摘要：使用豫东地区代表站点近50年的气象观测资料和冬小麦的农业气象观测资料，分析了该地区近50年来的气候变化特征，结合农业气象观测资料，利用气候适宜度函数和农业生态区域法（AEZ），计算冬小麦气候适宜度和气候生产潜力，分析该地区气候变化对冬小麦的产量和气候适宜性的影响，并提出相应的生产建议。结果表明，随着耕植传统改进、经济投入和技术水平大幅提升，实际产量与气候生产潜力仅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制约条件已经越来越弱，相对于充裕光照资源而言，热量条件则成为决定灌溉农田最高生产力水平的主要因素。在21世纪气候整体向“暖湿型”变化的情况下，研究地区冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力均会维持增加，有利于豫东地区冬小麦产量的提高。建议进一步加大对农业生产的投入，通过扩大农田有效灌溉面积、秸秆覆盖保水或冬小麦覆膜、选育抗逆品种、加强突发病虫害防控和提高土地规模化经营等措施，提升生产单体应对气候变化的能力。
关键词：气候变化；冬小麦；气候生产潜力；产量
中图分类号： S162.5+3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）23-0270-05
氣候变化对农业生产的种植制度、作物的生产潜力和作物产量的影响具有明显的地域性[10-14]，地区的气候变化造成该地区的气象灾害频率与强度不断加大，从而形成的不稳定性体现在了地区社会生产，尤其是农业生产方面。研究表明，冬小麦在生长发育过程中，受到各种气象要素尤其是热量、水分、光照等气候要素的影响[10-12]，对冬小麦产量变化的气候影响分析显得尤其重要。
豫东地区地处黄淮海平原的中心地区，属暖温带季风性气候，四季变化明显，土层深厚，土壤肥力较高，加之光热资源充足，雨热同期，光热水资源匹配较好，是我国冬小麦生产的优势产区之一。本研究利用该地区8个代表气象观测站点近50年的气象观测资料，通过研究该地区的气候变化、气候生产潜力和产量的响应变化，以期为该地区应对未来气候变化，充分利用气候资源及指导冬小麦生产提供科学依据。
1材料与方法
本研究所使用的气象观测资料来源于豫东地区8个国家气象观测站（永城、夏邑、虞城、商丘、柘城、宁陵、睢县、民权）1991—2015年的近25年气温、降水、日照等观测资料及同期冬小麦生长期土壤水分观测值、冬小麦各发育期观测资料和冬小麦实际产量数据。
采用联合国粮农组织（FAO）的农业生态区域法（AEZ）从农业气候资源角度分析，首先计算光合生产潜力（YQ），再对光合生产潜力进行温度订正得到光温生产潜力（YT），最后对光温生产潜力进行水分因素校正最终得到气候生产潜力（YW），参照熊伟等的方法计算如下[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为光合生产潜力；YT为光温生产潜力；f（T）为温度有效系数；YW为气候生产潜力；f（W）为水分有效系数。
式（1）中，Qj为各月总辐射量（J/m2），采用逐日辐射模型[12-14]推算，研究地区平均取值34.26°N，115.38°E，时间为上一年10月1日至当年6月30日；ε为光合辐射占总辐射的比例，华北为0.49；α为作物群体吸收率，α=（1-a-β）×f（L），a为冬小麦生长季作物群体叶面反射率，平均取值 0.08，β为冬小麦作物群体对太阳辐射的漏射率，取0.06，f（L）为叶面积时间变化动态订正函数，取值0.55；ρ为冬小麦非光合器官对太阳辐射的无效吸收部分，取0.1；γ为超过光饱点的限制率，在自然条件下一般不受光饱和限制，取0；Φ为光合作用量子转化效率，取0.224；ω为冬小麦呼吸消耗占光合产物的比例，温带取0.3；χ为水分和无机灰分含量，根据河南省实际情况取0.05；H为形成单位质量干物质所需的能量，等于干物质燃烧热，取17.2 MJ/kg；S为经济系数或冬小麦收获指数，取0.41。
温度有效系数是各月温度影响订正数。由于各种作物生长期对热量的需要不同，故温度订正系数不一致。根据研究表明，冬小麦的温度订正系数为
f（T）=0t<3 ℃
t/323 ℃≤t<21 ℃
2-t/3021 ℃≤t≤32 ℃
0t>32 ℃。（4）
式中：t为冬小麦生长季内各月的平均温度。
作物气候生产潜力（YW）是指作物在光、温和自然降水3种因子组合条件下的产量潜力，是在有限的降水条件下作物所能实现的最大生产力，又称光温水生产潜力或降水生产潜力。它是通过水分校正系数对光温生产潜力（YT）修正后获得的，该修正主要是反映水分不足对产量的影响。冬小麦生长季水分有效系数f（W）的计算公式为
f（W）=1-|ΔWj|WjΔWj<0
1ΔWj≥0。（5）
式中：ΔWj为农田水分盈亏额，ΔWj=Rj-Wj，Wj=KjEj；Rj为各旬降水量；Wj为各日作物理论需水量；ΔWj≥0时，即降水量能满足玉米生长所需；Kj为时段内作物需水系数（表1）；Ej为参考作物蒸散量，采用联合国粮农组织（FAO）1998年推荐的Penman-Monteith模型计算逐日参考蒸散量，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为温度增产潜力；ΔYW为水分增产潜力；ΔY为实际增产潜力；η（T）为光热资源利用效率。
2冬小麦生产潜力的变化
从图1可以看出，光合生产潜力受到日照因素的影响最为明显，所以和年日照时数变化非常一致，均是20世纪90年代初期上升，随后开始明显下降，直到2005年前后下降趋势才开始放缓，历年光合生产潜力平均为25 966.77 kg/hm2，气候倾向率为-974.35 kg/（hm2·10年），最大值出现在1994年，为27 860.31 kg/hm2，最小值出现在2003年，为23 261.82 kg/hm2；光温生产潜力的历年平均为 10 017.41 kg/hm2，气候倾向率为676.99 kg/（hm2·10年），最大值出现在2014年，为13 285.74 kg/hm2，最小值和光合生产潜力一样出现在2003年，为7 599.01 kg/hm2。气候生产潜力的历年平均为6 736.29 kg/hm2，气候倾向率为 1 227.7 kg/（hm2·10年），大于光温生产潜力的增加速度，最大值与光温生产潜力一样出现在2014年，为11 722.65 kg/hm2，最小值出现在2001年仅为 3 387.07 kg/hm2，甚至低于同年的实际产量 5 430.00 kg/hm2，这主要是由于冬小麦生产灌溉抗旱能力提升的结果。
光温生产潜力代表的是作物在水肥条件处于最适状态时，由光温因素组合所决定的产量水平，反映了最高投入水平下特定作物在1个地区的灌溉农田能达到的产量上限。而随着地区平均温度的上升和关键生育期降水的增加，光温生产潜力和气候生产潜力均是一个主体上升的过程，且变化较为一致。
温度增产潜力（即光合生产潜力和光温生产潜力的差值）历年平均为15 949.36 kg/hm2，气候倾向率为 -1 651.3 kg/（hm2·10年），最大值出现在1993年，为18 855.53 kg/hm2，最小值出现在2012年，为12 230.94 kg/hm2。水分增产潜力（即光温生产潜力和气候生产潜力的差值）历年平均为3 281.11 kg/hm2，气候倾向率[-550.76 kg/（hm2·10年）]小于温度增产的潜力的倾向率，这也说明温度增高对生产力的贡献高于降水的变化，最大值出现在2001年，为8 600.36 kg/hm2，最小值出现在2014年，為1 563.09 kg/hm2。气候的变化中日照减少、温度上升和关键期降水的增加，造成光合生产潜力主体下降及光温生产潜力与气候生产潜力主体上升，温度增产潜力和水分增产潜力均在波动下降。
随着科技和经济的发展，自然降水和土壤肥力的制约条件已经越来越弱，甚至出现了实际产量大于气候生产潜力的情况，因此使用冬小麦实际产量与光温生产潜力的差值代表实际增产潜力，从而进行相关研究也变得更有意义。
实际增产潜力历年平均为4 495.43 kg/hm2，气候倾向率为-1 213.3 kg/（hm2·10年），最大值出现在1994年，为 9 558.32 kg/hm2，最小值出现在2010年，为 1 149.47 kg/hm2。从图1可以看出，光热资源利用效率（实际产量与光温生产潜力的比值）和实际增产潜力位相镜像相反，特别是在2010年已达0.857 7。由此可知，实际产量的提高速度已经超过了光温生产潜力的提高速度，造成了光热资源利用效率的不断上升和实际增产潜力的逐渐下降。
从“1”节公式中可以看出，光温生产潜力的高低是由光照和热量2个因素共同决定的。气候生产潜力不仅与光照和热量条件有关，更重要的是取决于作物生育期的自然降水对作物需水的满足程度，但与全年降水的变化并不必然相关（表2、表3）。对水资源不足地区的旱地农田作物而言，气候生产潜力反映了现阶段某地区最大的生产能力，具有很大的现实生产价值，但是灌溉农田中气候生产潜力则有较大的局限性。
3未来气候变化对豫东地区冬小麦生产影响
随着气象要素的变化，气候生产潜力将随之波动。温度与降水是2个主要因素量，由于这两者的变化在时空上是同时发生的，结合相关研究，依据年均温度上升或下降3、2、
5.4%左右；21世纪末期，温度维持较大增幅，降水量稳定略增，Yw值的增幅仅为114%左右（增加1%），而YT值则大幅增加到9.3%左右（增加3.9%）。由此可见，在21世纪气候上整体向“暖湿型”变化的情况下，研究地区冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力均会维持增加，有利于豫东地区冬小麦产量的提高。
4农业生产建议
在面对21世纪气候上整体向“暖湿型”变化的未来，可以提出以下农业生产建议[18-22]：（1）进一步加大对农业生产的投入，加快高标准粮田建设，稳步扩大农田有效灌溉面积，提高农业的装备水平，切实提高农业综合生产能力，改善农业生态环境，不断提高对气候变化的应变能力和抗灾减灾水平，确保农业特别是粮食生产持续健康发展。（2）目前，灌溉仍然是保障粮食安全生产的重要手段[24]。旱地冬小麦需水量的50%左右是靠土壤蓄水满足中后期冬小麦的需求。因此，最大限度地蓄保冬小麦生长期外的自然降水，就成为旱地冬小麦高产的潜力所在。通过秸秆覆盖保水或冬小麦覆膜技术增加土壤保水能力，在大旱之年应积极推广旱地龙、抗旱保水剂等拌种。追肥时，应于早春土壤返浆时，趁墒开沟追施。（3）选育抗逆品种，采用稳产增产技术。针对未来气候变化对农业的可能影响，分析未来光、温、水资源重新分配和农业气象灾害的新格局，改进作物品种布局，有计划地培育和选用抗旱、抗涝、抗高温和低温等抗逆品种，采用防灾抗灾、稳产增产的技术措施，预防可能加重的农业病虫害。（4）加强农作物病虫害防控[25]，预防气候变化下病虫害突发态势，气象、农业部门要加强对气候变化情况、病虫害发生趋势等信息的发布工作，及时做好预警、预测，及时准确地为农民提供气象、灾害信息，提高农民的防灾、抗灾能力。（5）规范土地经营权流转，提高土地规模化经营水平。健全农村土地承包经营权流转市场，加强农村土地承包经营权流转管理服务，进一步提升农业适度规模经营水平。鼓励农民专业合作社、农业产业化龙头企业、家庭农场等农业经济组织参与农业生产，加快农业规模化、集约化、机械化、现代化发展速度。解决当前农业生产存在劳动力紧张、劳动力素质低、对农业新成果和新技术接受能力低等制约现代农业发展的问题，提高生产单体抵御气象灾害的能力。
5结论
随着耕植传统改进、经济投入和技术水平大幅提升，实际产量已达5 521.98 kg/hm2，这与气候生产潜力仅相差20%左右，有些年份甚至反超。自然降水和土壤肥力的制约条件已经越来越弱，相对于充裕光照资源而言，热量条件则成为决定灌溉农田最高生产力水平的主要因素。
在21世纪气候上整体向“暖湿型”变化的情况下，研究地区冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力均会维持增加，有利于豫东地区冬小麦产量的提高。
建议进一步加大对农业生产的投入，加快高标准粮田建设，稳步扩大农田有效灌溉面积；通过秸秆覆盖保水或冬小麦覆膜技术增加土壤保水能力；培育和选用抗旱、抗涝、抗高温和低温等抗逆品种；加强气候变化下农作物突发病虫害防控；规范土地经营权流转，提高土地规模化经营水平，提升生产单体应对气候变化的能力。
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