气候变化对河北省冬小麦产量的影响——以栾城县为例

杜汛雨

(1.河北师范大学 资源与环境科学学院，河北 石家庄050024；2.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄050024)

0 引言

河北省属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，降水集中、雨热同期、土层深厚，非常适合冬小麦生长，是我国重要的冬小麦产区. 随着全球增暖，近几十年来，我国绝大部分地区呈气候变暖趋势，华北地区变暖趋势尤其明显[1-4]，特别是近20年来增温趋势显著加速[5-6].多数研究认为气候变暖的加剧导致河北省降水严重不足，气候各要素时、空变化更为显著，而其中温度和降水年际间剧烈变化是造成冬小麦产量波动的主要原因[7-11].廉丽姝等[7]通过将山东省1961—2000年气象与粮食相对气候产量进行分析表明了气温和降水异常是造成山东省小麦气候产量波动的主要原因；史本林等[8]利用数学统计与Thornthwaite Memoriae模型对商丘地区1991—2010年的气候和小麦产量资料进行分析，发现气温、降水量与极端温度是影响冬小麦产量的主要气候因子，并且“冷干型”气候对冬小麦生产最为不利，而“暖湿型”气候对商丘地区粮食作物产量的提升较为有利.

栾城县位于河北省中南部，近年来规划为石家庄市栾城区，位于北纬38°87′，东经114°64′，属于暖温带半湿润半干旱气候，该区域地势平坦、土壤质地良好，光热充足，是河北平原腹地冬小麦高产代表区域[12-14].本文以栾城为代表性样点，重点分析了1979—2012年共33年的气温和降水的变化趋势及其与气候产量的变化关系.

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象资料为河北省栾城生态试验站整理的1979—2012年月降水量和月平均气温资料，冬小麦生长期为第一年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、春这两个时间段的气象资料.1980—2010年的冬小麦产量资料主要来自河北省统计年鉴.

1.2 主要分析方法

对于气候要素的分析采用回归分析、T检验、Pearson相关分析等统计分析方法[15].对冬小麦气候产量的分离采用时间序列为5年的直线滑动平均法.文中的数据整理和图表用Microsoft Excel完成，数据统计分析用SPSS20.0完成.

影响小麦产量的因素主要分为社会因素和气象因素.社会因素是指政策、技术、农业工具、科技等，气候因素是指气温、降水等气象条件.通常将由社会因素即社会经济水平引起的小麦产量在长时间尺度上的某种比较平稳的増长趋势称为趋势产量；而将由于气象因素的变化导致的产量年际间的波动称为气候产量[16-18].即：

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；Y(w) 是气候产量，表征气候波动对实际产量的贡献.

第一步，以1980年为起始年，向后4年，即以1980—1984年作为第一个时间段，利用一元回归拟合该时间段内的直线模型：

yi=ai+bit.

(2)

从1980到2008年，共得到29个线性方程.

第二步，计算每个方程在某一年度的拟合值，多数年度有 5 个拟合值，其中2009、2010、2011、2012年分别与4、3、2、1个值.

第三步，求算各年度5个拟合值的平均值.

(3)

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

(4)

这种方法的优点是离历史年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 气候要素的变化特征

2.1.1 冬春季节的温度变化特征 根据线性回归、T检验的统计分析方法对1979—2012年的气温进行分析，结果见图1.栾城地区冬季平均气温在1.5 ℃，多年气温在-0.3 ℃～3.3 ℃，距平变化为-1.8 ℃～1.8 ℃；春季平均气温在14.35 ℃，多年气温在12.2 ℃～16.4 ℃，距平变化为-2.15 ℃～2 ℃.T检验结果表明，春季和冬季的气温线性变化倾向都通过了95%的显著性检验.并且，在1979—2012年间栾城的气温升高趋势显著，冬季气温平均每10年升高0.45 ℃，春季气温平均每10年升高0.75 ℃.

2.1.2 冬春季节的降水量变化特征 根据线性回归和T检验方法对1979—2012年的降雨量进行分析，见图2.结果表明：栾城地区冬季平均降水量0.74 mm，多年降水量在0.01～3.16 mm之间，距平变化-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之间，距平变化-52.56～121.65 mm.冬、春季降水量变化图的线性倾斜变化不明显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年减少1.7 mm，但线性倾斜变化都不明显，说明1979—2012年间栾城地区的降水量变化不显著.

图1 1980—2012年栾城冬季(11—1月)和春季(3—5月)的气温变化Fig. 1 1980—2012 year Luancheng winter (November—January) and spring (March—May) temperature change

图2 1980—2012年栾城冬季(11—1月)和春季(3—5月)的降水量变化

2.2 冬小麦的气候产量变化

为了更加直观明确的得出冬小麦的气候产量变化趋势，在气候产量折线图的基础上叠加气候产量的变化趋势图，见图3.趋势图可以更加形象的看出从1980—2012年栾城冬小麦气候产量的变化即：1980—1984年、2000—2010年气候产量多为负值，表明气候条件不利于冬小麦的生长；1985—1999年、2011—2012年气候产量多为正值，表明气候条件比较有利于冬小麦的生长.

图3 栾城1980—2012年冬小麦气候产量

2.3 降水量和气温对冬小麦气候产量的影响

2.3.1 降水量距平和气温距平与气候产量的相关性分析

为了进一步考察气温和降水与气候产量的相关性，利用SPSS统计学的Pearson相关分析方法进行降水量距平和气温距平与气候产量的相关性分析.由表1可以得出冬、春季的降水量距平与气候产量的相关系数分别为-0.334、-0.196，显著性分别为0.058和0.275，均没有通过0.05的显著性检验，表明冬、春降水量与气候产量的相关性不显著，因而不再进行进一步分析.而冬、春的气温距平与气候产量的相关系数分别为0.42和0.374，显著性系数分别为0.015和0.032，通过0.05的显著性水平检验.因此说明只有冬、春的气温与气候产量显著相关，即应着重分析气温要素与气候产量的关系.

2.3.2 冬、春季气温距平对气候产量的影响

从图4可以看出：1980—2012年冬季的气温距平在-0.5 ℃～0.5 ℃上下变化时，气候产量偏高；当气温距平低于-0.5 ℃时气候产量多为负值，尤其是当气温距平低于-1 ℃时，气候产量普遍为负值且较低，如1985、2003年等. 由春季气温距平与气候产量关系得到：当气温距平在-0.5 ℃～1 ℃上下变化时，气候产量都较高，多为正值.而当春季气温距平太高或太低时，气候产量则比较低.如图4所示：在气温距平较低的年份1980、1985、1991年和2010年，气候产量都较低.尤其是1980和2010年气温距平的最低点为-1.99 ℃和-1.15 ℃，气候产量分别为-344.9 kg/hm2和-411.2 kg/hm2.

2.4 冬春气温共同对冬小麦气候产量的影响

为了进一步考察气温对冬小麦气候产量的影响，针对冬、春气温距平进行具体分析.比较1980—2012年冬小麦气候产量的变化，对比气候产量偏高的年份和偏低的年份的气候要素的差异，见表2.

图4 冬、春季气温距平对气候产量的影响Fig. 4 Winter and spring temperature departure to climate output influence

项目气候产量/(kg·hm-2)冬季降水量距平/mm春季降水量距平/mm春季气温距平/℃冬季气温距平/℃Pearson 相关性1-0.334-0.1960.420*0.374*显著性(双侧)0.0580.2750.0150.032N3333333333

*.在0.05水平(双侧)上显著相关.N为研究对象的个数，1980—2012年共33年.

表2 气候产量偏高年和偏低年的气温距平差异

从表2可以发现，当冬季和春季气温距平都低时，气候产量也随之较低；当冬季气温距平在-0.5 ℃～1 ℃之间即冬季均温在1 ℃～2.5 ℃之间并且春季气温距平较高时，气候产量相对较高；当冬、春的气温距平都在-0.5 ℃～0.5 ℃之间即冬季均温在1 ℃～2 ℃之间、春季均温在13.85 ℃～14.85 ℃之间时，气候产量则偏高.

3 结论

降水量对气候产量的影响不显著，栾城地区大部分以水浇地为主，大大削弱了降水量对气候产量的影响.气温与气候产量显著相关，冬季均温在1 ℃～1.5 ℃时有利于冬小麦生长，低于1 ℃ 时对冬小麦生长不利；春季均温在13.85 ℃～15.35 ℃时气候产量偏高，对冬小麦生长有利.春季均温极高或极低时，都不利于冬小麦生长.对冬春气温进行综合考察发现：当小麦生长期的冬季和春季均温都低时，气候产量也会随之较低，即不利于冬小麦生长；当冬季均温在1 ℃～2.5 ℃之间并且春季均温较高时，气候产量相对较高，有利于冬小麦生长；当冬季均温在1 ℃～2 ℃之间、春季均温在13.85 ℃～14.85 ℃之间时则对冬小麦的生长更为有利.

本文只从气候变化角度对栾城的冬小麦产量进行了分析研究，然而，影响冬小麦产量的还有化肥、农药等因素，今后应该考虑增加作物病虫害和农业管理措施等其他因素对冬小麦产量的影响，以求全面的为该区适应气候变化，提高农业生产力水平提供更为准确的依据.同时，随着近年来极端气候变化的增多也应加强对局域极端气候对冬小麦产量的影响研究.