遼寧玉米生長季氣候特征分析及對產(chǎn)量的影響

胡春麗，林 蓉，郭婷婷，李 菲，張微瑋，康瀠文

（1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧 沈陽 110016；2.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽 110016；3.遼寧省本溪縣氣象局，遼寧 本溪 117000）

0 引言

遼寧省地處玉米黃金生產(chǎn)帶［1］，是全國主要玉米生產(chǎn)省之一。據(jù)2019年《遼寧省統(tǒng)計年鑒》，遼寧玉米種植面積超糧食作物種植面積的70%，2019年糧食總產(chǎn)量2430萬t，其中玉米產(chǎn)量1884.4萬t，占糧食總產(chǎn)量的77.5%，遼寧糧食生產(chǎn)總量主要依靠玉米產(chǎn)量調(diào)節(jié)平衡，加之玉米增產(chǎn)潛力大，玉米生產(chǎn)對確保糧食安全具有重要的作用。氣象條件是玉米產(chǎn)量波動的主要影響因素，氣象條件的匹配與否、氣象災(zāi)害的輕重程度決定了玉米收成豐歉、品質(zhì)優(yōu)劣和成本高低［2-4］。在氣候變暖背景下，我國各類極端天氣事件逐漸增多，氣候變化對玉米生產(chǎn)的影響越發(fā)顯著［5-17］，因此，開展遼寧省玉米生長季氣候特征分析對科學制定宏觀調(diào)控政策、合理安排農(nóng)業(yè)布局、規(guī)避玉米生產(chǎn)風險和保障糧食安全具有重要的實踐意義和經(jīng)濟意義。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象數(shù)據(jù)來源于遼寧省氣象信息中心提供的62個國家氣象站點1961—2019年遼寧省逐日降水量、平均氣溫、日照時數(shù)資料；玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于2019年《遼寧省統(tǒng)計年鑒》，遼寧省玉米種植區(qū)域如圖1所示。

1.2 方法

選取5年滑動平均法對遼寧玉米氣象產(chǎn)量進行分離［17］。采用標準差［18］表示氣象要素穩(wěn)定性，線性傾向估計法［19］分析氣象要素的變化趨勢，蒙特卡洛方法對空間變化趨勢進行顯著性檢驗。

1.2.1 累計距平 用累計距平曲線來確定氣象要素的突變性，公式為：

式（1）中，xi為歷年值，x為歷年平均值，絕對值最大年對應(yīng)突變時間。

利用信噪比公式確定突變年是否達到突變標準，公式為：

式（2）中，x1、x2和S1、S2代表轉(zhuǎn)折前后2個階段的平均值和標準差；d＞1代表存在氣候突變，對應(yīng)時間為氣候突變時間。

1.2.2 相關(guān)性分析 利用單因子相關(guān)系數(shù)R來檢驗影響玉米產(chǎn)量的氣象因子，當R＞Rα時（α為顯著性水平），說明該因子為顯著因子，否則為不顯著因子，公式為：

式（3）中：n為樣本數(shù)，Xi、X、Yi、Y分別代表自變量、自變量平均值、因變量、因變量平均值。

1.2.3 氣象要素評價等級 根據(jù)遼寧省現(xiàn)行氣候評價業(yè)務(wù)規(guī)范，氣溫異常等級根據(jù)各站的氣溫距平（△T）評價指標進行劃分，異常偏低：△T＜-4.0，明顯偏低：-4.0≤△T＜-2.0，偏低：-2.0≤△T＜-1.0，正常：-1.0≤△T≤1.0，偏高：1.0＜△T≤ 2.0，明顯偏高：2.0＜△T≤4.0，異常偏高：△T＞4.0。降水異常等級根據(jù)各站的降水量距平百分率（△R%）進行劃分，異常偏多：80%≤△R%，顯著偏多：50%≤△R%＜80%，偏多：25%＜△R%＜50%，正常：-25%≤△R%≤25%，偏少：50%＜ △R%＜-25%，顯著偏少：-80%＜△R%≤-50%，異常偏少：△R%≤-80%。日照時數(shù)異常等級根據(jù)各站的日照時數(shù)距平（△H）與標準差（σ）的比值進行劃分，異常偏高：2.0σ≤△H，顯著偏高：1.5 σ≤△H＜2.0σ，偏高：σ＜△H＜1.5σ，正常： -σ≤△H≤σ，偏低：-1.5σ＜△H＜-σ，顯著偏低：-2.0σ＜△H≤-1.5σ，異常偏低：△H≤-2.0σ。

2 玉米生長季氣象條件基本特征

表1和圖2顯示了遼寧省玉米生長季平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的分布情況：平均氣溫呈現(xiàn)西高東低的分布，氣溫分布受緯度影響不明顯，南北溫差小，受地勢高低和海陸影響較大，高值區(qū)位于遼陽、盤錦和營口地區(qū)，平均值介于21.5～21.7 ℃，低值區(qū)位于撫順、本溪和丹東地區(qū)，平均氣溫不足20 ℃，東西部生長季溫差可達2.5 ℃。各地市氣溫標準差為0.54～0.68 ℃，遼東山區(qū)氣溫標準差小，氣溫穩(wěn)定性高于平原地區(qū)。玉米生長季降水量呈現(xiàn)東南沿海多，西北區(qū)域明顯少的趨勢，丹東生長季降水量為826.1 mm，阜新降水量最少，為417.1 mm，遼寧省玉米生長季節(jié)降水空間差異明顯，這主要因地理位置引起，遼寧東部地區(qū)南臨黃海和渤海，西北部地區(qū)在大陸內(nèi)部，水循環(huán)自東南向西北逐漸減弱。另外，東部有呈東北向西南走向的龍崗山、千山山脈阻擋，夏季風難以進入內(nèi)陸［5］。標準差空間分布與降水量相似，降水偏多地區(qū)降水不穩(wěn)定性大。玉米生長季日照時數(shù)與降水量空間分布相類似，呈西高東低的徑向分布，遼西朝陽為1387.1 h，遼東本溪為1111.1 h，標準差為102.4～140.7 h，盤錦的標準差最大，日照時數(shù)最少的朝陽的標準差最小。

表1 1961—2019年遼寧省玉米生長季氣象要素統(tǒng)計特征

3 玉米生長季氣候變化特征

3.1 年際變化

1961—2019 年遼寧省玉米生長季平均氣溫呈增加趨勢（圖3a），增加速率為0.2 ℃/10 a，增加趨勢系數(shù)為0.59，通過了99.9%的信度檢驗，氣溫偏高的5年分別為2019、2007、2017、2018和2000年，均發(fā)生在21世紀00年代后，氣溫偏低的5年為1976、1969、1986、1972和1974年，均發(fā)生在20世紀80年代及以前，表明在氣候變暖的背景下，遼寧省玉米生長季易出現(xiàn)氣溫異常偏高的情況。遼寧省玉米生長季的平均降水量為559.1 mm，占全年總降水量的86.3%，1961—2019年降水量呈減少趨勢（圖3b），減少速率為9.7 mm/10 a，減少趨勢系數(shù)為-0.15，未通過95%的信度檢驗。降水量偏多的5年 分 別 為2012、1964、1985、1994和2010年，降水量偏少的5年分別為2000、1999、2014、2009和2002年，70%的降水異常年發(fā)生在21世紀00年代后，表明在氣候變暖背景下易出現(xiàn)極端降水事件。1961—2019年遼寧省玉米生長季日照時數(shù)呈減少趨勢（圖3c），減少速率為25.3 h/10 a，趨勢系數(shù)為0.52，通過了99.9%的信度檢驗，日照時數(shù)偏多的5年分別為1965、1963、1968、1978和1969年，日照時數(shù)偏少的5年分別為2010、1985、2008、2005和1998年，表明在20世紀80年代以前易出現(xiàn)日照時數(shù)異常偏多的情況。

3.2 年代際變化

由遼寧省玉米生長季氣溫（圖4a）的累計距平曲線可以看出，氣溫的階段性變化主要經(jīng)歷了2個階段，20世紀60年代至90年代為氣溫偏低期，20世紀90年代至21世紀10年代為氣溫偏高期，氣溫轉(zhuǎn)折時間為1996年，信噪比為0.92，未達到氣候突變判定標準，即1996年為氣溫偏低向氣溫偏高的轉(zhuǎn)折年，不是氣候突變年。玉米生長季降水量（圖4b）的階段性變化比較復(fù)雜，累積距平曲線呈波動性變化，表明降水量具有明顯的周期性變化特征，累計距平的絕對值在1998年達到最大，計算其對應(yīng)的信噪比，結(jié)果小于1，未達到氣候突變標準。從日照時數(shù)（圖4c）的累積距平曲線可以看出，日照時數(shù)的階段性變化主要經(jīng)歷了3個階段，20世紀60年代至80年代初為日照時數(shù)偏多期，20世紀80年代初期至21世紀00年代初為日照時數(shù)相對穩(wěn)定期，21世紀00年代初至10年代為日照時數(shù)偏少期，累積距平的絕對值在2002年達到最大，信噪比小于1，未達到氣候突變的標準。

3.3 空間變化

從1961—2019年遼寧省玉米生長季氣象要素趨勢系數(shù)（表2）可以看出，平均氣溫均呈顯著的增加趨勢，除朝陽通過99%的信度檢驗外，其他地區(qū)均通過99.9%的信度檢驗，其中營口、沈陽、鞍山、盤錦地區(qū)趨勢系數(shù)達0.6以上。全省降水量均呈現(xiàn)減少趨勢，系數(shù)均呈負值，但數(shù)值較小，均未通過顯著性檢驗。日照時數(shù)均呈減少趨勢，但區(qū)域性較為明顯，50%的區(qū)域減少趨勢通過了99.9%的信度檢驗，28.6%的區(qū)域減少趨勢通過了99%的信度檢驗，僅21.4%的區(qū)域減少趨勢未達到信度檢驗，主要位于鞍山、撫順、本溪的遼北地區(qū)。

表2 1961—2019年遼寧省玉米生長季氣象要素趨勢系數(shù)

4 玉米生長季氣象條件對產(chǎn)量的影響

4.1 玉米產(chǎn)量變化特征

從1985—2019年遼寧省玉米平均單產(chǎn)的年際變化（圖5）可以看出，近35年遼寧玉米實際產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.447，通過了99.9%的信度檢驗，且年際變化較大，為3735～7365 kg/hm2，產(chǎn)量最小的3年分別為1985、1989、2000年，產(chǎn)量最大的3年分別為1998、2004、2019年。社會生產(chǎn)力貢獻最大的趨勢產(chǎn)量一直呈增長態(tài)勢，線性趨勢為50.55 kg/（hm2.年），趨勢產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.76，通過了α＝0.001的顯著性檢驗。氣象產(chǎn)量在2000年以前的年際波動幅度明顯大于2000年以后的，該結(jié)論與胡春麗等［20］對水稻氣象產(chǎn)量分析的結(jié)論相似，可能原因為2000年以前導致玉米減產(chǎn)的氣象災(zāi)害頻發(fā)，出現(xiàn)的低溫冷害事件明顯較2000年以后偏多，造成氣象產(chǎn)量波動明顯。氣象產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.79，通過了α＝0.001的顯著性檢驗，說明氣象產(chǎn)量能基本反映實際單產(chǎn)的變化趨勢，也間接反映了氣象因子的影響至關(guān)重要。

4.2 玉米生長季氣象條件對產(chǎn)量影響

玉米生長季節(jié)氣溫與氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.26；降水量與之呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.15；日照時數(shù)與之呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.35，該結(jié)論與曹永強等［8］的研究基本一致，即全生育期適當?shù)牡蜏赜欣谟衩装l(fā)育和高產(chǎn)，極端低溫和高溫對玉米氣象產(chǎn)量的影響有待深入研究。玉米生長過程中對水分要求較高，充足的水分可加快玉米體內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換與運移，有利于玉米的生長發(fā)育，促進產(chǎn)量形成。日照時數(shù)對玉米產(chǎn)量影響顯著，相關(guān)系數(shù)通過了95%信度檢驗，遼寧省光照充足，可以完全滿足玉米生長的需求。但日照強度超過玉米的光飽和點時，光合速率會降低，不利于產(chǎn)量形成。表3、表4分別為遼寧省玉米氣象產(chǎn)量異常偏少（多）年的氣象因子特征。玉米氣象產(chǎn)量偏少年的降水量普遍偏少、日照時數(shù)普遍偏多、氣溫普遍偏高；玉米氣象產(chǎn)量偏多年降水量普遍正常多、日照時數(shù)偏少、氣溫普遍偏低。

表3 遼寧省玉米氣象產(chǎn)量偏少年氣象要素評價

表4 遼寧省玉米氣象產(chǎn)量偏多年氣象要素評價

5 結(jié)論

（1）遼寧玉米生長季平均氣溫分布受緯度影響不明顯，受地勢高低和海陸影響較大，南北溫差小，呈西高東低的分布特征；玉米生長季降水量自東南向西北逐漸減少，日照時數(shù)與降水量空間分布相類似，呈西高東低的徑向分布。

（2）1961—2019年遼寧省玉米生長季平均氣溫呈顯著增加趨勢，趨勢系數(shù)為0.59，降水量呈弱減少趨勢，趨勢系數(shù)為-0.15，日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，趨勢系數(shù)為-0.52。在氣候變暖的背景下，玉米生長季易出現(xiàn)氣溫異常偏高、極端降水偏多（偏少）事件。玉米生長季氣溫在1996年發(fā)生了氣候轉(zhuǎn)折，降水量具有明顯的周期性變化特征，日照時數(shù)主要經(jīng)歷了偏多期-穩(wěn)定期-偏少期3個主要階段。

（3）近35年遼寧玉米實際產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，實際產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)分別為0.76和0.79，通過了99.9%信度檢驗。玉米氣象產(chǎn)量2000年以前年際波動明顯大于2000年以后。

（4）遼寧省玉米氣象產(chǎn)量與氣溫和日照時數(shù)均呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.26和-0.35，氣象產(chǎn)量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.15。玉米氣象產(chǎn)量偏少年降水普遍偏少、日照普遍偏多、氣溫普遍偏高；玉米氣象產(chǎn)量偏多年降水普遍正常多、日照時數(shù)偏少、氣溫普遍偏低。