《黄淮海平原气候干旱对冬小麦产量和水分生产力的影响》概述了黄淮海平原的地理区位及自然环境条件、农业生产概况，通过对过去（1961~2014 年）气象资料再分析，系统阐述了其农业气候资源特点、时空趋势变化和分异规律，并进一步借助作物模型、遥感影像、蒸散量反演模型等方法，揭示了黄淮海平原冬小麦不同生育期降水盈亏量特征及实际蒸散量水平，探明了冬小麦的水分生产力时空变异规律，评估了气候干旱及对产量的影响，阐明了不同区域冬小麦干旱影响差异。《黄淮海平原气候干旱对冬小麦产量和水分生产力的影响》深化了对黄淮海平原气候资源变化规律的认识，探明了不同区域冬小麦的水分生产力和干旱影响时空分异规律，探索了冬小麦不同生育期干旱影响的研究方法和技术手段，研究结果为指导我国黄淮海粮食主产区的作物稳产增产、提高农业水资源利用效率、加强农业气象部门合理防灾减灾提供科学决策支持。

第一章黄淮海平原概况1
第一节地理位置与行政区划1
第二节自然地理条件2
一、气象水文2
二、地形地貌2
三、土壤类型2
第三节农业生产概况3
第四节粮食高产稳产需求与水资源危机4
参考文献5
第二章农业气候资源特点6
第一节数据来源与处理方法6
一、数据来源6
二、指标计算方法7
三、时序分析方法8
四、ET0对气象要素的敏感性分析方法8
第二节太阳辐射变化特征8
一、太阳辐射量的时序变化特点8
二、太阳辐射量的突变特征10
三、太阳辐射量的空间分布格局10
第三节气温变化特征12
一、气温的时序变化12
二、气温的突变特征15
三、气温的空间分布特征17
第四节降水量变化特征22
一、降水量的时序变化22
二、降水量的空间分布格局23
第五节潜在蒸散量变化及其气候影响因素25
一、潜在蒸散量的时序变化26
二、潜在蒸散量的空间分布格局28
三、潜在蒸散量气候敏感系数29
四、潜在蒸散量对气候变化的响应29
第六节降蒸差的时空变化特征31
一、降蒸差的空间分布特征32
二、降蒸差的季节变化34
三、降蒸差的周期变化特征36
第七节小结38
参考文献42
第三章冬小麦生育期和降水盈亏量变化46
第一节数据来源与方法48
一、数据来源48
二、指标计算方法48
第二节冬小麦生育期变化及气候影响因素50
一、生育期变化50
二、影响生育期变化的气候因素52
第三节不同年代冬小麦生育期水分亏缺特征53
一、全生育期水分亏缺空间分布53
二、各生育阶段水分亏缺空间分布54
三、冬小麦生育期水分亏缺变化原因55
第四节小结57
参考文献59
第四章气候干旱特征及对冬小麦产量影响62
第一节气候干旱62
一、干旱灾害的发生规律62
二、干旱指标63
三、干旱识别64
第二节冬小麦生长季干湿状况的时空分布64
一、数据来源与方法64
二、相对湿润度的变化特征65
三、冬小麦生长季相对湿润度的变化特征67
四、气候干旱频率及其区域分布69
五、气候干旱特征对气候变化的区域响应71
第三节典型站点冬小麦生育阶段的气候干旱特征73
一、典型站点选取73
二、冬小麦生育阶段的气候干旱特征74
三、冬小麦生育阶段气候因素的年际变化趋势76
四、冬小麦生育阶段气候干旱特征的关键影响因素80
第四节气候干旱对冬小麦产量影响83
一、作物品种参数的调整与模型适用性的验证83
二、冬小麦水分亏缺的变化及模拟灌溉量的确定84
三、干旱减产率的年际变化与区域对比87
四、干旱减产率的累计概率90
五、典型年份土壤水分变化及产量分析90
第五节小结95
参考文献97
第五章干旱对不同土壤区冬小麦产量影响100
第一节影响冬小麦的主要因素100
一、气象要素100
二、土壤类型101
三、水分101
第二节数据来源与方法103
一、典型区土壤特点103
二、代表站点气候特点104
三、站点冬小麦生育期和灌溉需水量的变化106
四、试验设计111
五、DSSAT模型参数调整和验证111
第三节褐土区干旱对冬小麦产量的影响114
一、不同水分条件下冬小麦产量变化114
二、不同水分条件下冬小麦粒数变化115
三、不同水分条件下冬小麦千粒重变化116
四、不同水分条件下冬小麦生物量变化117
第四节潮土区干旱对冬小麦产量的影响118
一、不同水分条件下冬小麦产量变化118
二、不同水分条件下冬小麦粒数变化119
三、不同水分条件下冬小麦千粒重变化120
四、不同水分条件下冬小麦生物量变化121
第五节两个典型站点冬小麦干旱适应能力比较122
第六节小结125
参考文献126
第六章冬小麦实际蒸散量估算131
第一节实际蒸散量估算131
一、作物信息提取方法133
二、蒸散量估算方法134
第二节数据来源与方法137
一、气象资料137
二、地面调查数据137
三、遥感影像139
四、地理数据140
五、生育期数据142
六、基于SEBAL模型的实际蒸散量估算142
第三节冬小麦种植分布信息提取145
一、作物生长的光谱信息数据库构建145
二、非监督分类与光谱耦合技术146
三、冬小麦分布结果147
四、亚像素估算147
五、精度评估148
第四节SEBAL地表蒸散估算150
一、净辐射通量估算150
二、土壤热通量估算150
三、显热通量估算152
四、潜热通量估算153
五、日蒸散量估算154
六、精度验证与误差分析155
第五节冬小麦实际蒸散量157
一、冬小麦生长季实际蒸散量空间分异特征157
二、蒸散量与NDVI的相关性158
三、蒸散量与地表温度的相关性160
四、蒸散量与地形参数的相关性161
第六节小结161
参考文献162
第七章冬小麦水分生产力评价166
第一节水分生产力估算方法166
一、遥感技术在作物产量空间化中的应用166
二、作物水分生产力估算167
第二节冬小麦产量的基本特征169
第三节冬小麦栅格产量特征171
一、省域尺度的MODISNDVI光谱特征171
二、回归方程构建172
三、冬小麦产量栅格化173
第四节冬小麦水分生产力分异特征175
一、不同时期冬小麦水分生产力估算175
二、冬小麦水分生产力时空变异特点175
第五节水分生产力影响因素研究177
一、冬小麦水分生产力与实际蒸散量和产量的相关关系177
二、冬小麦水分生产力与降水盈亏量的相关关系179
三、冬小麦水分生产力与需水盈亏量的相关关系180
四、冬小麦水分生产力与相对湿润指数的相关关系181
第六节冬小麦水分生产力可能提升途径182
第七节小结185
参考文献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 黄淮海平原概况
第一节 地理位置与行政区划
黄淮海平原是黄河、淮河、海河流域平原的简称。从地貌学的观点，按照地表形态、地质构造、地表组成物质以及流域水系的变化等原则，划定的界线为，北起燕山山脉的南麓；南抵桐柏山、大别山的北麓，以江淮流域的低分水岭为界；西起太行山、秦岭的东麓，东面包围了鲁中南山地，临渤海、黄海。位于112°33′E~120°17′E，31°14′N~40°25′N，总面积约38.7 万km2（图1-1）。在流域上主要包括海河、黄河、淮河等流域的中下游地区，以及源于鲁中南山地的一些中小河流域下游的广大平原地区。跨越北京市、天津市、河北省、山东省、河南省、安徽省和江苏省7个省（直辖市）。
图1-1 黄淮海平原位置示意图
Figure 1-1 The location of the Huang-Huai-Hai Plain in China
（本节作者：严昌荣 居辉 刘勤）
第二节 自然地理条件
一、气象水文
黄淮海平原西居内陆，东临海洋，属暖温带季风气候。黄淮海平原气候可分为干旱、半干旱和半湿润气候。季节分明，光、温、水等气候资源空间差异明显。黄淮海平原太阳辐射量东部地区较高，冬小麦生育期内约为3800MJ m–2，而夏玉米生育期内约为1320 MJ m–2。年平均气温8~15℃，由南向北递减，冬小麦生长季内平均温度一般为6~12℃，夏玉米一般为20~24℃。年均降水量为600~800 mm，降水量南部地区高于北部地区，北部干旱，南部湿润；冬小麦生长季内降水量一般为200~500mm，夏玉米一般为350~450mm。
黄河是黄淮海平原的主要造就者，又是平原许多灾害的主要根源。流经西北辽阔的黄土高原的黄河，挟带大量泥沙而下，在漫长的第四纪，形成了如今的黄淮海平原。近代的黄河，每年平均输沙量仍高达16 亿t，其中，一部分填海成陆，使河口不断延伸，继续在扩大平原；另一部分淤积在下游河道，使河床不断升高，引起历史上周期性的决口改道。长期超采地下水的结果已导致地下水位的急剧下降。20世纪70年代该地区地下水位在地表下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），部分地区已出现大面积地下水漏斗。
二、地形地貌
黄淮海平原的地貌形态主要包括山前洪积—冲积扇形平原、冲积平原及海积平原。整个平原以黄河干道为分水脊，北面由西南向东北倾斜，南面则由西北向东南倾斜，形成一个微向渤海、黄海倾斜的大冲积平原。黄淮海平原北起燕山山脉南坡的山海关，向西沿山边线（基本上以海拔100m 等高线为地形地貌界），连滦河冲积扇扇顶，经密云水库、怀柔水库到昌平、南口一带，沿断层线向南到永定河冲积扇扇顶，沿太行山北段太断层到拒马河冲积扇扇顶，向南顺100m 等高线到滹沱河冲积扇扇顶，再向南沿200m 等高线大断层，接漳河冲积扇扇顶海拔100 m等高线沿山麓断层线，到黄河出山口，沿嵩山—淮弧形构造带，向南沿伏牛山东麓、桐柏山到淮河出山口后，沿大别山北麓，基本上以海拔100 m等高线为界到江淮流域分水岭（海拔50m等高线），后折向东南到长江三角洲的北界洲堤，扬州—海安一带，高度逐渐由海拔50m降到10m直到海边。
三、土壤类型
黄淮海平原地带性土壤为棕壤或褐色土。平原耕作历史悠久，各类自然土壤已熟化为农业土壤。从山麓至滨海，土壤有明显变化。沿燕山、太行山、伏牛山及山东山地边缘的山前洪积—冲积扇或山前倾斜平原，发育有黄土（褐土）或潮黄垆土（草甸褐土），平原中部为黄潮土（浅色草甸土），冲积平原上尚分布有其他土壤，如沿黄河、漳河、滹沱河、永定河等大河的泛道有风沙土；河间洼地、扇前洼地及湖淀周围有盐碱土或沼泽土；黄河冲积扇以南的淮北平原未受黄泛沉积物覆盖的地面，大面积出现黄泛前的古老旱作土壤——砂浆黑土（青黑土）；淮河以南、苏北、山东南四湖及海河下游一带尚有水稻土。黄潮土为黄淮海平原地区最主要的耕作土壤，耕性良好，矿物养分丰富，在利用、改造上潜力很大。平原东部沿海一带为滨海盐土分布区，经开垦排盐，形成盐潮土（中国科学院土壤队，1964）。因此，黄淮海平原土壤类型包括潮土、砂浆黑土、褐土、风沙土和盐渍土，其中潮土和褐土是主要农业用地土壤类型（赵其国等，1990；孟鹏等，2013）。（本节作者：严昌荣 刘恩科 刘 爽）
第三节 农业生产概况
黄淮海平原是我国最重要的农作区之一，现有农业人口占全国的11.0%，地区生产总值占全国的14.2%。2014年黄淮海平原现有耕地面积约3.66 亿亩①，其中水田面积占总耕地面积的3.0%，而水浇地和旱地面积分别占全部耕地的54.3%和43.1%，其中粮食播种面积为23893.75万亩，占全国粮食总播种面积的15.8%，粮食产量为17474.8万t，占全国粮食产量的35.1%（表1-1）。黄淮海平原是我国著名的冬小麦带和夏玉米带，冬小麦复种夏玉米是目前该区域的主要种植模式，20世纪上半叶，多为两年三熟制，1949年以后，随着水肥条件的改善，一年两熟面积逐渐增加，小麦种植面积和产量均居全国之首，冬小麦种植面积占全国冬小麦种植面积的60.8%，玉米播种面积占全国玉米播种面积的28.7%。
表1-1 黄淮海平原各省（直辖市）农业生产情况
Table 1-1 The agricultural production situation of seven provinces in the Huang-Huai-Hai Plain
第四节 粮食高产稳产需求与水资源危机
黄淮海平原是中国高度集约化农区和重要粮食主产区，现有耕地3.66 亿亩，约占全国的19%，冬小麦—夏玉米周年轮作（一年两熟）是主要种植模式，小麦和玉米产量分别占全国总产量的 70%和 30%左右（中国农业年鉴编辑委员会，2011），在中国粮食安全战略中的地位举足轻重。该地区属典型的季风气候区，年降水量为500~600 mm（杨瑞珍等，2010），主要集中在7~9月，占全年降水量的70%以上，而地区年平均蒸散量超过800 mm（Liu et al.，2002）。在典型的小麦—玉米周年生产体系中，年降水仅能满足农业用水的65%左右，其中，冬小麦生长发育需水关键期降水稀少，只能满足小麦需水量的25%~40%，亏缺部分主要依靠开采地下水灌溉。近几十年来，工业化、城镇化的快速发展使区域需水量快速增长，用水亏缺部分主要靠超采地下水和挤占农业用水补充。据初步估算，近年来该地区农业用水比例逐年下降，供需缺口已经超过100亿m3。
受气候变化的影响，预计未来干旱缺水趋势将进一步加剧。李翔翔等（2015）利用过去50 余年（1961~2015年）的降水和气温资料分析发现，自20世纪80年代以来，黄淮海平原持续偏旱，京津地区、海滦河流域、山东半岛等近十年平均降水量比多年平均偏少15%~20%。尤其是21世纪以来的近几年，冬春干旱、夏秋高温等不利气象条件发生频率加快、强度增强，农业用水短缺呈加重态势，呈现出频旱缺水多变的环境特征。另外一方面，粮食需求量却在大幅度增加。《全国新增500亿公斤粮食生产能力规划（2009~2020 年）》中确定的黄淮海平原增产目标约为150亿 kg。目前该区域典型的小麦—玉米周年生产体系每生产1t粮食的年耗水量（蒸发和蒸腾）约为800m3，这就意味着在现有水分生产力水平下，将增加农业用水120亿m3左右，供需缺口进一步加大。可见，黄淮海平原“水减粮增”的矛盾在未来将会更加突出。
长期超采地下水的结果已导致地下水位的急剧下降。20世纪70年代该地区地下水位在地表下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），部分地区已出现大面积地下水漏斗。水资源危机正在引发一系列的环境问题。缓解地区水资源短缺迫切需要降低农业灌溉用水量。然而盲目减少灌溉用水量将导致地区粮食生产能力下降，威胁国家粮食安全。水资源供需矛盾正在升级为国家粮食安全与地区环境问题的冲突。如何提高农业用水效率在保障高产的前提下大幅度减少农业用水量，实现高产与节水的协同，成为破解黄淮海平原农业用水短缺与粮食持续稳产高产矛盾的关键问题。（本节作者：梅旭荣 杨建莹 曲春红）
第二章 农业气候资源特点
第一节 数据来源与处理方法
一、数据来源
采用国家气象局整编的1961~2014 年（54年）黄淮海平原40个气象站点的逐日降水量（mm）、平均气温（℃）、最低气温（℃）、最高气温（℃）、相对湿度（%）、日照时数（h）、风速（m s–1）等气候资料，以及经纬度（°）、海拔（m）等数据，站点分布如图2-1 所示。在所选的40个站点中，有部分站点个别年份资料缺测，温度（平均、最高、最低温度）缺测值利用5日滑动平均法进行插补，降水量缺测值利用附近站点数据进行线性插补（高晓蓉等，2012）。
图2-1 黄淮海平原气象站点分布
Figure 2-1 The location of meteorological stations in the Huang-Huai-Hai Plain
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