大連1951—2020年玉米生長(zhǎng)季旱澇分析

張 萌，林文忠

(1.大連市甘井子區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧大連 116039；2.大連市普蘭店區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧大連 116200)

近年來氣候異常變化，極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響糧食生產(chǎn)安全[1-3]。由于降水極端事件增多，旱澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成威脅[4-6]。所以，研究降水變化規(guī)律，掌握旱澇成因，提高風(fēng)險(xiǎn)防控意識(shí)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)確保糧食生產(chǎn)安全具有重要意義。近半個(gè)世紀(jì)以來受氣候變化的影響，除新疆、西藏等極少數(shù)地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)[7-8]，我國(guó)絕大多數(shù)區(qū)域降水呈減少趨勢(shì)，致使干旱頻率和強(qiáng)度增加，干旱面積顯著擴(kuò)大[9-11]。據(jù)王春乙等[12-13]的研究，我國(guó)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害面積平均每年高達(dá)40%，而干旱面積在2 200萬km2以上。我國(guó)北方地區(qū)半干旱區(qū)域在擴(kuò)大，并在不同尺度上干旱頻率、干旱嚴(yán)重程度更為明顯[14-16]。張淑杰等[17-18]研究了東北地區(qū)干旱現(xiàn)狀，認(rèn)為干旱頻率明顯增加。李鵬程等[19]研究京津地區(qū)降水量變化發(fā)現(xiàn)，非汛期降水變化平穩(wěn)，而汛期降水量明顯減少；張麗艷等[20]研究認(rèn)為從20世紀(jì)80年代以來京津冀地區(qū)干旱頻率增加、范圍在擴(kuò)大。趙海燕等[21]研究表明農(nóng)業(yè)干旱具有明顯的南輕北重特征，而且北方農(nóng)業(yè)干旱更加頻繁。就大連地區(qū)來說，降水量和降水日數(shù)明顯減少[22-23]，嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長(zhǎng)及糧食生產(chǎn)安全。因此，筆者以主要糧食作物玉米為例，選用旱澇指數(shù)方法[24]作為氣象旱澇指標(biāo)，分析大連地區(qū)1951—2020年玉米生長(zhǎng)季旱澇特征變化，以期為該地區(qū)干旱災(zāi)害防御、減輕重大干旱對(duì)農(nóng)業(yè)的影響提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況大連位于遼寧省遼東半島最南端，西北、東南面向黃渤海之濱，背依我國(guó)東北腹地。地理位置在38°43′～40°10′N、120°58′～123°31′E。全市耕地面積占土地總面積的22.8%。碧流河是境內(nèi)最大的流域。大連屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年平均日照時(shí)數(shù)在2 710 h左右，年平均氣溫10.5 ℃左右，無霜期175～201 d，年降水量在540～950 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源采用1951—2020年大連氣象監(jiān)測(cè)站平均氣溫和降水量日值資料，分別統(tǒng)計(jì)玉米生長(zhǎng)季(4月15日—9月30日)及玉米各個(gè)發(fā)育期不同時(shí)間尺度的平均氣溫、≥10 ℃積溫、降水等相關(guān)量。

1.3 研究方法

1.3.1趨勢(shì)分析。采用一元線性方程的一次項(xiàng)系數(shù)(a)表征氣象要素的變化趨勢(shì)，也稱之為氣候傾向率[25]，見公式(1)。

y=ax+b

(1)

式中，y為氣象要素，x為時(shí)間序列號(hào)(x=1951，1952，…，2020年)，b為常數(shù)項(xiàng)，a為斜率(也稱傾向率)，一般用10a來表示。a<0表示y隨時(shí)間x呈下降趨勢(shì)；a>0表示y隨時(shí)間x呈上升趨勢(shì)。

1.3.2顯著性檢驗(yàn)。氣候要素趨勢(shì)變化顯著性檢驗(yàn)采用序列相關(guān)系數(shù)法[25]，根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表確定顯著性，見公式(2)。

(2)

式中，r為相關(guān)系數(shù)；xi為時(shí)間序列號(hào)(x=1951，1952，…，2020年)；yi為氣象要素；n為樣本數(shù)n=70。

1.3.3旱澇分析。采用亓來福[24]研究的旱澇指數(shù)來分析大連玉米生長(zhǎng)期旱澇特征。旱澇指數(shù)等于同期降水量(R)與玉米需水量(Q)之比，見公式(3)、(4)。

K=R/Q

(3)

Q=0.16∑ti

(4)

式中，K為旱澇指數(shù)；∑ti為同期≥10 ℃積溫。依據(jù)干旱指數(shù)將K值分為7個(gè)旱澇判別等級(jí)，見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生長(zhǎng)季及各發(fā)育期降水變化特征

2.1.1玉米生長(zhǎng)季降水量。近70年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季(4月15日—9月30日)降水量平均值為541.2 mm，占年降水量的90.5%，最多降水量為843.6 mm(1951年)，最少降水量為202.5 mm(1999年)，降水極差為641.1 mm。標(biāo)準(zhǔn)偏差為±172.2 mm，異常偏多(>713.4 mm)有11 年，頻率為15.7%，異常偏少(<369.0 mm)有13年，頻率為18.6%。圖1顯示，近70年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季降水量呈減少趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)為-0.134(P>0.05)，氣候傾向率為-10.60 mm/10 a，降水量線性減少74.2 mm。從各個(gè)年代平均降水量(表2)可以看出，20世紀(jì)80、90年代降水量較少，分別為479.6、495.8 mm，20世紀(jì)60、70年代降水量較多，分別為574.7、576.7 mm。

2.1.2玉米各個(gè)發(fā)育期降水特征。播種—苗期(4月15日—5月31日)降水量累年平均值為75.7 mm，占玉米生長(zhǎng)季的14.0%。最多降水量為216.7 mm(2009年)，最少降水量為18.7 mm(1981年)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±43.7 mm；降水正常值在32.0～119.4 mm，異常偏少(<32.0 mm)有10年，頻率為14.3%；異常偏多(>119.4 mm)有9年，頻率為12.9%。近70年大連地區(qū)降水量呈弱增加趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)0.177(P>0.05)，氣候傾向率為3.88 mm/10 a，即近70年播種—苗期降水量線性增加27.2 mm。各個(gè)年代平均降水量見表2，其中2001—2010、2011—2020年降水量較多，分別為102.2、97.9 mm，20世紀(jì)80、90年代降水量較少，分別為58.1、64.6 mm。

拔節(jié)—吐絲期(6月1日—8月15日)降水量累年平均值為372.5 mm，占農(nóng)作物生長(zhǎng)季的68.8%。最多降水量為676.8 mm(2011年)，最少降水量為132.1 mm(1999年)；標(biāo)準(zhǔn)偏差為±132.0 mm；降水正常值在240.5～504.5 mm，異常偏少(<240.5 mm)有13年，頻率為18.6%；異常偏多(>504.5 mm)有12年，頻率為17.1%。近70年大連地區(qū)降水量呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-8.67 mm/10 a，序列相關(guān)系數(shù)-0.133(P>0.05)，拔節(jié)—吐絲期降水量線性減少60.7 mm。各個(gè)年代平均降水量見表2，其中20世紀(jì)60、70年代降水量較多，分別為412.6、396.5 mm，20世紀(jì)90年代和2001—2010年降水量較少，分別為337.2、320.9 mm。

吐絲—成熟期(8月16日—9月30日)降水量累年平均值為93.0 mm，占農(nóng)作物生長(zhǎng)季的17.2%。最多降水量為328.7 mm(1992年)，最少降水量為6.7 mm(1982年)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±58.4 mm；降水正常值在34.6～154.4 mm，異常偏少(<34.6 mm)有8年，頻率為11.4%；異常偏多(>154.4 mm)有7年，頻率為10.0%。近70年大連地區(qū)降水量呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-3.47 mm/10 a，序列相關(guān)系數(shù)-0.133(P>0.05)，吐絲—成熟期降水量線性減少24.3 mm。各個(gè)年代平均降水量見表2，其中20世紀(jì)50年代降水量最多(114.3 mm)，20世紀(jì)80年代降水量最少(75.7 mm)。

2.2 玉米生長(zhǎng)季水平衡及旱澇分析

2.2.1玉米生長(zhǎng)季。水平衡(R-Q)等于同時(shí)期降水量(R)與需水量(Q)之差。玉米生長(zhǎng)季水平衡為-38.9 mm，降水略顯不足，占生長(zhǎng)季需水量的6.7%。1951—2020年，有34年降水盈余，頻率為48.6%，有36年降水虧缺，頻率為51.4%。水平衡<-100 mm有23年，頻率為32.9%；水平衡<-200 mm有14年，頻率為20.0%；水平衡<-300 mm有2年，頻率為2.9%；1999年缺水最多，高達(dá)-426.1 mm。水平衡>100 mm有21年，頻率為30.0%，水平衡>200 mm有8年，頻率為11.4%，1951年降水最多，盈余311.0 mm。由表2可知，20世紀(jì)50年代降水略顯不足，60、70年代降水盈余明顯，進(jìn)入80、90年代和2001—2010年降水虧缺突出，2011—2020年降水略有回升。由圖2可知，近70年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季水平衡呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-10.14 mm/10 a，序列相關(guān)系數(shù)為-0.120(P>0.05)，未達(dá)到顯著水平。

圖2 1951—2020年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季水平衡變化趨勢(shì)

經(jīng)旱澇指數(shù)(K值)分析(表2)，近70年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季旱澇程度總體表現(xiàn)為正常類型(K=0.93)；其中，20世紀(jì)50、60、70年代、2011—2020年為正常類型，20世紀(jì)80、90年代、2001—2010年為輕旱類型。從圖3可以看出，近70年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季旱澇指數(shù)呈下降趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)-0.188，氣候傾向率為-0.027/10 a，說明玉米生長(zhǎng)期氣候濕潤(rùn)度朝著干燥方面發(fā)展。表3顯示，玉米生長(zhǎng)期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為14.3%，中旱、重旱出現(xiàn)頻率則為22.9%，重旱出現(xiàn)頻率為4.3%，約20年1遇。1951—1980年K值平均為1.04，濕潤(rùn)度表現(xiàn)為正常；1981—2020年K值平均為0.89，濕潤(rùn)度下降為輕旱類型。

圖3 1951—2020年大連地區(qū)玉米生長(zhǎng)季旱澇指數(shù)(K值)變化趨勢(shì)

2.2.2玉米各發(fā)育期。播種—苗期水平衡為-21.1 mm，降水不足，占播種—苗期需水量的21.8%。在1951—2020年中有23年降水盈余，頻率為32.9%，有47年降水虧缺，頻率為67.1%。表2顯示，只有2001—2010年降水盈余(3.7 mm)，其余各個(gè)年代降水均虧缺，20世紀(jì)80、90年代水平衡分別為-41.6、-41.4 mm，降水虧缺較多。播種—苗期總體表現(xiàn)為輕旱類型，其中2001—2010、2011—2020年表現(xiàn)為正常類型，20世紀(jì)80、90年代干旱最為嚴(yán)重，為中旱類型。旱澇指數(shù)(K值)氣候傾向率為0.022/10 a，呈上升趨勢(shì)，即玉米播種—苗期濕潤(rùn)程度有所增加，這與春季降水量增加有直接關(guān)系。表3顯示，近70年播種—苗期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為14.3%，輕旱、正常、濕潤(rùn)為38.6%，中旱、重旱出現(xiàn)概率為47.1%，而重旱出現(xiàn)頻率高達(dá)25.7%，4年1遇。

拔節(jié)—吐絲期水平衡為57.6 mm，降水盈余，占拔節(jié)—吐絲期需水量的18.3%。在1951—2020年中有46年降水盈余，頻率為65.7%，有24年降水虧缺，頻率為34.3%。表2顯示，除2001—2010年降水量與需水量相一致外，其余各個(gè)年代降水均盈余，20世紀(jì)60、70年代水平衡分別為105.6、87.3 mm，降水盈余較多。拔節(jié)—吐絲期總體表現(xiàn)為濕潤(rùn)類型，1951—1980年K值變化在1.10～1.38，表現(xiàn)為濕潤(rùn)、中澇類型，而1981—2020年K值為0.90～1.10，表現(xiàn)為正常。K值氣候傾向率為-0.029/10 a，說明拔節(jié)—吐絲期氣候向干燥方面發(fā)展。表3顯示，拔節(jié)—吐絲期中旱、重旱出現(xiàn)概率為11.4%，約10年1遇；中澇、重澇出現(xiàn)頻率為35.7%，重澇出現(xiàn)頻率22.8%，約4年1遇。

吐絲—成熟期水平衡為-57.6 mm，降水不足，占吐絲—成熟期需水量的38.2%。在1951—2020年中有12年降水盈余，頻率為17.1%，有58年降水虧缺，頻率為82.9%。從各個(gè)年代平均水平衡(表2)來看，20世紀(jì)50年代降水虧缺最少，為-28.9 mm，最多出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，為-73.0 mm。吐絲—成熟期旱澇指數(shù)為中旱類型，K值氣候傾向率為-0.037/10 a，說明吐絲—成熟期氣候向干燥方面發(fā)展。從各個(gè)年代分析結(jié)果看，除20世紀(jì)50年代表現(xiàn)為輕旱類型，其他各年代均表現(xiàn)為中旱類型。表3顯示，吐絲—成熟期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為10.0%；中旱、重旱出現(xiàn)頻率則為60.0%；重旱出現(xiàn)頻率為38.6%，約5年2遇。

表3 大連玉米生長(zhǎng)季各發(fā)育時(shí)段不同旱澇等級(jí)出現(xiàn)頻率

3 討論

該研究引用前人研究成果旱澇指數(shù)和旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[24]，分析了大連玉米生長(zhǎng)季節(jié)需水量與降水量的關(guān)系，利用水平衡真實(shí)客觀地反映了大連地區(qū)旱、澇變化特征和發(fā)生頻率。玉米生長(zhǎng)季旱、澇狀況的分析結(jié)果與王靜等[26]的研究結(jié)果一致，并與歷史記載旱、澇發(fā)生狀況基本吻合。玉米苗期和吐絲—成熟期干旱頻率較6—8月玉米旺盛生長(zhǎng)期嚴(yán)重，而玉米旺盛生長(zhǎng)期的6—8月濕澇災(zāi)害較苗期和吐絲—成熟期突出。該研究結(jié)果可為大連地區(qū)指導(dǎo)玉米栽培管理提供水平衡分析以及出現(xiàn)干旱時(shí)間段，為抗旱、防澇的早期災(zāi)害預(yù)警等提供依據(jù)。大連干旱災(zāi)害重于澇災(zāi)，并且旱災(zāi)多出現(xiàn)在玉米的苗期和吐絲乳熟期，因此，大連地區(qū)在防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)中，應(yīng)著重防御春秋兩季的旱災(zāi)以及夏季的澇災(zāi)。

4 結(jié)論

(1)近70年大連玉米生長(zhǎng)季各個(gè)時(shí)間尺度降水量歷年變化趨勢(shì)各不相同，播種—苗期降水量呈弱增加趨勢(shì)，拔節(jié)—吐絲—成熟期降水量呈減少趨勢(shì)。經(jīng)線性分析，播種—苗期降水量增加27.2 mm，拔節(jié)—吐絲降水量減少60.7 mm，吐絲—成熟期降水量減少24.3 mm。玉米生長(zhǎng)季降水量總體表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，減少74.2 mm。

(2)經(jīng)水平衡分析，播種—苗期降水虧缺21.8%，拔節(jié)—吐絲期降水盈余18.3%，吐絲—成熟期虧缺38.2%，玉米生長(zhǎng)期降水虧缺6.7%。

(3)大連地區(qū)旱災(zāi)、澇災(zāi)同時(shí)存在，播種—苗期中澇、重澇頻率為14.3%，中旱、重旱頻率為47.1%；拔節(jié)—吐絲期中澇、重澇頻率為35.7%，中旱、重旱頻率為11.4%；吐絲—成熟期中澇、重澇頻率為10.0%，中旱、重旱頻率為60.0%；玉米全生長(zhǎng)期中澇、重澇頻率為14.3%，中旱、重旱頻率為22.9%。