楊鵬宇，胡 琦**，馬雪晴，胡莉婷，任飛揚(yáng)，閆夢玲，黃彬香，潘學(xué)標(biāo)，何奇瑾

?

1961?2015年華北平原夏玉米生長季光熱資源變化及其影響

楊鵬宇1,2，胡 琦1,2**，馬雪晴1,2，胡莉婷1,2，任飛揚(yáng)1,2，閆夢玲1,2，黃彬香1,2，潘學(xué)標(biāo)1,2，何奇瑾1,2

（1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2．農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，呼和浩特 011700）

利用華北平原夏玉米種植區(qū)55個(gè)氣象站點(diǎn)1961?2015年逐日地面觀測資料，以≥10℃活動(dòng)積溫和太陽輻射分別為熱量資源和光照資源指標(biāo)，從年代際尺度和年際尺度分析夏玉米生長季光熱資源線性趨勢和空間分布變化特征，定量研究光熱資源變化對(duì)夏玉米潛在產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：夏玉米生長季熱量資源呈顯著增加趨勢，各積溫等值線均發(fā)生明顯北移現(xiàn)象；所有站點(diǎn)夏玉米生長季輻射資源均呈顯著下降趨勢。與1961?1980年相比，近15a（2011?2015年）研究區(qū)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫增加1.8%，太陽總輻射量減少16.2%。研究時(shí)段內(nèi)夏玉米光溫潛在產(chǎn)量呈顯著下降趨勢，平均變化率為?28.3kg·667m?2·10a?1(P＜0.05)，高值區(qū)面積隨著時(shí)段變化不斷減少，表明輻射資源減少對(duì)光溫潛在產(chǎn)量的負(fù)作用大于熱量資源增加帶來的正作用。目前研究區(qū)夏玉米單產(chǎn)僅達(dá)到光溫潛在產(chǎn)量的27.5%，仍有很大提升空間。未來研究還需綜合考慮光、溫、水、農(nóng)藝措施等氣候要素和社會(huì)要素的影響，為華北地區(qū)夏玉米生產(chǎn)布局和調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，以適應(yīng)氣候變化的影響。

華北平原；熱量資源；太陽輻射；夏玉米；生長季

全球變暖已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(shí)，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，過去130a全球平均溫度增加了0.85℃[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候和天氣的制約，氣候變暖導(dǎo)致光、溫、水等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，必然對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成造成顯著影響[2-3]。輻射資源和熱量資源等農(nóng)業(yè)氣候資源直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，其數(shù)量、組成及其分配狀況在一定程度上決定了一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)格局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力[4]，因此，其在氣候變化背景下的時(shí)空變化特征也引起許多學(xué)者關(guān)注。楊曉光等[5]利用中國558個(gè)氣象臺(tái)站地面氣象觀測資料，分析了不同區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源變化的差異。龔強(qiáng)等[6]采用遼寧省54個(gè)氣象臺(tái)站建站以來的氣溫、降水、日照等9個(gè)氣象要素年資料，分析了近半個(gè)世紀(jì)遼寧省氣候資源變化時(shí)空變化特征，及其變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響。此外，不同學(xué)者對(duì)全國不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究[7-10]。

華北平原是中國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的30%，在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位[11]。在全球氣候變暖的背景下，華北平原19世紀(jì)80年代中期以后氣溫升高趨勢顯著[12]，尤其是21世紀(jì)以來，變暖趨勢更加明顯。劉志娟等[13]研究發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)喜涼作物和喜溫作物活動(dòng)積溫、日照時(shí)數(shù)等農(nóng)業(yè)氣候資源均發(fā)生了一定的時(shí)空變化，對(duì)華北平原的種植制度和農(nóng)業(yè)布局產(chǎn)生了一定影響[14]。然而關(guān)于氣候變化背景下華北平原夏玉米生長季內(nèi)光熱資源時(shí)空變化的研究，特別是綜合光熱資源對(duì)夏玉米生產(chǎn)影響的研究相對(duì)較少。本文擬基于1961?2015年地面逐日氣象資料，從不同時(shí)間尺度解析華北平原夏玉米種植區(qū)生長季光熱資源時(shí)空變化特征，討論光熱資源變化對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響，旨在為華北地區(qū)合理利用光熱資源、調(diào)整種植區(qū)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、制定適應(yīng)氣候變化的對(duì)策等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

選擇華北平原夏玉米種植區(qū)具有1961?2015年完整時(shí)間序列逐日氣象資料的臺(tái)站，共計(jì)55個(gè)，分布于5省市（京、津、冀、豫、魯），如圖1所示。氣象數(shù)據(jù)源自中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載，包括逐日平均氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、日照時(shí)數(shù)（h）、相對(duì)濕度（%），所用數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制和檢查，缺測率約1‰，缺測的氣象要素采用Matlab編程進(jìn)行訂正：若缺測序列小于5d，缺測值采用線性插值方法代替；若缺測序列≥5d，則采用同一日值的多年平均值代替。

同時(shí)選取1961?2015年華北平原5省市逐年夏玉米單位面積產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局下載（http://www.stats.gov.cn）。

圖1 研究區(qū)域及55個(gè)氣象站點(diǎn)分布

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 ≥10℃活動(dòng)積溫

熱量條件與作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成密切相關(guān)。高于或等于生物學(xué)下限溫度的日平均溫度稱為活動(dòng)溫度，≥10℃活動(dòng)積溫（DT10，℃·d）是玉米生長重要的熱量指標(biāo)之一[15]，由玉米生長季內(nèi)逐日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫相加而得，即

式中，a、b分別為玉米生長季內(nèi)逐日平均氣溫≥10℃的起始日期和終止日期，采用5日滑動(dòng)平均法確定；Ti為日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫（℃）。

1.2.2 生長季太陽總輻射

生長季太陽總輻射（Q，MJ×m?2）由月太陽總輻射（Qm，MJ×m?2）累加而得，Qm根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[16]，即

式中，Qm0為月天文總輻射（MJ×m?2），n、N分別為月實(shí)際日照時(shí)數(shù)（h）和月最大可能日照時(shí)數(shù)（h），由逐日數(shù)據(jù)累加而來，a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。和清華等[17]利用中國54個(gè)站1961?2000年逐日太陽輻射觀測數(shù)據(jù)和日照百分率資料建立了太陽輻射回歸方程并進(jìn)行驗(yàn)證，研究表明，以月天文輻射總量為起始值計(jì)算年太陽輻射精確度最高，并對(duì)a、b經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行了全國分區(qū)域訂正，給出中國東部地區(qū)a、b值分別為0.143和0.585。

Qm0由當(dāng)月逐日天文輻射（Q0，MJ·m?2·d?1）累加得到，Q0計(jì)算式為

式中，T為一天的周期（24×60min），I0為太陽常數(shù)（0.082MJ·m?2·min?1），ω為時(shí)角（rad），φ為地理緯度（rad），δ為太陽赤緯（rad），1/ρ2--為地球軌道偏心率訂正系數(shù)，計(jì)算式分別為

式中，θ為日角（rad），dn為日序，以1月1日為1，1月2日為2，依次類推。

1.2.3 光溫潛在產(chǎn)量

光溫潛在產(chǎn)量是在一定的光、溫條件下，其它環(huán)境因素（水分、二氧化碳、養(yǎng)分等）和作物群體因素處于最適宜狀態(tài)，作物利用當(dāng)?shù)氐墓?、溫資源的潛在生產(chǎn)力[18-19]。采用分段線性擬合法對(duì)光合潛在產(chǎn)量進(jìn)行溫度訂正，得到光溫潛在產(chǎn)量，即

式中，y為光溫潛在產(chǎn)量（kg·667m?2），y0為光合潛在產(chǎn)量（kg·667m?2），采用龍斯玉（1976）提出的線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头▽?duì)y0進(jìn)行估算[20]，即

式中，Q為生長季太陽總輻射（MJ·m?2），k為光合有效輻射換算系數(shù)，取值0.49，A為大田作物群體反射率，取值0.065，B為漏射率，取值0.06，η為光能利用率，取值0.1568，c為經(jīng)濟(jì)系數(shù)，取值0.3，q為植物有機(jī)物的含熱率，取值17.81kJ·g?1，g為植物有機(jī)體中的灰分含量，取值0.08，h為產(chǎn)量中的水分含量，通常統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中實(shí)際產(chǎn)量籽粒含水率約為15%，因此，為便于光溫潛在產(chǎn)量與統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)比較，y0折合成籽粒含水率為15%時(shí)的產(chǎn)量。

f(t)為溫度訂正函數(shù)，計(jì)算式為

式中，t為某一生育期平均溫度（℃），tmin、t0、tmax分別為該生育期下限溫度、最適溫度和上限溫度（℃）。夏玉米不同生長階段下限溫度、最適溫度和上限溫度均不相同，因此，將生育期分為4個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)如表1所示。

表1 夏玉米不同生育期三基點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)值(℃)

注：tmin為下限溫度；t0為最適溫度；tmax為上限溫度。

Note：tminis lower limit temperature；t0is optimum temperature；tmaxis upper limit temperature.

1.2.4 Mann-Kendall檢驗(yàn)（M-K檢驗(yàn)）

Mann-Kendall檢驗(yàn)法（簡稱M-K法）是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢的有效工具，其優(yōu)點(diǎn)在于不受個(gè)別異常值的干擾，能夠客觀反映時(shí)間序列趨勢。目前已被廣泛用于氣候參數(shù)和水文序列的分析中[21-22]。M-K法可以根據(jù)輸出的兩個(gè)序列（UF和UB）明確突變的時(shí)段和區(qū)域。若UF值大于0且超過臨界直線，表明時(shí)間序列呈顯著上升趨勢（P＜0.05），反之，若UF值小于0且超過臨界直線，表明時(shí)間序列呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。如果UF和UB兩條曲線相交且交點(diǎn)在臨界直線之間，則突變開始的時(shí)間即為交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻[23-24]，具體計(jì)算方法及參數(shù)說明見參照文獻(xiàn)[23-24]。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)南北跨度較大，為方便空間結(jié)果比較，夏玉米生長季統(tǒng)一按6月10日?10月10日計(jì)算，分別計(jì)算各站80%保證率下夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫、太陽總輻射和光溫潛在產(chǎn)量的空間分布特征及其在1961?2015年的氣候傾向率。同時(shí)將1961?2015年劃分為3個(gè)時(shí)段，時(shí)段1（P1）：1961?1980年；時(shí)段2（P2）：1981?2000年；時(shí)段3（P3）：2001?2015年，分析其時(shí)段變化特征。

數(shù)據(jù)處理均利用Matlab2014軟件實(shí)現(xiàn)；空間分布圖利用ArcGIS10.1軟件反距離權(quán)重插值法（Inverse Distance Weighted Interpolation，IDW）制作，分辨率為0.02°；折線圖采用OriginPro8軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 華北平原夏玉米生長季光熱資源時(shí)空分布特征

根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)1961?2015年的氣溫資料和日照時(shí)數(shù)資料，計(jì)算各站點(diǎn)夏玉米生長季80%保證率下≥10℃活動(dòng)積溫和太陽總輻射，其空間分布如圖2所示。由圖2a可見，80%保證率下華北平原夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫在2400～3050℃·d，占全年（1?12月）≥10℃活動(dòng)積溫的60.0%以上，空間變異大，整體由南至北呈遞減的趨勢。受緯度和海拔的影響，研究區(qū)40°N以北的地區(qū)、東部青島以東的沿海地區(qū)、河南西南部的盧氏地區(qū)≥10℃活動(dòng)積溫＜2800℃·d，石家莊以南地區(qū)＜2900℃·d。

80%保證率下華北平原夏玉米生長季太陽總輻射范圍在1947～2236MJ×m?2，占全年（1?12月）輻射量的37.9%，由東北至西南呈遞減的趨勢（圖2b）。華北東北部地區(qū)包括山東北部和河北東部一帶，夏玉米生長季太陽總輻射＞2000MJ×m?2，河南大部分地區(qū)＜1900MJ×m?2。

2.2 華北平原夏玉米生長季光熱資源年際變化趨勢分析

逐年計(jì)算1961?2015年研究區(qū)內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫和太陽總輻射，并對(duì)線性變化趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。由圖可見，近55a來，研究區(qū)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫平均增加75.4℃·d，平均變化率為13.7℃·d·10a?1（P<0.05），其中63.6%的站點(diǎn)（n=35）呈顯著增加趨勢（P<0.05），主要分布在華北平原中北部的山東、河北地區(qū)（圖3a）。其中，山東東部、河北大部分地區(qū)≥10℃活動(dòng)積溫增長速率大于20℃·d·10a?1（P <0.05），呈顯著變暖趨勢；而河南省大部分站點(diǎn)變化趨勢不顯著。

圖2 80%保證率下研究區(qū)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫（a）和太陽總輻射（b）的空間分布（1961?2015年）

圖3b表明，華北地區(qū)所有站點(diǎn)的夏玉米生長季太陽總輻射的線性傾向率均為負(fù)值，且全部通過P<0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說明1961?2015年華北地區(qū)夏玉米生長季太陽總輻射呈顯著下降趨勢。近55a來研究區(qū)夏玉米生長季太陽總輻射平均減少441.1MJ×m?2，平均變化率為?80.2MJ·m?2·10a?1（P <0.05），其中山東濟(jì)南、河北石家莊、河南信陽等地區(qū)下降幅度較大，線性傾向率超過100MJ·m?2·10a?1（P <0.05）；山東東部的部分地區(qū)太陽總輻射減少相對(duì)較小，在60 MJ·m?2·10a?1（P <0.05）以下。

圖3 研究區(qū)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫（a）和太陽總輻射（b）氣候傾向率的空間分布（1961?2015年）

2.3 華北平原夏玉米生長季光熱資源不同時(shí)段變化趨勢分析

將1961?2015年劃分為3個(gè)時(shí)段，計(jì)算每個(gè)時(shí)段內(nèi)華北平原夏玉米生長季光熱資源平均值。研究表明，≥10℃活動(dòng)積溫在不同時(shí)段整體呈現(xiàn)上升趨勢，時(shí)段3熱量資源增加更顯著，3個(gè)時(shí)段≥10℃活動(dòng)積溫平均值分別為2737.7、2746.5和2787.0℃·d。與P1時(shí)段（1961?1980年）相比，P2時(shí)段（1981?2000年）和P3時(shí)段（2001?2015年）的2800℃·d和2900℃·d等值線均發(fā)生明顯的北移現(xiàn)象，2900℃·d等值線由河北河南交界處逐步北移至河北中部（圖4a1?圖4a3），P3時(shí)段≥10℃活動(dòng)積溫超過2900℃·d的面積較P1時(shí)段增加了53.9%。

與≥10℃活動(dòng)積溫變化趨勢相反，華北平原夏玉米生長季內(nèi)太陽總輻射在不同時(shí)段均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。與P1時(shí)段相比，P2和P3時(shí)段夏玉米生長季內(nèi)太陽總輻射分別減少6.7%和16.2%，相應(yīng)各等值線均發(fā)生非常明顯的北移，2000MJ×m?2等值線由河南西南部（P1，圖4b1）北移至河北中南部（P2，圖4b2），1900MJ×m?2等值線由河北-河南-山東交界處（P2，圖4b2）北移至華北平原東北部（P3，圖4b3）。夏玉米生長季內(nèi)太陽總輻射大于2000MJ×m?2的面積占研究區(qū)總面積的比例，由P1時(shí)段的92.3%減少至P2時(shí)段的34.9%，P3時(shí)段的面積比例僅為0.3%；太陽總輻射大于1900MJ×m?2的面積比例由P2時(shí)段的67.1%減至P3時(shí)段的8.7%。

以上研究表明，在不同時(shí)段，華北平原夏玉米生長季內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫和太陽總輻射均在P3時(shí)段變化幅度最大，進(jìn)一步用M-K法檢驗(yàn)，結(jié)果表明，≥10℃活動(dòng)積溫和太陽總輻射均在20世紀(jì)90年代中期有一個(gè)突變點(diǎn)，變化趨勢顯著（P<0.05）（圖5）。

圖4 研究區(qū)夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫（a）和太陽總輻射（b）不同時(shí)段的空間分布（1961?2015年）

圖5 逐年夏玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫（a）和太陽總輻射（b）的M-K檢驗(yàn)（1961?2015年）

2.4 華北平原光熱資源變化對(duì)夏玉米生產(chǎn)的影響

利用1961?2015年以及不同時(shí)段華北平原夏玉米生長季熱量、太陽總輻射資料計(jì)算相應(yīng)的光溫潛在產(chǎn)量，及其線性變化傾向率，結(jié)果見圖6。由圖6a可見，研究區(qū)夏玉米生長季光溫潛在產(chǎn)量在1015～1626kg·667m?2，中部地區(qū)光溫潛在產(chǎn)量較高，最高值分布在泰安—濟(jì)南—德州—滄州一帶，其光溫潛在產(chǎn)量大于1500kg·667m?2。受輻射資源和熱量資源變化的綜合影響，近55a來華北平原夏玉米生長季光溫潛在產(chǎn)量整體呈下降趨勢，平均變化率為?28.3kg·667m?2·10a?1，65.5%（n=36）的站點(diǎn)達(dá)到顯著性水平（P<0.05）且均為負(fù)值（圖6b）。華北中部地區(qū)光溫潛在產(chǎn)量下降幅度最大，大于40kg·667m?2·10a?1（P<0.05）；山東東部和河北東北部光溫潛在產(chǎn)量呈略微上升的趨勢，變化趨勢不顯著。

圖6 玉米生長季光溫潛在產(chǎn)量（a）及其氣候傾向率（b）的空間分布（1961?2015年）

華北平原夏玉米光溫潛在產(chǎn)量在不同時(shí)段呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。與P1時(shí)段（1961?1980年）相比，P2（1981?2000年）和P3（2001?2015年）時(shí)段夏玉米光溫潛在產(chǎn)量分別減少0.1%和8.2%，其各等值線均發(fā)生非常明顯的偏移（圖7）。光溫潛在產(chǎn)量高值區(qū)（大于1400kg·667m?2）面積隨著時(shí)段推進(jìn)不斷減少，占研究區(qū)總面積的比例由83.8%（P1，圖7a）減至20.3%（P3，圖7c）。

華北平原實(shí)際夏玉米產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量變化趨勢不同，受品種改良、灌溉、肥料等農(nóng)藝措施和技術(shù)手段進(jìn)步的影響，1961?2015年華北平原夏玉米單位面積產(chǎn)量顯著提高，增長速度達(dá)到57.6kg·667m?2·10a?1（P<0.05），與光溫潛在產(chǎn)量的產(chǎn)量差也不斷縮?。▓D8）。然而目前研究區(qū)夏玉米平均生產(chǎn)水平仍然較低，過去10a（2006?2015年）夏玉米單產(chǎn)僅達(dá)到光溫潛在產(chǎn)量的27.5%。

圖7 夏玉米生長季光溫潛在產(chǎn)量不同時(shí)段的空間分布（1961?2015年）

圖8 華北平原夏玉米單位面積統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量、光溫潛在產(chǎn)量和產(chǎn)量差的年際變化（1961?2015年）

3 結(jié)論與討論

1961?2015年華北平原夏玉米生長季熱量資源呈顯著增加的趨勢，近55a來，玉米生長季≥10℃活動(dòng)積溫增加75.4℃·d，且2000年以后熱量資源增加更顯著。馬潔華等[25]指出，氣候變暖使華北平原熱量資源更加豐富，≥10℃積溫呈北移東擴(kuò)的變化特征，與本文研究結(jié)果一致，冀翠華等[26]也有類似的研究結(jié)果。熱量資源是華北地區(qū)，特別是華北北部，小麥-玉米周年耕作制度的重要限制因素，熱量資源增加對(duì)提高華北糧食產(chǎn)量具有積極的作用。積溫的增加使研究區(qū)域作物生長季延長，進(jìn)而導(dǎo)致研究區(qū)域冬小麥復(fù)種中晚熟玉米的面積增加，相同栽培條件下，可增加周年糧食產(chǎn)量。王娜等[27]研究表明，“兩晚”技術(shù)（冬小麥適當(dāng)晚播，夏玉米適當(dāng)晚收）使華北平原小麥-玉米輪作體系產(chǎn)量增加，對(duì)華北平原糧食增產(chǎn)具有重要的促進(jìn)作用，而熱量資源的增加為“兩晚”技術(shù)提供了氣候保障。一方面，熱量資源增加延長了夏玉米生長季，玉米晚收或者使用生育期更長的品種會(huì)獲得更多的熱量資源，以提高產(chǎn)量。劉月娥等[28]研究也表明，適時(shí)晚收會(huì)提高玉米對(duì)光溫資源利用效率，玉米產(chǎn)量和千粒重顯著增加。另一方面，熱量資源增加同時(shí)保證了小麥晚播能夠獲得足夠的冬前積溫。田展等[29]研究表明，近20a來，黃淮地區(qū)小麥的最佳生育期普遍延長了10d以上，因此，由于氣候變化帶來熱量資源的增加，可以種植生育期更長的晚熟品種達(dá)到更高的小麥單產(chǎn)潛力。

就輻射資源而言，華北地區(qū)夏玉米生長季內(nèi)太陽總輻射年際和不同時(shí)段間均呈顯著減少的趨勢。近55a來研究區(qū)夏玉米生長季內(nèi)太陽總輻射平均減少了441.1MJ×m?2，與1961?1980年相比，近15a太陽總輻射減少了16.2%。輻射資源的減少對(duì)夏玉米生產(chǎn)必然產(chǎn)生消極的影響，綜合熱量和輻射資源進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，光溫潛在產(chǎn)量呈顯著下降的趨勢，證明華北平原輻射資源減少對(duì)光溫生產(chǎn)潛力的負(fù)作用大于熱量資源增加帶來的正作用。黃川榮等[30]研究表明，近44a來黃淮海平原光溫生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)下降趨勢，不穩(wěn)定性突出，光溫生產(chǎn)力變化率正值區(qū)域分布于平原的東部和西部，其余地區(qū)夏玉米光溫生產(chǎn)力均呈下降趨勢。鐘新科等[31]研究也有類似的結(jié)果。值得一提的是，華北平原實(shí)際夏玉米產(chǎn)量與光溫潛在產(chǎn)量變化趨勢不同，1961?2015年華北平原夏玉米單位面積產(chǎn)量顯著提高，這與品種改良、灌溉、肥料等農(nóng)藝措施和技術(shù)手段的改良密不可分，但是總體生產(chǎn)水平仍然較低。光溫潛在產(chǎn)量理論上決定了水分條件滿足時(shí)，實(shí)際單產(chǎn)所能達(dá)到的最高值，近年來學(xué)者在不斷研究如何縮減與氣候生產(chǎn)潛力的產(chǎn)量差，目前華北夏玉米高產(chǎn)記錄達(dá)到1335.8kg·667m?2（2014年，山東萊州）[32]，本研究表明，氣候變化背景下光溫潛在產(chǎn)量在不斷下降，未來在技術(shù)足夠進(jìn)步的情況下，這可能是影響作物單產(chǎn)的一個(gè)瓶頸。

當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)中氣候變化對(duì)華北地區(qū)夏玉米產(chǎn)量的影響存在更多的復(fù)雜性。比如，熱量資源的增加可能使作物的生長季延長，固然會(huì)對(duì)產(chǎn)量帶來正面影響，但是中晚熟品種替代中早熟品種后可能增加作物生育后期的冷害風(fēng)險(xiǎn)[4]，同時(shí)會(huì)使寒害等低溫災(zāi)害的發(fā)生頻率以及病蟲害的危害范圍發(fā)生相應(yīng)變化[33-34]。華北平原是中國水資源緊缺的地區(qū)之一，且該地區(qū)玉米生長季內(nèi)降水變率大，不同時(shí)間尺度干旱頻發(fā)，水分是限制華北平原夏玉米生產(chǎn)的主要因素之一。同時(shí)華北地區(qū)生產(chǎn)中盲目大量施用化肥現(xiàn)象普遍，肥料利用率低。因此，未來研究還需將光、溫、水等氣候要素以及農(nóng)藝措施、病蟲害和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行更深入的綜合分析，為華北地區(qū)夏玉米生產(chǎn)布局和調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，以適應(yīng)氣候變化的影響。

[1] IPCC.Climate change 2013:the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. Cambridge:Cambridge University Press,2013.

[2] 李樹巖,馬志紅.河南省夏玉米生長季農(nóng)業(yè)氣候資源變化分析[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,41(7):21-26.

Li S Y,Ma Z H.Changes of agricultural climate resources in Henan province during summer maize growing season[J]. Journal of Henan Agricultural Science,2012,41(7):21-26.(in Chinese)

[3] 王位泰,張?zhí)旆?蒲金涌,等.黃土高原中部冬小麥生長對(duì)氣候變暖和春季晚霜凍變化的響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2011, 32(1):6-11.

Wang W T,Zhang T F,Pu J Y,et al.Response of winter wheat to climate warming and late spring frost in Central Loess Plateau[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2011,32(1):6- 11.(in Chinese)

[4] 葉彩華,欒慶祖,胡寶昆,等.北京農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征及其對(duì)不同種植模式玉米各生育期的影響[J].自然資源學(xué)報(bào),2010,25(8):1350-1364.

Ye C H,Yi Q Z,Hu B K,et al.Agricultural climatic resources change characteristics of Beijing and related impacts on maize planted in different zones and different growth periods[J].Journal of Natural Resources,2010,25(8):1350- 1364.(in Chinese)

[5] 楊曉光,李勇,代姝瑋,等.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化Ⅸ:中國農(nóng)業(yè)氣候資源時(shí)空變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(12):3177-3188.

Yang X G,Li Y,Dai S W,et al.Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change Ⅸ: spatiotemporal change characteristics of China agricultural climate resources[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011, 22(12):3177-3188.(in Chinese)

[6] 龔強(qiáng),汪宏宇,張運(yùn)福,等.氣候變化背景下遼寧省氣候資源變化特征分析[J].資源科學(xué),2010,32(4):671-678.

Gong Q,Wang H Y,Zhang Y F,et al.Analysis of changes in climate resources in Liaoning Province in the context of global climate change[J].Resources Science,2010,32(4):671- 678.(in Chinese)

[7] 董旭光,李勝利,石振彬,等.近50年山東省農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):269-277.

Dong X G,Li S L,Shi Z B,et al.Change characteristics of agricultural climate resources in recent 50 years in Shandong Province,China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015, 26(1):269-277.(in Chinese)

[8] 陳超,龐艷梅,潘學(xué)標(biāo),等.氣候變化背景下四川省氣候資源變化趨勢分析[J].資源科學(xué),2011,33(7):1310-1316.

Chen C,Pang Y M,Pan X B,et al.Characteristics of climate resources under global climate change in Sichuan Province[J]. Resources Science,2011,33(7):1310-1316.(in Chinese)

[9] 郭良才,岳虎,王強(qiáng),等.河西走廊干旱區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,(3):14-22.

Guo L C,Yue H,Wang Q,et al.Characteristics of agricultural climate resources' changing in dry area of Hexi Corridor[J]. Agricultural Research in the Arid Areas,2008,(3):14-22.(in Chinese)

[10] 紀(jì)瑞鵬,張玉書,馮銳,等.遼寧省農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征分析[J].資源科學(xué),2007,(2):74-82.

Ji R P,Zhang Y S,Feng R,et al.Characteristics of agricultural climate resources changes in Liaoning Province[J].Resources Science,2007,(2):74-82.(in Chinese)

[11] 劉巽浩,陳阜.中國農(nóng)作制[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2005.

Liu X H,Chen F.Farming systems in China[M].Beijing:China Agriculture Press,2005.(in Chinese)

[12] 任國玉,徐銘志,初子瑩,等.近54年中國地面氣溫變化[J].氣候與環(huán)境研究,2005,(4):717-727.

Ren G Y,Xu M Z,Chu Z Y,et al.Changes of surface air temperature in China during 1951-2004[J].Climatic and Environmental Research,2005,(4):717-727.(in Chinese)

[13] 劉志娟,楊曉光,王文峰.氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化Ⅳ:黃淮海平原半濕潤暖溫麥-玉兩熟灌溉農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源時(shí)空變化特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(4): 905-912.

Liu Z J,Yang X G,Wang W F.Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change Ⅳ: spatiotemporal change characteristics of agricultural climate resources in sub-humidwarm-temperate irrigated wheat-maize agricultural area of Huang-Huai-Hai Plain[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(4):905-912.(in Chinese)

[14] 王占彪,王猛,尹小剛,等.氣候變化背景下華北平原夏玉米各生育期水熱時(shí)空變化特征[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015, 23(4):473-481.

Wang Z B, Wang M, Yin X G, et al. Spatiotemporal characteristics of heat and rainfall changes in summer maize season under climate change in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2015,23(4):473-481.(in Chinese)

[15] Bunting E S.The relationship between mean temperature and accumulated temperature totals for maize in the central lowlands of England[J].Journal of Agricultural Science,1979, 93(1):157-169.

[16] 胡琦,潘學(xué)標(biāo),李秋月,等.氣候變化背景下東北地區(qū)太陽能資源多時(shí)間尺度空間分布與變化特征[J].太陽能學(xué)報(bào),2016,37(10):2647-2652.

Hu Q,Pan X B,Li Q Y,et al.Multi-time scale spatial distribution and change characteristics of solar energy resources under climate change in Northeast China[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2016,37(10):2647-2652.(in Chinese)

[17] 和清華,謝云.我國太陽總輻射氣候?qū)W計(jì)算方法研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2010,25(2):308-319.

He Q H,Xie Y.Research on climatology calculation methods of total solar radiation in China[J].Journal of Natural Resources,2010,25(2):308-319.

[18] He D,Wang J,Pan Z,et al.Changes in wheat potential productivity and drought severity in Southwest China[J]. Theoretical & Applied Climatology,2017,130:477-486.

[19] 李三愛,居輝,池寶亮.作物生產(chǎn)潛力研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2005,26(2):106-111.

Li S A,Ju H,Chi B L.Reviews on crop potential productivity researches[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2005,26(2): 106-111.(in Chinese)

[20] 龍斯玉.我國的生理輻射分布及其生產(chǎn)潛力[J].氣象科技資料,1976,(S1):51-58.

Long S Y.The distribution of physiological radiation and its potential production in China[J].Meteorological Science and Technology Data,1976,(S1):51-58.(in Chinese)

[21] 張涵丹,衛(wèi)偉,薛萐.基于R/S分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)的定西市氣溫降水變化特征[J].水土保持研究,2015,22(6): 183-189.

Zhang H D,Wei W,Xue S.Analysis on the variation of temperature and precipitation changes in Dingxi City based on R/S and Mann-Kendall test[J].Research on Soil and Water Conservation,2015,22(6):183-189.(in Chinese)

[22] 康淑媛,張勃,柳景峰,等.基于Mann-Kendall法的張掖市降水量時(shí)空分布規(guī)律分析[J].資源科學(xué),2009,31(3):501-508.

Kang S Y,Zhang B,Liu J F,et al.Analysis of the spatiotemporal distribution of precipitationin Zhangye City using Mann-Kendall method[J].Resources Science,2009,31(3): 501-508.(in Chinese)

[23] Gerstengarbe F W,Werner P C.Estimation of the beginning and end of recurrent events within a climate regime[A].New dimensions of India's foreign policy[C].Vision Books,1999: 97-107.

[24] Zhang Q,Liu C,Xu C Y,et al.Observed trends of annual maximum water level and stream flow during past 130 years in the Yangtze River basin,China[J].Journal of Hydrology, 2006,324(1-4):255-265.

[25] 馬潔華,劉園,楊曉光,等.全球氣候變化背景下華北平原氣候資源變化趨勢[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(14):3818-3827.

Ma J H,Liu Y,Yang X G,et al.Characteristics of climate resources under global climate change in the North China Plain[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(14):3818-3827.(in Chinese)

[26] 冀翠華,王式功,尚可政.1961-2010年黃河中下游地區(qū)24節(jié)氣氣候變化特征分析[J].氣候與環(huán)境研究,2015,20(2): 220-228.

Ji C H,Wang S G,Shang K Z.Climate changes of 24 solar terms in the middle and lower reaches of the Yellow River during 1961-2010[J].Climatic and Environmental Research, 2015,20(2):220-228.(in Chinese)

[27] 王娜,王靖,馮利平,等.華北平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)采用“兩晚”技術(shù)的產(chǎn)量效應(yīng)模擬分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015, 36(5):611-618.

Wang N,Wang J,Feng L P,et al.Modeling the impact of “double-delay” technology on yield of wheat-maize cropping system in the North China Plain[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(5):611-618.(in Chinese)

[28] 劉月娥,謝瑞芝,張厚寶,等.不同生態(tài)區(qū)玉米適時(shí)晚收增產(chǎn)效果[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(13):2820-2828.

Liu Y E,Xie R Z,Zhang H B,et al.Study on increasing rate of maize yield after putting off harvest time in different ecoregions[J].Scientia Agricultura Sinica,2010,43(13):2820- 2828.(in Chinese)

[29] 田展,梁卓然,史軍,等.近50年氣候變化對(duì)中國小麥生產(chǎn)潛力的影響分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(9):61-69.

Tian Z,Liang Z R,Shi J,et al.Analysis of impact on China wheat potential productivity of climate change during 1961-2010[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2013, 29(9):61-69.(in Chinese)

[30] 黃川容,劉洪.氣候變化對(duì)黃淮海平原冬小麥與夏玉米生產(chǎn)潛力的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2011(s1):118-123.

Huang C R,Liu H.The effect of the climate change on potential productivity of winter wheat and summer maize in the Huang-Huai-Hai Plain[J].Chinese Journal of Agrome- teorology,2011(s1):118-123.(in Chinese)

[31] 鐘新科,劉洛,徐新良,等.近30年中國玉米氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(15):94-101.

Zhong X K,Liu L,Xu X L,et al.Characteristics of spatial-temporal variation of maize climate productivity during last 30 years in China[J].Transactions of the CSAE, 2012,28(15):94-101.(in Chinese)

[32] 李少昆,趙久然,董樹亭,等.中國玉米栽培研究進(jìn)展與展望[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,50(11):1941-1959.

Li S K,Zhao J R,Dong S T,et al.Advances and prospects of maize cultivation in China[J].Scientia Agricultura Sinica, 2017,50(11):1941-1959.(in Chinese)

[33] 葉彩玲,霍治國,丁勝利,等.農(nóng)作物病蟲害氣象環(huán)境成因研究進(jìn)展[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2005,14(1):90-97.

Ye C L,Huo Z G,Ding S L,et al.Advance in study on formation of meteorological environment causing crop’s diseases and insectpests[J].Journal of Natural Disasters,2005, 14(1):90-97.(in Chinese)

[34] 李勇,楊曉光,代姝瑋,等.氣候變化背景下貴州省倒春寒災(zāi)害時(shí)空演變特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(8):2099-2108.

Li Y,Yang X G,Dai S W,et al.Spatiotemporal evolution characteristics of late spring cold in Guizhou Province under global climate change[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2010,21(8):2099-2108.(in Chinese)

Spatiotemporal Variation of Heat and Solar Resources and Its Impact on Summer Maize in the North China Plain over the Period 1961?2015

YANG Peng-yu1,2, HU Qi1,2, MA Xue-qing1,2, HU Li-ting1,2, REN Fei-yang1,2, YAN Meng-ling1,2, HUANG Bin-xiang1,2, PAN Xue-biao1,2, HE Qi-jin1,2

（1．College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2．Scientific and Observing Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hohhot 011700）

Based on the 1961-2015 ground surface data from 55 meteorological stations in the summer maize plating area of the North China Plain, spatiotemporal distribution and variation of heat and solar resources in annual scale and in different periods were analyzed. In this study, active accumulated temperature over 10℃(DT10) and solar radiation were used as the indices of heat resources and solar resources, respectively, and the impact of the changes in heat resources and solar resources on maize potential yield was also calculated. In the past 55 years, DT10 in the maize growing season has significantly increased by 75.4℃·d, and all the contour lines of accumulated temperature have obviously shifted toward north. As for the solar radiation in maize growing season, a significant decreasing trend was found for each station. In the last 15 years, the DT10 increased by 8% while solar radiation reduced by 16.2% compared to that in 1961?1980. Overall, climate change increased heat resources and reduced solar resources in the North China Plain, which had positive and negative effects on the maize production in the North China Plain. In recent 55 years, photosynthesis-temperature potential productivity of maize showed significant decreasing trend with trend value ?28.3kg·667m?2·10y?1(P<0.05). The area of high photosynthesis-temperature potential yield has also decreased in different period, indicating that the negative effect of the reducing radiation resources on photosynthesis-temperature potential productivity was greater than the positive one due to the increase in heat resources. There is still a lot promoting room for maize productivity in the study area, for the maize yield per unit area only reaches 27.5% of the photosynthesis-temperature potential yield. Further research is needed by comprehensively considering the influence of other climatic factors like precipitation, as well as social factors like agronomic measures.

North China Plain; Heat resources; Solar radiation; Summer maize; Growing season

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.07.001

楊鵬宇,胡琦,馬雪晴,等.1961?2015年華北平原夏玉米生長季光熱資源變化及其影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(7):431-441

2017-11-21

。E-mail:s10020292@cau.edu.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0300304；2016YFD0300106；2016YFD0300105)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271053）

楊鵬宇（1994-），碩士生，研究方向?yàn)闅夂蜃兓⑥r(nóng)業(yè)資源利用。E-mail: yangpy0421@163.com