河南省主要气象因子变化及其对主要粮食作物单产的影响特征

李文旭 吴政卿 雷振生 姜桂英

（1河南省农业科学院小麦研究所，450002，河南郑州；2河南农业大学资源与环境学院，450002，河南郑州）

近几十年来由于全球气候变暖，影响农作物单位面积产量的气象灾害和病虫害也越来越频繁。作物的生长发育及最终产量与光、热、水、相对湿度条件之间的关系错综复杂，同时受因子组合的影响：1个因子或几个因子对农作物生长的正效应可能被其他因子加强，也可能被减弱，甚至被完全抵消。如何在气候变化的大背景下，最大限度地降低和避免气候变化带来的负面影响，确保农作物增产是当前农业的首要任务。农作物单产和气候变化的关系非常密切，且气候变化对作物生长的影响存在作物种类及区域差异性[1]，小麦、玉米和水稻是主要的粮食作物，研究河南省不同区域小麦、玉米和水稻产量与主要气候因子的关系对区域粮食生产具有重要的理论和实践意义。赵彦茜等[2]研究指出，近几十年来，小麦生育期内气温升高和辐射变化使我国北方小麦增产0.9%～12.9%，南方小麦减产1.2%～10.2%；气候变暖对玉米产量贡献率为–41.4%～0.4%；水稻生育期内气温升高和辐射增强有利于东北地区水稻产量增加，增产贡献率为1.01%～3.29%。徐延红和李树岩[3]研究发现，河南省气温变化有利于提升小麦利用效率综合指数；而降水量变化有利于提升玉米气候资源的综合指数，且以豫北的光、热和水综合利用效率为全省的高值区，西部和南部地区为全省的低值区，农业气候资源利用率的潜力较大。郑昌玲等[4]研究表明，光、温、水条件匹配较好，利于秋收作物生长发育和产量形成，华北和黄淮地区主要不利气象条件是6-7月中旬的持续高温，造成秋收作物生长迟缓、结实率下降，并加剧旱情发展。程琨等[5]研究指出，东北、华北和西北大部分省份面临严重的气象产量降低风险，且产量稳定性低。华东、华南和西南也存在不同程度的减产风险。张杰等[6]研究得出，影响北京市冬小麦产量的主要因素是平均气温，接下来依次为日照时数、降水量和水热配合。檀艳静[7]研究发现，河南省冬小麦各个生育期对不同有效积温有明显响应。熊淑萍等[8]发现降水量和日照时数是河南省小麦和玉米的主要影响因素。李月英等[9]研究发现黑龙港流域冬小麦产量与不同时期的降水量和蒸发量密切相关。曹士亮等[10]研究发现，在黑龙江肇州地区，降水量对玉米气象产量的影响要大于积温对其的影响，且降水量对气象产量起正向的促进作用，积温起负向作用。韩芳玉等[11]研究发现，气候变化对我国水稻产量影响的区域差异性明显。降水增多有利于西南、黄淮海、西北及长城沿线（简称西北）地区水稻产量的增加，但对东北、长江中下游和华南地区水稻生产不利；日照时长增加对西南和东北地区水稻产量具有促进作用；温度升高对长江中下游、华南和西北地区水稻产量有正向作用，但对西南、东北和黄淮海地区水稻产量具有显著负向作用。综上所述，前人关于气象因子与作物产量关系方面的研究较多，但大部分是对某一地区的某一种作物进行研究，缺乏对几种主要作物之间的对比。

河南省作为一个粮食生产大省，粮食总产量占全国的1/10，其中小麦产量占全国1/4以上，在全国粮食生产中具有举足轻重的地位。近60年河南省平均气温呈明显升高趋势，降水量年际间波动增大，时空分配不均，局地干旱、高温和低温冷害等极端气候事件频发，使农业生产的不稳定性增大[12-13]。因此，研究河南省主要粮食作物对气候变化的响应特征，对保障粮食生产安全有重要指导意义。本研究拟通过对河南省五大区域（12个观测点）粮食作物小麦、玉米和水稻与年均气温、年降雨量、年日照时数及年均相对湿度4种典型气象因子的关系进行分析，旨在找出对主要作物产量影响最大的气象因子，为制定农业发展规划和实现作物增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域基本情况

选取河南省典型五大行政区域的典型城市12个，所选城市与河南省五大区域关系如下：（1）豫北地区：安阳和新乡。豫北地处河南北部，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬寒夏热，秋凉春早。年均气温14.0℃；年均湿度68%；全年日照时数约2 400h；年均降雨量650mm，夏秋降水较多，占全年降水的72%，且多暴雨。（2）豫中地区：郑州、平顶山和许昌。该区属温带大陆性季风气候，年均气温14℃～15℃，年降雨量641～700mm，年日照时数2 280～2 400h，无霜期217～220d。（3）豫东地区：开封、商丘和周口。该区属温带大陆性季风气候，年均气温14.2℃～15.8℃，年降雨量623～628mm，年日照时数1 944h，无霜期220d。（4）豫西地区：三门峡。年均气温13.8℃～15.7℃，年降雨量580～1 173mm，年日照时数1 800～2 262h，全年无霜期214～245d。（5）豫南地区：南阳、驻马店和信阳。该区属亚热带季风气候，年均气温14.8℃～15.3℃，年降雨量860～1 400mm，年日照时数1 900～2 200h，无霜期220～230d。

1.2 资料选取及处理

气象资料选用4种典型气象因子：年均气温、年降雨量、年日照时数和年均相对湿度，数据为1960-2018年数据，均来自中国气象局网站。所选的3种粮食作物为小麦、玉米和水稻，1985-2018年作物单位面积产量来源于河南省统计年鉴。

长时间序列的作物产量变化由于受到管理措施和气候因子等综合影响，常用趋势分离方法如滑动平均法、一阶差分法和三次指数平滑法等将作物产量进行趋势分离后再单独分析气候因子对产量的影响[2]。作物产量数据通过3年滑动平均法进行分离。

1.3 数据统计

用Excel软件处理气象数据和制作表格，使用Origin pro 8.5软件作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同区域气象因子年际变化

2.1.1 年均气温随年份的变化 如图1所示，河南省五大区域在1960-2018年间年均气温总体呈小幅上升趋势，豫北地区年均气温明显低于豫南地区。全省年均气温平均每10年升高0.20℃。豫北、豫西、豫东、豫中和豫南五大区域年均气温平均每10年分别升高0.22、0.15、0.18、0.23和0.21℃。总体来说，豫西和豫中地区年均气温升高幅度略小于其他地区，而豫东地区年均气温升高幅度最大。

图1 年均气温随年份的变化Fig.1 The change of annual mean temperature

2.1.2 年降雨量随年份的变化 如图2所示，河南省五大区域年降雨量在整体变化趋势不明显，但年际间变幅较大，年降雨量不稳定。且豫北和豫西地区的年降雨量明显低于其他地区，豫南地区的年降雨量最高。河南省年降雨量整体呈小幅减少趋势，年降雨量平均每10年减少1.39mm。其中南部一些地区尤其是豫南地区，年降雨量起伏较大，降雨总量也明显高于北方地区，但豫南地区年降雨量平均每10年减少5.83mm，远高于全省年降雨量的减少量。

图2 年降雨量随年份的变化Fig.2 The change of annual precipitation

2.1.3 年日照时数随年份的变化 日照时数是一天内太阳光线实际照射地面的时间，也是气候形成的重要因子之一[14]。如图3所示，年日照时数自北向南递减，豫北地区年日照时数相对较高，在1 557～3 092h，豫南地区年日照时数相对较低，在1 503～2 359h。五大区域的年日照时数均随年份呈显著下降趋势。河南省年日照时数平均每10年减少118.1h。五大区域的年日照时数随年份的递减速率为豫北＞豫东＞豫中＞豫南＞豫西，其中豫北地区每10年年日照时数的递减速率最高，为139.8h，豫西地区最低，为84.3h。年日照时数随年份的减少速率在区域内差异较大，豫南地区差异相对较小。

图3 年日照时数随年份的变化Fig.3 The change of annual sunshine hours

2.1.4 年均相对湿度随年份的变化 由图4可以看出，除豫西地区外，其他地区的年均相对湿度均随年份呈递减趋势，且豫西和豫中地区的年均相对湿度变化趋势不显著，其他3个地区呈显著下降趋势。其中豫中地区每10年降低速率最低（3.1%），其次为豫北和豫东（分别7.0%和7.4%），下降速率最高的是豫南地区（8.3%）。豫西地区的年均相对湿度最低，豫北和豫中地区相近，豫东和豫南相近，且以豫南地区的年均相对湿度最高。除豫西地区的年均相对湿度随年份略有增加外，其他地区均是略降低的趋势。

图4 年均相对湿度随年份的变化Fig.4 The change of annual mean relative humidity

2.2 不同区域作物单产的年际变化

2.2.1 小麦单产随年份的变化 如图5所示，各个地市的小麦单产均随年数呈显著增长趋势，其中豫北、豫中和豫东地区小麦单产明显高于豫西和豫南地区。全省小麦单产每10年增加1 158kg/hm2。不同地区的小麦单产增产率差异较大，其中豫北地区每10年小麦单产增加1 010～1 100kg/hm2；豫中地区小麦单产增速在600～1 330kg/hm2，其中许昌的小麦增产率约为郑州的2.5倍，高于全省平均增产速率；豫东地区每10年小麦单产增加1 080～1 730kg/hm2，除开封的小麦单产增速与全省平均增速接近外，商丘和周口均高于全省平均增速。豫西地区每10年小麦单产增加600kg/hm2，约为全省平均增速的一半。豫南地区小麦单产增速较高，每10年为1 070～1 530kg/hm2。除豫中和豫西地区外，其他区域小麦单产增速都比较接近。

图5 小麦单产随年份的变化Fig.5 The change of wheat yield per unit area

2.2.2 玉米单产随年份的变化 如图6所示，与小麦相比，玉米单产增产幅度较低，且部分城市的玉米单产已趋于稳定，即玉米单产增产速率较低。全省玉米单产平均每10年增产670kg/hm2，基本相当于小麦单产增产率的一半。豫北地区每10年玉米增产737kg/hm2，与全省平均增产速率接近。豫中地区每10年玉米平均增产365kg/hm2，其中郑州和平顶山增产速率接近。豫东地区每10年玉米单产平均增加915kg/hm2，3个城市玉米单产增产率差异较大。豫西地区每10年玉米单产平均增加780kg/hm2，豫南地区为871kg/hm2。

图6 玉米单产随年份的变化Fig.6 The change of maize yield per unit area

2.2.3 水稻单产随年份的变化 图7显示，除豫西地区（三门峡）外，其他4个区域水稻单产均随时间呈显著增加趋势。全省水稻每10年单产增加1 050kg/hm2，各区域间水稻单产的变化差异较大，同一区域不同城市间单产变化差异也很大。在水稻单产增加的城市中，以豫北地区的安阳市水稻单产随年份的增加幅度最大，为每10年1 900kg/hm2，约为全省平均增幅的2倍，而新乡市随年份增幅最低，为320kg/hm2。豫中地区水稻单产每10年增加500kg/hm2，豫东地区为1 260kg/hm2，其中商丘增速最快，开封最慢，两市相差较大。豫南地区每10年水稻增产1 320kg/hm2。

图7 水稻单产随年份的变化Fig.7 The change of rice yield per unit area

2.3 不同气象因子对作物单产的影响

2.3.1 作物单产与年均气温的相关性 图8显示，除豫西地区外，其他4个地区小麦、玉米和水稻单产均随年均气温增加而增加，其中，除豫北地区外，其他地区3种作物增产率均呈水稻＞小麦＞玉米的趋势。小麦单产随年均气温的增产率从高到低依次为豫东、豫南、豫北、豫中和豫西，增产率分别为1 131、896、867、611 和 337kg/(hm2·℃)。玉米单产随年均气温的增产率从高到低依次为豫南、豫东、豫中、豫西和豫北，增产率分别为857、760、448、321和311kg(hm2·℃)。水稻单产随年均气温的增产率从高到低依次为豫西、豫南、豫东、豫中和豫北，增产率分别为1 959、1 277、1 148、1 105和278kg/(hm2·℃)。综上可以看出，水稻对年均气温最敏感，玉米对年均气温变化的反应相对较弱；且不同作物在不同地区对年均气温响应的差异较大。

图8 作物单产与年均气温的相关性Fig.8 The relationships between crop yield and annual mean temperature

2.3.2 作物单产与年降雨量的相关性 图9显示，全省五大地区中，除豫南地区的水稻随年降雨量呈小幅增加趋势外，其他地区的小麦、玉米和水稻对年降雨量响应不明显，虽然不同作物在不同地区的响应存在一定差异，但差异不明显。这可能与河南省不同区域灌溉条件差异相关，豫北为灌溉区域，豫中和豫东为补灌区，豫西和豫南基本为雨养农业，降雨量对灌溉和补灌区作物单产影响较低。

图9 作物单产与年降雨量的相关性Fig.9 The relationships between crop yield per unit area and annual precipitation

2.3.3 作物单产与年日照时数的相关性 图10显示，全省五大地区的小麦、玉米和水稻单产均随年日照时数增加而明显下降。小麦单产随年日照时数增加的减产率从高到低依次为豫东、豫中、豫南、豫北和豫西，减产率分别为3.10、2.89、2.02、1.95和1.64kg/(hm2·h)。玉米单产随年日照时数增加的减产率从高到低依次为豫西、豫中、豫东、豫南和豫北，减产率分别为2.56、2.02、1.56、1.47和1.27kg/(hm2·h)。水稻单产随年日照时数增加的减产率从高到低依次为豫西、豫北、豫南、豫东和豫中，减产率分别为6.39、2.86、1.97、1.82和0.24kg/(hm2·h)。综上可以看出，水稻对年日照时数较敏感，玉米对年日照时数变化的反应相对较弱，不同作物在不同地区对年日照时数的响应差异较大。

图10 作物单产与年日照时数的相关性Fig.10 The relationships between crop yield per unit area and annual sunshine hour

2.3.4 作物单产与年均相对湿度的相关性 图11显示，全省五大地区的小麦、玉米和水稻单产均随年均相对湿度增加而明显下降。小麦单产随年均相对湿度增加的减产率依次为194（豫南）、149（豫北）、81（豫东）、34（豫中）和 17kg/(hm2·%)（豫西）。玉米单产随年相对湿度增加的减产率依次为119（豫南）、65（豫北）、55（豫东）、35（豫西）和30kg/(hm2·%)（豫中）。年均相对湿度对水稻单产的影响除豫中地区显著外，其他地区均不显著。综上可以看出，小麦对年相对湿度较敏感，水稻对年相对湿度变化的反应相对较弱，年均相对湿度对不同区域的不同作物影响差异较大。

图11 作物单产与年相对湿度的相关性Fig.11 The relationships between crop yield per unit area and annual relative humidity

3 讨论

气候因子是影响作物产量的重要自然因素，温度、湿度和日照等与作物生长密切相关。随着人类发展，CO2等温室气体排放产生的温室效应使全球气温自工业革命以来快速上升。我国自20世纪80年代以来，气候变化主要表现为气温的升高和区域间降水分配的不均衡，而区域间各气候要素变化特征的差异带来其粮食减产风险和产量稳定性的差别[5]。河南省位于中原地区，地跨温带和亚热带，不同区域气温变化明显。年均气温均随时间呈显著上升趋势，且豫北和豫东地区的增温速率明显高于全省平均值，豫西地区的增温速率最低。气温上升与整个气候变化大趋势一致，不同区域增温速率的差异可能与其所处的经纬度及海拔有关。五大区域的年降雨量在时间序列上没有明显变化趋势，但不同区域年际间变幅较大，其中豫西地区变幅较小，而豫南地区变幅最大，这与河南省不同区域不同时间段上典型的气象灾害特征一致[15]。河南省日照时数的地理分布与降水量和气温的地理分布反向，呈现由北向南、由东向西递减的趋势，这与李颜颜等[16]的研究结果一致。这可能是由于河南省南部为北亚热带气候，天气湿热，降水量和降雨日数多，削弱了太阳辐射，日照时数偏少，而北部为暖温带气候，天气相对干冷，到达地面的太阳辐射较多，故日照时数相对偏多[14，17]。年均相对湿度受年均气温和年降雨量的双重影响较大，变化的区域性不明显，整体规律性也较弱。本研究发现，年均相对湿度在豫西和豫中地区随时间变化没有明显趋势，而在豫北、豫东和豫南呈显著下降趋势，但下降幅度不大，这与崔海羚等[18]的研究结论基本一致。

作物单产直接决定了其总产量，但影响作物单产的因素较多，如土壤性质、农田管理措施和气象因子等，其中气象因子对作物生长的影响主要是通过CO2、气温和降水等变化对农作物生态、形态结构及化学组成方面[19-20]产生作用。温度和湿度的变化也直接影响作物及品种的选择，进一步影响作物产量。孙宝宝等[20]研究发现，气温和大气CO2浓度升高改变了小麦养分吸收过程，且大气CO2浓度升高对小麦养分吸收过程的改变与养分类型和作物品种密切相关。前人研究发现，年均气温每增加1℃，降水量每增加100mm，我国粮食总产约增加10%[21]。总的来说，虽然作物产量的影响因素多，但气象因子在影响作物产量因素中占据重要位置。

河南省是我国粮食主产区，且地跨温带和亚热带两个气候带，区域水热分布差异较大，这也直接决定了不同区域主要粮食作物的生产情况存在较大差异。作为小麦的主产区，河南省五大区域中小麦单产均呈显著上升趋势，其中豫北、豫中和豫东地区小麦单产和增产率均明显高于豫西和豫南地区。一方面，由于河南省所处的地理位置使其作物在生长季的热量条件本身不够理想，气候变暖使得该地区热量资源增加[17]，因此温度小幅升高会使作物单产增加。温室气体增加和气候变暖有利于冬小麦的千粒重上升，穗粒数增加[22]。豫北、豫中和豫东地区农业分别为灌溉区和补灌区，年降雨量对其影响较小。而豫西和豫南地区为雨养农业区，且豫西地区气温相对较低，进而导致这两个区域小麦单产增产率偏小于其他区域。另一方面，随着经济水平提升，我国农业生产技术手段不断提升、土壤肥力逐渐提高以及高产品种的培育等也促进作物单产提升。

玉米生长对气温和湿度的要求远远高于小麦。马树庆等[23]分期播种试验结果表明，在水分基本适宜条件下，玉米生长季气温升高、积温增加，使玉米生长和灌浆速度加快，从而有利于提高单产；但若同时水分减少则将缩短玉米灌浆时间，降低灌浆速率，从而造成减产，而且减产幅度明显大于温度升高引起的增产幅度[24]。同小麦类似，从气象因素角度来看，除豫西地区外，其他区域玉米单产随气温升高显著提升，但与降雨量相关性不明显。一方面在灌溉区和补灌区，作物生产所需要的水分可以通过灌溉来满足。而豫南地区处于亚热带，其降雨量较大，在一定程度上能满足玉米对水分的需求。另一方面，农业管理技术的提升也在一定程度上影响玉米单产。相对于小麦，同样作为主要的粮食作物，玉米的单产总体上低于小麦，且随时间其增产率也显著低于小麦，部分地区玉米单产随时间呈非线性趋势，表明玉米单产基本趋于稳定，提升空间较小，这与熊淑萍等[8]的研究基本一致。

河南省的水稻生产主要集中在豫南地区，其他区域相对较少。水稻单产变化也存在较大的区域差异性，在豫南地区南阳水稻单产随时间呈非线性关系，而其他地区仍呈上升趋势，表明总体上水稻单产在河南省仍有较大提升空间。水稻生长对水分的需求量较高，研究表明，CO2倍增、温度升高可促进水稻增产，但降水异常、土壤水分有效性降低和气候变化加大对水稻产量形成却是不利的[25]。河南省水稻生产集中于豫南地区，该地区降雨量较其他地区多，以雨养农业为主，相对其他地区年降雨量对水稻影响较显著。

4 结论

总的来说，在1960-2018年间，河南省年均气温呈不断增加趋势，这与全球变暖的整体趋势一致；年降雨量年际变化较大，尤其是豫南地区年降雨量波动较大，年日照时数和年均相对湿度均呈下降趋势。小麦、玉米和水稻单产均呈上升趋势，其中小麦和水稻的年增产率高于玉米。作物单产影响因素众多，从气象因素方面看，年均气温是影响河南省粮食作物单产的最主要因素，年日照时数和年均相对湿度是影响作物单产的次要因素，年降雨量在豫北（灌溉区）、豫中和豫东地区（补灌区）对作物单产的影响不明显。