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2015 , Vol. 34 >Issue 3: 466 - 474

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201503006

Orginal Article

Changes of dry-hot wind hazard for winter wheat in the typical agricultural areas of Huang-Huai-Hai Plain: A case of Shangqiu

  • LI Hongzhong , 1 ,
  • ZHU Xinyu , 1 ,
  • SHI Benlin 1 ,
  • HU Yunchuan 1 ,
  • ZHANG Yi 2 ,
  • ZHAO Shuang 3
Expand
  • 1. Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, Henan, China
  • 2. Shangqiu Weather Bureau, Shangqiu 476000, Henan, China
  • 3. Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China

Received date: 2014-07-29

  Request revised date: 2014-11-20

  Online published: 2015-03-10

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

Abstract

Climate change is producing significant impacts on global agricultural production. Climatic variations affect crop production, and tend to be a key constraint of agricultural production, primarily on continuous increase of winter wheat yields worldwide. The great uncertainties in predicting the effects of climate change on wheat production are most likely due to less understanding of the responses of wheat production to extreme climatic factors, e.g. high temperatures, low humidity as well as high wind speed. Dry-hot wind hazard represents one of the main natural disasters for Chinese winter wheat production, especially in the Huang-Huai-Hai Plain. However, there still exist great uncertainties of the effects of dry-hot wind hazard on winter wheat production, mainly due to the gaps of long-term observations. Therefore, we selected Shangqiu as the case study area to determine the occurrence regularity of dry-hot wind hazard on winter wheat production in the Huang-Huai-Hai Plain. We analyzed regional meteorological data with daily resolution in the later growth stage of winter wheat during the period 1963-2012. In accordance with the meteorological industry standards of "Disaster Grade of Dry-hot Wind for Wheat" by the China Meteorological Administration, we synthetically analyzed the distribution of annual average days of dry-hot wind in winter wheat growing seasons and the associated responses to the climate change. Hence, the relationship between dry-hot wind times and winter wheat yields was examined. The results showed that the annual average days of light and severe dry-hot wind tended to decline in recent 50 years. Great inter-annual variations of light and severe dry-hot wind were observed. The significant inter-annual variations were related with the corresponding meteorological conditions of temperature, moisture and wind speed. The most serious damages of both light and severe dry-hot wind occurred in the 1960s, while less damages appeared in the 1980s and the last decade, which could be also explained by the corresponding temperature, moisture and wind speed conditions. From 1963 to 2012, a climatic mutation point of daily maximum temperature was found in 1972 (p>0.05). The wind speed at 14:00 and the relative humidity at 14:00 were closely related to the hazard. A climatic mutation point of the wind speed at 14:00 was found around 1984, and climatic mutation of the relative humidity at 14:00 was found in 1981 (p<0.05). Daily maximum temperature and wind speed at 14:00 and the relative humidity at 14:00 played a major role in the decreasing trend of dry-hot wind disaster, and the significant decrease of wind speed at 14:00 was a main factor in Shangqiu. Dry-hot wind hazard had a strong response to climate change. Yields of winter wheat were negatively correlated with annual average days of dry-hot wind in Shangqiu (p<0.05). In actual practices, great attention should be paid to the defense of dry-hot wind for winter wheat production. Thus, the most effective measures have to be taken to enhance the resistance of winter wheat to dry-hot wind hazard through improving field microclimate condition.

Key words： climate change; winter wheat; grain filling stage; dry-hot wind; Shangqiu

Cite this article

LI Hongzhong , ZHU Xinyu , SHI Benlin , HU Yunchuan , ZHANG Yi , ZHAO Shuang . Changes of dry-hot wind hazard for winter wheat in the typical agricultural areas of Huang-Huai-Hai Plain: A case of Shangqiu[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2015 , 34(3) : 466 -474 . DOI: 10.11821/dlyj201503006

1 引言

气候变化导致了一些极端天气事件频发。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四、五次评估报告指出全球气候变暖对农业生态系统的影响非常广泛,使农作物生产不稳定性增加、局部地区的农业气象灾害频率加剧以及农作物种植格局改变[1-5]。干热风是影响冬小麦生长发育及产量的重大农业气象灾害之一,常发生于小麦开花和灌浆期,危害严重的年份可使冬小麦减产高达10%~20%[6]。
《Nature》2012年2月同时刊登了两篇文章,特别强调了气候变化及气象灾害对小麦的影响,报道了气候变暖和极端干旱会导致小麦早熟、减产,干物质量积累下降[1,7],表明气候变化对粮食作物的影响已成为国际上的重要研究方向。自1949年以来,中国农业气象工作者对干热风的研究成果丰富[6,8-11],相关研究表明,全球气候变暖,降雨量减少使干热风危害呈增强趋势,且发生的区域逐渐扩大、频率增加[6];陈怀亮等[8]研究发现20世纪60-90年代冬小麦干热风发生次数呈逐渐减少的趋势,而近几十年干热风的发生频率呈增加趋势,对冬小麦灌浆期的危害严重[9]。刘德祥等[10]报道了在全球暖干化背景下,甘肃省冬小麦干热风发生强度逐渐增大、频率加强,对冬小麦的危害较大,且干热风的发生对全球变化响应敏感。王正旺等[11]对长治地区小麦干热风的危害进行了预报研究。部分学者对冬小麦轻、重两类干热风灾害发生等级进行综合研究,根据冬小麦受灾程度,建立了冬小麦受灾等级判别指标和灾害损失评价模型[12-15]。综上所述,在气候变化背景下,国内外学者对农业生态系统灾害发生规律、对气候变化的适应等方面做了较多研究,但由于农业气象灾害发生具有局地性特征,不同地区针对同一种灾害的变化趋势不尽相同。近年来,气象灾害发生频率加大,且中国农业生态系统发展迅速,黄淮海典型农区冬小麦生产将面临较为严峻的考验,已有成果远不能满足不同区域变化的气候环境,因此,开展区域性的农业生态系统气象灾害在气候变暖背景下的变化规律,有助于研究区冬小麦安全生产,为农业气象灾害防灾减灾提供依据。
河南省是中原经济区的主体,具有重要的战略地位,是中国重要的农作物生产基地。商丘地处黄淮海平原典型农区,是中原经济区的战略支撑城市,由于所处的地理位置独特,成为河南农业的主体区域,是中国重要的商品粮基地和农副产品生产基地。商丘冬小麦在整个生育期内,要经历冷害、冻害、干旱和干热风等农业灾害的危害,其中干热风是商丘地区主要农业灾害之一,对冬小麦生育后期危害严重。基于1963-2012年的逐日气象资料,结合冬小麦干热风灾害指标体系,定量分析了近50 a商丘地区冬小麦干热风危害特征、变化趋势及干热风对冬小麦产量的影响,为气候变化背景下该区农作物安全生产、趋利避害和防灾减灾提供决策依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

黄淮海平原位于32°00′N~40°30′N、113°00′E~121°00′E,面积约38.7万km2,由黄河、淮河和海河三大水系组成,主要农作物为冬小麦、玉米和棉花等,是中国重要的农业生产基地。土壤为地带性的棕壤或褐土,气候大体上属于暖温带湿润或半湿润气候;年均温为14~15℃之间,年降水量为500~1000 mm,降水的年变化率很大,全年0℃以上的积温为4500~5500℃。商丘地处河南省东部,是黄淮海平原典型农区,介于114°49′E~116°39′E、33°43′N~34°52′N之间,总面积10704 km2,研究区的土壤为潮土,属暖温带半温润大陆性季风气候,年均温13.9~14.3℃之间,年均降水量623 mm,年均日照时数为2204.4~2427.6 h,春季温暖大风多,夏季炎热雨集中,秋季凉爽日照长,冬季寒冷少雨雪,无霜期平均为207~214 d。

2.2 研究方法及数据来源

商丘地区冬小麦在4月下旬至5月上旬进入开花期,而河南西部和北部地区相对其他地区晚一周左右[16]。河南省大部分地区冬小麦在5月中下旬进入灌浆期,因而,特选取每年5月下旬至6月初(5月21日-6月5日)的逐日气象资料,系统分析干热风对冬小麦灌浆至成熟期(生育后期)的影响。
选取商丘市、民权、睢县等八个农业气象观测站1963-2012年逐日气象资料,以日最高气温、14时相对湿度和14时风速等三个气象因素作为分析依据;同时,利用Mann-Kendall突变检验[17,18]来分析商丘地区干热风灾害气象要素的时间变化规律,该方法的样本分布不需要遵从一定的规律且不受样本个别异常值的干扰[18];为了辨别突变点的真伪,通过各气象要素的累积距平曲线的形状和曲线的趋势走向对突变点进行系统的分析。利用Origin 8.5、Mann-Kendall突变检验和Excel程序进行计算。气象资料由商丘市气象局和商丘市农业局提供。所有资料都是依照中国气象局《农业气象观测规范》要求和注意事项进行观测而得到的,并保持了观测方法的一致性。

2.3 冬小麦干热风指标的选择

主要分析对商丘地区冬小麦生育后期产生危害的高温低湿型干热风,一般在5月中下旬至6月初发生频率较高[19]。具体分析指标参考《小麦干热风灾害等级》[20](表1)。
Tab. 1 Disaster grades of dry-hot wind

表1 干热风灾害等级指标[9]

时段 天气背景 轻度 重度
日最高
气温(℃)		 14时相对湿度(%) 14时相对
风速(m/s)		 日最高气温(℃) 14时相对湿度(%) 14时相对
风速(m/s)
扬花、灌浆期均可发生,一般发生在小麦开花后20 d左右至蜡熟期 温度突升,空气湿度骤降,并伴有较大风速 ≥32 ≤30 ≥3 ≥35 ≤25 ≥3

3 结果分析

3.1 干热风气象要素变化规律

利用Mann-Kendall突变检验法对1963-2012年商丘地区冬小麦扬花灌浆期日最高气温、14时相对湿度和14时10 m高度处风速等三个要素进行定量分析,设定临界阈值线为Y=±1.96(显示水平位P=0.05),结果见图1。由图1可知,三个气象要素的顺、逆序列统计量变化曲线波动较大,说明年际变率较显著;日最高气温和14时风速的顺序列统计量基本小于0,表明近50年来日最高气温和14时风速呈显著的减少趋势;14时的相对湿度的顺序列统计量基本上大于0,且呈现波动上升的趋势,表明近50年来14时的相对湿度呈显著的升高趋势。
Fig.1 Mutation test and cumulative departure of daily maximum temperature, relative humidity at 14:00 and wind speed at 14:00

图1 日最高气温、14时相对湿度、14时风速的突变检验及累积距平曲线

通过分析顺(UF曲线)、逆(UB曲线)序列变化曲线,并结合累积距平曲线分析判断各个气象要素真实的突变点。由图1a可知,冬小麦生育后期最高气温的顺、逆序列曲线交点出现在1972年,但随后的UF曲线没有超过临界值线。最高气温顺、逆序列曲线对应的累积距平曲线(图1b)在1972-1982年时期呈现上升趋势,随后呈现下降趋势;因此,冬小麦生育后期最高气温在1972年左右出现一次递增突变,但未达到显著水平(P>0.05)。14时相对湿度的序列曲线在1968年、1981年和1984年相交,且UF与UB曲线大部分没有超过临界阈值线(图1c);14时相对湿度最低值在累积距平曲线上出现在1981年(图1d),1981年后呈上升趋势,因此在1981年左右,14时相对湿度在出现了一次显著的递增突变(P<0.05)。图1e中14时风速的顺、逆曲线(UF、UB曲线)无交点,且两曲线均超出临界值线外,因此突变检验失败,但14时风速在1984年达到峰值(图1f),而后呈现递减趋势。因此,在1984年左右,14时风速出现了一次显著的递减突变(P<0.05)。

3.2 干热风发生天数变化分析

3.2.1 轻干热风 1963-2012年期间,高温低湿型冬小麦轻干热风出现的平均日数总体呈波动下降趋势(图2);出现的平均日数在0~5.9 d波动,平均为1.5 d。变异系数(CV)为88.3%,标准差1.3 d。近50 a,轻干热风发生相对较重的年份分别为1965年和1981年,1993年、1996年、2007年和2012年等相对较轻,而1963年、1984年、1985年、1991年和2010年无轻干热风发生;最大值出现在1965年,为5.8 d。通过拟合方程可知,1963-1980年基本稳定在一定水平,1981-1996年为快速减少时期,1997-2012年为缓慢减少时期,这与冬小麦生育后期温度、水分和风速等气象要素的综合作用有关。
Fig. 2 Changes of annual average days of light dry-hot wind

图2 轻度干热风发生平均日数变化曲线

经分析轻干热风的年代变化特征,可知商丘地区20世纪60年代轻度干热风最严重,年均发生2.6 d;其次为20世纪70年代、80年代和90年代,年均发生的日数分别为2.1 d、1.7 d和0.9 d;最近10年轻干热风危害最轻,为0.8 d。
3.2.2 重干热风 1963-2012年期间,冬小麦重干热风出现的平均日数总体呈波动下降趋势(图3);发生的平均值为0.5 d。经计算CV为98.9%,标准差为0.8 d。近50 a,重度干热风在1967年、1968年和1994年发生较重,1968年出现最大值,为3.5 d;而1977年、1987年和1999年发生次数较轻。通过拟合方程可知,1963-1981年和1997-2012年为缓慢减少时期,1982-1996年为缓慢递增时期。
Fig. 3 Changes of annual average days of severe dry-hot wind

图3 重度干热风发生平均日数变化曲线

分析重度干热风年代变化规律可知,商丘地区冬小麦生育后期重度干热风在20世纪60年代发生最严重,年均发生1.4 d;20世纪70年代、90年代和最近10年发生日数次之,平均每年发生的日数分别为0.7 d、0.5 d和0.4 d;20世纪80年代重干热风危害最轻,为0.3 d。

3.3 气候变化对干热风气象灾害影响

干热风发生日数与气候要素间的相关关系见表2。干热风发生日数与10个气候要素显著相关,相关系数在-0.639~0.753之间,除干热风发生日数与平均最高气温、平均降水量和平均蒸发量间达到P=0.05的显著水平外,剩余各气象要素与干热风发生次数极显著相关(P<0.01)。
Tab. 2 Correlation between the number of dry-hot wind days and climatic factors

表2 干热风发生日数与气象要素之间的相关关系

平均温度 平均最高气温 平均最低气温 最高气温≥30 ℃日数 最高气温≥32℃日数
相关系数 0.612 0.498 0.414 0.701 0.753
显著性水平 0.01 0.01 0.04 0.01 0.01
最高气温≥35℃日数 平均相对湿度 平均降水量 平均蒸发量 平均降水日数
相关系数 0.594 -0.604 -0.497 0.408 -0.639
显著性水平 0.01 0.01 0.03 0.05 0.01
干热风灾害的发生对全球变化响应敏感,在相对湿度、降水日数与降水量等减少,平均气温、平均最高与最低气温的上升,平均蒸发量的递增而导致的气候暖干化背景下,干热风发生灾害危害较强,次数多,危害重。相反,在气候湿凉期干热风的危害较轻,发生次数少且强度弱。

3.4 干热风发生日数与小麦的产量分析

冬小麦单产与近20多年(1991-2012年)干热风发生日数的相关关系见图4。干热风的发生日数呈现波动下降的趋势,而冬小麦单产则是在波动中增加,表明干热风日数越多,冬小麦单产则越低,二者呈现显著的负相关(P<0.05)。商丘地区在冬小麦生育后期的日最高气温变化趋势与平均气温变化趋势不同,无显著升高(图1b),对冬小麦灌浆较为有利;14时相对湿度呈增长趋势,但增长缓慢;14时风速呈显著减小趋势,(图1d,1f)。
Fig. 4 The relationship of the number of dry-hot wind days and yield of winter wheat

图4 干热风发生日数与冬小麦单产的相关关系

4 结论与讨论

(1)商丘地区冬小麦生育期干热风灾害发生的范围和发生次数总体上呈递减趋势,对应的滑动曲线统计的危害发生频率也呈递减趋势。与干热风灾害密切相关的日最高气温在1972年出现了显著的递增突变(P<0.05),14时风速在1984年前后出现了显著的减小突变,而14时的相对湿度显著增加,在1981年前后出现了一次显著的递增突变。1963-2012年中国平均温度增加幅度为0.22℃/10 a,华北地区达0.25℃/10 a[21,22],商丘地区平均气温增幅明显[23];但冬小麦生育期不同阶段日最高气温的变化趋势不尽相同[22,24],商丘地区日最高气温在冬小麦生育后期没有随平均气温显著升高[25],对冬小麦灌浆显然是有利的。在全球气候变化下,造成干旱的主要原因为空气相对湿度下降[26],1963-2012年间,14时相对湿度增长缓慢,这与赵俊芳等[9]和成林等[16]的研究结果(平均风速减缓)较为一致。由此可知,日最高气温、14时相对湿度和14时的风速等三个气象要素综合作用决定了商丘冬小麦干热风灾害整体上呈递减趋势,其中,对干热风灾害整体减弱起主要作用的为近年来风速显著减小。
(2)商丘地区近50 a来冬小麦干热风灾害总体上呈递减趋势,由于不同区域、不同时间段及区域温度、水分和风速等气象要素匹配存在差异,故区域性、阶段性的干热风灾害仍然存在。因此,为减少干热风对冬小麦生育后期的危害,在农业生产过程中须重视干热风灾害的预防,应加强除气候因素外的其他方面的研究[27]。近年来,原有的干热风指标及研究成果远不能满足不同区域性的粮食生产及农业气象灾害预防,不同区域的气候环境有差异,土壤和作物类型的差异也较大[9],且干热风灾害的作用机理对不同粮食作物也存在差异,因此新一代干热风指标的试验研究不断开展。同时,在全球变化的背景下,干热风灾害对农业生产的危害与农作物生理结构特征、发育过程及区域环境影响程度相关联。因此,今后还应考虑增加人类活动、农田不同管理措施及不同品质冬小麦抗性等方面因素的影响[25,28]。
(3)干热风一般发生在冬小麦生育后期,对冬小麦的灌浆危害较为严重[8,9],在干热风发生时期,对冬小麦产量、千粒重及品质的影响较大[29,30]。这与本文研究结果商丘地区干热风的年均发生日数与冬小麦单产呈明显的负相关关系一致。但影响冬小麦产量的因素较多,如生物技术、农业投入(农药、化肥等)以及其他气候因子等;未来应结合生物基因技术、作物品种和作物病虫害等其他因素综合分析干热风对冬小麦产量的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

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