毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶氣候變化對玉米產量的影響*

高 娟，馮靈芝，張建康，王 云，曹 梅，常善剛

(1.陜西省榆林市氣象局，榆林 719000； 2.陜西省西安市氣象局,西安 710016)

·糧食安全·

毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶氣候變化對玉米產量的影響*

高 娟1，馮靈芝1，張建康1，王 云1，曹 梅2，常善剛1

(1.陜西省榆林市氣象局，榆林 719000； 2.陜西省西安市氣象局,西安 710016)

基于1971～2012年榆林市氣象數據和玉米產量數據，分析過去42年毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶玉米生長期內氣候因子的變化趨勢，并利用一階差分法、相關分析、多元逐步回歸法分析各生育階段氣候因子對玉米產量的影響。研究結果表明：過去42年，玉米生長期內熱量資源呈顯著增加的趨勢，生長期平均溫度、平均最高溫度和平均最低溫度分別增加0.24℃/10 a、0.26℃/10 a 和0.32℃/10 a，降水量、光照時數無顯著變化。一階差分、回歸分析結果表明，玉米產量與全生長期平均溫度、平均最高溫度、積溫呈極顯著的負相關，其中與平均溫度相關系數最大，全生長期溫度每升高1℃，玉米減產835.5kg/hm2； 與降水量變化呈顯著正相關，降水量每增加100mm，玉米增產364.7kg/hm2； 與日照時數變化呈負相關，日照時數每增加100h，玉米減產325.8kg/hm2。各生育階段中，出苗-三葉期至灌漿乳熟期的平均最高溫度、平均溫度及苗期日照對玉米產量產生負影響，七葉-拔節期的降水和成熟期的平均最高溫度對玉米產量產生正影響； 多元逐步回歸模型分析結果表明，顯著影響玉米產量的是抽雄-開花期和灌漿-乳熟期平均最高溫度、拔節期降水量、出苗-三葉期日照，模型能夠解釋毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶玉米56%的產量變化。

毛烏素沙漠 黃土高原 一階差分 氣候變化 玉米產量

0 引言

氣候變暖已成為國際公認事實，政府間氣候變化專門委員會第5次評估報告再次指出氣候變暖，特別是從20世紀50年代以來，變暖趨勢尤為明顯，并且較IPCC第4次評估報告結果有進一步升高之勢[1]。氣候變暖會影響到農業、生態、經濟等一系列問題[2-3]。國內外大量研究表明，氣候變化給農業帶來巨大挑戰，對糧食產量、種植布局、生產管理等方面會造成不利影響，增大未來農業生產的不穩定性[4-5]。各氣候因子中，溫度、降雨、光照等因子變化對玉米種植的影響較大，玉米更易受到氣候變化的負影響，影響幅度具有區域差異性。王柳等的研究指出，黃土高原及周邊地區平均溫度上升1℃，玉米平均減產21.6%[6]，呂碩等的研究表明，對于同一品種，溫度升高可使玉米產量潛力下降22%～26%[7]，侯艷林等通過試驗研究表明，氣候變化對玉米單產呈負面影響[8]，李言照的研究表明光、溫因子對玉米產量影響極大[9]，吉相臣等人研究中提到，在不澇不旱范圍內，玉米產量與降水量呈正相關[10]，杜軍等研究表明，氣候變暖加劇了氣候暖干化發展，使玉米播種期提前[11]，屈洋等人研究指出，平均最高溫度變化對關中西部玉米產量影響最大[12]，扈艷萍等的研究指出，在發育期內的降水對遼寧地區玉米產量影響最大[13]，馬雅麗等研究則指出，生長前期降水對山西地區玉米的影響最顯著[14]。

毛烏素沙漠和黃土高原過渡帶，生態環境脆弱，榆林境內西北部為毛烏素風沙草灘區，東南為黃土丘陵溝壑區。玉米是榆林現代特色農業主導作物，常年播種面積10.666 7萬hm2，玉米年產量占全市糧食總產量的近50%，成為全市總產量第一的大宗農作物，玉米種植收入是當地種糧農民的重要經濟來源。氣候變暖對生態環境脆弱區極為不利[15]。大量研究表明，氣候變暖，積溫增多，有使榆林農耕期、作物生長期延長的趨勢[16]，而關于榆林氣候變化對玉米生長及產量的影響研究仍較少見，因此，文章基于1971～2012年氣候因子和玉米產量數據，研究過去42年玉米生長期內溫度、降水、光照的變化趨勢，并分析氣候因子對玉米產量的影響，為合理利用氣候資源、保障玉米生產安全提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域與數據來源

圖1 榆林市12縣區氣象觀測站點和農氣觀測站點分布

毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶主要分布于陜西省北部榆林市境內，因此，該研究將榆林地區作為研究區域，圖1為榆林市12縣區氣象觀測站點和農氣觀測站點分布圖。該區域面積4.357 8萬km2，屬于暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均溫度9.6℃，年降水量404.5mm。

氣象數據來源于榆林12個縣級地面氣象觀測站1971～2012年逐日觀測資料，其中平均溫度采用逐日4次定時觀測氣溫的平均值。對逐日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度，日降水量、日照時數統計得到各要素逐月資料，即月平均溫度、月平均最高溫度、月平均最低溫度、月總降水量、月總日照數據等。

玉米生育期數據來源于榆陽區和綏德縣2個農氣觀測站1999～2012年的農氣觀測記錄，包括播種，出苗，三葉，七葉，拔節，抽雄，開花，吐絲，灌漿乳熟，成熟10個生育期。由于區域和年際差異性，該研究以5～9月為玉米生長期，榆陽區和綏德縣的生育期數據作為玉米生育期數據，并根據玉米生長特性，將全生育期劃分為5個生育階段，分別為出苗-三葉期，七葉-拔節期，抽雄-開花期，灌漿-乳熟期，成熟期。

玉米產量數據來源于榆林市統計局統計年鑒1971～2012年玉米產量數據。

1.2 研究方法與指標

1.2.1 氣候傾向率

采用氣候傾向率作為氣候因子年際變化趨勢指標，采用一元線性回歸方程描述：

Xi=a+bti(i=1,2,3,4,5，…，n)

(1)

其中，Xi為因變量，ti為自變量，i為年序號，ɑ為回歸常數，b代表氣候傾向率，ɑ、b用最小二乘法估計。

1.2.2 0-1標準化方法

(2)

其中，Xi表示因子數值，i為年序號，max(X)為樣本數據的最大值，min(X)為樣本數據的最小值。min-max標準化對基礎數據進行標準化處理，對原始數據作線性變換，使結果落到[0,1]區間。

1.2.3 一階差分法

目前相關文獻中，消除玉米產量趨勢效應常采取的方法主要有直線滑動平均法分離趨勢產量、試驗田定位觀測、一階差分法等[17]。Liu Y等人的研究表明，一階差分法與直線滑動平均法在消除技術改進、品種更替等緩慢變化對作物產量的影響時，其最終結果大致相同[18]。由于一階差分法較直線滑動平均法計算方法簡便，因此該文對玉米產量采用一階差分法進行處理，其計算公式為：

ΔYi+1=Yi+1-Yi(i=1,2,3…n)

(3)

其中，Yi+1為第二年產量值，Yi為當年產量值，i為年序號。采用第二年產量值減去當年產量值，趨勢產量在求差值計算中已包含在實際產量中被消除，得到的差值即為氣象因子變化引起的產量變化。

1.2.4 多元逐步回歸模型

Y=a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5+…anXn+b0

(4)

式中，Y代表玉米產量，X1，X2，X3…Xn分別代表各氣候因子，n表示氣候因子個數。a代表回歸系數，b0為常數項。采用SPSS19.0軟件進行統計分析，選用多元逐步回歸法，設置F<0.05 進入，F>0.1剔除。

研究首先基于1971～2012年榆林市氣象數據和玉米產量數據，分析過去42年毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶玉米發育期內氣候因子的變化趨勢； 其次，利用一階差分法消除趨勢產量，同時對玉米全生長期、各關鍵發育階段平均溫度、平均最高溫度、平均最低溫度、降水量、日照時數進行一階差分處理，用相關分析法研究玉米產量變化與生長期各氣候因子變化的相關性，定量分析各氣候因子變化對玉米產量的影響； 研究各關鍵生育階段對應月的氣候因子變化與產量變化的相關關系； 再次，對玉米產量數據進行標準化處理，構建各發育期的逐步回歸模型，進一步分析各發育期氣候因子對玉米產量的綜合影響。

2 結果與討論

2.1 玉米生長期內氣候變化

圖2為1971～2012年榆林玉米生長期氣候因子年際變化，由圖2a可見,1971～2012年榆林玉米生長期平均溫度、平均最高溫度和平均最低溫度均呈現明顯上升趨勢，上升幅度分別為0.24℃/10a、0.26℃/10a和0.32℃/10a，均達到了極顯著水平(P<0.01)，最低溫度上升速度高于最高溫度和平均溫度，生長期(≥10℃)積溫增多趨勢達到極顯著水平，上升幅度達68.63 ℃·d/10a[16]。

圖2 1971～2012年榆林玉米生長期氣候因子年際變化

由圖2b可見，過去42年，玉米生長期內降水量有緩慢上升趨勢(5.3mm/10a)，總日照時數有下降趨勢(17h/10a)，但變化趨勢均未達到顯著。表1為1971～2012年各縣區玉米生長期平均溫度和平均最高溫度變化趨勢，由表1可見，玉米生長期內的平均溫度和平均最高溫度一致呈上升趨勢，各縣區變化趨勢差異較大，空間上表現為溫度增加速率由東南向西北遞增，其中東南部的佳縣、綏德、吳堡、清澗平均溫度上升趨勢未通過顯著性檢驗，西北部的神木、榆陽、府谷、橫山、靖邊、定邊增加0.19～0.42℃/10a； 榆陽、佳縣平均最高溫度未通過顯著性檢驗，其余10個縣增加0.21～0.35℃/10a，說明平均最高溫度升高更為普遍，西北部的神木、府谷、橫山、靖邊、定邊增加0.24～0.35℃/10a。

神木縣的平均溫度和平均最高溫度上升趨勢最大，平均溫度、平均最高溫度分別增加0.42℃/10a,0.35℃/10a，均達到極顯著水平(P<0.01)； 佳縣的平均溫度和榆陽區平均最高溫度升高速率最小，未通過顯著性檢驗。

表1 1971～2012年各縣區玉米生長期平均溫度和平均最高溫度變化趨勢 ℃/10 a

2.2 氣候因子變化對玉米產量的影響

圖3 1971～2012年榆林市玉米單產變化

圖3為1971～2012年榆林玉米單產變化圖，由圖3可見，過去42年榆林市玉米單產在波動中有急劇上升的趨勢，平均逐年增加92.41kg/hm2。研究采用一階差分法消除技術進步、種植制度、品種更替等因素的影響，分析玉米單產變化量與生長期溫度、降水、日照變化量的關系。

2.2.1 生長期各氣候因子變化對玉米產量的影響

基于1971～2012年的玉米單產數據與生長期各氣候因子，通過一階差分、相關分析法計算逐年玉米單產變化和各氣候因子變化的相關關系，采用回歸分析法研究各氣候因子變化對產量的影響，結果如圖4所示。

由圖4可見，榆林地區玉米產量對生長期內的平均溫度、平均最高溫度、積溫等氣候因子變化較敏感，總體來說表現為氣候變暖對玉米產量有負影響，其次降水量、日照時數的變化對玉米也有顯著影響，日照時數增多對玉米產量不利，降水量增多則利于玉米增產。各因子對玉米產量的影響具有差異性。其中，對玉米產量變化產生極顯著負影響的是平均溫度變化(P<0.01)，平均溫度每升高1℃，產量減少835.5kg/hm2(圖4a)； 其次為平均最高溫度(P<0.01)，生長期內最高溫度每升高1℃，產量減少617.1kg/hm2(圖4c)； 再次為積溫變化(P<0.01)，生長期積溫每增加100℃·d，玉米減產255.3kg/hm2(圖4b)； 最低溫度變化對玉米產量變化影響未達到顯著水平(圖4d)。

其次為日照時數變化對玉米產量變化有顯著負影響(P<0.05)，日照時數每增加100h，玉米減產325.8kg/hm2(圖4f)。

對玉米產量變化產生顯著正影響的是生長期平均降水量(P<0.05)，降水量每增加100mm，使玉米產量增加364.7kg/hm2(圖4e)。

此結果與王柳、呂碩、吉相臣等人的研究結果趨向一致，KucharikCj等人對于美國威斯康星州30年氣候變化與玉米產量的分析也表明，夏季溫度每升1℃，會使得產量下降近13%，而氣候變涼、降水增多可提高玉米生產[19]，王春春等人研究也指出，溫度升高導致玉米減產，一方面可能因溫度升高，使生育期變短，致灌漿不足有關，另一方面也可能因溫度升高使水分散失，干旱風險增大，影響玉米生長[20]。榆林玉米生長期內，如何適應氣候變暖成為玉米穩產增產急需關注的問題。

圖4 1971～2012年榆林市玉米產量變化與生長期氣候因子變化的關系

2.2.2 不同發育階段各氣候因子變化對玉米產量的影響

基于榆林地區1971～2012年的玉米單產數據與玉米出苗-三葉、七葉-拔節、抽雄-開花、灌漿-乳熟、成熟5個關鍵生育期氣候因子，利用一階差分法建立逐年玉米單產變化值與各階段氣候因子變化值的對應序列，采用相關分析、回歸分析研究不同發育階段各氣候因子對玉米產量的影響。

表2為5～9月逐月對應的關鍵生育期平均溫度、平均最高溫度、平均最低溫度、降水量、日照時數變化與產量變化的相關系數表，由表2可見，榆林地區玉米產量與5個關鍵發育期中出苗-三葉期的平均溫度、日照時數、七葉-拔節期的平均溫度、平均最高溫度、抽雄-開花期的平均溫度、平均最高溫度呈極顯著負相關(P<0.01)，與出苗-三葉期平均最高溫度、灌漿-乳熟期平均溫度、平均最高溫度、成熟期降水量呈顯著負相關(P<0.05)； 與七葉-拔節期降水量呈極顯著正相關(P<0.01)，與成熟期平均最高溫度呈顯著正相關(P<0.05)。各發育階段的平均最低溫度與產量的相關性不明顯。

利用多元逐步回歸法分析標準化處理的玉米產量逐年變化數據和5個關鍵生育階段5個氣象因子共25個因子逐年變化值，分別用X1、X2、X3、X4、X5、…X25表示25個因子，構建模型如式(5)所示，以進一步分析多因子對玉米產量的綜合影響。

ΔY=0.385ΔX7-0.267ΔX19-0.331ΔX3-0.273ΔX14+0.890

(5)

其中,5個生育階段分別為出苗-三葉、七葉-拔節、抽雄-開花、灌漿-乳熟、成熟期,5個氣象因子分別為平均溫度、平均最高溫度、平均最低溫度、降水量、日照時數。多元逐步回歸模型中，ΔY代表玉米逐年產量差，ΔX7表示七葉-拔節期降水變化值，ΔX19表示灌漿-乳熟期平均最高溫度變化值，ΔX3代表出苗-三葉期日照變化值，ΔX14代表抽雄開花期的平均最高溫度變化值。F=11.235，P<0.01，模型達到極顯著。

由式(5)可知，玉米各發育階段中，拔節期的降水量，灌漿-乳熟期、抽雄-開花期平均最高溫度、苗期的日照是影響玉米產量的主導因子。R2=0.56，說明這些因子變化對玉米產量的影響貢獻可達56%。

綜合各發育階段氣候因子變化與產量的關系，榆林地區玉米從出苗到乳熟期，平均溫度、平均最高溫度變化對產量的影響不容忽視，特別是抽雄-開花期，正值榆林高溫頻發期，持續高溫極易導致玉米“卡脖旱”，影響玉米授粉； 灌漿-乳熟期的高溫會影響養分運輸，使顆粒瘦秕，粒重減輕； 七葉-拔節期是玉米需水關鍵期，而此時榆林進入初夏，如苗期蓄水不足，易產生春夏連旱、初夏干旱，應適時灌溉，以滿足玉米生長的水分需求； 玉米成熟期，籽粒干物質累積對熱量需求高，而此時期榆林多連陰雨、秋淋天氣，會間接導致溫度、日照下降，影響籽粒質量。關注各發育階段的氣象因子變化，應對并減緩各關鍵期的不利因子對玉米種植的負面影響是玉米種植管理需重點關注的問題。

采用2013、2014年氣象數據及產量數據驗證模型準確性，結果及誤差見表3?？梢姌嫿ɑ貧w模型檢驗2013、2014年玉米產量的誤差分別為5.1%、4.5%，但由于玉米產量變化的影響因素眾多，該文僅針對氣候變化宏觀影響進行探討，對氣象災害、耕作變化等的影響未能考慮在內，有待于今后更進一步研究。

表2 玉米產量變化與各發育期氣候因子變化的相關分析

發育期平均溫度平均最高溫度平均最低溫度降水量日照時數出苗-三葉期-0.446**-0.377*-0.3020.135-0.433**七葉-拔節期-0.438**-0.446**-0.2700.539**-0.294抽雄-開花期-0.493**-0.546**-0.1950.094-0.304灌漿-乳熟期-0.359*-0.342*-0.2160.029-0.30成熟期0.2580.396*-0.046-0.368*0.144 注:*表示通過0.05顯著性檢驗,**表示通過0.01顯著性檢驗

表3 回歸模型精度檢驗

年份ΔX7(mm)ΔX19(℃)ΔX3(h)ΔX14(℃)ΔY(kg/hm2)預測產量(kg/hm2)實際產量(kg/hm2)誤差(%)2013-20.5-1.7-34.4-3.81130737870205.12014-28.5-1.836.41.6598761872904.5

3 結論與討論

(1)1971～2012年，毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶玉米生長期內平均溫度、平均最高溫度、平均最低溫度等氣候因子年際變化均呈現極顯著的上升趨勢，上升幅度分別為0.24℃/10a、0.26℃/10a和0.32℃/10a，在空間上表現為升溫速率由東南向西北遞增。生長期內降水量有緩慢上升趨勢，總日照時數有下降趨勢，變化不明顯。

(2)過去42年，玉米產量與生長期各氣候因子呈極顯著負相關的是平均溫度、平均最高溫度、積溫，與平均溫度的相關系數最高，平均溫度每升高1℃，造成產量減少835.5kg/hm2，其次為平均最高溫度，平均最高溫度每升高1℃，產量減少617.1kg/hm2。玉米產量與生長期降水量變化呈正相關，降水量每增加100mm，使玉米產量增加364.7kg/hm2； 與日照時數變化呈負相關，日照時數每增加100h，玉米減產325.8kg/hm2。

(3)在各個發育階段，玉米產量與出苗-三葉期平均溫度、日照、與七葉-拔節期平均溫度、最高溫度、與抽雄-開花期平均溫度、最高溫度均呈極顯著負相關，與七葉-拔節期降水量呈極顯著的正相關，其次與成熟期平均最高溫度顯著正相關。

(4)各發育階段的各氣候因子變化綜合作用時，苗期日照、拔節期降水量，抽雄開花期的平均最高溫度和灌漿-乳熟期的平均最高溫度是影響玉米產量的主要因子，這些因子變化對玉米產量的影響貢獻可達56%。用2013、2014年的實際產量和氣象因子數據驗證模型效果良好。

全球氣候變化背景下，榆林玉米生長期氣候變化與全球氣候變暖趨勢一致，榆林作為西北干旱區，降水本來就少，溫度升高可致干旱加劇，自然降水更難以補足作物生長所需水分，對玉米產量安全提出挑戰。特別是抽雄-開花、灌漿-乳熟期等生育關鍵期缺少水分供給可造成玉米雄穗敗育，粒重減輕，而成熟期降水過多不利于干物質積累，造成產量下降[21]。盡管施肥能促進增產，但也只有在降水量充足的情況下才能有明顯的增產成效[22]，可從一定程度上降低種植成本[23]。靳英華等人研究指出，早播可以促進玉米根系生長[24]，使根系扎入墑情較好層次。不同播種期能給玉米生長配置特定的氣候條件組合，段金省研究指出，灌漿-乳熟期若與一年中降水最多時段吻合，有助于提高灌漿效果[25]。輻射增多雖然能促進有機物質轉移并增產，但榆林光照資源豐富，輻射過強時引起蒸騰加劇，容易形成高溫干旱使玉米減產。因此應對氣候變暖，避免干旱風險，是榆林玉米生產需重點關注的問題，對穩定玉米生產尤為重要。

為有效應對氣候變暖，榆林地區一方面應盡可能順應自然，積極研究、嘗試引進抗逆抗旱及晚熟品種，另一方面應加強水利建設，擇時灌溉，開展人工增雨彌補玉米生長所需水分。同時更要加強田間管理技術研究，根據溫度、降水的監測和預報信息，選擇合理播期，為玉米種植贏得有利氣候條件，配以播前催芽、合理的種植密度、覆膜等栽培技術，可規避低溫冷害、高溫、干旱風險。

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EFFECT OF CLIMATE CHANGE ON CORN YIELD IN YULIN, NORTH SHAANXI PROVINCE OF CHINA*

Gao Juan1，Feng Lingzhi1，Zhang Jiankang1，Wang Yun1, Cao Mei2，Chang Shangang1

(1.Yulin Meteorological Bureau of Shaanxi province，Yulin 719000, China； 2.Xi′an Meteorological Bureau of Shaanxi province，Xi′an 710016, China)

The study analyzed the effects of climate change on corn yield in Yulin, the typical ecotone between Mu Us desert and Loess Plateau in north Shaanxi province of China, based on the meteorological data and statistics data from 1971 to 2012. The methods of first order difference, correlation analysis and multiple liner regression were used. The results showed that the heat resource for whole corn growth period increased significantly during the past 42a. The average temperature, average maximum temperature and mean minimum temperature increased by 0.24℃/10a, 0.26℃/10a and 0.32℃/10a, respectively. The changes of precipitation and sunlight hours were not as obvious as the temperature during the corn growth period. The average temperature, average maximum temperature, accumulated temperature had significant negative correlation with maize yield.The correlation coefficient between maize yield and the average temperature was the biggest. Whenthe average temperature increased by 1℃, maize yield would decrease by 835.5 kg/hm2; However, the precipitation increased by 100mm, maize yield would increase by 364.7kg/hm2;and when the sunlight hours increased by 100h, maize yield would decrease by 325.8kg/hm2. For the each growth stage, the average maximum temperature, average temperature from three leaves stage to milking stage, and the sunlight hours at seedling stage had negative influence on the yield of maize. The precipitation at the seven leaves-jointing stage and the average maximum temperature at the maturity showed positive effect on maize yield. The average maximum temperature during pumping male flowering and maturity stage, the precipitation of jointing stage, and the sunlight hours during the seedling-three leaves stage had significant influence on the maize yield.The model can explain the 56% change of maize yield in the typical ecotone between Mu Us desert and Loess Plateau.

Mu Us Desert; Loess Plateau; first order difference; climate change; corn yield

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161218

2016-03-10

高娟(1980—)，女，陜西榆林人，碩士、高級工程師、副主任。研究方向：氣象為農服務管理及氣象減災服務工作。Email： 158749792@qq.com

*資助項目：榆林市科技局2015年技術研究與發展計劃項目“榆林氣候變化對玉米產量的影響及增產技術研究”(2015JH-Z0)

S16; S513

A

1005-9121[2016]12-0118-08