吉林氣象,2002,(3):26-29.Zhang Y.A trial on the evaluation of agricultural climate resources and meteorological disaster in Jilin Province[J].Jilin Meteorology,2002,(3):26-29.(in Chinese)

[4] IPCC.Climate change 2013:the physical science basis.Contribution of working group I to the Fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M].Cambridge:Cambridge University Press,2013.

[5] 汪凱,葉紅,陳峰,等.中國東南部太陽輻射變化特征、影響因素及其對區(qū)域氣候的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2010,19(5):1119-1124.Wang K,Ye H,Chen F,et al.Characteristics and influencing factors of solar radiation in southeastern China and their impact on regional climate[J].Ecology and Environmental Sciences,2010,19(5):1119-1124.(in Chinese)

[6] 胡琦,潘學(xué)標(biāo),邵長秀,等.1961-2010年中國農(nóng)業(yè)熱量資源分布和變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(2):119-127.Hu Q,Pan X B,Shao C X,et al.Distribution and variation of China agricultural heat resources in 1961-2010[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(2):119-127.(in Chinese)

[7] 王英,曹明奎,陶波,等.全球氣候變化背景下中國降水量空間格局的變化特征[J].地理研究,2006,25(6):1031-1040.Wang Y,Cao M K,Tao B,et al.The characteristics of spatio-temporal patterns in precipitation in China under the backgro- und of global climate change[J].Geographical Research,2006,25(6):1031-1040.(in Chinese)

[8] 李萍萍,劉恩財,謝立勇,等.氣候變化對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響與對策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,(6):532-534.Li P P,Liu E C,Xie L Y,et al.The impact of climate change on crop production and its countermeasures[J].Jiangsu Agricul- tural Sciences[J].2010,(6):532-534.(in Chinese)

[9] Nicholls N.Increased Australian wheat yield due to recent climate trends[J].Nature,1997,387(6632):484-485.

[10]Almaraz J J,Mabood F,Zhou X,et al.Climate change,weather variability and corn yield at a higher latitude locale:Southwestern Quebec[J].Climatic Change,2008,88(2):187-197.

[11]王志強,方偉華,何飛,等.中國北方氣候變化對小麥產(chǎn)量的影響:基于EPIC模型的模擬研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2008,17(1):109-114.Wang Z Q,Fang W H,He F,et al.Effect of climate change on wheat yield in Northern China:a research based on EPIC model[J].Journal of Natural Disasters,2008,17(1):109-114.(in Chinese)

[12]金之慶,葛道闊,鄭喜蓮.評價全球氣候變化對我國玉米生產(chǎn)的可能影響[J].作物學(xué)報,1996,22(5):513-524.Jin Z Q,Ge D K,Zheng X L,et al.Perspective of the effect of global climate change on winter wheat production in China[J].Acta Agronomica Sinica,1996,22(5):513-524.(in Chinese)

[13]劉桃菊,殷新佑,戚昌瀚,等.氣候變化與水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成關(guān)系的模擬研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2005,16(3):486-490.Liu T J,Yin X Y,Qi C H,et al.Relationships between climate change and rice development and its yield formation:a simulation study[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16(3):486-490.(in Chinese)

[14]張軍朝,王存綱.鶴壁市玉米生產(chǎn)中存在的問題及解決辦法[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2016,(3):23.Zhang J C,Wang S G.Problems and solutions in corn production in Hebi City[J].Bulletin of Agricultural Science and Technology,2016,(3):23.(in Chinese)

[15]馬潔華,劉園,楊曉光,等.全球氣候變化背景下華北平原氣候資源變化趨勢[J].生態(tài)學(xué)報,2010,30(14):3818-3827.Ma J H,Liu Y,Yang X G,et al.Characteristics of climate resources under global climate change in the North China Plain[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(14):3818-3827.(in Chinese)

[16]王占彪,王猛,尹小剛,等.氣候變化背景下華北平原夏玉米各生育期水熱時空變化特征[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2015,23(4):473-481.Wang Z B,Wang M,Yin X G,et al.Spatiotemporal characteri- stics of heat and rainfall changes in summer maize season under climate change in the North China Plain[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2015,23(4):473-481.(in Chinese)

[17]費宇紅,張兆吉,張鳳娥,等.氣候變化和人類活動對華北平原水資源影響分析[J].地球?qū)W報,2007,28(6):567-571.Fei Y H,Zhang Z J,Zhang F E,et al.An analysis of the influence of human activity and climate change on water resources of the North China Plain[J].Acta Geoscientica Sinica,2007,28(6):567-571.(in Chinese)

[18]任鴻遵,林耀明.華北平原農(nóng)業(yè)水資源供需狀況評價方法[J].地理研究,1999,18(1):39-44.Ren H Z,Lin Y M.Evaluation method of supply and demand of agricultural water resources in North China Plain[J].Geographical Research,1999,18(1):39-44.(in Chinese)

[19]孟林,劉新建,鄔定榮,等.華北平原夏玉米主要生育期對氣候變化的響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(4):375-382.Meng L,Liu X J,Wu D R,et al.Responses of summer maize main phenology to climate change in the north China Plain[J].Chinese Journal of Agrometerology,2015,36(4):375-382.(in Chinese)

[20]楊笛,熊偉,許吟隆,等.氣候變化背景下中國玉米單產(chǎn)增速減緩的原因分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017,33(S1):231-238.Yang D,Xiong W,Xu Y L,et al.Analysis of the reasons for the slowdown of China corn yield growth under the background of climate change[J].Transactions of the CSAE,2017,33(S1):231-238.(in Chinese)

[21]和清華,謝云.我國太陽總輻射氣候?qū)W計算方法研究[J].自然資源學(xué)報,2010,25(2):308-319.He Q H,Xie Y.Research on climatology calculation methods of total solar radiation in China[J].Journal of Natural Resources,2010,25(2):308-319.(in Chinese)

[22]GB/T 21986-2008:農(nóng)業(yè)氣候影響評價:農(nóng)作物氣候年型劃分方法[S].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2008.GB/T 21986-2008:Assessment of agroclimate impact:classi- fication method of annual crop climate types[S].National Standard of the People's Republic of China,2008.

[23]張北贏,徐學(xué)選,劉文兆,等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同降水年型下土壤水分動態(tài)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,19(6):1234-1240.Zhang B Y,Xu X X,Liu W Z,et al.Dynamic changes of soil moisture in loess hilly and gully region under effects of different yearly precipitation pattems[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2018,19(6):1234-1240.(in Chinese)

[24]李秀芬,趙慧穎,朱海霞,等.黑龍江省玉米氣候生產(chǎn)力演變及其對氣候變化的響應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2016,27(8):2561-2570.Li X F,Zhao H Y,Zhu H X,et al.Evolution of maize climate productivity and its response to climate change in Heilong- jiang province[J].Journal of Applied Ecology,2016,27(8):2561-2570.(in Chinese)

[25]He D,Wang J,Dai T,et al.Impact of climate change on maize potential productivity and the potential productivity gap in Southwest China[J].J Meteor Res,2014,28:1155-1167.

[26]龍斯玉.我國的生理輻射分布及其生產(chǎn)潛力[J].氣象科技資料,1976,(S1):51-58.Long S Y.The distribution of physiological radiation and its potential production in China[J].Meteorological Science and Technology Data,1976,(S1):51-58.(in Chinese)

[27]Allen R G,Pereira L,Raes D,et al.Crop evapotranspira- tion:guidelines for computing crop water requirements[J]. Rome,Italy:Food and Agriculture Organization,1998.

[28]譚方穎,王建林,宋迎波.華北平原近45年氣候變化特征分析[J].氣象,2010,36(5):40-45.Tan F Y,Wang J L,Song Y B.Relationships between climate change and rice development and its yield formation:a simulation study[J].Meteorological Monthly,2010,36(5):40-45.(in Chinese)

[29]高新甜,董婕,楊蓉蓉.近50年華北地區(qū)降水時空變化特征及突變分析[J].河南科學(xué),2016,34(4):596-600.Gao X T,Dong J,Yang R R.Temporal and spatial variation of precipitation in North China during the last 50 years[J].Henan Science,2016,34(4):596-600.(in Chinese)

[30]莫興國,薛玲,林忠,等.華北平原1981-2001年作物蒸散量的時空分異特征[J].自然資源學(xué)報,2005,20(2):181-187.Mo X G,Xue L,Lin Z,et al.Spatio-temporal distribution of crop evapotranspiration from 1981-2001 over the North China Plain[J].Journal of Natural Resources,2005,20(2):181-187.(in Chinese)

[31]楊鵬宇,胡琦,馬雪晴,等.1961-2015年華北平原夏玉米生長季光熱資源變化及其影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(7):431-441.Yang P Y,Hu Q,Ma X Q,et al.Spatiotemporal variation of heat and solar resources and its impact on summer maize in the North China Plain over the period 1961-2015[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2018,39(7):431-441.(in Chinese)

[32]李少昆,趙久然,董樹亭,等.中國玉米栽培研究進展與展望[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,50(11):1941-1959.Li S K,Zhao J R,Dong S T,et al.Advances and prospects of maize cultivation in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2017,50(11):1941-1959.(in Chinese)

Analysis of Annual Climate Types and Its Impact on Summer Maize in the North China Plain over the Period 1961?2015

MA Xue-qing1,2, HU Qi1,2, PAN Xue-biao1,2, WANG Jing1,2, HU Li-ting1,2, LI E1,2, HUANG Bin-xiang1,2, HE Qi-jin1,2

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Scientific and Observing Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hohhot 011700）

Based on the 1961?2015 ground surface data from 55 meteorological stations in the summer maize plating area of the North China Plain, annual climate types and its impact on potential summer maize yield were analyzed. Ten annual climate types were determined by calculating the abnormality of mean temperature, precipitation and solar radiation in summer maize growing season. In the past 55 years, the drought year showed the greatest frequencies with the average value of 15.8, followed by the rainy year and the cloudy year, and the least frequencies were the warm and rainy year, as well as the high temperature year. The drought year and the wet year both most occurred in the middle east of Hebei and the middle east of Shandong, and the warm and dry year was mainly found in the northern North China Plain. The cloudy year showed least variations among different regions. Both the normal year and the rainy year showed significant decreasing trends, while significant increasing trends were found for the frequencies of the warm and dry year, the warm and wet year, the high temperature year, and the cloudy year (P<0.05）. Precipitation and solar radiation are the main limiting factors for the potential yield of summer maize in the North China Plain. Compared with the normal year, the potential maize yield in the less rainy year (including the drought year, the warm and dry year and the cold and dry year） reduced by more than 15%, and the warm and dry year type had the greatest influence on the potential yield. The cloudy year showed 12.5% lower potential maize yield than the normal year, and significant differences were found among regions.

North China Plain; Annual climate type; Summer maize; Potential yield

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.02.001

馬雪晴,胡琦,潘學(xué)標(biāo),等.1961?2015年華北平原夏玉米生長季氣候年型及其影響分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(2):65?75

2018?08?20

。E-mail：huq@cau.edu.cn

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0300304；2017YFD0300404；2016YFD0300106）；國家自然科學(xué)基金項目（41271053）

馬雪晴（1995?）,女,碩士生，研究方向為氣候變化、農(nóng)業(yè)資源利用。E-mail：maxueqingmxq@hotmail.com