新源縣1981-2018年氣候變化特征及其對春玉米的影響

嚴(yán) 華 晏中文 雷 杰

（新源縣氣象局，835800，新疆新源）

氣候變暖已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第5次評(píng)估報(bào)告（2013年）指出，過去30年地球表面溫度比1850年以來的任何一個(gè)10年都高，未來高溫極端事件可能會(huì)大幅增加[1]；降水多的地區(qū)和降水少的地區(qū)之間的差異與季節(jié)上的差異會(huì)有所增加[2]。中國從20世紀(jì)70年代開始全國平均氣溫呈明顯上升趨勢，全國平均降水量變化趨勢不明顯，但降水量的變化有明顯的區(qū)域特征[3]。中國西北地區(qū)是全國氣候變暖最明顯的地區(qū)之一，降水量趨勢變化空間差異明顯[3-4]。有學(xué)者[5]研究表明新疆氣溫及降水在時(shí)空上呈增長趨勢，日照時(shí)數(shù)近幾十年呈減少趨勢[6]。自20世紀(jì)80-90年代以來，北疆大部分地區(qū)氣溫顯著上升，熱量資源明顯增加，降水量和日照變化與新疆整體變化趨勢相同[7-10]。

農(nóng)業(yè)易受氣候變化影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系著國計(jì)民生，其中糧食作物安全尤為重要。氣候變化影響并制約著糧食作物的生長與產(chǎn)量。我國幅員遼闊，南北和東西氣候差異較大，各地氣候變化及其對當(dāng)?shù)丶Z食作物的影響也呈現(xiàn)出地域性和多樣性。黃耀[11]指出，溫度升高利于中、高緯度水稻生產(chǎn)，但導(dǎo)致低緯度地區(qū)水稻減產(chǎn)；玉米對氣候變暖的敏感性高于小麥。崔耀平等[12]分析認(rèn)為，2000-2013年中國夏玉米和冬小麥各主要發(fā)育期呈一定程度延后，全國多數(shù)站點(diǎn)這兩種作物生育期歷時(shí)與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系。吳海燕等[13]指出東北主要農(nóng)作物生長季溫度升高為作物的光溫生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量的提高提供了潛在的可能，但水資源和光照的限制及CO2濃度的增加引發(fā)的溫室效應(yīng)對農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。玉米是我國重要的三大糧食作物之一，不少學(xué)者針對當(dāng)?shù)貧夂蜃兓瘜τ衩椎挠绊懽隽藢ｉT研究。王潤元等[14]研究西北干旱區(qū)玉米對氣候變暖的響應(yīng)表現(xiàn)在生長季提前和生長期縮短，但營養(yǎng)生長期縮短，生殖生長前期延長，后期縮短。馬雪晴等[15]研究結(jié)果表明，降水和光照是華北平原夏玉米氣象產(chǎn)量的主要影響因子。張濤[16]對西北干旱區(qū)春玉米利用Box-Behnken試驗(yàn)法，建立了各氣象因子與產(chǎn)量和生物量的回歸模型（P＜0.0001），認(rèn)為氣溫對春玉米產(chǎn)量和生物量影響大于降雨量的影響。干旱、高溫單一氣候因素的變化會(huì)造成春玉米產(chǎn)量下降，但減產(chǎn)率不顯著，復(fù)合脅迫的影響超過單一變量[17]。

新疆是我國最大的自治區(qū)，山脈與盆地相間排列，地貌獨(dú)特，各地氣候差異明顯，變化趨勢不一而足。素有“草原明珠”美譽(yù)的新源縣位于降水較多的北疆伊犁河谷，是灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，玉米是新源縣重要的糧食作物。本研究就新源縣氣候、春玉米生育期及產(chǎn)量特點(diǎn)，對影響春玉米的關(guān)鍵氣候因子作了分析，以期為當(dāng)?shù)赜衩讘?yīng)對氣候變化與穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新源縣（82°28′～84°57′E、43°01′～43°40′N）位于新疆北部的伊犁哈薩克自治州東部，素有“天山濕島”之稱。地形東高西低、三面環(huán)山、西部敞開，全縣總面積7 581km2，海拔792～4 621m，屬于溫帶大陸半干旱氣候。

1.2 材料來源及分析方法

選用新源縣國家一般氣象站（83°18′E，43°27′N）1981-2018年不同時(shí)段的平均氣溫、平均最高最低氣溫、極端最高最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等觀測資料。春玉米發(fā)育期數(shù)據(jù)來自該站觀測資料，采用人工目測和百分比統(tǒng)計(jì)方法記錄，選取播種期、出苗期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期、成熟期6個(gè)主要發(fā)育期分析。春玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自新源縣統(tǒng)計(jì)局。

玉米品種：20世紀(jì)80年代本站觀測玉米品種主要是維爾系列雙交種。90年代前期品種為伊單5號(hào)（A619×武105），屬于改良Reid群×330亞群雜優(yōu)模式。1997-2013年主要品種伊單10號(hào)（242×Mo17）和2014年后的新玉38號(hào)（1006×B284）都屬于改良Reid群×Mo17亞群雜優(yōu)模式。伊單和新玉38號(hào)系列均是伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所自育品種，具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗倒伏、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

通過線性回歸系數(shù)求出各氣象要素的氣候傾向率。采用M-K突變檢驗(yàn)方法[18-19]進(jìn)行氣象要素變化趨勢檢驗(yàn)。玉米的氣象產(chǎn)量等于實(shí)際產(chǎn)量減去時(shí)間趨勢產(chǎn)量，時(shí)間趨勢產(chǎn)量用的是5年滑動(dòng)平均值[20]，濾去了波動(dòng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 新源縣氣候特征

2.1.1 新源縣氣候年變化 新源縣1981-2018年多年平均氣溫9.5℃，年降水量529.1mm，年日照時(shí)數(shù)2 748.0h。近38年氣溫、年降水量、日照時(shí)數(shù)總體呈上升趨勢（圖1），氣候傾向率分別為0.43℃/10a（R2=0.4068，P＜0.001）、22.98mm/10a（R2=0.0451，P=0.20）、15.51h/10a（R2=0.0209，P=0.386）。氣溫變化最顯著，38年上升了1.6℃；年降水量與日照時(shí)數(shù)增加不明顯。

圖1 新源縣1981-2018年平均氣溫（a）、年降水量（b）、年日照時(shí)數(shù)（c）變化Fig.1 Changes of annual average temperature (a), annual precipitation (b) and annual sunshine hours (c) in Xinyuan County during 1981-2018

M-K趨勢檢驗(yàn)可以檢驗(yàn)要素是否發(fā)生突變以及突變發(fā)生時(shí)間。溫度突變檢驗(yàn)圖中（圖2a）UF(k)與UB(k)兩線于1997年和1999年相交，隨后UF(k)線于2002年以后超過了a=0.05顯著性水平臨界線（U0.05=±1.96），2005年開始超過a=0.01水平臨界線（U0.01=±2.58）。結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)1997年前后氣溫的平均值，確定新源縣年平均氣溫于1997年發(fā)生了突變，突變前是8.9℃，突變后為9.9℃，上升了1.0℃。

對降水量進(jìn)行M-K趨勢檢驗(yàn)，圖2b中UF(k)與UB(k)線在a=0.05顯著水平臨界線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，說明針對降水該檢驗(yàn)方法不合適。從圖3降水量累積距平圖可以看出，新源縣年降水量在20世紀(jì)80年代前期、1989-1997年呈減少趨勢，1998年后降水量開始增加。1997年降水量累積距平絕對值最大，存在突變可能，對1997年前后降水量均值做t檢驗(yàn)，未通過顯著性檢驗(yàn)，說明降水量沒有發(fā)生突變。

圖2 1981-2018年新源縣氣象要素 M-K檢驗(yàn)Fig.2 M-K test of meteorological factors in Xinyuan County during 1981-2018

圖3 1981-2018年新源縣降水累積距平Fig.3 Precipitation accumulation anomaly in Xinyuan County during 1981-2018

圖2c中日照時(shí)數(shù)特征值的UF(k)與UB(k)兩線在a=0.05顯著水平臨界線內(nèi)相交于1988年與1994年，計(jì)算日照時(shí)數(shù)的累積距平值，確定1994年開始日照發(fā)生突變，2005年UF(k)值突破1.96界限值，2005-2015年日照時(shí)數(shù)增加顯著，近幾年增加趨勢減弱。

結(jié)合溫度、降水、日照等要素，20世紀(jì)90年代后期新源縣氣候逐漸向暖濕多光照轉(zhuǎn)變。

2.1.2 近38年玉米生長季氣候變化 新源縣春玉米平均播種期是4月下旬，9月中旬成熟，故可視其生長季為4月下旬-9月中旬。春玉米生長季內(nèi)月平均氣溫、平均最高最低氣溫、極端最高最低氣溫均呈上升趨勢（表1），月平均氣溫、平均最低氣溫上升明顯，尤其是平均最低氣溫上升極顯著（P＜0.01），4月-9月升溫幅度達(dá)到0.561～0.749℃/10a。月平均最高氣溫、極端最低氣溫于5月-7月上升顯著（P＜0.05)。各月極端最高氣溫上升趨勢未通過顯著性檢驗(yàn)。

表1 新源縣1981-2018年氣溫、降水量、日照線性傾向率Table 1 Linear tendency rates of temperature, precipitation and sunshine in Xinyuan County during 1981-2018

春玉米生長季降水量和日照時(shí)數(shù)變化趨勢不明顯，總體上均略有增加，降水量增減趨勢未通過顯著性檢驗(yàn)，日照時(shí)數(shù)僅7月增加顯著（P＜0.05）。

新源縣春玉米生長季≥10℃的平均積溫為2 942.3℃·d，近38年生長季積溫明顯增多（圖4），增加速率為85.81℃·d/10a（P＜0.001）。

圖4 1981-2018年新源縣春玉米生長季≥10℃積溫Fig.4 Growing season ≥10℃ accumulated temperature of spring maize in Xinyuan County during 1981-2018

2.2 春玉米變化特征

2.2.1 春玉米發(fā)育期變化特征 春玉米從播種期到乳熟的各主要發(fā)育期均表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢（表2），提前幅度為3.00～4.53d/10a，播種期、抽雄期提前趨勢顯著（P＜0.01），出苗期、拔節(jié)期、乳熟期提前趨勢非常顯著（P＜0.001），只有成熟期以1.24d/10a的傾向率呈不顯著延遲趨勢。

新源縣春玉米全生育期平均為142d，其中營養(yǎng)生長期（播種到抽雄）平均82d，1981-2018年間變化不顯著。生殖生長期（抽雄到成熟）平均為60d，以4.22d/10a的傾向率顯著延長（P＜0.01）。全生育期呈顯著延長趨勢，延長速率為4.79d/10a（P＜0.01）。

2.2.2 春玉米產(chǎn)量變化特征 隨著生產(chǎn)技術(shù)提高、品種改良，玉米實(shí)際產(chǎn)量每年增速為296.77kg/hm2（P＜0.001），但因?yàn)闅夂驐l件導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為波動(dòng)上升（圖5）。氣候?qū)Ξa(chǎn)量的影響即為氣象產(chǎn)量，用實(shí)際產(chǎn)量-趨勢產(chǎn)量可以得到。春玉米的氣象產(chǎn)量年際變化大，為-669～769kg/hm2，天氣氣候的影響導(dǎo)致玉米產(chǎn)量差別達(dá)到近1 500kg/hm2。氣象產(chǎn)量多年來變化趨勢不明顯，為正值的年份有15年，19年為負(fù)值，平均值為-20.69kg/hm2，說明新源縣氣候條件對玉米總體上略不利。

表2 新源縣春玉米主要發(fā)育期的變化趨勢Table 2 Change trend of main development period of spring maize in Xinyuan County

圖5 新源縣1981-2018年春玉米產(chǎn)量變化Fig.5 Yield change of spring maize in Xinyuan County during 1981-2018

2.3 氣象要素對春玉米的影響

2.3.1 氣象因子對春玉米發(fā)育期的影響 從表3可以看出玉米發(fā)育期受溫度影響比較明顯，播種期與4月平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），即4月各溫度越高，播期越早。出苗期與4月-5月、拔節(jié)期與4月-6月、抽雄期和乳熟期與4月-7月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05和P＜0.001）；乳熟期與8月平均最低氣溫顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.001）。從播種期到乳熟期，4月到當(dāng)月的平均最低氣溫對各發(fā)育期的影響最顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.7224～-0.5245（P＜0.001）。玉米生長季各月氣溫呈增加趨勢，而播種至乳熟各發(fā)育期與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這促使春玉米播種期、出苗期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期均會(huì)提前。

成熟期與5月平均氣溫、平均最低氣溫顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與9月降水量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），可以理解為5月出苗期，溫度高出苗早，后期各發(fā)育期均提前，相應(yīng)的成熟期也會(huì)提前，而9月降水多則成熟期推遲，實(shí)際上新源縣春玉米成熟期是不顯著推遲。38年來5月平均氣溫、平均最低氣溫升溫趨勢明顯（P＜0.01），9月降水量卻呈現(xiàn)減少趨勢（P＞0.05），未來成熟期可能提前。

表3 春玉米主要發(fā)育期與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between meteorological factors and main growth stages of spring maize

4月-8月的降水量對玉米發(fā)育期影響不顯著。日照時(shí)數(shù)與各發(fā)育期總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即日照長則發(fā)育期提前，但未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.3.2 氣象因子對春玉米氣象產(chǎn)量的影響 近38年來新源縣氣溫、日照時(shí)數(shù)、≥10℃積溫總體上呈上升趨勢，極端高溫?zé)o顯著變化，這對于玉米等喜溫作物有利。統(tǒng)計(jì)玉米氣象產(chǎn)量與玉米生長季溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)、≥10℃積溫的相關(guān)系數(shù)（表4），可以看出溫度中僅6月的極端高溫對玉米氣象產(chǎn)量有顯著影響（R2=0.3417，P＜0.05），其他月份的溫度、生長季≥10℃積溫與玉米氣象產(chǎn)量相關(guān)性未通過顯著性檢驗(yàn)，說明新源縣的溫度與熱量條件基本可以滿足春玉米需求。6月極端高溫變化趨勢不明顯，該要素不會(huì)引起玉米氣象產(chǎn)量大的波動(dòng)。不過6月-7月春玉米拔節(jié)期-抽雄期的平均氣溫、平均最高最低氣溫與春玉米氣象產(chǎn)量均為負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＞0.05），而6月-7月這些氣溫要素呈明顯上升趨勢，二者不匹配，這一時(shí)期的溫度條件可能會(huì)對玉米氣象產(chǎn)量造成不利影響。

表4 氣象產(chǎn)量與各氣象要素相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between meteorological yield and meteorological factors

生長季各月降水量與玉米氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系不明顯，降水量對玉米氣象產(chǎn)量影響也不大。

5月日照時(shí)數(shù)和玉米氣象產(chǎn)量的相關(guān)性較明顯（P＜0.05）。5月正處于春玉米出苗期，玉米是喜光作物，苗期對光照很敏感[21]，日照越充足發(fā)育越塊，利于長壯苗?？墒切略纯h5月日照時(shí)數(shù)增加不顯著。8月日照與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.4323，且為顯著正相關(guān)關(guān)系，8月正是玉米灌漿期，光照充足光合作用強(qiáng)利于光合產(chǎn)物的形成，增加有效穗數(shù)和百粒重，玉米籽粒飽滿，但8月日照時(shí)數(shù)變化趨勢不顯著，對于玉米增產(chǎn)不利。

3 討論

6月是新源縣春玉米拔節(jié)期前后，也是春玉米生長季增溫最明顯的月份（0.60℃/10a），該月溫度過高對春玉米的氣象產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生不利影響。拔節(jié)期春玉米需要大量的水分，鑒于此月降水變化趨勢不明顯，可以在拔節(jié)期間通過人工灌溉一方面滿足春玉米對水分的需求，另一方面也可以降低田間溫度利于增產(chǎn)。

氣候變化既有溫度、濕度、日照時(shí)數(shù)的變化，還有蒸發(fā)、風(fēng)速等要素的變化，本研究僅考慮了前者對新源縣春玉米的影響，其他要素的影響有待于進(jìn)一步研究。新源縣屬于灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，可能削弱了降水對農(nóng)作物的影響，這一點(diǎn)在研究中需要注意。

4 結(jié)論

新源縣1981-2018年氣候向溫?zé)岫喙庹辙D(zhuǎn)變，氣溫與日照出現(xiàn)突然增加現(xiàn)象，降水變化趨勢不明顯，積溫顯著增加。玉米生長季的月溫度增加趨勢大多明顯，降水量無明顯變化，個(gè)別月份日照時(shí)數(shù)明顯增加。

新源縣春玉米播種期到乳熟期各發(fā)育期均呈顯著提前趨勢，成熟期不顯著推遲，全生育期顯著延長。溫度對播種期-乳熟期發(fā)育期的影響最大，溫度越高，發(fā)育期越早；各種不同指標(biāo)的氣溫對玉米發(fā)育期的影響也不同，其中月平均最低氣溫影響最大。降水量和日照時(shí)數(shù)對春玉米發(fā)育期影響較小。春玉米的實(shí)際產(chǎn)量明顯增加，但氣象產(chǎn)量年變化大，平均氣象產(chǎn)量為負(fù)值。6月極端最高溫度、5月和8月的日照時(shí)數(shù)對春玉米氣象產(chǎn)量影響顯著，新源縣氣候條件總體來說對春玉米產(chǎn)量略不利。