氣候變化對冬小麥生產潛力的影響

張怡

摘要：使用豫東地區代表站點近50年的氣象觀測資料和冬小麥的農業氣象觀測資料，分析了該地區近50年來的氣候變化特征，結合農業氣象觀測資料，利用氣候適宜度函數和農業生態區域法（AEZ），計算冬小麥氣候適宜度和氣候生產潛力，分析該地區氣候變化對冬小麥的產量和氣候適宜性的影響，并提出相應的生產建議。結果表明，隨著耕植傳統改進、經濟投入和技術水平大幅提升，實際產量與氣候生產潛力僅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制約條件已經越來越弱，相對于充裕光照資源而言，熱量條件則成為決定灌溉農田最高生產力水平的主要因素。在21世紀氣候整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力均會維持增加，有利于豫東地區冬小麥產量的提高。建議進一步加大對農業生產的投入，通過擴大農田有效灌溉面積、秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜、選育抗逆品種、加強突發病蟲害防控和提高土地規模化經營等措施，提升生產單體應對氣候變化的能力。

關鍵詞：氣候變化；冬小麥；氣候生產潛力；產量

中圖分類號： S162.5+3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0270-05

氣候變化對農業生產的種植制度、作物的生產潛力和作物產量的影響具有明顯的地域性[10-14]，地區的氣候變化造成該地區的氣象災害頻率與強度不斷加大，從而形成的不穩定性體現在了地區社會生產，尤其是農業生產方面。研究表明，冬小麥在生長發育過程中，受到各種氣象要素尤其是熱量、水分、光照等氣候要素的影響[10-12]，對冬小麥產量變化的氣候影響分析顯得尤其重要。

豫東地區地處黃淮海平原的中心地區，屬暖溫帶季風性氣候，四季變化明顯，土層深厚，土壤肥力較高，加之光熱資源充足，雨熱同期，光熱水資源匹配較好，是我國冬小麥生產的優勢產區之一。本研究利用該地區8個代表氣象觀測站點近50年的氣象觀測資料，通過研究該地區的氣候變化、氣候生產潛力和產量的響應變化，以期為該地區應對未來氣候變化，充分利用氣候資源及指導冬小麥生產提供科學依據。

1材料與方法

本研究所使用的氣象觀測資料來源于豫東地區8個國家氣象觀測站（永城、夏邑、虞城、商丘、柘城、寧陵、睢縣、民權）1991—2015年的近25年氣溫、降水、日照等觀測資料及同期冬小麥生長期土壤水分觀測值、冬小麥各發育期觀測資料和冬小麥實際產量數據。

采用聯合國糧農組織（FAO）的農業生態區域法（AEZ）從農業氣候資源角度分析，首先計算光合生產潛力（YQ），再對光合生產潛力進行溫度訂正得到光溫生產潛力（YT），最后對光溫生產潛力進行水分因素校正最終得到氣候生產潛力（YW），參照熊偉等的方法計算如下[10-14]：

YQ=∑Qj×εα（1-ρ）（1-γ）Φ（1-ω）（1-χ）-1H-1S；（1）

YT=YQ×f（T）；（2）

YW=YT×f（W）。（3）

式中：YQ為光合生產潛力；YT為光溫生產潛力；f（T）為溫度有效系數；YW為氣候生產潛力；f（W）為水分有效系數。

式（1）中，Qj為各月總輻射量（J/m2），采用逐日輻射模型[12-14]推算，研究地區平均取值34.26°N，115.38°E，時間為上一年10月1日至當年6月30日；ε為光合輻射占總輻射的比例，華北為0.49；α為作物群體吸收率，α=（1-a-β）×f（L），a為冬小麥生長季作物群體葉面反射率，平均取值 0.08，β為冬小麥作物群體對太陽輻射的漏射率，取0.06，f（L）為葉面積時間變化動態訂正函數，取值0.55；ρ為冬小麥非光合器官對太陽輻射的無效吸收部分，取0.1；γ為超過光飽點的限制率，在自然條件下一般不受光飽和限制，取0；Φ為光合作用量子轉化效率，取0.224；ω為冬小麥呼吸消耗占光合產物的比例，溫帶取0.3；χ為水分和無機灰分含量，根據河南省實際情況取0.05；H為形成單位質量干物質所需的能量，等于干物質燃燒熱，取17.2 MJ/kg；S為經濟系數或冬小麥收獲指數，取0.41。

溫度有效系數是各月溫度影響訂正數。由于各種作物生長期對熱量的需要不同，故溫度訂正系數不一致。根據研究表明，冬小麥的溫度訂正系數為

f（T）=0t<3 ℃

t/323 ℃≤t<21 ℃

2-t/3021 ℃≤t≤32 ℃

0t>32 ℃。（4）

式中：t為冬小麥生長季內各月的平均溫度。

作物氣候生產潛力（YW）是指作物在光、溫和自然降水3種因子組合條件下的產量潛力，是在有限的降水條件下作物所能實現的最大生產力，又稱光溫水生產潛力或降水生產潛力。它是通過水分校正系數對光溫生產潛力（YT）修正后獲得的，該修正主要是反映水分不足對產量的影響。冬小麥生長季水分有效系數f（W）的計算公式為

f（W）=1-|ΔWj|WjΔWj<0

1ΔWj≥0。（5）

式中：ΔWj為農田水分盈虧額，ΔWj=Rj-Wj，Wj=KjEj；Rj為各旬降水量；Wj為各日作物理論需水量；ΔWj≥0時，即降水量能滿足玉米生長所需；Kj為時段內作物需水系數（表1）；Ej為參考作物蒸散量，采用聯合國糧農組織（FAO）1998年推薦的Penman-Monteith模型計算逐日參考蒸散量，然后累加所得。

ΔYT=YQ-YT；（6）

ΔYW=YT-YW；（7）

ΔY=YT-Y；（8）

η（T）=Y/YT。（9）

式中，ΔYT為溫度增產潛力；ΔYW為水分增產潛力；ΔY為實際增產潛力；η（T）為光熱資源利用效率。

2冬小麥生產潛力的變化

從圖1可以看出，光合生產潛力受到日照因素的影響最為明顯，所以和年日照時數變化非常一致，均是20世紀90年代初期上升，隨后開始明顯下降，直到2005年前后下降趨勢才開始放緩，歷年光合生產潛力平均為25 966.77 kg/hm2，氣候傾向率為-974.35 kg/（hm2·10年），最大值出現在1994年，為27 860.31 kg/hm2，最小值出現在2003年，為23 261.82 kg/hm2；光溫生產潛力的歷年平均為 10 017.41 kg/hm2，氣候傾向率為676.99 kg/（hm2·10年），最大值出現在2014年，為13 285.74 kg/hm2，最小值和光合生產潛力一樣出現在2003年，為7 599.01 kg/hm2。氣候生產潛力的歷年平均為6 736.29 kg/hm2，氣候傾向率為 1 227.7 kg/（hm2·10年），大于光溫生產潛力的增加速度，最大值與光溫生產潛力一樣出現在2014年，為11 722.65 kg/hm2，最小值出現在2001年僅為 3 387.07 kg/hm2，甚至低于同年的實際產量 5 430.00 kg/hm2，這主要是由于冬小麥生產灌溉抗旱能力提升的結果。endprint

光溫生產潛力代表的是作物在水肥條件處于最適狀態時，由光溫因素組合所決定的產量水平，反映了最高投入水平下特定作物在1個地區的灌溉農田能達到的產量上限。而隨著地區平均溫度的上升和關鍵生育期降水的增加，光溫生產潛力和氣候生產潛力均是一個主體上升的過程，且變化較為一致。

溫度增產潛力（即光合生產潛力和光溫生產潛力的差值）歷年平均為15 949.36 kg/hm2，氣候傾向率為 -1 651.3 kg/（hm2·10年），最大值出現在1993年，為18 855.53 kg/hm2，最小值出現在2012年，為12 230.94 kg/hm2。水分增產潛力（即光溫生產潛力和氣候生產潛力的差值）歷年平均為3 281.11 kg/hm2，氣候傾向率[-550.76 kg/（hm2·10年）]小于溫度增產的潛力的傾向率，這也說明溫度增高對生產力的貢獻高于降水的變化，最大值出現在2001年，為8 600.36 kg/hm2，最小值出現在2014年，為1 563.09 kg/hm2。氣候的變化中日照減少、溫度上升和關鍵期降水的增加，造成光合生產潛力主體下降及光溫生產潛力與氣候生產潛力主體上升，溫度增產潛力和水分增產潛力均在波動下降。

隨著科技和經濟的發展，自然降水和土壤肥力的制約條件已經越來越弱，甚至出現了實際產量大于氣候生產潛力的情況，因此使用冬小麥實際產量與光溫生產潛力的差值代表實際增產潛力，從而進行相關研究也變得更有意義。

實際增產潛力歷年平均為4 495.43 kg/hm2，氣候傾向率為-1 213.3 kg/（hm2·10年），最大值出現在1994年，為 9 558.32 kg/hm2，最小值出現在2010年，為 1 149.47 kg/hm2。從圖1可以看出，光熱資源利用效率（實際產量與光溫生產潛力的比值）和實際增產潛力位相鏡像相反，特別是在2010年已達0.857 7。由此可知，實際產量的提高速度已經超過了光溫生產潛力的提高速度，造成了光熱資源利用效率的不斷上升和實際增產潛力的逐漸下降。

從“1”節公式中可以看出，光溫生產潛力的高低是由光照和熱量2個因素共同決定的。氣候生產潛力不僅與光照和熱量條件有關，更重要的是取決于作物生育期的自然降水對作物需水的滿足程度，但與全年降水的變化并不必然相關（表2、表3）。對水資源不足地區的旱地農田作物而言，氣候生產潛力反映了現階段某地區最大的生產能力，具有很大的現實生產價值，但是灌溉農田中氣候生產潛力則有較大的局限性。

3未來氣候變化對豫東地區冬小麥生產影響

隨著氣象要素的變化，氣候生產潛力將隨之波動。溫度與降水是2個主要因素量，由于這兩者的變化在時空上是同時發生的，結合相關研究，依據年均溫度上升或下降3、2、

5.4%左右；21世紀末期，溫度維持較大增幅，降水量穩定略增，Yw值的增幅僅為114%左右（增加1%），而YT值則大幅增加到9.3%左右（增加3.9%）。由此可見，在21世紀氣候上整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力均會維持增加，有利于豫東地區冬小麥產量的提高。

4農業生產建議

在面對21世紀氣候上整體向“暖濕型”變化的未來，可以提出以下農業生產建議[18-22]：（1）進一步加大對農業生產的投入，加快高標準糧田建設，穩步擴大農田有效灌溉面積，提高農業的裝備水平，切實提高農業綜合生產能力，改善農業生態環境，不斷提高對氣候變化的應變能力和抗災減災水平，確保農業特別是糧食生產持續健康發展。（2）目前，灌溉仍然是保障糧食安全生產的重要手段[24]。旱地冬小麥需水量的50%左右是靠土壤蓄水滿足中后期冬小麥的需求。因此，最大限度地蓄保冬小麥生長期外的自然降水，就成為旱地冬小麥高產的潛力所在。通過秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜技術增加土壤保水能力，在大旱之年應積極推廣旱地龍、抗旱保水劑等拌種。追肥時，應于早春土壤返漿時，趁墑開溝追施。（3）選育抗逆品種，采用穩產增產技術。針對未來氣候變化對農業的可能影響，分析未來光、溫、水資源重新分配和農業氣象災害的新格局，改進作物品種布局，有計劃地培育和選用抗旱、抗澇、抗高溫和低溫等抗逆品種，采用防災抗災、穩產增產的技術措施，預防可能加重的農業病蟲害。（4）加強農作物病蟲害防控[25]，預防氣候變化下病蟲害突發態勢，氣象、農業部門要加強對氣候變化情況、病蟲害發生趨勢等信息的發布工作，及時做好預警、預測，及時準確地為農民提供氣象、災害信息，提高農民的防災、抗災能力。（5）規范土地經營權流轉，提高土地規模化經營水平。健全農村土地承包經營權流轉市場，加強農村土地承包經營權流轉管理服務，進一步提升農業適度規模經營水平。鼓勵農民專業合作社、農業產業化龍頭企業、家庭農場等農業經濟組織參與農業生產，加快農業規模化、集約化、機械化、現代化發展速度。解決當前農業生產存在勞動力緊張、勞動力素質低、對農業新成果和新技術接受能力低等制約現代農業發展的問題，提高生產單體抵御氣象災害的能力。

5結論

隨著耕植傳統改進、經濟投入和技術水平大幅提升，實際產量已達5 521.98 kg/hm2，這與氣候生產潛力僅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制約條件已經越來越弱，相對于充裕光照資源而言，熱量條件則成為決定灌溉農田最高生產力水平的主要因素。

在21世紀氣候上整體向“暖濕型”變化的情況下，研究地區冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力均會維持增加，有利于豫東地區冬小麥產量的提高。

建議進一步加大對農業生產的投入，加快高標準糧田建設，穩步擴大農田有效灌溉面積；通過秸稈覆蓋保水或冬小麥覆膜技術增加土壤保水能力；培育和選用抗旱、抗澇、抗高溫和低溫等抗逆品種；加強氣候變化下農作物突發病蟲害防控；規范土地經營權流轉，提高土地規模化經營水平，提升生產單體應對氣候變化的能力。endprint

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