气候变化背景下周口市冬小麦农业气候资源时空变化特征

檀艳静

摘要 选取周口市10个气象站点1961—2015年的逐日气象资料和霜观测资料，应用气候线性倾向率法、相关分析法和Mann-Kendall突变检验法，分析周口市冬小麦生育期内主要农业气候资源的时空变化趋势和特征。結果表明：研究区域近54年冬小麦生育期内≥0 ℃积温显著增加，20世纪90年代以来增加趋势更加显著，1993年为突变年；生育期内降水量年际和年代际波动明显，空间上从南至北递减；参考作物蒸散量有明显减少趋势，年际和年代际波动比较剧烈，空间上呈东西递减趋势；生育期内日照时数有明显减少趋势，21世纪初以来减少趋势更为显著，突变年为2005年，空间上东多西少；初霜冻日期呈推迟趋势，终霜冻日期呈提前趋势，导致霜期缩短，且三者的年际波动明显。

关键词 冬小麦；积温；参考作物蒸散量；霜期；时空分布；河南周口

中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）06-0199-04

Spatiotemporal Characteristics of Agricultural Climate Resources in Winter Wheat Season Under Background of

Climate Change in Zhoukou City

TAN Yan-jing

（Zhoukou Meteorological Bureau in Henan Province，Zhoukou Henan 466000）

Abstract Based on the 1961-2015 daily meteorological data and frost observation data from 10 meteorological stations in Zhoukou City，the spatiotemporal trends and characteristics of the main agricultural climate resources in winter wheat season were analyzed by using linear trend estimate method，correlation analysis and Mann-Kendall test.The results indicated that the accumulated temperature higher than 0 ℃ during the growing period of winter wheat increased significantly，and it had an abrupt change in the beginning of 1990s，with the 1993 discontinuity.The precipitation had little change，however，the inter-annual and decadal fluctuations were significant，with a decreasing trend from south to north in space. The reference crop evapotranspiration had a significant decrease，and the inter-annual and decadal fluctuations were significant，with a decreasing trend from east to west in space. The sunshine significantly decreased during the growing period of winter wheat，and it had an abrupt change in early twenty-first century，with the 2005 discontinuity and a decreasing trend from east to west in space. The first frost date was slightly delayed and the last frost date was ahead of time，which caused decrease of the frost days，and the inter-annual fluctuation was significant.

Key words winter wheat；accumulated temperature；reference crop evapotranspiration；frost season；spatiotemporal distribution；Zhoukou Henan

IPCC第五次评估报告指出，过去130年的气候变化史无前例，全球平均气温升高了0.85 ℃，21世纪后气温变化尤其显著[1]。以气候变暖、日照减少和降水时空变异为特征的气候变化直接影响农业气候资源[2]。农业气候资源的变化直接影响农作物的生长发育，积温是影响冬小麦产量的因子之一[3]。全国范围内变化较明显的为≥0 ℃年积温，并且积温带有明显向北移动趋势[4]。参考作物蒸散会影响冬小麦需水量，降水不足地区则需灌溉以求高产[5]。华北平原年降水量下降趋势不显著[6]，年参考作物蒸散量呈下降趋势[7]，华北地区为喜凉作物生育期内日照时数减少最明显的地区[8]。受全球变暖影响，华北地区霜期缩短显著[9]，河南省初霜期呈推迟趋势，终霜期有提前趋势[10]。总之，极端天气的发生明显增加，导致农业气象灾害发生频率增加、强度加大[2，11-12]。

周口市是河南省农业大市之一，冬小麦作为主要的粮食作物，播种面积和总产量在全省占重要比重。本文选取 ≥0 ℃积温、降水量、参考作物蒸散量、日照时数、初霜冻日、终霜冻日、霜期为指标，研究冬小麦生育期内农业气候资源时空变化特征，以期為冬小麦应对气候变化提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域与材料

研究区域为河南省周口市，四季分明、温差较大、降水不均，属暖温带半湿润季风气候。气象资料来源于周口市10个国家气象观测站1961—2015年共55年的逐日观测数据，其中，日照时数时间序列为1965—2015年。数据主要包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、平均风速和霜期天数。研究区内冬小麦自10月上旬开始播种，翌年6月上旬收获，文中统一选择10月至翌年5月作为冬小麦生育期。

1.2 研究方法

1.2.1 农业气象指标。选取的农业气象指标主要包括≥0 ℃积温、降水量、参考作物蒸散量、日照时数、初霜冻日、终霜冻日、霜期。参考作物蒸散量ET0采用FAO 1998年推荐的Penman-Monteith公式计算[13]。初霜冻日为每年下半年第1次霜冻出现日期，终霜冻日为次年上半年最后一次霜冻出现日期，终霜冻日和初霜冻日之间的日数为霜期。为方便计算，计算初、终霜冻日时采用儒略日的表示方法，如1月1日为1，12月31日为365（闰年为366）。

1.2.2 分析方法。农业气候资源的趋势变化采用气候倾向率分析法[6]，显著性检验采用相关分析法，突变选用Mann-Kendall方法进行检验[14]。利用Matlab、Origin等软件绘制某一指标的时间序列图，利用ArcGIS 10.0的反距离权重法（IDW）对某一指标进行空间插值得到空间分布图。

2 结果与分析

2.1 ≥0 ℃积温变化

由图1（a）可见，周口市54年冬小麦生育期内≥0 ℃积温有明显增加趋势，积温倾向率为66.4 ℃·d/10年（P<0.01）；积温最高年（2007年）和最低年（1963年）相差655.1 ℃·d。由M-K突变检验结果得出，从20世纪60年代开始≥0 ℃积温呈增加趋势，特别是90年代以来增加趋势十分显著，突变点在1993年，这与站点研究结果一致[15]，突变前平均积温为2 282.3 ℃·d，突变后为2 512.7 ℃·d。从图1（b）可以看出，周口市≥0 ℃积温呈南低中高北正常的趋势，变化幅度为2 292.5～2 447.9 ℃·d。

2.2 降水量变化

由图2（a）可见，周口市54年冬小麦生育期内降水减少趋势不显著，平均降水量为279.8 mm，降水倾向率为 -2.6 mm/10年。M-K突变检验结果显示不存在突变点，但年际变化明显，1963年和1998年为高值年，2011年为低值年；20世纪60年代和90年代波动较大，60年代降水最多，21世纪初期降水最少。从图2（b）可以看出，周口市降水量随纬度变化明显，降水量和纬度相关系数为0.70（P<0.05），呈南多北少的趋势，低值在扶沟、太康一带，高值在项城、沈丘一带，变化幅度为251.6～305.4 mm。

2.3 参考作物蒸散量变化

由图3（a）可见，周口市54年冬小麦生育期内参考作物蒸散量呈显著递减趋势，平均参考作物蒸散量为867.1 mm，蒸散量倾向率为-33.68 mm/10年（P<0.01）。M-K突变检验结果显示不存在突变点，但年际变化明显，1962年为高值年，1985年为低值年；20世纪80年代波动最小，平均蒸散量最小，60年代最多。从图3（b）可以看出，周口市参考作物蒸散量从东至西呈递减趋势，变化幅度为800.4～914.0 mm。

2.4 日照时数变化

由图4（a）可见，周口市54年冬小麦生育期内日照时数呈显著减少趋势，日照时数倾向率为-60.9 h/10年（P<0.01）。由M-K突变检验结果得出，从20世纪70年代开始日照时数呈减少趋势，特别是21世纪初以来减少趋势十分显著，突变点在2005年，突变前平均积温为1 325.5 h，突变后为1 184.6 h。从图4（b）可以看出，周口市日照时数略呈东多西少的趋势，低值在商水、项城一带，高值在沈丘、郸城一带，变化幅度为1 191.9～1 458.2 h。

2.5 初、终霜日及霜期变化

由图5（a）、（b）、（c）可见，周口市54年冬小麦生育期内，初霜冻日曲线呈明显上升趋势（P<0.05），终霜冻日和霜期下降趋势不显著。初霜冻日回归系数为正值（倾向率为1.69 d/10年），即初霜冻日有推迟趋势，终霜冻日回归系数为负值（倾向率为-0.91 d/10年），说明终霜冻日有提前趋势。因此，霜期呈下降趋势，即霜期缩短（倾向率为-1.98 d/10年）。M-K突变检验结果显示，初、终霜冻日和霜期均不存在突变点，但年际变化明显，1962年为初霜冻日最低值和终霜冻日最高值，1977年为终霜冻日和霜期最低值，1980年和1992年为霜期最高值；20世纪70年代后期至80年代初期终霜冻日和霜期变化明显，21世纪后霜期明显缩短，80年代初期初霜冻日波动幅度较大。从空间分布图来看，见图5（d）、（e）、（f），周口市初霜冻日呈东南—西北递减的趋势，终霜冻日分布类型与初霜冻日相反，霜期空间分布受两者影响，北部与初霜冻日的分布相反，南部与终霜冻日的空间分布一致，霜期变化幅度较大，为134.4～150.2 d。

3 结论与讨论

研究区内近54年冬小麦生育期内所有站点≥0 ℃积温呈明显增加趋势，区域平均气候倾向率是66.4 ℃·d/10年（P<0.01），20世纪90年代以来增加趋势更加显著，突变年是1993年，空间分布大致呈南低中高北正常的趋势。研究表明，积温增加改善了冬小麦的越冬条件，使其冬季停止生长时间缩短，利于分蘖；同时，温度升高使干物质积累时间减少，产量降低[16]。

研究区内近54年冬小麦生育期内降水量变化趋势不显著，气候倾向率仅为-2.6 mm/10年，不存在突变点，年际和年代际波动明显，降水量随纬度递减（P<0.05）。冬小麦生育期内的参考作物蒸散量有明显的减少变化趋势，空间上呈东西递减趋势，平均气候倾向率为-33.68 mm/10年（P<0.01），年际和年代际波动比较剧烈。刘 园等[7]研究表明河南省春季参考作物蒸散量增加，秋季和冬季减少，且秋冬季的减少幅度大于春季增加幅度。因此，冬小麦生育期内的参考作物蒸散量是减少的。冬小麦生育期内参考作物蒸散量与降水量呈显著的负相关关系（P<0.01），且参考作物蒸散量倾向率大于降水量倾向率，参考作物蒸散量的降低将会使冬小麦的需水量减少，这种状况在一定程度上缓解了由降水减少带来的不利影响，对冬小麦生长较为有利。

研究区内近54年冬小麦生育期内所有站点日照时数均有明显的减少趋势，且平均每10年减少60.9 h（P<0.01），21世纪初以来减少趋势更为显著，突变年是2005年，大致呈东多西少的趋势。研究区内近54年初霜冻日呈推迟趋势（P<0.05），终霜冻日提前趋势和霜期缩短趋势均不显著，这一结果与全国霜期变化结果一致[9]。初、终霜冻日和霜期均不存在突变年，年际波动明显，尤其是1977年，终霜冻最早出现，霜期最短。21世纪后终霜期有较为明显的提前趋势，这种变化加快了冬小麦发育进程，使其拔节期提前，增加了冬小麦冻害的发生概率[17]。初霜冻日呈东南—西北递减的趋势，终霜冻日分布类型与初霜冻日相反，初霜冻日和终霜冻日的空间变化较小。霜期受终霜冻日和初霜冻日之间的时间日数，受两者共同影响，变化较大。

4 参考文献

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