陽(yáng)泉市玉米生育期氣象要素變化特征及相關(guān)性分析

馬曉玲，周焱博，袁杰，張建軍，賈立亭

（1山西省晉城市氣象局，山西晉城 048000；2山西省陽(yáng)泉市氣象局，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

近年來(lái)，全球氣溫持續(xù)升高，極端氣候事件頻發(fā)，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展影響很大，特別是給糧食安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1-2]。氣象要素的突變會(huì)引起熱量及水分的變化，影響當(dāng)?shù)氐乃疅崞胶?，氣候條件對(duì)糧食產(chǎn)能的制約作用明顯[3]。

玉米是中國(guó)的主要作物之一，也是重要的動(dòng)物飼料，研究氣候要素變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，對(duì)保證糧食安全具有重要意義。為探究氣候變化對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。王蔚丹等[4]研究發(fā)現(xiàn)，降水量、最高氣溫和平均氣溫是影響遼寧省春玉米產(chǎn)量的重要因素；車向軍等[5]發(fā)現(xiàn)1990—2016 年的平均氣溫與積溫有增加趨勢(shì)，平均降水量有減少趨勢(shì)，氣候變化對(duì)玉米種植有利，可以提高產(chǎn)量、擴(kuò)大種植范圍；劉行等[6]認(rèn)為全國(guó)玉米生育期熱量資源有增加趨勢(shì)，光照資源減少，高溫脅迫會(huì)對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)加快水分的消耗；江銘諾等[7]探究氣象條件對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高對(duì)產(chǎn)量增加的影響遠(yuǎn)大于太陽(yáng)輻射減少造成的減產(chǎn)效應(yīng)；楊麗等[8]研究認(rèn)為，抽雄—成熟期降水量偏少及播種—拔節(jié)期極端高溫天氣會(huì)造成玉米產(chǎn)量下降；宋利兵[9]研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米苗期長(zhǎng)期受到嚴(yán)重水分脅迫時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致不可恢復(fù)的產(chǎn)量損失，溫度的持續(xù)增加導(dǎo)致玉米各生育期的生長(zhǎng)積溫和高溫危害積溫增加。

目前，針對(duì)氣候變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響多集中于東北、華北、華南等農(nóng)業(yè)種植區(qū)，缺少對(duì)市縣尺度的研究。因此，本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，研究陽(yáng)泉市玉米氣象產(chǎn)量及6 個(gè)主要?dú)庀笠氐淖兓厔?shì)，并探討玉米氣象產(chǎn)量與氣象要素之間的相關(guān)性及作用程度，總結(jié)氣候變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，旨在為優(yōu)化本地農(nóng)業(yè)資源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陽(yáng)泉市位于山西中東部，與太原、石家莊相鄰，整體地形呈現(xiàn)“兩山夾一溝”的特征，地處中緯度東亞季風(fēng)氣候區(qū)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)，大陸性季風(fēng)氣候，氣候變率大，多年平均氣溫9.6～11.5℃，無(wú)霜期171 d，年均日照時(shí)數(shù)2551.4 h，年均降水量525.5 mm，主要糧食作物為玉米、大豆、薯類。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括2002—2021 年玉米生育期（4—9月）的平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等，取陽(yáng)泉市3 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的平均值；玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于陽(yáng)泉市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局。

采用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)法檢驗(yàn)氣象要素在研究時(shí)段內(nèi)是否存在突變。該方法通過(guò)UF和UB2 條曲線檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，若UF和UB出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界值之間，則表示該時(shí)刻為突變開(kāi)始的時(shí)刻；若M-K 檢驗(yàn)結(jié)果有多個(gè)交點(diǎn)，則采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行校訂。采用Theil-Sen估算法確定斜率m，取yi-mxi的中位數(shù)為擬合直線的截距，確定各氣象要素的線性變化趨勢(shì)。利用HP濾波法將玉米產(chǎn)量分為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量（隨機(jī)產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)量影響較小，且無(wú)規(guī)律可循，故忽略不計(jì)），用于研究玉米氣象產(chǎn)量與氣象要素之間的相關(guān)性及作用程度。

為探究氣象要素在不同玉米生育期時(shí)變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，劃分陽(yáng)泉市玉米生育期，如表1所示[6]。

表1 陽(yáng)泉市玉米生育期

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期氣象要素變化趨勢(shì)

2.1.1 平均氣溫、日最高最低氣溫變化趨勢(shì)因陽(yáng)泉?dú)庀笳?012 年遷站，遷站前后溫度差異明顯，故溫度變化趨勢(shì)分析選用其他2 個(gè)國(guó)家站的氣溫?cái)?shù)據(jù)[10]。對(duì)2002—2021年陽(yáng)泉市氣溫變化分析發(fā)現(xiàn)，近20年陽(yáng)泉市玉米生育期平均氣溫均值為19.1℃，低于玉米生長(zhǎng)期適宜溫度[11]；平均氣溫、日最高最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，但增高幅度存在差異。近20 a陽(yáng)泉市平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫分別以0.49、0.27、0.36℃/10 a的速度變化，升溫幅度高于華北地區(qū)平均水平，可能與21世紀(jì)開(kāi)始增溫幅度加快有關(guān)[12]。日最高氣溫的上升速率最小，說(shuō)明陽(yáng)泉市近20 a升溫明顯，且夜間增溫明顯高于白天，氣溫日較差減小。

由平均氣溫的UF曲線發(fā)現(xiàn)，平均氣溫在2005 年后呈現(xiàn)明顯的增溫趨勢(shì)，在2018年之后超過(guò)顯著性水平0.05 臨界線，升溫趨勢(shì)顯著。平均氣溫的UF和UB曲線在2015年存在交點(diǎn)，2015年為平均氣溫的突變年份，2015年開(kāi)始平均氣溫的上升速率明顯快于2015年之前（圖1a）。最高氣溫的變化也以升溫為主，UF曲線始終處于置信區(qū)間之間，升溫趨勢(shì)不顯著，UF和UB曲線在2004、2009、2014 年相交，通過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)法判斷最高氣溫的突變點(diǎn)為2014 年（圖1b）。最低氣溫從2015年開(kāi)始升溫速度加快，2018年開(kāi)始超過(guò)顯著性水平0.05 臨界線，增暖趨勢(shì)顯著；最低氣溫的UF和UB曲線在2015年相交，說(shuō)明最低氣溫在2015年發(fā)生突變（圖1c）。

圖1 生育期內(nèi)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)

2.1.2 相對(duì)濕度、降水量變化趨勢(shì)2002—2021年陽(yáng)泉市4—9 月相對(duì)濕度以1.20%/10 a 的速率下降。M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期平均相對(duì)濕度在2004年發(fā)生突變；由UF曲線可以看出，相對(duì)濕度始終處于下降狀態(tài)，在2007、2011年下降顯著，超過(guò)了顯著性水平0.05臨界線（圖2a），可能受到全球變暖氣候背景的影響，蒸發(fā)加快，說(shuō)明陽(yáng)泉?dú)夂蛘谙颉芭尚汀弊兓内厔?shì)，與邱陽(yáng)陽(yáng)等[13]的研究結(jié)論一致。

圖2 生育期內(nèi)平均相對(duì)濕度、總降水量變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)

過(guò)去20 a陽(yáng)泉市4—9月降水量為295.9～676.0 mm，平均降水量為480.5 mm，能夠滿足玉米生育期內(nèi)降水量的需求，但陽(yáng)泉市降水量變異系數(shù)較大，需要在缺水年份進(jìn)行補(bǔ)灌[14]。2002—2021 年降水量以每19.52 mm/10 a的速度增加，體現(xiàn)了降水量與相對(duì)濕度的非一致性變化趨勢(shì)[15]。UF和UB曲線在2005、2017、2018、2019 年相交，經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期降水量無(wú)明顯突變（圖2b）。

2.1.3 日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)由圖3 可知，2002—2021 年陽(yáng)泉市4—9 月日照時(shí)數(shù)為1195.6～1623.8 h，以17.63 h/10 a的速度下降，與學(xué)者提出的“全球變暗”效應(yīng)一致[16]。日照時(shí)數(shù)的最大波動(dòng)范圍出現(xiàn)在2020—2021年，分別出現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)的最大值（2020年）和最小值（2021年），2021年日照時(shí)數(shù)偏少可能與利用光電式日照計(jì)開(kāi)展日照自動(dòng)觀測(cè)有關(guān)[17]。由M-K 檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)在2009 年發(fā)生突變。

圖3 生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)

2.2 玉米產(chǎn)量變化趨勢(shì)

將玉米的實(shí)際產(chǎn)量采用HP濾波法分離為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量2 個(gè)部分，如圖4 所示。2002—2021 年陽(yáng)泉市玉米平均實(shí)際產(chǎn)量為4657 kg/hm2，總體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)產(chǎn)量則表現(xiàn)為先快速增加再緩慢減少，2011年前受品種優(yōu)化、科學(xué)管理等影響，趨勢(shì)產(chǎn)量增長(zhǎng)較快，2011年后進(jìn)入產(chǎn)量穩(wěn)定期。氣象產(chǎn)量總體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，每10 a增加44.5 kg/hm2，但年際差異大，變化范圍為-881.23～592.08 kg/hm2。平均氣溫、最低氣溫在2005 年出現(xiàn)異常偏暖現(xiàn)象，實(shí)際產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量偏高；2019 年降水量較常年異常偏少，實(shí)際產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量也表現(xiàn)為偏低，說(shuō)明氣象要素的波動(dòng)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響較大。

圖4 玉米實(shí)際產(chǎn)量、趨勢(shì)產(chǎn)量及氣候產(chǎn)量變化

2.3 氣象要素對(duì)氣象產(chǎn)量的影響分析

對(duì)2002—2021 年玉米各生育期的氣象要素與氣象產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。平均相對(duì)濕度和最高氣溫對(duì)氣象產(chǎn)量影響最大，達(dá)到極顯著相關(guān)水平；其次為降水量和平均氣溫，為顯著性相關(guān)；最低氣溫和日照時(shí)數(shù)與氣象產(chǎn)量相關(guān)性不顯著。

表2 玉米各生育階段氣象因子與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在穗期和花粒期與玉米氣象產(chǎn)量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中最高氣溫和平均氣溫對(duì)氣象產(chǎn)量的影響較大，最高氣溫和平均氣溫在穗期與氣象產(chǎn)量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，最高氣溫在花粒期與氣象產(chǎn)量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。溫度越高，玉米的呼吸作用和葉片的蒸騰作用越強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累越少，不利于玉米雌穗的發(fā)育與開(kāi)花授粉，使得氣象產(chǎn)量下降[18]。

降水量除苗期外，均與玉米氣象產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系。苗期玉米需水量較小，僅為全生育期需水量的8.5%，降水量過(guò)多易出現(xiàn)壞芽現(xiàn)象[19]。在穗期，平均相對(duì)濕度與玉米氣象產(chǎn)量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，降水量與氣象產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。在玉米的生長(zhǎng)過(guò)程中，穗期根莖葉的生長(zhǎng)速度極快，幼穗在這個(gè)階段分化，生命活動(dòng)最為旺盛，也是水分需求最多的階段，充足的降水有利于作物生長(zhǎng)[20]。穗期正處于陽(yáng)泉市的汛期，較高的相對(duì)濕度一般伴有降水天氣，因此相對(duì)濕度與降水量對(duì)氣象產(chǎn)量的影響基本一致。花粒期時(shí)氣象產(chǎn)量與相對(duì)濕度和降水量的相關(guān)性不顯著，可能是因?yàn)槌樾邸酀{期玉米耗水量大，但成熟期時(shí)降水過(guò)多會(huì)增加玉米的病蟲害發(fā)病率。

各生育期的日照時(shí)數(shù)除播種期外，均與玉米氣象產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。玉米各生育階段對(duì)日照的需求較高，過(guò)去20 a陽(yáng)泉市日照時(shí)數(shù)減少，玉米光合作用速率減小，有機(jī)質(zhì)積累量減少，造成氣象產(chǎn)量的下降。

3 結(jié)論

（1）2002—2021 年陽(yáng)泉市玉米生育期內(nèi)平均氣溫、日最高最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，氣溫日較差逐漸減小；相對(duì)濕度、光照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，降水量呈上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)均不顯著。突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣溫突變發(fā)生在2014、2015 年，2018 年以后平均氣溫和最低氣溫增溫顯著；相對(duì)濕度在2004 年發(fā)生突變，日照時(shí)數(shù)在2009年發(fā)生突變，降水量無(wú)明顯突變。

（2）2002—2021 年陽(yáng)泉市玉米實(shí)際產(chǎn)量總體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)產(chǎn)量則表現(xiàn)為先快速增加再緩慢減少，2011年后進(jìn)入產(chǎn)量穩(wěn)定期。氣象產(chǎn)量總體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，氣象要素的波動(dòng)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響較大。

（3）平均相對(duì)濕度和最高氣溫對(duì)氣象產(chǎn)量影響最大，達(dá)到極顯著相關(guān)水平，其次為降水量和平均氣溫，為顯著性相關(guān)，而最低氣溫和日照時(shí)數(shù)與氣象產(chǎn)量相關(guān)性不顯著。