全 文 ：中国生态农业学报 2011年 7月 第 19卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2011, 19(4): 854−859


* 公益性行业(气象)科研专项(GYHY200806008)、中国气象局气候变化专项(CCSF-09-14)和中国气象局•河南省农业气象保障与应用技
术重点开放实验室科学研究基金(AMF201004)资助
** 通讯作者: 刘荣花(1962~), 女, 博士, 研究员, 主要从事农业气象及气候变化对农业影响的研究。E-mail: liurongh@126.com
成林(1982~), 女, 硕士, 主要从事农业气象研究工作。E-mail: rainwood2@163.com
收稿日期: 2010-09-09 接受日期: 2011-01-19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00854
增温对河南省冬小麦产量的影响分析*
成 林 1,2 刘荣花 1,2** 马志红 2
(1. 中国气象局•河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室 郑州 450003; 2. 河南省气象科学研究所 郑州 450003)
摘 要 研究历史气候变化背景下增温对作物产量的影响是识别气候变化对农业影响的有效途径。本文利用
河南省历史气候资料和冬小麦平均单产资料, 通过提取气候产量、建立不同时段回归方程的方法, 分析了河南
省气候变暖对冬小麦产量的影响。结果表明: 河南省 1961~1981年冬小麦气候产量与气温距平显著相关, 1987
年以后产量波动随气温变化的相关性减弱。20世纪 80年代中期以后河南省冬小麦全生育期气温显著升高, 增
温幅度为 0.81 ℃⋅10a−1。相对于变暖前的 1961~1981年, 1991~2000年和 2001~2007年增温带来的单产增加量
占实际增产量的 15.6%~20.7%; 但显著升温后的 2001~2007 年相对于 1991~2000 年增温带来的增产量仅占实
际增产量的 1.0%, 冬小麦单产对气温的敏感性降低。
关键词 冬小麦 气温 单产 气候变化 回归方程 河南省
中图分类号: S162.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)04-0854-06
Influence of global warming on winter wheat yield in Henan Province
CHENG Lin1,2, LIU Rong-Hua1,2, MA Zhi-Hong2
(1. Key Laboratory of Agrometeorological Safeguard and Applied Technique in Henan Province, China Meteorological
Administration, Zhengzhou 450003, China; 2. Henan Institute of Meteorological Science, Zhengzhou 450003, China)
Abstract Agriculture is one of the industries that is most sensitive to global warming. Crop yield analysis is an efficient approach
to evaluating the impact of climate change on agriculture. Henan Province (which is in the south region of North China Plain) is one
of the most important production bases of winter wheat, a crop that is sensitive to global warming. This study used historical climate
data and average winter wheat yield to determine the trends in precipitation and temperature during winter wheat growing season in
Henan Province. It then utilized the extracted climatic productivity and Mann-Kendall mutation testing method to separate two dis-
tinct stages of the effects of climate change on agriculture. For each of the stages, regression equations were also established among
temperature, climate change and yield. Then the impact of warming climate on unit yield of winter wheat was eventually analyzed at
each stage using the equations. While there was no drastic change in precipitation during the 1961~2007 winter wheat season in He-
nan Province, the temperature rose continuously. In comparison with precipitation, temperature showed significant correlations with
climate and unit yield of winter wheat. For the period of 1961~1981, the correlation between winter wheat yield and temperature
departure was significant and positive. This correlation weakened after 1987, after which time yield fluctuation was limited. Since the
mid 1980s, air temperatures during winter wheat seasons in Henan Province increased dramatically, with an average temperature
increase of 0.81 ºC per decade. In comparison with 1961~1981 (the pre-warming stage/period), wheat yield increased by
173.4%~245.9% in 1991~2000 and 2001~2007, and the contribution rate of temperature rise was 15.6%~20.7%. Average tempera-
tures were relative higher in wintering, re-greening, heading and flowering stages. Warming positively influenced unit yield of winter
wheat, as average temperatures were lower than the suitable temperature range. In the conspicuous 2001~2007 warming period,
however, only 1.0% of the yield increase was due to temperature rise. This showed that unit yield of winter wheat increased with
improved cultivation techniques. The study showed that while the sensitivity of yield to temperature variation decreased, the adapta-
bility of agriculture to environment factors increased.
Key words Winter wheat, Temperature, Unit yield, Climate change, Regression equation, Henan Province
(Received Sep. 9, 2010; accepted Jan. 19, 2011)
第 4期 成 林等: 增温对河南省冬小麦产量的影响分析 855


《气候变化国家评估报告》[1]指出, 在全球变暖
的背景下, 近 100 年中国年平均地表气温明显增加,
升温幅度约为 0.5~0.8 ℃, 比同期全球升温幅度平均
值(0.6±0.2 ℃)略高。近 50 年中国增暖尤其明显[2],
增暖主要发生在 20 世纪 80 年代中期以后[3]。以增
温为主要特征的气候变化将对中国自然生态系统和
社会经济系统产生重要影响[4−5]。农业是对气候变化
最敏感的产业之一 [6], 定量分析变暖对作物产量的
影响是识别气候变化对农业影响的有效途径, 对于
开展农业应对气候变化研究和科学制定适应气候变
化措施有积极作用。
随着区域气候模式与作物模式的不断发展 [7],
人们能够利用计算机轻松地模拟未来 10 年、20 年
甚至 100 年, 不同温室气体排放情景下作物产量的
变化 [8−10], 但历史气候变化对粮食产量的影响往往
被其他因素掩盖, 很难单纯分析出气候条件对作物
的影响。面对我国粮食单产、总产均不断增加的事
实, 过去的气象条件究竟如何影响作物产量尚难有明
确的解释。国内外部分学者已经开始探索用不同方法
量化分析历史气候条件变化对作物产量的影响[11−13]。
目前这项工作正处于起步研究阶段, 尚缺乏成熟的
理论方法和确定的结论 , 在作物实际产量资料分
离、历史气候变化定量影响评估等方面仍需开展大
量深入细致的研究工作。
河南省位于华北平原南端, 是气候显著变暖的
区域之一, 冬小麦是全省最重要的夏粮作物, 对气
温变化较为敏感[14]。本文以前人的研究理念为基础,
尝试利用历史统计数据, 用数学的方法评价农业技
术水平不断发展的条件下增温对河南省冬小麦产量
的影响, 从而为定量评估气候变暖对粮食安全的影
响及未来适应对策提供参考依据。
1 数据与方法
本文所用 1961~2007 年河南省冬小麦全生育期
(10月中旬~次年 5月下旬)气候资料为河南省 118个
县(市)气候资料的平均值 , 源于河南省气象局 ; 冬
小麦产量资料使用河南省统计局公布的 1961~2007
年全省平均单产数据。
1.1 产量资料的处理
农作物单产可分解为 3 个组成部分, 即趋势产
量、气候产量和随机“噪声”, 可用下式表示:
Y=Yt+Yw+ε (1)
式中, Y 为作物单产, Yt为趋势产量, Yw为气候产量,
ε 为受随机因素影响的产量分量, 一般忽略不计, 故
气候产量可表达为:
Yw=Y－Yt (2)
为减少不同历史时期农业技术水平的影响, 增
加气候产量序列在时间区域上的可比性, 引入相对
气候产量[15]开展进一步分析, 记为 a:
w
t
Y
a
Y
= (3)
1.2 气候变化对单产的影响分析
利用线性斜率、突变检验[16−17]等方法寻找相对
气候产量、降水、气温的突变区间, 并划分影响时段。
利用二次函数拟合不同影响时段相对气候产量
与气候要素的回归方程, a表示为:
a(ΔM)=b1(ΔM)2+b2(ΔM)+b0 (4)
式中, ΔM 为影响小麦产量的主导气候因子的距平,
b1、b2为回归系数, b0为常数项。a反映了相对气候
产量对气候要素 M 变化的敏感程度, 其值越大表明
单产受该气候要素变化影响的程度越高。
由式(3)、式(4)可以推导出气候产量公式为:
Yw=a(ΔM)Yt (5)
设气候变化之前的影响时段为 i, 气候变化之后的
影响时段为 n, 气候变化对小麦单产的影响率可以量化
表达为气候增产量占实际产量增加量的百分比, 即:
( ) ( )
100%w w
n i
Y n Y iW
Y Y
−= ×− (6)
式中, W表示与选定的基准时段 i相比, 单纯由气候
变化引起的产量变化。W 若为正值, 表明气候变化
对单产有正的贡献作用, 数值越大则贡献率越高; W
若为负值, 代表气候变化对单产不利。
2 结果与分析
2.1 河南省冬小麦全生育期降水、气温及相对气候
产量变化
以 1961~1990 年冬小麦全生育期平均降水量和
平均气温为基准, 分别统计 1961~2007 年冬小麦全
生育期降水、气温距平值。近 50年来冬小麦生育期
降水量距平变化趋势不显著, M-K 突变检验也没有
发现明显的降水突变点。全生育期线性增温趋势显
著, 达 0.26 ℃·10a−1(P<0.01), 由气温的年际波动曲
线可以看出, 1985 年以后气温持续增高, 增温率达
0.81 ℃·10a−1(P<0.001), 而 1961~1984年气温的年际
间波动虽大, 但变化趋势并不明显, 见图 1。
冬小麦种植栽培技术随时间变化提升明显, 利用 3
次多项式拟合趋势产量与年代序列的关系, 从而可推
算出各年份的相对气候产量值。冬小麦相对气候产量线
性变化趋势不显著, 利用 M-K 突变检验检测到大区域
上UF和UB曲线相交于 1982年和 1986年 2个突变点
(图 2), 将 1961~2007 年划分为 1961~1981 年、1982~
1986 年、1987~2007 年 3 个阶段, 其中 1961~1981 年
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图 1 河南省冬小麦相对气候产量和气温距平曲线
Fig. 1 Curves of relative climatic yield of winter wheat and air temperature departure in Henan Province



图 2 河南省冬小麦相对气候产量的 M-K 突变检验曲线
Fig. 2 Curves of M-K mutation test of relative climatic yield of winter wheat in Henan Province

相对气候产量随气温的升降上下波动, 变化趋势较一
致(图 1), 与气温距平的正相关性较显著(P<0.05), 而
与降水变化的关系不明显; 1982~1986 年间为相对气
候产量的猛增期, 与气温和降水变化均呈不显著负相
关; 1987 年以后产量波动相对较小, 产量水平略高于
1961~1981 年, 虽然与气温、降水变化的关系不显著,
但相对气候产量与气温距平的正相关系数高于降水。
由上面的分析可知, 冬小麦全生育期平均气温
的显著升高是河南省气候变化的直接体现, 气温与相
对气候产量的相关性更高, 是气候变化背景下影响冬
小麦单产的主导气候因子。而河南省冬小麦全生育期
降水变化与冬小麦气候产量的相关性不显著, 这与河
南省过渡性的气候特征及各地的灌溉水平有关。豫南
特别是淮南地区降水充分, 大多数年份自然降水能够
满足冬小麦需水要求[18]; 其他地区除豫西和豫东北的
个别县(市)无灌溉条件外, 各地灌耕比均较高, 往往
掩盖了降水变化对产量的直接影响。1987~2007 年小
麦相对气候产量水平较 1961~1981 年略高, 而此期间
气温也显著升高, 1961~1981 年产量对气温的依赖性
强, 且气温变化趋势不明显, 因此将这段时段设定为
影响时段 1, 1987~2007年设定为影响时段 2。
2.2 增温对冬小麦产量的影响
根据方程(4)分别建立影响时段 1 和影响时段 2
相对气候产量与气温距平的二次回归拟合方程:
a1(ΔT)＝–0.022ΔT 2+0.170ΔT－0.044 (R=0.545 0) (7)
a2(ΔT)＝0.031ΔT 2－0.035ΔT－0.015 (R=0.298 3) (8)
式(7)和式(8)在一定程度上反映了 1961~1981年
和 1987~2007 年两个不同时段各自技术水平下, 相对
气候产量对气温变化的敏感程度。一方面 1987~2007
年产量与气温的相关性减弱; 另一方面, ΔT 变化相
同量级时, 相对气候产量的变化量减小。这均表明
技术水平的进步, 在提高了冬小麦实际单产的同时,
也降低了小麦对气温变化的敏感性, 作物抗外界环
境干扰的能力在提高。
2.2.1 气候变化对冬小麦产量的影响(以 1961~1981
年为基准时段)
设定 1961~1981年为受气候变化影响之前的基准
时段, 先根据基准时段的平均气温距平和平均趋势产
量值, 利用方程(7)和(5)求出基准时段的气候产量, 再
按年代分别将 1981~1990年、1991~2000年、2001~2007
年的年平均ΔT 值和对应时段的趋势产量平均值代入
方程(7)和(5)中, 并利用式(6)得出相对于基准时段气
第 4期 成 林等: 增温对河南省冬小麦产量的影响分析 857


候变化对不同年代小麦单产的影响率。
结果显示, 相对于 1961~1981 年, 随着技术进
步冬小麦趋势产量的不断提高, 气温对小麦单产的
贡献率不断提高。20 世纪 80 年代为一个相对冷期,
气温对单产有 2.3%的负影响; 90年代以后气温大幅升
高, 1991~2000 年冬小麦实际单产相对于 1961~1981
年增加 173.4%, 其中增温引起的增产达 400.2 kg·hm−2,
相当于对实际增产的贡献率为 15.6%; 2001 年以后,
相对于基准时段变暖对增产的贡献率达 20.7%(表 1)。
2.2.2 气候变暖后增温对冬小麦产量的影响(以 1987~
2007 年为基准时段)
在表 1 中, 没有直接得出 2001~2007 年增温相
对于 1991~2000 年增产的结论, 因为选用的基准时段
为 1961~1981 年, 为显著增温前的时段, 所有结果与
之对比体现了变暖前后气候对产量的影响。1987~
2007 年是气候产量的相对增长期, 也是冬小麦全生
育期的大幅增温期, 根据气候变化对单产的影响率
W 的定义, 选择基准时段是分析增温对产量贡献率
的前提, 因此利用方程(8)估算气候变暖之后增温对
单产的影响更接近实际情况。将 1991~2000 年设定
为比较时段, 与 2.2.1 介绍的方法相同, 分别计算
1991~2000年和 2001~2007年的相对气候产量, 从而
估算 2001~2007 年相对于 1991~2000 年增温对单产
的影响率。
由表 2 可见, 虽然 2001~2007 年冬小麦生长季
内平均气温比 1991~2000年高 0.38 ℃, 但增温后的
2001~2007年气候增产量仅有 10.6 kg·hm−2, 相对于
1991~2000 年的实际增产量仅有 1%的贡献率。
2001~2007 年冬小麦实际平均单产较 20 世纪 90 年
代增加 26.5%, 与变暖前相比, 增温引起的增产量
在实际增产量中的比重减小。可以说, 冬小麦全生
育期气温显著升高以后, 相对于 20世纪 90年代, 持
续增温并没有带来大幅的气候单产提高, 气候变暖
后农业技术水平的进步是冬小麦单产增加、气候产
量波动减小的重要原因。
2.2.3 气温对河南省冬小麦产量的影响
20世纪 80年代以后, 河南省冬小麦产量的不断
提升与农业政策改变、农民生产积极性提高、耕作
技术明显提升关系最为密切。但同时, 冬小麦全生
育期气温变化对产量也有一定的影响效应, 它直接
影响冬小麦的生长、分布和产量, 并通过影响发育
速度改变小麦生育期的长度及各发育期出现的时间,
冬小麦各种生理活动如光合、呼吸、蒸腾作用等也
受温度条件的制约。冬小麦在不同生育期对气温的
要求不同, 河南省各地冬小麦主要生育期平均出现
时间及气温范围见表 3[19−20]。从表 3可见, 1985年显
著增温以后, 冬小麦大部分生育期平均气温的增幅
大于最高气温的增幅, 生育期实际平均气温仍低于
最适温度上限 , 最高气温也在适宜温度范围附近 ,
表明气候变暖后, 气温没有超过河南省冬小麦生长
的适宜范围。在适宜范围内, 增温一方面可以促进
植株的呼吸作用 , 从而加速光合物质的分解转化 ,
有研究发现 , 温度对作物产量的影响是非线性的 ,
达到最适温度之前, 温度升高对作物的光合速率有

表 1 河南省冬小麦产量及平均气温变化对单产的影响率(以 1961~1981 年为基准时段)
Table 1 Yield of winter wheat and influence rate of average air temperature change on unit yield in Henan Province with
1961~1981 as reference period
项目 Item 1961~1981 1981~1990 1991~2000 2001~2007
气温距平 Air temperature departure (℃) 0.059 −0.040 0.660 1.040
趋势产量 Trend yield (kg·hm−2) 1 531.8 3 103.7 4 150.8 5 121.1
相对气候产量 Relative climatic yield 0.006 −0.011 0.099 0.149
气候单产 Climatic unit yield (kg·hm−2) 9.1 −33.6 409.3 763.1
气候增产 Yield increase caused by climate change (kg·hm−2) — −42.7 400.2 753.9
实际平均单产 Actual average unit yield (kg·hm−2) 1 480.4 3 324.0 4 047.9 5 120.7
气温对单产的影响率
Influence rate of air temperature change on unit yield (%)
— −2.3 15.6 20.7

表 2 增温后冬小麦全生育期平均气温变化对单产的影响率
Table 2 Influence rate of average air temperature change of the whole growth season of winter wheat on unit yield after warming
时间
Time
气温距平
Air temperature
departure (℃)
趋势产量
Trend yield
(kg·hm−2)
相对气候产量
Relative
climatic yield
气候单产
Climatic
unit yield
(kg·hm−2)
气候增产
Yield increase
caused by
climate change
(kg·hm−2)
实际平均单产
Actual average
unit yield
(kg·hm−2)
气温对单产的影响率
Influence rate of air
temperature change on
unit yield (%)
1991~2000 0.660 4 150.8 −0.025 −102.1 — 4 047.9 —
2001~2007 1.040 5 121.1 −0.018 −91.5 10.6 5 120.7 1.0
858 中国生态农业学报 2011 第 19卷


表 3 河南省冬小麦生育期及生育期气温范围
Table 3 Growth stage and temperature for various growth stage of winter wheat in Henan Province
生育期气温指标
Temperature for growth stage
(℃)
实际气温
Actual temperature (℃)
平均最高
Average max.
平均
Average
生育期
Growth stage
时期
Period 最低
Min.
适宜
Suitable
最高
Max. 1961~1981 1985~2007 1961~1981 1985~2007
播种出苗
Sowing and emergence
10月中、下旬
Mid to late Oct.
1~2 15~20 35~40 19.7 20.3 13.4 14.3
分蘖
Tillering
11月上旬~12月上旬
Beginning of Nov.~
beginning of Dec.
3 6~13 30~32 13.1 13.2 7.1 7.4
越冬
Wintering
12月中旬~2月上旬
Mid Dec.~beginning of Feb.
−24~22 <0 30 6.3 6.7 0.6 1.5
返青
Turning green
2月中旬~3月上旬
Mid Feb.~beginning of Mar.
2~3 3~7 30~32 10.0 11.0 4.1 5.3
拔节
Shooting
3月中旬~4月上旬
Mid Mar.~beginning of Apr.
0 12~14 30~32 16.5 16.3 10.4 10.6
抽穗开花
Heading and flowering
4月中、下旬
Mid to late Apr.
9~11 18~20 30 21.8 22.8 15.9 16.6
灌浆成熟
Grain filling and maturing
5月
May
12~14 18~24 30 26.9 26.7 20.7 20.8

促进作用[21], 净光合速率增加, 从而有利于干物质的
积累, 温度高于最适温度后, 产量才会迅速下降[22];
另一方面, 平均气温增幅相对较大的是越冬期、返
青期和抽穗开花期, 崔金梅等[23−24]研究发现冬小麦
抽穗开花期气温与结实率有一定的正相关关系, 气温
升高有利于形成早期高粒重, 从而促进增产; 同时,
增温会导致作物发育期提前[25], 越冬、返青和抽穗期
增温使冬小麦越冬期缩短, 返青和抽穗期提前, 而灌
浆期气温基本没有变化, 故抽穗−灌浆−成熟时间延长,
这有利于冬小麦灌浆攻籽、提高千粒重和产量[26−27]。
根据前面的分析, 相对于河南省显著增温前、
气候产量波动较大的 1961~1981年, 1981~1990年实
际单产增加 124.5%, 此期气温偏低, 为一个相对的
冷期, 估算的气温变化对单产有一定的负影响, 但
影响率很小。从 20世纪 90年代开始, 增温对冬小麦
单产提高起到了一定的积极作用, 实际单产相对于
1961~1981 年增长 173.4%~245.9%, 其中气温升高
0.660~1.040 ℃对增产的贡献率达 15.6%~20.7%。
冬小麦全生育期显著增温以后(1985 年以后),
技术进步仍是小麦单产不断提高的源动力, 同时也
使气候产量受气温波动的影响大大减小, 与增温后
的 20世纪 90年代相比, 气温进一步增高 0.38 ℃, 增
温带来的气候增产量仅 10.6 kg·hm−2, 约占实际增产
量的 1%, 单产对气温变化的敏感性减弱。
3 结论
河南省冬小麦全生育期平均气温从 20 世纪 80
年代中期开始显著递增, 1985~2007 年增温幅度达
0.81 ℃·10a−1。1961年以来河南省冬小麦实际单产不
断增加, 除受技术进步的影响外, 增温对单产的提
高也有一定贡献作用。
与气温显著升高前的 1961~1981 年相比, 20 世
纪 90 年 代 以 后 冬 小 麦 实 际 单 产 增 幅 达
173.4%~245.9%, 其中增温对单产增加的贡献率达
15.6%~20.7%; 随着气温的持续升高, 相对于 20 世
纪 90年代, 2000~ 2007年增温带来的增产仅有 1%。
气温对作物产量的影响过程较为复杂, 除日平
均气温外, 日最高气温、气温日较差等其他气温因
子的变化均可能对最终产量的形成造成不同的影
响。本文重点通过判别相对气候产量与冬小麦全生
育期平均气温距平的变化关系, 划分了受气候变暖
影响的两个时段, 是定量评估增温对产量的影响效
应的前提条件。但由于变暖后(1987~2007年)相对气
候产量与气温的拟合曲线相关性偏低, 对于准确评
估气候变暖后增温对单产的贡献率有一定影响, 但
从气候增产量和冬小麦实际单产增加量的量级对比
仍可以看出, 气候变暖对河南省冬小麦单产的影响
远远小于技术发展的影响。随着气温的持续升高 ,
冬小麦产量对气温的敏感性减弱, 从另一侧面反映
出农业对气候变化的适应能力提升, 至少在目前的
气温增幅内能够较好地适应气温变化的影响, 但这
种适应能力是否可以维持到未来的气候变化情景 ,
还有待进一步深入分析。
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《中国至 2050 年农业科技发展路线图(英文版)》

赵其国 著 科学出版社出版
ISBN 978-7-03-029978-9 ￥108.00 2011年 1月

本书明确了至 2050年全球和我国农业发展面临的挑战与机遇，预测我国未来对
农业科技的重大需求，提出至 2050年我国农业科技领域发展战略目标、分阶段目标，
提出各阶段农业科技发展的主要方向及可突破的重大科学技术问题，形成未来农业科
技发展的总体路线图，并提出为实现以上目标所需要的体制、资源、人才等方面的政
策建议。本报告可作为政府部门、科研机构、大学、企业进行科技战略决策的重要参
考，也可供国内外专家、学者研究和参考。

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