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Impact of climate change on winter wheat production in the Hebei Plain

河北平原气候变化对冬小麦产量的影响



全 文 :中国生态农业学报 2008 年 11 月 第 16 卷 第 6 期
Chinese Journal of Eco唱Agriculture,Nov.2008,16(6):1444唱1447   
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2008.01444
河北平原气候变化对冬小麦产量的影响倡 倡
史印山1 王玉珍2 池俊成1 魏瑞江3
(1.河北省气候中心 石家庄 050021; 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050021;
3.河北省气象科学研究所 石家庄 050021)
摘 要 根据河北平原多年降水、气温及冬小麦产量资料,利用回归分析、M唱K 突变检验、T 检验、线性调和滑
动平均等统计分析方法,分析了 1951 ~2006 年河北省气候变化特征及其对冬小麦气候产量的影响。 结果表
明:河北省春季气温近 56 年来线性升高倾向显著,平均每 10 年升高 0.38 ℃,春季降水近 56 年无明显线性增
减倾向。 冬小麦气候产量与气温、降水显著相关,当气温距平在 -1.2 ~1.2 ℃之间时,小麦气候产量为正值,
温度过低或过高都会使小麦减产,高温使小麦减产更严重,降水量和小麦气候产量呈正相关。
关键词 河北平原 气候变化 气候产量 冬小麦
中图分类号:S162.5 +3  文献标识码:A  文章编号:1671-3990(2008)06 -1444 -04
Impact of climate change on winter wheat production in the Hebei Plain
SHI Yin唱Shan1, WANG Yu唱Zhen2, CHI Jun唱Cheng 1, WEI Rui唱Jiang3
(1.Hebei Climate Center, Shijiazhuang 050021, China; 2.Center for Agricultural Resources Research,
Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021,
China; 3.Hebei Institute of Meteorology, Shijiazhuang 050021, China)
Abstract Based on climate characteristics and wheat production data for 1951 ~2006 on the Hebei Plain and in conjunction
with regression analysis, M唱K examination, T唱test, linear reconcile moving average and other statistical methods, the influence of
climate change on winter wheat production was investigated.The results show an obvious linear rise in temperature for the spring
of 1951 ~2006 at the rate of 0.38 °C per decade.No significant linear change of spring rainfall during 1951 ~2006 is observed.
Wheat production has significant correlation with air temperature and rainfall.The wheat climate yield is positive when the temper唱
ature varies between -1.2 ~1.2℃.High or low temperatures, but especially high temperatures, lead to decreasing wheat yield.
And continuous high temperatures in recent years have led to decreasing wheat yield.Accordingly, excessively high or low rainfall
significantly decreases wheat yield.
Key words The Hebei Plain, Climate change, Climate yields, Winter唱wheat
(Received Dec.16, 2007; accepted March 25, 2008)
  河北省属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气
候,降水集中,雨热同季,适宜多种农作物生长。 河
北平原是我国主要粮食生产基地,也是冬小麦的主
要产区。 由于全球增暖,河北平原近年来的气候也
发生了较大变化,气温明显升高,年降水量波动下
降。 分析近几十年的气候条件变化对小麦产量的
影响,对于指导河北平原冬小麦种植、品种选择、提
高小麦产量等具有重要意义。 孙宏勇等[1]利用单
站资料讨论了太行山前平原降水的变化趋势及其
对作物生产的影响;廉丽姝[ 2]将粮食产量分为时间
趋势产量、社会波动趋势和气候产量,指出气温和
降水异常是造成气候产量波动的主要原因;熊伟
等[ 3]通过区域气候模式和区域作物模型模拟了未
来气候变化对冬小麦产量的影响。 在气候变化对
粮食产量影响的研究中,大多都是定性分析,缺乏
定量研究。 本文定量分析了河北平原春季气温变
化和降水与冬小麦气候产量的关系,讨论了河北平
原冬小麦生长的最佳气候环境,以期为河北平原合
理的小麦栽培管理提供依据。
倡 河北省科技攻关计划项目(01220602D)资助
史印山(1957 ~) ,男,汉族,高级工程师,主要从事气候变化与农业气象灾害研究。 E唱mail:sys1225@163.com
收稿日期:2007-12-16   接受日期:2008-03-25
第 6期 史印山等:河北平原气候变化对冬小麦产量的影响
1 材料与方法
1.1 数据资料
气候资料为河北省气象台整理的位于河北平
原的廊坊、沧州、衡水、保定、石家庄、邢台、邯郸等 7
个市 1951 ~2006 年的月降水量和月平均气温资料,
因冬小麦生长期主要在 3 ~5 月份,因此本文着重
分析 3 ~5 月的气象资料。 1975 ~2006 年冬小麦产
量资料来自河北省统计局。
1.2 分析方法
气候变化分析采用回归分析、M唱K 突变检验、T
检验等统计分析方法[4] 。 小麦气候产量分离采用 5
年线性调和滑动平均方法。
影响粮食产量的因素主要是社会因素(政策、
技术水平等)和气候因素,粮食产量随时间的变化
可分为长时间尺度呈某种趋势的变化(趋势产量,
社会因素影响部分)和短时间尺度偏离该趋势的波
动 [5] (气候产量,气候因素影响部分):
Y =Y( t) +Y(w) (1)
式中,Y是实际粮食产量;Y( t)是趋势产量,表征社会
经济条件和生产力技术水平对粮食产量的贡献,随科
技进步和社会经济条件改善呈上升趋势;Y(w) 是气
候产量,表征气候波动对实际产量的贡献。如何从粮
食产量求得趋势产量,进而提取气候产量,是研究气
候变化与粮食产量关系的关键所在。许多学者[6 -8] 采
用时间序列拟合作为趋势项,但考虑到时间序列均为
固定模型,不能定量反映真实的趋势产量。因此,本文
采用 5 年线性调和滑动平均来分离趋势产量。
Y j( t) =钞pk =1 C j唱k+1Y j唱k+1 (2)
式中, Y j( t) 为第 j 年趋势产量滑动平均值,即第 j
年趋势产量;p为滑动平均时间步长;Y j唱k +1为滑动步
长年间第( j唱k +1)年的实际产量;C j唱k +1为 5 年调和
滑动平均系数,由式(3)得出。
C j -k +1 =(p -k +l) /钞pk =1k (3)
式中, C j唱k+1 应满足:
钞pk =1 C j唱k+1 =1  (C j唱k+1 ≤ 1) (4)
  这种方法的优点是离历史年份 j 越近的年份,
产量信息对 j年理论趋势产量贡献越大。 用实际产
量减去按上述方法计算出的理论趋势产量,即为气
候产量。
2 结果与分析
2.1 气候变化特征
2.1.1 春季气温变化
用 10 年滑动平均分析河北平原春季气温年代
际变化,用线性回归方法分析近 56 年线性变化倾
向 [ 4] ,结果见图 1。 结果表明,河北平原春季平均
气温为 14.0 ℃,多年气温在 12.0 ~16.0 ℃之间,
距平变化为– 2.0 ~1.8 ℃。 从 10 年滑动平均曲
线看,周期性变化和年代际变化比较明显,20 世纪
50 ~60 年代中期为 1 个周期,60 年代中期 ~80 年
代中期为 1 个周期,80 年代中期至今为 1 个周期,
3 个周期的平均值呈逐渐升高趋势。 T 检验结果
表明,气温线性变化倾向通过了 95%的显著性检
验。 河北平原春季气温近 56 年线性升高倾向显
著,平均每 10 年升高 0.38 ℃。 采用 M唱K 方法对
春季气温进行突变检验 [ 4] ,发现在 20 世纪 80 年
代后期气温上升明显,并具有突变性质,突变点在
1991 年(图略) 。
图 1  1951~2006年河北平原春季气温变化
Fig.1 The change of spring air temperature in the Hebei
Plain from 1951 to 2006
细实线是年际变化,粗实线是 10 年滑动平均,点线是
线性倾向,图 2 同。 The thin solid line is for annual variation,
the thick solid line is for 10 years sliding mean,dotted line is for
linear trend.The same as Fig.2.
2.1.2 春季降水变化
采用 10 年滑动平均分析河北平原春季降水年
代际变化,线性回归方法分析近 56 年河北平原春
季降水线性变化倾向,结果见图 2。 年际变化分析
图 2 1951~2006年河北平原春季降水变化
Fig.2 Spring rainfall change in the
Hebei Plain from 1951 to 2006
5441
中国生态农业学报 2008 第 16卷
表明,河北平原春季降水多年平均为 66 mm,多年降
水在 22 ~180 mm,距平变化为 -44 ~118 mm。 10
年滑动平均曲线的周期性变化不明显,但年代际变
化明显:20 世纪 50 年代后期至 60 年代中期降水偏
多,60 年代后期至 70 年代前期降水偏少,70 年代后
期以来降水为正常值(多年平均值),其中 80 年代
后期至 90 年代前期降水偏多,90 年代中期以来降
水基本在正常值附近变化。 对降水进行线性变化
倾向分析表明,降水不存在明显的线性倾向变化,
即近 56 年春季降水不存在线性增加和线性减少倾
向,与气温线性变化倾向明显不同。
2.2 冬小麦气候产量变化
从 1975 ~2006 年河北平原冬小麦气候产量变
化曲线 (图 3)可以看出,1978 ~1979 年、1983 ~
1999 年多为正值,冬小麦气候产量呈增加趋势;
1975 ~1977 年、1980 ~1982 年多为负值,冬小麦气
候产量呈减少趋势;2000 ~2006 年冬小麦气候产量
均为负值,产量减少幅度明显增大,说明 2000 年以
来气候条件不利于冬小麦生长。
图 3 河北平原 1975 ~2006年小麦气候产量
Fig.3 Time series of wheat climate yield in the
Hebei Plain form 1975 to 2006
粗实线是变化趋势 The thick solid line is for change trend.
2.3 气候变化对冬小麦气候产量的影响
从图 4a 可以看出,1975 ~2005 年气温距平在
0.5 ℃上下变化时,气候产量较高,多为正值,气
温太高或太低,气候产量一般偏低。 河北省历史
上春季气温偏高年份,如 2002 年、2001 年、2000
年、1982 年、1981 年,冬小麦气候产量均为负值,
在气温距平大于 1.5 ℃的 2002 年,气候产量负值
更加明显。 因此,气温变化与气候产量有明显的
对应关系,气温太高或太低均不利于小麦增产。
尤其是近年气温持续偏高,导致气候产量持续
偏低。
从图 4b 可以看出,降水量与小麦气候产量基本
呈正相关(r =0.29),降水量偏多的年份,气候产量
多为正值;降水偏少的年份,气候产量多为负值。
图 4 春季气温(a)和春季降水量(b)对气候产量的影响
Fig.4 Impact of spring air temperature(a)and
spring rainfall(b)on climate yield of wheat
粗实线是气候产量 The thick solid line is for climate yield.
2.4 气温、降水变化对冬小麦气候产量的影响
程度
为进一步考察气温、降水异常对冬小麦产量
的影响程度,将 1975 ~2006 年春季降水、气温分
为 3 级。 降水量按距平百分率分级,比多年平均
值小于 30%以下为降水偏少年,大于 30%以上为
降水偏多年,其余为降水正常年;气温按距平分
级,比历史多年平均值低 1.0 ℃以下为气温偏低
年,高 1.0 ℃以上为气温偏高年,其余为气温正常
年。 据此统计,1975 ~2006 年降水、气温均为正常
级别的有 11 年,其中冬小麦气候产量 9 年为正
值,2 年为负值;气温正常,降水异常 (偏多或偏
少)的年份有 11 年,其中冬小麦气候产量 7 年为
正值,4 年为负值;气温偏高,降水偏少的年份有 5
年,冬小麦气候产量均为负值;降水正常,气温异
常(偏高或偏低)的年份有 5 年,冬小麦气候产量
3 年为负值,2 年为正值。 说明气温变化对冬小麦
气候产量的影响大于降水,原因是河北平原大多
有水浇条件,在降水不足的条件下,可通过灌溉补
充,减弱了降水偏少对冬小麦气候产量的影响。
另外,还有一些特殊年份,受前期气候条件和春季
气温、降水的共同影响,使冬小麦气候产量发生较
大幅度的波动,如:1980 年,由于越冬期(1 月份)
发生冻害,影响了冬小麦正常生长,致使产量最
低;1997 年是因为 1996 年夏季洪涝,冬小麦底墒
好,水分充足,春季气温适中,当年冬小麦产量较
6441
第 6期 史印山等:河北平原气候变化对冬小麦产量的影响
高。 表 1 为冬小麦气候产量 5 个明显偏高年和 5
个明显偏低年的气候条件。 比较冬小麦产量偏高
年和偏低年的气候条件差异发现,气温及降水的
异常对气候产量有明显影响,降水偏多、气温正常
年份的冬小麦气候产量偏高;降水偏少,气温异常
年份的冬小麦气候产量偏低。
表 1 气候产量偏高年及偏低年的气候条件差异
Tab.1 Climate conditions in higher and lower climate yield years
气候产量特征
Climate yield
character
年份
Year
气候产量
Climate
yield
( kg· hm -2 )
气温距平
Departure of
temperature
(℃)
降水距平
Departure of
rainfall
(mm)
气候产量特征
Climate yield
character
年份
Year
气候产量
Climate yield
( kg· hm -2 )
气温距平
Departure of
temperature
(℃)
降水距平
Departure of
rainfall
(mm)
偏高 Higher 1978 441 0.1 -36 偏低 Lower 1977 -115 0.5 42
偏高 Higher 1983 496 0.6 60 偏低 Lower 1980 -392 -1.1 10
偏高 Higher 1986 236 0.5 93 偏低 Lower 1981 -110 1.3 -36
偏高 Higher 1990 335 -0.3 -16 偏低 Lower 2001 -298 2.0 -35
偏高 Higher 1997 408 0.8 6 偏低 Lower 2002 -97 1.0 -35
2.5 冬小麦气候产量与气候条件相关分析
对春季气温和冬小麦气候产量进行回归分析,
建立气候产量与春季气温距平的三次多项式拟合
方程:
y =23.7x3 -127x2 -30.9x +211 (5)
拟合方程的相关系数为 0.48,通过 α=0.05 的
显著性检验。 从方程拟合可以看出,气温距平在
-1.2 ~1.2 ℃时,气候产量为正值;当气温距平为
0 ℃时,气候产量最高,为 211 kg · hm– 2;当距平
<-1.2 ℃时,气候产量值为负,随着负距平加大,气
候产量负值也越来越大,如 1980 年冬春季河北省南
部气温连续偏低,且下降幅度较大,冬小麦产量达到
历史最低;当距平>1.2 ℃时,气候产量值为负,随正
距平增加,气候产量的负值也增大。 可见,气温距平
在一定范围内小麦气候产量才为正值,温度过低或过
高均使小麦减产,20 世纪 80 年代后期以来,气温直
线上升,高温已成为影响小麦气候产量的主要因素。
对春季降水量和冬小麦气候产量进行回归分
析,建立气候产量与实际降水量间的三次多项式拟
合方程:
y =0.001 1x3 -0.057 9 x2 +0.133x -19.582
(5)
拟合方程的相关系数为 0.29,降水距平与气候
产量的相关性低于气温。 从方程可以看出,降水量
距平 >50 mm,气候产量基本为正值;降水距平≤50
mm,气候产量为负值。 降水量距平与气候产量基
本上呈正相关,降水偏少会使小麦气候产量降低。
这也反映出河北平原春季降水一般不能满足冬小
麦的生长需要。
3 小结
河北平原春季平均气温 14.0 ℃,多年气温变化
在 12.0 ~16.0 ℃之间,近 56 年线性升高倾向显著,
平均每 10 年升高 0.38 ℃。 河北平原春季降水平均
为 66 mm,近 56 年不存在明显的线性增加和线性减
少倾向,与气温变化倾向明显不同。 气温变化与冬小
麦气候产量有很好的对应关系,当春季气温距平在
-1.2 ~1.2 ℃之间变化时,冬小麦气候产量为正值,
温度过低或过高均会使冬小麦气候产量减产。 近年
来春季气温持续偏高,气候产量持续偏低,高温成为
小麦减产的主要因素。 降水变化与冬小麦气候产量
为正相关关系,春季降水量偏少,会导致小麦产量
降低。
参考文献
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