华北是我国小麦和玉米重要的生产基地，气候变化及极端天气/气候事件给区域粮食生产带来诸多影响。考虑到我国粮食生产格局及气候变化趋势，阐明气候风险及其对华北粮食作物的影响，并采取适应技术对策，将成为保障国家粮食安全的重要举措。《华北粮食作物对气候风险的响应机理与适应能力评估》基于作者多年气候变化数据与农业相关科研工作积累，以华北为关注区域，从粮食生产、气候变化、作物响应、水资源利用综合角度，系统阐述了华北粮食作物生长季气候变化特征、作物对高CO2浓度及气象胁迫的响应机理、极端气候对作物产量的影响、灌溉对干旱的减损能力等内容。《华北粮食作物对气候风险的响应机理与适应能力评估》将华北农业生产的区域气候特征，作物植株对气象胁迫的响应、气候变化对作物产量的影响等内容多层级逐步深化，阐述了气候变化与作物生产能力的关联性，以期为区域气候资源高效利用、气象灾害防御减损、适应技术能力建设提供理论支持和适应对策选择。

**章华北农业概况及气候资源变化
　　联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，人类活动对气候系统的影响在不断增强，气候变化的危害和影响已经现实发生（Masson-Delmotte et al.，2021）。农业系统作为气候变化*敏感脆弱的领域之一，如何应对气候变化以确保粮食安全是我国乃至全球面临的重大挑战（Li et al.，2015；Ju et al.，2013）。华北平原是我国重要的粮食生产基地，气候变化显著改变了该地区农业气候资源、气象灾害和病虫害的发生规律和变化特征，并对农业生产潜力、作物种植制度和作物品质产生了不可忽视的影响（周广胜，2015；潘根兴等，2011）。本章分析了华北平原1961～2015年主要农业气候资源（太阳辐射量、降水、温度和潜在蒸散量）和主要气候灾害（气候干旱、高温、低温冷害和干热风）的变化特征，并利用未来气候情景数据，对未来干旱变化趋势做出细致探讨，以期揭示华北平原气候变化的基本事实和未来变化趋势。
　　**节华北农业生产现状
　　一、华北地理区位及气候状况
　　华北平原位于燕山以南、淮河以北（31°14'～40°25'N，112°33'～120°17'E），
　　由黄河、淮河和海河冲积平原及部分丘陵山区组成，属半干旱、半湿润地区。年降水量500～900mm，呈南多北少的分布格局，且季节分配不均，降水集中于夏季7～8月，其间降水量占全年的45%～65%。年潜在蒸散量为1000mm左右，大部分区域降水处于亏缺状态，秋、冬、春三季均为水分亏缺的干旱期，小麦生长期内缺水达150～200mm，全年水分支出大于收入，亏缺的水分约400mm，是我国的干旱重灾区之一（杨建莹等，2010，2011）。
　　二、华北农业地位及种植制度
　　华北平原热量资源可满足喜凉、喜温作物一年两熟的要求，该区粮食作物种植主要为冬小麦一夏玉米周年轮作一年两熟制，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（1亩～666.7m2），约占全国的19%，小麦和玉米产量分别占全国总产量的70%和30%左右，在中国粮食安全战略中的地位举足轻重（YanandDu，2023;梅旭荣等，2013）。根据中国农作制黄淮海平原半湿润暖温灌溉集约农作区划（刘巽浩，2002），将华北平原分为以下6个农业亚区：I区，燕山太行山山前平原水浇地二熟区；II区，环渤海滨海外向型二熟农渔区；III区，海河低平原缺水水浇地二熟兼旱地一熟区；IV区，鲁西平原水浇地二熟兼一熟区；V区，黄淮平原南阳盆地水浇地旱地二熟区；讥区，江淮平原麦稻二熟区。
　　三、粮食高产稳产需求与限制因素
　　华北平原是我国水资源严重不足的地区之一，人均水资源只有790m3，远远低于我国平均水平（梁缘毅和吕爱锋，2019）。其中冬小麦一般在上年10月播种，当年6月收获，整个生育期正值降水量相对稀少时期，生育期间的降水量在125～250mm，占年降水量的25%～40%，冬小麦生长季需水关键期降水稀少，只能满足小麦需水量的25%～40%(梅旭荣等，2013），在冬小麦春季需水关键期（4～5月），同期降水量仅占需水量的1/5～1/4，水分亏缺量达200mm左右（徐建文等，2014，2015），自然降水不能满足冬小麦生长的需要，需要补充灌溉实现稳产和高产目标。在华北小麦一玉米周年生产体系中，通常年降水量仅能满足农业用水的65%左右。一般年份冬春雨雪少，气候干燥，积雪不多，春季温度上升极快，作物生长发育较迅速，春季干旱是该区小麦生产的重大威胁（Li et al.，2020；迟竹萍，2009；霍治国等，1993）。
　　第二节观测到的气候变化趋势
　　一、太阳辐射量变化特征
　　依据中国气象局华北区域54个站点气象观测资料，华北平原1961～2020年年均太阳辐射量在5281～5803MJ/m2，整体上呈东北一西南逐渐减少的空间分布特征。江苏东北部、山东大部以及河北大部地区年均太阳辐射量在5600MJ/m2以上，其中山东中北部达5700MJ/m2以上，而安徽北部以及河南东部地区低于5600MJ/m2，其中河南东部地区低于5500MJ/m2。
　　1961～2020年太阳辐射量普遍呈下降趋势，变化速率在-22～-3MJ/(m2.a），绝大部分站点的变化趋势达到显著性水平（P<0.05）。但太阳辐射量的年际变化趋势在空间上并不存在明显的区域性特征，其中下降速率在15MJ/(m2.a）以上的站点占29.3%，在10～15MJ/(m2.a）的站点占36.6%，在10MJ/(m2.a）以下的站点占34.1%。
　　二、降水变化特征
　　华北平原降水量空间分布不均的特点显著，呈现出北少南多的空间分布特征，区域间降水量差异*高可达127.1%，河南一山东以北地区的降水量在600mm以下，而华北平原南部大部分地区降水量在800mm以上，其中安徽中部一带降水量在900mm以上。
　　1961～2020年华北平原降水量的年际变化特征并不明显，但大部分站点呈微弱的下降趋势，仅在平原南部的部分站点有不显著的增加趋势。整体上来看，华北平原各站点年均降水量的变化趋势在-3.2～1.2mm/a，其中8个站点降水量呈增加趋势，占总站点数的14.8%，且这些站点大部分集中在平原南部地区。
　　三、温度变化特征
　　华北平原年均气温在10.7～15.9°C，其空间分布亦具有显著的纬向特征，表现为北低南高的特征。河北北部以及山东北部地区年均气温在13C以下，而河南大部以及江苏/安徽北部在14C以上，其中安徽北部在15C以上。
　　1961～2020年华北平原年均气温呈增加的趋势，且绝大部分站点能够达到显著性水平（P<0.05），但这种增温趋势的空间差异并不明显。其中，增温幅度在0.01C/a以下的站点占19.5%，在0.01～0.02°C/a的站点占43.9%，在0.02～0.03C/a的站点占25.0%，在0.03～0.04C/a的站点占11.6%。
　　四、蒸散量变化特征
　　华北平原年均潜在蒸散量在968～1150mm，尽管存在一定的北多南少的空间分布特征，但区域差异不大。河南北部、山东中北部以及河北大部分地区在1050mm以上，而河南南部、安徽北部以及江苏北部地区在1050mm以下。
　　1961～2020年华北平原年均潜在蒸散量表现为较为显著的下降趋势，年际趋势变化范围在-3.8～1.0mm/a，仅有零星站点呈不显著的上升趋势。其中下降速率在3.0mm/a以上的站点占9.8%，且均达显著性水平（P<0.05）;下降速率在2～3mm/a的站点占26.8%，且均达显著性水平（P<0.05）;下降速率在1～2mm/a的站点占31.7%，均达显著性水平（P<0.05）;而下降速率低于1mm/a的站点占22.0%。
　　第三节农业生产面临的主要气候灾害
　　一、干旱
　　为分析华北平原气候干旱特征的区域性差异，根据中国农作制区划（刘巽浩，2002），华北平原可划分为6个农业亚区，包括以水饶地和农渔结合为特色的二熟区，以及麦稻轮作的江淮平原等区域（参见本章**节）。利用通过有效性验证的标准化降水蒸散指数（SPEI）(李翔翔等，2017）对华北平原6个农业亚区多时间尺度的干旱演变进行分析，短时间尺度（如SPEI-3）的干湿指数波动频繁，反映了短期降水对干旱程度的影响；随着时间尺度加大，波动周期相对较长，体现了干湿的季节性变化规律；长时间尺度（如SPEI-12）干湿变化更为稳定，波动周期长，更能反映干旱的年际变化特征（Vicente-Serrano et al.，2009）。
　　从干旱指数的演变特征来看，华北平原6个农业亚区干旱发生具有明显的年代际特征。对于I～III区（图1-1），干旱主要发生在20世纪60年代中后期(1965～1968年）、0世纪80年代初期（1980～1984年）、0世纪90年代末（1998～1999年）和21世纪初（2002年左右）；IV区有5条明显的干旱带，分别在1966～1969年、1981～1982年、1989～1991年、1996～1999年和2002～2003年；V和讥区具有相似的干旱分布，为1966～1968年、1978～1980年、1995～1996年、2001～2002年、2010～2011年和2014年左右。这与我国历史干旱资料记录较为一致，荣艳淑等(2008）指出的典型干旱年份如1965年、1972年、1986年、1997年及2001年，以及几个典型干旱时期如1965～1967年、1980～1981年、1991～1992年、1999～2002年以及2006～2007年在SPEI时间序列中均得到较好的体现，反映了SPEI在华北地区旱涝趋势分析中具有较好的适用性。
　　华北平原各农业亚区干旱发生频率具有明显的年代际差异（表1-1）。总体上看，华北平原干旱频率*高的年代是1960s？，21世纪以后干旱频率下降明显。I区干旱频率*高的年代为1960s和1970s，4个时间尺度下1960s干旱频率分别为25.00%、21.88%、16.67%和21.88%，而2000年以后的干旱频率*低，分别为13.33%、10.00%、8.89%和7.22%;II区干旱频率*高的年代仍旧是1960s，各时间尺度干旱频率分别为18.75%、23.96%、16.67%和14.58%，2000年以后*低，分别为8.89%、9.44%、9.44%和7.22%;III区1960s各时间尺度的干旱频率明显高于其他年代，依次为27.08%、26.04%、28.13%和29.17%，2000年以后干旱频率仍然*低；IV区1960s和1980s干旱频率差异不大，1970s和2000年以后干旱频率较低；V区1960s干旱频率依然明显高于其他年代，不同时间尺度干旱频率分别为26.04%、26.04%、20.83%和26.04%，2000年以后干旱频率依旧处于*低；对于W区，1960s和1970s干旱频率差异不大，但是1980s干旱频率明显低于其他年代，分别只有11.67%、12.50%、9.17%和3.33%。
　　一古：曰—、高/皿
　　选取气候变化监测和指数专家组（Expert Team on Climate Change Detection and Indices，ETCCDI）定义的高温日数（日*高气温>35C的日数）、暖昼日数(日*高气温>90%分位值的日数）和暖夜日数（日*低气温>90%分位值的日数）对华北平原1961～2014年高温事件发生情况进行分析。
　　华北平原各站平均高温日数（日*高气温>35C的日数，图1-2A）为11d，1967年*多，为24.7d，2008年*少，为2.4d;从10年滑动平均来看，华北平原高温日数在年际间呈现出先下降（1961～1990年）后上升（1991年后）的波动变

目录
**章 华北农业概况及气候资源变化 1
**节 华北农业生产现状 1
一、华北地理区位及气候状况 1
二、华北农业地位及种植制度 1
三、粮食高产稳产需求与限制因素 2
第二节 观测到的气候变化趋势 2
一、太阳辐射量变化特征 2
二、降水变化特征 3
三、温度变化特征 3
四、蒸散量变化特征 3
第三节 农业生产面临的主要气候灾害 4
一、干旱 4
二、高温 6
三、低温冷害 8
四、干热风 10
第四节 华北气候变化和气候灾害变化 11
一、气候变化趋势 11
二、气候灾害变化 11
参考文献 11
第二章 华北极端气候指数时空变化特征 13
**节 极端气候指数及其研究方法 13
一、极端气候指数 13
二、基础资料来源 13
三、研究方法 14
第二节 极端气温指数时空分布 15
一、极端气温指数时序变化 15
二、极端气温指数空间分布 16
第三节 极端降水指数时空变化 18
一、极端降水指数时间变化特征 18
二、极端降水指数空间变化特征 19
第四节 极端气候指数变化与区域发展 20
一、极端气温指数的区域特征 20
二、极端降水指数的区域特征 21
三、极端气候与区域持续发展 21
参考文献 22
第三章 华北作物生长季气候变化 24
**节 冬小麦生长季主要气象因子变化 24
一、气温变化 24
二、降水变化 25
三、日照时数 25
第二节 冬小麦生长季气象灾害 26
一、冬季冻害 26
二、倒春寒及春季霜冻 29
三、干旱及干热风 31
第三节 夏玉米生长季气象条件 32
一、生长季气候要素变化 32
二、夏玉米灾害性天气 34
第四节 夏玉米生长季气象灾害 35
一、极端高温 35
二、强降雨 36
三、阴雨寡照 36
参考文献 38
第四章 阶段性气象灾害胁迫对冬小麦的影响机理 39
**节 冬小麦对阶段性低温的生理生化响应 39
一、试验品种选择 39
二、低温对光合生理的影响 39
三、低温下光合生化酶变化 40
第二节 冬小麦对干旱逆境的产量效应机理 42
一、水分胁迫对光合器官代谢酶活性的影响 42
二、水分胁迫对小麦光合电子传递的影响 43
第三节 灌浆期高温对小麦产量的影响机理 44
一、灌浆期高温对产量的影响 44
二、灌浆期高温对光合速率及物质形成的影响 45
三、灌浆期高温对逆境生化酶MDA和SOD积累的影响 47
四、POD和CAT活性对灌浆期高温的响应 49
第四节 灌浆期高温和干旱双重胁迫对小麦的影响 50
一、籽粒光合产物变化 50
二、小麦逆境生化酶变化 51
三、旗叶及茎鞘糖分积累变化 53
四、籽粒糖分积累变化 55
参考文献 58
第五章 阶段性气象胁迫对玉米的影响机理 59
**节 拔节期干旱对玉米的影响 59
一、拔节期干旱对产量的影响 59
二、拔节期干旱对光合作用的影响 60
第二节 大喇叭口期干旱对玉米的影响 60
一、大喇叭口期干旱对产量的影响 60
二、大喇叭口期干旱对干物质积累的影响 61
第三节 灌浆期干旱对玉米的影响 62
一、灌浆期干旱对产量构成的影响 62
二、灌浆期干旱对光合速率的影响 63
三、灌浆期干旱对叶片光合的影响机理 63
四、灌浆期干旱对糖分代谢的影响机理 64
第四节 夏玉米低温影响籽粒灌浆的机制 67
一、玉米授粉后低温对籽粒产量的影响 67
二、玉米授粉后低温对叶片光合速率的影响 67
三、玉米授粉后低温对糖分代谢的影响机理 68
第五节 夏玉米后期低温影响籽粒灌浆的机制 71
一、阴雨寡照危害夏玉米产量变化特征 72
二、渍涝危害夏玉米产量变化特征 73
三、极端降水危害夏玉米产量变化特征 73
参考文献 74
第六章 作物对高CO2浓度的响应机理 76
**节 高CO2浓度环境设置及试验方法 76
一、OTC和FACE设施系统 76
二、试验设计 77
三、测定项目和指标 78
第二节 开顶式气室OTC试验研究 79
一、大气CO2浓度升高和干旱对小麦的影响 79
二、大气CO2浓度升高和干旱对大豆的影响 81
第三节 FACE系统试验研究 83
一、CO2浓度升高的温室效应 83
二、CO2浓度升高对冬小麦发育进程的影响 84
三、CO2浓度升高对冬小麦籽粒产量的影响 85
四、冬小麦品种在高CO2浓度条件下的增产机制 86
第四节 CO2浓度升高的生理生化响应机制 87
一、CO2浓度升高对冬小麦叶绿素荧光参数的影响 87
二、CO2浓度升高对冬小麦水势的影响 89
三、CO2浓度升高对冬小麦籽粒灌浆速率的影响 91
四、冬小麦各光合器官对产量的相对贡献 93
第五节 冬小麦对高CO2浓度的综合响应 94
一、作物不同设置CO2浓度升高环境响应对比 94
二、OTC设置下CO2和水分互作对作物的影响 95
三、FACE设置下高CO2浓度与水肥互作关系 95
四、FACE设置下CO2高应答品种特征 96
参考文献 97
第七章 未来气候变化特征及农业气候风险 98
**节 未来气候变化与农业灾害风险 98
一、未来气温和降水变化 98
二、农业气候风险特征 99
第二节 华北未来气候干旱变化趋势 100
一、数据来源和方法 100
二、干湿变化特征 100
三、干旱特征变化趋势 101
第三节 未来作物关键生育期干旱特征 102
一、资料来源和方法 102
二、RCP45情景阶段性干旱特征 103
三、RCP85情景阶段性干旱特征 104
第四节 未来干旱情景下小麦减产风险 105
一、RCP45情景下干旱减产率的年际变化 105
二、RCP85情景下干旱减产率的年际变化 107
三、干旱减产率的累积概率 108
第五节 不同气候变化的减产风险及应对 110
一、阶段干旱对冬小麦产量影响风险 110
二、不同区域冬小麦未来气候风险影响差异 112
参考文献 113
第八章 未来气候变化对冬小麦产量影响的模拟 114
**节 数据资料与模型方法 114
一、田间管理资料 114
二、气象资料 115
三、CERES作物模型 115
第二节 模型遗传参数验证及模拟设计 119
一、模拟设计 119
二、模型遗传参数验证 121
第三节 未来冬小麦生长季内气候要素与生育期的变化 122
一、气候要素的变化 122
二、生育期的变化 123
第四节 未来气候变化对冬小麦产量的影响 124
一、气候要素变化的影响 124
二、CO2的肥效作用 125
第五节 气候要素影响的综合比较分析 126
一、升温对冬小麦产量的负效应 126
二、辐射和降水增加对产量的正效应 127
三、CO2浓度增高的生理影响 128
参考文献 129
第九章 冬小麦灌溉对干旱的减损能力及抗逆增产技术 131
**节 灌溉减损能力评估方法 131
一、灌溉措施的设计 131
二、播期和灌溉期的确定 132
三、减产率、补偿能力和灌溉水产量提升效率计算方法 133
第二节 不同灌溉措施的补偿能力 133
一、干旱对冬小麦产量的潜在影响 133
二、春季单次灌溉产量效应比较 134
三、不同2水组合灌溉效果比较 135
四、生育期灌溉3 水的产量效应 137
第三节 冬小麦抗逆增产技术途径及机理 139
一、冬小麦窄行匀播适应技术及增产机理 139
二、pH缓冲液处理可提高小麦的抗旱性 144
三、节水灌溉技术对抗逆的作用 148
四、冬小麦综合抗逆高产栽培调控模式 151
参考文献 152
第十章 华北冬小麦—夏玉米抗逆减损生产系统 154
**节 作物适应气候变化的抗逆品种遴选 154
一、冬小麦抗逆品种的筛选 154
二、冬小麦适宜贮墒旱作品种的筛选 155
三、夏玉米耐密植品种的筛选 156
第二节 冬小麦逆境产量效应及响应机制 157
一、极端高温危害冬小麦生产力、产量数量特征 157
二、干热风危害冬小麦生产力、产量数量特征 158
三、不同品种冬小麦对逆境的响应 159
第三节 冬小麦—夏玉米周年抗逆栽培 159
一、冬小麦—夏玉米两晚匀播增产技术 159
二、冬小麦—夏玉米气候变暖适应能力 160
第四节 冬小麦—夏玉米周年抗旱节水高产高效栽培技术 161
一、冬小麦—夏玉米轮作适应气候灾害的栽培技术 161
二、冬小麦“晚、密、撒”节水高效栽培技术 162
三、冬小麦—夏玉米贮墒旱作高效栽培技术 163
参考文献 164
第十一章 气候变化对水资源的影响及适应能力 166
**节 不同气候变化情景下水资源量变化趋势 166
一、华北代表性小流域径流量预估 166
二、未来华北地区水资源量变化趋势 168
三、不同排放情景下华北平原农业灌溉可用水量预估 169
第二节 升温15℃和2℃时华北平原水资源特征 171
一、升温年份确定 171
二、代表性小流域径流特征 172
三、水资源分布特征 173
第三节 华北平原不同情景下干旱变化趋势 176
一、华北平原干湿变化特征 176
二、华北地区干旱特征变化趋势 177
第四节 华北平原不同情景下干旱事件及对农业的影响 178
一、不同情景下干旱事件预估 178
二、*强干旱事件风险时空分布特征 179
三、不同背景下干旱对华北平原农业用地的影响 181
参考文献 182
第十二章 华北地区农业对气候灾害的适应能力 184
**节 数据资料及评估方法 184
一、资料来源 184
二、评估方法 184
第二节 华北地区农业气候资源格局及变化特征 188
一、气候资源分布及格局变化特征 188
二、华北平原参考作物蒸散量和气象要素敏感性 189
三、作物降水亏缺量和气象要素相关分析 190
第三节 华北农业对气候灾害的适应能力 190
一、冬小麦对潜在干旱的暴露度 190
二、冬小麦对潜在干旱的敏感性 191
三、冬小麦对潜在干旱的适应能力 192
第四节 华北地区农业气候灾害的脆弱性 193
一、干旱脆弱性区域格局 193
二、华北地区综合脆弱性 194
参考文献 194