干旱對(duì)阜新糧食產(chǎn)量的影響研究*

馬曉剛，李 凝，周 斌，李 輯，孫 可，劉 繼，左 壯

(1.阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110116)

阜新位于遼寧省西部，地勢西高東低，淺山丘陵占總面積的60%，光照、熱量充足，降水時(shí)空分布不均，有“十年九旱”之稱。阜新人均耕地面積是全省平均的2倍，是全國人均耕地面積的4倍，糧食播種面積約占90%以上，玉米占80%以上。

研究表明，干旱是導(dǎo)致糧食減產(chǎn)的最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[1]。旱災(zāi)對(duì)阜新糧食生產(chǎn)的影響具有頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、減產(chǎn)嚴(yán)重、甚至絕收等特點(diǎn)。阜新是農(nóng)業(yè)氣候干旱較為嚴(yán)重的地區(qū)，在整個(gè)生長季中，有春、夏、秋三季連旱，有春夏、春秋和夏秋二季干旱，還有春、夏、秋季單一季節(jié)的干旱。其中，重特大干旱對(duì)阜新糧食產(chǎn)量影響最為嚴(yán)重。阜新是一個(gè)“靠天吃飯，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”地區(qū)，受干旱氣候影響，阜新地區(qū)的糧食產(chǎn)量存在著很大不穩(wěn)定性，最高糧食總產(chǎn)在28億kg以上，最低總產(chǎn)在6億kg以下。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及全球糧食安全問題的突出，阜新市充分利用土地資源優(yōu)勢，不斷擴(kuò)大糧食生產(chǎn)規(guī)模和能力，已成為遼寧省主要糧食生產(chǎn)基地之一。如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)播種，穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)及合理調(diào)整農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)是阜新現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。在氣象為政府決策服務(wù)中,干旱決策服務(wù)是重中之重。為更好的開展為農(nóng)業(yè)服務(wù)工作，找出阜新農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生規(guī)律及對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，是本研究的目的所在。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料主要來源于阜新氣象、農(nóng)業(yè)、統(tǒng)計(jì)等部門2000-2017年全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)旱情、降水量及糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。2000-2017年，阜新經(jīng)歷了最嚴(yán)重干旱導(dǎo)致的嚴(yán)重減產(chǎn)年及豐沛的降水帶來的歷史大豐收年，資料有較好的代表性和完整性。

1.2 研究方法

將阜新農(nóng)業(yè)生長季的干旱時(shí)段分為一季干旱(春、夏、秋)，二季干旱(春夏，夏秋和春秋)，及三季連旱(春、夏、秋)三類；從干旱程度上，分為特旱、重旱、中旱、輕旱、不旱五種。通過對(duì)生長季不同時(shí)段、不同干旱程度條件下的旱情與阜新地區(qū)糧食產(chǎn)量之間的關(guān)系、降水量與產(chǎn)量的相關(guān)性、降水量對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率及適宜不同產(chǎn)量的降水量范圍等進(jìn)行分析，得出干旱對(duì)阜新糧食產(chǎn)量影響結(jié)論。

2 干旱對(duì)阜新糧食產(chǎn)量的影響

2.1 生長季干旱的發(fā)生規(guī)律

為定量化分析2000-2017年阜新干旱的發(fā)生規(guī)律，將各季不同干旱程度賦予數(shù)值，如：不旱為0、輕旱為1、中旱為2、重旱為3、特旱為4，那么將歷年各季所賦予的數(shù)值相加，構(gòu)成了阜新生長季干旱強(qiáng)度指數(shù)。通過分析各年干旱強(qiáng)度變化，從而得出了阜新2000-2017年阜新干旱發(fā)生的基本規(guī)律。結(jié)果顯示：阜新重特大干旱存在大小周期。小周期有3年、6年，與李新旺等[2]研究的糧食產(chǎn)量波動(dòng)周期相近；大周期15年,與呂彥彬等[3]研究的我國旱災(zāi)平均周期約14.25年相近。分析中發(fā)現(xiàn)，阜新干旱年多有連續(xù)性。一般最長連續(xù)干旱4～5年，發(fā)生在大周期內(nèi)；最短連續(xù)1～2年，發(fā)生在小周期內(nèi)。從2000-2017年阜新共出現(xiàn)1個(gè)干旱大周期，三個(gè)干旱小周期，其中，3年周期出現(xiàn)1次，6年周期出現(xiàn)2次。大周期為2000-2015年，小周期有2000-2006年，2006-2009年，2009-2015年(圖1、表1)。

圖1 2000-2017年阜新糧食總產(chǎn)與干旱強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系

從春、夏、秋各季旱情發(fā)生規(guī)律看，春季重特大干旱有6年，占各年的33.3%，其中，重旱年占11.1%，特旱年占22.2%；夏季重特大干旱年有8年，多于春季，占各年的44.4%，其中，重旱年占33.3%，特旱年占11.1%；秋季重特大干旱年有5年，少于春季和夏季，占各年的27.8%，其中，重旱年占16.7%，特旱年占11.1%。說明，春季特大干旱幾率最大，夏季重旱幾率最大；夏季重特大干旱幾率最大，秋季重特大干旱幾率最小。春、夏、秋各季重特大干旱幾率比為3∶4∶3。其中，春、夏、秋各季重旱幾率比為2∶5∶3，特旱幾率比為5∶2.5∶2.5。說明，夏季重旱多，春季特旱多。

從年度旱情發(fā)生規(guī)律看,重特大干旱年(1季最重為重度或特大干旱)有12年，占66.6%，中輕旱年(1 季最重為中度或輕度干旱)有3年，占16.7%，不旱年有3年，占16.7%，重特大干旱年、中輕干旱年、不旱年之間的比為6.6∶1.7∶1.7。說明阜新地區(qū)10年中有8.3年旱，證明了傳統(tǒng)說法阜新地區(qū)“十年九旱”與實(shí)際非常接近。

從不同時(shí)段旱情發(fā)生規(guī)律看，春、夏、秋連續(xù)重特大干旱有2年，占11.1%，二季重特大干旱有3年，占16.7%，一季重特大干旱有7年，占38.9%，它們之間的比例為1.7∶2.5∶5.8。說明，生長季中，一個(gè)季節(jié)發(fā)生重特旱的幾率最大。

2.2 干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及作物長勢的影響

在糧食作物生長季，嚴(yán)重的春旱、夏旱及秋旱對(duì)作物正常生長發(fā)育和產(chǎn)量均有明顯影響。主要原因是，當(dāng)生長季出現(xiàn)少雨干旱時(shí)，作物細(xì)胞擴(kuò)張生長動(dòng)力不足，影響光合作用和養(yǎng)分輸送，植株矮??；同時(shí)，當(dāng)生長季盛期時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，對(duì)抽穗、受粉影響很大，最終導(dǎo)致糧食嚴(yán)重減產(chǎn)。如2003年、2017年，阜新發(fā)生了歷史罕見的春播期特大干旱，旱情一直持續(xù)到6月18日，均在6月19日出現(xiàn)有效降水，雨后播種，正常播種期被推遲50 d以上，盡管播種以后降水增加，長勢良好，但因作物生育期不足，出現(xiàn)籽粒成熟度下降，不飽滿現(xiàn)象，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。又如2007年、2016年，阜新發(fā)生了夏初持續(xù)嚴(yán)重高溫干旱，出現(xiàn)玉米等作物葉片萎縮、干枯現(xiàn)象，影響了作物正常生長，植株矮小，或出現(xiàn)過早成熟；盡管后期降水增多，作物生長得到一定恢復(fù)，但直接影響后期發(fā)育，同樣導(dǎo)致植株矮小、穗小，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。2014年、2015年，阜新連續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重伏旱，出現(xiàn)生長量不足、穗小禿尖現(xiàn)象，導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)。如 2009年夏秋連續(xù)重旱，葉片卷縮，部分干枯，嚴(yán)重減產(chǎn)。如2000年、2001年阜新出現(xiàn)了春、夏、秋連續(xù)重特大干旱，并伴有持續(xù)高溫少雨時(shí)段，植株生長緩慢或不長、葉片干枯，甚至植株死亡，部分毀種；糧食作物出現(xiàn)籽粒不飽滿、干癟現(xiàn)象，造成嚴(yán)重減產(chǎn)，幾乎絕收，歷史罕見(表1)。

2.3 干旱對(duì)糧食產(chǎn)量影響

研究表明，農(nóng)作物生長季旱情是造成阜新糧食嚴(yán)重減產(chǎn)的最重要影響因素(表1，表2，圖1、圖2)。

分析表明，阜新糧食總產(chǎn)與生長季干旱強(qiáng)度指數(shù)成反比，相關(guān)系數(shù)為0.894,通過了P<0.001的顯著性檢驗(yàn)(圖1)。阜新糧食總產(chǎn)方程為Y=26.697-1.657X，X為生長季干旱強(qiáng)度指數(shù)。利用2000-2017年阜新生長季干旱強(qiáng)度模擬了阜新糧食總產(chǎn)歷史演變。結(jié)果表明，糧食總產(chǎn)平均絕對(duì)誤差為僅2.3億kg，有較好的實(shí)用價(jià)值，可為阜新糧食產(chǎn)量評(píng)估和預(yù)報(bào)提供重要科學(xué)依據(jù)。

同時(shí)，旱情的時(shí)間分布及強(qiáng)度對(duì)阜新糧食產(chǎn)量有重要影響(表1)。當(dāng)出現(xiàn)春、夏、秋一季中旱以下旱情時(shí)，糧食產(chǎn)量年景為8～10成年，其中，中度秋旱8成年，中度春旱9成年，不旱年為10成年；當(dāng)出現(xiàn)春、夏、秋季一季重特大干旱時(shí)，糧食產(chǎn)量年景為6～7成年，其中，夏旱年景為6成年，春旱年景為7成年；當(dāng)出現(xiàn)春秋或夏秋二季重特大干旱時(shí)，春秋和夏秋糧食產(chǎn)量年景為5～6成年；春、夏、秋三季連續(xù)重特大干旱，糧食年景為2～3成年,幾乎絕收?？傊?，不旱年份總產(chǎn)量最高，位列第1，一季中度以下干旱年份總產(chǎn)量位列第2，兩季重特大干旱年份總產(chǎn)量位列第3，三季重特大干旱年總產(chǎn)量最低，位列第4。旱災(zāi)造成糧食嚴(yán)重減產(chǎn)，同時(shí)，也在經(jīng)濟(jì)上受到嚴(yán)重?fù)p失。以無旱年的實(shí)際產(chǎn)量為基點(diǎn)[4]，2000-2017年，因旱災(zāi)，每年阜新地區(qū)糧食總產(chǎn)量比特大豐收年平均減產(chǎn)5.6億kg。2014-2017年阜新連續(xù)大旱，共減產(chǎn)40億kg以上，年平均減產(chǎn)10億kg以上，其中玉米占絕大比例，按玉米當(dāng)前價(jià)格1.6元/kg，近4年因嚴(yán)重干旱平均每年經(jīng)濟(jì)損失16億元。2000-2017年間，阜新糧食減產(chǎn)最嚴(yán)重的是2000年，減產(chǎn)22億kg，玉米平均單產(chǎn)僅102kg，幾乎絕收。

表1 2000-2017年阜新生長季旱情、影響與糧食產(chǎn)量

表2 2000-2017年干旱對(duì)阜新糧食產(chǎn)量影響評(píng)估

表3 2000-2017年不同時(shí)段阜新各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量/mm

表4 2000-2017年阜新糧食產(chǎn)量與不同時(shí)段各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量的相關(guān)系數(shù)

圖2 2000-2017年阜新生長季不同時(shí)段重特大干旱與糧食產(chǎn)量的變化

2.4 糧食產(chǎn)量與降水量的關(guān)系

2.4.1 糧食產(chǎn)量與降水量相關(guān)分析

“水是生命之源”。農(nóng)作物從播種到成熟，除滿足必要的光、熱條件外，還要滿足較適宜的需水量，作物才能生長旺盛，獲得豐收；否則，產(chǎn)量和品質(zhì)均會(huì)受到不利影響。對(duì)阜新地區(qū)來說，不是每年都是“風(fēng)調(diào)雨順”的，而更多的是出現(xiàn)不同程度的旱情及波動(dòng)的糧食產(chǎn)量。分析表明，降水量及時(shí)空分布是決定阜新干旱的最重要因素。多數(shù)年份生長季降水量基本反映旱澇趨勢。也有極少數(shù)年份，階段性嚴(yán)重干旱發(fā)生在月或季降水量偏多的時(shí)候，并出現(xiàn)旱災(zāi)，在相關(guān)分析中不易被發(fā)現(xiàn)，說明有時(shí)月季降水量很難反映出降水在時(shí)空上的分配[5]。如2016年7月上中旬嚴(yán)重少雨干旱，但7月降水量卻異常偏多，階段性干旱又導(dǎo)致糧食嚴(yán)重減產(chǎn)。所以，將降水量和實(shí)際旱情影響共同分析，更能全面、客觀的反映干旱氣候?qū)Ω沸录Z食產(chǎn)量影響。為了考察生長季不同時(shí)段降水量對(duì)糧食產(chǎn)量的影響程度，對(duì)2000-2017年阜新玉米平均單產(chǎn)、糧食總產(chǎn)與不同時(shí)段全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)(表1，表3，表4)，結(jié)果顯示，在生長季各時(shí)段中,阜新玉米平均單產(chǎn)與6-8月降水量相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)為0.836，其次是與9-10月降水量，相關(guān)系數(shù)為0.663；在生長季各月中,阜新玉米平均單產(chǎn)與7月降水量相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)為0.564，其次是與9月降水量，相關(guān)系數(shù)為0.486。阜新糧食總產(chǎn)與3-10月降水量相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)為0.814，其次是與6-8月降水量，相關(guān)系數(shù)為0.792；在生長季各月中,阜新糧食總產(chǎn)與7月降水量相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)為0.628，其次是與9月降水量，相關(guān)系數(shù)為0.518。因?yàn)?月正值玉米等糧食作物受粉、開花的關(guān)鍵生育期，9月是糧食作物干物質(zhì)積累和形成產(chǎn)量的關(guān)鍵生育期。

表5 阜新糧食產(chǎn)量年景與旱情關(guān)系指標(biāo)

2.4.2 降水量對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率

阜新地區(qū)屬于“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”地區(qū),所以,當(dāng)耕地面積、種子、肥料、生產(chǎn)方式、田間管理等變化較小的情況下，降水量成為影響糧食產(chǎn)量的根本因素。孫彥坤等[6]對(duì)不同時(shí)期水分對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行了分析和研究，揭示了不同時(shí)期降水量對(duì)作物生長和產(chǎn)量的影響。為定量分析阜新生長季降水量對(duì)糧食總產(chǎn)的平均貢獻(xiàn)率，將歷年最低產(chǎn)量年作為糧食產(chǎn)量和降水量的起點(diǎn)年，與特大豐收年的糧食總產(chǎn)量和生長季降水量進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明，阜新4-9月生長季降水量對(duì)糧食總產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率為0.088億kg/mm。

3 旱情與糧食產(chǎn)量年景評(píng)估

根據(jù)2000-2017年阜新干旱對(duì)糧食產(chǎn)量的影響規(guī)律，得出了阜新糧食年景、旱情、生長季干旱強(qiáng)度指數(shù)及適宜降水量的關(guān)系(表5)?？梢源藶閰⒖家罁?jù)，為未來糧食產(chǎn)量年景及定量化的產(chǎn)量預(yù)報(bào)提供依據(jù)。張琪等[7]研究指出，遼寧A類地區(qū)干旱是影響玉米產(chǎn)量的主要因素；張淑杰等[8]研究遼寧地區(qū)玉米耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系結(jié)論指出，當(dāng)耗水量達(dá)到400～600 mm時(shí)，玉米能夠獲得高產(chǎn)，這與本研究結(jié)論是一致的。2000-2017年阜新糧食產(chǎn)量年景與旱情和降水量關(guān)系表，共七級(jí)，包括特大豐收年、大豐收年、豐收年、平年、歉收年、嚴(yán)重歉收年、絕收年。年初可利用年度、夏季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量的預(yù)測值對(duì)當(dāng)年糧食產(chǎn)量年景進(jìn)行預(yù)估，也可在8月底利用前期旱情及夏季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量實(shí)況對(duì)當(dāng)年糧食產(chǎn)量年景進(jìn)行更精準(zhǔn)定量預(yù)估。

4 結(jié)論

對(duì)2000-2017年阜新農(nóng)作物生長季干旱與阜新糧食產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行了分析和研究。得出的結(jié)論是：

(1)阜新干旱存在大小周期。小周期有3年、6年，大周期15年。一般最長連續(xù)干旱4～5年，最短干旱1～2年。說明，阜新干旱多連續(xù)性。

(2)春、夏、秋各季重特大干旱幾率比為3∶4∶3。其中，春、夏、秋各季重旱幾率比為2∶5∶3，特大干旱幾率比為5∶2.5∶2.5，說明，夏季重旱偏多，春季特大干旱偏多。

(3)當(dāng)一季及以上出現(xiàn)干旱時(shí)為一個(gè)干旱年，重特大干旱、中輕旱、不旱的幾率比為7∶2∶1。說明，重特大干旱年明顯偏多。

(4)三季連續(xù)重特大干旱、二季重特大干旱、一季重特大干旱之間的幾率比為1.7∶2.5∶5.8。說明，一季發(fā)生重特大干旱的幾率最大。

(5)當(dāng)出現(xiàn)春、夏、秋三季連續(xù)重特大干旱時(shí)，阜新糧食總產(chǎn)歷年最低；當(dāng)出現(xiàn)春秋或夏秋二季重特大干旱時(shí)，夏秋季重特大干旱糧食總產(chǎn)最低，其次是春秋；當(dāng)出現(xiàn)春、夏或秋季一季重特大干旱時(shí)，夏旱產(chǎn)量最低。

(6)中輕度干旱年，糧食年景為8～10成年；一季重特大干旱年，糧食年景為6～7成年；二季重特大干旱年，糧食年景為5～6成年；三季重特大干旱年，糧食年景為2～3成年。

(7)最嚴(yán)重干旱年，糧食減產(chǎn)約22億kg，中等干旱年糧食減產(chǎn)8～12億kg，輕度干旱年糧食減產(chǎn)3～5億kg。

(8)阜新糧食總產(chǎn)量與全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)3-10月平均降水量相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.814；玉米平均單產(chǎn)與全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)6-8月平均降水量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.836。

(9)阜新生長季降水量對(duì)糧食總產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率為0.088億kg/mm。