塔城市近53年玉米生育期氣候要素變化趨勢(shì)分析*

羅那那，巴特爾·巴克，薛亞榮，康麗娟，王孟輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

IPCC報(bào)告中表明，過(guò)去100多年，全世界地表溫度平均上漲幅度為0.74℃，到2100年預(yù)計(jì)在不同區(qū)域?qū)⑸仙?.0～5.4℃。中國(guó)大多數(shù)耕地位于季風(fēng)區(qū)，天氣條件年際變化造成糧食產(chǎn)量波動(dòng)大，研究糧食作物生產(chǎn)潛力特征對(duì)糧食生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義[1]。從1970年初開(kāi)始，氣候變化已成為中國(guó)的一個(gè)重要課題，多年來(lái)中國(guó)各地區(qū)的溫度呈逐年上升的趨勢(shì)。糧食作物發(fā)育生長(zhǎng)和產(chǎn)量都離不開(kāi)環(huán)境條件，氣象因素是重要的環(huán)境條件之一。21世紀(jì)以來(lái)，雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件有了很大改善，作物產(chǎn)量明顯提高，但是人類很難控制和改變惡劣氣象條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不良影響，氣象條件引起糧食產(chǎn)量年際間波動(dòng)[2-3]。龐艷梅[4]、陳劍雄[5]等研究結(jié)果表明，全球氣候變暖對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了一系列的重大影響，在農(nóng)作物生育期的改變方面尤為突出，玉米生育期種植受地理和氣象要素的影響[6]。氣候變化將使農(nóng)作物種植制度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局發(fā)生改變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和投資成本增加[7]，對(duì)糧食安全生產(chǎn)有重要影響[8]。在氣候變暖的影響研究中，前人基于氣象站的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)或未來(lái)情景數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)氣候資源[9]和主要玉米種植區(qū)玉米生產(chǎn)潛力[10]的時(shí)空分布特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。針對(duì)氣溫、降水、日照等氣候要素變化特征及對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者從兩方面開(kāi)展了研究，一是開(kāi)展生育期氣候要素的時(shí)空演變特征[11]； 二是生育期內(nèi)氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的影響[12]。而目前針對(duì)未來(lái)塔城市玉米生育期氣象要素變化特征的研究較少。因此，探究作物生育期氣候要素演變具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于高緯度地區(qū)，幅員遼闊，且地形繁雜，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，區(qū)域年均氣溫-4～9℃，熱量條件較差，且年際和地域差異較大，屬氣候敏感區(qū)域，有諸多不穩(wěn)定性因素，所發(fā)生的氣象災(zāi)害較頻繁，對(duì)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大。塔城市隸屬于新疆的縣級(jí)市，位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部、伊犁哈薩克自治州的中部，地處東經(jīng)82°16′～87°21′、北緯43°25′～47°15′之間，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，四季交替不分明，春季升溫快而不穩(wěn)定，夏季短促而炎熱，冬季漫長(zhǎng)而酷冷。日照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫日較差大，降水較少且時(shí)空分布不均。由于其地形、地貌以及下墊面狀況的復(fù)雜多樣性，塔城市的氣候存在明顯的區(qū)域差異。

圖1 塔城市研究區(qū)域位置分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)共享網(wǎng)(http：//cdc.nmic.cn/home.do)，選取數(shù)據(jù)記錄較完整的塔城市地面氣象站1961～2013年逐日氣象資料(圖1)，其中包括平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)、降水量(mm)、風(fēng)速(m/s)、平均相對(duì)濕度(%)，由于站點(diǎn)資料的時(shí)間長(zhǎng)度不一致，為確保資料的可靠性和一致性，各氣候要素采用1961～2013年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，數(shù)據(jù)來(lái)源可靠且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)是指年降水量與同期潛在蒸散之比，可作為判別某一地區(qū)氣候干旱程度的指標(biāo)。

該文采用的1961～2013年塔城市玉米的全生育期時(shí)段為研究時(shí)段，玉米生育期數(shù)據(jù)為日期型數(shù)據(jù)，在已有的主要農(nóng)作物生育期研究工作的基礎(chǔ)上，以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物種植制度，塔城市玉米生育期階段的劃分引用周金龍[13]的研究結(jié)果進(jìn)行劃分(表1)。

表1 塔城市玉米各生育期時(shí)間節(jié)點(diǎn)

生育期播種—幼苗幼苗—拔節(jié)拔節(jié)—抽穗抽穗—成熟全生長(zhǎng)期起止時(shí)間(日/月)17/04～05/0606/06～03/0704/07～26/0827/08～19/0917/04～19/09

1.3 研究方法

采用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)方法[14]進(jìn)行突變分析。氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)采用線性回歸分析[15]?；貧w系數(shù)表示氣候變量的趨勢(shì)傾向，回歸系數(shù)為正時(shí)，說(shuō)明隨時(shí)間的增加氣候變量呈上升趨勢(shì)； 反之亦然，回歸系數(shù)的大小反映了上升或下降的速率。氣候趨勢(shì)系數(shù)表示某氣候要素的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化的方向和程度，即時(shí)間和氣候要素的相關(guān)系數(shù)。此外，基于小波分析探究了年潛在蒸散量的周期特征[16]，利用FAO在1998 年推薦的Penman-Monteith 公式[17]計(jì)算ET0，該公式以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，較全面地考慮了影響潛在蒸散的各種因素，有較好的物理依據(jù)，應(yīng)用較廣泛。

2 結(jié)果分析

2.1 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥哪觌H變化特征

圖2可看出，總體來(lái)講，塔城市玉米生育期降水、溫度和相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)都呈增加趨勢(shì)，其中，降水增加趨勢(shì)最為明顯，趨勢(shì)系數(shù)達(dá)到2.883mm/年，且有明顯的偏豐期和偏枯期，但是年際交替變化頻繁(圖2a)。說(shuō)明塔城市玉米生育期年際差異較大，極端多雨期和少雨期交替頻發(fā)。積溫(AT)的氣候傾向率為11.82℃/年(圖2j)，其中，在1961～1990年增勢(shì)較弱(氣候傾向率為6.84 ℃/年)， 1991～2013年增勢(shì)較強(qiáng)(氣候傾向率為20.11℃/年)。1968年玉米生育期積溫最低，為2 841.09℃； 1996年玉米生育期積溫最低，為4 064.12℃。圖2d表征了1961～2013塔城市玉米生育期干濕的年際變化特征，玉米生育期略有濕潤(rùn)化。過(guò)去53年相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢(shì)較微弱。但是，濕潤(rùn)指數(shù)有明顯的時(shí)段性特征， 1961～1981年整體偏干， 1981～2013年整體偏濕潤(rùn)。日照時(shí)數(shù)、作物蒸散量、平均風(fēng)俗和相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì)。日照時(shí)數(shù)(圖2b)呈變短趨勢(shì)(氣候傾向率為-1.15℃/年)。其中， 1976年日照時(shí)數(shù)達(dá)到研究時(shí)段的最小值為1 776.12℃， 1995年達(dá)到研究時(shí)段的最大值，為2 298.90℃。圖2c可以看出，玉米生育期潛在蒸散量波動(dòng)強(qiáng)烈， 1961～1993年，總體呈減少趨勢(shì)； 1993～2013年，總體呈增加趨勢(shì)。其中， 1972年，玉米生育期潛在蒸散量達(dá)到研究時(shí)段的最小值，為778.28mm， 2000年達(dá)到研究時(shí)段的最大值，為995.55mm。

圖2 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的年際變化特征注：a.降水量(P)、b.日照時(shí)數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對(duì)濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.2 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥耐蛔兲卣?/h3>

為了探究塔城市玉米生育期降水量的突變特征，基于Mann-Kendall 法計(jì)算塔城市降水量的時(shí)間序列的正序列的UFk(黑色粗線)和反序列的UBk(黑色細(xì)線)。取顯著水平α=0.05情況下臨界值為±1.96(圖中黑色虛線)。圖3a、3b、3c可以看出，玉米生育期降雨量、日照時(shí)數(shù)和潛在蒸散量不存在明顯的突變。這是由于UFk和反序列的UBk曲線雖然有多個(gè)交點(diǎn)，但未達(dá)到顯著水平。圖3d可以看出，塔城市玉米生育期在1980年發(fā)生濕潤(rùn)化突變。圖3e表明平均風(fēng)速在1997年發(fā)生突變。相對(duì)濕度(圖3f)在2008年發(fā)生減少突變，這與文中相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的研究結(jié)果有所不同。由于相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)是基于降水量和潛在蒸散量計(jì)算而得，是多種氣象因子共同作用的結(jié)果，而相對(duì)濕度僅僅是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，兩者截然不同。平均最高氣溫在1996年發(fā)生增加突變，隨后在2001年達(dá)到0.05顯著水平(圖3g)。平均最低氣溫未達(dá)到顯著水平，因此未發(fā)生明顯的突變(圖3h)； 平均氣溫在1995年發(fā)生增加突變，隨后在1997年達(dá)到0.05顯著水平(圖3i)； 玉米生育期積溫在1995年發(fā)生增加突變，隨后在1997年達(dá)到0.05顯著水平(圖3j)。

圖3 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的突變特征注：a.降水量(P)、b.日照時(shí)數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對(duì)濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

圖4 1961～2013年塔城市玉米生育期各氣象因子的小波分析注：a.降水量(P)、b.日照時(shí)數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對(duì)濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.3 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥闹芷谔卣?/h3>

為探究玉米生育期各個(gè)氣候要素的年際和年內(nèi)周期變換特征，采用 Morlet小波變換進(jìn)行分析研究，其分布如圖4，圖中實(shí)線表示正位相，即實(shí)部值大于0，虛線則反之，小波的實(shí)線和虛線波動(dòng)表征了玉米生育期的降水量偏豐和偏枯交替變化特征。圖4a、圖4b、圖4c和圖4f可以看出，塔城市玉米生育期降水、日照時(shí)數(shù)、潛在蒸散量和相對(duì)濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30的大周期貫穿整個(gè)研究時(shí)段，經(jīng)過(guò)了偏長(zhǎng)—偏短—偏長(zhǎng)一次周期變換，日照時(shí)數(shù)處于偏長(zhǎng)期，在1975～1995年處于偏短期。15年的小周期僅存在于1970～2005年，經(jīng)歷了偏短—偏長(zhǎng)—偏短的一次周期變換過(guò)程。玉米生育期干濕(圖4d)存在17年的大周期和3～5年的小周期。17年的大周期經(jīng)歷了偏濕—偏干—偏濕的兩次變換過(guò)程，其中，在1961～1971年、1981～1991年和2003～2013年處于偏濕期，在其他研究時(shí)段處于偏干期。3～5年的周期則存在多次的變換。風(fēng)速(圖4e)存在30年的大周期和15年的小周期特征。其中， 30年的周期為第一主周期，表征了風(fēng)速偏大—偏小的變換過(guò)程。在1961～1975年和1995～2010年， 15年的小周期存在于1970～2005年，且經(jīng)過(guò)了一次周期變換過(guò)程。平均最高氣溫存在兩個(gè)尺度的周期特征(圖4g)； 其中， 30年的大周期經(jīng)歷了偏高(1961～1975年)—偏低(1975～1995年)—偏高(1995～2014年)的變化過(guò)程； 同時(shí)，在1965～2005年還存在15年的小周期。平均最低氣溫具有獨(dú)特的周期特征，存在15～20年的周期和6～7年的周期特征(圖4h)； 其中， 15～20年的周期經(jīng)歷了偏高—偏低—偏高兩次變換過(guò)程，在1961～1966年、1975～1987年和2000～2013年處于偏高期，其他研究時(shí)段處于偏低期； 6～7年的小周期經(jīng)歷了多次變換。平均氣溫(圖4i)30年周期尺度在1961～1975年和1995～2013年處于偏低期，在1975～1995年處于偏高期； 在1961～2005年，生育期平均氣溫存在11～15年的周期，其中，經(jīng)歷了偏高—偏低—偏高兩次循環(huán)變化的過(guò)程，小尺度周期上，生育期平均氣溫存在5～7年的周期特征。與生育期平均氣溫周期尺度大致相當(dāng)，積溫也存在30年的大周期和15年的小周期特征(圖4j)； 30年周期來(lái)看，積溫經(jīng)歷了偏大(1961～1976年)—偏小(1976～1996年)—偏大(1996～2013年)的變化過(guò)程。中尺度周期(15年)可以看出，塔城市的積溫經(jīng)歷了偏小—偏大—偏小的變化過(guò)程。基于積溫的周期尺度變化，可以看出，未來(lái)幾年，塔城市積溫仍處在偏大期，但在周期內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減少的變化特征。

3 結(jié)論和討論

1961～2013年塔城市的溫度(平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫)都呈明顯的增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為0.03℃/年、0.03℃/年和0.09mm/年； 積溫也呈明顯的增加趨勢(shì)，其中，在1993年達(dá)到研究時(shí)段的最低值，為14.79℃/年； 在1997年達(dá)到研究時(shí)段的最大值，為18.99℃/年； 降水量有微弱增勢(shì)，氣候傾向率僅為0.09℃/年； 日照時(shí)數(shù)波動(dòng)特征有明顯的時(shí)段性，在1961～2000年波動(dòng)較大，在2000～2013年波動(dòng)較短； 相對(duì)濕度減少趨勢(shì)明顯，但具有明顯的時(shí)段性； 在1961～1990年，略有減少趨勢(shì)，在1991～2013年，減少趨勢(shì)明顯； 干濕的年際變化特征表現(xiàn)為玉米生育期略有濕潤(rùn)化。

過(guò)去52年來(lái)，主要?dú)庀笠蜃咏涤炅?、日照時(shí)數(shù)、潛在蒸散量無(wú)明顯的突變發(fā)生，平均風(fēng)速在1997年發(fā)生突變，而相對(duì)濕度在2008年發(fā)生減少突變趨勢(shì)； 塔城市玉米生育期平均最高氣溫、積溫大致存在兩個(gè)尺度的周期特征， 30年的大周期和15年的小周期； 平均最低氣溫和平均氣溫存在大周期變化嵌套著小周期的變化，存在15～20的周期和6～7年的周期特征； 生育期相對(duì)濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30年的大周期貫穿整個(gè)研究時(shí)段，經(jīng)過(guò)了偏大—偏小—偏大一次周期變換。15年的周期僅僅存在于1970～2005年，經(jīng)歷了偏小—偏大—偏小的一次周期變換過(guò)程。

在全球變暖特別是20 世紀(jì)后半葉變暖異常突出的背景下，區(qū)域響應(yīng)明顯，積溫增加、氣候帶北移、作物生長(zhǎng)期變長(zhǎng)[18-19]。熱量是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最為重要的因素之一，因此農(nóng)業(yè)成為了氣候變化反應(yīng)最為敏感的行業(yè)之一。作物生育期氣象因子變化與作物生育期的長(zhǎng)短、產(chǎn)量等密切相關(guān)。氣候變化為塔城市玉米種植提供了有利條件，種植玉米成為一項(xiàng)有效的適應(yīng)措施。氣象因子對(duì)作物存在一定的影響，積溫關(guān)乎作物的生長(zhǎng)發(fā)育，影響作物熟制。塔城市積溫呈明顯的增加趨勢(shì)，這與阿布都克日木·阿巴司等[20]的研究結(jié)果取得一致，使得塔城市發(fā)展玉米種植具有很大的生產(chǎn)潛力，有利于塔城市復(fù)播玉米或套種玉米的耕作制度的實(shí)施，提高玉米產(chǎn)量[21-22]。此外，風(fēng)速、氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水等因素的變化關(guān)系著潛在蒸散量的變化，進(jìn)而與區(qū)域干濕演變，尤其是作物生育期作物水分匱缺、灌溉等密切相關(guān)，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。生育期是玉米生長(zhǎng)發(fā)育的重要和基本特征。經(jīng)過(guò)對(duì)玉米生育期干濕的年際變化特征分析得到，過(guò)去53年相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢(shì)較微弱。但是，濕潤(rùn)指數(shù)有明顯的時(shí)段性特征，玉米生育期略有濕潤(rùn)化有助于玉米種植生長(zhǎng)，也有利于塔城的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益提高。在此基礎(chǔ)上研究塔城市玉米生育期變化的影響，并制定出有針對(duì)性的氣象服務(wù)方案，確保玉米生產(chǎn)過(guò)程中能趨利避害，以期實(shí)現(xiàn)玉米生產(chǎn)過(guò)程高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。但是，該研究?jī)H探究了玉米生育期氣候要素的變化，而未考慮對(duì)作物生育期和產(chǎn)量有至關(guān)重要作用的水分匱缺、干旱等要素的演變。因此，綜合考慮下墊面要素和氣象要素以及作物特性，探究生育期氣候要素變化以及產(chǎn)量的影響，有待進(jìn)一步研究。

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