遼寧西部地區(qū)玉米作物生長季降水特征及對作物的影響

韓秀君　楊青　孫曉巍　等

摘要：利用1961—2012年遼寧西部地區(qū)16個氣象觀測站的歷史逐日降水資料，應(yīng)用降水趨勢分析、降水距平百分率和莫萊（Morlet）小波函數(shù)，對玉米作物各生長階段及整個生長季的降水特征及其對作物的影響進行分析。結(jié)果表明：遼西地區(qū)在玉米作物播種期、苗期的降水呈增加趨勢，發(fā)生春旱的概率降低；拔節(jié)孕穗期、抽雄吐絲期、灌漿成熟期降水均呈減少趨勢，發(fā)生夏旱、秋旱的概率增大；玉米作物在整個生長季內(nèi)的降水總體上呈減少趨勢；玉米作物各生長期和整個生長季均存在小尺度為2～3年的短周期，大尺度為14～16年的長周期。綜合大尺度的周期變化嵌套小尺度的周期變化，結(jié)合降水年際、年代際變化特點，得出玉米作物在整個生長季的降水量在近2年處于偏多期，有利于玉米作物增產(chǎn)；播種期和苗期降水在近2年處于偏多期，對玉米播種非常有利；拔節(jié)孕穗期降水在近2年處于偏少期，應(yīng)加強灌溉及人工增雨作業(yè)；抽雄吐絲期降水雖呈加速減少趨勢，但綜合分析顯示，近2年的降水處于偏多期，對玉米增產(chǎn)至關(guān)重要；灌漿成熟期降水在近2年處于偏少期，缺水可造成穗粒質(zhì)量降低，進而導(dǎo)致減產(chǎn)，因此應(yīng)根據(jù)玉米作物需水情況，科學(xué)制定需水管理措施。

關(guān)鍵詞：（Morlet）小波函數(shù)；多時間尺度；玉米作物；降水周期；遼寧西部

中圖分類號： S161.6文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0077-05

收稿日期：2014-06-12

資助項目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項（編號：GYHY201206024）；中國氣象局關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目（編號：CMAGJ2013M11）。

作者簡介：韓秀君（1961—），女，遼寧沈陽人，副研級高級工程師，主要從事決策氣象服務(wù)。E-mail：xiujun_h@sina.com。

通信作者：楊青，碩士，副研級高級工程師，主要從事暴雨預(yù)報方面的研究。E-mail：yangqingchdd@163.com。遼寧西部地區(qū)（以下簡稱遼西地區(qū)）是遼寧省內(nèi)嚴(yán)重的資源性缺水地區(qū)，素有10年9旱之說。受氣候條件的限制，該區(qū)主要以種植玉米為主，相關(guān)資料表明，玉米在整個生長發(fā)育期的適宜需水上限為556～741 mm，適宜需水下限為361～451 mm，可見除苗期應(yīng)適當(dāng)控水外，其他階段都必須滿足玉米對水分的要求，才能獲得高產(chǎn)[1]。肖俊夫等探討不同水分處理方法對春玉米生態(tài)指標(biāo)、耗水量及產(chǎn)量的影響，為遼寧西部地區(qū)春玉米增產(chǎn)節(jié)水栽培提供了科學(xué)依據(jù)[2]。由于玉米各生長階段降水的多少將直接影響玉米產(chǎn)量，而以往的研究大多是對遼寧地區(qū)春、夏、秋、冬4季的降水趨勢進行分析，對玉米作物生長季降水趨勢變化的分析并不多。汪宏宇等對東北地區(qū)作物生長季降水的異常特征進行了分析[3]；孫鳳華等對遼寧西部地區(qū)的氣候變化及干濕狀況年代際變化特征進行了研究[4-5]。因此，了解和掌握玉米作物生長季降水趨勢變化，針對作物需水關(guān)鍵期改變作物需水主要依靠自然降水的現(xiàn)狀，充分利用云水資源，適時開展人工增雨作業(yè)、科學(xué)制定抗旱措施、合理制定耕作制度并提供科學(xué)依據(jù)是非常必要的。本研究應(yīng)用1961—2012年遼西地區(qū)16個氣象觀測站的降水資料，對玉米作物各生長階段的降水趨勢進行分析，以期能夠把握玉米作物生長季的降水趨勢變化。

1材料與方法

1.1資料來源

本研究數(shù)據(jù)采用遼寧省氣象信息中心歸檔整編的《1961—2012年歷史逐日降水資料》。為了保證數(shù)據(jù)完整無缺，排除資料長度不一對分析結(jié)果的影響，筆者從遼西地區(qū)18個氣象觀測站中選取16個站作為代表站（羊山站和凌海站由于歷史資料不連續(xù)而沒有被采用）。玉米作物生長季劃分為：播種期（4月18日至5月8日）、苗期（5月9日至6月25日）、拔節(jié)孕穗期（6月26日至7月18日）、抽雄吐絲期（7月19日至7月31日）、灌漿成熟期（8月1日至9月20日），該資料根據(jù)1981—2009年遼西地區(qū)實際觀測發(fā)育期的平均值計算所得。

1.2分析方法

計算1961—2012年遼西地區(qū)播種期、苗期、拔節(jié)孕穗期、抽雄吐絲期及灌漿成熟期玉米逐年平均降水量、降水量常年值和對應(yīng)的距平百分率；整個生長季（4月18日至9月20日）逐年降水量、降水量常年值和對應(yīng)的距平百分率；再分別對5個生長階段和整個生長季的降水序列進行直線擬合，擬合直線斜率為降水傾向率，代表降水變化的總趨勢。應(yīng)用線性傾向估計、距平百分率、常年值及小波分析等方法分析52年以來遼西地區(qū)玉米作物生長季（4至9月）的降水變化特征[6]。

2結(jié)果與分析

2.1玉米播種期降水變化特征

2.1.1玉米播種期降水年際、年代際變化1961—2012年遼西地區(qū)玉米播種期（4月18日至5月8日）的降水年際變化詳見圖1、圖2。

從圖1可以看出，播種期降水呈增加趨勢，降水傾向率為3.816 mm/10年，需水上、下限一般分別為47.6、10.0 mm，且1983年、1994年、1998年、2009年、2010年、2012年顯著偏

多；1970年、1972年、1980年、1989年、1997你、1999年、2007年顯著偏少。降水年代距平百分率見圖2，可以看出，20世紀(jì)60、70年代的降水距平百分率為負，表明降水偏少；20世紀(jì)80年代、90年代、21世紀(jì)初降水距平百分率均為正值，表明其間降水連續(xù)偏多。整體看來，20世紀(jì)70年代降水嚴(yán)重偏少，80年代趨于正常，90年代以后開始呈現(xiàn)逐漸增多趨勢。

2.1.2播種期降水小波分析運用小波變換法對春播期降水的周期變化進行分析[7-9]。圖3為近52年來遼西地區(qū)春播期降水在不同時間尺度下隨時間正負交替變化的周期特性。小波系數(shù)為正，用實線表示，代表降水偏多，且值越大，降水量越大；小波系數(shù)為負，用虛線表示，代表降水偏少，且值越小，降水量越小，小波系數(shù)為零則對應(yīng)著突變點。由圖3可見，圖的上部等值線相對稀疏，對應(yīng)較長時間尺度周期振蕩；而下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時間尺度周期振蕩。分析可知，遼西地區(qū)春播期降水短周期以2年為主，隨著時間尺度的增加，20世紀(jì)80年以后以10～15年的周期較明顯，表現(xiàn)為“多—少”“多—少”“多”3個循環(huán)交替，且到2012年降水增多的等值線還沒有閉合，說明降水增多的趨勢在近幾年還將繼續(xù)。研究結(jié)果表明，玉米播種期適宜的氣象條件是，平均氣溫穩(wěn)定通過 5 ℃，土壤相對濕度為60%～70%。降水過少，易發(fā)生春旱，進而影響出苗率；降水過多，易出現(xiàn)低溫、寡照，已播種地塊易出現(xiàn)粉種、爛種情況。由于輕度干旱有利于根系的發(fā)育和下扎，因此只要保證出苗，一般不需要澆灌，在極度干旱時進行澆灌即可。

2.2玉米苗期降水變化特征分析

2.2.1苗期降水年際、年代際變化從圖4可以看出，苗期降水呈緩慢增加趨勢，降水傾向率為2.317 mm/10年，需水上、下限一般分別為37.3、18.4 mm。由圖4還可以看出，1971年、1976年、1984年、1991年、2003年、2005年的降水量明顯偏多，1981年、1983年、1994年明顯偏少。

由圖5可知，20世紀(jì)60年代降水距平百分率為負值，表明降水偏少；20世紀(jì)70年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；20世紀(jì)80、90年代均為負值，表明降水偏少；21世紀(jì)初降水距平百分率為正值，表明降水偏多。

2.2.2苗期降水小波分析由圖6可見，上部等值線相對稀疏，對應(yīng)較長時間尺度的周期振蕩；下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時間尺度周期振蕩。分析可知，玉米苗期降水短周期以2年為主，1985年以前存在8年顯著周期，1985年以后存在14年顯著周期，表現(xiàn)為“多—少”“多—少”2個循環(huán)交替，且到2012年降水減少的等值線即將閉合，說明近幾年降水減少趨勢將向增多趨勢轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果表明，與中后期相比，玉米苗期有較強的抗旱能力，適當(dāng)干旱（蹲苗）有增產(chǎn)作用。

2.3玉米拔節(jié)孕穗期降水變化特征分析

2.3.1玉米拔節(jié)孕穗期降水年際、年代際變化從圖7可以看出，玉米拔節(jié)孕穗期降水呈正?；蚵詼p少趨勢，降水傾向率為-1.503 mm/10年，需水上、下限一般分別為148.0、72.0 mm，且1967年、1973年、1979年、1991年、1994年、2007年、2008年明顯偏多；1972年、1982年、1992年、1996年、1999年、2002年、2003年、2011年明顯偏少。由圖8的降水年代距平百分率可知，20世紀(jì)60年代降水距平百分率為正值，降水基本接近常年；20世紀(jì)70、90年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；20世紀(jì)80年代、21世紀(jì)初降水距平百分率為負值，表明降水偏少。

2.3.2拔節(jié)孕穗期降水小波分析由圖9可見，在拔節(jié)孕穗期（6月26日至7月18日），短周期以2年為主，1980年以前存在6年顯著周期，1980年以后存在14年顯著周期，表現(xiàn)為“少—多”“少—多”“少”3個循環(huán)交替，且到2012年降水減少的等值線沒有閉合，說明降水量減少趨勢在近幾年仍將持續(xù)。而玉米拔節(jié)孕穗期需水量越來越大，特別是孕穗期耗水強度最大，對缺水的敏感程度僅次于吐絲期，此時缺水對幼穗發(fā)育不好，嚴(yán)重時導(dǎo)致雄穗抽不出，雌穗吐絲遲而不能正常受精，會出現(xiàn)缺粒、禿頂多、空稈多，造成玉米減產(chǎn)。因此，拔節(jié)孕穗期雨水不足的地區(qū)要及時灌水，并抓住有利時機，積極開展人工增雨作業(yè)。

2.4玉米抽雄吐絲期降水變化特征分析

2.4.1玉米抽雄吐絲期降水年際、年代際變化由圖10可以看出，玉米抽雄吐絲期降水量呈加速減少趨勢，降水傾向率為-11.556 mm/10年，需水上、下限一般分別為237.3、115.2 mm，且1962年、1963年、1975年、1977年、1991年、1994年、1995年明顯偏多；1965年、1968年、1972年、1980年、1984年、1988年、1996年、1997年、1999年、2001年、2003年、2006年、2009年明顯偏少，進入21世紀(jì)后降水偏少年份有增多趨勢。由圖11的降水年代距平百分率可知，20世紀(jì)60、70年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；20世紀(jì)80年代降水距平百分率為負值，表明降水偏少；20世紀(jì)90年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；21世紀(jì)初降水距平百分率為負值，表明降水偏少，根據(jù)年代變化規(guī)律，近幾年抽雄吐絲期降水有可能向增多趨勢轉(zhuǎn)變。

2.4.2抽雄吐絲期降水小波分析由圖12可見，在玉米抽雄吐絲期（7月19日至7月31日）較明顯地存在大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化。短周期以2年為主，長周期以14～16年為顯著周期，表現(xiàn)為“少—多”“少—多”“少—多”3個循環(huán)交替，且到2012年降水增多的等值線沒有閉合，說明近幾年仍可能維持降水增多趨勢。研究結(jié)果表明，抽雄前10 d至抽雄后20 d（大喇叭口期-灌漿期）玉米需水達一生高峰，缺水對產(chǎn)量影響最大，而且干旱靠近抽雄期則減產(chǎn)明顯，特別是“卡脖旱”（發(fā)生在玉米大喇叭口期至抽雄期），因此有“春旱不算旱，夏旱減一半”的農(nóng)諺。此外，2009年的夏秋連旱造成玉米產(chǎn)量下降可以證實抽雄吐絲期降水對玉米產(chǎn)量的影響。

2.5玉米灌漿成熟期降水變化特征分析

2.5.1玉米灌漿成熟期降水年際、年代際變化從圖13可以看出，玉米灌漿成熟期降水呈正常或略減少趨勢，降水傾向率為-1.562 mm/10年，需水上、下限一般分別為185.3、64.8 mm，且1964年、1965年、1969年、1974年、1984年、1986年、1987年、1994年、1997年、2010年、2012年表現(xiàn)為明顯偏多；1989年、2009年表現(xiàn)為明顯偏少。由圖14的降水年代距平百分率可知，20世紀(jì)60年代的降水距平百分率為正值，表明降水偏多；20世紀(jì)70年代降水距平百分率為負值，表明降水偏少；20世紀(jì)80、90年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；21世紀(jì)初降水距平百分率為負值，表明降水偏少。

2.5.2玉米灌漿成熟期降水小波分析由圖15可見，在灌漿成熟期，圖的上部等值線稀疏，對應(yīng)較長時間尺度周期振蕩；而下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時間尺度周期振蕩。20世紀(jì)80年代之前存在3年顯著周期，80年代以后存在8～15年顯著周期，表現(xiàn)為“少—多”“少—多”“少—多”3個循環(huán)交替，且2012降水增多的等值線沒有閉合，說明降水仍可能保持偏多趨勢。但也不能忽視大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化，且21世紀(jì)初降水距平百分率為負距平，因此短期降水出現(xiàn)偏少的可能性是非常大的。研究結(jié)果表明，從乳熟期到完熟，耗水強度降低，但此時仍然需要大量的水分，缺水可造成穗粒質(zhì)量降低而減產(chǎn)，因而有“春旱蓋倉房，秋吊斷種糧”的說法。

2.6玉米作物生長季降水變化特征分析

2.6.1玉米作物生長季降水年際、年代際變化玉米整個生長季需水較多，除苗期應(yīng)適當(dāng)控水外，其后都必須滿足玉米對水分的要求，才能獲得高產(chǎn)。需水高峰期為7月中旬至8月上旬，即拔節(jié)-抽穗階段。從1961—2012年遼西地區(qū)玉米作物生長季（4月18日至9月20日）的降水年際變化（圖16）可以看出，玉米作物整個生長季降水呈減少趨勢，降水傾向率為-8.488mm/10年；玉米需水量的變化在5415.0～

11 115.0 mm/hm2，而降水量在1969年、1994年、1998年明顯偏多，在1972年、1980年、1982年、1992年、1999年明顯偏少。由圖17降水年代距平百分率可知，20世紀(jì)60、70年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；20世紀(jì)80年代降水距平百分率為負值，表明降水偏少；20世紀(jì)90年代降水距平百分率為正值，表明降水偏多；21世紀(jì)初降水距平百分率為負值，表明降水偏少。

2.6.2玉米生長季降水小波分析由圖18可見，在玉米整個生長季，圖的上部等值線稀疏，對應(yīng)較長時間尺度的周期振蕩；而下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時間尺度的周期振蕩。年際特征主要以2年為主，20世紀(jì)90年代以前存在5～10年周期，20世紀(jì)90年代以后存在15～20年周期，表現(xiàn)為“多—少”“多”循環(huán)交替，且2012年降水增多的等值線沒有閉合，說明降水繼續(xù)保持增多趨勢。玉米整個生長季降水特點是兩頭少、中間多，即4、5月份少，6、7、8月較多，9月份又較少。據(jù)統(tǒng)計，遼西地區(qū)玉米生長季總降水量為535.6 mm，低于玉米需水量，因此應(yīng)根據(jù)具體情況科學(xué)灌溉，同時根據(jù)遼西地區(qū)夏秋季降水趨于減少的特點，加強夏、秋季人工增雨作業(yè)，確

保玉米產(chǎn)量。

3結(jié)論與討論

遼西地區(qū)玉米生長季降水量總體呈減少趨勢，降幅為 8.488 mm/10年；播種期、苗期降水均呈增加趨勢，增幅分別為3.816、2.317 mm/10年，說明發(fā)生春旱的概率正逐漸減??；玉米拔節(jié)孕穗期、抽雄吐絲期、灌漿成熟期降水均呈減少趨勢，降幅分別為1.503、11.556、1.562 mm/10年，說明發(fā)生夏、秋旱的概率正逐漸增大。

綜合玉米作物各生長期和整個生長季的降水分析，均存在多時間尺度特征，大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化。小尺度為2～3年的短周期，大尺度為14～16年長周期。

綜上所述，玉米作物整個生長季降水在近2年處于偏多期，有利于玉米作物增產(chǎn)；播種期和苗期降水在近2年處于偏多期，對玉米播種非常有利；拔節(jié)孕穗期降水在近2年處于偏少期，應(yīng)加強灌溉及人工增雨作業(yè)；抽雄吐絲期降水雖呈加速減少趨勢，但綜合分析顯示，近2年降水處于偏多期，對玉米增產(chǎn)至關(guān)重要；灌漿成熟期降水在近2年處于偏少期，缺水可造成穗粒質(zhì)量降低而減產(chǎn)，因此應(yīng)根據(jù)玉米作物需水情況，科學(xué)制定需水管理措施，積極開展人工增雨作業(yè)。

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