全 文 ：
　 　 　 　 　 生 态 学 报
　 　 　 　 　 　 　 （ＳＨＥＮＧＴＡＩ ＸＵＥＢＡＯ）
　 　 第 ３４卷 第 ９期　 　 ２０１４年 ５月　 （半月刊）
目　 　 次
前沿理论与学科综述
基于土壤食物网的生态系统复杂性⁃稳定性关系研究进展 陈云峰，唐　 政，李　 慧，等 （２１７３）………………
滇西北高原入湖河口退化湿地生态修复效益分析 符文超，田　 昆，肖德荣，等 （２１８７）…………………………
典型峰丛洼地耕地、聚落及其与喀斯特石漠化的相互关系———案例研究
李阳兵，罗光杰，白晓永，等 （２１９５）
………………………………………
……………………………………………………………………………
青藏高原东缘高寒草原有毒植物分布与高原鼠兔、高原鼢鼠的相关性 金　 樑，孙　 莉，崔慧君，等 （２２０８）…
周边不同生境条件对茶园蜘蛛群落及叶蝉种群时空结构的影响 黎健龙，唐劲驰，黎秀娣，等 （２２１６）…………
个体与基础生态
三峡库区马尾松林土壤⁃凋落物层酶活性对凋落物分解的影响 葛晓改，肖文发，曾立雄，等 （２２２８）…………
芦苇、香蒲和藨草 ３种挺水植物的养分吸收动力学 张熙灵，王立新，刘华民，等 （２２３８）………………………
沙化程度和林龄对湿地松叶片及林下土壤 Ｃ、Ｎ、Ｐ 化学计量特征影响 胡启武，聂兰琴，郑艳明，等 （２２４６）…
内蒙古典型草原小叶锦鸡儿灌丛化对水分再分配和利用的影响 彭海英，李小雁，童绍玉 （２２５６）……………
遮阴对米槠和杉木原位排放甲烷的影响 陈细香，杨燕华，江　 军，等 （２２６６）……………………………………
桔小实蝇和番石榴实蝇对 ６种寄主果实的产卵选择适应性 刘　 慧，侯柏华，张　 灿，等 （２２７４）………………
鼠尾草属东亚分支的传粉模式 黄艳波，魏宇昆，葛斌杰，等 （２２８２）………………………………………………
种群、群落和生态系统
养分资源脉冲供给对几种微藻种间竞争的影响 李　 伟 （２２９０）…………………………………………………
不同植被恢复类型的土壤肥力质量评价 李静鹏，徐明锋，苏志尧，等 （２２９７）……………………………………
黄土丘陵区植物功能性状的尺度变化与依赖 丁　 曼，温仲明，郑　 颖 （２３０８）…………………………………
湘潭锰矿栾树叶片和土壤 Ｎ、Ｐ 化学计量特征 徐露燕，田大伦，王光军，等 （２３１６）……………………………
黄土高原春小麦农田蒸散及其影响因素 阳伏林，张　 强，王文玉，等 （２３２３）……………………………………
尾矿区不同植被恢复模式下高效固氮菌的筛选及 Ｂｉｏｌｏｇ鉴定 李　 雯，阎爱华，黄秋娴，等 （２３２９）……………
四川理县杂谷脑干旱河谷岷江柏造林恢复效果评价 李东胜，罗　 达，史作民，等 （２３３８）………………………
景观、区域和全球生态
闽南⁃台湾浅滩渔场二长棘鲷群体景观多样性 蔡建堤，苏国强，马　 超，等 （２３４７）……………………………
面向土系调查制图的小尺度区域景观分类———以宁镇丘陵区中一小区域为例
卢浩东，潘剑君，付传城，等 （２３５６）
…………………………………
……………………………………………………………………………
气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响 胡摇 玮袁严昌荣袁李迎春袁等 渊圆猿远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于 蕴酝阅陨分解的厦门市碳排放强度影响因素分析 刘摇 源袁李向阳袁林剑艺袁等 渊圆猿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
可持续生计目标下的生态旅游发展模式要要要以河北白洋淀湿地自然保护区王家寨社区为例
王摇 瑾袁张玉钧袁石摇 玲 渊圆猿愿愿冤
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荔枝树干液流速率与气象因子的关系 凡摇 超袁邱燕萍袁李志强袁等 渊圆源园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
肿腿蜂类寄生蜂室内控害效能评价要要要以松脊吉丁肿腿蜂为例 展茂魁袁杨忠岐袁王小艺袁等 渊圆源员员冤噎噎噎噎
城乡与社会生态
内蒙古草原人类福祉与生态系统服务及其动态变化要要要以锡林郭勒草原为例
代光烁袁娜日苏袁董孝斌袁等 渊圆源圆圆冤
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基于农业面源污染分区的三峡库区生态农业园建设研究 刘摇 涓袁谢摇 谦袁倪九派袁等 渊圆源猿员冤噎噎噎噎噎噎噎
野交通廊道蔓延冶视角下山地城市典型样带空间格局梯度分析 吕志强袁代富强袁周启刚 渊圆源源圆冤噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
美国地理学家协会 圆园员源年会述评 孙然好袁肖荣波 渊圆源缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园缘
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封面图说院 峰丛洼地石漠化要要要峰丛主要分布在云贵高原的边缘部分及桂西尧桂西北地区袁相对高度一般为 圆园园要猿园园皂袁高的
可达 远园园皂以上遥 在峰丛之间袁岩溶洼地尧漏斗尧落水洞很发育袁常形成峰丛洼地或峰丛漏斗的组合形态遥 峰丛洼地
中的土地相当贫瘠袁由于当地人们依靠这些土地种植庄稼为生袁石漠化的发展趋势已经越来越明显遥 尤其在土地承
载力低尧人口压力大的区域石漠化相当严重袁研究峰丛洼地耕地资源分布尧土地利用强度和石漠化发育状况之间的
机理袁有助于从本质上认识石漠化的发生袁对石漠化治理实施科学指导遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 9 期
2014年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.9
May,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家 973项目(2012CB955904);国家“十二五冶科技支撑计划项目(2012BAD09B01, 2013BAD11B03)
收稿日期:2013鄄08鄄05; 摇 摇 修订日期:2014鄄02鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yancr@ ieda.org.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308052022
胡玮,严昌荣,李迎春,刘勤.气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响.生态学报,2014,34(9):2367鄄2377.
Hu W,Yan C R,Li Y C,Liu Q.Impacts of climate change on winter wheat growing period and irrigation water requirements in the north china plain.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(9):2367鄄2377.
气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响
胡摇 玮1,2,严昌荣1,2,*,李迎春1,3,刘摇 勤1,2
(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究 /所作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室,北京摇 100081;
2. 农业部旱作节水农业重点实验室, 北京摇 100081; 3. 农业部农业环境重点实验室,北京摇 100081)
摘要:利用华北 4个气象站点 1981—2010年冬小麦的生育期数据和气象资料,研究了华北平原典型区域冬小麦在气候变化条
件下的生育期及各生育阶段灌溉需水量。 结果表明:(1)过去 30a来,华北地区冬小麦播种期和出苗期均有推迟趋势,且高纬度
站点的变化趋势明显,其他生育期则呈提前趋势,而冬小麦全生育期表现为缩短;(2)华北冬小麦灌溉需水量在空间上从北到
南、自东向西逐渐递减趋势;在时间上,东西部地区灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋势,而西部地区呈减小趋
势;(3)冬小麦生育阶段的灌溉需水量变化不相同,播种—出苗、拔节—抽穗和抽穗—乳熟期灌溉需水量表现为减少趋势,而出
苗—拔节和乳熟—成熟期则表现为增加趋势。 就冬小麦整个生育期而言,华北西部地区灌溉需水量(北京密云站和石家庄栾
城站)有减少趋势,分别减少 6.72mm / 10a和 8.3mm / 10a;而华北东部地区(天津宝坻站和邢台南宫站)的趋势正好相反,分别增
加 2.6mm / 10a和 7.08mm / 10a。 6个生育阶段灌溉需水量的年际波动程度依次为:播种—出苗期>乳熟—成熟期>抽穗—乳熟期
>拔节—抽穗期>出苗—拔节期>播种—成熟期;(4)气象要素对灌溉需水量的影响较复杂,其中灌溉需水量同有效降水量、相对
湿度呈负相关,且相关关系极显著,与生育期长度存在微负相关关系,与日照时数、平均温度和风速呈显著正相关。 同时,影响
各生育阶段灌溉需水量的气象要素也存在差异,主要包括有效降水量、相对湿度和风速等。
关键词:冬小麦; 生育期; 气候变化; 灌溉需水量
Impacts of climate change on winter wheat growing period and irrigation water
requirements in the north china plain
HU Wei1,2,YAN Changrong1,2,*,LI Yingchun1,3,LIU Qin1,2
1 State Key Engineering Laboratory of Crops Efficient Water Use and Drought Mitigation, Institute of Environment and Sustainable Development in
Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
3 Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081 China
Abstract: This paper investigated impacts of climate change on irrigation water requirement for winter wheat with
consideration to growing period in the North China Plain(NCP), benefitting to make irrigation scheduling and adaptive
strategy. Based on data from 4 typical meteorology stations including Beijing Miyun and Shijiazhuang Nangong stations in the
west and Tianjin Baodi and Xingtai Nangong stations in the east and phenology data of winter wheat during 1981 to 2010,
the objective of this study is to investigate impacts of climate change on winter wheat irrigation water requirements in growth
stages. The results showed that the dates of sowing stage and seeding stage delayed and the more variation of trend was at
high latitudes, while the others showed an advanced trend. Then the spatial variation of irrigation water requirement in the
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NCP was decreasing from south to north in the past 30 years. And in temporal distribution study, there was a marked
increase in east, but it was opposite in west area. The irrigation water requirement during the different growth stages made a
different change with time. Except for a slight rise during the seeding to jointing stage in two stations and milky to maturity,
the irrigation water requirements were reduced during the other growth periods. In the whole growth stages, the west sites
were decreased by 6. 72 mm / 10a and 8. 3 mm / 10a, respectively. However, in the east sites, there was an increasing
tendency of irrigation water requirements with 2.6 mm / 10a and 7.08 mm / 10a, respectively. Besides the order of annual
fluctuation was: sowing to seeding stage>milky to maturity >heading to milk stage > jointing to heading stage>seeding to
jointing stage > sowing to maturity. The influence of different meteorological elements on irrigation water requirement was
relatively various. The relationship between irrigation water requirement and effective precipitation and related humidity was
negative significant, to the contrary, the impact of wind speed, sunshine duration and mean temperature was positive. And
correlation was slightly negative between irrigation water requirement and growth period length. The consequence would be
more precise if growth period length was taken into consideration in the formula. Therefore, the main climatic factors
influencing the irrigation water requirements were different in each growth stage. The prior impact factor was related
humidity in jointing to heading stage, while the main factors were different between Beijing Miyun station and others even
during the same period of heading to milky stage due to the different districts, which were mean temperature and related
humidity, respectively. But for other growth stages, the influence of effective precipitation on irrigation water requirement
was more important than other factors. Thus the results could become more realistic, which provided theoretical basis for the
reasonable irrigation system and strategies of adapting to climate change.
Key Words: winter wheat; phenology period; climate change; irrigation water requirement
摇 摇 全球气候变暖将会对温度和降雨产生影响,从
而直接影响土壤的湿度[1],导致农业用水压力与日
俱增。 而我国农业生产用水占总用水量的 80%[2],
农业水资源短缺和灌溉水利用率低的问题一直存
在,因此明确气候变化对农作物的灌溉需水量的影
响很有必要。 目前,气候变化对农作物灌溉需水量
的影响受到许多学者的关注。 如,Gunter Wriedt[3]运
用作物模型(EPIC)及作物分布和种植面积的统计
数据,研究了欧洲不同地区的净灌溉需水量,并根据
水分运输效率和灌溉管理,模拟出总的灌水量是田
间需水量的 1.3—2.5 倍;C.S. De Silva[4]研究发现在
A2和 B2情景下,20世纪 50年代斯里兰卡水稻灌溉
需水量分别增加了 23%和 13%;王卫光等[5]基于统
计降尺度模型(SDSM),研究了气候变化背景下长江
中下游水稻水分需求变化。 还有不少学者运用作物
系数法和 GIS 来研究气候变化对作物水分的影响,
如,J. A. Rodriguez Diaz[6]对西班牙的瓜达尔基维尔
河流域的作物灌溉需水量进行预测,发现在气候变
化条件下,20世纪 50年代该流域农业灌溉用水显著
增加 20%;韩冰等[7]以辽宁营口灌区为例,分析了气
候变化对水稻生育
期和灌溉需水量的影响,发现过去 60a 水稻生育期
缩短了 12. 7 d。 由于气温上升导致农田腾发量增
加,该区域水稻灌溉需水量都呈上升趋势。 同时,国
内外学者在气候变化对作物物候的影响上做了大量
的研究。 Estrella,Xiao 和 Wang jing[8鄄10]研究发现气
候变暖促使冬小麦品种更替,且缩短了冬小麦的生
育期。 国内学者[11鄄14]研究得出中国北方小麦物候期
变化主要受温度影响,气候变暖导致播种期推迟,成
熟期提前,从而导致生育期缩短。
华北平原是中国冬小麦主产区之一,气候变化
必然会影响到冬小麦生育期和其对水分的需求,从
而影响到其产量和品质。 在华北地区普遍升温的背
景下,冬小麦灌溉需水量区域变化研究是一个重要
研究内容,影响冬小麦灌溉需水量的驱动因素也需
进一步明确。 因此,本文以华北区为例,利用 1980—
2010年 4个典型站点(图 1)的冬小麦生育数据和气
象资料,研究了冬小麦生育期的变化和灌溉需水量
的主要影响因素及其规律,为合理配置灌溉计划和
提高水资源的利用效率提供重要的参数,为冬小麦
种植制定适应气候变化措施提供科学的依据。
8632 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 1摇 华北平原典型气象站点分布图
Fig.1 摇 The geographical location of meteorological stations in
the North China Plain
1摇 材料与方法
1.1摇 研究站点概括
华北地区主要粮食作物有小麦、玉米、高粱、谷
子、薯类等,是我国重要的粮棉产区,在研究区选取 4
个有代表性站点,分别是北京密云站、天津宝坻站、
石家庄栾城站和邢台南宫站,各个站基本情况见
表 1。
1.2摇 资料来源
气象数据来源于中国气象科学共享网。 选取数
据记录较完整的 4个代表性地面气象站 1981—2010
年逐日气象资料,其中包括平均气温(益)、最高气温
(益)、最低气温(益)、日照时数(h)、降水量(mm)、
风速(m / s)、平均相对湿度(%)。 对于气象数据的
缺失,温度(平均、最高、最低温度)缺测值利用五日
滑动平均法进行插补,降水量缺测值利用附近站点
数据进行线性插补[15]。
冬小麦生育期数据来源于北京密云站、天津宝
坻站、石家庄栾城站、邢台南宫站 1981—2010 年的
观测资料。 因冬小麦生育期观测站和地面气象站
(北京站、天津站、石家庄站、南宫站)并不完全一致,
所以本文采用取就近匹配原则,选取了 4 个有连续
的 30a观测序列资料的农业气象站地与之对应。
表 1摇 研究站点的基本情况
Table 1摇 Basic information of the four selected stations
站点 Station 纬度Latitude
经度
longitude
海拔
Elevation / m
年平均降水量
Mean precipitation / mm
资料系列长度
年份 Year
北京密云 39毅48忆 116毅28忆 31.3 616.4 1981—2010
天津宝坻 39毅05忆 117毅04忆 25 553.7 1981—2010
石家庄栾城 38毅02忆 114毅25忆 81.0 539.2 1981—2010
邢台南宫 37毅22忆 115毅23忆 27.4 457.9 1981—2010
摇 摇 本文将冬小麦的整个生育期划分为 5 个生育阶
段:播种—出苗期,出苗—拔节期、拔节—抽穗期、抽
穗—乳熟期、乳熟—成熟期。 根据冬小麦多年发育
期资料,采用生育期日数的多年平均值来代表当地
一般生育期日数。 生育期日数按照“儒略日( Julian
Day)冶计算,即日期按照每年 365d 转化为 “日序
day冶,1月 1日即为 1,以此类推。
1.3摇 灌溉需水量计算
冬小麦生育阶段有效降水量即冬小麦某一生育
阶段内,降水中实际补充到小麦根层土壤的净水量,
代表总降水量中的有效部分。 本文利用美国农业部
土壤保持局推荐的有效降水量分析方法[16鄄18]:
Pe=
P(4.17-0.2P) / 4.17摇 P<8.3 mm / d
4.17+0.1P摇 摇 摇 摇 摇 P<8.{ 3 mm / d (1)
式中, Pe 为有效降水量 ( mm / d), P 为总降水量
(mm / d)。
冬小麦生育期需水量的确定采用 FAO 推荐的
公式[19]:
ETC = Kc 伊 ET0 (2)
式中,ETC 为作物需水量(mm / d),Kc 为作物系数,
9632摇 9期 摇 摇 摇 胡玮摇 等:气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响 摇
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ET0 为参考作物蒸散量(mm / d)。
参考作物蒸散量( ET0)的计算采用 FAO(1998)
推荐的 Penman鄄Monteith公式计算[19]。
ET0 =
0.408驻(Rn-G)+酌
900
T+273
U2(es-ea)
驻+酌(1+0.34U2)
(3)
式中, ET0 为参考作物日蒸散量(mm / d); Rn 为作物
表面净辐射量( MJ·m-2·d-1); G 为土壤热通量(
MJ·m-2·d-1); 驻为饱和水汽压与温度关系曲线的
斜率(kPa / 益); 酌为湿度计常数( kPa / 益); T 为平
均气温(益);U2为在地面以上 2m 高处的风速( m /
s); es 为空气饱和水汽压( kPa ); ea 为空气实际水
汽压( kPa )。
根据冬小麦生长发育特征,在 FAO推荐值[19]基
础上,根据分段单值平均法计算生育中期的作物系
数。 将生育期划分为初始生长期即从播种到作物覆
盖率接近 10%,此阶段作物系数为 Kcini = 0.7(播种—
出苗期,出苗—拔节期,其中越冬期为 0.4);快速发
育期也是生育中期即从覆盖率 10%到充分覆盖,此
阶段作物系数为 Kcmin = 0.15(拔节—抽穗期,抽穗—
乳熟期);成熟期即从叶片开始变黄到生理成熟或收
获,此阶段作物系数 Kcend = 0.4(乳熟期—成熟期)。
根据当地气候条件,将生育中期作物系数进行修
正,即:
Kcmid = Kcmid(Tab) + [0.04 U2 -( )2 -
0.004 RHmin -( )45 ] h /( )3 0.3 (4)
式中,U2为 2m高度处的日平均风速(m / s),RHmin为
日最低相对湿度的平均值, h 为作物的平均高度
(m)。
灌溉需水量可以认为是生育期内总的作物需水
量与生育期内总的有效降水量之差[18,20鄄21],用公式
表达为:
Is =移
N
n = 1
ETcn - 移
N
n = 1
Pen (5)
式中, N 为生育期日数 ( d), ETC 为作物需水量
(mm / d), Pe 为有效降水量(mm / d),Is 为灌溉需水
量(mm)。
1.4摇 气候趋势分析
作物灌溉需水量、生育期和气象要素的变化趋
势采用气候趋势分析方法,气候倾向率由最小二乘
法获得,计算公式为:
X^ i = a + b·i 摇 摇 摇 ( i = 1,2,3,…) (6)
式中, X^ i 为要素的拟合值; a 为回归常数; b 为回归
系数, b 伊 10称为气候倾向率,表示气候要素每 10 a
的变化量; i为自然数列,代表年份序号;气候要素序
列 X^ i 与自然数列 i之间的相关系数称为气候趋势系
数,其显著性检验本文采用相关系数检验法。
1.5摇 离散系数计算
作物需水量和灌溉需水量的年际波动是规划和
设计农田水利工程的重要依据,可用逐年作物灌溉
需水量的标准差或离散系数来衡量其年际波动程
度,但标准差与样本均值有关,当两组样本的均值存
在显著差异时,用标准差便不能准确分辨哪组数据
的离散程度更高,而离散系数指标既考虑了样本标
准差大小又考虑了样本均值大小,便于两组数据离
散程度的比较,采用离散系数来衡量作物灌溉需水
量和生育期日数的年际波动程度, 其计算公
式为[22]:
Cv = 滓 / 滋 (7)
式中, Cv为离散系数; 滓为标准差; 滋为均值。 Cv绝
对值越大,表明年际波动越大,反之亦然。
2摇 结果与分析
2.1摇 冬小麦生育阶段气象要素变化特征
采用趋势分析法对 1981—2010 年的 4 个典型
站冬小麦生长季内各气象要素的变化进行了分析,
总体上,冬小麦播种—出苗期有效降水量变化趋势
较显著,其中北京密云站、天津宝坻站和石家庄栾城
站呈增加趋势,而北京密云站通过 a= 0.01 的显著性
检验(表 2)。 冬小麦其他生育阶段有效降水量基本
呈增加趋势,但不存在显著性差异,其中北京密云站
各生育阶段的有效降水量升幅范围(0.1—6.29mm /
10a)高于其他站点。 由此可见,华北平原冬小麦生
长季内有效降水量年际变化趋势不一致,且年际变
化波动较大,与前人研究结果一致[23]。
已有的研究结果显示,过去 50a 华北区气温上
升幅度较大的地区之一[24]。 冬小麦生育期阶段,除
了播种—出苗期温度有小幅下降趋势以外,其他阶
段温度都呈上升趋势,且各站点不同生育阶段温度
的升幅范围为 0.02—0.08益 / 10a。 4 个站点的风速
变化较不一致,石家庄栾城站冬小麦生育阶段风速
0732 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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都呈减小趋势,且通过了 a = 0.01 的显著性检验,而
其他站只有拔节—抽穗期风速呈减小趋势,其余生
育阶段都呈增加趋势,但是趋势不显著。 此外,石家
庄栾城站和邢台南宫站的日照时数和相对湿度呈下
降趋势。
表 2摇 冬小麦不同生育阶段各气象要素的气候倾向率
Table 2摇 Climatic tendency rate of each climatic variable during different growth stages of winter wheat
站点
Station
生育期
Phenology
气候倾向率 Climatic trendency rate / 10a
有效降水量
Effective
precipitation / mm
需水量
Water
requirement / mm
日照时数
Sunshine
duration / h
相对湿度
Related
humidity / %
平均温度
Mean
temperature / 益
风速
Wind speed /
(m / s)
北京 播种—成熟期 6.29 -0.44 -60.35** -0.15 0.46** -0.03
密云 播种—出苗期 2.87** -0.77 -9.71** 0.03 -0.26 0.02
出苗—拔节期 1.37 3.70 -30.7 0.06 0.55** -0.04
拔节—抽穗期 1.15 -3.40* -6.17 0.58 0.36 -0.19*
抽穗—乳熟期 0.95 0.38 -6.85 -2.32 0.16 0.10
乳熟—成熟期 0.67 -0.67 -9.93* -0.68 0.02 0.00
天津 播种—成熟期 0.99 3.59 -76.35** 0.88 0.21 0.05
宝坻 播种—出苗期 2.09* -1.74** -14.41** 4.10 -0.61 -0.09
出苗—拔节期 0.09 4.54 -43.29* 1.65 0.27 0.08
拔节—抽穗期 -0.61 0.13** -3.57 0.13 0.31 0.01
抽穗—乳熟期 -0.34 1.09 -8.04 -1.60 0.24 0.05
乳熟—成熟期 -0.16 0.20 -5.32 -2.11 0.16 0.01
石家庄 播种—成熟期 1.73 -6.57 -72.29* -1.99 0.67** -0.23**
栾城 播种—出苗期 1.20 -1.05 -6.49 -0.88 -0.06 -0.24**
出苗—拔节期 -2.06 1.29 -53.50 -2.30 0.77** -0.23**
拔节—抽穗期 1.41 -3.82 -5.08 0.11 0.42 -0.36**
抽穗—乳熟期 1.58 -3.90 -9.37 -0.18 0.54** -0.27**
乳熟—成熟期 -0.83 0.34 0.61 -4.04 0.56 -0.16**
邢台 播种—成熟期 1.50 8.58 -29.75 -0.57 0.46** 0.06
南宫 播种—出苗期 -1.73* 1.02 2.64 -4.14 0.83 0.05
出苗—拔节期 0.44 7.85* -34.38 -0.50 0.52** 0.08
拔节—抽穗期 1.32 -1.03* -2.40 0.46 0.23 -0.04
抽穗—乳熟期 2.61 -0.37 -1.33 0.66 0.34 -0.02
乳熟—成熟期 -0.88 0.86 4.98 -2.91 0.19 0.03
2.2摇 气候变化对冬小麦生育期的影响
由表 3可以看出,冬小麦的播种期和出苗期以
及石家庄栾城站和邢台南宫站冬小麦成熟期均有推
迟趋势,且北京密云站推迟幅度较大,为 6. 12—
6郾 84d / 10a,均通过了 a= 0.01的显著性检验;可以看
出高纬度站点的变化趋势较大,且显著性较好。 其
他生育阶段生育期日数均表现为减小趋势,即生育
阶段呈提前趋势,平均每 10a 提前 0.71—3.87d。 与
前人的研究结果一致[25鄄27]。 从年际波动来看,整体
变化较一致,拔节期离散系数最大,为 0.03—0.06;而
成熟期离散系数最小,为 0.01—0.02。 6 个生育时期
的年际波动程度依次为:拔节期>抽穗期>播种期 =
出苗期=乳熟期>成熟期。
由表 4可以看出,高纬度站点北京密云站和天
津宝坻站的全生育期长度比其他两个站点长。 而近
30a来,4个站点的全生育期均表现为缩短,且北京
密云站和天津宝坻站生育期缩短最为显著,均通过
了 a= 0.01的显著性检验。
有研究发现,冬小麦播种期的变化与平均温度
呈正相关,而与日照时数呈负相关[25]。 播种期推迟
还可能和前茬玉米推迟收获有关,而拔节期提前的
原因是日照时数减少,积温的增加导致冬小麦成熟
期推迟[25鄄26]。 气候变化使我国的冬小麦种植区向北
扩展,且适宜种植的品种向减弱冬性方向演化[28鄄29]。
由于近 30年来,农作物的种植制度和品种更替的变
化,对作物生育期的影响也是不可忽视的。
1732摇 9期 摇 摇 摇 胡玮摇 等:气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响 摇
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表 3摇 冬小麦生育期日数变化趋势
Table 3摇 Change in day of year for winter wheat
生育期
Phenology
生育期日数 Day of year / d
站点
Station
均值
Mean
离散系数
Coefficient
气候倾向率
Climatic
trendency
rate / 10a-1
站点
Station
均值
Mean
离散系数
Coefficient
气候倾向率
Climatic
trendency rate
/ 10a-1
播种期 Sowing 北京密云 275 0.03 6.12** 天津宝坻 273 0.02 3.05**
出苗期 Seeding 284 0.03 6.84** 281 0.02 4.00**
拔节期 Jointing 112 0.05 -3.87** 108 0.03 -0.78
抽穗期 Heading 132 0.03 -2.70** 128 0.03 -3.56**
乳熟期 Milky 153 0.03 -0.71 148 0.03 -2.17**
成熟期 Maturity 168 0.02 -2.07** 165 0.01 -0.58
播种期 Sowing 石家庄栾城 277 0.02 0.86 邢台南宫 286 0.02 1.48
出苗期 Seeding 285 0.02 1.71 294 0.02 1.72
拔节期 Jointing 99 0.04 -2.36** 95 0.06 -1.73
抽穗期 Heading 120 0.03 -2.56** 117 0.04 -3.00**
乳熟期 Milky 140 0.02 -1.23 141 0.02 -0.40
成熟期 Maturity 160 0.01 0.51 157 0.02 -1.68**
摇 摇 *表示(P<0.05),**表示(P<0.01)
表 4摇 典型站点冬小麦生育期长度年际变化
Table 4摇 Variability of growth period length of meteorological stations
站点
Station
生育期长度 Growth period length / d
最大值
Max
最小值
Min
均值
Mean
气候倾向率
Climatic trendency rate / 10a-1
北京密云站 271 243 257 -8.19**
天津宝坻站 268 248 258 -3.63**
石家庄栾城站 254 234 247 -0.35
邢台南宫站 249 224 236 -3.16*
摇 摇 *表示(P<0.05),**表示(P<0.01)
2.3摇 气候变化对冬小麦灌溉需水量的影响
2.3.1摇 冬小麦灌溉需水量变化
对 1981—2010年北京密云站和石家庄栾城站
冬小麦灌溉需水量变化的气候倾向率进行分析(表
5),可以得出,在抽穗期之前,北京密云站和天津宝
坻站所需的灌溉需水量较多,这一生育阶段灌溉需
水量有从南向北增加的趋势;而从抽穗期到成熟期
刚好相反。 从 4 个站点的需水强度(日平均灌溉需
水量)来看(图 2),需水强度较大的生育阶段是拔
节—抽穗期和抽穗—乳熟期,是其他生育阶段的 3—
6倍。 从年际波动来看,南部站点的年际波动系数较
大,但 4 个站点不同生育阶段的系数大小变化较一
致。 播种—出苗期的年际波动系数最大,北京密云
站、天津宝坻站、石家庄栾城站和邢台南宫站分别为
0.53,0.44,0.91 和 0.61;而最小的是播种—成熟期,
分别是 0.12,0.12,0.17 和 0.14。 6 个生育阶段的年
际波动程度依次为:播种—出苗期>乳熟—成熟期>
抽穗—乳熟期 >拔节—抽穗期 >出苗—拔节期 >播
种—成熟期。
图 2摇 典型站点不同生育阶段需水强度
Fig.2 摇 Water demand intensity in different growth stages for
meteorological stations
2732 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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华北地区冬小麦灌溉需水量在空间上从北向
南、自东向西逐渐递减趋势;在时间上,东西部地区
灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋
势,而西部地区呈减小趋势。 冬小麦各生育阶段的
灌溉需水量随时间的变化不同,站点播种—出苗,拔
节—抽穗阶段灌溉需水量均表现为不同程度的减
少,但是趋势不显著,仅天津宝坻站通过了 a = 0.05
的显著性检验;而出苗—拔节和乳熟—成熟期则表
现为增加趋势。 就整个生育期而言,西部站点(北京
密云站和石家庄栾城站)有减少趋势,分别减少
6郾 72mm / 10a和 8.30mm / 10a,石家庄栾城站的变化
幅度较大;而东部站点(天津宝坻站和邢台南宫站)
的趋势正好相反,分别增加了 2. 60mm / 10a 和
7郾 08mm / 10a。 但灌溉需水量变化均未通过显著性
检验。
表 5摇 冬小麦不同生育阶段灌溉需水量变化趋势
Table 5摇 Change of irrigation water requirement during different growth stages of winter wheat
生育期
Phenology
灌溉需水量 Irrigation water requirement IS / mm
站点
Station
均值
Mean
离散系数
Coefficient
倾向率
Tendency
rate / 10a
站点
Station
均值
Mean
离散系数
Coefficient
倾向率
Tendency
rate / 10a-1
播种—成熟期 北京密云 398 0.12 -6.72 天津宝坻 368 0.12 2.60
播种—出苗期 13 0.53 -3.65 17 0.44 -3.83*
出苗—拔节期 204 0.13 2.33 163 0.13 4.45
拔节—抽穗期 104 0.21 -4.55 87 0.27 0.75
抽穗—乳熟期 64 0.24 -0.57 85 0.17 1.43
乳熟—成熟期 24 0.43 -1.34 28 0.39 0.36
播种—成熟期 石家庄栾城 325 0.17 -8.30 邢台南宫 350 0.14 7.08
播种—出苗期 9 0.91 -2.25 10 0.61 2.75*
出苗—拔节期 128 0.23 3.34 123 0.20 7.40
拔节—抽穗期 77 0.24 -5.24 81 0.19 -2.35
抽穗—乳熟期 90 0.25 -5.48 117 0.23 -2.98
乳熟—成熟期 31 0.37 1.17 29 0.40 1.74
摇 摇 *表示(P<0.05)
2.3.2摇 冬小麦灌溉需水量变化的主要影响因素
上述结果表明:灌溉需水量及变化趋势,都存在
明显的区域差异。 本文利用 Pearson 相关分析法分
析灌溉需水量和各气象要素之间的相关关系(表
6),发现两者之间存在着一定的相关关系,而且显著
性较好。 4个站点之间同一气象要素的变化趋势存
在一定的差异,不同气象要素与灌溉需水量的相关
关系也不同,其中有效降水量对灌溉需水量的变化
最为明显,它直接参与灌溉需水量的计算,与灌溉需
水量关系密不可分。 灌溉需水量同有效降水量、相
对湿度呈负相关,且相关关系极显著(a = 0.01),与
日照时数、平均温度和风速呈显著正相关,生育期长
度虽没有直接参与灌溉需水量的计算过程,但在考
虑气候变化对灌溉需水量的影响时,考虑生育期长
度的变化是很有必要的[30]。 北京密云站和天津宝
坻站生育期长度同灌溉需水量存在微弱负相关关
系,而石家庄栾城站和邢台南宫站存在显著负相关
关系,整体趋势一致。 说明考虑生育期长度变化,可
以使灌溉需水量计算的结果更加精确。 由于华北区
的降雨主要集中 6—9 月,冬小麦生育期推迟,可以
有效减少冬小麦后期的灌溉量。
为了深入研究 4个典型站点灌溉需水量变化的
主要原因,本文选用线性逐步回归的统计方法分析
了灌溉需水量与主要气候要素之间的关系。 其中,
有效降水量和相对湿度的变化对其影响最为突出,
两者对它得贡献率都为负的。 4 个站点线性回归方
程的决定系数均达到了 0.8 以上。 石家庄栾城站和
邢台南宫站,除了播种—成熟期外,其他生育阶段的
决定系数都高达 0.9以上。
每个生育阶段灌溉需水量的变化的主要气象要
素有不同,拔节—抽穗期最主要影响要素是相对湿
度;抽穗—乳熟期,北京站和其他站有所区别,分别
是平均温度和相对湿度,平均温度对它得贡献率是
正的;其他生育阶段都是有效降水量。其次是日照
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表 6摇 冬小麦不同生育阶段灌溉需水量与各气象要素的相关系数
Table 6摇 Partial correlation coefficient between Is and climatic variables during different growth stages of winter wheat
站点
Station
生育期
Phenology
灌溉需水量 Irrigation water requirement Is
有效降水量
Effective
precipitation
日照时数
Sunshine
duration
相对湿度
Related
humidity
平均温度
Mean
temperature
风速
Wind
speed
生育期长度
Growth period
length
北京密云 播种—成熟期 -0.83** 0.65** -0.81** 0.25 0.52** -0.05
播种—出苗期 -0.97** 0.77** -0.64** 0.27 0.11 -0.23
出苗—拔节期 -0.78** 0.64** -0.82** 0.34 0.50** 0.01
拔节—抽穗期 -0.81** 0.74** -0.91** 0.47** 0.71** -0.18
抽穗—乳熟期 -0.79** 0.59** -0.75** 0.83** 0.41* 0.02
乳熟—成熟期 -0.96** 0.48** -0.76** 0.49** 0.42* -0.07
天津宝坻 播种—成熟期 -0.40* 0.84** 0.46** 0.76** 0.89** 0.06
播种—出苗期 -0.85** 0.86** 0.15** 0.58 0.49 -0.17
出苗—拔节期 -0.70** 0.46** -0.54** 0.24 0.52** 0.03
拔节—抽穗期 -0.83** 0.76** -0.93** 0.57** 0.75** -0.04
抽穗—乳熟期 -0.51** 0.61** -0.80** 0.72** 0.49** -0.26
乳熟—成熟期 -0.95** 0.59** -0.67** 0.58** 0.43* -0.14
石家庄栾城 播种—成熟期 -0.90** 0.65** -0.76** 0.31 0.50** -0.22
播种—出苗期 -0.97** 0.86** -0.87** 0.44* 0.55** -0.40*
出苗—拔节期 -0.95** 0.54** -0.85** 0.50** 0.35 -0.28
拔节—抽穗期 -0.85** 0.78** -0.88** 0.36* 0.56** -0.11
抽穗—乳熟期 -0.85** 0.84** -0.93** 0.57** 0.75** -0.44*
乳熟—成熟期 -0.94** 0.52** -0.76** 0.68** 0.24 0.25
邢台南宫 播种—成熟期 -0.77** 0.61** 0.39* 0.38* 0.45* -0.24
播种—出苗期 -0.93** 0.74** 0.02 0.53** 0.47** -0.27
出苗—拔节期 -0.83** 0.54** 0.18 0.47** 0.27 -0.38*
拔节—抽穗期 -0.79** 0.60** 0.30 0.21 0.29 -0.12
抽穗—乳熟期 -0.73** 0.85** 0.28 0.64** 0.71** -0.06
乳熟—成熟期 -0.96** 0.84** 0.27 0.69** 0.41* 0.02
时数、风速和生育期长度。 过去的 30a,生育期内日
照时数减少和风速降低导致作物需水量呈减小趋
势。 而需水量是灌溉需水量计算中的主要因子之
一,必然导致灌溉需水量也会减少。
3摇 结论
(1)过去 30a,冬小麦播种期和出苗期均有推迟
趋势,且北京密云站推迟幅度较大,为 6.12—6.84d /
10a,可以看出高纬度地区的变化趋势显著。 其他生
育阶段生育期日数均表现为减小趋势,即生育阶段
呈提前趋势。
(2)华北地区冬小麦灌溉需水量在空间上北多
南少,有自东向西递减趋势;在时间上,东西部地区
灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋
势,而西部地区呈减小趋势。 冬小麦各生育阶段的
灌溉需水量随时间趋势不同,播种—出苗、拔节—抽
穗、抽穗—乳熟阶段灌溉需水量均表现为不同程度
的减少趋势,而出苗—拔节和乳熟—成熟期则表现
为增加趋势。 就整个生育期而言,西部站点(北京密
云站和石家庄栾城站) 有减少趋势,分别减少
6郾 72mm / 10a和 8.3mm / 10a;而东部站点(天津宝坻
站和邢台南宫站)的趋势正好相反,分别增加 2.
6mm / 10a和 7郾 08mm / 10a。 在抽穗期之前,北京密云
站和天津宝坻站所需的灌溉需水量较多,这一生育
阶段灌溉需水量有从南向北增加的趋势;而从抽穗
期到成熟期刚好相反。 从四个站点的日平均灌溉需
水量来看,需水强度较大的生育阶段相同,是拔节—
抽穗期和抽穗—乳熟期。 6 个生育阶段灌溉需水量
的年际波动程度依次为:播种—出苗期>乳熟—成熟
期>抽穗—乳熟期>拔节—抽穗期>出苗—拔节期>
4732 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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播种—成熟期。
(3)冬小麦灌溉需水量同有效降水量、相对湿度
呈负相关,且相关关系极显著,与生育期长度存在微
负相关关系;与日照时数、平均温度和风速呈显著正
相关。 若考虑生育期长度变化,可以使灌溉需水量
计算的结果更加精确。 每个生育阶段灌溉需水量的
变化的主要气象影响要素不同,拔节—抽穗期最主
要影响要素是相对湿度;抽穗—乳熟期,北京密云站
和石家庄栾城站有所区别,分别是平均温度和相对
湿度,平均温度对它得贡献率是正的;其他生育阶段
都是有效降水量,其次是日照时数、风速和生育期
长度。
4摇 讨论
影响灌溉需水总量的因素较复杂,前人研究的
影响要素有作物播种面积[3,31]、种植制度、海拔和纬
度[32]等。 而本文从气象要素的角度考虑,明确冬小
麦不同生育期的灌溉需水量及其影响因素。 本文研
究得出,有效降水量是影响冬小麦生育期内灌溉需
水量的最主要指标。 华北区站点近 30 年冬小麦生
育期内的有效降水量表现为增加趋势,与前人研究
的近 50年华北区域年降水趋势不同[33],主要是因
为 20世纪 90年代以来冬小麦关键生育期的降水相
对有所增加[34鄄35]。 同时由表 6 看出,冬小麦关键生
育期的灌溉需水量主要受相对湿度影响,与梁丽乔、
杜加强等[36鄄37]研究松嫩平原及黄河上游生长季参考
作物蒸散发对相对湿度最为敏感的结果相一致。 其
原因是这一时段有效降水虽有一定幅度的增加,但
并不能完全满足冬小麦的生长需求。 由于相对湿度
的显著增加造成土壤湿度增加,同时降低田间温度,
减小蒸发,对田间节水起到了持续保墒的关键性作
用。 也有学者研究表明作物水分变化主要受日照和
风速[38鄄40]影响。 主要是由于日照减少使到达地面的
能量减弱,导致地面蒸发减少;风速降低会使空气与
土壤中的水分交换强度变低,有利于土壤水分的保
持。 大部分前人研究是基于作物全生育期,而本文
细化到作物的每个生育阶段,同时结合气象要素和
生育期来研究作物水分的内在变化影响因素,能使
结果更加全面准确。 由于数据搜集有限,本文结果
在其它地区的适用性较弱,有待进一步研究。 运用
灌溉需水量的结果与农业实际生产、农机措施相结
合在节水的前提下提高作物产量将是下一步的研究
重点。
在明确冬小麦生育期和灌溉需水量变化的基础
上,有利于采用针对性措施,有效应对气候变化和促
进小麦生产。 如非充分灌溉技术,做到及时在小麦
关键需水期补充供水,满足田间持水量下限 55—
65%的灌溉量[32],可以有效提高水分利用效率和产
量[41];通过合理施肥可以使土壤保持较高的含水
量,产生水肥耦合效应[42鄄44];选用晚熟品种延长冬小
麦生育期,提高生物量累积,从而达到提高产量的
目的。
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7732摇 9期 摇 摇 摇 胡玮摇 等:气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
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本期责任副主编摇 于贵瑞摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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