气候变化背景下华北平原冬小麦冬前生育期与节气对应及偏移分析

　　摘要：利用华北平原冬小麦种植区55个气象站点1961−2017年逐日地面观测资料，借助寿星公式，以气候倾向率的方法，选取冬小麦越冬期所需积温为指标，分析了冬小麦越冬期、播种期所在的节气时空分布和变化特征，并对冬小麦相关农事活动与节气的对应及偏移进行探讨。结果表明，近57a华北地区冬小麦越冬期推迟约3.7d，推迟趋势显著(P<0.05)。

　　华北平原冬小麦播种期所在的节气由北向南逐渐推迟，与P1时段(1961−1990年)相比，P2时段(1991−2017年)冬小麦播种期界限显著北移。气候变化背景下华北平原冬小麦农事活动与二十四节气出现了一定的偏差，部分地区以前指导农事活动的谚语已不再完全适用，如山东省中部地区冬小麦最适播种期终止日由秋分节气的第3候推迟至寒露节气的第1候;河南省北部部分地区最晚播种期由寒露节气的第3候推迟至霜降节气的第1候。

　　通过研究二十四节气与冬小麦播种期的对应关系来调整农事活动，未来还需考虑冬小麦生育期内对应节气的光、水等自然因素和农艺措施等人为因素的影响，科学指导农业生产以适应气候变化。

　　关键词：华北平原;冬小麦;节气;冬前生育期

　　二十四节气源自黄河流域，是中国古代劳动人民在长期的探索中总结出来的重要规律。二十四节气结合了不同时期光温水资源的大致特征，为农业生产准确把握天时提供了时间尺度，同时能够预估短期内的气候状况，对各时期农事活动具有重要的借鉴意义[1−3]。

　　中国各地区长期以来积累了许多适合当地生产的农候谚语，这些围绕二十四节气形成的农候经验知识易于掌握和传播，至今仍在农业生产中发挥着重要作用[4−5]。气候变化背景下，中国增温趋势显著，唐国利等[6]研究表明，自1905年以来中国地表年平均气温增加速率约为0.08℃·10a−1，高于同期全球或北半球平均水平。1961−2009年华北地区四季气温日较差均呈现下降趋势，其中冬季下降趋势最明显，春季次之[7]。

　　华北地区是中国冬小麦主产区之一，冬小麦生育期及相关农事活动无疑会受到气候变暖的影响，原先的节气与农事活动的对应关系可能已经不再准确。钱诚等[8]研究表明，季节性升温阶段的气候节气显著提前6d以上，而季节性降温阶段的气候节气则显著推迟5～6d，处于冬小麦生育期内的惊蛰、清明、小满和芒种这四个节气均存在明显提前的趋势。

　　赵芮芮等[9]研究同样表明，华北平原二十四节气中春季型节气增温最为显著，惊蛰和清明增温速率大于小满和芒种，且季节型节气在20世纪90年代之后增温趋势更明显。目前已有学者探究了华北地区各节气热量资源变化、干湿气候变化，以及冬小麦生育期变化等问题[10−14]，但针对气候变化背景下二十四节气与冬小麦农事活动变化的相关研究，特别是关于二者之间的对应及偏移的分析较为罕见。

　　本研究基于冬小麦生育期内各节气的平均温度及越冬前所需积温，计算了1961−2017年华北地区冬小麦冬前生育期与节气之间的对应关系，探讨气候变化对不同节气内冬小麦农事活动偏移的影响，旨在指导华北平原冬小麦不同种植区的科学播种。

　　1资料与方法

　　1.1数据来源及预处理

　　选择华北平原冬小麦种植区具有1961−2017年完整时间序列的逐日气象资料的台站，共计55个，分布于北京、天津、河北、河南和山东等5省市，根据赵广才对于中国小麦种植区划的研究[15]，以沿长城与其北的春麦区为北界，将华北平原冬麦区分为北部冬性麦区(Ⅰ区)及弱冬性和弱春性麦区(Ⅱ区)。

　　Ⅰ区属于北部冬麦区，包括河北省境内长城以南的廊坊、保定、沧州、唐山、秦皇岛市全部以及京津两市全部;Ⅱ区大部分属于黄淮冬麦区，包括山东省和河南省全部以及河北省中、南部(石家庄、衡水市以南)。气象数据下载自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，该数据集经过严格质量控制和检查，缺测率约1‰，缺测的气象要素采用Matlab编程进行订正：若缺测序列小于5d，缺测值采用线性插值方法代替;若缺测序列≥5d，则采用同一日值的多年平均值代替。

　　1.2研究方法及数据处理

　　1.2.1二十四节气日期及节气内气温计算

　　为方便编程计算，首先采用寿星公式确定每年小寒日期(Date)，其后节气日期顺次增加15d，即Date=Y×D+C−[L](1)式中，Y为年份的后2位，无量纲常数;D为常数0.2422;L为20世纪初迄今的闰年数，普通年能被4整除且不能被100整除的为闰年;[]为取整符号;C为常数，20世纪为6.11，21世纪为5.4055。

　　1.2.2气候倾向率计算

　　用X表示样本量为n的某一气候要素，用t表示对应的年序，采用最小二乘法拟合得到一元线性回归方程，即X=at+b(t=1,2,3,…,n)(2)式中，a为回归系数，以a的10倍作为要素的气候倾向率，a值为正代表要素随年序增加，为负代表要素随年序减少。采用F检验法对拟合的回归方程进行显著性检验(P<0.05)。

　　1.2.3冬小麦冬前生育期理论推算

　　将最低气温稳定低于0℃作为冬小麦植株地上部分基本停止生长进入越冬期的标志，结合55a来各个站点的气温观测值，用5日滑动平均法计算华北地区冬小麦越冬期初日及其所在的节气。冬小麦越冬期前所需积温为400～700℃·d，一般认为，Ⅰ区冬小麦形成高产壮苗所需冬前≥0℃积温应高于570℃·d[16−17]，其中最适积温为550～600℃·d;而Ⅱ区冬小麦冬前≥0℃最适积温为500～550℃·d[18−21]。

　　根据该指标，由越冬期初日开始向前推算大于0℃的积温，直至越冬前的积温达到所需积温和最适积温的区间，由此得到冬小麦最早播种期、最晚播种期、最适播种期初日和最适播种期终日及其所在节气。

　　1.2.4数据处理

　　分别计算研究区各站逐年冬小麦生长季内各节气的平均气温(15日平均)、≥0℃活动积温和冬小麦越冬期初日，并推算冬小麦播种期，统计分析1961−2017年冬小麦播种期与各节气(包括第1、2、3候)对应及偏移情况。同时为比较其时段变化特征，将1961−2017年划分为2个时段，时段1(P1)：1961−1990年;时段2(P2)：1991−2017年。数据处理均利用Matlab2014软件实现;空间分布图利用ArcGIS10.1软件反距离权重插值法(InverseDistanceWeightedInterpolation，IDW)制作，分辨率为0.02°。

　　2结果与分析

　　2.1华北平原冬小麦生长季内节气平均气温和冬小麦越冬前积温分析

　　华北平原冬小麦生长季内可能包含的节气共20个，分别为白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒、立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种和夏至。平均气温随节气变化呈现单谷型的特点，大部分站点从雨水节气开始高于2℃，从大雪节气开始低于0℃。

　　华北平原冬小麦在14～18℃时播种较适宜，其中北京地区冬小麦适宜播种的温度指标为17～18℃[18]，计算研究区域内55个站点1961−2017年各节气至冬小麦越冬期初日≥0℃积温，并对每个站点求多年平均。华北平原霜降日、寒露日、秋分日和白露日至越冬期初日≥0℃积温分别为330～520、570～790、830～1070和1140～1420℃·d。根据冬小麦播种期理论推算方法，越冬前所需积温为400～700℃·d，对应的最早播种期和最晚播种期分别平均在寒露节气和霜降节气。

　　2.2华北平原冬小麦越冬期初日与节气的对应与偏移

　　2.2.1冬小麦越冬期初日变化趋势及气候倾向率

　　计算研究区域内55个站点1961−2017年冬小麦逐年越冬期初日，并将平均后的日序与节气对应，1961−2017年华北平原冬小麦平均越冬期初日推迟了约3.7d，变化率为0.65d·10a−1，并通过显著性检验(P<0.05)，主要在小雪节气内并上下波动。计算研究区域内各站点越冬期初日的气候倾向率并进行显著性检验。

　　华北平原大部分站点近57a冬小麦越冬期初日呈显著推迟的趋势(P<0.05)，山东北部一些地区甚至推迟约8.8d。

　　2.2.2冬小麦越冬期初日与节气的偏移

　　计算55个站点两个时段冬小麦越冬期初日并与所在的节气和候对应，38°N以北的河北省中北部、北京和天津大部分地区冬小麦越冬期初日在立冬节气;河北省南部、山东省大部分地区和河南省北部地区冬小麦越冬期初日处于小雪节气;河南省中部、河南省南部和山东省东南部沿海地区冬小麦越冬期初日处于大雪节气。两时段中越冬期初日由北至南分别都处于立冬、小雪和大雪3个节气，但与P1时段相比，P2时段各节气每一候之间的界限都发生了明显的北移。

　　山东省南部地区越冬期初日由小雪节气的二候推迟至三候;河北省中部及天津南部的部分地区由立冬节气的三候推迟至小雪节气的一候。

　　2.3华北平原冬小麦播种期与节气的对应和偏移

　　2.3.1冬小麦播种期年际变化趋势

　　根据各站点的越冬期初日及Ⅰ区、Ⅱ区冬小麦各自所需的≥0℃积温的上下限及适宜范围，对各站点进行平均，计算得到55个站点1961−2017年最早播种期、最晚播种期、最适播种期初始日和最适播种期终止日的逐年变化，并与所在节气进行对应，1961−2017年华北平原冬小麦平均最早播种期、平均最晚播种期、平均最适播种期初始日和平均最适播种期终止日总体均呈现推迟趋势，分别推迟了约4.5d、3.5d、3.9d和3.9d，且均通过显著性检验(P<0.05)。最早播种期和最晚播种期分别主要在秋分节气和寒露节气内并上下波动，最适播种期初始日和终止日则在秋分节气和寒露节气之间波动。

　　2.3.2冬小麦播种期气候倾向率的空间分布

　　计算研究区域内各站点播种期初终日的气候倾向率并进行显著性检验，华北平原大部分站点近57a冬小麦播种期初终日都呈显著推迟趋势(P<0.05)。最早播种期的推迟最为广泛，山东省北部一些地区甚至推迟了约8.8d;最适播种期初始日推迟最多的地区也是山东省北部，约8.6d;而最晚播种期和最适播种期终止日推迟最多的地区均出现在河南省西部，分别推迟约8.6d和8.3d。

　　对于最早播种期、最晚播种期和最适播种期初始日、终止日，将所有呈显著推迟趋势的站点进行平均，得到其气候倾向率平均值分别为1.06、1.02、1.06、1.04d·10a−1。

　　2.3.3冬小麦播种期与节气的偏移

　　根据各站点的越冬期初日及Ⅰ区、Ⅱ区冬小麦各自所需的≥0℃积温的上下限及适宜范围，分别在P1时段(1961−1990年)和P2时段(1991−2017年)内计算每个站点该时段内的平均最早播种期、最晚播种期、最适播种期初始日和终止日，并与当年所在的节气和节气内的候对应，进行空间插值。

　　3讨论与结论

　　3.1讨论

　　气候变化背景下，全球地表气温呈波动上升趋势[22]，中国气温增暖尤其明显，近几十年增温速率明显高于全球或北半球同期，增暖趋势更显著[23−25]。气候增暖使得二十四节气内热量资源发生了显著变化，1961−2017年华北平原所有节气内气温均呈现上升趋势[10]，各节气内的农业生产和农事活动等都将受到一定的影响[26]。本研究以二十四节气为切入点，选取冬小麦生育期≥0℃活动积温为指标，对气候变化背景下1961−2017年华北平原冬小麦冬前生育期与节气的对应及偏移进行分析。

　　3.2结论

　　在气候变化背景下华北平原二十四节气与农事活动出现了一定的偏差，单就冬小麦冬前的生育期来说，播种期和越冬期已经出现了推迟的变化趋势，其所在节气的空间分布界限都有一定程度北移。因此过去节气对农事活动的指导已经不够准确，需要进行相应的调整。本研究结果是对站点进行了多年平均得到的，典型年份可能会有较大差异。

　　此外，目前冬小麦的许多新品种对冬前积温的要求也有明显变化，本研究仅从温度单方面分析了冬小麦冬前生育期的变化，并没有将光照、降水等多种气候要素以及冬小麦新品种的影响考虑进去，所以结果仅能提供参考，未来研究还需要综合考虑多方面的因素，为农作物增产增收提供科学依据。

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