河南省小麥產(chǎn)量對氣候的響應(yīng)

河南省小麥產(chǎn)量對氣候的響應(yīng)

作物產(chǎn)量與氣候和氣候的關(guān)系是一個古老的問題。在20世紀(jì)80年代以前,該領(lǐng)域的研究側(cè)重于農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)等生物過程或要素與各個氣象要素關(guān)系的分析;近年來,在實際需要和世界氣候研究計劃的引導(dǎo)下,研究重點正在向氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響以及農(nóng)作物生長動態(tài)模擬和產(chǎn)量估算或預(yù)測等方面轉(zhuǎn)移[1~3]。小麥的生長期很長,不同生育期的天氣氣候條件有非常明顯的差異,小麥產(chǎn)量是在各個生育期光、溫、水分條件的綜合影響下形成的。因此,氣候影響評價、小麥產(chǎn)量估算和預(yù)測都需要通過分析小麥產(chǎn)量對各旬(月)日照、氣溫和降水量變化的敏感度,確定關(guān)鍵影響因子和關(guān)鍵期,了解各因子影響強度的區(qū)域差異和時間變化,為小麥產(chǎn)量模擬、預(yù)測和展望性氣候影響評價奠定基礎(chǔ)。河南省是我國重要的小麥生產(chǎn)省份,其播種面積和總產(chǎn)量均居全國各省區(qū)之首,而且產(chǎn)量變異系數(shù)較大,對氣候變化較敏感。該省絕大部分地區(qū)位于暖溫帶半濕潤和半濕潤易旱氣候區(qū),屬于強冬性冬小麥區(qū);亞熱帶北界橫跨本省南部,淮河以南為亞熱帶濕潤氣候區(qū),屬于冬性冬小麥區(qū)。由于位于氣候帶界線附近,而且受地形過渡帶的影響,氣候過渡性和災(zāi)害多發(fā)性均十分明顯,氣候變化不僅可以引起小麥產(chǎn)量的顯著波動,甚至還會造成小麥適宜區(qū)、種植制度、品種類型和栽培技術(shù)的變動。因此,該省是研究氣候變化對小麥產(chǎn)量影響的典型地區(qū)。1小麥水氣候因子與產(chǎn)量本著試驗點均勻分布的原則,我們在全省選擇了47個縣(市),并選用了它們1961~1990年的逐年小麥單產(chǎn)及旬降水量、旬均溫和旬日照時數(shù)資料,其中洛陽市、開封市和信陽市的資料包括1952~1960年的數(shù)據(jù)。這些資料分別來源于河南省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計資料和氣象臺站。根據(jù)小麥產(chǎn)量影響因子的變化特點,可把小麥產(chǎn)量分解為趨勢產(chǎn)量和波動產(chǎn)量,前者的變化主要是由社會經(jīng)濟因子造成的,后者則主要取決于氣候因子。產(chǎn)量分離的方法很多,本文用正交多項式的方法擬合趨勢產(chǎn)量并由此計算每個縣市逐年波動產(chǎn)量經(jīng)檢驗各縣市波動產(chǎn)量均服從正態(tài)分布本文采用積分回歸方法,分析小麥生長期中各旬降水量、溫度和日照時數(shù)對產(chǎn)量的影響,用影響系數(shù)(第i旬降水量、溫度和日照時數(shù)的影響系數(shù)分別用Ari、Ati和Asi表示)表示影響方向和強度。在全生長期中,分別對旬降水量、溫度和日照時數(shù)的影響系數(shù)求和,計算出它們的總影響系數(shù)(分別用Ar、At和As表示),并用最大旬影響系數(shù)與最小旬影響系數(shù)之差計算影響系數(shù)極差?？傆绊懴禂?shù)和極差是表征各氣候要素對小麥產(chǎn)量影響的重要參數(shù)。為了探討氣候變化對小麥產(chǎn)量影響的長期變化,我們選用了信陽市、開封市和洛陽市1952~1990年的氣象資料及信陽縣、開封縣和孟津縣(位于洛陽市附近)的小麥產(chǎn)量資料,采用20年滑動積分回歸的方法,計算每20年降水量、氣溫和日照時數(shù)對小麥產(chǎn)量的影響系數(shù),計算結(jié)果構(gòu)成了降水量、氣溫和日照時數(shù)影響系數(shù)的時間序列(樣本容量n=20),用它們不僅可以分析氣候變化對小麥產(chǎn)量的影響方向和強度,而且還能確定關(guān)鍵影響因子和關(guān)鍵期的變動。2結(jié)果與分析2.1小麥產(chǎn)量的氣候影響2.1.1影響小麥產(chǎn)量的主要氣候因子河南省降水量變化對小麥產(chǎn)量的影響有非常明顯的南北向差異性,這是氣候過渡性的表現(xiàn)。本文根據(jù)降水量總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差的分布規(guī)律,把全省分為4個影響區(qū)(圖1)。(1)淮南弱負(fù)效應(yīng)區(qū)(A)淮河以南為濕潤區(qū),降水量豐富,相對小麥需水量而言,為水分盈余區(qū)。因此,該區(qū)的降水量對小麥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為較明顯的負(fù)效應(yīng),其總影響系數(shù)為-10~-35kg/hm2·mm。本區(qū)的影響系數(shù)極差很小,一般為3~6kg/hm2·mm,各旬影響系數(shù)的絕對值也很小,但負(fù)效應(yīng)持續(xù)時間很長,占全生長期的百分比一般都在65%以上,這說明連陰雨天氣可能是影響該區(qū)小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子。(2)豫中弱正負(fù)效應(yīng)相近區(qū)(B)豫中為半濕潤區(qū),降水量基本上能滿足小麥生長發(fā)育的需要,因此,該區(qū)降水量的總影響系數(shù)可正可負(fù),一般為-10~20kg/hm2·mm。由于水分供需平衡的季節(jié)變化,不同生育期存在有較明顯的正負(fù)效應(yīng),但二者相近,影響系數(shù)的極差也不大,一般變化于3~10kg/hm2·mm。由此可見,本區(qū)降水量對小麥產(chǎn)量的影響不太明顯,而且這種影響是由水分供需平衡季節(jié)變化所造成的。(3)豫西弱正效應(yīng)區(qū)(C)該區(qū)為半濕潤易旱的山地丘陵區(qū),降水量較少,對于小麥需水量來說,為水分虧缺區(qū),因此其降水量的總影響系數(shù)為較大的正值,一般為20~40k/hm2·mm,即全生長期平均每旬增加1mm降水量,小麥單產(chǎn)可望增加20~40kg/hm2。影響系數(shù)的極差較小,一般為3~9kg/hm2·mm,正效應(yīng)持續(xù)時期很長,占全生長期的百分比大于65%。由此可見,降水量對小麥產(chǎn)量的影響較明顯,發(fā)展灌溉設(shè)施和旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)是提高小麥產(chǎn)量的有效途徑。(4)豫北強正效應(yīng)區(qū)(D)該區(qū)為半濕潤易旱氣候區(qū),降水量少,水分虧缺量大,降水量的總影響系數(shù)很大,一般為50~300kg/hm2·mm,即全生長期平均每旬增加1mm降水量,小麥單產(chǎn)可望增加50~300kg/hm2。影響系數(shù)的極差也較大,一般為20~30kg/hm2·mm,正效應(yīng)持續(xù)時期很長。由此可見,降水量對小麥產(chǎn)量的影響非常明顯,有效的灌溉設(shè)施是提高小麥產(chǎn)量的必要條件。2.1.2溫度影響階段河南省位于熱量氣候過渡帶附近,溫度對小麥產(chǎn)量影響的南北向過渡性也很明顯。本文根據(jù)溫度總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差的分布規(guī)律,把全省分為4個影響區(qū)(圖1)。(1)豫南強正效應(yīng)區(qū)(A)淮河以南雖然屬亞熱帶氣候區(qū),但由于連陰雨低溫天氣頻繁,溫度對小麥產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為較強的正效應(yīng),其總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差分別為135~320kg/hm2·℃和50~90kg/hm2·℃,即平均每旬溫度升高1℃,小麥單產(chǎn)可望提高135~320kg/hm2。此外,本區(qū)除秋季外,其它各旬溫度對小麥產(chǎn)量的影響均為正效應(yīng),特別是灌漿到成熟期,溫度的正效應(yīng)非常明顯。(2)豫中南弱正效應(yīng)區(qū)(B)該區(qū)的絕大部分地區(qū)屬于暖溫帶,熱量資源較豐富,但由于連陰雨低溫天氣的頻率也較大,西部山地也有一定降溫作用,溫度對產(chǎn)量的影響為正效應(yīng),由于連陰雨低溫天氣的頻率明顯低于豫南,所以其正效應(yīng)較弱。全區(qū)總影響系數(shù)一般都小于130kg/hm2·℃,影響系數(shù)極差基本上為30~80kg/hm2·℃。本區(qū)的溫度影響關(guān)鍵期有明顯的東西向差異性,豫東平原的拔節(jié)—揚花期一般為正效應(yīng)期,而山地丘陵區(qū)和山前沖積平原為負(fù)效應(yīng)期。(3)豫中北弱負(fù)效應(yīng)區(qū)(C)該區(qū)主要包括黃河沿岸和豫西丘陵山區(qū),連陰雨低溫天氣的頻率較小,光熱資源豐富,干旱少雨的影響明顯,溫度的影響表現(xiàn)為弱負(fù)效應(yīng)。全區(qū)總影響系數(shù)一般為0~-150kg/hm2·℃,影響系數(shù)的極差變化于20~150kg/hm2·℃。溫度影響的季節(jié)變化較明顯,春季溫度上升快,晴熱少雨,溫度的影響表現(xiàn)為明顯的負(fù)效應(yīng)。(4)豫北強負(fù)效應(yīng)區(qū)(D)該區(qū)連陰雨低溫天氣的頻率很小,光熱資源非常豐富,干旱少雨對光熱資源利用的限制性很明顯,溫度的影響表現(xiàn)為強負(fù)效應(yīng),而且季節(jié)變化非常明顯。全區(qū)總影響系數(shù)一般為-240~-340kg/hm2·℃,影響系數(shù)極差變化于40~220kg/hm2·℃,深秋和冬季的溫度影響為弱正效應(yīng),播種期和春季為非常明顯的負(fù)效應(yīng)。2.1.3日光溫床影響因素受南北向氣候過渡性和東西向地形過渡性的雙重影響,本省日照時數(shù)對小麥產(chǎn)量影響的區(qū)域分布較復(fù)雜。本文根據(jù)日照時數(shù)總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差的分布規(guī)律,把全省分為5個影響區(qū)(圖2)。(1)豫南強正效應(yīng)區(qū)(A)該區(qū)位于亞熱帶和暖溫帶南部山前丘陵平原區(qū),連陰雨天氣頻率大,日照不足對小麥產(chǎn)量有明顯的限制作用,日照時數(shù)的總影響系數(shù)一般為10~33kg/hm2·h,影響系數(shù)極差為4~15kg/hm2·h。日照時數(shù)的正效應(yīng)期位于秋季和春季,其中以孕穗期到成熟期的正效應(yīng)最明顯。(2)豫西弱正效應(yīng)區(qū)(B)該區(qū)位于豫西山地丘陵區(qū),降水量少于豫南區(qū),但由于山地的影響,云量較多,日照不足對小麥產(chǎn)量有一定的限制,其總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差均變化于0~10kg/hm2·h,播種期和灌漿到成熟期為主要正效應(yīng)期。(3)豫東弱正效應(yīng)區(qū)(C)該區(qū)位于暖溫帶半濕潤區(qū)南部,陰雨天氣雖然少于豫南區(qū),但仍較頻繁,日照不足對小麥生長發(fā)育仍有一定影響,日照時數(shù)的總影響系數(shù)和影響系數(shù)極差均為0~10kg/hm2·h。此外,該區(qū)的正效應(yīng)僅在拔節(jié)期到灌漿期較明顯。(4)豫中弱負(fù)效應(yīng)區(qū)(D)該區(qū)位于黃河沿岸和豫西山地丘陵區(qū),是半濕潤易旱區(qū)的邊緣區(qū)域,降水量較小,日照時數(shù)的影響為負(fù)效應(yīng),但這種負(fù)效應(yīng)很弱,總影響系數(shù)一般為0~-14kg/hm2·h,影響系數(shù)極差一般都小于20kg/hm2·h,較明顯的負(fù)效應(yīng)位于孕穗期到成熟期。(5)豫北強負(fù)效應(yīng)區(qū)(E)該區(qū)位于暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū),降水量不足,日照資源豐富,日照時數(shù)的影響表現(xiàn)為明顯的負(fù)效應(yīng),其總影響系數(shù)一般為-10~-35k/hm2·h,影響系數(shù)極差也變化于10~27kg/hm2·h。由此可見,該區(qū)的少雨干旱對光照資源的利用有明顯的限制作用,而且影響最大的時期是孕穗期到灌漿期。2.2降水量總影響系數(shù)總影響系數(shù)的變化特征,主要有降水的總影響系數(shù)企業(yè)由于氣候過渡帶和地形過渡帶的雙重影響,氣候?qū)幽鲜⌒←湲a(chǎn)量影響的年際變化有非常明顯的區(qū)域差異性,不同氣候帶或不同地形區(qū)的總影響系數(shù)有不同的變化特點。本文分別用信陽市、開封市和洛陽市代表北亞熱帶、暖溫帶平原區(qū)和暖溫帶山地丘陵區(qū),說明氣候影響的變化特點和區(qū)域差異性。北亞熱帶氣候影響的年際變化有陰、冷、濕化的特點。由圖3可見,信陽市不同時期的降水量總影響系數(shù)都為負(fù)值,而且有緩慢減小的趨勢;日照時數(shù)的總影響系數(shù)都為正值,且逐漸增加;溫度的總影響系數(shù)基本上都是正值,并且有增加的趨勢特點,特別是在20世紀(jì)60~70年代,溫度正效應(yīng)的增強趨勢非常明顯,此后,總影響系數(shù)稍有減小,并處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見,對于小麥生產(chǎn)來說,亞熱帶連陰雨低溫天氣的影響越來越明顯。暖溫帶平原區(qū)的氣候影響有晴、暖、干化的趨勢。由圖4可見,開封市降水量的總影響系數(shù)在大部分時期為正值,且有增加的趨勢,特別是在60~70年代初期,降水量總影響系數(shù)的增加趨勢非常明顯,此后,略減少后趨于穩(wěn)定;日照時數(shù)的總影響系數(shù)基本上都是負(fù)值,且緩慢減小;溫度的總影響系數(shù)也基本上都是負(fù)值,從60年代后期開始,有明顯的下降趨勢。這說明降水不足對小麥產(chǎn)量的限制作用趨于增強,它對光熱資源利用的限制性也越來越強。在暖溫帶山地丘陵區(qū),氣候影響的年際變化表現(xiàn)為明顯的短期波動,趨勢性變化不顯著。由圖5可見,洛陽市降水量的總影響系數(shù)在60年代末有一突變過程,在這一時期前后,總影響系數(shù)各有一個較穩(wěn)定的下降過程。從總的變化趨勢來看,暖溫帶降水量影響的干化趨勢在山地丘陵區(qū)也有一定的反映。日照時數(shù)和溫度的總影響系數(shù)在大部分時期為負(fù)值,而且表現(xiàn)為明顯的波動變化,自60年代中期以來,二者的變化基本上同步。3氣候條件的變化河南省位于亞熱帶與暖溫帶之間的氣候過渡帶附近,氣候變化對小麥產(chǎn)量的影響有明顯的南北向差異性。降水量的影響自淮南到豫北迅速由弱負(fù)效應(yīng)區(qū)過渡到強正效應(yīng)區(qū),據(jù)此把全省分為4個降水量影響區(qū);河南省熱量資源較豐富,在熱量過渡帶和連陰雨低溫天氣區(qū)域分布的共同影響下,形成了4個溫度影響區(qū):豫南強正效應(yīng)區(qū)、豫中南弱正效應(yīng)區(qū)、豫中北弱負(fù)效應(yīng)區(qū)和豫北強正效應(yīng)區(qū);在地形過渡帶和氣候過渡帶的共同影響下,日照時數(shù)的影響有較復(fù)雜的區(qū)域分布,但其南北向過渡性仍相當(dāng)顯著,由豫南的強正效應(yīng)區(qū)迅速過渡到豫北強負(fù)效應(yīng)區(qū),據(jù)此把全省分為5個日照時數(shù)影響區(qū)。降水量、溫度和日照對小麥產(chǎn)量的影響有明顯的年際趨勢性變化,而且在不同氣候帶或不同地形區(qū)有不同的變化特點。亞熱帶氣候影響的年際變化有陰、冷、濕化的特點;