南北過渡帶淺層地溫變化及其對冬小麥產量的影響

閆軍輝 劉金科 王娟

關鍵詞：淺層地溫;冬小麥;實際產量;氣候產量;氣候變化;貢獻率;南北過渡帶地區;信陽市

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告指出，1880年以來全球地表平均溫度升高了0.65～1.06 ℃[1]。氣候變化導致光、熱、水等氣候資源分布格局重新調整，從而影響農業種植制度、品種布局和作物的生長發育，進而影響我國的糧食產量，對我國的糧食安全問題提出了新的挑戰[2]。有學者基于省級面板數據研究了氣候變化對我國糧食產量的影響，發現降水和氣溫對糧食產量的影響具有顯著的非線性關系[3]，黃淮海平原也呈類似的規律[4];有學者基于1981—2010年我國物候觀測記錄，量化了小麥10個關鍵物候期的時空變化，發現小麥播種期、出苗期、3葉期和乳熟期推遲，而分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期和成熟期則呈提前趨勢[5]。區域尺度上，黃淮海地區冬小麥播種期推遲，生育期縮短[6]，與全國小麥物候期變化趨勢基本一致。也有學者研究了氣候變化對小麥生產的影響，指出當考慮CO2肥效作用時，全國及黃淮海地區雨養小麥和灌溉小麥單位面積產量潛力均增加，雨養小麥增產幅度較高[7-8]。地溫是地面和不同深度土層溫度的統稱[9]，影響植物的生長、種子的萌發和農作物的產量。已有研究表明，中原地區冬春季0～20 cm平均地溫與冬小麥理論產量呈顯著正相關關系[10]，石家莊冬季5、10 cm地溫與冬小麥氣候單位面積產量呈現顯著的正相關[11]。雖然前人已對氣候變化對糧食產量的影響進行了一些研究，但這些研究多分析氣溫、降水對糧食產量的影響，有關地溫對糧食產量影響的研究相對較少。河南省信陽市地處我國北亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，對氣候變化的響應較為敏感。盡管研究表明，隨著信陽市溫度逐漸上升[12]，冬小麥出苗期提前，拔節期延遲[13]，但有關定量分析信陽市淺層地溫對冬小麥產量影響的研究相對較少。因此，本研究利用1961—2017年河南省信陽市逐月0～20 cm淺層地溫和1992—2016年冬小麥產量資料，分析57年來信陽市淺層地溫的變化特征，定量評估不同地層溫度對冬小麥產量的貢獻率，以期為信陽市及周邊地區合理利用地溫資源、調整農業結構和種植制度等提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所用資料為1961—2017年河南省信陽市逐月0、5、10、20 cm地溫和1992—2016年冬小麥產量。其中，淺層地溫數據來自于信陽市氣象局，冬小麥產量數據源于《河南省統計年鑒》[14]。這些數據均經過嚴格的質量控制，數據質量較好。經檢查發現，淺層地溫數據存在13個月的缺失，缺失數據主要集中在1980年之前，具體為1964年2月、1969年2月、1979年2月和1969年3月5～20 cm地溫以及1974年2月20 cm地溫，缺失資料僅占總月數0.48%，資料的完整性和連續性相對較好。

1.2 研究方法

1.2.1 缺失數據插補 數據的缺失會在一定程度上影響淺層地溫分析的精度，為獲取信陽市過去57年連續的淺層地溫序列，本研究采用回歸訂正法對信陽市缺失的地溫數據進行逐月插補。具體做法如下：首先計算數據缺失地層與同月數據完整地層之間的相關關系，選取與數據缺失地層溫度相關性最高的地層，建立二者平行觀測時期的回歸方程，進而對缺失的數據進行插補[15-16]。統計分析表明，13個資料缺失月份與參考地層月均溫度的相關系數均在0.9以上，回歸方程全部通過0.001顯著性檢驗。s為估計值的標準差，在 0.360～0.657之間，誤差相對較小（表1）。

1.2.2 數據分析方法 糧食實際產量由趨勢產量、氣候產量和隨機產量3個部分組成。趨勢產量和氣候產量分別為技術水平和氣象因素對糧食產量影響的分量，隨機產量由隨機因素產生，由于很小可忽略不計[17]。為消除隨機因素對糧食產量的影響，本研究采用線性回歸法對糧食實際產量進行去趨勢處理。具體做法如下：對1992—2016年信陽市冬小麥實際產量作線性趨勢得到趨勢產量，將其從實際產量中剝離， 得到冬小麥氣候產量。通過調查訪談得知，信陽冬小麥一般在9月下旬至10月上旬播種，次年5月收獲，因此本研究將10月至次年5月定義為冬小麥生育期。

本研究采用一元線性回歸法分析信陽市淺層地溫和冬小麥實際產量的變化速率，利用SPSS 22.0軟件計算其95%置信區間，并對變化速率進行顯著性檢驗;采用偏相關法分析冬小麥生育期間淺層地溫與氣候產量的關系;采用多元線性回歸方法估算各淺層地溫對冬小麥氣候產量的相對貢獻率。具體做法如下：首先對淺層地溫和冬小麥氣候產量數據進行標準化，然后以標準化后的冬小麥氣候產量為因變量，以標準化后的各層地溫為自變量，建立它們之間的多元線性回歸方程，最后按照下式計算各層地溫對冬小麥氣候產量的貢獻率[18]：

2 結果與分析

2.1 淺層地溫變化特征

由表2可知，1961—2017年信陽市0～20 cm地溫的多年平均值隨地層深度增加呈先降低后升高的趨勢。0 cm地溫多年平均值最高，為17.53 ℃;20、10 cm地溫次之，分別為17.23、17.18 ℃;5 cm地溫最低，為17.08 ℃。0～20 cm各層年平均地溫的最小值均出現于1969年;與最小值不同，5、10、20 cm 年平均地溫的最大值均出現于2017年，其值分別為18.54、18.71、19.09 ℃，而0 cm出現在2013年，為19.58 ℃。由各層年平均地溫的標準差可知，0 cm年均地溫標準差最大，其他3個地層相對較小，表明0 cm地溫波動劇烈，5～20 cm地溫波動相對平緩。

由圖1可知，1961—2017年信陽市各層年均地溫均呈顯著升高趨勢，其中，0 cm地層升溫幅度最大，變暖速率為（0.396±0.09） ℃/10年（95%置信區間，下同），過去57年共升溫（2.28±0.51） ℃;20、5 cm地溫次之，氣候傾向率分別為（0.326±0.08）、（0.302±0.08） ℃/10年，10 cm地層的升溫幅度最小，一元線性擬合顯示，該層地溫以（0.295±0.08） ℃/10年的速率顯著增暖，過去57年共升溫（1.68±0.46） ℃。F值檢驗顯示，0～20 cm 年均地溫變化速率均通過0.001顯著性水平檢驗。

由表3可知，信陽市冬小麥生育期間（10月至次年5月）淺層地溫的變化趨勢與年均地溫類似，只是速率有別。冬小麥生育期0 cm平均地溫的變化速率最大，為（0.530±0.10） ℃/10年;20、5 cm地溫的變化速率次之;10 cm地溫的變化速率最小，為（0.433±0.10） ℃/10年。在月變化方面，冬小麥生育期間除20 cm地層最大變化速率出現在次年2月[（0.571±0.24） ℃/10年]外，其余3層月最大變化速率均出現在次年4月，其中0 cm地層次年4月平均地溫的變化速率最大，為（0.814±0.22） ℃/10年，通過0.001顯著性檢驗。秋末冬初冬小麥月均地溫變化速率相對較小，其中，0 cm地層次年1月（P<0.05）、5 cm地層11月（P<005）和12月（P<0.01）、10 cm地層12月（P>005）和次年5月（P<0.05）、20 cm地層次年5月地溫（P<0.01）的變化速率均低于0.3 ℃/10年;10 cm 地層12月地溫變化速率最小，為（0.192±030） ℃/10年，未通過顯著性檢驗。

2.2 冬小麥產量變化特征

由圖2-a可知，信陽市冬小麥實際產量的多年平均值為3 756.52 kg/hm2，最大值為 4 805 kg/hm2，出現在2015年，最小值為 2 517 kg/hm2，出現在1998年，兩者相差 2 288 kg/hm2。總體而言，信陽市冬小麥實際單位面積產量呈顯著增加趨勢，一元線性回歸擬合表明，冬小麥實際產量以（103.855±19.801） kg/（hm2·年）的速度增加（P<0.001），且階段變化明顯：1997年以前冬小麥實際產量增加迅速，后急劇下降，并于1998年跌至谷底;1999年起冬小麥實際產量在較低水平波動，2004年開始急劇上升，2008年后變化速率放緩，在4 500～4 800 kg/hm2 之間波動，并于2015年達到峰值。

由圖2-b可知，過去25年信陽市冬小麥氣候產量大致經歷了“高—低—高—低”的階段波動，可分為4個時段：1992—1997年和2006—2012年冬小麥氣候產量相對較高，1998—2005年和2013—2016年相對較低。信陽市冬小麥氣候產量與實際單位變化趨勢基本一致，1992—1997年氣候產量迅速增加，1997 年達到最大正距平 465.462 3 kg/hm2，1998—2003年氣候產量開始急劇下降，2003年跌至谷底，達到最大負距平 -865.665 kg/hm2，2004—2008年氣候產量開始急劇上升，2008年后則緩慢下降。

2.3 淺層地溫對冬小麥氣候產量的影響

偏相關分析（表4）表明，1992—2016年冬小麥生育期間各層平均地溫與冬小麥氣候產量之間存在相關關系。其中，5、10 cm地溫與冬小麥氣候產量呈正相關關系，相關系數分別為0.370、0.273，0、20 cm地溫與氣候產量呈負相關關系，相關系數分別為-0.273、-0.455。20 cm地溫與冬小麥氣候產量的相關性通過0.05顯著性檢驗，5 cm地溫通過0.1顯著性檢驗，0、10 cm地溫與氣候產量的相關性未通過顯著性檢驗。春季冬小麥根系恢復生長，進入營養生長期，該階段信陽市0 cm地溫為16.43～20.63 ℃，20 cm地溫為14.77～20.10 ℃，而冬小麥根系生長的土壤最適溫度和營養生長最旺盛期的土壤最適溫度均為12～16 ℃[19]，信陽市0、20 cm地溫明顯比冬小麥最適土壤溫度偏高，過高的溫度會造成冬小麥爛根，影響根系對土壤有機質和水分的吸收，進而對冬小麥的生長產生不利影響[11]。

為定量分析信陽市淺層地溫對冬小麥氣候產量的影響，建立冬小麥生育期間淺層地溫和氣候產量間的多元線性回歸方程，計算0～20 cm地溫對冬小麥氣候產量的回歸系數，進而得到淺層地溫對氣候產量的貢獻率。擬合方程判定系數為0.560，F值檢驗統計量觀測值為2.287，P值為0.096，回歸方程通過0.1顯著性檢驗。經計算可知，0～20 cm地溫對冬小麥氣候產量的貢獻率存在地層差異。20 cm 地溫對冬小麥氣候產量的貢獻率最大，為 42.3%;其次是10、5 cm地溫，分別為27.6%、23.2%;0 cm地溫的貢獻率最小，為6.9%（表4）。

3 討論與結論

3.1 討論

本研究在分析信陽市淺層地溫變化特征的基礎上，定量評估了不同地層溫度對冬小麥氣候產量的貢獻率。本研究結果與前人基本一致[20]，但存在一些差異：變化速率方面，信陽年均淺層地溫變化速率較西北地區偏小;淺層地溫對冬小麥產量影響方面，信陽市冬小麥產量與5、10 cm地溫呈正相關，與前人結論[10-11]一致，信陽冬小麥產量與0、20 cm地溫呈負相關，而鄭州冬小麥產量與0、20 cm地溫呈正相關[10]。出現這些差異可能是由不同研究者研究區域、時間尺度和方法不同所致，前人多研究我國西北部地區，而本研究選擇位于我國南北過渡帶上的信陽市為研究對象;另外，前人分析鄭州地溫對冬小麥理論產量的影響[10]，而本試驗基于冬小麥實際產量去趨勢后的氣候產量進行研究。

3.2 結論

本研究利用1961—2017年信陽市逐月淺層地溫和1992—2016年冬小麥產量資料，定量分析信陽市淺層地溫的變化特征及其對冬小麥產量的影響。主要結論如下：（1）信陽各層年均地溫均呈顯著升高趨勢，0 cm 地層升溫幅度最大，10 cm地層升溫幅度最小，變化速率分別為（0.396±0.09）、（0.295±0.08） ℃/10年;冬小麥生育期淺層地溫的變化速率與年均地溫類似，0 cm地溫的變化速率最大，為（0.530±0.10） ℃/10年，10 cm地溫的變化速率最小，為（0.433±0.10） ℃/10年。

（2）1992—2016年冬小麥實際產量以（103.855±19.801） kg/（hm2·年）的速率顯著增加，過去25年冬小麥氣候單位面積產量大致經歷了“高—低—高—低”的階段波動，1992—1997年和2006—2012年冬小麥氣候產量相對較高，1998—2005、2013—2016年相對較低，氣候產量的最大正距平和負距平分別出現在1997、2003年。

（3）1992—2016年冬小麥生育期間5、10 cm地溫與冬小麥氣候產量呈正相關關系，0、20 cm地溫與氣候產量呈負相關關系;不同地層對冬小麥氣候產量的貢獻率存在地層差異，20 cm地溫的貢獻率最大，為42.3%，其次是10、5 cm地溫，分別為276%、23.2%，0 cm 地溫的貢獻率最小，為6.9%。

影響糧食產量的因素是多方面的，諸如氣候、土壤、品種、作物群體結構等。需要說明的是，本研究僅定量分析了信陽市淺層地溫對冬小麥產量的影響，有關氣溫、降水量、日照等氣候因子對糧食產量的綜合影響沒有涉及，這些問題有待于進一步研究。

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