河南省冬小麥氣候適宜性變化研究

生態(tài)學(xué)雜志Chinese Journal of Ecology 2005, 24(5) :503 ~ 507河南省冬小麥氣候適宜性變化研究*千懷遂’””焦士興”趙峰’(廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州510405;2安陽(yáng)師范學(xué)院地理親，安陽(yáng)45000;3科學(xué)出版社，上海辦事處，上海200032)摘要運用建立的冬小麥氣候適宜度模型對全生育期氣候適宜度年際變化進(jìn)行了計算。結果表明，降水適宜度波動(dòng)最強;溫度適宜度與氣候適宜度波動(dòng)均較小，且20世紀80年代以來(lái)振幅明顯變小。從變化傾向來(lái)看,溫度、光照和氣候適宜度分別以每10年0.003.0.005和0.006的速度升高,降水適宜度以每10年0.002的速率降低。關(guān)鍵詞河南省, 冬小麥,適宜度,生育期中圖分類(lèi)號S512文獻標識碼A文章編號1000 - 4890(2005)05 - 0503 - 05Climate sutability change of winter wheat in Henan Province.QIAN Huaisui' ,JIAO Shixing2 , ZHAO Feng'(' School of Geographical Sciences , Guangzhou University, Guangzhou 510405, China ;2 Department of Geography, Anyang Teachers College , Anyang 455000, China ; Agency of Science Press in Shanghai , Shang-hai 200032, China ). Chinese Journal of Ecology, 2005, 24(5):503~ 507.Employing the climate suitability degree model, the annual climnate suitability change was calculated. The re-sults showed that the fluctuation of precipitation suitability was very strong while that of temperature and sun-beam is less strong, and their vibrating amplitude has become weaker and weaker since 1980s. In terms of thechange trend, temperature, sunbeam and climate suitability degree in tum increased at the speed of 0.003/10yr, 0.005/10yr and 0. 006/ 10yr, while precipitation suitability degree decreased at the speed of 0.002/10yr.Key words Henan Province, winter wheat, suitability degree, growth stage.多數適宜度模型仍局限于單個(gè)氣候因子的影響分1引言析,對光溫水的綜合效應關(guān)注較少。本文結合前人河南省是我國重要的小麥生產(chǎn)基地,其播種面的研究成果,在改進(jìn)作物氣候適宜度模型的基礎上,積和總產(chǎn)量均居全國各省區之首,而且產(chǎn)量變異系對河南省小麥氣候適宜度變化進(jìn)行綜合分析。數較大,是我國對氣候變化較為敏感的農業(yè)區之- - 。2資料與方法 .由于河南省位于氣候帶界線(xiàn)附近,加上地形過(guò)渡帶2.1 資料來(lái)源的影響,氣候過(guò)渡性和災害多發(fā)性均十分明顯。20世紀80年代以來(lái),全球冬季氣溫的明顯升高已引起為了定量評估河南省各地區冬小麥氣候適宜性河南省冬小麥產(chǎn)量的顯著(zhù)波動(dòng),冬小麥適宜種植區變化,本文遵循實(shí)驗點(diǎn)均勻分布的原則,并考慮了地也因此產(chǎn)生了較大變動(dòng)。為保證全省糧食的穩產(chǎn)高形地貌條件的影響,在全省選擇了46個(gè)氣象站點(diǎn)，產(chǎn),必須對種植制度、小麥品種類(lèi)型和裁培技術(shù)等耕選取它們1961 ~2000年的逐旬降水、氣溫與8照時(shí)作措施、方案做相應調整。因此,對河南省冬小麥氣數資料(這些數據來(lái)源于河南省氣候中心)以及候適宜性變化展開(kāi)研究有重要的理論和實(shí)際意義。1961~ 2000年的河南省小麥單產(chǎn)資料(取自河南省目前,作物氣候適宜性研究主要側重于作物產(chǎn)農業(yè)統計年鑒和河南省農村統計年鑒)進(jìn)行了計算量的統計分析、作物生理生態(tài)模擬及作物響應全球分析。2.2冬小麥氣候適宜度模型的建立氣候變化的實(shí)驗研究等方面1.2.4,7-11。比較而言,中國煤化工數為定 量分析河南基于模糊數學(xué)理論建立的作物適宜度動(dòng)態(tài)模型確能客觀(guān)反映氣候條件對作物生長(cháng)發(fā)育的滿(mǎn)足程度,可MHCNM H勝長(cháng)發(fā)育的滿(mǎn)足程為作物品種的改良與布局、農業(yè)投入方案的選擇及*河南省自然科學(xué)基金資助項目(111070200)。* *通訊作者農業(yè)配套設施的改進(jìn)等提供理論的支持和指導。但收稿日期:2004-03 -09改回日期:004 -07 -25504生態(tài)學(xué)雜志第24卷 第5期度,引入冬小麥生長(cháng)對溫度條件的反應函數,根據馬Sp(t)= S(R(t))= U,(R(t))(i∈[0,n]), 簡(jiǎn)記樹(shù)慶的研究[3],溫度適宜度可用下式計算:為SR(t),表示河南省降水量對冬小麥生長(cháng)的適宜S(T) = [(T- T1)(Tz- T)B]/過(guò)程,由此,降水量在第y年(y= 1,2, 3,.....39.[(To- TI)(Tz- To)"]第m生育期的適宜度可記為:B= (T2- To)/(To- T1)SRm(y)= 2axSR(y;)式中, T是某一時(shí)段(某旬或某生育期)的平均氣溫,T、T2、To分別是冬小麥在該時(shí)段內生長(cháng)發(fā)育ar;S(R(y;))(5)的下限溫度、上限溫度和最適溫度。假定冬小麥全生育期溫度的變化過(guò)程為T(mén)= T(t)(t∈[0,n],n表式中,m表示第m個(gè)生育期;m1,m2分別表示第m.示旬序,n = 20),則冬小麥生育期溫度適宜度的變個(gè)生育期的開(kāi)始旬和結束旬;aRi表示第m個(gè)生育化可表示為:Sr(T) = S(T(t)(t∈[0, n]),記為期第i旬的權重系數。而降水量在冬小麥全生育期Sr(t),它揭示了冬小麥對溫度條件的生理適宜過(guò)內的加權平均叫做全生育期降水適宜度,表示為:程,溫度適宜度隨時(shí)間變化在某生育期的加權平均SR(y) =值叫該生育期溫度適宜度,權重用an; 表示,則第yj=1年(y = 1,2, 3, .........第m生育期適宜度可=b,S(R(s;)),y∈ [1,39] (6)記為:上式中b;(j = 1,2,3, ...為各旬權重系數。Sm(y)= 2anSr(s;) .與溫度和降水一樣,光照條件對作物生長(cháng)的影響亦可理解為模糊過(guò)程,即在“適宜"與“不適宜”之習anS(T(y;))(2)間變化。本文以日照時(shí)數達可照時(shí)數的70%(日照百分率)為臨界點(diǎn)[6],認為日照百分率達到70%以式中,m表示第m個(gè)生育期;m1,m2分別表示第m上,冬小麥對光照條件的反應即達到適宜狀態(tài)?；鶄€(gè)生育期的開(kāi)始旬和結束旬。于這種理解,光照適宜度函數可用下式表示:本文把溫度適宜度隨時(shí)間變化在全生育期內的e-l(s-5S)/8]2 s< So加權平均叫做全生育期溫度適宜度,其權重用bj表S(s) =(7)S≥So示，則冬小麥全生育期適宜度可表示為:式中, s表示實(shí)際日照時(shí)數(小時(shí)),So表示日照百Sr()= 2b,Sr(x)分率為70%的日照時(shí)數,b為常數。設日照時(shí)數在冬小麥全生育期[0,n]的變化過(guò)程為S = S(t)(t$(:5(),y∈[1,39] (3)∈[0,n]), 那么冬小麥日照適宜度隨時(shí)間的變化可降水是作物水分與土壤水分的主要來(lái)源,農作表示為:Sg(t) = S(S(t))(t ∈[0,n]), 它刻劃了物生長(cháng)的好壞、產(chǎn)量的高低與降水有密切的關(guān)系。為全生育期日照條件對冬小麥適宜性影響的動(dòng)態(tài)過(guò)評價(jià)其對冬小麥生長(cháng)的影響,本文以河南省冬小麥程。本文把某生育期日照適宜度隨時(shí)間變化的加權正常生長(cháng)的需水量作為冬小麥需水量的適宜水量標平均叫做該生育期日照適宜度,計算權重用asi表準,按照作物產(chǎn)量與降水量關(guān)系曲線(xiàn)圖[5],認為可示，則冬小麥第y年(y = 1,2,....第m以用下式計算河南省冬小麥的降水適宜度:生育期的日照適宜度可表示為:(R/Ro R < RoU,(R) =\Ro/R R≥RoSm(y) =agS,(y;)式中, R表示某旬天然降水量(mm); Ro表示作物生中國煤化工(8)理需水量(mm);當R略大于Ro,且完全可被土壤貯存接納時(shí),可認為Us(R)≈1。當降水量在冬小麥同理，.MHCNMHGI 日照適宜度:全生育期[0,n]內的變化過(guò)程R = R(t)(t ∈[0,Ss(y)= 2b,S.(s;)n]為已知時(shí),降水適宜度隨時(shí)間的變化可表示為:千懷遂等:河南省冬小麥氣候適宜性變化研究505化。Zb,s()),y∈[1,39]3結果與分析式中, b;表示第j旬日照適宜度的權重系數。2.2.2權重系數的確定目 前,確定權重的方法有3.1 河南省冬小麥氣候適宜性年際變化規律專(zhuān)家咨詢(xún)法、因子分析法和相關(guān)系數法等。本文采河南省冬小麥全生育期氣溫、降水、光照及綜合用相關(guān)系數法和因子分析法計算各旬溫度、降水和適宜度均在0.55以上,近年來(lái)均有持續升高或降低光照適宜度的權重系數。首先,計算各旬適宜度指的趨勢。溫度適宜度與氣候適宜度均呈逐年升高趨數之間的相關(guān)系數矩陣,然后根據各個(gè)生育期包含勢,年增幅分別為0.0003和0.0006,其中20世紀的旬計算每- -旬與本生育期內其他幾甸相關(guān)系數的80年代中期以來(lái)的升高趨勢更加明顯;若不考慮平均值,以其平均值占本生育期內所有旬的相關(guān)系1962和1963年的極端情況,光照適宜度是逐年下數平均值總和的比值,作為該旬在該生育期的權重降的(年變化速率為- 0.0004);若考慮整個(gè)時(shí)間序系數(a;)?？紤]到冬小麥全生育期內20個(gè)旬相互列,光照適宜度則表現為升高之勢(年增幅為之間關(guān)系的復雜性,特別是前幾個(gè)旬和后幾個(gè)旬的0.0005);降水適宜度有逐漸降低的趨勢,速率降低相關(guān)性由于時(shí)間跨度太大而難以用相關(guān)系數準確表為0.0002?？梢?jiàn),近年來(lái)全球氣候變化影響下的河達,所以對全生育期溫、光、水適宜度計算的權重系南省降水變化對冬小麥生長(cháng)發(fā)育產(chǎn)生的負效應正在數采用因子分析法來(lái)確定,用各旬適宜度指數的公進(jìn)一步增強,這在一定程度上增加了本省糧食生產(chǎn)因子方差占總方差的比值,作為該旬的權重系數的風(fēng)險。(6;)。2.2.3冬小麥氣候適宜度模型 冬小麥的生 長(cháng)發(fā)育及最終產(chǎn)量的形成與周?chē)鷳B(tài)環(huán)境條件之間的關(guān)0.80↓系錯綜復雜,受生態(tài)環(huán)境因子間組合配合變化的影0.75響最大,一個(gè)因子或幾個(gè)因子對冬小麥生長(cháng)的正效e0.70應可能被其他因子加強,也可能被減弱,甚至被完全電0.65 |抵消。而以上冬小麥氣溫、降水、日照適宜度函數的.60}建立有其前提和假定條件,即除其自身(氣溫、降水0.55NwwwVWwW^或日照)之外的其他環(huán)境因子對小麥的生長(cháng)發(fā)育均1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000年份適宜。這是一種理想的科學(xué)假設,僅能反映單個(gè)因素的影響變化,難以表達多因子的協(xié)同效應。為了圖1河南省冬小麥全生育期氣候適宜度年際變化綜合反映三個(gè)因素對冬小麥適宜性的影響,合理評Fig.1 Annual change of elimate suitability during the whole growthstage of winter wheat in Henan Province估河南省冬小麥對可能提供的氣候資源的適宜動(dòng)態(tài)3.2河南省冬小麥各生育期氣候適宜性年際變化及其對20世紀80年代以來(lái)的全球氣候變暖的響應對比特征,建立了冬小麥氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型:3.2.1冬小麥不同 生育期溫度適宜性年際變化Sm(y) = VSr(ym)x SR(sm)x Ss(sm)從河南省冬小麥各生育期溫度適宜度累計距平曲線(xiàn)(m = 1,2,3,4,5)(10)(圖2)可見(jiàn),雖然各個(gè)生育期的變化各有特點(diǎn),但近Sc(y) =↓Sr(y)x SR(y)x Ss(y)(11)年來(lái)的升高趨勢均較明顯。播種期的溫度適宜度于式中,y表示年序(y = 1,23,......39. Scm(y)、20世紀80年代初由正距平期進(jìn)入負距平期, 90年Sc(y)分別表示冬小麥第m個(gè)生育期和全生育期代初期以后又以正距平為主,即80年代中期以來(lái)持的氣候適宜度。續升高;分蘗期溫度適宜度在70年代中期出現最明從河南省不同區域選取原陽(yáng)、湯陰、澠池和沁陽(yáng)顯的負聽(tīng)平出后以r兩冷鉆”明波動(dòng)后于90年代出等10個(gè)站點(diǎn),將其氣候適宜度評估值與冬小麥氣象H中國煤化工化最不穩定, 60年代產(chǎn)量做相關(guān)分析發(fā)現,兩者間的相關(guān)性達極顯著(zhù)水CN MH G距平, 70年代和90平,表明本文設計的冬小麥氣候適宜度模型能客觀(guān)年代后期溫度適宜度為正距平, 80年代末到90年反映河南省冬小麥的氣候適宜性水平及其動(dòng)態(tài)變代初正負距平交替;抽穗期溫度適宜度在80年代中506生態(tài)學(xué)雜志第24卷 第5期期到90年代中期以負距平為主,此后以正距平為處,但也有較明顯的差別。由圖4可見(jiàn),播種期光照主;成熟期的變化與分蘗期類(lèi)似,只是正負距平轉換適宜度在70年代為負距平, 80年代為弱正距平,90期有所差別?？傊?近年來(lái)全球溫度的升高對河南年代為強正距平,其變化之中有升高的趨勢;分蘗期省冬小麥安全越冬的限制性降低,春、秋季的溫度適的光照適宜性自1964 年以后長(cháng)期維持正距平,在宜度也趨于升高。80年代出現一次明顯的波動(dòng)之后進(jìn)入以負距平為主的時(shí)期,其變化之中有降低的趨勢;拔節期的光照0.40-播種期SCT 士分強期SQ- 一拔節期SD)適宜度從60年代末以后較為穩定,自80年代初以0.20來(lái)一直以負距平為主,即其變化有下降趨勢;抽穗期0.00和成熟期的變化非常類(lèi)似,累計距平自1964年以后持續增加。分櫱期S(S) -女拔節期 S(S)- 抽穗期S(S)0.60-0.80-1.001961 1964 1967 19701973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000, 0.00年份出0.20老-0.40k -0.60圖2河南省冬小麥溫度適宜度的累計距平-0.80 tFig.2 Cumolative departure of winter wheat temparature suitability1 20in Henan Province.1. .403.2.2冬小麥不同生育期降水適宜性年際變化1961 19641967 19701973 19761979 1982 19851988 1991 1994 1997 2000各個(gè)生育期降水適宜度有明顯不同的變化趨勢。根據累積距平曲線(xiàn)的變化特征(圖3),可以80年代初圖4河南省冬小麥光照適宜度的累計距平為界，將播種期、分蘗期、拔節期和抽穗期的降水適Fig.4 Cumulative departure of winter wheat light sitbility in Henan宜度變化分為兩個(gè)時(shí)段,在80年代初以前,播種期Province和抽穗期的降水適宜度多數年份為正距平,分蘗期3.2.4冬小麥不同 生育期氣候適宜性年際變化和拔節期主要為負距平;在80年代之后,播種期和河南省冬小麥各生育期光溫水綜合氣候適宜度的變抽穗期的降水適宜度多數年份為負距平,分櫱期和化與單因子適宜度有明顯的差別,但與降水適宜度拔節期主要為正距平?？梢?jiàn),播種期和抽穗期的降的變化有許多相似之處。由圖5可見(jiàn),播種期和抽水適宜度有明顯的降低趨勢,分蘗期和拔節期有明穗期氣候適宜度的累積距平變化呈現“降低一升高顯的升高趨勢,成熟期從80年代以來(lái)有降低趨勢。-降低”的變動(dòng)規律, 60年代中期到80年代初期氣候適宜度較高,一般為正距平,此后它們進(jìn)入以負距，平為主的時(shí)期,即這兩個(gè)生育期的氣候適宜度年際0.8-抽穗期S(R)- +成熟期S(R)-一拔節期S(R)變化均呈下降之勢,但播種期(降幅為0.005/10年)比抽穗期(降幅為0.003/10yr)降低得快,說(shuō)明80年代以來(lái)的全球氣候變化對河南省冬小麥的生長(cháng)發(fā)育0.20 -有負效應,這異于前幾年學(xué)者們的估計。河南省冬菔0.20末初春的天氣很不穩定，春旱的頻率也很高,往往對-0.40小麥的生長(cháng)和發(fā)育產(chǎn)生不利影響。自80年代初期-0.60以來(lái),分蘗期和拔節期的氣候適宜度累積距平變化-69611964169197919737 1719198198188199119199290過(guò)程為先降低后升高,氣候適宜度有明顯的升高趨勢,嘩小麥氣象條件的改圖3河南省冬小麥降水適宜度的累計距平善。中國煤化工年代以來(lái)，成熟期Fig.3 Cumulative departure of winter wheat precipitation suitability氣候TIHCNMHG由此可見(jiàn)，近年來(lái)3.2.3冬小麥不同生育期光照適宜性年際變化河南省冬小麥播種期和抽穗期的氣候適宜度逐漸降不同生育期光照適宜性的年際變化雖有許多相似之低,分蘗期和拔節期的氣候適宜度不斷增加,這些趨千懷遂等:河南省冬小麥氣候適宜性變化研究勢性變化可使小麥生長(cháng)發(fā)育關(guān)鍵期發(fā)生變動(dòng)。此氣候適宜度均呈逐漸升高的趨勢,而降水適宜度則外,通過(guò)對比圖5和圖3可以看出，氣候適宜度的變表現為逐漸下降的趨勢,說(shuō)明千旱和陰雨天氣仍可化與降水適宜度非常相似,這說(shuō)明小麥氣候適宜度能成為未來(lái)河南省冬小麥生長(cháng)發(fā)育的主要脅迫因的變化主要取決于降水量的變化,而且降水適宜度子;同時(shí),不同生育期河南省冬小麥溫度、降水、光照本來(lái)就是最低的，波動(dòng)也最大,因此水分因子仍十分和氣候適宜度均表現出不同的年際變化特征,其中關(guān)鍵。為保證小麥的安全生產(chǎn),在進(jìn)--步提高農業(yè)播種期和抽穗期的降水適宜度和氣候適宜度近年來(lái)灌溉保證率和農業(yè)用水效率的同時(shí),還要根據不同有降低趨勢,分蘗期和拔節期有升高趨勢。農業(yè)措生育期適宜度的變化,確定水分關(guān)鍵期,對水分調控施必須針對冬小麥具體發(fā)育階段作出相應調整。時(shí)間進(jìn)行調整。參考文獻.[1]千懷遞, 魏東嵐.2000氣候對河南省小麥產(chǎn)量的影響及其變-播種期S(R,S) -日分蘗期S(R,T,S) -▲一拔節期S(R,T,S)化研究[J].自然資源學(xué)報, 15(2):149~154..40+抽穗期S(R,T,S)- +成熟期S(R,T,S)2] 千懷遂,石艷蕊，魏東嵐.2000.氣候對河南省棉花產(chǎn)量的影響0.20及其變化研究[J].生態(tài)學(xué)報, 20(6):1061~ 1068.3] 馬樹(shù)慶1994.吉林省農業(yè)氣候研究[M].北京:氣象出版社.0.004] 林日暖.199.9拉薩小麥生育后期籽粒形成與溫度的關(guān)系[J].應用氣象學(xué)報, 10(3):321~326.6-0.20s] 徐學(xué)選,高 鵬,蔣定生.2000.延安降水對農作物生長(cháng)適宜性-0.40的模糊分析[J].水土保持研究, 7(2):73~76.6] 黃璜.1996.中國紅黃壤地區作物生產(chǎn)的氣候生態(tài)適應性研-0.60究[J].自然資源學(xué)報,11(4):340~345.1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 20007] Maglinao RD, Evangelista AR, et al .1997. 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