河南省冬小麦气候适宜性变化研究

生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2005, 24(5) :503 ~ 507河南省冬小麦气候适宜性变化研究*千怀遂’””焦士兴”赵峰’(广州大学地理科学学院,广州510405;2安阳师范学院地理亲，安阳45000;3科学出版社，上海办事处，上海200032)摘要运用建立的冬小麦气候适宜度模型对全生育期气候适宜度年际变化进行了计算。结果表明，降水适宜度波动最强;温度适宜度与气候适宜度波动均较小，且20世纪80年代以来振幅明显变小。从变化倾向来看,温度、光照和气候适宜度分别以每10年0.003.0.005和0.006的速度升高,降水适宜度以每10年0.002的速率降低。关键词河南省, 冬小麦,适宜度,生育期中图分类号S512文献标识码A文章编号1000 - 4890(2005)05 - 0503 - 05Climate sutability change of winter wheat in Henan Province.QIAN Huaisui' ,JIAO Shixing2 , ZHAO Feng'(' School of Geographical Sciences , Guangzhou University, Guangzhou 510405, China ;2 Department of Geography, Anyang Teachers College , Anyang 455000, China ; Agency of Science Press in Shanghai , Shang-hai 200032, China ). Chinese Journal of Ecology, 2005, 24(5):503~ 507.Employing the climate suitability degree model, the annual climnate suitability change was calculated. The re-sults showed that the fluctuation of precipitation suitability was very strong while that of temperature and sun-beam is less strong, and their vibrating amplitude has become weaker and weaker since 1980s. In terms of thechange trend, temperature, sunbeam and climate suitability degree in tum increased at the speed of 0.003/10yr, 0.005/10yr and 0. 006/ 10yr, while precipitation suitability degree decreased at the speed of 0.002/10yr.Key words Henan Province, winter wheat, suitability degree, growth stage.多数适宜度模型仍局限于单个气候因子的影响分1引言析,对光温水的综合效应关注较少。本文结合前人河南省是我国重要的小麦生产基地,其播种面的研究成果,在改进作物气候适宜度模型的基础上,积和总产量均居全国各省区之首,而且产量变异系对河南省小麦气候适宜度变化进行综合分析。数较大,是我国对气候变化较为敏感的农业区之- - 。2资料与方法 .由于河南省位于气候带界线附近,加上地形过渡带2.1 资料来源的影响,气候过渡性和灾害多发性均十分明显。20世纪80年代以来,全球冬季气温的明显升高已引起为了定量评估河南省各地区冬小麦气候适宜性河南省冬小麦产量的显著波动,冬小麦适宜种植区变化,本文遵循实验点均匀分布的原则,并考虑了地也因此产生了较大变动。为保证全省粮食的稳产高形地貌条件的影响,在全省选择了46个气象站点，产,必须对种植制度、小麦品种类型和裁培技术等耕选取它们1961 ~2000年的逐旬降水、气温与8照时作措施、方案做相应调整。因此,对河南省冬小麦气数资料(这些数据来源于河南省气候中心)以及候适宜性变化展开研究有重要的理论和实际意义。1961~ 2000年的河南省小麦单产资料(取自河南省目前,作物气候适宜性研究主要侧重于作物产农业统计年鉴和河南省农村统计年鉴)进行了计算量的统计分析、作物生理生态模拟及作物响应全球分析。2.2冬小麦气候适宜度模型的建立气候变化的实验研究等方面1.2.4,7-11。比较而言,中国煤化工数为定 量分析河南基于模糊数学理论建立的作物适宜度动态模型确能客观反映气候条件对作物生长发育的满足程度,可MHCNM H胜长发育的满足程为作物品种的改良与布局、农业投入方案的选择及*河南省自然科学基金资助项目(111070200)。* *通讯作者农业配套设施的改进等提供理论的支持和指导。但收稿日期:2004-03 -09改回日期:004 -07 -25504生态学杂志第24卷 第5期度,引入冬小麦生长对温度条件的反应函数,根据马Sp(t)= S(R(t))= U,(R(t))(i∈[0,n]), 简记树庆的研究[3],温度适宜度可用下式计算:为SR(t),表示河南省降水量对冬小麦生长的适宜S(T) = [(T- T1)(Tz- T)B]/过程,由此,降水量在第y年(y= 1,2, 3,.....39.[(To- TI)(Tz- To)"]第m生育期的适宜度可记为:B= (T2- To)/(To- T1)SRm(y)= 2axSR(y;)式中, T是某一时段(某旬或某生育期)的平均气温,T、T2、To分别是冬小麦在该时段内生长发育ar;S(R(y;))(5)的下限温度、上限温度和最适温度。假定冬小麦全生育期温度的变化过程为T= T(t)(t∈[0,n],n表式中,m表示第m个生育期;m1,m2分别表示第m.示旬序,n = 20),则冬小麦生育期温度适宜度的变个生育期的开始旬和结束旬;aRi表示第m个生育化可表示为:Sr(T) = S(T(t)(t∈[0, n]),记为期第i旬的权重系数。而降水量在冬小麦全生育期Sr(t),它揭示了冬小麦对温度条件的生理适宜过内的加权平均叫做全生育期降水适宜度,表示为:程,温度适宜度随时间变化在某生育期的加权平均SR(y) =值叫该生育期温度适宜度,权重用an; 表示,则第yj=1年(y = 1,2, 3, .........第m生育期适宜度可=b,S(R(s;)),y∈ [1,39] (6)记为:上式中b;(j = 1,2,3, ...为各旬权重系数。Sm(y)= 2anSr(s;) .与温度和降水一样,光照条件对作物生长的影响亦可理解为模糊过程,即在“适宜"与“不适宜”之习anS(T(y;))(2)间变化。本文以日照时数达可照时数的70%(日照百分率)为临界点[6],认为日照百分率达到70%以式中,m表示第m个生育期;m1,m2分别表示第m上,冬小麦对光照条件的反应即达到适宜状态。基个生育期的开始旬和结束旬。于这种理解,光照适宜度函数可用下式表示:本文把温度适宜度随时间变化在全生育期内的e-l(s-5S)/8]2 s< So加权平均叫做全生育期温度适宜度,其权重用bj表S(s) =(7)S≥So示，则冬小麦全生育期适宜度可表示为:式中, s表示实际日照时数(小时),So表示日照百Sr()= 2b,Sr(x)分率为70%的日照时数,b为常数。设日照时数在冬小麦全生育期[0,n]的变化过程为S = S(t)(t$(:5(),y∈[1,39] (3)∈[0,n]), 那么冬小麦日照适宜度随时间的变化可降水是作物水分与土壤水分的主要来源,农作表示为:Sg(t) = S(S(t))(t ∈[0,n]), 它刻划了物生长的好坏、产量的高低与降水有密切的关系。为全生育期日照条件对冬小麦适宜性影响的动态过评价其对冬小麦生长的影响,本文以河南省冬小麦程。本文把某生育期日照适宜度随时间变化的加权正常生长的需水量作为冬小麦需水量的适宜水量标平均叫做该生育期日照适宜度,计算权重用asi表准,按照作物产量与降水量关系曲线图[5],认为可示，则冬小麦第y年(y = 1,2,....第m以用下式计算河南省冬小麦的降水适宜度:生育期的日照适宜度可表示为:(R/Ro R < RoU,(R) =\Ro/R R≥RoSm(y) =agS,(y;)式中, R表示某旬天然降水量(mm); Ro表示作物生中国煤化工(8)理需水量(mm);当R略大于Ro,且完全可被土壤贮存接纳时,可认为Us(R)≈1。当降水量在冬小麦同理，.MHCNMHGI 日照适宜度:全生育期[0,n]内的变化过程R = R(t)(t ∈[0,Ss(y)= 2b,S.(s;)n]为已知时,降水适宜度随时间的变化可表示为:千怀遂等:河南省冬小麦气候适宜性变化研究505化。Zb,s()),y∈[1,39]3结果与分析式中, b;表示第j旬日照适宜度的权重系数。2.2.2权重系数的确定目 前,确定权重的方法有3.1 河南省冬小麦气候适宜性年际变化规律专家咨询法、因子分析法和相关系数法等。本文采河南省冬小麦全生育期气温、降水、光照及综合用相关系数法和因子分析法计算各旬温度、降水和适宜度均在0.55以上,近年来均有持续升高或降低光照适宜度的权重系数。首先,计算各旬适宜度指的趋势。温度适宜度与气候适宜度均呈逐年升高趋数之间的相关系数矩阵,然后根据各个生育期包含势,年增幅分别为0.0003和0.0006,其中20世纪的旬计算每- -旬与本生育期内其他几甸相关系数的80年代中期以来的升高趋势更加明显;若不考虑平均值,以其平均值占本生育期内所有旬的相关系1962和1963年的极端情况,光照适宜度是逐年下数平均值总和的比值,作为该旬在该生育期的权重降的(年变化速率为- 0.0004);若考虑整个时间序系数(a;)。考虑到冬小麦全生育期内20个旬相互列,光照适宜度则表现为升高之势(年增幅为之间关系的复杂性,特别是前几个旬和后几个旬的0.0005);降水适宜度有逐渐降低的趋势,速率降低相关性由于时间跨度太大而难以用相关系数准确表为0.0002。可见,近年来全球气候变化影响下的河达,所以对全生育期温、光、水适宜度计算的权重系南省降水变化对冬小麦生长发育产生的负效应正在数采用因子分析法来确定,用各旬适宜度指数的公进一步增强,这在一定程度上增加了本省粮食生产因子方差占总方差的比值,作为该旬的权重系数的风险。(6;)。2.2.3冬小麦气候适宜度模型 冬小麦的生 长发育及最终产量的形成与周围生态环境条件之间的关0.80↓系错综复杂,受生态环境因子间组合配合变化的影0.75响最大,一个因子或几个因子对冬小麦生长的正效e0.70应可能被其他因子加强,也可能被减弱,甚至被完全电0.65 |抵消。而以上冬小麦气温、降水、日照适宜度函数的.60}建立有其前提和假定条件,即除其自身(气温、降水0.55NwwwVWwW^或日照)之外的其他环境因子对小麦的生长发育均1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000年份适宜。这是一种理想的科学假设,仅能反映单个因素的影响变化,难以表达多因子的协同效应。为了图1河南省冬小麦全生育期气候适宜度年际变化综合反映三个因素对冬小麦适宜性的影响,合理评Fig.1 Annual change of elimate suitability during the whole growthstage of winter wheat in Henan Province估河南省冬小麦对可能提供的气候资源的适宜动态3.2河南省冬小麦各生育期气候适宜性年际变化及其对20世纪80年代以来的全球气候变暖的响应对比特征,建立了冬小麦气候适宜度动态模型:3.2.1冬小麦不同 生育期温度适宜性年际变化Sm(y) = VSr(ym)x SR(sm)x Ss(sm)从河南省冬小麦各生育期温度适宜度累计距平曲线(m = 1,2,3,4,5)(10)(图2)可见,虽然各个生育期的变化各有特点,但近Sc(y) =↓Sr(y)x SR(y)x Ss(y)(11)年来的升高趋势均较明显。播种期的温度适宜度于式中,y表示年序(y = 1,23,......39. Scm(y)、20世纪80年代初由正距平期进入负距平期, 90年Sc(y)分别表示冬小麦第m个生育期和全生育期代初期以后又以正距平为主,即80年代中期以来持的气候适宜度。续升高;分蘖期温度适宜度在70年代中期出现最明从河南省不同区域选取原阳、汤阴、渑池和沁阳显的负听平出后以r两冷钻”明波动后于90年代出等10个站点,将其气候适宜度评估值与冬小麦气象H中国煤化工化最不稳定, 60年代产量做相关分析发现,两者间的相关性达极显著水CN MH G距平, 70年代和90平,表明本文设计的冬小麦气候适宜度模型能客观年代后期温度适宜度为正距平, 80年代末到90年反映河南省冬小麦的气候适宜性水平及其动态变代初正负距平交替;抽穗期温度适宜度在80年代中506生态学杂志第24卷 第5期期到90年代中期以负距平为主,此后以正距平为处,但也有较明显的差别。由图4可见,播种期光照主;成熟期的变化与分蘖期类似,只是正负距平转换适宜度在70年代为负距平, 80年代为弱正距平,90期有所差别。总之,近年来全球温度的升高对河南年代为强正距平,其变化之中有升高的趋势;分蘖期省冬小麦安全越冬的限制性降低,春、秋季的温度适的光照适宜性自1964 年以后长期维持正距平,在宜度也趋于升高。80年代出现一次明显的波动之后进入以负距平为主的时期,其变化之中有降低的趋势;拔节期的光照0.40-播种期SCT 士分强期SQ- 一拔节期SD)适宜度从60年代末以后较为稳定,自80年代初以0.20来一直以负距平为主,即其变化有下降趋势;抽穗期0.00和成熟期的变化非常类似,累计距平自1964年以后持续增加。分櫱期S(S) -女拔节期 S(S)- 抽穗期S(S)0.60-0.80-1.001961 1964 1967 19701973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000, 0.00年份出0.20老-0.40k -0.60图2河南省冬小麦温度适宜度的累计距平-0.80 tFig.2 Cumolative departure of winter wheat temparature suitability1 20in Henan Province.1. .403.2.2冬小麦不同生育期降水适宜性年际变化1961 19641967 19701973 19761979 1982 19851988 1991 1994 1997 2000各个生育期降水适宜度有明显不同的变化趋势。根据累积距平曲线的变化特征(图3),可以80年代初图4河南省冬小麦光照适宜度的累计距平为界，将播种期、分蘖期、拔节期和抽穗期的降水适Fig.4 Cumulative departure of winter wheat light sitbility in Henan宜度变化分为两个时段,在80年代初以前,播种期Province和抽穗期的降水适宜度多数年份为正距平,分蘖期3.2.4冬小麦不同 生育期气候适宜性年际变化和拔节期主要为负距平;在80年代之后,播种期和河南省冬小麦各生育期光温水综合气候适宜度的变抽穗期的降水适宜度多数年份为负距平,分櫱期和化与单因子适宜度有明显的差别,但与降水适宜度拔节期主要为正距平。可见,播种期和抽穗期的降的变化有许多相似之处。由图5可见,播种期和抽水适宜度有明显的降低趋势,分蘖期和拔节期有明穗期气候适宜度的累积距平变化呈现“降低一升高显的升高趋势,成熟期从80年代以来有降低趋势。-降低”的变动规律, 60年代中期到80年代初期气候适宜度较高,一般为正距平,此后它们进入以负距，平为主的时期,即这两个生育期的气候适宜度年际0.8-抽穗期S(R)- +成熟期S(R)-一拔节期S(R)变化均呈下降之势,但播种期(降幅为0.005/10年)比抽穗期(降幅为0.003/10yr)降低得快,说明80年代以来的全球气候变化对河南省冬小麦的生长发育0.20 -有负效应,这异于前几年学者们的估计。河南省冬菔0.20末初春的天气很不稳定，春旱的频率也很高,往往对-0.40小麦的生长和发育产生不利影响。自80年代初期-0.60以来,分蘖期和拔节期的气候适宜度累积距平变化-69611964169197919737 1719198198188199119199290过程为先降低后升高,气候适宜度有明显的升高趋势,哗小麦气象条件的改图3河南省冬小麦降水适宜度的累计距平善。中国煤化工年代以来，成熟期Fig.3 Cumulative departure of winter wheat precipitation suitability气候TIHCNMHG由此可见，近年来3.2.3冬小麦不同生育期光照适宜性年际变化河南省冬小麦播种期和抽穗期的气候适宜度逐渐降不同生育期光照适宜性的年际变化虽有许多相似之低,分蘖期和拔节期的气候适宜度不断增加,这些趋千怀遂等:河南省冬小麦气候适宜性变化研究势性变化可使小麦生长发育关键期发生变动。此气候适宜度均呈逐渐升高的趋势,而降水适宜度则外,通过对比图5和图3可以看出，气候适宜度的变表现为逐渐下降的趋势,说明千旱和阴雨天气仍可化与降水适宜度非常相似,这说明小麦气候适宜度能成为未来河南省冬小麦生长发育的主要胁迫因的变化主要取决于降水量的变化,而且降水适宜度子;同时,不同生育期河南省冬小麦温度、降水、光照本来就是最低的，波动也最大,因此水分因子仍十分和气候适宜度均表现出不同的年际变化特征,其中关键。为保证小麦的安全生产,在进--步提高农业播种期和抽穗期的降水适宜度和气候适宜度近年来灌溉保证率和农业用水效率的同时,还要根据不同有降低趋势,分蘖期和拔节期有升高趋势。农业措生育期适宜度的变化,确定水分关键期,对水分调控施必须针对冬小麦具体发育阶段作出相应调整。时间进行调整。参考文献.[1]千怀递, 魏东岚.2000气候对河南省小麦产量的影响及其变-播种期S(R,S) -日分蘖期S(R,T,S) -▲一拔节期S(R,T,S)化研究[J].自然资源学报, 15(2):149~154..40+抽穗期S(R,T,S)- +成熟期S(R,T,S)2] 千怀遂,石艳蕊，魏东岚.2000.气候对河南省棉花产量的影响0.20及其变化研究[J].生态学报, 20(6):1061~ 1068.3] 马树庆1994.吉林省农业气候研究[M].北京:气象出版社.0.004] 林日暖.199.9拉萨小麦生育后期籽粒形成与温度的关系[J].应用气象学报, 10(3):321~326.6-0.20s] 徐学选,高 鹏,蒋定生.2000.延安降水对农作物生长适宜性-0.40的模糊分析[J].水土保持研究, 7(2):73~76.6] 黄璜.1996.中国红黄壤地区作物生产的气候生态适应性研-0.60究[J].自然资源学报,11(4):340~345.1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 20007] Maglinao RD, Evangelista AR, et al .1997. Vulnerability of rice年份and com to climate change in the Philippines[J]. Water Air.Soil Pll..92(1~2):41~ 51.图5河南省冬小麦气候适宜度的累计距平8] Moya, Ziska TB, Weldon LH, et al. 1997. Microclimate in open-Fig.5 Cumulative departare of winter wheat eclimate sultablity intop chambers: implications for predicting elimate change effectsHenan Provinceon rice production[J]. T. ASAE, 40(3):739~747.9] Reyenga, Howden PJ. Meinke SM, et al .1999. Moelling global4结论change impacts on wheat cropping in south-east Queensland,Australia[J]. Environ Moadell . Sofruare, 14(4) :297~ 306.4.1 根据河南省农业气候条件,参考前人的研究成[10] Roenzweig C, Parry ML.1994. Potential impact of elimate change on果,本文建立了冬小麦气候适宜度模型。通过省内world food spply[J]. Nature ,367:133 -138.[11] Sirotenko OD, Abashina EV.199. Impact of global warming on10个气象站点的检验发现,此模型能较为客观地反the egriclimnate and egriculture productivity of Russia[J]. Meteo-映冬小麦的气候适宜性水平及其动态变化,可为农rol. Hydrol.,4:188~ 196业政策和耕作制度的调整提供理论支持。4.2运用建立的冬小麦 气候适宜度模型对河南省作者简介千怀遂, 男, 1956年生,教授,博士生导师。主要从事应用气候学、全球气候变化和遇感技术应用等方面的研46个气象站点的降水、日照和气温数据进行了计究。发表论文40余篇。Email: hsqian@sohu. com算,结果发现,河南省冬小麦全生育期温度适宜度和责任编辑李凤芹中国煤化工MYHCNMHG