基于格点积温指标的黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力预估

李 萌，申双和，褚荣浩，李 楠，吕厚荃

(1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室/南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044；2.山东聊城市气象局，山东聊城 252000；3.中国气象局国家气象中心，北京 100081)



基于格点积温指标的黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力预估

李 萌1，申双和1，褚荣浩1，李 楠2，吕厚荃3

(1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室/南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044；2.山东聊城市气象局，山东聊城 252000；3.中国气象局国家气象中心，北京 100081)

为宏观了解冬小麦产量及产量稳定度的变化规律，基于1991-2013年黄淮海冬麦区91个有冬小麦种植的农业气象站点的冬小麦发育期及对应年份100个气象站点逐日气象资料，采用格点积温指标划分生育期，通过逐步订正法对冬小麦的气候生产潜力及其变异系数进行估算，之后结合国家气候中心RegCM3模式模拟A1B情景下1951-2100年0.25°×0.25°格点气象资料，对未来情景下冬小麦气候生产潜力及其变异系数进行预估。结果表明，从年际变化看，黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力总体呈现波动下降的趋势，且该波动逐渐趋稳；各时段气候生产潜力基本介于6 277～7 044 kg·hm-2，除2011-2040年有21.94 kg·hm-2·10 a-1的上升趋势外，其余时段均呈明显下降趋势。冬小麦气候生产潜力在空间上总体呈北部低、四周高，在时间上主要呈先平稳后逐渐降低的趋势；其变异系数在空间上总体呈北高南低，在时间上呈北部先增后减、南部先减后增的变化趋势。在实际生产过程中应更加注重冬小麦生长发育过程中光、温、水的匹配程度。

格点积温；冬小麦；气候生产潜力；未来气候情景；变异系数

据IPCC报告，19世纪以来，全球平均地表温度呈现上升趋势，预计在1990-2100年全球平均地表温度将上升1.4～5.8 ℃[1]。这将给农业发展、社会经济、生态系统等方面造成极大的影响，而首当其冲的是农业，尤其是作为农业主体的粮食生产与粮食安全[2-3]。农业气候生产潜力是评价农业气候资源优劣的依据之一，其大小取决于光、温、水三要素的数量及其相互配合协调的程度[4]。最初的作物生产潜力研究是定性地分析单个环境因子对作物产量的影响，随着科学技术的进步，研究方法已从单纯考虑自然因素转向自然因素与社会经济技术因素相结合[5]。近年来，国内对农作物生产潜力的研究已取得不少研究成果。王素艳等[6]采用“逐步订正法”探讨非灌溉自然条件下，干旱对作物气候生产潜力的影响；钟新科等[7]采用GIS技术和AEZ模型结合的方法，模拟了30年中国玉米生产潜力变化趋势；高浩等[8]基于Miami和Thornthwaite Memorial气候模型，分析研究区域不同草原类型草地生产潜力和影响气候生产潜力的气候驱动模式；王涛等[9]基于WOFOST模型对京津冀地区冬小麦生产潜力进行评价。上述作物生产潜力研究结果都是基于历史气候数据并结合作物模型得出的，而对未来情景下作物生产潜力的预估研究并不多见。庞艳梅等[10]选取区域气候模式PRECIS输出的未来A2和B2情景及基准气候资料，采用侯光良法[11]对冬小麦气候生产潜力时空变化特征进行分析；赵俊芳等[12]应用农业生态区域(AEZ)模型，对未来B2气候情景下黄淮海地区冬小麦、夏玉米气候生产潜力时空变化进行预测；Yuan等[13]采用“作物生长动态统计”模型，对RegCM3模式模拟A1B情景下东北春玉米气候生产潜力进行预估。目前在关于作物生产潜力的研究中，研究区域划分生育期大多采用同一积温指标，由于不同区域作物生育期存在一定差异，同一积温指标容易造成生育期划分不严谨、研究结果不精细、不具有区域代表性等问题。因此，本研究基于1991-2013年黄淮海冬麦区91个农业气象站点冬小麦生育期资料和对应年份100个气象站点的逐日气象资料，精确计算出各气象站点冬小麦生育期积温，插值至全区域，提取出冬小麦分生育阶段的格点积温指标，之后采用逐步订正法对冬小麦气候生产潜力及变异系数进行估算，同时结合国家气候中心RegCM3模式模拟A1B情景下1951-2100年0.25°×0.25°格点气象资料，对未来情景下冬小麦气候生产潜力及其变异系数进行预估，从宏观上探讨冬小麦产量及产量稳定度的变化规律，以期为应对气候变化、合理利用农业资源、调整农业结构提供理论依据。

1　资料与方法

1.1研究区域概况

黄淮海冬麦区位于我国东部31°5′～41°N，110°25′～122°25′E区域，覆盖河北、山西南部及京津地区(图1)、河南、山东、安徽及江苏境内淮河流域以北地区，属半干旱、半湿润地区，土层深厚，土壤肥力较高，光热资源充足，降水多集中在夏季，7、8月份降水量约占全年的45%～65%。全年水分支出大于收入，亏缺水分约400 mm[14]。黄淮海地区总耕地面积占全国总耕地面积的25%，是我国几大农业区中耕地面积最多的地区，冬小麦是该区主要粮食作物之一，其种植面积占该区种植作物之首。

1.2资料来源

(1)国家气候中心RegCM3模式模拟A1B情景下1951-2100年0.25°×0.25°格点的气象资料日值，包括日平均气温、日最高和最低气温、日降水量、气压、日总辐射、日平均风速和日平均相对湿度。

图1　黄淮海冬麦区

(2)国家气象信息中心发布的1971-2000年黄淮海冬麦区100个气象站点逐日气象资料，包括日平均气温(℃)、日最高和最低气温(℃)、日降水量(mm)、日总辐射(W·m-2)、日平均风速(m·s-1)和日平均相对湿度(%)。

(3)中国气象数据网1991-2013年黄淮海冬麦区91个有冬小麦种植的农业气象站点冬小麦发育期及对应年份100个气象站点日平均温度(℃)资料(为避免下文各生育期积温的计算受海拔因素影响，其中已剔除掉海拔>1 000 m高山气象站点资料)(图2)。

图2　黄淮海冬麦区气象站点(▲)及冬小麦

1.3模拟气候数据的订正

采用双线性插值法将RegCM3模式下黄淮海区域1951-2100年格点数据(包括逐日平均气温、日最高和最低气温、日降水量、日总辐射、日平均风速、日平均相对湿度)插值到站点位置，然后利用1971-2000年100个气象站点逐日气象资料对其进行误差订正[13]。

1.4研究方法

1.4.1小麦生育期的确定

采用5 d滑动平均法确定逐年平均气温稳定通过15 ℃的终日作为冬小麦适播期[15]，冬小麦生长的终止日期根据积温(≥0 ℃)指标进行确定，即冬小麦达到一定积温便进入或结束某生育期。本研究先利用91个农业气象站点1991-2013年冬小麦各生育期年平均日序资料(图3)，通过反距离加权法(IDW)插值到整个黄淮海冬麦区，根据站点经纬度提取出100个气象站点所对应的冬小麦各生育期日序，再结合1991-2013年日平均气温资料，推算出100个气象站点冬小麦各生育阶段积温，最后插值到整个黄淮海冬麦区，根据模式数据经纬度提取出冬小麦各生育阶段格点积温指标(图4)。

1.4.2气候生产潜力估算模型

本研究冬小麦气候生产潜力估算模型采用逐步订正法建立[6]，按光合、光温和气候生产潜力三级订正来计算，将冬小麦全生育期分为播种-出苗、出苗-分蘖、分蘖-越冬、越冬-返青、返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-成熟7个时段，采用1.4.1中的积温指标计算未来情景下冬小麦各生育期起止日期，分别计算不同时段冬小麦生产潜力，进行累加得到全生育期生产潜力[13]。

(1)光合生产潜力(Yppp)[16]

Yppp=C·f(Q)

f(Q)=ΩεФ(1-α)(1-β)(1-ρ)(1-γ)(1-ω)(1-η)-1(1-ξ)-1sq-1f(L)∑Q

(1)

a：播种期; b：出苗期; c：分蘖期; d：越冬期; e：返青期; f：拔节期; g：抽穗期; h：成熟期。

a：Seeding; b：Emerging; c：Tillering; d：Wintering; e：Reviving; f：Jointing; g：Heading; h：Maturity.

图3黄淮海冬麦区冬小麦各生育期日序

Fig.3Julian day of each winter wheat growth period in Huang-Huai-Hai winter wheat region

a：播种-出苗; b：出苗-分蘖; c：分蘖-越冬; d：越冬-返青; e：返青-拔节; f：拔节-抽穗; g：抽穗-成熟。

a：Seeding-emerging; b：Emerging-tillering; c：Tillering-wintering; d：Wintering-reviving; e：Reviving-jointing; f：Jointing-heading; g：Heading-maturity.

图4黄淮海冬麦区冬小麦各生育时段的格点积温资料

Fig.4Grid accumulated temperature of each winter wheat growth interval in Huang-Huai-Hai winter wheat region

式中，C为单位换算系数，取10 000；Ω为作物光合固定CO2能力的比例，取0.85；ε为光合辐射占总辐射比例，取0.49；φ为光合作用量子效率，取0.224；α为作物群体反射率，取0.10；β为作物群体对太阳辐射漏射率，取0.07；ρ为作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收，取0.10；γ为光饱和限制率，取0.05；ω为作物呼吸损耗率，取0.33；η为成熟谷物含水率，取0.14；ξ为作物灰分含量，取0.08；s为作物经济系数，冬小麦取0.40；q为单位干物质含热量(MJ·kg-1)，取17.58；f(L)为作物叶面积动态变化订正值，取0.50；Q为各生育期太阳总辐射(MJ·m-2)。

(2)光温生产潜力

经温度订正函数订正后，冬小麦生育期内逐日光温生产潜力(Yltpp)计算公式如下：

Yltpp=Yppp×S(t)

(2)

冬小麦各生育时段的温度订正函数S(t)是在文献[17]的基础上对文献[16]修订生成的：

(3)

T为冬小麦各生育时段内平均气温，T1、T2分别为冬小麦各生育时段内生长发育的下限和上限温度，T0l，T0h分别为最适温度的下限和上限温度。冬小麦三基点温度[18-19]如表1所示。

(3)气候生产潜力

光温生产潜力Yltpp经水分订正函数S(r)订正后[10]，冬小麦生育期内逐日气候生产潜力Ycpp计算公式如下：

Ycpp=Yltpp×S(r)

(4)

(5)

ET=Kc×ET0

(6)

式中，r为日降水量， ET为冬小麦日生理需水量，Kc为作物系数，黄淮海区域冬小麦各生育阶段Kc[20-21]取值如表2所示。ET0为参考作物蒸散量，按照FAO推荐的Penman-Monteith估算模型计算[22]。

表1　冬小麦不同生育期内下限(T1)、 最适(T0)和上限温度(T2)Table 1　Lower limit temperature (T1),optimal temperature (T0) and upper limit temperature(T2) of different winter wheat growth period　℃

表2　冬小麦不同生育期的作物系数(Kc)Table 2　Crop coefficient (Kc) in each growth period of winter wheat

2　结果与分析

2.1基本气候要素变化趋势

由图5可以看出，年平均气温总体呈现出明显上升趋势，气候倾向率达0.494 ℃·10 a-1，1951-1980年间气温呈波动逐渐下降趋势(-0.33 ℃·10 a-1)，1981年以后呈波动上升趋势(0.56 ℃·10 a-1)；且由其箱线图可以看出年平均气温整体波动较小，增温趋势较稳定。年降水量年际间波动较大，总体呈现出缓慢增加趋势，气候倾向率达16.906 mm·10 a-1，其中1951-1980年和2011-2040年两个时段降水量呈减少趋势，气候倾向率分别为-46.916 mm·10 a-1和-35.57 mm·10 a-1，且由其箱线图可以看出年降水量波动区间随时间增加呈扩大趋势，尤以高值区最为明显。年太阳辐射总体呈现出波动下降趋势，气候倾向率为-10.208 MJ·m-2·10 a-1，其中2011-2040年和2041-2070年太阳辐射呈略微上升的趋势，气候倾向率分别为16.016 MJ·m-2·10 a-1和17.412 MJ·m-2·10 a-1，由其箱线图可以看出年太阳辐射波动区间随时间增加也呈缓慢扩张趋势。

2.2冬小麦气候生产潜力的时间变化

2.2.1年际变化

黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力总体上呈现波动下降的变化趋势(图6)，整体减幅达-75.52 kg·hm-2·10 a-1，而由箱线图可以看出，随着时间的推移，冬小麦气候生产潜力波动区间呈逐渐缩小的趋势，即在未来时段，该区域冬小麦气候生产潜力的波动逐渐趋稳。由于本研究采用逐步订正函数对冬小麦气候生产潜力进行预估，冬小麦各时段气候生产潜力的变化特征可能与该时段冬小麦生长发育过程中光、温、水的匹配程度有关[12]。而从上文对该区域基本气候要素的分析可以发现，随着温度的逐渐升高，热量资源不断增加，但过高的温度可能会超出冬小麦生长发育的最适宜温度，尤其在冬小麦抽穗-成熟阶段，日平均气温若超过该阶段冬小麦产量形成的最高温度，便会导致此阶段冬小麦气候生产潜力明显下降。理论上过高的热量资源能够满足冬小麦生长发育的基本要求，但过高的热量资源对于气候生产潜力往往会产生负效应[13]。年降水量总体上虽呈缓慢上升趋势，但年际间波动较大，其变率对冬小麦气候生产潜力影响也较大[6]。而太阳辐射年际间的波动下降趋势对冬小麦光合生产潜力也将产生一定的负效应，进而影响冬小麦气候生产潜力。因此该区域应适当调整冬小麦播种期或选育新品种来实现该地区热量资源的高效利用，以提高产量；趁墒及时播种，避免降水量波动较大带来的负面影响；通过培育和引进高光效品种、改革种植制度、合理密植、灌水及施肥来提高作物光能利用率。

图5　未来情景下黄淮海冬麦区基本气候要素的变化趋势(左为散点图，右为箱线图)

图6　黄淮海冬麦区1951-2100年冬小麦气候生产潜力的年际变化(左为散点图，右为箱线图)

2.2.2年代际变化

黄淮海冬麦区冬小麦各时段气候生产潜力的变化范围为6 277～7 044 kg·hm-2，年代平均值随时间的推移呈先减后略升的趋势，各时段变异系数均在40%以上(表3)，说明气候生产潜力年代际波动较大，这与上述年际变化趋势基本吻合。从倾向率来看，气候生产潜力在2011-2040年有略微上升趋势，倾向率为21.94 kg·hm-2·10 a-1；其余时段气候生产潜力均呈明显下降趋势，倾向率均低于-180 kg·hm-2·10 a-1，尤以2071-2100年最为明显，达-204.45 kg·hm-2·10 a-1。

表3　黄淮海冬麦区1951-2100年冬小麦气候生产潜力的年代际变化Table 3　Inter-decadal variation of winter wheat climatic potential productivity in Huang-Huai-Hai winter wheat region from 1951 to 2100

2.3冬小麦气候生产潜力的空间变化特征

黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力在空间上呈北部低、四周高的分布趋势，时间上呈先平稳后逐渐降低的趋势(图7)。1951-1980年黄淮海冬麦区气候生产潜力介于2 770～11 000 kg·hm-2，最低值区主要位于河北、天津、北京大部、山东北部(2 770～5 000 kg·hm-2)，最高值区主要位于河南、江苏、安徽境内南部(>11 000 kg·hm-2)，河北、山西及河南东北部、山东中部气候生产潜力为5 000～6 500 kg·hm-2，山西大部、河南、山东中部、安徽境内北部气候生产潜力为6 500～9 500 kg·hm-2，其余均高于9 500 kg·hm-2；与1951-1980年相比，1981-2010年黄淮海冬麦区气候生产潜力整体变化较小，主要表现为山西境内6 500～8 000 kg·hm-2区域有所缩小，冬麦区南部11 000 kg·hm-2以上区域略微向北部扩张。与1981-2010年(基准年)相比，2011-2040年山西中南部、北京北部、河北东北部、河南中部、安徽境内、江苏境内全部冬小麦气候生产潜力均有所下降；2041-2070年黄淮海冬麦区南部8 000 kg·hm-2以上区域进一步向南缩小，低值区气候生产潜力最低值上升至3 500 kg·hm-2；2071-2100年气候生产潜力高值区(>8 000 kg·hm-2)已缩小至河南最南端、山东东部、江苏境内东南部，河北西南部气候生产潜力有略微上升趋势。

2.4冬小麦气候生产潜力变异系数的分布

由图8可知，黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力变异系数总体呈空间上北高南低的分布趋势，时间上北部先增后减、南部先减后增的变化趋势。1951-1980年冬小麦气候生产潜力变异系数基本介于20%～60%的范围，山西大部、河南西南部、山东东南部、安徽境内南部、江苏境内大部为变异系数低值区，变异系数为20%～40%，河北中部、山东西部、河南东北部为变异系数高值区，变异系数为50%～60%；相对于1951-1980年，1981-2010年冬小麦气候生产潜力变异系数高值区逐步向东北转移，山东、河北大部、山西南部、安徽境内中部变异系数基本在40%以上，尤以河北中东部最为明显，达60%～70%。与1981-2010年(基准年)相比，2011-2040年冬小麦气候生产潜力变异系数40%以上区域已扩张至山西大部、河南中北部，60%以上区域已扩张至河北大部，与之相反，河南、安徽境内、江苏境内南部变异系数有所下降；2041-2070年，变异系数40%以上区域扩张至山西境内东南部、河南中北大部、安徽境内北部、江苏境内西北部，变异系数50%～60%区域扩张至河北境内大部、山东西北部，60%以上区域也略微向南扩张；2071-2100年冬小麦气候生产潜力变异系数变化较小，主要表现为变异系数50%以上区域向南扩张至山东西北部，40%～50%区域扩张至河南中北部，安徽境内中部、江苏境内东南部变异系数有所下降。

a:1951-1980;b:1981-2010;c:2011-2040;d:2041-2070;e:2071-2100

3　讨 论

在气候变化背景下，作物气候生产潜力的研究一直是全球的热点。本研究基于精细化格点积温指标，采用逐步订正法分析了黄淮海区域历史时段的气候生产潜力及其变异系数，结合RegCM3模式下黄淮海区域1951-2100年的气象数据，对未来情景下黄淮海区域冬小麦气候生产潜力及其变异系数进行了预估，对冬小麦产量及产量稳定度变化规律进行研究，为该区域应对气候变化、合理利用农业资源、调整农业结构提供了理论依据。李克南等[23]利用华北地区农业气象观测站作物资料，验证了APSIM-Wheat作物模拟模型在华北区域尺度上有较好的适用性，且表明华北地区冬小麦各层次产量在时间上总体呈下降趋势；Tao等[24]通过WOFOST作物模型研究江苏省冬小麦发现在使用当下播期及栽培品种下其产量呈下降趋势；上述研究结论均与本研究得出的结果(黄淮海冬麦区历史阶段冬小麦气候生产潜力从年际、年代际变化来看呈现下降趋势)一致；李克南等[23]采用的华北地区冬小麦播种及成熟日期区域分布图与本研究冬小麦各生育期日序基本一致，这也进一步印证了本研究基于冬小麦生育期日序建立的格点积温指标的可行性；赵俊芳等[12]应用农业生态区域(AEZ)模型，预测的B2气候情景下黄淮海冬小麦气候生产潜力在2011-2030年呈明显增加趋势，这也与本研究在未来情景下得出的黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力在2011-2040年有上升趋势结论基本一致，且其基准气候时段东南高、西北低的分布趋势与本研究西北低、四周高的分布趋势基本一致。在基准气候时段，本研究所计算的黄淮海冬麦区冬小麦的气候生产潜力的最低值偏低，这可能是因为本研究将积温指标格点化，每个格点根据具体物候资料计算具体的积温指标，与前人研究中整个区域粗略采用一个指标相比，格点积温指标更加精细化，故该结果在理论上应更接近该区域实际情况。由于本研究RegCM3模式的不确定性、未来农业科技发展的不可预见性、相关研究的不断深入、未来新气候情景的出现以及作物本身应对气候变化的变异性等不确定因素，本研究给出的未来情景下的冬小麦生产潜力预估结果仍具有不确定性，今后的研究可以在模式不断完善的基础上结合田间模拟试验进行进一步的深入探讨。

图8　黄淮海冬麦区冬小麦气候生产潜力变异系数的分布

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Projected Climatic Potential Productivity of Winter Wheat Based on Grid Accumulated Temperature in Huang-Huai-Hai Winter Wheat Region

LI Meng1, SHEN Shuanghe1, CHU Ronghao1, LI Nan2, LÜ Houquan3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change(ILCEC)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters(CIC-FEMD)/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/College of Applied Meteorology,Nanjing University of Information Science&Technology Nanjing, Jiangsu 210044,China;2.Liaocheng Meteorological Bureau of Shandong Province, Liaocheng, Shandong 252000,China;3.National Meteorological Center of China Meteorological Administration，Beijing 100081,China)

Based on winter wheat growth period data of 91 agricultural meteorological stations in Huang-Huai-Hai winter wheat region in 1991-2013 and daily meteorological data of 100 weather stations in the corresponding years, the stepwise correct method was adopted to estimated the winter wheat climatic potential productivity and its coefficient of variation by using the growth period divided from grid accumulated temperature, then the winter wheat climatic potential productivity and its coefficient of variation in the future period were projected based on daily 0.25×0.25 degree gridded meteorological data under A1B climate scenario(1951-2100)extracted from the regional climate model RegCM3 released by the National Climate Center. The results showed the winter wheat climatic potential productivity in Huang-Huai-Hai winter wheat region showed a fluctuant decrease trend from the inter-annual variation, and the trend gradually stabilized; the winter wheat climatic potential productivity varied between 6 277-7 044 kg·hm-2,except the rise of 21.94 kg·hm-2·10 a-1in 2011-2040, presented a downward trend during other periods in Huang-Huai-Hai winter wheat region; Winter wheat climatic potential productivity was lower in the north and higher in the surround from space, smooth before gradually reduce from time, the coefficient of variation showed a gradually increase trend from the south to the north from space, firstly increases and then decreases in northern and firstly decreases and then increases in southern from time. The match of water, light and temperature should be paid more attention during the growth period in the practical production process.

Grid accumulated temperature; Winter wheat; Climatic potential production; Future climate scenario; Coefficient of variation

2016-03-07

2016-04-07

国家公益性行业(气象)专项(GYHY201106043;GYHY201306046)

E-mail:lm_nuist@163.com

申双和(E-mail:yqzhr@nuist.edu.cn)

S512.1；S315

A

1009-1041(2016)09-1215-10

网络出版时间：2016-08-31

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160831.1651.026.html