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Spatial and temporal variations in optimum sowing date of winter wheat in Shijiazhuang City

石家庄地区冬小麦适播期时空变化分析



全 文 :中国生态农业学报 2015年 6月 第 23卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2015, 23(6): 768774


* 国家公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306039)资助
** 通讯作者: 贾建明, 主要从事节水农业研究。E-mail: hebeiny@126.com
吴云龙, 研究方向为农业气象服务。E-mail: xinjiqx@163.com
收稿日期: 20141216 接受日期: 20150330
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.141438
石家庄地区冬小麦适播期时空变化分析*
吴云龙1,2 李丽平1 刘胜尧3 范凤翠3 贾建明3**
(1. 南京信息工程大学大气科学学院 南京 210044; 2. 河北省辛集市气象局 辛集 052360;
3. 河北省农林科学院农业信息与经济研究所 石家庄 050051)
摘 要 气候变暖改变了作物的生长环境, 冬季积温的增加使冬小麦的最佳播种期发生了改变, 因此, 为了
更好地指导农业生产, 分析气候变暖背景下冬小麦最佳播期的变化就显得尤为必要。基于这个目的, 本文利用
石家庄地区 9个气象站 1963—2012年的逐日气象数据, 采用趋势分析、Mann-Kendall突变检验和 Morlet小波
等分析方法, 对该地区冬小麦适播期(冬前积温为 495~570 ℃·d)的时空变化进行了分析。结果表明: 近 50 a来,
石家庄地区山区冬小麦的适播期后延了 3~4 d, 山前平原区后延了 5~7 d; 在近 50 a的时间序列里, 山前平原区
冬小麦的适播期发生了突变过程, 突变发生年出现在 1995 年左右, 在 2006 年左右适播期后延趋势显著增强;
该地区冬小麦适播期自北向南相差 3~4 d。山区部分的冬小麦适播期随气候变暖的变化不明显, 近 50 a的变化
趋势为0.1~0.4 d·10a1; 山前平原变化趋势较大, 增加趋势为 0.4~1.3 d·10a1。该研究对当地冬小麦可起到积
极的指导作用。
关键词 石家庄 山区 山前平原区 冬小麦 气候变暖 适播期 冬前积温
中图分类号: S161.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)06-0768-07
Spatial and temporal variations in optimum sowing date of winter
wheat in Shijiazhuang City
WU Yunlong1,2, LI Liping1, LIU Shengyao3, FAN Fengcui3, JIA Jianming3
(1. School of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Xinji Meteorological Bureau of Hebei Province, Xinji 052360, China; 3. Agricultural Information and Economic Research
Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China)
Abstract Global warming can change the ecological environment. The optimum sowing date of winter wheat has changed
with increasing accumulated temperature before winter. Thus there was the necessity to analyze the changes in optimum
sowing date of winter wheat under warming climate conditions. To this end, the spatial and temporal variations in optimum
sowing date of winter wheat were analyzed using daily meteorological data (accumulative temperature before winter was in
range of, 495570 ℃·d) for 1963–2012 from 9 meteorological observatory stations in Shijiazhuang. Statistical methods
including Trend Analysis, Mann-Kendall Mutation Test, Morlet Wavelet Analysis were used in the study. The results showed
that the change in optimum sowing date of winter wheat in the mountain area of Shijiazhuang was not obvious, with a change
trend of 0.149–0.296 d·10a1. Then the change in optimum sowing date of winter wheat in the piedmont plain was statistically
significant, with a change trend of 0.822–1.211 d·10a1. The optimum date of sowing of winter wheat delayed 5–7 days in the
investigated 50-year period. The Mann-Kendall Mutation Test result showed a temporal process of change in optimum sowing
date of winter wheat around 1995, with an obvious delaying trend after 2006. The results of the Morlet Wavelet Test showed
the existence of about 5-year periodic change in optimum sowing date of winter wheat during the investigated 50-year period.
The cycles of change in optimum sowing date of winter wheat were the same for both the mountain and plain regions. From
the cycles, it was deduced that the trend in optimum sowing date of winter wheat relatively accelerated after 2010. There was
3–4 days difference of optimum sowing date of winter wheat from the north to south of Shijiazhuang. The change in optimum
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sowing date of winter wheat in the mountain area of Shijiazhuang due to climate warming was moderate, which was 0.1–0.4
d·10a1 in the investigated 50-year period. However, the change in optimum sowing date of winter wheat in the piedmont plain
area was obvious, with a trend of 0.4–1.3 d·10a1. The trend of change in optimum sowing date of winter wheat in the plain
area was far faster than that in the mountain area. The research result was critical for optimizing local winter wheat production
in the Shijiazhuang study area.
Keywords Shijiazhuang City; Mountain area; Piedmont plain; Winter wheat; Climate warming; Optimum sowing date;
Accumulative temperature before winter
(Received Dec. 16, 2014; accepted Mar. 30, 2015)
全球气候变暖已是不争的事实 [13], 在气候变
化的大环境下, 气候对农业和粮食保障的影响随之
成为全世界关注的重大问题[4]。气温的升高改变了
地区的热量条件, 直接影响着农作物的生长、产量
和质量[58]。冬小麦作为我国主要的大田作物之一,
其生育期受到气候变暖的影响较大, 我国学者对此
做过许多研究, 并取得了大量成果。金之庆等[9]研究
了长江下游平原小麦生长季气候变化特点, 认为小
麦气候产量因暖冬、阴湿寡照和后期高温等呈下降
趋势。张建平等[10]认为未来 100 a 内华北地区冬小
麦的生长期将缩短。谭凯炎等[11]研究了增温对华北
冬小麦生长发育和产量构成及其耗水量的影响, 认
为冬小麦全生育期天数减少, 但营养生长时间大幅
增加。余卫东等[12]研究了气候变化对河南省主要农
作物生育期的影响, 发现河南省冬小麦自返青到成
熟的各生育期均表现出提前趋势。史印山等[13]认为
春季异常高温是河北平原小麦减产的主要因素之
一。车少静等[14]分析了气候变暖对石家庄冬小麦主
要生育期的影响, 认为冬小麦春季各生育期均有不
同程度的提早。前人的研究多集中于气候变化对小
麦的生育期、产量以及需水变化的分析, 而对气候
变暖后小麦最佳播期的变化研究较少。
石家庄地处河北省中南部, 北纬 37°27′~38°47′,
东经 113°30′~115°20′, 域跨太行山地和华北平原两
大地貌单元, 具有良好的农业生产条件, 被国家确
定为优质小麦生产基地。在气候变暖的大背景下 ,
石家庄的气候变化也随之改变[1519], 但特殊的山前
平原地形又与大环境的气候变化有所不同[2021]。适
期播种是冬小麦一播全苗, 形成冬前壮苗的前提条
件, 在气候变暖以及石家庄特有地形的作用下, 该
地区冬小麦主产区的适播期变化如何?目前还缺少
详细研究。因此 , 本文研究了石家庄地区近 50 a
(1963—2012 年)冬小麦适播期的变化规律, 以期为
当地冬小麦生产起到积极的指导作用。
1 资料与方法
1.1 资料来源
利用河北省气候中心提供的石家庄地区 9 个气
象站 1963—2012年的逐日平均气温资料, 根据站点
所处的地理以及气候特点将该区域分成 2 个不同的
区域类型: 太行山区、山前平原区(图 1), 根据不同
的气候特点进行分区研究。

图 1 站点分布图及研究区划分
Fig. 1 Station distribution and division of mountain and plain
in the study area
1.2 研究方法
采用积温指标法[22]对冬小麦适播期进行分析。
石家庄地区冬小麦冬前壮苗的标准为主茎叶 5~6片,
所需冬前积温为 495~570 ·d℃ [23]。因此, 本文以该
积温范围为研究对象, 以气温稳定降至 0 ℃的日期
向前推算到累积温度达到 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日
期作为适播期的下限和上限。利用趋势分析、Mann-
Kendall 突变检验和 Morlet 小波分析等进行统计分
析[2425], 利用 Surfer1 2.0软件绘制积温的空间分布
图。为了便于日期的统计计算, 本文以日序代替日
期, 以 1月 1日为起点记为 1, 2月 2日记为 33。
2 结果与分析
2.1 石家庄地区冬小麦适播期的时间变化分析
2.1.1 趋势变化
对石家庄地区以及分区后的太行山山区、山前
平原区等站点冬前积温为 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日
序求区域平均, 得到区域适播期日序的时间序列(图
2、表 1), 由图 2 和表 1可以看出, 无论是整个地区
还是分区 , 两个积温的日序均呈后延趋势 , 其中 ,
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图 2 石家庄冬小麦适播期日序变化趋势图(1963—2012年)
Fig. 2 Variation trends of optimum sowing date of winter wheat in Shijiazhuang (19632012)
a: 全区冬前积温为495 ·d℃ 的日序; b: 山区冬前积温为495 ·d℃ 的日序; c: 平原区冬前积温为495 ·d℃ 的日序; d: 全区冬前积温
为570 ·d℃ 的日序; e: 山区冬前积温为570 ·d℃ 的日序; f: 平原区冬前积温为570 ·d℃ 的日序; 图4同。a: date of 495 ·d ℃ accumulative
temperature before winter in the whole area; b: date of 495 ·d℃ accumulative temperature before winter in the mountain area; c: date of
495 ·d ℃ accumulative temperature before winter in the piedmont plain; d: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature before winter in the
whole are; e: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature before winter in the mountain area; f: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature
before winter in the piedmont plain. The same as the figure 4.
表 1 石家庄冬小麦适播期日序趋势变化方程
Table 1 Trend formula of optimum sowing date of winter wheat in Shijiazhuang City
地区
Region
冬前积温
Accumulative temperature
before winter ( ·d℃ )
适播期趋势方程
Trend formula of optimum
sowing date
决定系数
Decision coefficient
相关系数
Correlation coefficient
495 Y=0.047 9x+185.60 0.031 9 0.179 全市
Whole city 570 Y=0.063 2x+150.54 0.056 7 0.238
495 Y=0.014 9x+251.79 0.002 7 0.052 太行山山区
Taihang mountain area 570 Y=0.029 6x+218.05 0.011 1 0.105
495 Y=0.074 3x+132.65 0.082 2 0.287* 山前平原区
Piedmont plain 570 Y=0.090 1x+96.543 0.121 1 0.348*
*: 表示在 0.05水平上显著相关。*: P<0.05.

全地区冬小麦近 50 a(1963—2012 年)历史平均适
播期的日序为 277—281, 即 10月 4—8日 , 冬前积
温为 495 ·d℃ 的日序以 0.479 d·10a1的速度后延 ,
冬前积温为 570 ·d℃ 的日序以 0.632 d·10a1的速度
后延(图 2a、图 2d); 太行山山区历史平均适播期
的日序为 277—282, 即 10月 4—9日 , 冬前积温为
495 ·d℃ 的日序以 0.149 d·10a1的速度后延 , 冬前
积温为 570 ·d℃ 的日序以 0.296 d·10a1的速度后
延(图 2b、图 2e); 山前平原区历史平均适播期的
日序为 276—281, 即 10 月 3—8 日 , 冬前积温为
495 ·d℃ 的日序以 0.822 d·10a1的速度后延 , 冬前
积温为 570 ·d℃ 的日序以 1.211 d·10a1的速度后延
(图 2c、图 2f)。在对时间序列的相关性检验中 , 只
有山前平原区 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日序通过了
0.05 水平的显著性检验 , 说明石家庄地区山前平
原冬小麦适播期在气候变暖的大背景下 , 推后显
著 ; 受山地气候条件的影响 , 石家庄山区适播期
变化不显著。
2.1.2 突变检验分析
Mann-Kendall突变检验, 简称 M-K法, 是一种
非参数统计检验方法, 可分析时间序列资料的变化
趋势和突变点[25]。在上述研究中, 只有山前平原区
冬前积温 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日序随时间变化显
著, 那么它们是否存在突变过程?因此在时间序列
的突变检验分析中, 对山前平原区冬前积温 495 ·d℃
和 570 ·d℃ 的日序进行突变检验分析, 结果见图 3。
由图 3可以看出, 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日序波动变
化基本一致, 突变发生年均在 1995年左右, 在 2006
年左右呈上升趋势, 通过了 0.05水平的显著性检验,
日序后延更加明显。
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图 3 石家庄山前平原(a: 冬前积温为 495 ℃·d; b: 冬前积温为 570 ℃·d)冬小麦适播期日序 M-K检验
(±1.96是 0.05的显著性检验线)
Fig. 3 M-K mutation test of winter wheat optimum sowing date in piedmont plain (a: 495 ·d℃ accumulative temperature before
winter; b: 570 ·d℃ accumulative temperature before winter) of Shijiazhuang (±1.96 are the lines of P < 0.05)
2.1.3 周期变化分析
事实上, 气象要素的变化并非单调递增或者单
调递减, 常常在线性增减的基础上叠加了不同周期
的波动变化, 因此, 采用 morlet 小波分析方法研究
各气象要素的周期性特征, 确定其在不同时段的变
化周期, 从而能够突出各要素时间序列及频率域局
部特征。图 4是石家庄地区以及分区后的太行山山区、
山前平原区等站点冬前积温为 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 日
序变化的小波分析, 正值代表日序增加, 负值代表
日序减少。由该组图可以看出, 冬前积温为 495 ·d℃
和 570 ·d℃ 日序变化的小波图基本上是一致的, 在
1980年以前, 各冬前积温日序的周期变化都不明显,
在 1980 年以后, 基本上都是以 5 a 为震荡周期, 在
2010年后, 进入了日序相对后延的趋势。

图 4 石家庄冬小麦适播期日序 Morlet小波分析(1963—2012年)
Fig. 4 Morlet Weave Analysis of optimum sowing date of winter wheat in Shijiazhuang from 1963 to 2012
2.2 石家庄地区冬小麦适播期的空间变化分析
2.2.1 空间均值变化
按照WMO规定的 30 a一统计, 10 a一更新的方
法 [26], 对石家庄地区 9 个县市 1971—2000 年和
1981—2010年的适播期进行均值统计, 结果见图 5。
由图 5可以发现, 冬前积温达到 495 ·d℃ 日序的 30 a
均值由东北向西南递增, 在 1981—2010 年, 由于全
球气温的升高、石家庄城市热岛以及焚风效应[21,27]
的共同影响, 等值线在石家庄市附近弯曲较大, 说
明了冬小麦冬前积温达到 495 ·d℃ 日序, 适播期明
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图 5 石家庄冬小麦适播期日序多年平均值的空间分布
Fig. 5 Spatial distribution of long-time average annual value of winter wheat optimum sowing date in Shijiazhuang
a: 冬前积温为 495 ·d℃ 的日序(1971—2000年); b: 冬前积温为 495 ·d℃ 的日序(1981—2010年); c: 冬前积温为 570 ·d℃ 的日序
(1971—2000年); d: 冬前积温为 570 ·d℃ 的日序(1981—2010年)。a: date of 495 ·d ℃ accumulative temperature before winter from 1971 to
2000; b: date of 495 ·d ℃ accumulative temperature before winter from 1981 to 2010; c: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature before
winter from 1971 to 2000; d: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature before winter from 1981 to 2010.

显大于周边县市。冬前积温为 570 ·d℃ 的日序变化与
495 ·d℃ 日序较为接近, 但在 1981—2010年, 石家庄
附近等值线的弯曲度更大。总体而言, 石家庄地区冬
小麦适播期等值线在向北延伸, 延伸幅度为 1 d左右,
但自北向南历史平均适播期始终保持相差 3~4 d。
2.2.2 空间趋势变化
对石家庄地区 1963—2012年冬小麦冬前积温达
到 495~570 ·d℃ 的日序进行空间趋势变化分析, 结果
见图 6。由图 6 可见, 无论是冬前积温达到 495 ·d℃
的日序还是达到 570 ·d℃ 的日序, 其变化趋势都是
由山区向山前平原递增, 赞皇县至井陉县一带冬小
麦冬前积温达到 495 ·d℃ 的日序呈负增长。总体而言,
石家庄市以西的山区部分冬小麦适播期随气候变暖
的变化不明显, 近 50 a 的变化趋势为0.1 d·10a1至
0.4 d·10a1, 山前平原变化较大, 近 50 a增加趋势为
0.4~1.3 d·10a1。
3 结论
本文利用积温指标法, 以石家庄地区 9 个建站
较早, 且有代表性的气象站 1963—2012年的气温数
据为基础, 对该地区冬小麦适播期的时空变化进行
了统计分析, 得出结论如下:
近 50 a来, 石家庄地区冬小麦适播期的多年区
域平均日期为 10 月 4—8 日, 其太行山山区部分多

图 6 石家庄冬小麦适播期日序趋势变化的空间分布
Fig. 6 Spatial distribution of the trend rate of winter wheat optimum sowing date in Shijiazhuang
a: 冬前积温为 495 ·d℃ 的日序(1963—2012年); b: 冬前积温为 570 ·d℃ 的日序(1963—2012年)。a: date of 495 ·d ℃ accumulative
temperature before winter from 1963 to 2012; b: date of 570 ·d ℃ accumulative temperature before winter from 1963 to 2012.
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年平均日期为 10 月 4—9 日, 山前平原部分日期为
10 月 3—8 日, 比石家庄多年以来传统播期在 10 月
1—7 日的范围有所滞后, 这是在气候变暖的大背景
下, 该地区冬小麦适播期出现后延趋势所致, 该结
论也与李德等[2829]认为冬小麦播期后推的结果相一
致。在适播期的趋势变化中, 石家庄山前平原区变
化明显, 通过了 0.05 水平的显著性检验, 趋势变化
为 0.822~1.211 d·10a1。
石家庄地区山前平原区冬小麦适播期趋势变化
明显, 冬前积温在 495 ·d℃ 和 570 ·d℃ 的日序发生
了时间序列上的突变, 突变年均发生在 1995年左右,
在 2006 年前后日序后延趋势通过 0.05 水平的显著
性检验后更加明显。这表明在 2006年以后, 石家庄
地区山前平原冬小麦的适播期将进一步后延, 变化
趋势将明显高于 0.822~1.211 d·10a1的变化速度。
石家庄地区冬小麦适播期的时间序列在 1980
年后出现了周期性变化规律, 全地区、太行山区、
山前平原区的周期性规律趋于一致, 均存在 5 a左右
的周期性变化特征, 在 2010 年完成后延周期后, 冬
小麦适播期进入相对提前的时期。
对比 1971—2000 年和 1981—2010 年适播期历
史值的空间变化, 适播期的等值线向北延伸了 1 d
左右, 但自北向南的适播期始终相差在 3~4 d; 石家
庄市以西的山区部分冬小麦适播期随气候变暖的变
化趋势不明显, 近 50 a的趋势量为0.1~0.4 d·10a1,
山前平原变化较大, 趋势增加量为 0.4~1.3 d·10a1。
495~570 ·d℃ 的冬前积温是影响冬小麦适播期
主要的限制因素, 通过本文的分析, 确定了石家庄
地区冬小麦最佳播种期历史平均值以及变化趋势 ,
但冬小麦播种期的确定, 还受到土壤类型、墒情、
小麦品种特性以及播种量等多种因素的制约。因此,
每年的实际播种期应该在考虑本文计算的多年平均
适播期的基础上综合考虑这些因素, 以期达到最佳
的生产效果。
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