大興安嶺東部近30年氣候變化及對玉米、大豆生長發育的影響

王彥平, 陰秀霞, 候 瓊, 曲學斌, 唐紅艷, 陳素華

(1.內蒙古呼倫貝爾市氣象局, 內蒙古 海拉爾 021008; 2.內蒙古生態與農業氣象, 呼和浩特 010051)

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大興安嶺東部近30年氣候變化及對玉米、大豆生長發育的影響

王彥平1, 陰秀霞1, 候 瓊2, 曲學斌1, 唐紅艷2, 陳素華2

(1.內蒙古呼倫貝爾市氣象局, 內蒙古 海拉爾 021008; 2.內蒙古生態與農業氣象, 呼和浩特 010051)

利用內蒙古大興安嶺東部扎蘭屯市、阿榮旗及莫旗農業氣象試驗站近30 a的玉米、大豆生長季(5—9月)氣象觀測資料及產量資料，運用數理統計、小波分析和積分回歸等方法分析了該區域近30 a氣候變化特征及對玉米、大豆生長發育及產量的影響。結果表明：1984—2013年，研究區域生長季平均氣溫呈極顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.552℃/10 a，主要周期為22～26 a，經歷過3次震蕩，有增強趨勢；生長季降水量總體呈下降趨勢，氣候傾向率為25.838 mm/10 a，主要周期為19～24 a，經歷過4次震蕩，有增強趨勢；作物生長季(5—9月)干燥指數總體呈現上升趨勢，氣候傾向率為0.154/10 a，進入21世紀干燥指數呈明顯波動上升趨勢，但近期又處于低值區；氣候變化對大興安嶺東部地區農作物生育期影響不大，作物播種期、收獲期及各發育階段持續天數相對穩定；溫度和降水對不同農作物生長和產量的影響效應不同，對同一種作物不同階段的生長發育影響效應亦不同。

大興安嶺東部; 氣候變化; 農作物; 生長; 產量

國內外研究表明，氣候變化對農業生產產生眾多影響，其中溫度和降水的影響最為顯著[1]。氣溫上升導致的農作物物候期延長、春旱加劇、病蟲害多發，進而影響各類農作物生長、種植面積、作物布局、熟制、產量和品質等[2-4]；降雨量的變化是目前研究全球氣候變化對農業生產影響最為重要的因素，特別對干旱半干旱地區雨養農業意義更為重大[5-7]。

氣候變暖背景下，大興安嶺東部地區農業生產也發生明顯變化，其中較為明顯的表現為玉米種植北界北移，農作物早熟品種種植比例減少，中晚熟品種種植比例增加等[8]。以往對這一區域氣候變化與農作物生長的研究，大部分僅限于某個或幾個氣象要素對農作物生長的影響或對某個生育階段的影響,缺乏系統性，在時間和空間尺度上的代表性較差，尤其缺少針對氣候變化對作物全生育期影響的系統評估。本文選取大興安嶺東部主要農作區的扎蘭屯市、阿榮旗及莫旗近30 a(1984—2013年)生長季氣象數據及相應的玉米、大豆產量數據的平均值作為數據來源，該區域位于大興安嶺東麓的東南端，行政劃分屬于內蒙古自治區呼倫貝爾市，綜合氣候區劃結果顯示，這一區域屬于溫暖半濕潤農牧業區，氣溫較高，無霜期較長，降水量較多，農業氣候資源及農作物種植特點等方面體現了大興安嶺東部地區的典型氣候特征和農作物栽培特點[8]，因此選取該區域進行氣候條件對農作物的影響研究，其結果也基本能代表大興安嶺東部地區氣候條件對玉米、大豆產量的影響情況，在分析近30 a氣候變化的基礎上，運用積分回歸原理對這一地區玉米、大豆全生育期內氣溫和降水對產量影響的效應逐旬進行系統分析，可為這一地區制定適宜的玉米、大豆種栽培措施提供科學依據。

1　資料來源與研究方法

1.1區域自然特征

內蒙古大興安嶺東部位于北緯47.09°—49.81°，東經120.48°—125.27°，屬于中溫帶大陸性半濕潤氣候區，日照充足，雨量豐富，全年太陽輻射總量為4 782.58～5 332.31 MJ/(m2·a)，日照時數2 530～2 875 h，無霜期100～130 d，年平均降水量400～500 mm。氣候特點是春季升溫迅速，干旱少雨；夏季溫熱多雨，但較短促；秋季降溫急劇，霜早；冬季漫長寒冷[8]。該地區是內蒙古東部主要農作區，是玉米、大豆生產基地之一，多年平均年種植面積玉米約86 667 hm2，大豆約200 000 hm2，總產量約玉米約35萬t，大豆約28萬t，所產高油大豆聞名全國。

1.2資料來源

利用大興安嶺東部地區的扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗氣象局1984—2013年作物生長季(5—9月)氣象資料及玉米、大豆生育期農業氣象觀測資料及統計局提供的產量數據，運用數理統計以及積分回歸的方法，分析了大興安嶺東部地區近30 a作物生長季的溫度、降水及日照時數變化規律，及對農作物生長和產量的影響。

1.3研究方法

氣候變化趨勢分析：采用氣候傾向率和小波分析方法。氣候傾向率采用一元線性回歸方程擬合，方程形式：

y=ax+b

(1)

式中:a，b為回歸系數，a的數值和符號反映y上升或下降的變化值，稱之為變化率；小波分析采用有邊界Morlet 小波能量譜分析氣象要素的周期變化特征[9-10]；

作物生長季(5—9月)干燥指數(Ia)分析[11]：

(2)

式中:Ia為地表干燥指數;R為降水量(mm);ET0為最大可能蒸散量(mm)，用彭曼公式計算[12]；

氣象產量采用公式：

Yc=Y-Yt[11-12]

(3)

式中:Yc表示作物氣象產量;Y表示作物實際產量;Yt表示作物趨勢產量;Yt的計算采用逐步回歸和正交多項式結合的方法；

氣候因子對氣象產量的影響分析：采用灰色關聯度和多元回歸相結合的方法，建立氣象產量與氣候因子的多元回歸方程；

積分回歸原理分析溫度、降水對農作物產量的影響效應[13]：數學模型：

(4)

(i=1，2，…，kj=0，1，2，…，m)

(5)

則式(4)可寫為：

(6)

(7)

在實際工作中，計算ρij的公式為：

(8)

式中：n為生物時段。

2　結果與分析

2.1氣候變化特征分析

2.1.1氣溫變化趨勢由圖1A可以看出，全球氣候變暖背景下，大興安嶺東部地區1984—2013年作物生長季(5—9月)平均氣溫呈極顯著上升趨勢(R=0.7083**)，氣候傾向率為0.552℃/10 a，大于近50來全國的增溫速度(0.016 8℃/a)[14-15]；通過小波分析，繪制小波實部圖，見圖1B，該地區年平均氣溫的主要周期為3～7 a，7～11 a和22～26 a，主要周期為22～26 a經歷過3次震蕩，有增強趨勢。

2.1.2降水量變化趨勢由圖2A可以看出，1984—2013年近30 a大興安嶺東部地區作物生長季(5—9月)降水量呈不顯著下降趨勢，氣候傾向率為25.838 mm/10 a，從趨勢曲線可以看出，嶺東地區降水量在1998年達到峰值，之后下降趨勢更為明顯，但2010年后又呈明顯上升趨勢，說明該地區降水量變化較大的特點；小波分析實部圖2B可見，該地區年降水量的主要周期為7～11 a和19～24 a，主要周期為19～24 a經歷過4次震蕩，有增強趨勢。

圖2　大興安嶺東部生長季(5—9月)降水量變化趨勢及其小波變換

2.1.3作物生長季干燥指數變化趨勢由圖3可見，大興安嶺地區近30 a作物生長季(5—9月)干燥指數呈現不顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.137/10 a；20世紀80—90年代，干燥指數年際間波動較小，且處于一個相對濕潤期，進入21世紀干燥指數呈明顯波動上升趨勢，但近期又處于低值區，表明近期該地區氣候相對濕潤。

2.2氣候變化對作物生長發育及產量的影響

2.2.1氣候變化對作物發育期的影響從播種—成熟，玉米和大豆全生育期間隔日數均呈逐年減小的趨勢(圖4)，線性擬合傾向率分別為-0.424 d/10 a和-0.096 d/10 a，但均未通過顯著性檢驗；兩種作物全生育期間隔日數與全生育期日平均氣溫均呈不顯著的負相關，即隨著生育期氣溫的逐年升高，玉米、大豆全生育期間隔日數有縮短的趨勢；但總體上，氣候變化對大興安嶺東部地區農作物全生育期間隔日數影響不顯著，多年觀測資料表明，農作物播種期和收獲期相對穩定，玉米、大豆播種期多年平均值分別為5月17日和5月11日，收獲期分別為9月18日和9月22日，且全生育期各發育階段持續天數變化也不明顯。

圖3　大興安嶺東部作物生長季(5—9月)干燥指數變化趨勢

2.2.2氣候變化對作物產量的影響分析1984—2013年研究區域氣候因子與玉米、大豆的氣象產量，得出該區域玉米、大豆氣象產量與氣象因子的灰色關聯系數及多元回歸方程，見表1—2。

影響玉米氣象產量的主要氣象因子的關聯序為：大于10℃活動積溫>大于2℃的無霜期>5—9月降水量>7月中旬平均氣溫>5—9月平均氣溫，利用這5個因子建立的多元回歸方程達0.01顯著水平；影響大豆氣象產量的主要氣象因子的關聯序為：大于10℃活動積溫>大于2℃的無霜期>5—9月降水量>7大于20℃活動積溫>日平均氣溫大于20℃持續天數，利用這5個因子建立的多元回歸方程達0.05顯著水平；可見，研究區域大于10℃活動積溫、大于2℃的無霜期和5—9月降水量是農作物產量的關鍵影響因子，對于雨養農業區生育期間的水熱同步是農作物生育及產量形成的主要限制因子。

表1　玉米氣象產量與氣象因子的灰色關聯系數及多元回歸方程

表2　大豆氣象產量與氣象因子的灰色關聯系數及多元回歸方程

2.2.3積分回歸氣候模型的建立利用積分回歸原理，對大興安嶺東部地區玉米、大豆產量與該地區生長期內的日平均氣溫之間的關系逐旬進行定量分析。

(j=0，1，2，3，4，5)

(9)

(j=0，1，2，3，4，5)

(10)

(11)

按式(8)計算歷年溫度、降水的的ρj值，2要素的ρj值統一編號，令ρ0—ρ5為溫度項，ρ6—ρ11為降水項，同時令Yc=12，建立多元回歸方程，得出溫度、降水的時間分布對、玉米大豆產量的影響效果。玉米產量與四個自變量的回歸方程為：Y=-89.312-0.37ρ2-0.005ρ4-0.000 077 51ρ10-0.000 059 25ρ11(R=0.625，0.01顯著水平)，對玉米產量有顯著影響的是溫度的2次項和4次項，降水的10次項和11次項，它們的綜合作用構成玉米的產量預報方程；大豆產量與4個自變量的回歸方程為：Y=-394.410-0.158ρ2-0.012 8ρ4-0.008ρ8+0.001ρ9(R=0.429，0.05顯著水平)，對大豆產量有顯著影響的是溫度的2次項和4次項，降水的8次項和9次項，它們的綜合作用構成大豆的產量預報方程。

根據以上玉米、大豆產量預報方程可得溫度、降水對玉米、大豆產量的影響變率a(t)值，得出氣溫、降水對玉米、大豆產量的影響變率aT(t)曲線和aR(t)曲線。

(1) 溫度變化對作物產量的影響。分析aT(t)溫度曲線圖5A可知，按歷年平均發育期，玉米播種—出苗(5月中下旬)溫度對其生長發育為正效應，aT(t)值為2.69～38.68 kg/(hm2·℃)，在一定溫度范圍內，玉米播種到出苗的間隔時間隨著溫度的升高，出苗速度加快，出苗時間縮短，若溫度持續偏低則會延遲種子發芽出苗，造成粉種現象，影響產量；營養生長時期，即三葉—拔節(6月上旬—7月上旬)階段，在一定溫度范圍內，溫度越高，生長越快，縮短玉米營養生長期，發育期提前，此期溫度對玉米生長發育為明顯的負效應，aT(t)值為-16.51～-6.48 kg/(hm2·℃)，說明此期熱量有盈余，溫度過高，生長過快，植株瘦弱，將會造成植株后期生長不良，影響產量；進入生殖生長階段，抽雄—乳熟(7月下旬—8月下旬)，溫度對玉米生長發育均為正效應，aT(t)值6.48～16.94 kg/(hm2·℃)，溫度對玉米開花、吐絲影響較大，是玉米一生中要求溫度較高的時期，此期適當高溫，有利于玉米旺盛生長和雄穗的正常分化，形成壯桿大穗，是高產的基礎；玉米進入乳熟—成熟階段(8月下旬—9月下旬)，溫度對玉米生長發育為負效應，aT(t)值為-38.68～-2.69 kg/(hm2·℃)，可能是由于此期溫度過高，不利于養分向子粒運輸和積累，導致子粒灌漿不良，出現癟粒，甚至出現高溫逼熱造成減產。

圖5　溫度對玉米、大豆產量的影響效應

分析aT(t)溫度曲線圖5B可知，按歷年平均發育期，大豆播種—出苗—分枝(5月中下旬—7月上旬)溫度對其生長發育以負效應為主，aT(t)值為-0.43～-10.28 kg/(hm2·℃),此期溫度不宜過高；營養生長后期和生殖生長時期，即分枝—開花—結莢—鼓粒(7月中旬—9月上旬)階段，溫度對大豆生長發育均為明顯的正效應，aT(t)值為0.43～10.28 kg/(hm2·℃)，此期熱量不足對產量影響較大；鼓粒后期—成熟(9月中下旬)，溫度對其生長發育為負效應，aT(t)值為-2.72～-27.19 kg/(hm2·℃)，此期高溫對干物質積累不利，會造成減產，但溫度應在適宜指標范圍之內。

圖6　降水對玉米、大豆產量的影響效應

(2) 降水量變化對作物產量的影響。分析aR(t)降水曲線圖6A可知，降水量對玉米生長發育的影響遠遠小于溫度的影響，aR(t)值范圍在±0.03～±0.14 kg/(hm2·mm)。玉米苗期，出苗—三葉(5月中旬—6月上旬)降水對其生長發育為負效應，aR(t)值為-0.13～-0.06 kg/(hm2·mm)，說明苗期適當干旱有利于玉米根系生長,該期降水量完全可以滿足玉米苗期對水分的要求；三葉—拔節(6月中旬—7月上旬)，降水對玉米生長發育為正效應，aR(t)值為0.03～0.09 kg/(hm2·mm)，此期雨季尚未來臨，是大興安嶺東部地區較為干旱的季節，干旱會影響玉米生長發育，延緩玉米發育期，對產量形成不利，此期抗旱保墑應是玉米栽培中的首要農業措施；抽雄—吐絲(7月中旬—8月中旬)，降水對玉米生長發育為不明顯的負效應，aR(t)值為-0.09～-0.03 kg/(hm2·mm)，此期是玉米一生需水量最多的時期，為玉米的需水臨界期，此期正值降雨集中季節，完全可以滿足玉米生殖生長的需要，良好的雨熱匹配是該地區玉米持續高產的重要原因；玉米進入灌漿—乳熟期后(8月下旬—9月下旬)降水對其生長發育以正效應為主，aR(t)值為0.06～0.13 kg/(hm2·mm)，此期已進入秋季雨水偏少階段，應適時灌水，防止葉片早衰，提高光合強度，減少敗育粒，提高產量。

分析aR(t)降水曲線圖6B可知，大豆播種—開花(5月中旬—7月下旬)降水對其生長發育以正效應為主，aR(t)值為1.79～12.89 kg/hm2·mm，且5月中旬—6月中旬正效應最大，表明大豆幼苗期干旱對產量影響最大，苗期充足的水分供應是高產的基礎；大豆結莢后至成熟初期(8月上旬—9月中旬)，降水對其生長發育為負效應，aR(t)值為-12.89～-5.00 kg/(hm2·mm)，降水過多，會造成落花落莢，造成減產；成熟中后期降水對其生長發育為正效應，aR(t)值為7.83 kg/(hm2·mm)，水分不足會使單株秕莢數大大增加,影響產量。

3　討 論

(1) 氣候變暖背景下，大興安嶺東部地區熱量條件能充分滿足玉米、大豆生長發育的需求，且在玉米三葉—拔節、乳熟—成熟階段，大豆播種—出苗—分枝、鼓粒后期—成熟階段表現為負效應，這與以往的一些研究結果“溫度對玉米各階段生長發育的影響呈顯著的線性關系，溫度升高利于玉米生長發育”不太一致，并非溫度升高利于喜溫作物各個發育階段的生長，個別發育階段也表現負效應。大興安嶺地區氣候冷涼，玉米、大豆種植均以早熟或極早熟品種為主，對熱量要求不高，特別是苗期和成熟期適當低溫可以延長營養生長時間和灌漿時間，形成壯苗，灌漿充分，籽粒飽滿。本文得出的結論體現出氣候冷涼地區種植喜溫作物，溫度在不同生育階段對產量影響的獨特效應，在以往的研究中較為少見。

(2) 大興安嶺東部地區氣候變化對玉米、大豆的生育期間隔日數變化影響不大，這一結果與張潔等[16]的研究結果“氣候變暖使玉米播種期提前，玉米的生育期延長”不同。分析主要有兩方面原因：其一，栽培品種的不斷更換，一些研究表明“當品種不斷更替時，玉米的產量潛力呈上升的趨勢，新玉米品種從開花到成熟生育階段天數延長，成熟期生物量和收獲指數增大有利于產量的提高”。因此，由于高產優質品種的不斷育成，品種更替日益頻繁，由此帶來對農業氣象觀測的不利影響，造成農作物生育期間隔日數的不確定，使本文的研究結果欠妥，今后需在了解具體品種更換年份、品種特點等基礎上進行深入研究：其二，傳統的栽培方式導致種植部門保持相對統一的播期和收獲期，以避免該區域頻發的春旱和早晚霜對作物的不利影響，降低對由于早播和晚收造成減產的風險，因此也會影響生育期觀測的準確性，因此，本文對氣候變化對作物生育期的影響方面，有待于進一步細化研究。

4　結 論

(1) 大興安嶺東部地區近30 a作物生長季平均氣溫呈極顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.552℃/10 a；主要周期為22～26 a經歷過3次震蕩，有增強趨勢。

(2) 生長季降水量總體呈下降趨勢，氣候傾向率為25.838 mm/10 a；主要周期為19～24 a經歷過4次震蕩，有增強趨勢；作物生長季(5—8月)干燥指數總體呈現上升趨勢，氣候傾向率為0.137/10 a，近期處于低值區，氣候相對濕潤。

(3) 氣候變化對大興安嶺東部地區農作物全生育期間隔日數影響不明顯，多年觀測資料表明，農作物播種期和收獲期相對穩定，且全生育期各發育階段持續天數變化也不明顯。

(4) 灰色關聯及多元回歸分析結果表明，研究區域大于10℃活動積溫、大于2℃的無霜期和5—9月降水量是農作物產量的關鍵影響因子，對于雨養農業區生育期間的水熱同步是農作物生育及產量形成的主要限制因子

(5) 溫度和降水對不同農作物生長和產量的影響效應不同，對同一種作物不同階段的生長發育影響效應亦不同。分析表明：溫度對玉米播種—出苗、抽雄—乳熟階段生長發育的影響為正效應，對三葉—拔節、乳熟—成熟階段為負效應；溫度對大豆播種—出苗—分枝、鼓粒后期—成熟階段生長發育的影響為負效應，對分枝—開花—結莢—鼓粒階段均為正效應。降水對玉米生長發育的影響遠遠小于溫度的影響，對玉米出苗—三葉、抽雄—吐絲階段生長發育的影響為負效應，對三葉—拔節及乳熟階段生長發育的影響為正效應；降水對大豆播種—開花和成熟中后期的影響為正效應，大豆結莢后至成熟初期，降水對其生長發育為負效應。

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Influence of Climate Change on Corn and Soyben in Eastern Da Hinggan Mountains over the Last 30 Years

WANG Yanping1, YIN Xiuxia1, HOU Qiong2, QU Xuebin1, TANG Hongyan2, CHEN Suhua2

(1.HulunBeierWeatherBureauofInnerMongolia,Hailaer,InnerMongolia021008,China;2.TheEcologicalandAgriculturalMeteorologyCenterofInnerMongolia,Hohhot010051,China)

Based on the data of meteorological observation and yields during the corn and soybean growth periods (i. e. from May to September) over the past 30 years in the county of Zhalantun, Arong, Molidawa, east of Da Hinggan Mountains, Inner Mongolia, using the mathematical statistics, wavelet analysis and integral regression methods, we analyzed the characteristics of climate change which influences on growth, development, and yields of corn and soybean. The results show that from 1984 to 2013 the average temperature in growth periods significantly increased in the above mentioned regions, the climate tendency rate was 0.552℃/10 years, climate experienced three oscillation per 22～26 years as a main cycle, which show the enhanced trends. Accordingly, in the same time, the precipitation shows overall downward trend, the climate tendency rate is 25.838 mm/10 years, four oscillations of climate form a main cycle per 19～24 years, which shows increasing trends. Likewise, the aridity index shows overall rising trend, the climate tendency rate is 0.154/10 years, in the 21stcentury, the aridity index shows significantly fluctuating d increase, but presents the low value range recently, climate change has no significant influence on the crop growth and development stage in east of Da Hinggan Mountains, the sustained days of sowing, harvesting date and different developmental stages were relative stabilization. Temperature and precipitation have different influences on the growth and yield of different crops, even for growth and development of the same crop at different stages.

eastern Da Hinggan Mountains; climate change; crops; growth; yields

2015-07-05

2015-07-15

王彥平(1977—),女,內蒙古錫盟人,碩士,副研級高級工程師,主要從事農牧業氣象研究。E-mail:fei_ping@sohu.com

S532；S162

A

1005-3409(2016)04-0325-06