河南省小麦产量对气候的响应

河南省小麦产量对气候的响应

作物产量与气候和气候的关系是一个古老的问题。在20世纪80年代以前,该领域的研究侧重于农作物生长发育、产量形成及产量结构等生物过程或要素与各个气象要素关系的分析;近年来,在实际需要和世界气候研究计划的引导下,研究重点正在向气候变化对农作物产量的影响以及农作物生长动态模拟和产量估算或预测等方面转移[1~3]。小麦的生长期很长,不同生育期的天气气候条件有非常明显的差异,小麦产量是在各个生育期光、温、水分条件的综合影响下形成的。因此,气候影响评价、小麦产量估算和预测都需要通过分析小麦产量对各旬(月)日照、气温和降水量变化的敏感度,确定关键影响因子和关键期,了解各因子影响强度的区域差异和时间变化,为小麦产量模拟、预测和展望性气候影响评价奠定基础。河南省是我国重要的小麦生产省份,其播种面积和总产量均居全国各省区之首,而且产量变异系数较大,对气候变化较敏感。该省绝大部分地区位于暖温带半湿润和半湿润易旱气候区,属于强冬性冬小麦区;亚热带北界横跨本省南部,淮河以南为亚热带湿润气候区,属于冬性冬小麦区。由于位于气候带界线附近,而且受地形过渡带的影响,气候过渡性和灾害多发性均十分明显,气候变化不仅可以引起小麦产量的显著波动,甚至还会造成小麦适宜区、种植制度、品种类型和栽培技术的变动。因此,该省是研究气候变化对小麦产量影响的典型地区。1小麦水气候因子与产量本着试验点均匀分布的原则,我们在全省选择了47个县(市),并选用了它们1961~1990年的逐年小麦单产及旬降水量、旬均温和旬日照时数资料,其中洛阳市、开封市和信阳市的资料包括1952~1960年的数据。这些资料分别来源于河南省农业经济统计资料和气象台站。根据小麦产量影响因子的变化特点,可把小麦产量分解为趋势产量和波动产量,前者的变化主要是由社会经济因子造成的,后者则主要取决于气候因子。产量分离的方法很多,本文用正交多项式的方法拟合趋势产量并由此计算每个县市逐年波动产量经检验各县市波动产量均服从正态分布本文采用积分回归方法,分析小麦生长期中各旬降水量、温度和日照时数对产量的影响,用影响系数(第i旬降水量、温度和日照时数的影响系数分别用Ari、Ati和Asi表示)表示影响方向和强度。在全生长期中,分别对旬降水量、温度和日照时数的影响系数求和,计算出它们的总影响系数(分别用Ar、At和As表示),并用最大旬影响系数与最小旬影响系数之差计算影响系数极差。总影响系数和极差是表征各气候要素对小麦产量影响的重要参数。为了探讨气候变化对小麦产量影响的长期变化,我们选用了信阳市、开封市和洛阳市1952~1990年的气象资料及信阳县、开封县和孟津县(位于洛阳市附近)的小麦产量资料,采用20年滑动积分回归的方法,计算每20年降水量、气温和日照时数对小麦产量的影响系数,计算结果构成了降水量、气温和日照时数影响系数的时间序列(样本容量n=20),用它们不仅可以分析气候变化对小麦产量的影响方向和强度,而且还能确定关键影响因子和关键期的变动。2结果与分析2.1小麦产量的气候影响2.1.1影响小麦产量的主要气候因子河南省降水量变化对小麦产量的影响有非常明显的南北向差异性,这是气候过渡性的表现。本文根据降水量总影响系数和影响系数极差的分布规律,把全省分为4个影响区(图1)。(1)淮南弱负效应区(A)淮河以南为湿润区,降水量丰富,相对小麦需水量而言,为水分盈余区。因此,该区的降水量对小麦产量的影响表现为较明显的负效应,其总影响系数为-10~-35kg/hm2·mm。本区的影响系数极差很小,一般为3~6kg/hm2·mm,各旬影响系数的绝对值也很小,但负效应持续时间很长,占全生长期的百分比一般都在65%以上,这说明连阴雨天气可能是影响该区小麦产量的关键气候因子。(2)豫中弱正负效应相近区(B)豫中为半湿润区,降水量基本上能满足小麦生长发育的需要,因此,该区降水量的总影响系数可正可负,一般为-10~20kg/hm2·mm。由于水分供需平衡的季节变化,不同生育期存在有较明显的正负效应,但二者相近,影响系数的极差也不大,一般变化于3~10kg/hm2·mm。由此可见,本区降水量对小麦产量的影响不太明显,而且这种影响是由水分供需平衡季节变化所造成的。(3)豫西弱正效应区(C)该区为半湿润易旱的山地丘陵区,降水量较少,对于小麦需水量来说,为水分亏缺区,因此其降水量的总影响系数为较大的正值,一般为20~40k/hm2·mm,即全生长期平均每旬增加1mm降水量,小麦单产可望增加20~40kg/hm2。影响系数的极差较小,一般为3~9kg/hm2·mm,正效应持续时期很长,占全生长期的百分比大于65%。由此可见,降水量对小麦产量的影响较明显,发展灌溉设施和旱地农业技术是提高小麦产量的有效途径。(4)豫北强正效应区(D)该区为半湿润易旱气候区,降水量少,水分亏缺量大,降水量的总影响系数很大,一般为50~300kg/hm2·mm,即全生长期平均每旬增加1mm降水量,小麦单产可望增加50~300kg/hm2。影响系数的极差也较大,一般为20~30kg/hm2·mm,正效应持续时期很长。由此可见,降水量对小麦产量的影响非常明显,有效的灌溉设施是提高小麦产量的必要条件。2.1.2温度影响阶段河南省位于热量气候过渡带附近,温度对小麦产量影响的南北向过渡性也很明显。本文根据温度总影响系数和影响系数极差的分布规律,把全省分为4个影响区(图1)。(1)豫南强正效应区(A)淮河以南虽然属亚热带气候区,但由于连阴雨低温天气频繁,温度对小麦产量的影响表现为较强的正效应,其总影响系数和影响系数极差分别为135~320kg/hm2·℃和50~90kg/hm2·℃,即平均每旬温度升高1℃,小麦单产可望提高135~320kg/hm2。此外,本区除秋季外,其它各旬温度对小麦产量的影响均为正效应,特别是灌浆到成熟期,温度的正效应非常明显。(2)豫中南弱正效应区(B)该区的绝大部分地区属于暖温带,热量资源较丰富,但由于连阴雨低温天气的频率也较大,西部山地也有一定降温作用,温度对产量的影响为正效应,由于连阴雨低温天气的频率明显低于豫南,所以其正效应较弱。全区总影响系数一般都小于130kg/hm2·℃,影响系数极差基本上为30~80kg/hm2·℃。本区的温度影响关键期有明显的东西向差异性,豫东平原的拔节—扬花期一般为正效应期,而山地丘陵区和山前冲积平原为负效应期。(3)豫中北弱负效应区(C)该区主要包括黄河沿岸和豫西丘陵山区,连阴雨低温天气的频率较小,光热资源丰富,干旱少雨的影响明显,温度的影响表现为弱负效应。全区总影响系数一般为0~-150kg/hm2·℃,影响系数的极差变化于20~150kg/hm2·℃。温度影响的季节变化较明显,春季温度上升快,晴热少雨,温度的影响表现为明显的负效应。(4)豫北强负效应区(D)该区连阴雨低温天气的频率很小,光热资源非常丰富,干旱少雨对光热资源利用的限制性很明显,温度的影响表现为强负效应,而且季节变化非常明显。全区总影响系数一般为-240~-340kg/hm2·℃,影响系数极差变化于40~220kg/hm2·℃,深秋和冬季的温度影响为弱正效应,播种期和春季为非常明显的负效应。2.1.3日光温床影响因素受南北向气候过渡性和东西向地形过渡性的双重影响,本省日照时数对小麦产量影响的区域分布较复杂。本文根据日照时数总影响系数和影响系数极差的分布规律,把全省分为5个影响区(图2)。(1)豫南强正效应区(A)该区位于亚热带和暖温带南部山前丘陵平原区,连阴雨天气频率大,日照不足对小麦产量有明显的限制作用,日照时数的总影响系数一般为10~33kg/hm2·h,影响系数极差为4~15kg/hm2·h。日照时数的正效应期位于秋季和春季,其中以孕穗期到成熟期的正效应最明显。(2)豫西弱正效应区(B)该区位于豫西山地丘陵区,降水量少于豫南区,但由于山地的影响,云量较多,日照不足对小麦产量有一定的限制,其总影响系数和影响系数极差均变化于0~10kg/hm2·h,播种期和灌浆到成熟期为主要正效应期。(3)豫东弱正效应区(C)该区位于暖温带半湿润区南部,阴雨天气虽然少于豫南区,但仍较频繁,日照不足对小麦生长发育仍有一定影响,日照时数的总影响系数和影响系数极差均为0~10kg/hm2·h。此外,该区的正效应仅在拔节期到灌浆期较明显。(4)豫中弱负效应区(D)该区位于黄河沿岸和豫西山地丘陵区,是半湿润易旱区的边缘区域,降水量较小,日照时数的影响为负效应,但这种负效应很弱,总影响系数一般为0~-14kg/hm2·h,影响系数极差一般都小于20kg/hm2·h,较明显的负效应位于孕穗期到成熟期。(5)豫北强负效应区(E)该区位于暖温带半湿润易旱气候区,降水量不足,日照资源丰富,日照时数的影响表现为明显的负效应,其总影响系数一般为-10~-35k/hm2·h,影响系数极差也变化于10~27kg/hm2·h。由此可见,该区的少雨干旱对光照资源的利用有明显的限制作用,而且影响最大的时期是孕穗期到灌浆期。2.2降水量总影响系数总影响系数的变化特征,主要有降水的总影响系数企业由于气候过渡带和地形过渡带的双重影响,气候对河南省小麦产量影响的年际变化有非常明显的区域差异性,不同气候带或不同地形区的总影响系数有不同的变化特点。本文分别用信阳市、开封市和洛阳市代表北亚热带、暖温带平原区和暖温带山地丘陵区,说明气候影响的变化特点和区域差异性。北亚热带气候影响的年际变化有阴、冷、湿化的特点。由图3可见,信阳市不同时期的降水量总影响系数都为负值,而且有缓慢减小的趋势;日照时数的总影响系数都为正值,且逐渐增加;温度的总影响系数基本上都是正值,并且有增加的趋势特点,特别是在20世纪60~70年代,温度正效应的增强趋势非常明显,此后,总影响系数稍有减小,并处于稳定状态。由此可见,对于小麦生产来说,亚热带连阴雨低温天气的影响越来越明显。暖温带平原区的气候影响有晴、暖、干化的趋势。由图4可见,开封市降水量的总影响系数在大部分时期为正值,且有增加的趋势,特别是在60~70年代初期,降水量总影响系数的增加趋势非常明显,此后,略减少后趋于稳定;日照时数的总影响系数基本上都是负值,且缓慢减小;温度的总影响系数也基本上都是负值,从60年代后期开始,有明显的下降趋势。这说明降水不足对小麦产量的限制作用趋于增强,它对光热资源利用的限制性也越来越强。在暖温带山地丘陵区,气候影响的年际变化表现为明显的短期波动,趋势性变化不显著。由图5可见,洛阳市降水量的总影响系数在60年代末有一突变过程,在这一时期前后,总影响系数各有一个较稳定的下降过程。从总的变化趋势来看,暖温带降水量影响的干化趋势在山地丘陵区也有一定的反映。日照时数和温度的总影响系数在大部分时期为负值,而且表现为明显的波动变化,自60年代中期以来,二者的变化基本上同步。3气候条件的变化河南省位于亚热带与暖温带之间的气候过渡带附近,气候变化对小麦产量的影响有明显的南北向差异性。降水量的影响自淮南到豫北迅速由弱负效应区过渡到强正效应区,据此把全省分为4个降水量影响区;河南省热量资源较丰富,在热量过渡带和连阴雨低温天气区域分布的共同影响下,形成了4个温度影响区:豫南强正效应区、豫中南弱正效应区、豫中北弱负效应区和豫北强正效应区;在地形过渡带和气候过渡带的共同影响下,日照时数的影响有较复杂的区域分布,但其南北向过渡性仍相当显著,由豫南的强正效应区迅速过渡到豫北强负效应区,据此把全省分为5个日照时数影响区。降水量、温度和日照对小麦产量的影响有明显的年际趋势性变化,而且在不同气候带或不同地形区有不同的变化特点。亚热带气候影响的年际变化有阴、冷、湿化的特点;