氣候變化對(duì)河北省冬小麥產(chǎn)量的影響
——以欒城縣為例

杜汛雨

(1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050024)

0 引言

河北省屬溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降水集中、雨熱同期、土層深厚，非常適合冬小麥生長(zhǎng)，是我國(guó)重要的冬小麥產(chǎn)區(qū). 隨著全球增暖，近幾十年來(lái)，我國(guó)絕大部分地區(qū)呈氣候變暖趨勢(shì)，華北地區(qū)變暖趨勢(shì)尤其明顯[1-4]，特別是近20年來(lái)增溫趨勢(shì)顯著加速[5-6].多數(shù)研究認(rèn)為氣候變暖的加劇導(dǎo)致河北省降水嚴(yán)重不足，氣候各要素時(shí)、空變化更為顯著，而其中溫度和降水年際間劇烈變化是造成冬小麥產(chǎn)量波動(dòng)的主要原因[7-11].廉麗姝等[7]通過(guò)將山東省1961—2000年氣象與糧食相對(duì)氣候產(chǎn)量進(jìn)行分析表明了氣溫和降水異常是造成山東省小麥氣候產(chǎn)量波動(dòng)的主要原因；史本林等[8]利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與Thornthwaite Memoriae模型對(duì)商丘地區(qū)1991—2010年的氣候和小麥產(chǎn)量資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣溫、降水量與極端溫度是影響冬小麥產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃?，并且“冷干型”氣候?qū)Χ←溕a(chǎn)最為不利，而“暖濕型”氣候?qū)ι糖鸬貐^(qū)糧食作物產(chǎn)量的提升較為有利.

欒城縣位于河北省中南部，近年來(lái)規(guī)劃為石家莊市欒城區(qū)，位于北緯38°87′，東經(jīng)114°64′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候，該區(qū)域地勢(shì)平坦、土壤質(zhì)地良好，光熱充足，是河北平原腹地冬小麥高產(chǎn)代表區(qū)域[12-14].本文以欒城為代表性樣點(diǎn)，重點(diǎn)分析了1979—2012年共33年的氣溫和降水的變化趨勢(shì)及其與氣候產(chǎn)量的變化關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象資料為河北省欒城生態(tài)試驗(yàn)站整理的1979—2012年月降水量和月平均氣溫資料，冬小麥生長(zhǎng)期為第一年10月到第二年6月，主要分析第一年11—次年1月和3—5月的冬、春這兩個(gè)時(shí)間段的氣象資料.1980—2010年的冬小麥產(chǎn)量資料主要來(lái)自河北省統(tǒng)計(jì)年鑒.

1.2 主要分析方法

對(duì)于氣候要素的分析采用回歸分析、T檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)分析方法[15].對(duì)冬小麥氣候產(chǎn)量的分離采用時(shí)間序列為5年的直線滑動(dòng)平均法.文中的數(shù)據(jù)整理和圖表用Microsoft Excel完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS20.0完成.

影響小麥產(chǎn)量的因素主要分為社會(huì)因素和氣象因素.社會(huì)因素是指政策、技術(shù)、農(nóng)業(yè)工具、科技等，氣候因素是指氣溫、降水等氣象條件.通常將由社會(huì)因素即社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平引起的小麥產(chǎn)量在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的某種比較平穩(wěn)的増長(zhǎng)趨勢(shì)稱為趨勢(shì)產(chǎn)量；而將由于氣象因素的變化導(dǎo)致的產(chǎn)量年際間的波動(dòng)稱為氣候產(chǎn)量[16-18].即：

Y=Y(t)+Y(w),

(1)

式中:Y是實(shí)際糧食產(chǎn)量；Y(t)是趨勢(shì)產(chǎn)量，表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和生產(chǎn)力技術(shù)水平對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)；Y(w) 是氣候產(chǎn)量，表征氣候波動(dòng)對(duì)實(shí)際產(chǎn)量的貢獻(xiàn).

第一步，以1980年為起始年，向后4年，即以1980—1984年作為第一個(gè)時(shí)間段，利用一元回歸擬合該時(shí)間段內(nèi)的直線模型：

yi=ai+bit.

(2)

從1980到2008年，共得到29個(gè)線性方程.

第二步，計(jì)算每個(gè)方程在某一年度的擬合值，多數(shù)年度有 5 個(gè)擬合值，其中2009、2010、2011、2012年分別與4、3、2、1個(gè)值.

第三步，求算各年度5個(gè)擬合值的平均值.

(3)

Y(w)=Y-Y(t).

(4)

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是離歷史年j越近的年份，產(chǎn)量信息對(duì)j年理論趨勢(shì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)越大.用實(shí)際產(chǎn)量減去按上述方法計(jì)算出的理論趨勢(shì)產(chǎn)量，即為氣候產(chǎn)量.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候要素的變化特征

2.1.1 冬春季節(jié)的溫度變化特征 根據(jù)線性回歸、T檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)1979—2012年的氣溫進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1.欒城地區(qū)冬季平均氣溫在1.5 ℃，多年氣溫在-0.3 ℃～3.3 ℃，距平變化為-1.8 ℃～1.8 ℃；春季平均氣溫在14.35 ℃，多年氣溫在12.2 ℃～16.4 ℃，距平變化為-2.15 ℃～2 ℃.T檢驗(yàn)結(jié)果表明，春季和冬季的氣溫線性變化傾向都通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn).并且，在1979—2012年間欒城的氣溫升高趨勢(shì)顯著，冬季氣溫平均每10年升高0.45 ℃，春季氣溫平均每10年升高0.75 ℃.

2.1.2 冬春季節(jié)的降水量變化特征 根據(jù)線性回歸和T檢驗(yàn)方法對(duì)1979—2012年的降雨量進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2.結(jié)果表明：欒城地區(qū)冬季平均降水量0.74 mm，多年降水量在0.01～3.16 mm之間，距平變化-0.72～2.42 mm；春季平均降水量75 mm，多年降水量在22.56～196.77 mm之間，距平變化-52.56～121.65 mm.冬、春季降水量變化圖的線性傾斜變化不明顯且冬季降水量平均每10年提高0.2 mm，春季的降水量平均每10年減少1.7 mm，但線性傾斜變化都不明顯，說(shuō)明1979—2012年間欒城地區(qū)的降水量變化不顯著.

圖1 1980—2012年欒城冬季(11—1月)和春季(3—5月)的氣溫變化Fig. 1 1980—2012 year Luancheng winter (November—January) and spring (March—May) temperature change

圖2 1980—2012年欒城冬季(11—1月)和春季(3—5月)的降水量變化

2.2 冬小麥的氣候產(chǎn)量變化

為了更加直觀明確的得出冬小麥的氣候產(chǎn)量變化趨勢(shì)，在氣候產(chǎn)量折線圖的基礎(chǔ)上疊加氣候產(chǎn)量的變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖3.趨勢(shì)圖可以更加形象的看出從1980—2012年欒城冬小麥氣候產(chǎn)量的變化即：1980—1984年、2000—2010年氣候產(chǎn)量多為負(fù)值，表明氣候條件不利于冬小麥的生長(zhǎng)；1985—1999年、2011—2012年氣候產(chǎn)量多為正值，表明氣候條件比較有利于冬小麥的生長(zhǎng).

圖3 欒城1980—2012年冬小麥氣候產(chǎn)量

2.3 降水量和氣溫對(duì)冬小麥氣候產(chǎn)量的影響

2.3.1 降水量距平和氣溫距平與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步考察氣溫和降水與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性，利用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)的Pearson相關(guān)分析方法進(jìn)行降水量距平和氣溫距平與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性分析.由表1可以得出冬、春季的降水量距平與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.334、-0.196，顯著性分別為0.058和0.275，均沒(méi)有通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明冬、春降水量與氣候產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著，因而不再進(jìn)行進(jìn)一步分析.而冬、春的氣溫距平與氣候產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.42和0.374，顯著性系數(shù)分別為0.015和0.032，通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn).因此說(shuō)明只有冬、春的氣溫與氣候產(chǎn)量顯著相關(guān)，即應(yīng)著重分析氣溫要素與氣候產(chǎn)量的關(guān)系.

2.3.2 冬、春季氣溫距平對(duì)氣候產(chǎn)量的影響

從圖4可以看出：1980—2012年冬季的氣溫距平在-0.5 ℃～0.5 ℃上下變化時(shí)，氣候產(chǎn)量偏高；當(dāng)氣溫距平低于-0.5 ℃時(shí)氣候產(chǎn)量多為負(fù)值，尤其是當(dāng)氣溫距平低于-1 ℃時(shí)，氣候產(chǎn)量普遍為負(fù)值且較低，如1985、2003年等. 由春季氣溫距平與氣候產(chǎn)量關(guān)系得到：當(dāng)氣溫距平在-0.5 ℃～1 ℃上下變化時(shí)，氣候產(chǎn)量都較高，多為正值.而當(dāng)春季氣溫距平太高或太低時(shí)，氣候產(chǎn)量則比較低.如圖4所示：在氣溫距平較低的年份1980、1985、1991年和2010年，氣候產(chǎn)量都較低.尤其是1980和2010年氣溫距平的最低點(diǎn)為-1.99 ℃和-1.15 ℃，氣候產(chǎn)量分別為-344.9 kg/hm2和-411.2 kg/hm2.

2.4 冬春氣溫共同對(duì)冬小麥氣候產(chǎn)量的影響

為了進(jìn)一步考察氣溫對(duì)冬小麥氣候產(chǎn)量的影響，針對(duì)冬、春氣溫距平進(jìn)行具體分析.比較1980—2012年冬小麥氣候產(chǎn)量的變化，對(duì)比氣候產(chǎn)量偏高的年份和偏低的年份的氣候要素的差異，見(jiàn)表2.

圖4 冬、春季氣溫距平對(duì)氣候產(chǎn)量的影響Fig. 4 Winter and spring temperature departure to climate output influence

項(xiàng)目氣候產(chǎn)量/(kg·hm-2)冬季降水量距平/mm春季降水量距平/mm春季氣溫距平/℃冬季氣溫距平/℃Pearson 相關(guān)性1-0.334-0.1960.420*0.374*顯著性(雙側(cè))0.0580.2750.0150.032N3333333333

*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).N為研究對(duì)象的個(gè)數(shù)，1980—2012年共33年.

表2 氣候產(chǎn)量偏高年和偏低年的氣溫距平差異

從表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冬季和春季氣溫距平都低時(shí)，氣候產(chǎn)量也隨之較低；當(dāng)冬季氣溫距平在-0.5 ℃～1 ℃之間即冬季均溫在1 ℃～2.5 ℃之間并且春季氣溫距平較高時(shí)，氣候產(chǎn)量相對(duì)較高；當(dāng)冬、春的氣溫距平都在-0.5 ℃～0.5 ℃之間即冬季均溫在1 ℃～2 ℃之間、春季均溫在13.85 ℃～14.85 ℃之間時(shí)，氣候產(chǎn)量則偏高.

3 結(jié)論

降水量對(duì)氣候產(chǎn)量的影響不顯著，欒城地區(qū)大部分以水澆地為主，大大削弱了降水量對(duì)氣候產(chǎn)量的影響.氣溫與氣候產(chǎn)量顯著相關(guān)，冬季均溫在1 ℃～1.5 ℃時(shí)有利于冬小麥生長(zhǎng)，低于1 ℃ 時(shí)對(duì)冬小麥生長(zhǎng)不利；春季均溫在13.85 ℃～15.35 ℃時(shí)氣候產(chǎn)量偏高，對(duì)冬小麥生長(zhǎng)有利.春季均溫極高或極低時(shí)，都不利于冬小麥生長(zhǎng).對(duì)冬春氣溫進(jìn)行綜合考察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)小麥生長(zhǎng)期的冬季和春季均溫都低時(shí)，氣候產(chǎn)量也會(huì)隨之較低，即不利于冬小麥生長(zhǎng)；當(dāng)冬季均溫在1 ℃～2.5 ℃之間并且春季均溫較高時(shí)，氣候產(chǎn)量相對(duì)較高，有利于冬小麥生長(zhǎng)；當(dāng)冬季均溫在1 ℃～2 ℃之間、春季均溫在13.85 ℃～14.85 ℃之間時(shí)則對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)更為有利.

本文只從氣候變化角度對(duì)欒城的冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行了分析研究，然而，影響冬小麥產(chǎn)量的還有化肥、農(nóng)藥等因素，今后應(yīng)該考慮增加作物病蟲(chóng)害和農(nóng)業(yè)管理措施等其他因素對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，以求全面的為該區(qū)適應(yīng)氣候變化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平提供更為準(zhǔn)確的依據(jù).同時(shí)，隨著近年來(lái)極端氣候變化的增多也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)局域極端氣候?qū)Χ←湲a(chǎn)量的影響研究.