《黃淮海平原氣候干旱對冬小麥產量和水分生產力的影響》概述了黃淮海平原的地理區位及自然環境條件、農業生產概況，通過對過去（1961~2014 年）氣象資料再分析，系統闡述了其農業氣候資源特點、時空趨勢變化和分異規律，并進一步借助作物模型、遙感影像、蒸散量反演模型等方法，揭示了黃淮海平原冬小麥不同生育期降水盈虧量特征及實際蒸散量水平，探明了冬小麥的水分生產力時空變異規律，評估了氣候干旱及對產量的影響，闡明了不同區域冬小麥干旱影響差異。《黃淮海平原氣候干旱對冬小麥產量和水分生產力的影響》深化了對黃淮海平原氣候資源變化規律的認識，探明了不同區域冬小麥的水分生產力和干旱影響時空分異規律，探索了冬小麥不同生育期干旱影響的研究方法和技術手段，研究結果為指導我國黃淮海糧食主產區的作物穩產增產、提高農業水資源利用效率、加強農業氣象部門合理防災減災提供科學決策支持。
第一章黃淮海平原概況1
第一節地理位置與行政區劃1
第二節自然地理條件2
一、氣象水文2
二、地形地貌2
三、土壤類型2
第三節農業生產概況3
第四節糧食高產穩產需求與水資源危機4
參考文獻5
第二章農業氣候資源特點6
第一節數據來源與處理方法6
一、數據來源6
二、指標計算方法7
三、時序分析方法8
四、ET0對氣象要素的敏感性分析方法8
第二節太陽輻射變化特征8
一、太陽輻射量的時序變化特點8
二、太陽輻射量的突變特征10
三、太陽輻射量的空間分布格局10
第三節氣溫變化特征12
一、氣溫的時序變化12
二、氣溫的突變特征15
三、氣溫的空間分布特征17
第四節降水量變化特征22
一、降水量的時序變化22
二、降水量的空間分布格局23
第五節潛在蒸散量變化及其氣候影響因素25
一、潛在蒸散量的時序變化26
二、潛在蒸散量的空間分布格局28
三、潛在蒸散量氣候敏感系數29
四、潛在蒸散量對氣候變化的響應29
第六節降蒸差的時空變化特征31
一、降蒸差的空間分布特征32
二、降蒸差的季節變化34
三、降蒸差的周期變化特征36
第七節小結38
參考文獻42
第三章冬小麥生育期和降水盈虧量變化46
第一節數據來源與方法48
一、數據來源48
二、指標計算方法48
第二節冬小麥生育期變化及氣候影響因素50
一、生育期變化50
二、影響生育期變化的氣候因素52
第三節不同年代冬小麥生育期水分虧缺特征53
一、全生育期水分虧缺空間分布53
二、各生育階段水分虧缺空間分布54
三、冬小麥生育期水分虧缺變化原因55
第四節小結57
參考文獻59
第四章氣候干旱特征及對冬小麥產量影響62
第一節氣候干旱62
一、干旱災害的發生規律62
二、干旱指標63
三、干旱識別64
第二節冬小麥生長季干濕狀況的時空分布64
一、數據來源與方法64
二、相對濕潤度的變化特征65
三、冬小麥生長季相對濕潤度的變化特征67
四、氣候干旱頻率及其區域分布69
五、氣候干旱特征對氣候變化的區域響應71
第三節典型站點冬小麥生育階段的氣候干旱特征73
一、典型站點選取73
二、冬小麥生育階段的氣候干旱特征74
三、冬小麥生育階段氣候因素的年際變化趨勢76
四、冬小麥生育階段氣候干旱特征的關鍵影響因素80
第四節氣候干旱對冬小麥產量影響83
一、作物品種參數的調整與模型適用性的驗證83
二、冬小麥水分虧缺的變化及模擬灌溉量的確定84
三、干旱減產率的年際變化與區域對比87
四、干旱減產率的累計概率90
五、典型年份土壤水分變化及產量分析90
第五節小結95
參考文獻97
第五章干旱對不同土壤區冬小麥產量影響100
第一節影響冬小麥的主要因素100
一、氣象要素100
二、土壤類型101
三、水分101
第二節數據來源與方法103
一、典型區土壤特點103
二、代表站點氣候特點104
三、站點冬小麥生育期和灌溉需水量的變化106
四、試驗設計111
五、DSSAT模型參數調整和驗證111
第三節褐土區干旱對冬小麥產量的影響114
一、不同水分條件下冬小麥產量變化114
二、不同水分條件下冬小麥粒數變化115
三、不同水分條件下冬小麥千粒重變化116
四、不同水分條件下冬小麥生物量變化117
第四節潮土區干旱對冬小麥產量的影響118
一、不同水分條件下冬小麥產量變化118
二、不同水分條件下冬小麥粒數變化119
三、不同水分條件下冬小麥千粒重變化120
四、不同水分條件下冬小麥生物量變化121
第五節兩個典型站點冬小麥干旱適應能力比較122
第六節小結125
參考文獻126
第六章冬小麥實際蒸散量估算131
第一節實際蒸散量估算131
一、作物信息提取方法133
二、蒸散量估算方法134
第二節數據來源與方法137
一、氣象資料137
二、地面調查數據137
三、遙感影像139
四、地理數據140
五、生育期數據142
六、基于SEBAL模型的實際蒸散量估算142
第三節冬小麥種植分布信息提取145
一、作物生長的光譜信息數據庫構建145
二、非監督分類與光譜耦合技術146
三、冬小麥分布結果147
四、亞像素估算147
五、精度評估148
第四節SEBAL地表蒸散估算150
一、凈輻射通量估算150
二、土壤熱通量估算150
三、顯熱通量估算152
四、潛熱通量估算153
五、日蒸散量估算154
六、精度驗證與誤差分析155
第五節冬小麥實際蒸散量157
一、冬小麥生長季實際蒸散量空間分異特征157
二、蒸散量與NDVI的相關性158
三、蒸散量與地表溫度的相關性160
四、蒸散量與地形參數的相關性161
第六節小結161
參考文獻162
第七章冬小麥水分生產力評價166
第一節水分生產力估算方法166
一、遙感技術在作物產量空間化中的應用166
二、作物水分生產力估算167
第二節冬小麥產量的基本特征169
第三節冬小麥柵格產量特征171
一、省域尺度的MODISNDVI光譜特征171
二、回歸方程構建172
三、冬小麥產量柵格化173
第四節冬小麥水分生產力分異特征175
一、不同時期冬小麥水分生產力估算175
二、冬小麥水分生產力時空變異特點175
第五節水分生產力影響因素研究177
一、冬小麥水分生產力與實際蒸散量和產量的相關關系177
二、冬小麥水分生產力與降水盈虧量的相關關系179
三、冬小麥水分生產力與需水盈虧量的相關關系180
四、冬小麥水分生產力與相對濕潤指數的相關關系181
第六節冬小麥水分生產力可能提升途徑182
第七節小結185
參考文獻187
Contents
Chapter 1 The introduction of the Huang-Huai-Hai Plain.1
Section 1 The location and administrative division1
Section 2 The natural environmental conditions2
1.The hydrologic and meteorologic characteristics2
2.The topography characteristics2
3.The main soil types2
Section 3 The agricultural production situation3
Section 4 The importance of high-and-steady yield for winter wheat and water resources crisis4
Reference5
Chapter 2 The characteristics of agricultural climate resources in the Huang-Huai-Hai Plain 6
Section 1 The data collection and methods6
1.The data source 6
2.The calculation methods7
3.Time series analysis8
4.Sensitivity analysis method8
Section 2 The characteristic of the solar radiation8
1.Temporal variation of the solar radiation8
2.Mann-Kendall statistic curve of the solar radiation10
3.Spatial pattern in the solar radiation.10
Section 3 The characteristic of the mean temperature12
1.Temporal variation of the mean temperature12
2.Mann-Kendall statistic curve of the mean temperature15
3.Spatial pattern in the mean temperature17
Section 4 The characteristic of the precipitation22
1.Temporal variation of the precipitation22
2.Spatial pattern in the precipitation23
Section 5 The characteristic of potential evapotranspiration and its key climatic factors25
1.Temporal variation of potential evapotranspiration26
2.Spatial pattern in the potential evapotranspiration28
3.The sensitivity coefficients of potential evapotranspiration29
4.The response of potential evapotranspiration to climate change29
Section 6 Spatio-temporal variability of precipitation deficit31
1.Spatial pattern in the precipitation deficit32
2.The seasonal variation of precipitation deficit34
3.The periodic variation of precipitation deficit36
Section 7 Preliminary summary38
References42
Chapter 3 Variations of growth stages and precipitation deficit for winter wheat in the Huang-Huan-Hai Plain 46
Section 1 The data collection and methods 48
1.The data resource48
2.The calculation methods48
Section 2 Variations of winter wheat growth stages and its climatic factors50
1.Variations of winter
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第一章 黃淮海平原概況
第一節 地理位置與行政區劃
黃淮海平原是黃河、淮河、海河流域平原的簡稱。從地貌學的觀點，按照地表形態、地質構造、地表組成物質以及流域水系的變化等原則，劃定的界線為，北起燕山山脈的南麓；南抵桐柏山、大別山的北麓，以江淮流域的低分水嶺為界；西起太行山、秦嶺的東麓，東面包圍了魯中南山地，臨渤海、黃海。位于112°33′E~120°17′E，31°14′N~40°25′N，總面積約38.7 萬km2（圖1-1）。在流域上主要包括海河、黃河、淮河等流域的中下游地區，以及源于魯中南山地的一些中小河流域下游的廣大平原地區。跨越北京市、天津市、河北省、山東省、河南省、安徽省和江蘇省7個省（直轄市）。
圖1-1 黃淮海平原位置示意圖
Figure 1-1 The location of the Huang-Huai-Hai Plain in China
（本節作者：嚴昌榮 居輝 劉勤）
第二節 自然地理條件
一、氣象水文
黃淮海平原西居內陸，東臨海洋，屬暖溫帶季風氣候。黃淮海平原氣候可分為干旱、半干旱和半濕潤氣候。季節分明，光、溫、水等氣候資源空間差異明顯。黃淮海平原太陽輻射量東部地區較高，冬小麥生育期內約為3800MJ m–2，而夏玉米生育期內約為1320 MJ m–2。年平均氣溫8~15℃，由南向北遞減，冬小麥生長季內平均溫度一般為6~12℃，夏玉米一般為20~24℃。年均降水量為600~800 mm，降水量南部地區高于北部地區，北部干旱，南部濕潤；冬小麥生長季內降水量一般為200~500mm，夏玉米一般為350~450mm。
黃河是黃淮海平原的主要造就者，又是平原許多災害的主要根源。流經西北遼闊的黃土高原的黃河，挾帶大量泥沙而下，在漫長的第四紀，形成了如今的黃淮海平原。近代的黃河，每年平均輸沙量仍高達16 億t，其中，一部分填海成陸，使河口不斷延伸，繼續在擴大平原；另一部分淤積在下游河道，使河床不斷升高，引起歷史上周期性的決口改道。長期超采地下水的結果已導致地下水位的急劇下降。20世紀70年代該地區地下水位在地表下10m，2001年已下降到地表下32m（Zhang et al.，2003），近年仍在以每年1m的速度下降（Zhang et al.，2005），部分地區已出現大面積地下水漏斗。
二、地形地貌
黃淮海平原的地貌形態主要包括山前洪積—沖積扇形平原、沖積平原及海積平原。整個平原以黃河干道為分水脊，北面由西南向東北傾斜，南面則由西北向東南傾斜，形成一個微向渤海、黃海傾斜的大沖積平原。黃淮海平原北起燕山山脈南坡的山海關，向西沿山邊線（基本上以海拔100m 等高線為地形地貌界），連灤河沖積扇扇頂，經密云水庫、懷柔水庫到昌平、南口一帶，沿斷層線向南到永定河沖積扇扇頂，沿太行山北段太斷層到拒馬河沖積扇扇頂，向南順100m 等高線到滹沱河沖積扇扇頂，再向南沿200m 等高線大斷層，接漳河沖積扇扇頂海拔100 m等高線沿山麓斷層線，到黃河出山口，沿嵩山—淮弧形構造帶，向南沿伏牛山東麓、桐柏山到淮河出山口后，沿大別山北麓，基本上以海拔100 m等高線為界到江淮流域分水嶺（海拔50m等高線），后折向東南到長江三角洲的北界洲堤，揚州—海安一帶，高度逐漸由海拔50m降到10m直到海邊。
三、土壤類型
黃淮海平原地帶性土壤為棕壤或褐色土。平原耕作歷史悠久，各類自然土壤已熟化為農業土壤。從山麓至濱海，土壤有明顯變化。沿燕山、太行山、伏牛山及山東山地邊緣的山前洪積—沖積扇或山前傾斜平原，發育有黃土（褐土）或潮黃壚土（草甸褐土），平原中部為黃潮土（淺色草甸土），沖積平原上尚分布有其他土壤，如沿黃河、漳河、滹沱河、永定河等大河的泛道有風沙土；河間洼地、扇前洼地及湖淀周圍有鹽堿土或沼澤土；黃河沖積扇以南的淮北平原未受黃泛沉積物覆蓋的地面，大面積出現黃泛前的古老旱作土壤——砂漿黑土（青黑土）；淮河以南、蘇北、山東南四湖及海河下游一帶尚有水稻土。黃潮土為黃淮海平原地區最主要的耕作土壤，耕性良好，礦物養分豐富，在利用、改造上潛力很大。平原東部沿海一帶為濱海鹽土分布區，經開墾排鹽，形成鹽潮土（中國科學院土壤隊，1964）。因此，黃淮海平原土壤類型包括潮土、砂漿黑土、褐土、風沙土和鹽漬土，其中潮土和褐土是主要農業用地土壤類型（趙其國等，1990；孟鵬等，2013）。（本節作者：嚴昌榮 劉恩科 劉 爽）
第三節 農業生產概況
黃淮海平原是我國最重要的農作區之一，現有農業人口占全國的11.0%，地區生產總值占全國的14.2%。2014年黃淮海平原現有耕地面積約3.66 億畝①，其中水田面積占總耕地面積的3.0%，而水澆地和旱地面積分別占全部耕地的54.3%和43.1%，其中糧食播種面積為23893.75萬畝，占全國糧食總播種面積的15.8%，糧食產量為17474.8萬t，占全國糧食產量的35.1%（表1-1）。黃淮海平原是我國著名的冬小麥帶和夏玉米帶，冬小麥復種夏玉米是目前該區域的主要種植模式，20世紀上半葉，多為兩年三熟制，1949年以后，隨著水肥條件的改善，一年兩熟面積逐漸增加，小麥種植面積和產量均居全國之首，冬小麥種植面積占全國冬小麥種植面積的60.8%，玉米播種面積占全國玉米播種面積的28.7%。
表1-1 黃淮海平原各省（直轄市）農業生產情況
Table 1-1 The agricultural production situation of seven provinces in the Huang-Huai-Hai Plain
第四節 糧食高產穩產需求與水資源危機
黃淮海平原是中國高度集約化農區和重要糧食主產區，現有耕地3.66 億畝，約占全國的19%，冬小麥—夏玉米周年輪作（一年兩熟）是主要種植模式，小麥和玉米產量分別占全國總產量的 70%和 30%左右（中國農業年鑒編輯委員會，2011），在中國糧食安全戰略中的地位舉足輕重。該地區屬典型的季風氣候區，年降水量為500~600 mm（楊瑞珍等，2010），主要集中在7~9月，占全年降水量的70%以上，而地區年平均蒸散量超過800 mm（Liu et al.，2002）。在典型的小麥—玉米周年生產體系中，年降水僅能滿足農業用水的65%左右，其中，冬小麥生長發育需水關鍵期降水稀少，只能滿足小麥需水量的25%~40%，虧缺部分主要依靠開采地下水灌溉。近幾十年來，工業化、城鎮化的快速發展使區域需水量快速增長，用水虧缺部分主要靠超采地下水和擠占農業用水補充。據初步估算，近年來該地區農業用水比例逐年下降，供需缺口已經超過100億m3。
受氣候變化的影響，預計未來干旱缺水趨勢將進一步加劇。李翔翔等（2015）利用過去50 余年（1961~2015年）的降水和氣溫資料分析發現，自20世紀80年代以來，黃淮海平原持續偏旱，京津地區、海灤河流域、山東半島等近十年平均降水量比多年平均偏少15%~20%。尤其是21世紀以來的近幾年，冬春干旱、夏秋高溫等不利氣象條件發生頻率加快、強度增強，農業用水短缺呈加重態勢，呈現出頻旱缺水多變的環境特征。另外一方面，糧食需求量卻在大幅度增加。《全國新增500億公斤糧食生產能力規劃（2009~2020 年）》中確定的黃淮海平原增產目標約為150億 kg。目前該區域典型的小麥—玉米周年生產體系每生產1t糧食的年耗水量（蒸發和蒸騰）約為800m3，這就意味著在現有水分生產力水平下，將增加農業用水120億m3左右，供需缺口進一步加大。可見，黃淮海平原“水減糧增”的矛盾在未來將會更加突出。
長期超采地下水的結果已導致地下水位的急劇下降。20世紀70年代該地區地下水位在地表下10m，2001 年已下降到地表下32m（Zhang et al.，2003），近年仍在以每年1m的速度下降（Zhang et al.，2005），部分地區已出現大面積地下水漏斗。水資源危機正在引發一系列的環境問題。緩解地區水資源短缺迫切需要降低農業灌溉用水量。然而盲目減少灌溉用水量將導致地區糧食生產能力下降，威脅國家糧食安全。水資源供需矛盾正在升級為國家糧食安全與地區環境問題的沖突。如何提高農業用水效率在保障高產的前提下大幅度減少農業用水量，實現高產與節水的協同，成為破解黃淮海平原農業用水短缺與糧食持續穩產高產矛盾的關鍵問題。（本節作者：梅旭榮 楊建瑩 曲春紅）
第二章 農業氣候資源特點
第一節 數據來源與處理方法
一、數據來源
采用國家氣象局整編的1961~2014 年（54年）黃淮海平原40個氣象站點的逐日降水量（mm）、平均氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、相對濕度（%）、日照時數（h）、風速（m s–1）等氣候資料，以及經緯度（°）、海拔（m）等數據，站點分布如圖2-1 所示。在所選的40個站點中，有部分站點個別年份資料缺測，溫度（平均、最高、最低溫度）缺測值利用5日滑動平均法進行插補，降水量缺測值利用附近站點數據進行線性插補（高曉蓉等，2012）。
圖2-1 黃淮海平原氣象站點分布
Figure 2-1 The location of meteorological stations in the Huang-Huai-Hai Plain
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