氣候變化對遼寧省玉米產(chǎn)量的影響

曹永強，李玲慧，路 潔，張若凝，寧 月

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

0 引 言

中國是世界上氣候變化較為顯著的地區(qū)之一。近50年來，中國地表約增溫1.1 ℃，速率達0.25 ℃/10 a，日照時數(shù)總體減少，東部地區(qū)降水量南多北少，西部地區(qū)降水量顯著增多[1,2]。氣溫、日照和降水等氣候因素與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在較大程度上受到氣候條件的制約。玉米作為中國三大糧食作物之一，是近百年來全球種植范圍擴展最廣、產(chǎn)量增加最迅速的農(nóng)作物之一[3]。玉米是典型的喜溫、短日照及高需水量作物，其生長發(fā)育對氣溫、日照及降水要求較高，氣候的變化必然導致玉米產(chǎn)量受到影響。因此，在全球氣候變化的背景下研究氣象因子對作物產(chǎn)量的影響，對實現(xiàn)糧食高產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

當前，國內(nèi)外學者在氣象因子對作物生產(chǎn)的影響方面研究頗豐。Darwin等[4]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖使得高緯度地區(qū)的可耕作面積有所擴增，有利于作物提高產(chǎn)量。而在低緯度地區(qū)，氣候變暖加快水分蒸發(fā)使得土壤含水量減少，使糧食產(chǎn)量有所降低。Asseng等[5]研究表明，升溫2 ℃會使小麥單產(chǎn)減少一半。Lobell和Field[6]構(gòu)建了產(chǎn)量和氣象要素一階差分的回歸模型，發(fā)現(xiàn)全球小麥產(chǎn)量與生育期最低、最高氣溫均呈負相關(guān)，且這種關(guān)系不受時間影響。郝立生等[7]采用生物學模型Logistic函數(shù)分離小麥趨勢產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)近56年海河低平原地區(qū)冬小麥氣象產(chǎn)量受春季氣溫和降水影響顯著。李永華等[8]運用貝爾產(chǎn)量模式分離氣象產(chǎn)量，探究了氣象因子對重慶地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)1960-2001年重慶地區(qū)旱澇災害對玉米產(chǎn)量有嚴重影響。陳霞燕等[9]在研究吉林省玉米生產(chǎn)潛力時發(fā)現(xiàn)降水量與玉米生產(chǎn)潛力呈正相關(guān)。以往關(guān)于氣象因子對作物產(chǎn)量作用及影響的研究大都停留在較大尺度，針對遼寧省的研究較少且研究時間尺度較短無法反應(yīng)現(xiàn)狀，因此本文參閱已有研究方法及成果，分析長時間序列下(1960-2017年)遼寧省平均氣溫、日照時數(shù)和降水量的變化趨勢，并在分析玉米氣象產(chǎn)量變化趨勢的基礎(chǔ)上，研究不同生育期內(nèi)各氣象因子對玉米產(chǎn)量的影響關(guān)系，以期為合理利用氣候因素以促進當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

遼寧省地處歐亞大陸東岸、東北三省南部，屬溫帶大陸性季風氣候，年日照時數(shù)1 800～2 400 h，平均氣溫6～10 ℃，年降水量200～1 000 mm。近年來，遼寧省變暖趨勢越來越明顯，是我國氣候變化幅度最大的地區(qū)之一，其變暖程度遠超過全球的增溫水平。遼寧省是我國13個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，其降水和日照資源十分豐富，且積溫較高，氣候條件非常適宜玉米的生長發(fā)育。省內(nèi)玉米種植面積較廣，2017年玉米播種面積2 179.7 hm2，占糧食總播種面積的68.08%[10-14]。

本文所需氣象資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/wa)，包括1960-2017年遼寧省平均氣溫、日照時數(shù)、降水量等逐日氣象數(shù)據(jù)。遼寧省玉米種植面積及總產(chǎn)量數(shù)據(jù)取自《遼寧省統(tǒng)計年鑒》，時間尺度為1998-2017年。為保證空間插值精度，選取遼寧省內(nèi)分布均勻且連續(xù)性較好的23個氣象站點進行分析。遼寧省地理位置及站點分布情況如圖1所示。

圖1 遼寧省氣象站點分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

1.2 研究方法

1.2.1 氣象產(chǎn)量分離

在長時間序列作物產(chǎn)量與氣象因子關(guān)系的研究中，一般把作物實際產(chǎn)量Y分解為趨勢產(chǎn)量Yt、氣象產(chǎn)量Ym和隨機產(chǎn)量Ye3個部分[14]。計算公式如下：

Y=Yt+Ym+Ye

(1)

其中，Ye較小，一般忽略不計，則：

Ym=Y-Yt

(2)

此方法被廣泛應(yīng)用于作物氣象產(chǎn)量的研究，因此本文根據(jù)公式(2)分離玉米氣象產(chǎn)量。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，由于其樣本分布形式多樣并受突變值影響較小，因而常被用于計算類型變量和順序變量。其操作方法及具體計算步驟如下：

對于時間序列Xt先構(gòu)造秩序列Sk：

(3)

(4)

其次，計算統(tǒng)計量UFk：

(5)

其中，E(Sk)和Var(Sk)是秩序列Sk的期望和方差。本文借助MATLAB軟件繪制UF和UB曲線，給定顯著性水平α=0.05(u0.05=±1.96)，當曲線超過臨界值線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為突變的時間區(qū)域。若兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點，則該點對應(yīng)的時間為突變開始時間[15]。以此方法對近58年遼寧省主要氣象因子變化趨勢進行突變檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省氣候變化趨勢

2.1.1 平均氣溫變化趨勢

1960-2017年遼寧省平均氣溫變化趨勢及Mann-Kendall突變檢驗如圖2、3所示，分析可知，近58年遼寧省平均氣溫以0.21 ℃/10 a的速率顯著增長(p<0.05)。其中，最高值出現(xiàn)在2007年，為9.83 ℃；1969年為最低值6.97 ℃，二者相差超過3 ℃。由圖3可知，1995年后UF曲線超過0.05顯著性水平臨界線，表明此增暖趨勢開始顯著。另外，由UF和UB曲線的交點可知1988年起增暖速率是突變上升的。此突變時間點與周曉宇[17]等研究結(jié)果總體一致，顯著增暖變化時間點與其相差一年，這可能與所選氣象站點數(shù)據(jù)資料有關(guān)。

圖2 平均氣溫年際間變化趨勢Fig.2 The annual variation trend of average temperature

圖3 平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 The Mann-Kendall mutation test of average temperature

2.1.2 日照時數(shù)變化趨勢

1960-2017年遼寧省日照時數(shù)年際間變化趨勢及Mann-Kendall突變檢驗如圖4、5所示，分析可知，近58年遼寧省日照時數(shù)顯著下降(p<0.05)，幅度達23.42 h/10 a，且在1982年發(fā)生突變。此突變發(fā)生時間與虞海燕等[18]分析所得的中國日照時數(shù)于1980年左右發(fā)生突變的結(jié)論一致。1993年開始UF曲線超過顯著性水平0.05臨界線，再次說明下降趨勢十分顯著?？諝馕廴居訃乐卦斐蓺馊苣z粒子濃度增加是導致日照時數(shù)減少的主要原因之一，另外低云量、水汽壓等也有不同程度的影響[19]。

圖4 日照時數(shù)年際間變化趨勢Fig.4 The annual variation trend of sunshine hours

圖5 日照時數(shù)Mann-Kendall突變檢驗Fig.5 The Mann-Kendall mutation test of sunshine hours

2.1.3 降水量變化趨勢

由1960-2017年遼寧省降水量年際間變化趨勢(圖6)及其Mann-Kendall突變檢驗分析(圖7)可知，近58年遼寧省降水量有多次較大幅度波動，但變化趨勢并不顯著，總體表現(xiàn)為以3.37 mm/10 a的速率減少。其中，1964年和2013年達到該序列峰值，兩年降水量均高于1 000 mm。結(jié)合歷史資料可知，2013年受“尤特”、“天兔”等臺風的影響，8月中旬遼寧省北部地區(qū)降大到暴雨，局部地區(qū)降特大暴雨，累計過程最大點雨量為撫順紅透山站465 mm，由此引發(fā)的山洪災害造成全省巨大損失[20]。另外，曲線在臨界線內(nèi)有多處交點，但只結(jié)合其年際間變化趨勢無法確定是否發(fā)生突變。武曉航等[21]利用Pettitt突變檢驗法對1958-2008年遼寧省降水量序列進行分析，結(jié)果表明期間降水量并未達到顯著突變上升或下降水平。說明近50年來遼寧省降水量未發(fā)生明顯突變。

圖6 降水量年際間變化趨Fig. 6 The inter-annual variation trend of precipitation

圖7 降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 The Mann-Kendall mutation test of precipitation

2.2 遼寧省玉米產(chǎn)量變化趨勢

從上文分析可知，總體上看，遼寧省近58年平均氣溫顯著上升，而日照時數(shù)和降水量均呈下降趨勢。玉米是喜光作物，在不同的生育期對于溫度變化較為敏感，同時作為需水量較大的作物[22]，這樣的氣候變化必然會影響其產(chǎn)量。為進一步探究該氣象條件對玉米生長的影響程度，本文基于遼寧省1998-2017年玉米總產(chǎn)量及播種面積等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用5年線性調(diào)和滑動平均法繪制其單產(chǎn)量時間擬合趨勢圖，結(jié)果如圖8所示。在此基礎(chǔ)上分離出玉米氣象產(chǎn)量，其年際間變化趨勢如圖9所示。

圖8 1998-2017年遼寧省玉米趨勢產(chǎn)量模擬Fig.8 The corn trend yield simulation in Liaoning Province from 1998 to 2017

圖9 1998-2017年玉米氣象產(chǎn)量年際間變化趨勢Fig.9 The interannual trend of corn meteorological yield from 1998 to 2017

由圖9可知，從總體上看，玉米單產(chǎn)量變化趨勢并不明顯，整體表現(xiàn)為以59.12 kg/10 a速率減少。其在年際間有很大波動，如1998-2000年單產(chǎn)量減少近7 000 kg/hm2。結(jié)合遼寧省氣候變化情況，在此期間降水量和氣溫驟減，對玉米產(chǎn)量有很大影響。另外，21世紀前玉米單產(chǎn)量持續(xù)上升，2000年后增加幅度逐漸放緩。2000-2010年玉米總產(chǎn)量增產(chǎn)較快主要是由于種植面積的擴大，單產(chǎn)量的貢獻并不突出。這與穆佳[23]的研究結(jié)果一致。另外，近20年來玉米氣象產(chǎn)量相對離散，總體上以135.28 kg/10 a速率增加。從其絕對值來看，最高值為2 295.22 kg/hm2，出現(xiàn)在2000年；最低值為2.30 kg/hm2，出現(xiàn)于2006年，兩者差值略大。同時，近20年氣象產(chǎn)量處于±600 kg/hm2之間，僅有極個別年份超過此區(qū)間，說明1998-2017年玉米氣象產(chǎn)量無顯著變化趨勢，再次證明氣象產(chǎn)量的分布形式是隨機離散的。

總的來說，近20年遼寧省玉米單產(chǎn)量在年際間波動較大，變化趨勢并不明顯；氣象產(chǎn)量較為離散，總體呈上升趨勢。

2.3 各氣象因子對玉米產(chǎn)量的影響

2.3.1 玉米生育期的劃分

為了研究各氣象因子在玉米各生長時段對其氣象產(chǎn)量的影響情況，本文依據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，將遼寧省玉米生育期劃分為：播種-出苗期(4-5月)、出苗-拔節(jié)期(5-6月)、喇叭口期(6-7月)、抽雄期(7-8月)和成熟期(8-9月)5個階段[24]。運用SPSS軟件，分析1998-2017年遼寧省玉米各生育期平均氣溫、日照時數(shù)及降水量與氣象產(chǎn)量的相關(guān)性，結(jié)果如表1所示。

表1 玉米各生育期氣象因子與氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients of meteorological factors and meteorological yield in each growth period of corn

2.3.2 氣溫對玉米產(chǎn)量的影響

結(jié)合玉米氣象產(chǎn)量與平均氣溫相關(guān)關(guān)系圖(圖10)及表1可知，從總體上看，平均氣溫與玉米氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)關(guān)系，其標準化回歸系數(shù)為39.75，并達到顯著水平(p<0.05)，說明平均氣溫對玉米產(chǎn)量影響顯著。從各生育階段看，喇叭口期和抽雄期是平均氣溫影響較大的時期，達到0.05顯著性水平。玉米在此期間進行抽雄吐絲及灌漿，對溫度要求較高。夏季溫度過高不利于玉米的開花授粉及水分的積累，而適度低溫天氣有利于玉米生長發(fā)育進而實現(xiàn)高產(chǎn)。因此喇叭口期和抽雄期是平均氣溫影響遼寧省玉米氣象產(chǎn)量的主要時段。另外，經(jīng)統(tǒng)計分析，近16年(2000-2015年)時有極端高溫天氣，造成了玉米產(chǎn)量不同程度的減少[25]。盡管近20年(1998-2017年)玉米生育期內(nèi)極端高溫天氣出現(xiàn)率不高，但其對玉米產(chǎn)量的影響不容忽視。近年來，氣候變化導致遼寧省增溫，極端高溫天氣的發(fā)生也越來越頻繁，但極端低溫天氣的出現(xiàn)率相對降低。近20年未出現(xiàn)極端低溫天氣，其對玉米產(chǎn)量的影響有待深入研究。

圖10 氣象產(chǎn)量與平均氣溫相關(guān)關(guān)系Fig.10 The correlation between meteorological yield and average temperature

2.3.3 日照時數(shù)對玉米產(chǎn)量的影響

玉米氣象產(chǎn)量與日照時數(shù)的相關(guān)關(guān)系如圖11所示，其標準化回歸系數(shù)為22.71，并達到顯著水平(p<0.05)，說明日照時數(shù)對玉米產(chǎn)量影響顯著。結(jié)合表1可知，除播種-出苗期外，其余各生長時段內(nèi)日照時數(shù)與玉米氣象產(chǎn)量均呈負相關(guān)。這是因為在播種-出苗期玉米生長需要大量日照以吸收養(yǎng)分，適當長時間日照和高強度輻射有利于玉米進行光合作用，提高凈光合生產(chǎn)率，加快細胞內(nèi)物質(zhì)和能量的輸送及轉(zhuǎn)化，從而提高產(chǎn)量。此外，日照時數(shù)在喇叭口期對玉米氣象產(chǎn)量的影響尤為顯著(p<0.05)。當日照時數(shù)在2 000～2 300 h區(qū)間內(nèi)變化時，對玉米氣象產(chǎn)量產(chǎn)生正效應(yīng)；當超出這個范圍時則為負效應(yīng)。這是由于當日照強度超過玉米的光飽和點時，光合速率會降低，并在氣溫的共同作用下消耗大量有機物和能量，不利于玉米的生長[24]。近58年遼寧省日照時數(shù)基本處于2 000～2 300 h之間，總體上有利于玉米生長。

圖11 氣象產(chǎn)量與日照時數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.11 The correlation between meteorological yield and sunshine hours

2.3.4 降水量對玉米產(chǎn)量的影響

結(jié)合表1及降水量與玉米氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系圖(圖12)可以看出，玉米生育期間降水量對氣象產(chǎn)量產(chǎn)生的正效應(yīng)多于負效應(yīng)。利用SPSS軟件計算出降水量與玉米氣象產(chǎn)量的標準化回歸系數(shù)為6.50，并達到顯著水平(p<0.05)，說明降水量是影響玉米氣象產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。除播種-出苗期降水量與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為負數(shù)外，其余各時段均為正數(shù)，說明玉米自播種至成熟整個生長過程期間對水分要求較高。充足的水分可以加快玉米體內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換與運移，有益于玉米的生長發(fā)育，從而使其產(chǎn)量相應(yīng)提高。喇叭口期其相關(guān)系數(shù)達到顯著水平(p<0.05)，說明在此期間玉米對水量要求較高。雨水充足不僅有利于玉米高產(chǎn)，還會提升甜度及顆粒飽滿度[24]。

圖12 氣象產(chǎn)量與降水量相關(guān)關(guān)系Fig.12 The correlation between meteorological yield and precipitation

3 結(jié) 語

本文分析了近58年(1960-2017年)遼寧省氣候變化規(guī)律以及近20年(1998-2017年)玉米產(chǎn)量的變化趨勢，并針對重疊周期內(nèi)各氣象因子對玉米產(chǎn)量的影響關(guān)系進行了分析，研究結(jié)果與前人研究成果基本保持一致。但對于近58年的歷史氣候變化對近20年的玉米產(chǎn)量的影響尚未深入；另外，通過分析可知，平均氣溫、日照時數(shù)及降水量對玉米產(chǎn)量有著顯著影響，但尚不能全面地反映氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響關(guān)系。下一步應(yīng)綜合考慮風速、濕度等其他氣象因子以及研究區(qū)自然條件和人類活動等因素的影響，深入研究長時間序列下的歷史氣候變化對近年來玉米產(chǎn)量的影響關(guān)系。本文主要研究結(jié)論如下：

(1)從氣候變化趨勢方面來看，近58年遼寧省平均氣溫以0.21 ℃/10 a的速率顯著增長(p<0.05)，且1995年后此趨勢十分顯著(p<0.05)；日照時數(shù)顯著下降(p<0.05)，達23.42 h/10 a，1993年后這種趨勢逐漸顯著(p<0.05)；降水量減少速率為3.37 mm/10 a。

(2)從玉米產(chǎn)量變化方面來看，近20年遼寧省玉米單產(chǎn)量變化趨勢并不明顯，整體表現(xiàn)為以59.12 kg/10 a速率減少，但年際間仍有很大波動；氣象產(chǎn)量相對離散，總體呈上升趨勢。

(3)從各氣象因子對玉米產(chǎn)量的影響來看，玉米生育期內(nèi)平均氣溫與氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)關(guān)系；日照時數(shù)與氣象產(chǎn)量總體呈負相關(guān)關(guān)系(播種-出苗期除外)；降水量對氣象產(chǎn)量產(chǎn)生的正效應(yīng)多于負效應(yīng)。三者對玉米產(chǎn)量均有顯著影響(p<0.05)且喇叭口期為主要影響時期。