吉林省干旱對(duì)玉米產(chǎn)量的影響分析

劉玉英 李宇凡 王麗偉

（1.吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長(zhǎng)春 130062；2.吉林省氣候中心，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

近年來(lái)，受全球氣候變暖影響，吉林省氣候趨于暖干化[1]，干旱頻率趨于增加，并成為制約農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害[2]。 如1989 年和1997 年，春旱連夏旱造成糧豆減產(chǎn)分別達(dá)35 億公斤和50 億公斤以上。 2007 年夏季全省持續(xù)高溫少雨，出現(xiàn)的大范圍、高強(qiáng)度的嚴(yán)重干旱僅次于1997 年。 對(duì)于吉林省“靠天吃飯”的農(nóng)業(yè)種植制度，掌握干旱變化規(guī)律，規(guī)避干旱風(fēng)險(xiǎn)，減輕災(zāi)害損失，對(duì)于糧食增產(chǎn)更為重要。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)干旱時(shí)空變化規(guī)律的研究較多，但針對(duì)吉林省的研究較少[3-6]，對(duì)干旱的分析側(cè)重在降水量方面。劉玉英等[7]利用農(nóng)田水分平衡方程建立了春旱和夏旱的干旱指數(shù)， 確定了春旱和夏旱的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 分析了全省春旱和夏旱的時(shí)空分布規(guī)律。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了春旱和夏旱對(duì)吉林省玉米產(chǎn)量的影響，為防災(zāi)減災(zāi)、趨利避害提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

1951—2014 年吉林省46 個(gè)氣象站的逐日氣溫、降水、水汽壓、風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于吉林省氣象檔案館；1951—2014 年全省各縣（市）玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于吉林省農(nóng)委。

2.2 方法

干旱指數(shù)用0—20cm 深土壤水分盈虧量W來(lái)表示，W 為負(fù)表示干旱，W 為正表示不旱。 具體的計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。

3 建立干旱對(duì)產(chǎn)量影響評(píng)估模型

3.1 產(chǎn)量資料的處理

由于吉林省旱田作物以玉米為主， 所以本產(chǎn)量評(píng)估模型建立的是干旱對(duì)玉米產(chǎn)量影響的評(píng)估模型。首先對(duì)玉米產(chǎn)量序列進(jìn)行處理，把實(shí)際單產(chǎn)分解為時(shí)間趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，即：

式中，Y為實(shí)際單產(chǎn)；Yt為時(shí)間趨勢(shì)產(chǎn)量；Yw為氣象產(chǎn)量。模擬趨勢(shì)產(chǎn)量的方法很多，本文采用分段直線回歸法。 氣象產(chǎn)量看成是由氣象要素綜合作用的結(jié)果。將氣象產(chǎn)量除以趨勢(shì)產(chǎn)量，就可得到相對(duì)氣象產(chǎn)量：

3.2 干旱年的提取

首先利用干旱指數(shù)提取歷史上的干旱年份。當(dāng)某年春季干旱指數(shù)W1≤-10mm 時(shí)，該年就作為春季干旱年份提取出來(lái)， 這樣就建立了全省各站春旱年份的時(shí)間序列。 當(dāng)某年夏季干旱指數(shù)W2≤-30 mm 時(shí)，該年就作為夏季干旱年份提取出來(lái)， 這樣也建立了全省各站夏季干旱年份的時(shí)間序列。實(shí)際上在上面提取的干旱年份中，有一些年份既發(fā)生了干旱，也出現(xiàn)了其他災(zāi)害，如洪澇、低溫冷害、霜凍、冰雹、大風(fēng)等，這些災(zāi)害也對(duì)產(chǎn)量造成了不同程度的影響。 由于本文研究的是干旱對(duì)產(chǎn)量的影響， 所以為使建立的模型客觀反映干旱單方面對(duì)產(chǎn)量的影響，應(yīng)該對(duì)產(chǎn)量資料進(jìn)行處理，即在每年的單產(chǎn)中減去其他災(zāi)害對(duì)產(chǎn)量的影響后，再與干旱指數(shù)求關(guān)系模型，從而得到干旱對(duì)產(chǎn)量影響的評(píng)價(jià)模式。但問(wèn)題是到目前為止，尚未有其他災(zāi)害對(duì)產(chǎn)量影響的定量化模式， 因而也無(wú)法真正從最終產(chǎn)量中減去其他災(zāi)害對(duì)產(chǎn)量的影響。為解決這個(gè)問(wèn)題， 本文考慮選擇只發(fā)生干旱的年份來(lái)建模型。 即從1951—2014 年的干旱年份里，去掉其他災(zāi)害的年份， 用剩余年份的干旱指數(shù)同產(chǎn)量建立模型。 為保證一定的干旱年份的樣本數(shù)量使建立的模型具有一定的可信度， 決定對(duì)其他氣象災(zāi)害， 只考慮影響面積較大同時(shí)引起明顯減產(chǎn)的，這樣的災(zāi)害主要是洪澇和低溫冷害。

對(duì)于洪澇年，本文采用文獻(xiàn)[8]的指標(biāo)分別計(jì)算了春季洪澇頻率和夏季洪澇頻率。 對(duì)于低溫冷害年， 一般冷害指標(biāo)和嚴(yán)重冷害指標(biāo)均采用文獻(xiàn)[8]的指標(biāo)。出現(xiàn)一般冷害年時(shí)，作物生長(zhǎng)發(fā)育期延長(zhǎng)，后期如果霜凍出現(xiàn)得晚，還可以使作物成熟，不會(huì)引起減產(chǎn)；如果霜凍早，貪青晚熟的作物難以成熟，會(huì)引起明顯減產(chǎn)。所以在計(jì)算一般低溫冷害年時(shí)，加入了霜凍害這一限制因子。霜凍害的計(jì)算方法采用文獻(xiàn)[8]的研究成果，用穩(wěn)定通過(guò)10℃的活動(dòng)積溫達(dá)到某種作物所需要的積溫以前， 日最低氣溫出現(xiàn)0℃時(shí)，作為發(fā)生霜凍害的指標(biāo)。 這種利用一般冷害指標(biāo)加霜凍指標(biāo)、 嚴(yán)重冷害指標(biāo)來(lái)剔除冷害年。 由此分別提取出了以干旱為主的春季干旱和夏季干旱年份。

3.3 建立干旱對(duì)玉米產(chǎn)量影響評(píng)價(jià)模式

首先建立夏旱對(duì)玉米產(chǎn)量影響評(píng)價(jià)模式。 由于有的站干旱年份少，樣本代表性差，難以建立可信度較好的統(tǒng)計(jì)模型， 這樣本文選擇干旱年數(shù)在5 年以上的站建立夏季干旱指數(shù)與玉米氣象產(chǎn)量的回歸模型。從物理意義上說(shuō)，水分條件與產(chǎn)量的關(guān)系呈近拋物線型。即當(dāng)水分過(guò)多時(shí)，產(chǎn)量是較低的；隨著水分的逐漸減少，產(chǎn)量逐漸增加；當(dāng)逐日水分累計(jì)量開(kāi)始虧損時(shí)，產(chǎn)量接近最大值；之后隨著虧損量的增加，產(chǎn)量又逐漸減少。根據(jù)水分與產(chǎn)量的這種關(guān)系，本文用一次、二次或三次曲線來(lái)擬合， 得到各站的夏季干旱指數(shù)與玉米產(chǎn)量的曲線回歸模型（表1）。 因篇幅所限，表1 中僅列出部分站點(diǎn)的模型?？梢?jiàn)，吉林省西部地區(qū)的夏旱對(duì)產(chǎn)量影響模型是線性的。說(shuō)明在西部地區(qū)，當(dāng)夏季出現(xiàn)輕旱時(shí)， 產(chǎn)量基本上隨水分累計(jì)虧缺量的增加呈線性減少的趨勢(shì)。 這與西部地區(qū)生產(chǎn)力水平低及水資源狀況差直接相關(guān)。 其他地區(qū)的夏旱對(duì)產(chǎn)量影響模型大多呈二次或三次曲線型。 本文計(jì)算了這些模型的峰值點(diǎn)處的干旱指數(shù)值，見(jiàn)表2。

表1 夏旱對(duì)玉米產(chǎn)量影響模型

由表2 可見(jiàn)， 大多數(shù)站點(diǎn)的模型峰值點(diǎn)的干旱指數(shù)在-60～-110mm， 即當(dāng)水分開(kāi)始發(fā)生虧缺時(shí)，隨著虧缺量的增加，這些站點(diǎn)的產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)。 當(dāng)水分虧缺量接近中等干旱或達(dá)到中等干旱時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最大值。 之后隨著水分虧缺量的增加，產(chǎn)量呈減少的趨勢(shì)。 究其原因中部地區(qū)是吉林省重點(diǎn)產(chǎn)糧區(qū)，也是生產(chǎn)力水平最高的地區(qū)，當(dāng)輕、中度干旱發(fā)生時(shí)，可采取灌溉等措施來(lái)補(bǔ)充水分，同時(shí)少雨常伴隨高溫，在良好的熱量條件下，經(jīng)灌溉的農(nóng)作物往往長(zhǎng)勢(shì)好于常年，產(chǎn)量也就比較高。對(duì)于東南部地區(qū)， 發(fā)生夏旱的頻率低， 而且以輕旱、中旱為主，制約糧食增產(chǎn)的主要因子是熱量條件的不足，而夏季干旱常常伴隨著高溫，熱量條件的充足在一定程度上彌補(bǔ)了水分條件的不足，最終促成高產(chǎn)。

表3 為各站夏旱對(duì)產(chǎn)量影響模型計(jì)算的多年平均相對(duì)氣象產(chǎn)量與實(shí)際多年平均相對(duì)氣象產(chǎn)量的對(duì)比。 因篇幅所限， 表中僅列出部分站點(diǎn)的模型。由表3 可見(jiàn)，大部分站的模型產(chǎn)量相對(duì)誤差在5%以下。 若以相對(duì)誤差在5%以下為容許誤差范圍，那么擬合正確率在78%。說(shuō)明本文所建的這些模型可以用來(lái)評(píng)價(jià)夏季不同程度干旱年份的產(chǎn)量。 由表3 中的實(shí)際產(chǎn)量可見(jiàn)，在西部地區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重夏旱時(shí)， 各地均是減產(chǎn)的， 相對(duì)氣象產(chǎn)量在-12.2%～-22.2%，鎮(zhèn)賚減產(chǎn)幅度最小，乾安減產(chǎn)幅度最大，西部地區(qū)平均相對(duì)氣象產(chǎn)量為-16.6%。當(dāng)出現(xiàn)中等夏旱時(shí)， 西部地區(qū)除大安氣象產(chǎn)量為負(fù)，在-2.4%外，其他地方均為正，松原為0.6%，洮南、乾安在2.0%～2.4%，其他地方在5.0%～9.3%，西部地區(qū)平均為3.9%。 當(dāng)出現(xiàn)輕度夏旱時(shí)，西部地區(qū)除前郭的相對(duì)氣象產(chǎn)量為負(fù)， 即-2.0%外，其他地方均為正，洮南、松原在0.3%～0.5%，大安、乾安在1.7%～1.8%，其他地方在4.9%～11.5%，西部地區(qū)平均為3.4%。 從西部地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重、中等、輕度夏旱年的平均相對(duì)氣象產(chǎn)量看， 減產(chǎn)主要以嚴(yán)重夏旱為主，而中等夏旱和輕度夏旱是增產(chǎn)的，增產(chǎn)幅度相近。 其他站點(diǎn)的中等和輕度夏旱年的平均相對(duì)氣象產(chǎn)量大多是增加的， 重旱年大多是減少的，但各站的增、減幅度不同。

在計(jì)算春旱對(duì)玉米產(chǎn)量影響評(píng)價(jià)模式時(shí)，去掉洪澇、低溫冷害年的同時(shí)，也去掉了輕度程度以上的夏旱的年份。因?yàn)楫?dāng)某一年既發(fā)生春旱，又發(fā)生夏旱時(shí)，夏旱對(duì)產(chǎn)量的影響要大于春旱。經(jīng)上述剔除過(guò)程， 東南部地區(qū)大部分地方發(fā)生單純性春旱的年份在5 年以下，樣本太少，難以建立統(tǒng)計(jì)模型。 這樣本文建立了單純性春旱的年份在5 年以上地方的春旱對(duì)產(chǎn)量影響模型。 能夠達(dá)到5 年以上單純性春旱的站主要分布在中西部地區(qū)， 這些地區(qū)也是吉林省春季干旱發(fā)生頻率最高的地方。先進(jìn)行春季模型計(jì)算的相對(duì)氣象產(chǎn)量與實(shí)際相對(duì)氣象產(chǎn)量的對(duì)比，擬合確率為94%，比夏旱產(chǎn)量模型的擬合確率高。這是由于在所選的春旱年份中，沒(méi)有夏澇、 冷害、 夏旱這些對(duì)產(chǎn)量影響大的災(zāi)害年， 這些春旱年份在作物生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期氣象條件沒(méi)有明顯異常，因而其產(chǎn)量也沒(méi)有太大差異，擬合誤差不大。 這同時(shí)也說(shuō)明春季干旱對(duì)最終產(chǎn)量的影響要小于夏旱。

表2 模型峰值點(diǎn)的夏季干旱指數(shù)

4 干旱出現(xiàn)時(shí)段對(duì)夏旱年玉米產(chǎn)量的影響分析

由以上分析可見(jiàn)， 春旱對(duì)最終玉米產(chǎn)量影響不大。 下面分析夏旱（已經(jīng)排除了洪澇和冷害，下同）出現(xiàn)時(shí)段對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。

在玉米的整個(gè)生育期中， 對(duì)產(chǎn)量影響最大的是玉米需水臨界期干旱。 為此本文進(jìn)行了玉米需水臨界期（7 月中旬至8 月上旬）干旱對(duì)產(chǎn)量的影響分析。

4.1 白城、松原地區(qū)

對(duì)白城、松原地區(qū)來(lái)說(shuō)，自建站至2014 年共有109 站次出現(xiàn)輕旱，其中有57 站次產(chǎn)量是減少的（占52%）。同時(shí)在這109 站次中有29 站次的干旱是發(fā)生在玉米需水臨界期。在這29 站次的需水臨界期干旱中， 有17 站次產(chǎn)量是減產(chǎn)的 （占59%）。 也就是說(shuō)，當(dāng)發(fā)生輕旱時(shí)，其發(fā)生時(shí)期即使是處于需水臨界期，減產(chǎn)頻率也沒(méi)有明顯增加。

對(duì)于中等程度干旱， 西部地區(qū)出現(xiàn)56 站次，其中有48 站次出現(xiàn)在需水臨界期， 發(fā)生頻率達(dá)86%。 說(shuō)明當(dāng)夏季出現(xiàn)中等程度干旱時(shí)，由于旱期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，通常都經(jīng)過(guò)需水臨界期。從減產(chǎn)的站次看，56 個(gè)站次中有29 站次是減產(chǎn)的，占52%。

對(duì)于嚴(yán)重干旱，西部地區(qū)出現(xiàn)61 站次，而且均出現(xiàn)需水臨界期干旱。 其中有42 站次是減產(chǎn)的，占69%。

可見(jiàn)，當(dāng)西部地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重夏旱時(shí)，同時(shí)也出現(xiàn)需水臨界期干旱，將對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成明顯不利影響。發(fā)生輕旱或中等程度干旱時(shí)， 即使干旱出現(xiàn)在需水臨界期，也未對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成明顯不利影響，產(chǎn)量豐歉還取決于該年作物各發(fā)育期的氣象條件和生產(chǎn)管理情況。

表3 夏旱模型計(jì)算氣象產(chǎn)量與實(shí)際氣象產(chǎn)量對(duì)比（%）

4.2 長(zhǎng)春、四平、遼源地區(qū)

對(duì)于長(zhǎng)春、四平、遼源地區(qū)，自建站至2014 年共有104 站次出現(xiàn)輕旱，其中41 站次產(chǎn)量是減少的（占39%）。 在這104 站次輕旱中，有31 站次出現(xiàn)玉米需水臨界期干旱，其中有12 站次產(chǎn)量是減少的（占39%）?？梢?jiàn)當(dāng)中部地區(qū)發(fā)生輕旱時(shí)，其干旱發(fā)生時(shí)期對(duì)最終產(chǎn)量影響不大。

對(duì)于中等程度干旱， 中部地區(qū)共發(fā)生38 站次，其中有33 站次出現(xiàn)玉米需水臨界期干旱。 即當(dāng)中部地區(qū)夏季出現(xiàn)中等程度干旱時(shí)， 一般都經(jīng)過(guò)需水臨界期，這一點(diǎn)與西部地區(qū)相同。從減產(chǎn)的站次看，38 個(gè)站次中有13 站次是減產(chǎn)的，占34%。

對(duì)于嚴(yán)重夏旱，共發(fā)生27 站次，而且均出現(xiàn)需水臨界期干旱，這一點(diǎn)也同西部地區(qū)相同。其中有17 站次是減產(chǎn)的，占63%。 可見(jiàn)對(duì)于中部地區(qū)來(lái)說(shuō)， 干旱所引起的減產(chǎn)主要表現(xiàn)在夏季出現(xiàn)嚴(yán)重干旱時(shí)，同時(shí)也發(fā)生需水臨界期干旱。但是因嚴(yán)重夏旱引起的減產(chǎn)頻率要小于西部地區(qū)。

4.3 吉林、通化、延邊地區(qū)

對(duì)于吉林、通化、延邊地區(qū)，自建站至2014 年共有86 站次出現(xiàn)輕旱， 其中25 站次產(chǎn)量是減少的（占29%）。在這86 站次輕旱中，有31 站次出現(xiàn)玉米需水臨界期干旱，其中有12 站次產(chǎn)量是減少的（占39%）。 可見(jiàn)當(dāng)東南部地區(qū)發(fā)生需水臨界期輕旱時(shí)，減產(chǎn)頻率有所增加。這一點(diǎn)與中西部地區(qū)不同。

對(duì)于中等程度干旱，東南部地區(qū)共發(fā)生33 站次，而且均出現(xiàn)玉米需水臨界期干旱，這一點(diǎn)與中西部地區(qū)相同。 從減產(chǎn)的站次看，33 個(gè)站次中有12 站次是減產(chǎn)的，占36%。

對(duì)于嚴(yán)重夏旱，僅發(fā)生8 站次，均出現(xiàn)需水臨界期干旱。 可見(jiàn)吉林、通化、延邊地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重夏旱的可能性很小。

綜上分析可見(jiàn)，對(duì)于中西部地區(qū)，發(fā)生在作物需水臨界期的輕旱致作物減產(chǎn)的頻率并不高于發(fā)生在其他時(shí)期；對(duì)全省來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)生中等程度以上的夏旱時(shí)，往往也出現(xiàn)作物需水臨界期干旱；發(fā)生中等程度夏旱的減產(chǎn)頻率， 并不比發(fā)生輕度夏旱的減產(chǎn)頻率高；當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重夏旱時(shí)，減產(chǎn)頻率有明顯增加。

5 小結(jié)

（1）通過(guò)建立夏旱對(duì)產(chǎn)量影響評(píng)估模型，發(fā)現(xiàn)吉林省西部地區(qū)的夏季干旱與產(chǎn)量之間呈線性關(guān)系，氣象產(chǎn)量隨夏季干旱程度的增加而減少；其他地區(qū)夏旱與產(chǎn)量大多呈二次或三次曲線關(guān)系，當(dāng)干旱指數(shù)接近或達(dá)到中等干旱時(shí)， 氣象產(chǎn)量達(dá)到峰值點(diǎn)。

（2）通過(guò)建立春旱對(duì)產(chǎn)量影響評(píng)價(jià)模型，發(fā)現(xiàn)春旱不是影響氣象產(chǎn)量的主要因素，無(wú)論是輕旱、中等旱還是重旱，最終對(duì)氣象產(chǎn)量影響不大。

（3） 通過(guò)分析當(dāng)年干旱出現(xiàn)時(shí)段對(duì)產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，對(duì)于中西部地區(qū)，發(fā)生在作物需水臨界期的輕旱致作物減產(chǎn)的頻率并不高于發(fā)生在其他時(shí)期；對(duì)全省來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)生中等程度以上的夏旱時(shí)，往往也出現(xiàn)作物需水臨界期干旱； 發(fā)生中等程度夏旱的減產(chǎn)頻率， 并不比發(fā)生輕度夏旱的減產(chǎn)頻率高。

（4） 由于本文所建模型僅排除了洪澇和低溫冷害（加霜凍）的影響，其他人為等因素未考慮，故一些站點(diǎn)的干旱對(duì)產(chǎn)量影響評(píng)價(jià)模型通不過(guò)信度檢驗(yàn)。 若加入灌溉因子，模型更準(zhǔn)確一些。 但灌溉量是最不易被模型化的因子，它與生產(chǎn)力水平、政府決策著重點(diǎn)等都有關(guān)系， 所以用干旱指數(shù)作為因子不可能精確評(píng)價(jià)最終產(chǎn)量的高低。 今后有必要加強(qiáng)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的生理因子及環(huán)境因子不斷變化所引起的一系列物理、 化學(xué)過(guò)程的研究，使評(píng)價(jià)產(chǎn)量更準(zhǔn)確。