河北南部平原春甘薯生育期氣候因子及其生產(chǎn)潛力的變化

趙玉兵， 孫東磊， 李武龍， 胡亞亞， 韓美坤， 馬志民*

(1.河北省邢臺市氣象局， 河北 邢臺 054000； 2.河北省農(nóng)林科學院 糧油作物研究所/河北省作物遺傳育種重點實驗室， 河北 石家莊 050035)

以全球變暖為主要特征的氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大[1]。許多研究表明，氣候變化背景下，我國農(nóng)業(yè)氣候資源總體呈熱量資源顯著增加、輻射資源減少、降水資源變化不顯著和地域差異明顯等特點[2]。1961-2007年，我國年平均氣溫增幅最大的區(qū)域是東北地區(qū)，氣候傾向率為0.38℃/10a[3]。1961-2010年河北省年平均氣溫呈上升趨勢，氣候傾向率為0.1～0.5℃/10 a，北部升溫趨勢大于南部[4]。1981-2007年與1961-1980年相比我國全年平均日照時數(shù)減少125.7 h[3]。河北省日照呈減少趨勢，北、中部減少幅度較大，東北部、南部減少幅度相對較小[4]。就降水而言，1951-2003年，長江中下游地區(qū)、東南地區(qū)、西部大部分地區(qū)、東北北部和內(nèi)蒙古大部分地區(qū)年降水量呈增加趨勢，華北、西北東部、東北南部年降水量呈下降趨勢[5]。1961-2010年河北省的三大棉區(qū)中，冀東棉區(qū)棉花生育期降水量下降幅度大，冀南、冀中棉區(qū)下降幅度相對較小[6]。

作物氣候生產(chǎn)潛力的大小取決于光、溫、水及其相互配合協(xié)調(diào)的程度。許多學者對作物生產(chǎn)潛力的估算開展了大量分析研究，常用且比較成熟的有Thornthwaite Memorial模型、Miami模型和AEZ模型等[7-9]，其中，AEZ法計算結(jié)果更貼近實際，計算過程較易完成。在我國生產(chǎn)潛力研究中應用較多[10-11]。氣候變化對不同作物氣候生產(chǎn)潛力的影響趨勢不同。吉林省和黑龍江省隨玉米晚熟品種的應用，氣候生產(chǎn)潛力不斷提高[2]。在未來氣候變化趨勢下，水分可能是影響氣候生產(chǎn)潛力的主要氣候要素[12]。

中國是全球最大甘薯種植國，種植面積約6.0×106hm2，約占全球總面積的65%。河北省為全國甘薯主產(chǎn)區(qū)，常年種植面積達1.5×105hm2。河北省南部平原春甘薯種植面積較大的區(qū)域主要包括滄州、衡水、邢臺和邯鄲等4個地市，處于河北平原地下水漏斗區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，全年平均日照時數(shù)2 650-2 969 h，年平均總輻射5 161～5 493 MJ/m2，光合有效輻射2 421～2 721 MJ/m2，年平均氣溫12.5～13.0℃，年平均降水量471～540 mm。該區(qū)域是歷史悠久的甘薯傳統(tǒng)種植區(qū)，20世紀80年代種植面積達高峰，隨著甘薯重茬種植，病害發(fā)生較重，甘薯種植面積呈下降趨勢。近年來，社會廣泛關(guān)注水資源保護與合理利用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水日益受到重視，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，抗旱能力較強，蒸騰系數(shù)小的甘薯種植面積又逐漸增大。關(guān)于河北省氣候變化特征的研究報道多側(cè)重于全省或以單個市(縣)行政區(qū)域為研究對象，較少關(guān)注作物種植區(qū)或特定作物生長時段的研究，而氣候變化的區(qū)域差異性明顯，其對不同作物氣候生產(chǎn)潛力的影響趨勢不同。鮮見氣候變化對春甘薯生產(chǎn)潛力的變化研究報道。為此，利用河北省南部平原12個氣象站點1958-2017年的氣象資料，研究春甘薯全生育期氣候因子及氣候生產(chǎn)潛力變化特征，以期為河北省南部平原春甘薯生產(chǎn)上合理利用區(qū)域氣候資源及調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料數(shù)據(jù)

1.1.1 氣象觀測資料 以河北省南部平原春甘薯種植面積較大且空間分布較均勻的12個縣/市(表1)作為研究區(qū)域，各縣(市)氣象資料為所在區(qū)域國家氣象站觀測資料，由河北省氣侯中心提供。

表1 河北省南部平原研究區(qū)域的氣象站點分布

1.1.2 甘薯生長發(fā)育監(jiān)測資料 2010-2015年春甘薯生長發(fā)育監(jiān)測資料，由河北省農(nóng)林科學院糧油作物所甘薯研究室提供。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理 對12個站點的氣象觀測資料進行區(qū)域平均，得到代表河北省南部平原的時間變化序列資料；2010-2015年春甘薯生長發(fā)育監(jiān)測資料，以旬為時間單位進行生育時期的劃分。

1.2.2 小波分析 采用MATLAB 6.5進行小波分析[13]，采用復值Morlet基小波。

1.2.3 突變檢驗 采用Mann-Kendall方法[14-16]進行變化趨勢突變檢驗，UF是按時間正序計算出的統(tǒng)計量序列，UB是按時間逆序計算出的統(tǒng)計量序列。若UF為正值，呈上升趨勢；UF為負值，呈下降趨勢。當顯著水平α=0.05，臨界線U=1.96時，超過臨界線，變化趨勢顯著，超過臨界值的時間序列為突變的時間區(qū)域。若UB和UF曲線出現(xiàn)交點，且交點位于臨界線之間，交點對應的時間點即是突變開始的時間。利用滑動t檢驗(MTT)法[14]，對可能的突變點進行信度檢驗，驗證突變點的真?zhèn)巍?/p>

1.2.4 氣候生產(chǎn)潛力估算 以聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的生態(tài)區(qū)域法[17-18]計算春甘薯光溫生產(chǎn)潛力(Ymp，單位kg/hm2)，光溫生產(chǎn)潛力是假定除光溫外，一切條件最優(yōu)下，所獲得的最高產(chǎn)量；氣候生產(chǎn)潛力采用水分校正系數(shù)對光溫生產(chǎn)潛力進行修正后獲得；作物需水量(ETm)采用農(nóng)業(yè)氣候?qū)W方法估算[19]。

Ymp=CL×CH×CN×G×[F×(0.8+0.01Ym)Y0+(1-F)(0.5+0.025Ym)×Yc]

f(W)=P/ETm

ETm=K×ET0

式中，CL為葉面積指數(shù)對生長量的校正值(根據(jù)專家經(jīng)驗不同發(fā)育時期葉面積取值：發(fā)根緩苗期為1.0，分枝結(jié)薯期為3.0，薯蔓同長期為5.0，薯塊盛長期為6.0。根據(jù)FAO確定的參數(shù)[17]，生長量的校正值：發(fā)根緩苗期為0.4，分枝結(jié)薯期為0.8，薯蔓同長期為1.0，薯塊盛長期為1.05。)，CH為作物的經(jīng)濟系數(shù)(根據(jù)專家經(jīng)驗取值：發(fā)根緩苗期為0.2，分枝結(jié)薯期為0.5，薯蔓同長期為0.5，薯塊盛長期為0.8，全生育期春甘薯的經(jīng)濟系數(shù)為0.7。),CN為生育期內(nèi)平均溫度下因呼吸消耗凈干物重的訂正系數(shù)〔CN=0.72/(1+0.25CT×G),CT=0.0108×(0.044+0.0019T+0.001T2)〕，Yc為全晴天的干物質(zhì)生產(chǎn)量，Y0為根據(jù)經(jīng)緯度和月份查表后根據(jù)內(nèi)插法計算的全陰天干物質(zhì)生產(chǎn)量，Ym為白天平均溫度下的干物質(zhì)生產(chǎn)速率〔kg/(hm2·d)〕〔根據(jù)FAO確定的參數(shù)，平均晝溫為15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃時，干物質(zhì)生產(chǎn)速率分別為13.6 kg/(hm2·d)、23.8 kg/(hm2·d)、27.2 kg/(hm2·d)、27.2 kg/(hm2·d)、17.0 kg/(hm2·d)和6.8 kg/(hm2·d)〕,F為根據(jù)氣象資料日照百分率計算獲得的云量覆蓋率,T為日平均溫度(℃)，G為生育期總?cè)諗?shù)(春播薯取170 d)，f(W)為取值0～1的水分修正系數(shù)，P為生育期降水量，K為參考FAO資料的作物系數(shù)，ET0為參考不同農(nóng)業(yè)氣候地區(qū)標準蒸散表[19]通過彭曼公式算出的作物參考蒸散量。

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期平均氣溫的變化特征

1958-2017年，河北省南部平原春甘薯全生育期的平均氣溫為23.5℃，生育期有效積溫平均為3700℃，熱量資源豐富。其中，發(fā)根緩苗期平均氣溫為19.0℃；分枝結(jié)薯期平均氣溫為26.1℃，薯蔓同長期平均氣溫為23.5℃，薯塊盛長期平均氣溫為22.5℃。春甘薯全生育期平均氣溫呈顯著升高趨勢，氣候傾向率為0.29℃/10a(P<0.05)。各發(fā)育時期中，薯塊生長期增溫幅度最大，為0.34℃/10a(P<0.05)，其他發(fā)育時期氣溫線性變化趨勢未通過顯著性檢驗。

從圖1看出，春甘薯全生育期平均氣溫高低交替周期變化規(guī)律明顯，主要包含18～20 a的年代際變化，具有全域性和穩(wěn)定性。主要經(jīng)歷3個時段(1965-1973年、1981-1987年和1999-2005年)偏高期與其余時段偏少期的周期交替變換。經(jīng)年代際振蕩周期分析預測，2014-2023年春甘薯全生育期平均氣溫將處于偏高期。10 年及以下尺度年際變化有9～10 a和5～6 a 2個顯著振蕩周期。其中，9～10 a振蕩周期主要由7個時段偏高期與7個時段偏低期組成；5～6 a振蕩周期在20世紀80年代中期至90年代中期振蕩較弱。從圖2看出，20世紀70年代至80年代后期，春甘薯全生育期平均氣溫處于下降趨勢，1990年后呈持續(xù)上升趨勢。UF值曲線交點出現(xiàn)在1996年前后，位于置信線±1.96之間，曲線相交后2000年UF超過置信線，甘薯全生育期平均氣溫仍呈顯著上升趨勢。當n為3、4、5和6時，全部通過滑動t顯著性檢驗(a=0.05)。表明，春甘薯全生育期平均氣溫在1996年前后發(fā)生突變。總體看，全生育期平均氣溫變化主要分為4個階段：第1階段為緩慢上升階段(1958-1970年)；第2階段為波動階段(1971-1987年)；第3階段為波動轉(zhuǎn)上升的過渡階段(1989-1996年)；第4階段為顯著上升階段(1997-2017年)。

注：≥0為實線，<0為虛線。

Note:≥0 and <0 refer to solid line and dotted line respectively.

圖1春甘薯全生育期平均氣溫小波變換系數(shù)的實部等值線

Fig.1 Contour map of the real part of wave transform coefficient of mean temperature during growth period

圖2 春甘薯全生育期平均氣溫變化的M-K檢驗

Fig.2 Abrupt change test of the mean temperature during the whole growth period with Mann-Kendall method

2.2 全生育期日照時數(shù)的變化特征

春甘薯全生育期日照時數(shù)平均為1 212 h，日照百分率平均為54%。其中，發(fā)根緩苗期日照時數(shù)平均為247 h，日照百分率平均為61%；分枝結(jié)薯期日照時數(shù)平均為339 h，日照百分率平均為57%；薯蔓同長期日照時數(shù)平均為270 h，日照百分率平均為46%；薯塊盛長期日照時數(shù)平均為343 h，日照百分率平均為53%。

從圖3可知，春甘薯全生育期日照時數(shù)周期變化明顯且交替顯著。主要有20～25 a和10～15 a 2個年代際振蕩周期，具有全域性和穩(wěn)定性。20～25 a周期主要經(jīng)歷4個時段(1961-1967年、1978-1983年、1988-1994年和2002-2008年)偏多期與其余時段偏少期的周期交替變換；10～15 a振蕩周期主要經(jīng)歷8個時段偏多期與其余時段偏少期的周期交替變換。經(jīng)年代際振蕩周期分析預測，2015-2023年春甘薯全生育期日照時數(shù)處于相對偏多期。1994-2017年春甘薯全生育時期平均日照時數(shù)顯著降低趨勢，氣候傾向率為-42 h/10a(P<0.05)。從圖4看出，1998年以前呈上升趨勢，1998-2009年呈趨勢不明顯的上下波動變化，2010-2017年呈下降趨勢，UF和UB曲線在2006年出現(xiàn)交點，但曲線始終位于置信線±1.96之間，表明沒有突變發(fā)生。

圖3 春甘薯全生育期日照時數(shù)小波變換系數(shù)的實部等值線

Fig.3 Contour map of the real part of wavelet transform coefficient of sunshine hours during growth period

圖4 春甘薯全生育期日照時數(shù)變化的M-K檢驗

Fig.4 Abrupt change test of the sunshine hour during growth period with Mann-Kendall method

2.3 全生育期降水量的變化特征

1958-2017年，河北省南部平原春甘薯全生育期平均降水量為398 mm，氣候傾向率為-7.92 mm/10a，但未通過顯著性檢驗，降水量年際間變化趨勢不明顯，但年際間變化大，變異系數(shù)為25%。其中，發(fā)根緩苗期降水量平均為38.2 mm，變異系數(shù)為75%；分枝結(jié)薯期為67.4 mm，變異系數(shù)為63%；薯蔓同長期為184.6 mm，變異系數(shù)為52%；薯塊盛長期為108.5 mm，變異系數(shù)為50%。

從圖5看出，降水量的周期變化明顯，年代際變化有14～15 a振蕩周期，具有全域性和穩(wěn)定性，主要經(jīng)歷6個時段(1962-1967年、1971-1975年、1981-1986年、1991-1995年、2001-2005年和2010-2014年)偏多期與其余時段偏少期的周期交替變換。經(jīng)年代際振蕩周期分析預測，2015-2020年春甘薯全生育期降水量將處于相對偏少期。10 a及以下尺度有8～10 a和4～5 a 2個年際振蕩周期，其振蕩強弱不太穩(wěn)定，周期逐漸融合為5～8 a。從圖6可知，1974-1998年降水量呈上升趨勢，1999-2017年降水量呈下降趨勢，UF和UB曲線在1998年前后出現(xiàn)交點，但曲線始終位于置信線±1.96之間，春甘薯全生育期平均降水量無突變現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 春甘薯全生育期降水量小波變換系數(shù)的實部等值線

Fig.5 Contour map of the real part of wavelet transform coefficient of precipitation during growth period

圖6 春甘薯全生育期降水變化的M-K檢驗

Fig.6 Abrupt change test of precipitation during growth period with Mann-Kendall method

2.4 氣候生產(chǎn)潛力的變化特征

從表2可知，河北省南部平原春甘薯全生育期光溫生產(chǎn)潛力的理論值平均為17 852 kg/hm2，其中發(fā)根緩苗期平均為820 kg/hm2，分枝結(jié)薯期平均為3 420 kg/hm2，薯蔓同長期平均為5 423 kg/hm2，薯塊盛長期平均為8 189 kg/hm2。春甘薯光溫生產(chǎn)潛力呈顯著下降趨勢，氣候傾向率在-184 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)。在不同生育時期中，薯塊盛長期光溫生產(chǎn)潛力氣候變化率最大，為-103 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)；氣候生產(chǎn)潛力比光溫生產(chǎn)的潛力明顯下降，水分修正系數(shù)平均為0.65；發(fā)根緩苗期修正系數(shù)最大，為0.75，對光溫生產(chǎn)潛力發(fā)揮限制小，自然降水基本能夠滿足春甘薯發(fā)根緩苗的需要；甘薯盛長期降水修正系數(shù)為0.57左右，自然降水結(jié)果少，不同滿足春甘薯產(chǎn)量潛力發(fā)揮。河北省南部平原春甘薯全生育期氣候生產(chǎn)潛力理論值平均為11 322 kg/hm2。其中，發(fā)根緩苗期平均為615 kg/hm2，分枝結(jié)薯期平均為2 359 kg/hm2，薯蔓同長期平均為3 440 kg/hm2，薯塊盛長期平均為4 708 kg/hm2，春甘薯氣候生產(chǎn)潛力氣候傾向率為-415 kg/(hm2·10 a)(P<0.05)。

從圖7看出，春甘薯氣候生產(chǎn)潛力高低周期交替變化明顯。主要有18～20 a、10～12 a和5～8 a 3個振蕩周期，具有全域性和穩(wěn)定性。18～20 a振蕩周期主要經(jīng)歷4個時段(1962-1969年、1976-1983年、1990-1997年和2003-2010年)偏高期與其余時段偏低期的周期交替變換；10～12 a 振蕩周期主要經(jīng)歷了7個時段偏高期與其余時段偏低期的周期交替變換。經(jīng)年代際振蕩周期分析預測，2015-2025年氣候生產(chǎn)潛力處于相對偏高期。從圖8可知，1998年以前氣候生產(chǎn)潛力呈持續(xù)上升趨勢，1998年以后氣候生產(chǎn)潛力呈持續(xù)下降趨勢，UF和UB曲線在1998年前后出現(xiàn)交點，但曲線始終位于置信線±1.96之間，說明沒有突變現(xiàn)象發(fā)生。氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢與降水量變化趨勢相似，表明氣候生產(chǎn)潛力與降水量具有一定的正相關(guān)性。

表2 春甘薯各發(fā)育期的氣象條件及生產(chǎn)潛力

注：發(fā)根緩苗期為4月下旬至5月中旬，分枝結(jié)薯期為5月下旬至6月下旬，薯蔓同長期為7月上旬至8月上旬，薯塊盛長期為8月中旬至9月下旬，全生育期為4月下旬至9月下旬。

Note: The rooting period of seedlings is from late April to mid May, and the branching-tubering stage is from late May to late June. The tubering-vining co-periodis from early July to early August, and the rapidly tubering period is from mid August to late September, the whole growth period is from late April to late September.

圖7春甘薯全生育期氣候生產(chǎn)潛力小波變換系數(shù)的實部等值線

Fig.7 Contour map of the real part of coefficient of climatic potential productivity

圖8春甘薯全生育期氣候生產(chǎn)潛力變化的M-K檢驗

Fig.8 Abrupt change test of climatic potential productivity with Mann-Kendall method

3 結(jié)論與討論

研究得出的河北南部平原春甘薯全生育期平均氣溫、日照時數(shù)和降水量變化趨勢、突變特征和振蕩周期規(guī)律與郭志梅等[21-23]對河北省及其周邊的河南和山西省年平氣溫、日照時數(shù)及降水量變化研究結(jié)論相近，但也存在一定差異。河北南部平原春甘薯全生育期平均氣溫較其他區(qū)域年平均氣溫氣候傾向率略大，突變發(fā)生時間比王常山等[24-25]的研究結(jié)論晚，王常山等[24]認為，突變發(fā)生在20世紀80年代末期至90年代初，氣溫振蕩周期與其基本一致，存在5 a左右和15 a左右的周期。全生育期日照時數(shù)較其他區(qū)域年日照時數(shù)變化趨勢基本一致，均呈顯著下降趨勢，不同區(qū)域減少幅度不同，趙玉兵等[20,26-27]認為，在1972年和2001年存在突變發(fā)生。就降水量而言，與雷江群等[28]的研究結(jié)論基本一致。河北南部平原春甘薯全生育期變化特征與周邊地區(qū)年平均氣候要素變化結(jié)論存在一定程度差異，可能與春甘薯生育期時段沒有經(jīng)歷全年，特別是冬季，氣候變化背景下冬季氣象因子變化最為明顯，也可能與受河北省南部平原獨特的地理和地形條件影響，存在一定程度的區(qū)域差異性有關(guān)。同時，研究方法、資料時間的長短和年份不同等也將對結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

氣候變化對不同地區(qū)、不同作物氣候生產(chǎn)潛力的影響趨勢不同，光、熱、水資源的不匹配是對生產(chǎn)潛力限制的主要因素[2]。遼寧地區(qū)由于溫度上升超出玉米生長發(fā)育的適宜溫度，2010年開始氣候生產(chǎn)潛力明顯下降[3]。寧夏春玉米溫度生產(chǎn)潛力呈逐年增加、降水和氣候生產(chǎn)潛力呈波動式下降趨勢[3]。研究結(jié)果表明，河北省南部平原春甘薯光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力下降。甘薯生育期的平均氣溫的升高，雖仍處于塊根形成與膨大所需的20～30℃適宜溫度，但降水變化不明顯和日照時數(shù)減少的變化趨勢，將加大土壤水分的蒸發(fā)量，莖葉易發(fā)生徒長，根形成層活動弱，塊根發(fā)育延遲，向塊根運輸?shù)耐a(chǎn)物減少，不利于膨大[29]。與該研究氣候生產(chǎn)潛力下降的結(jié)論研究相吻合。氣候生產(chǎn)潛力比光溫生產(chǎn)潛力明顯降低，特別是甘薯盛長期水分修正系數(shù)較小，依靠降水不能滿足其生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。此外，該研究中作物生產(chǎn)潛力估算模型是由氣候因子函數(shù)逐級訂正而來，具有參數(shù)易獲取，描述性強等特點，但忽視了甘薯本身生理生態(tài)機理，采用不同參數(shù)對模擬估算結(jié)果差異較大，有待進一步結(jié)合研究區(qū)域特征，采用田間試驗、遙感等信息對數(shù)據(jù)進行修正，以提高估算結(jié)果的準確性[30-32]。

總體看，氣候變化背景下，河北省南部平原春甘薯生育期平均氣溫升高、日照時數(shù)減少，光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力降低，光溫水的變化趨勢對春甘薯生產(chǎn)潛力的發(fā)揮呈負面效應，甘薯栽培種植和育種等應重視氣候的變化趨勢、波動性及周期性，達到趨利避害，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。