应用气象学报  2006, 17 (1): 87-93   PDF    
引用本文
任玉玉, 千怀遂. 河南省棉花气候适宜度变化趋势分析[J]. 应用气象学报, 2006, 17(1): 87-93.
Ren Yuyu, Qian Huaisui. Climatic Suitability of Cotton and Its Changes in Henan Province[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2006, 17(1): 87-93  
河南省棉花气候适宜度变化趋势分析
任玉玉1, 千怀遂2     
1. 河南大学环境与规划学院, 开封 475004;
2. 广州大学地理科学学院, 广州 510405
2005-01-17 收到, 2005-09-06 收到修改稿.
资助项目: 河南省自然科学基金项目“河南省主要农作物气候适宜性变化研究”(0111070200) 资助    
摘要: 结合前人的研究确立河南省棉花气候适宜度模型, 对所选46个站点1961—2000年的适宜度进行计算, 分析1961—2000年全省及各站点适宜度的变化趋势, 表明1981—2000年适宜度变化趋势显著。对1981—2000年各站点适宜度的变化趋势根据变化的方向和强度进行分类, 将河南省划分为适宜度强增长型、弱增长型、减弱型。分析结果表明:河南省棉花气候适宜度总体呈下降的变化趋势, 各地的变化趋势依据热量带和地形地貌的不同有明显的地域差异。结合各地1981—2000年的气候资料对各类型的气候适宜度变化原因进行了初步分析。
关键词: 气候变化    气候适宜度    棉花    河南省    
Climatic Suitability of Cotton and Its Changes in Henan Province
Ren Yuyu1, Qian Huaisui2     
1. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475001;
2. School of Geographical Science, Guangzhou University, Guangzhou 510405
Abstract: Cotton is an important economic crop for Henan Province. With long growth season, cotton is sensitive to climate change, so its climate suitability in Henan Province comes to be a valuable research. Combining previous researches and existent climatic suitability models, the cotton climatic suitability model suitable to Henan Province is established. According to homogenize principle, 46 stations in Henan province are chosen. With meteorologic data from 1960 to 2000, the cotton climatic suitability degrees of these stations during 1960—2000 are calculated and the mean is used as the general cotton climatic suitability of Henan Province. The result shows that the cotton climatic suitability degree in Henan Province has a declined tendency, particularly the latter twenty years. To explore the reason of this phenomenon, the changes and their impact on suitability of the climate elements (precipitation, sunshine hour and temperature) in the five growth seasons are analyzed. The final result shows that the decline of precipitation suitability in seedling stage is the main reason of this decline. Then the tendency and intensity of the suitability change in each station during 1980—2000 are calculated. The result shows the change situation embodies strongly regional character. The suitability change tendencies in the mountainous areas of the Nanyang Basin and in the subtropical regions south to the Huaihe River decline and in plain areas increase while the change tendencies in areas north to Huaihe River are reverse, i.e. the tendencies in most plain areas of Henan Province from Huaihe River to the Yellow River decrease and in mountainous areas increase. To areas north to the Yellow River, the character of change tendencies is like the subtropical regions:the mountainous areas have decrease tendency and the plain areas have increase tendency. From the south to the north in Henan Province the Huaihe River and Yellow River are the board line of different suitability changes tendencies. Based on the cotton climate suitability of the stations during 1980—2000, the change tendencies in Henan Province are divided into three styles:the rash increase style including Funiu mountainous areas and Taihang-Wangwu mountainous areas; the weak increase style including the Yudong Plain, Funiu-Tongbai plateau areas and the Nanyang Basin; the decrease style the rest areas. Lastly with the precipitation, sunshine and temperature data during 1980—2000 in the 46 stations the processes and reasons of the climate suitability changes in different areas are analyzed. For example, the increase of precipitation deviation in bud stage is the main reason of the suitability decrease for the Yudong Plain while the increases of temperature and sunshine hour in boll stage in the Funiu mountainous areas make the climate condition more suitable to the cotton growth.
Key words: climate change     climatic suitability     cotton     Henan Province    
引言

由于大气中温室气体浓度增加, 导致过去100年里全球平均气温明显上升。20世纪全球地面平均气温上升了0.5~0.6 ℃, 其中在20世纪最后20年升温达0.3~0.4 ℃ [1-3], 与此同时, 温度的升高也引起了降水、日照等一系列气候因子的变化。气候变暖对农业生产产生了重大的影响。棉花是一种喜光喜温的短日照作物, 生长期和收获期均很长, 不同生育期的气候条件差异显著, 因而棉花产量与各生育期的气候条件有十分显著的关系。关于气候对河南省棉花的影响已经做过许多工作[4-6], 为棉花生产的合理布局提供了一定的科学依据, 但大多数侧重于静态的温度影响分析, 考虑气候变化的多因子综合效应研究相对较少。

河南省地貌类型多样, 分布复杂。西部海拔高且起伏大, 东部地势低而平坦, 在西部中山与东部平原之间广泛分布着大小不等的低山丘陵, 另外, 秦岭山脉自西向东延伸到河南省境内后成扇形铺开, 且前缘很不整齐; 东部平原的西南镶嵌着南阳盆地, 豫鄂交界处分布着东西走向的桐柏山和大别山。复杂的地形使各地气候变化趋势多样。气候变化引起河南省棉花适宜区及各地种植制度、品种类型和关键期的变动。

1 资料与方法

本文遵循均匀布点的原则, 并考虑地形地貌条件的影响, 在全省选择了46个气象站点。所用资料包括1961—2000年46站的逐旬气候资料 (来自河南省气候中心) 以及1961—2000年河南省各县 (市) 的棉花单产资料 (1983年、1988年和1998年缺失, 资料来自农业统计年鉴和农村统计年鉴)。

为定量分析气候条件对河南省棉花生长的满足程度, 本文引入适宜度模型。根据黄璜[7]、马树庆[8]、徐学璇等[9]和赵峰等[10]的研究, 结合河南省实际情况, 降水量、温度和日照的适宜度函数分别为:

(1)
(2)
(3)

式中SR, ST, SS分别为棉花生育期间降水、温度、日照的适宜度。R, T, S为降水、温度和日照的观测值。Rl, Rh是生育期内作物旬适宜降水量的下限和上限; T1, T2, T0分别是棉花在该时段内的下限温度、上限温度和最适温度; 本文以日照时数达可照时数的70% (日照百分率) 为临界点, 认为日照百分率达到70%以上, 棉花对日照条件的反应即达到适宜状态, S0表示日照百分率为70%的日照时数, b为经验常数。为了便于对比各地气候适宜度的情况, 本文不考虑具体的棉花品种, 参考前人的研究统一设定各参数, 模型中各参数取值见表 1。

表 1 棉花各生育期的模型参数

全生育期适宜度评估需要构建全生育期适宜度模型以及包括温度、降水量和日照的综合适宜度模型。在这项工作中, 许多学者常采用几何平均和乘积综合的方法, 本文为了突出对产量贡献大的生育期在适宜度模型中的作用, 采用对数加权法构建全生育期适宜度模型[13], 即首先将各生育期的气候适宜度作对数处理, 并用气候产量与各生育期适宜度的相关系数作权重加权平均, 然后求取指数得到全生育期的适宜度, 最后采用乘积综合的方法设计气候适宜度综合模型, 即:

(4)
(5)

式中i表示第i个因子, j代表第j个生育期, rij即为第i个因子第j个生育期的适宜度与相应气候产量的相关系数, 为第i个因子各生育期与气候产量的相关系数之和; Sij表示第i个因子第j生育期的适宜度, Si表示第i因子全生育期的适宜度, S表示全生育期总适宜度。

本文按照均匀分布的原则, 在全省选取了46个市 (县) 1961—2000年的逐年棉花单产及旬降水量、旬均温和旬日照时数资料。这些资料分别来源于河南省农业经济统计资料和气象台站。根据棉花影响因子的组成特点, 可以把棉花产量分解为趋势产量和气候产量, 前者的变化主要是由于社会经济因子造成的, 后者则主要取决于气候因子的变化。本文用正交多项式方法拟合趋势产量, 与实际产量对比得到气候产量。

为了比较对数加权法与几何平均法的优劣, 检验适宜度模型, 分别对两种方法所得适宜度模型与气候产量进行相关分析 (表 2)。由此可见, 前者优于后者, 而且适宜度与气候产量的关系极为显著。除此之外分析各站点典型年份适宜度与单产的具体情况也可论证适宜度评价的准确性, 例如, 济源县1985年适宜度为0.48, 远低于一般水平, 同年棉花亩产仅32 kg, 与其相邻的1984和1986年亩产则分别为90 kg和74 kg。扶沟1985年适宜度为0.508, 棉花亩产仅为58 kg, 1997年适宜度较高, 为0.656, 棉花亩产80.6 kg。

表 2 两种方法所得到的适宜度与气候产量的相关系数

2 结果与分析 2.1 河南省棉花气候适宜度年际变化

用各站点各年总适宜度, 计算河南省棉花气候适宜度的平均值 (图 1)。从图 1可得, 40年来棉花气候适宜度距平可明显的分为3个阶段:20世纪60年代末以前适宜度呈现增高趋势, 且变率较大; 60年代末至80年代初适宜度距平一直为正值, 适宜度值高且稳定; 80年代末以来, 距平值出现明显的下降趋势, 并且变率增大。总体来看, 40年来河南省棉花气候适宜度变化有明显的阶段性, 其中近20年来的下降趋势非常显著, 值得关注。为分析引起河南省棉花适宜度变化的主要生育期和具体的气候因子, 本文进一步分析各生育期适宜度的变化情况。由图 2可见, 自20世纪70年代以来, 除播种期适宜度有明显的增加趋势外, 其他各生育期适宜度均呈下降趋势, 其中出苗期最为明显, 是引起全生育期适宜度下降的主要原因。

图 1. 河南省棉花气候适宜度距平的年际变化 (实线) 和10年滑动平均曲线 (虚线)

图 2. 河南省棉花各生育期气候适宜度距平10年滑动平均曲线

由图 3可以看出, 出苗期适宜度主要是受降水因子变化的影响, 降水适宜度线性变化倾向为-3.2× 10-3a-1, 远大于日照 (-7.0×10-4a-1) 和温度 (-1.1×10-3a-1)。这主要是由于河南省出苗期的降水量远大于适宜水量, 并且以每年0.442 mm的趋势上升, 使得适宜度逐年下降。

图 3. 河南省棉花出苗期光温水适宜度距平10年滑动平均曲线

2.2 河南省棉花气候适宜度变化分类

由于河南省地处我国第二级地形阶梯与第三级阶梯之间的地形过渡地带以及亚热带与温带之间气候过渡带附近, 气候变化具有明显的地域性, 使得适宜度变化也有明显地域差异性。

利用标准差对各站近20年来的适宜度变化倾向进行聚类分析, 得到-2.4×10-3a-1, 0和2.6×10-3a-13个分界值。由于只有永城、新蔡、南召、洛阳4个站点的变化倾向小于-2.4×10-3a-1, 而且这4个站点在地域上邻近-2.4×10-3a-1~0之间的站点, 所以将其合并, 最终利用MapInfo的分析功能并结合地域上的临近性和地形地貌特征, 将河南省棉花气候适宜度的变化分为减小型 (Ⅰ)、微增型 (Ⅱ) 和强增型 (Ⅲ) 3种类型, 其分布如图 4所示。

图 4. 河南省棉花适宜度变化趋势分类

2.2.1 减小型

本类型适宜度变化倾向在-6.0×10-3a-1~0之间, 主要分布在淮河以南、豫东山前平原、南阳盆地边缘山区、豫北太行山前丘陵平原及洛阳盆地。永城、新蔡、南召、洛阳适宜度变化倾向在-2.6×10-3~-6.0×10-3a-1之间, 减少的倾向明显。该区的分布面积最大, 是引起全省平均适宜度下降的主要原因, 除淮南外大部分分布在适宜或较适宜种植棉花的地区, 对未来的棉花种植区域调整有重大影响。

由于该类型分布的地域较广, 经纬度及海拔高度差异大, 变化的诱发因子各不相同, 为能正确地分析变化的原因, 本研究分5个区分别讨论。

豫东山前平原 (Ⅰ1) 棉花气候适宜度在播种、现蕾、花铃和吐絮4个生育期分别有不同程度减小, 变化倾向分别为-1.77×10-3a-1, -9.0×10-3a-1, -8.63×10-3a-1, 和-3.89×10-3a-1。其中以现蕾期降低的速率最明显, 主要是由于近年来现蕾期降水变率升高, 旱涝灾害频繁, 降低了本区种植棉花的气候适宜性。例如, 开封站降水量极差由20世纪80年代的115 mm升至90年代的230 mm, 降水适宜度变化倾向为-2.04×10-2a-1, 总适宜度变化倾向为-8.8×10-3a-1。为防止本区棉花适宜度降低造成损失应注意现蕾期灌溉及旱涝灾害的防治工作。

淮南区 (Ⅰ2) 棉花气候适宜度在播种、出苗、现蕾和吐絮期都有下降的趋势, 其中播种期的趋势最明显, 变化倾向为-5.2×10-3a-1, 其余3个生育期的变化倾向分别为-2.55×10-3a-1, -3.91×10-3a-1, -1.1×10-4a-1。播种期适宜性的变化主要受播种期降水变率增加, 降水适宜度下降的影响。如桐柏播种期降水量的标准差由20世纪80年代的56.6 mm增加为90年代的81.6 mm, 适宜度变化倾向为-9.5×10-3a-1。

洛阳盆地 (Ⅰ3) 播种、花铃和吐絮3个生育期棉花气候适宜度都有所降低, 变化倾向分别为-5.5×10-3a-1, -3.56×10-3a-1和-1.81×10-2a-1, 吐絮期的降低对总适宜性的影响最大。主要因为本区吐絮期降水不足, 且有随时间下降的趋势, 而气候变化后蒸发量变大使得水分的亏欠加剧, 气候适宜性降低。虽然温度的上升能弥补本区热量上的亏欠, 适宜性变化倾向b=1.5×10-3a-1, 但变化程度较低, 受降水影响, 总适宜度下降。如洛阳吐絮期降水量在50~100 mm之间, 远小于203 mm的适宜水量下限, 同时随时间逐步下降, 致使吐絮期降水的适宜性减弱, 适宜度变化倾向b=-6.0×10-3a-1。本区防止适宜度降低应注意吐絮期的灌溉或者尝试对热量要求稍高而对吐絮期降水要求较低的品种。

豫北太行山前丘陵平原区 (Ⅰ4) 纬度偏高, 全生育期大于0 ℃积温在4350~4500 ℃, 热量资源较少, 自20世纪80年代以来温度上升使各生育期适宜度呈现上升趋势, 但日照时数减少使适宜度下降, 二者相互抵消, 气候适宜度的变化趋势很不明显, 其中播种期、出苗期、现蕾期和花铃期呈微弱上升趋势, 其变化倾向分别为2.27×10-3a-1, 1.11×10-3a-1, 1.2×10-3a-1和1.0×10-5a-1, 吐絮期呈弱下降趋势 (b=1.9×10-3a-1), 全生育期呈下降趋势 (b=-3.9×10-4a-1)。

南阳盆地边缘山区 (Ⅰ5) 棉花气候适宜度的变化在各生育期有不同的表现, 由播种期到吐絮期, 变化倾向依次为2.88×10-3a-1, -6.03×10-3a-1, -8.1×10-4a-1, -2.354×10-3a-1和2.7×10-4a-1。本区适宜性变化的原因与其他区有显著的不同, 主要是出苗期的降水量本已大于适宜水量的上限, 而降水量仍有随时间缓慢上升的趋势, 致使适宜性降低。以南召为例, 该地区出苗期降水多在100~250 mm之间, 大于适宜水量的上限, 降水量的增加无疑会引起总适宜性的下降, 出苗期降水适宜度的变化倾向为b=-9.2×10-3a-1。所以本区棉花生产应注意出苗期的降水问题。

2.2.2 弱增型

该类型主要包括豫北平原东部和豫东平原东北部、伏牛山—大别山山前丘陵高地地区以及南阳盆地地区, 适宜度的变化倾向在0~2.6×10-3a-1之间。

豫北平原东部和豫东平原东北部 (Ⅱ1) 棉花气候适宜性在播种和出苗期都有明显的升高, 其中播种期升高的趋势对总适宜性有较大的影响, 其变化倾向为6.793×10-3a-1。本区播种期降水和热量条件均不足, 但近年来, 这两个因子分别以不同的速率上升, 趋近适宜量, 虽然降水使得云量增加, 降低了日照时数, 但3个因子综合效应仍使适宜度上升。兰考近年来降水以0.952 mm·a-1的增加速率趋近于Rl, 温度以9.45×10-2 ℃·a-1趋近于T0, 适宜度均有所上升 (降水适宜度变化倾向b=1.06×10-2a-1, 温度为7.0×10-3a-1), 日照适宜度稍有下降 (b=-8.7×10-3a-1), 但总适宜度有所上升 (播种期b=6.8×10-3a-1, 总适宜度为6.5×10-4a-1)。本区可以适当利用播种和出苗期的气候变化情况, 选择对期间温度和降水要求较高的品种。

伏牛山—桐柏山山前丘陵高地地区 (Ⅱ2) 花铃期和吐絮期棉花气候适宜度的升高 (花铃期b=8.1×10-3a-1, 吐絮期b=3.19×10-3a-1) 引起总适宜度提高。气候变化改善了该区花铃期光温水的配置情况。以汝南为例, 花铃期光温水适宜度的变化趋势均是升高的 (温度变化倾向b=3.4×10-3a-1, 日照为1.32×10-2a-1, 降水为1.23×10-2a-1)。1990年以前汝南降水不足, 且旱涝灾害频繁, 但1990年以后降水有明显的增长趋势, 而且稳定度有所增加。汝南的温度本已较适宜, 近年又有上升趋势, 适宜度升高, 但若继续现在的趋势, 温度适宜度将因大于适宜温度而下降。汝南日照时数以9.0×10-3a-1的速度趋向于适宜日照时数, 适宜度增加。总的来说, 该区各气候因子适宜性有不同程度的提高。本区应适当安排生产活动, 避免因作物生长过盛造成资源浪费, 不能充分利用气候变化带来的有利气候条件。

南阳盆地地区 (Ⅱ3) 受花铃期气候变化的影响, 降水变率减小, 日照时数提高, 气候适宜性上升。虽然温度升高后热量条件高于作物的要求, 适宜性稍有下降, 但与其他因子综合, 表现为总适宜度的上升。以邓州为例, 花铃期降水量波动减小, 20世纪80年代本区降水量在10~50 mm之间, 至90年代降水量稳定在20 mm左右, 降水量的变差系数由0.440降至0.194。花铃期降水、日照适宜度都有明显的上升趋势, 变化倾向分别为1.61×10-2a-1, 1.38×10-2a-1, 温度稍有下降, 变化倾向为-3.0×10-4a-1, 3个因子综合作用使得花铃期总适宜度变化倾向为1.07×10-2a-1, 全生育期为2.3×10-4a-1。本区应充分利用气候变化带来的花铃期日照、降水适宜度的增长, 同时注意温度上升带来的影响。

2.2.3 强增型

适宜度变化倾向在2.6×10-3~7.0×10-3a-1之间, 主要分布在受温度限制较大的豫西山地丘陵地区, 另外在豫北的范县一带也有零星分布。该类型的分布面积虽不及减弱型, 但多分布在不适宜种植棉花的山区, 大部分地区有明显的增强趋势。

太行山—王屋山前丘陵区 (Ⅲ1) 各生育期气候适宜性变化的倾向值依次为5.7×10-3a-1, 6.64×10-3a-1, -6.16×10-3a-1, -3.9×10-3a-1, 1.17×10-3a-1。由此可以看出, 本区出苗期气候适宜性上升最大。该区全生育期大于0 ℃积温为4300~4500 ℃, 稍高于豫西山区, 所以温度的变化对本区的影响不如山地区明显, 作用最大的是降水的变化。出苗期降水量下降, 变率减小, 对棉花气候适宜性的提高有很大影响。如孟县出苗期降水量在适宜水量上下浮动, 距适宜水量的偏差不大, 而且以2.4×10-3mm·a-1的趋势下降, 所以适宜度明显上升, 同时温度升高也使得适宜性提高。孟县降水适宜度变化倾向b=1.57×10-2a-1, 温度为3.5×10-3a-1。

伏牛山地 (Ⅲ2) 播种、现蕾、吐絮期适宜度都有明显升高, 变化倾向分别为3.27×10-3a-1, 3.75×10-3a-1和8.97×10-4a-1, 但以花铃期上升趋势最为显著 (b=6.3×10-3a-1)。本区花铃期适宜性上升主要受气候变化带来的温度和日照时数增加的影响。受山地地形影响, 本区热量不足, 全生育期积温仅3800~4050 ℃, 云量多, 日照资源不足。但随气温升高, 热量资源和日照资源均得到显著改善。以卢氏为例, 卢氏地区花铃期日照时数有明显的上升趋势, 均值由20世纪80年代5.58 h·d-1升为90年代的8.15 h·d-1, 同时波动变小, 变差系数由0.20降为0.18, 适宜性显著上升。近年来的气候变化使得温度有随时间趋向于T0的趋势 (b=7.65×10-2a-1), 降水适宜度也有所升高b=3.0×10-4a-1)。而且, 该站热量资源不足, 距棉花生长的适宜热量有较大的距离, 若以目前的趋势发展, 温度适宜性将继续增加。

3 结论

近年来, 在全球气候变化的大背景下, 河南省棉花气候适宜度发生了相应的变化。利用各站点各年总适宜度, 计算分析了河南省棉花气候适宜度的平均值及其10年滑动平均的变化情况。结果表明:

1) 从全省范围来看, 气候适宜度总体呈下降的趋势。分析各生育期适宜度的变化得出下降的主要原因是出苗期降水适宜度的下降。

2) 适宜度的变化有明显的地域差异。在淮河以南的亚热带和南阳盆地在山区的适宜度下降, 平原区和盆地内部适宜度上升; 而淮河以北黄河以南的大部分温带平原、河谷区适宜度下降, 山区适宜度上升; 黄河以北适宜度变化倾向与海拔高度呈负相关, 山区降低平原区升高; 淮河以南和以北的地区, 在相同的地形条件下, 适宜度变化的趋势相反。

3) 根据各站点1980—2000年适宜度的变化倾向, 将全省分为减弱型、弱增型和强增型。在减弱型中, 豫东山前平原、淮南区、洛阳盆地和南阳盆地边缘山区分别受不同生育期降水变化的影响, 适宜度下降; 豫北太行山前的丘陵平原区则因为吐絮期日照时数的下降, 导致棉花气候适宜度下降。微增型中豫北东部和豫东平原东北部地区主要受播种期降水和温度变化的影响, 适宜度上升; 花铃期和吐絮期3个因子适宜性的提高是伏牛山—桐柏山山前丘陵地区棉花气候适宜度提高的主要原因; 南阳盆地花铃期光照和降水条件的改善对本区适宜度提高贡献最大。强增型主要分布在受温度限制较大的豫西山地丘陵区, 温度上升对本区适宜度上升有重要作用, 其中太行山—王屋山前丘陵区出苗期降水条件的改善对适宜度上升也有很大的作用。

本文分析了各地棉花气候总适宜度的变化情况以及引起变化的生育期, 并进一步分析了发生变化的具体原因。为制定新的棉花农业区划、选择新品种和实际生产过程中防灾工作提供了一定的依据。但是由于时间和经验不足, 本文在计算降水适宜度时, 没有考虑温度变化情况下蒸发量的变化, 同时忽略了温度、降水量、日照和大气中CO2, 水蒸汽含量等变化因子的共同作用对作物个体生理的影响, 以及不同棉花品种对气候的不同要求, 所以, 本文的结论还有待进一步验证。

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